JP2008251246A

JP2008251246A - 固体酸化物形燃料電池用構造体及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池

Info

Publication number: JP2008251246A
Application number: JP2007088571A
Authority: JP
Inventors: Kazufumi Kotani; 和史小谷; Kuniaki Yoshikata; 邦聡芳片
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2027-03-29
Also published as: JP5176362B2

Abstract

【課題】製造工程数を増加させることなく良好なガスシール性を得ることが可能な固体酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】導電性を有する多孔質基板２と、基板２の上面に形成された燃料極３と、燃料極３を覆い、さらに基板２の側面を覆うように形成された緻密質電解質４と、を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池用構造体及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池に関するものである。

燃料電池とは、外部からの燃料供給と燃焼生成物の排気とを連続的に行いながら、燃料が酸化する際に発生する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換できる電池である。燃料電池の種類は電解質により分類され、電解質にイオン伝導性を持つ固体酸化物を用いたものを固体酸化物形燃料電池と呼んでいる。この固体酸化物形燃料電池は、さらに、大別して円筒形のものと平板形のものとの２種類の固体酸化物形燃料電池に分類される。平板形の固体酸化物形燃料電池は、その形状のため、スタック化が容易であるが、円筒形の固体酸化物形燃料電池に比べてガスシール性が劣るといった欠点を有していた。そこで、平板形の固体酸化物形燃料電池のガスシール性を向上させるために、例えば特許文献１に開示された燃料電池は、多孔質基板上に燃料極、電解質、及び空気極がこの順で形成されている。そして、この多孔質基板と燃料極とを覆うように電気伝導性ガス不透過膜を形成することによって、燃料極と空気極とを分離してガスシール性を向上させている。
特開２００２−３１９４１３号公報

しかしながら、上記燃料電池では、多孔質基板と燃料極とをガス不透過膜で覆うという工程が必要となるため、従来の燃料電池に比べてその製造工程数が増加し、歩留まりが悪くなるといった問題がある。

そこで、本発明は、製造工程数を増加させることなく良好なガスシール性を得ることが可能な固体酸化物形燃料電池用構造体及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池を提供することを課題とする。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池用構造体は、上記課題を解決するためになされたものであり、導電性を有する多孔質基板と、前記基板の一方面に形成された燃料極あるいは空気極のどちらか一方の電極と、前記一方の電極を覆い、さらに前記基板の側面を覆うように形成された緻密質電解質と、を備えている。

このように構成された固体酸化物形燃料電池用構造体は、通常、その電解質上に他方の電極を形成することで固体酸化物形燃料電池として使用される。この燃料電池では、基板の他方面、すなわち、電解質によって覆われていない面から、発電に必要なガスを導入することで、基板を介して一方の電極にガスが供給される。このとき、基板の側面が緻密質の電解質によって覆われているため、基板の他方面から導入されたガスを、基板の側面から漏出させることなく一方の電極へ供給することが可能となる。このように、ガスの漏出を防ぐための部材を別途設ける必要がないため、従来の燃料電池の製造工程数を増加させずに良好なガスシール性を確保することができる。なお、本発明に係る緻密質電解質の「緻密質」とは、ガス不透過性で、ガスが透過するための気孔をほとんど有さないことをいう。

上記固体酸化物形燃料電池は、種々の構成をとることができるが、例えば、上記基板の側面を一方の電極で覆い、さらにその上から電解質で覆うように構成することができる。このように構成することで、反応場である一方の電極と電解質との接触面積を大きくすることができ、出力の向上を図ることができる。

また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、上記課題を解決するためになされたものであり、上記いずれかの固体酸化物形燃料電池用構造体と、前記電解質上に形成された他方の電極と、を備えている。

このように構成された燃料電池は、一方の電極にガスを供給するため、基板の他方面からガスを導入すると、基板内に進入したガスは、基板の側面が緻密質の電解質で覆われているため、基板の側面から漏出することなく一方の電極へ供給される。このように、ガスの漏出を防ぐための部材を別途設ける必要がないため、従来の燃料電池の製造工程数を増加させずに良好なガスシール性を確保することができる。

本発明によれば、製造工程数を増加させることなく良好なガスシール性を得ることが可能な固体酸化物形燃料電池用構造体及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池を提供することを課題とする。

以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池用構造体及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池の実施形態を添付図面に従って説明する。図１は本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の平面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３は図２のＢ−Ｂ線断面図である。

図１〜図３に示すように、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１は、導電性を有する平面視円形状の多孔質基板２を備えており、この基板２上に燃料極３，電解質４及び空気極５がこの順で形成されている。基板２は、その上面及び側面が燃料極３によって覆われており、その下面は露出した状態となっている。そして、このように燃料極３によって覆われた基板２は、さらにその燃料極３の上から上面及び側面が緻密質電解質４によって覆われている。この電解質４は、燃料極３と同様に、基板２の下面は覆っておらず、このため、基板２の下面は露出した状態となっている。以上のように燃料極３及び電解質４によって覆われた基板２を固体酸化物形燃料電池用構造体１０と称する。そして、この固体酸化物形燃料電池用構造体１０における電解質４の上面に、空気極５が電解質４よりも一回り小さい大きさで形成されることで、固体酸化物形燃料電池１が構成される。

次に燃料電池１を構成する各部材の材料について説明する。

多孔質基板２は、ガス透過性及びその強度を考慮すると、その気孔率が２０〜６０％の範囲にあることが好ましい。このように、気孔率を２０％以上とすることで、ガス透過性を確保することができる一方、気孔率を６０％以下とすることで、基板と燃料極との接着面積を確保し、基板と燃料極との剥離をより確実に防止することができる。また、このような要求を満たすため、多孔質基板２を構成する材料は、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ等の導電性金属を用いることができ、１種を単独で使用してもよいし、２種以上を混合してもよく、例えばステンレス系耐熱材料などが使用でき、具体的には、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、インコネルやハステロイなどのニッケル基の耐熱合金などを用いることができる。

電解質４の材料としては、固体酸化物形燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物（ＧＤＣ）、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物（ＹＳＺ）などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。

燃料極３及び空気極５は、セラミックス粉末材料により形成することができる。このとき用いられる粉末の平均粒径は、好ましくは１０ｎｍ〜１００μｍであり、さらに好ましくは５０ｎｍ〜５０μｍであり、特に好ましくは１００ｎｍ〜１０μｍである。なお、平均粒径は、例えば、ＪＩＳＺ８９０１にしたがって計測することができる。

燃料極３は、作製時には、金属酸化物と酸化イオン導電体で作製することが出来る。上記金属酸化物としては、具体的には酸化ニッケル，酸化鉄，酸化コバルト，酸化銅，酸化ルテニウムなどを使用することが出来、より好ましくは、酸化ニッケルであり、含有率を５０％以上好ましくは、７０％以上が良い。酸化ニッケルはニッケルに還元すると、他の金属に比べて水素酸化活性が高く、また含有率を５０パーセント以上とすることで、空隙が出来やすくなり、７０％以上とすることでニッケル量が増すことで高性能化する。また、酸化物イオン導電体としては、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型構造を有するものとしては、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などを挙げることができる。また、ペロブスカイト型構造を有するものとしてはストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物を挙げることができる。上記材料の中では、酸化物イオン導電体と酸化ニッケルとの混合物で、燃料極３を形成することが好ましい。なお、酸化物イオン導電体からなるセラミックス材料と酸化ニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、酸化ニッケルへの粉末修飾または酸化物イオン導電体への酸化ニッケルの修飾などの形態であってもよい。また、上述した材料は、１種類を単独で、或いは２種類以上を混合して使用することができる。また、燃料極３は、金属触媒となる金属酸化物を単体で用いて構成することもできる。

空気極５を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型構造等を有するＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ又はＭｎ等からなる金属酸化物を用いることができる。具体的には（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ_３などの酸化物が挙げられ、好ましくは、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３である。上述したセラミックス材料は、１種を単独で、或いは２種以上を混合して使用することができる。

上記燃料極３、電解質４は、例えばドライコーティング法によって形成することができる。ドライコーティング法としては、例えばスパッタリング法を例示することができる。具体的に、スパッタリング法を使用した場合、基板２をスパッタリング装置の基板ホルダーに設置し、成膜材料として、燃料極或いは電解質材料をバッフルプレート上に載置し、真空ポンプを用いて、チャンバー内を到達真空度３×１０^−４Ｐａまで減圧した後、金属基板を７００℃まで加熱し、導入管からチャンバー内へアルゴンガス（１ｓｌｍ）を導入すると共に、導入管からチャンバー内へ、それぞれ酸素（０．５ｓｌｍ）を導入する。続いて、パルス直流電源により成膜材料に２ｋＷの電力を印加して成膜材料を拡散させ、所定の厚みになるまで成膜を行う。なお、成膜時の雰囲気圧は１Ｐａに設定する。

空気極５は、例えば、スクリーン印刷によって形成することができるが、この場合、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより形成される。より詳細には、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が５０〜９５重量％となるように、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。

次に、上述した燃料電池１の製造方法について図４を参照しつつ説明する。図４は、燃料電池１の製造方法を示す説明図である。

まず、上述した材料からなる多孔質基板２を準備する（図４（ａ））。

続いて、上述したドライコーティング法によって、基板２をその下面を除いて覆うように燃料極３を形成する（図４（ｂ））。

そして、燃料極３によって覆われた基板２をさらにその上から覆うように、上記と同様の手法によって緻密質電解質４を形成する（図４（ｃ））。以上の工程により、固体酸化物形燃料電池用構造体１０が形成される。

続いて、固体酸化物形燃料電池用構造体１０における電解質４上に、空気極ペーストをスクリーン印刷法によって塗布し、所定時間及び温度で乾燥・焼結することにより空気極５を形成する。以上の工程により、固体酸化物形燃料電池１が形成される（図４（ｄ））。

また、上記実施形態では、燃料極３、電解質４の成膜法としてスパッタリング法、空気極５の成膜法としてスクリーン印刷法を用いているが、これに限定されるものではなく、ドクターブレード法、スプレーコート法、スピンコート法、電気泳動法、ゾルーゲル法、ＣＶＤ，ＥＶＤ，スパッタリング法、転写法等の印刷方法等、その他一般的な印刷法を用いることができる。また、印刷後の後工程として、ＣＩＰ（静水圧プレス）、ＨＩＰ（熱間静水圧プレス）、ホットプレス、その他の一般的なプレス工程を用いることができる。

以上のようにして形成された固体酸化物形燃料電池１を使用したスタック構造２０について図面を参照しつつ説明する。図５は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１のスタック構造を示す正面断面図である。

図５に示すように、固体酸化物形燃料電池１のスタック構造２０は、４つの燃料電池１と、５つのインターコネクタ６とを備えており、各インターコネクタ６の間に燃料電池１が介挿されるように、各インターコネクタ６及び燃料電池１が交互に配置されている。各インターコネクタ６は、上面に第１ガス流路６１が形成されるとともに、下面に第２ガス流路６２が形成されている。そして、各インターコネクタ６の第１ガス流路６１は、その上に配置された燃料電池１の多孔質基板２と対向しており、第２ガス流路６２は、その下に配置された燃料電池１の空気極５と対向している。なお、インターコネクタ６を導電性のものとすることによって、各インターコネクタ６を介して各燃料電池１を直列に接続している。

以上のようにスタック化された固体酸化物形燃料電池１は、次のようにして発電が行われる。まず、水素やメタン、エタンなどの炭化水素からなる燃料ガスを、高温の状態（例えば、４００〜１０００℃）で各インターコネクタ６の第１ガス流路６１に導入する。また、各インターコネクタ６の第２ガス流路６２には、空気などの酸化剤ガスを高温の状態で導入する。第１ガス流路６１に導入された燃料ガスは、基板２が多孔質であるため、基板２内に進入して燃料極３まで進行し、燃料極３と接触する。また、第２ガス流路６２に導入された混合ガスは、第２ガス流路６２と対向する空気極５と直接接触する。こうして、各燃料電池１の燃料極３が燃料ガスと接触し、且つ空気極５が酸化剤ガスと接触するため、各燃料電池１における燃料極３と空気極５との間で、電解質４を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。

以上のように、本実施形態によれば、基板２の側面は電解質４によって覆われている。このため、第１ガス流路６１に導入された燃料ガスは基板２内に進入するが、この基板２内に進入した燃料ガスは、基板２の側面から漏出することなく燃料極３に供給される。このように、ガスの漏出防止のための材料を燃料電池に別途設ける必要がないため、従来の燃料電池の製造工程数を増加させずに良好なガスシール性を確保することができ、起電力の損失を最小限に抑えることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、二室型の固体酸化物形燃料電池１として説明したが、単室型の固体酸化物形燃料電池１として使用することもできる。この場合は、インターコネクタ６の第１ガス流路６１及び第２ガス流路６２に、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを導入し、燃料極３及び空気極５に混合ガスを接触させることで発電を行う。

また、上記実施形態では、基板２上に、燃料極３、電解質４及び空気極５がこの順で形成されているが、図６に示すように、空気極５、電解質４、燃料極３の順で形成することもできる。なお、この場合は、空気極５及び電解質４によって覆われた基板２が固体酸化物形燃料電池用構造体１０となる。

また、上記実施形態では、燃料極３が、基板２の側面を覆うように形成されているが、図７に示すように、基板２の上面のみを覆うように形成することもできる。なお、この場合は、電解質４が、基板２の側面を直接覆うように形成されている。

また、上記実施形態では、基板２，燃料極３，電解質４及び空気極５は、平面円形状であるが、特にこれに限定されるものではなく、例えば平面視矩形状にするなど種々の形状にすることができる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の実施形態を示す平面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。図２のＢ−Ｂ線断面図である。本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の製造方法を示す説明図である。本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造を示す正面断面図である。本発明に係る固体酸化物形燃料電池の他の実施形態を示す正面断面図である。本発明に係る固体酸化物形燃料電池の他の実施形態を示す正面断面図である。

符号の説明

１固体酸化物形燃料電池
２基板
３燃料極
４電解質
５空気極
１０固体酸化物形燃料電池用構造体

Claims

導電性を有する多孔質基板と、
前記基板の一方面に形成された燃料極あるいは空気極のどちらか一方の電極と、
前記一方の電極を覆い、さらに前記基板の側面を覆うように形成された緻密質電解質と、
を備えた固体酸化物形燃料電池用構造体。
前記一方の電極は、前記基板の側面を覆うように形成されており、
前記電解質は、前記一方の電極の上からさらに前記基板の側面を覆うように形成されている、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池用構造体。
請求項１又は２に記載された固体酸化物形燃料電池用構造体と、
前記電解質上に形成された他方の電極と、を備えた、固体酸化物形燃料電池。