JP2008251384A - 単室型固体酸化物形燃料電池及びそのスタック構造 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的な発電を行うことが可能な単室型固体酸化物形燃料電池及びスタック構造を提供する。
【解決手段】ガス流路が形成された電解質２と、電解質２の上面に形成された燃料極３と、電解質２の下面に形成された空気極４と、を備え、ガス流路は、電解質２内部を延び、左側端部が電解質２の外部へ開口するとともに右側端部が閉鎖されている少なくとも一つの主流路５と、主流路５から上方へ分岐し、燃料極３と対向する位置で開口するよう形成された第１の分岐流路６と、主流路５から下方へ分岐し、空気極４と対向する位置で開口するよう形成された第２の分岐流路７と、を有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、単室型固体酸化物形燃料電池及びそのスタック構造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としては、種々のものが提案されているが、例えば特許文献１には、電解質の一方面に燃料極（アノード）を形成し、他方面に空気極（カソード）を形成した単室型の固体酸化物形燃料電池が開示されている。この燃料電池を発電させるためには、水素、又はメタン、エタンなどの炭化水素からなる燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとの混合ガスを燃料極及び空気極に供給する。こうして供給された混合ガスは、燃料極及び空気極のそれぞれと接触し、燃料極と空気極との間で電解質を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。

上記のように構成された単室型の固体酸化物形燃料電池は、通常、燃料電池をスタック化させて、所望の電圧を取り出している。例えば、特許文献２には、電解質の上面に空気極、下面に燃料極が形成された燃料電池を複数枚積層したスタック構造が開示されている。この燃料電池は、燃料極及び空気極に、その厚さ方向に貫通するスリット状の流路が形成されており、また、電解質にも、その厚さ方向に貫通する貫通孔が形成されている。そして、このスタック構造では、その上面から混合ガスを供給し、各電極の流路及び電解質の貫通孔を介して、上部に位置する燃料電池から、下部に位置する燃料電池まで、混合ガスを供給している。
特開２０００−２４３４１２号公報 特許第３５３０８３４号公報

しかしながら、上記スタック構造では、下部に配置された燃料電池には、上部に配置された燃料電池によって使用された混合ガスが供給されるため、フレッシュな混合ガスを供給することができず、効率的な発電を行うことができないといった問題があった。

そこで、本発明は、効率的な発電を行うことが可能な単室型固体酸化物形燃料電池及びそのスタック構造を提供することを目的とする。

本発明に係る単室型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、ガス流路が形成された電解質と、前記電解質の表面に形成された燃料極と、前記電解質の表面に前記燃料極とは離間して形成された空気極と、を備え、前記ガス流路は、前記電解質内部を延び、一方の端部が電解質の外部へ開口するとともに他方の端部が閉鎖されている少なくとも一つの主流路と、前記主流路から分岐し、前記燃料極と対向する位置で開口するよう形成された少なくとも一つの第１の分岐流路と、前記主流路から分岐し、前記空気極と対向する位置で開口するよう形成された少なくとも一つの第２の分岐流路と、を有している。

このように構成することで、以下の効果を得ることができる。すなわち、電解質の外部に開口する主流路の一方の端部から燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを所定圧力で供給すると、主流路の他方の端部が閉鎖されているため、混合ガスは、主流路から分岐する第１の分岐流路や、第２の分岐流路を経由して、燃料極や空気極へと供給される。このように、混合ガスは、電解質の内部を通って、各電極へと直接供給されるため、第１及び第２の分岐流路を適切な位置に形成することで、フレッシュな混合ガスを各電極の複数領域へ均等に供給することが可能となる。この結果、燃料電池の出力の向上を図ることができ、効率的な発電を行うことが可能となる。なお、各電極に供給された混合ガスは、電極内部を通過して電極外部へ放出される。また、主流路の他方の端部の閉鎖方法としては種々の方法をとることができるが、例えば、主流路の他方の端部が電解質の外部へ開口しないよう形成することで電解質により他方の端部を閉鎖したり、また、主流路の他方の端部が電解質の外部へ開口するよう形成し、その開口部分を別部材によって閉鎖することができる。

上記燃料電池は種々の構成をとることができるが、燃料極の側面の少なくとも一部が露出するよう燃料極の側面を覆う緻密層をさらに備えていることが好ましい。

このような構成にすることで、以下の効果を得ることができる。すなわち、燃料極と混合ガスとが反応することにより還元ガスが発生するが、この還元ガスは空気極を劣化させるおそれがある。そこで、燃料極の側面の少なくとも一部が露出するように緻密層によって覆うことにより、燃料極へ送られた混合ガスは、燃料極の側面における露出した部分、すなわち緻密層によって覆われていない部分からのみ排出されるように燃料極内を流れる。このように、緻密層を設けることによって、燃料極内における混合ガスの流れを規制することができるので、燃料極と混合ガスとの反応により発生した還元ガスが、再度各電極に接触するのをより確実に防止することが可能となる。

また、本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造は、上記課題を解決するためになされたものであり、上記いずれかの複数の単室型固体酸化物形燃料電池と、導電性を有する複数のインターコネクタと、を備え、前記各燃料電池は、燃料極が隣接する燃料電池の空気極と対向するよう、前記インターコネクタを介して積層されている。

このように構成された燃料電池のスタック構造は、燃料電池の電解質にガス流路が形成されているので、インターコネクタにガス流路を形成する必要がない。このため、インターコネクタを薄膜状に形成することができ、その結果、燃料電池のスタック構造を積層方向にコンパクト化することが可能となる。

上記インターコネクタは種々の構成をとることができ、例えば、インターコネクタは、厚さが１０〜１００μｍの緻密体であることが好ましい。このようにインターコネクタを緻密に構成することで、一の燃料電池における燃料極から発生した還元ガスが、インターコネクタを通過して隣り合う他の燃料電池における空気極へと流れることを防止することができ、この結果空気極の劣化を確実に防止することができる。また、インターコネクタを薄膜に形成することによって、種々の印刷法によって形成することが可能となり、例えば、スクリーン印刷法、スプレーコート法、ディップコート法などで形成することができる。また、ドライコーティング法としては、例えば蒸着法、スパッタリング法で形成できる。このような印刷法によりインターコネクタを形成することで、インターコネクタと各電極との密着性を向上させることができ、ひいては各電極とインターコネクタとの間での集電効率を高めることが可能となる。

本発明によれば、効率的な発電を行うことが可能な単室型固体酸化物形燃料電池及びそのスタック構造を提供することはできる。

以下、本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池の実施形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本実施形態に係る単室型固体酸化物形燃料電池の正面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３は本実施形態に係る燃料極を省略した単室型固体酸化物形燃料電池の平面図である。なお、以下の説明では、図１及び図２の上下方向を「厚さ方向」、図２の左右方向を「水平方向」と称し、これを基準に説明していく。

図１〜図３に示すように、本実施形態に係る単室型固体酸化物形燃料電池１は、支持基板として平面視矩形状の電解質２を備えており、この電解質２の上面に多孔質の燃料極３が形成されるとともに、電解質２の下面には多孔質の空気極４が形成されている。電解質２は、その厚さ方向のほぼ中央部を水平方向に延びる３つの主流路５が形成されている。各主流路５は、図２に示すように、左側の端部が電解質２の左側面において電解質２の外部へと開口するとともに、右側の端部が電解質２の右側面に対しては開口しておらず閉鎖された構成となっている。そして、各主流路５から上方に４つの第１の分岐流路６が分岐されており、各第１の分岐流路６は電解質２の上面に開口するよう延びている。また、各第１の分岐流路６は、主流路５の長さ方向に沿って所定間隔をあけて形成されている。このため、図３に示すように、各第１の分岐流路６は、燃料極３の各領域に均等に割り当てられるよう、縦３列・横４列で所定間隔をあけて電解質２の上面に開口している。また、各主流路５から下方へは、電解質２の下面に開口するよう４つの第２の分岐流路７が延びている。そして、第２の分岐流路７は、第１の分岐流路６と同様に、空気極４の各領域に均等に割り当てられるよう、電解質２の下面において縦３列・横４列で所定間隔を開口している。なお、これら主流路５と第１及び第２の分岐流路６，７とによってガス流路が構成されている。

続いて、上記燃料電池を構成する材料について説明する。

電解質２、燃料極３及び空気極４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。

電解質２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は、例えば、金属触媒と酸化物イオン導電体からなるセラミックス粉末材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる金属触媒としては、ニッケル、鉄、コバルトや、貴金属（白金、ルテニウム、パラジウム等）等の還元性雰囲気中で安定で、水素酸化活性を有する材料を用いることができる。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、ニッケルへの粉末修飾またはセラミックス材料へのニッケル修飾などの形態であってもよい。また、上述したセラミックス材料は、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、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。

空気極４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、及び空気極４は、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。そして、燃料極３及び空気極４の膜厚は５〜１００μｍとなるように形成するが、２０〜５０μｍとすることが好ましい。

次に、上述した燃料電池の製造方法について説明する。

まず、上記電解質粉末を耐圧容器に入れて一軸プレス機によりプレス成形する。そして、これを真空パックで包装して静水圧プレス機により再度成形し、その後、焼結を行うことで電解質基板を作製する。

そして、上述した燃料極、空気極作製用の材料をバインダー、溶剤、可塑剤、分散剤、発泡剤を混合し、ボールミルで分散後、真空脱法を行い、燃料極ペースト及び空気極ペーストを作製する。これらペーストを、それぞれ、離型層がコートされたポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム上に乾燥後、所定膜厚になるようにドクターブレードにより印刷し、１２０℃で乾燥することにより、ＰＥＴフィルム上に燃料極、空気極のグリーン体を形成する。

次に、上述した方法により作製した電解質２にガス流路である主流路５，第１及び第２の分岐流路６，７を形成する。このガス流路は、ドリル加工やレーザ加工など種々の穴開け加工により形成することができる。そして、この電解質２の上面に燃料極用グリーン体を貼り合わせ、熱プレスすることで燃料極グリーン体を電解質２に融着させた後、燃料極グリーン体のＰＥＴフィルムを剥がす。続いて、電解質２の下面に空気極用グリーン体を貼り合わせて熱プレスすることで空気極グリーン体を電解質２に融着させた後、空気極グリーン体のＰＥＴフィルム剥がすことで、図１〜図３に示すような単室型固体酸化物形燃料電池１を作成する。なお、上記燃料極３及び空気極４は同時に形成することもできる。

以上のようにして形成された単室型固体酸化物形燃料電池１を使用したスタック構造１０について図面を参照しつつ説明する。図４は、本実施形態に係る単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造１０を示す正面図、図５は図４のＢ−Ｂ線断面図である。

図４及び図５に示すように、単室型固体酸化物形燃料電池１のスタック構造１０は、燃料極３が上方を向くように配置された４つの燃料電池１を備えており、各燃料電池１間に導電性のインターコネクタ８が介挿されることで、各燃料電池１が直列に接続されている。各インターコネクタ８の材料としては、導電性を有する材料であればよく、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ，ＳＵＳ等の導電性金属、或いは金属系材料，又はＬａ（Ｃｒ，Ｍｇ）Ｏ３，（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ３などのランタン・クロマイト系等の導電性セラミックス材料によって形成することができ、これらのうちの１種を単独で使用してもよいし、２種以上を混合して使用してもよい。また、各インターコネクタ８は、上述した材料からなる薄膜状のシートを作成して各燃料電池１間に介挿したり、各燃料電池１の燃料極３又は空気極４上に直接スクリーン印刷などによって薄膜状に形成したりすることもでき、その厚みは、１〜１０００μｍ、より好ましくは１０〜１００μｍとすることができる。なお、各インターコネクタ８の両面にはガス流路が形成されておらず、平坦面が形成されている。

以上のようにスタック化された単室型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、図６に示すように、電解質２の左側面に開口した各主流路５の左側の端部のそれぞれにガス供給管９を接続し、ガス排出口１１を有する収容体１２内に上記燃料電池のスタック構造１０を収容する。そして、ガス供給管９から水素やメタン、エタンなどの炭化水素からなる燃料ガスと空気などの酸化剤ガスとからなる混合ガスを、所定圧力で各主流路５内に高温の状態（例えば、４００〜１０００℃）で導入する。主流路５内に導入された混合ガスは、主流路５の右側の端部が閉鎖されているため、各第１の分岐流路６及び第２の分岐流路７へと流れる。各第１の分岐流路６へと流れた混合ガスは、燃料極３の各領域と接触し、多孔質の燃料極３内を流れて収容体７の内部空間を経由しガス排出口１１から排出される。また、同様に、各第２の分岐流路７へと流れた混合ガスは、空気極４の各領域と接触し、多孔質の空気極４内を流れて収容体７の内部空間を経由しガス排出口１１から排出される。こうして、各燃料電池１の燃料極３及び空気極４が混合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４との間で、電解質２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、発電に必要な混合ガスは、電解質２の内部に形成された主流路５を通り、そこから各電極３，４の複数領域へ均等に開口した第１及び第２の分岐流路６，７を経由して各電極３，４へと直接供給される。このため、各電極３，４の複数領域へフレッシュな混合ガスを均等に供給することができ、効率的な発電を行って燃料電池１の出力の向上を図ることが可能となる。

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、主流路５と第１及び第２の分岐流路６，７とからガス流路を構成しているが、特にこれに限定されるものではなく、その他の構成をとることもできる。例えば、図７に示すように、電解質２の左端面から中央部近傍まで電解質２の内部を水平方向に延びる主流路５が形成されるとともに、主流路５の右側端部から上方に延び電解質２の上面に開口する第１の分岐流路６が形成されている。そして、図８に示すように、この第１の分岐流路６の電解質２上面における開口端から放射状に延びるよう電解質２の上面に上面流路１３が溝状に形成されていてもよい。なお、同様に、主流路５の右側端部から下方に延び電解質２の下面に開口する第２の分岐流路７が形成され、この第２の分岐流路７の開口端から放射状に延びるよう電解質２の下面に下面流路が形成されている。

また、上記実施形態では、電解質２の上面に燃料極３を形成し、下面に空気極４を形成することで燃料電池を構成していたが、図９及び図１０に示すように、導電性の緻密層１４をさらに備えていてもよい。この場合、図９に示すように、燃料極３の右側面が露出するよう、燃料極３の右側面以外の側面を覆うように緻密層１４を形成する。同様に空気極４の右側面を除いた側面を覆うように緻密層１４を形成する。このように構成された燃料電池のスタック構造に混合ガスを供給すると、図１０に示すように、混合ガスは、各電極３，４内を左から右方向へと一方向のみに流れる。このように、各電極３，４内を流れる混合ガスの排出経路を一方向のみに規制することによって、容器１２内を流れる排気ガスも、各燃料電池１の右側端からガス排出口１１へと一方向へ流れるよう整流される。この結果、排気ガスが各電極３，４と接触することを抑制して、還元ガスによる空気極４の劣化を防止することができ、燃料電池１の発電効率を向上させるとともに長期運転を可能にすることができる。なお、緻密層１４は、上記インターコネクタ８と同材料の導電性部材であることが好ましい。

また、上記実施形態では、電解質２の上面に燃料極３、下面に空気極４を形成しているが、電解質２の上面に空気極４、下面に燃料極３を形成してもよい。

本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池の実施形態を示す正面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池の実施形態を示す平面図である。 本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造を示す正面図である。 図４のＢ−Ｂ線断面図である。 本実施形態に係る単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造における混合ガスの流れを示す説明図である。 本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池の他の実施形態を示す側面断面図である。 本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池の他の実施形態を示す平面図である。 本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池のさらに他の実施形態を示す平面図である。 本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池のさらに他の実施形態を示す側面断面図である。

符号の説明

１ 単室型固体酸化物形燃料電池
２ 電解質
３ 燃料極
４ 空気極
５ 主流路（ガス流路）
６ 第１の分岐流路（ガス流路）
７ 第２の分岐流路（ガス流路）
８ インターコネクタ
１０ 単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造
１４ 緻密層

Claims (4)

1. ガス流路が形成された電解質と、
   前記電解質の表面に形成された燃料極と、
   前記電解質の表面に前記燃料極とは離間して形成された空気極と、を備え、
   前記ガス流路は、
   前記電解質内部を延び、一方の端部が電解質の外部へ開口するとともに他方の端部が閉鎖されている少なくとも一つの主流路と、
   前記主流路から分岐し、前記燃料極と対向する位置で開口するよう形成された少なくとも一つの第１の分岐流路と、
   前記主流路から分岐し、前記空気極と対向する位置で開口するよう形成された少なくとも一つの第２の分岐流路と、
   を有する、単室型固体酸化物形燃料電池。
2. 前記燃料極の側面の少なくとも一部が露出するよう前記燃料極の側面を覆う緻密層をさらに備えた、請求項１に記載の単室型固体酸化物形燃料電池。
3. 請求項１又は２に記載された複数の単室型固体酸化物形燃料電池と、
   導電性を有する複数のインターコネクタと、を備え、
   前記各燃料電池は、燃料極が隣接する燃料電池の空気極と対向するよう、前記インターコネクタを介して積層されている、単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
4. 前記インターコネクタは、厚さが１０〜１００μｍの緻密体である、請求項３に記載の単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造。

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