JP2008277236A - 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】平板型でありながら、小型化が可能で且つ出力の向上が可能な固体酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、扁平状の電解質１と、電解質１の一方面及び他方面に形成された複数の溝１１と、電解質１の一方面の溝１１の壁面及び溝間の凸部１２に被覆された燃料極２と、電解質１の他方面の溝１１の壁面及び溝間の凸部１２に被覆された空気極３と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスにより動作する固体酸化物形燃料電池、及びそのスタック構造に関する。

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金属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、燃料極（アノード）を支持基板とし、その上面に、薄膜状の電解質及び空気極（カソード）を積層した平板型の固体酸化物形燃料電池が開示されている。
特開２００７−２６９２５号公報

一般的に、燃料電池の課題としては、小型化と高出力化が挙げられているが、平板型の固体酸化物形燃料電池では、各電極、及び電解質を平板状に形成しているため、出力の向上には、電極と電解質との接触面積を増やすため、各部材の平面積を大きくする必要があり、小型化と高出力化とを同時に満たすことは困難であった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、平板型でありながら、小型化が可能で且つ出力の向上が可能な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。

本発明に係る第１の固体酸化物形燃料電池は、上記問題を解決するためになされたものであり、扁平状の電解質と、前記電解質の一方面及び他方面に形成された複数の溝と、前記電解質の一方面の溝の壁面及び溝間の凸部に被覆された燃料極と、前記電解質の他方面の溝の壁面及び溝間の凸部に被覆された空気極と、を備えている。

この構成によれば、電解質の両面に溝を形成し、この溝、及び溝間の凸部に電極を形成している。そのため、平面積を大きくすることなく、電解質と各電極との接触面積を向上させることができる。その結果、出力の向上が可能となる。さらに、電解質に形成した溝をガスの流路として利用できるため、従来の平板型燃料電池のような溝を有するセパレータが不要であり、コストを低減することができる。なお、電解質は扁平状であるが、具体的には、板状、薄膜状、シート状などにすることができる。

また、本発明に係る第２の固体酸化物形燃料電池は、扁平状の電解質と、前記電解質の一方面及び他方面に形成された複数の溝と、前記電解質の一方面の溝に充填されるとともに、当該溝間の凸部を覆う燃料極と、前記電解質の他方面の溝に充填されるとともに、当該溝間の凸部を覆う空気極と、を備えている。この構成によれば、上記第１の燃料電池と同様に、溝の内壁面と溝間の凸部とに電極が接触しているため、電解質の平面積を大きくすることなく、電解質と各電極との接触面積を大きくすることができる。

また、本発明に係る第３の固体酸化物形燃料電池は、扁平状の電解質と、前記電解質の一方面及び他方面に形成された複数の溝と、前記電解質の一方面の溝間の凸部に被覆された燃料極と、前記電解質の他方面の溝間の凸部に被覆された空気極と、を備えている。

この構成によれば、電解質の溝間の凸部にのみ電極を形成しているので、製造が容易である。また、電解質に形成した溝をガスの流路として利用できるため、第１の燃料電池と同様に、ガスの流路を確保したセパレータが不要であり、コストを低減することができる。

上記電池においては、平板型の固体酸化物形燃料電池に用いられるガス流路用の溝が形成されたセパレータを用いることなく、スタック化が可能になる。例えば、複数の上記固体酸化物形燃料電池と、これら燃料電池同士を電気的に接続するシート状の導電性セパレータとを、準備し、隣接する２つの燃料電池を、燃料極と空気極とが対向するように配置するとともに、これらの電極をセパレータを介して当接させる。ここで用いるセパレータには、溝が形成されておらず、シート状である。これは、燃料電池の表面に溝に対応する凹部が形成されているため、シート状のセパレータを各電極の凸部と接触するように配置すれば、電池表面の凹部との間に空間が形成でき、これをガス流路として用いることができるからである。したがって、セパレータをシート状などに薄膜化することができ、その結果、スタック構造の小型化を図ることができる。このセパレータを用いる場合には、各電極に各々流路が形成されるため、二室型として用いることができる。

また、次のようにスタック化することもできる。まず、複数の上記固体酸化物形燃料電池と、燃料電池同士を電気的に接続する集電体と、を準備する。そして、隣接する２つの燃料電池を、燃料極と空気極とが対向するように配置するとともに、凸部に被覆された電極同士を集電体を介して当接させ、溝に対応する電極の凹部同士を対向させることで、空間を形成する。したがって、集電体は、電極の凸部同士を接触させるための大きさがあればよく、シート状、薄膜状にすることができる。その結果、スタック構造の小型化が可能となる。この場合、電池表面の凹部が対向し、空間が形成される。この空間の壁面では、燃料極と空気極とが対向しているため、単室型の電池として用いることができる。したがって、この空間に燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを供給すれば、燃料極と空気極とに同時に混合ガスを供給することができる。

なお、第２の固体酸化物形燃料電池においては、一方面及び他方面の両面に溝が形成されたシート状のセパレータを用いてスタック化することができる。すなわち、燃料電池同士を電気的に接続するシート状で導電性セパレータを設け、隣接する２つの燃料電池を、燃料極と空気極とが対向するように配置するとともに、これらの電極を前記セパレータを介して当接させ、セパレータの両面に形成された溝と、各電極との間に形成された空間をガス流路としてガスを供給するようにすることができる。

なお、上記電池においては、各電極、電解質は、種々の形状にすることができ、平面形状も矩形のほか、多角形状、円形等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によれば、平板型でありながら、小型化が可能で且つ出力を向上することができる。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第１実施形態について図面にしたがって説明する。図１は本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池は、板状の電解質１の両面に、燃料極２および空気極３がそれぞれ配置されることで構成されている。また、各電極２，３上には、シート状のセパレータ４が配置されている。電解質１の上面及び下面には、所定間隔をおいて複数の溝１１が平行に形成されている。この溝１１は、電解質１の一端から他端（図１の紙面に垂直な方向）まで直線状に延びており、両端部において開口している。そして、この溝１の壁面、及び溝間の凸部１２に沿って、燃料極２および空気極３が形成されている。各電極２，３は薄膜状に形成されているため、電解質１の溝１１は、これら電極２，３によって埋められることなく、表面には溝１１と対応するように凹部１０が形成されている。そして、各電極２，３上にはセパレータ４が配置されているのであるが、このセパレータ４は、凹部１０間に形成された各凸部２０と接触している。これにより、セパレータ４と凹部１１との間には、空間Ｇが形成され、これが後述するようにガスの流路となる。なお、燃料極２、空気極３は多孔質であり、ガス透過性を有している。一方、電解質１及びセパレータは緻密に形成されており、ガス非透過性である。

続いて、上記燃料電池を構成する材料について説明する。基板としての電解質１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。また、表面に形成される溝１１は、例えば、ブラスト加工などで形成することができる。

燃料極２及び空気極３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２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２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２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３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。

セパレータ４は、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ，ＳＵＳ等の導電性金属材料，又はＬａ（Ｃｒ，Ｍｇ）Ｏ_３，（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ_３などのランタン・クロマイト系等の導電性金属酸化物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。

上記燃料極２、及び空気極３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。

これら燃料極２、空気極３は、種々の方法で形成することができる。例えば、溶射法、スクリーン印刷法、転写法、電気泳動法、ドクターブレード法、インクジェット法、ＣＶＤ，ＥＶＤ，スプレーコート法、ディップコート法、スパッタリングや、或いは、いわゆるグリーン体を用いた方法で形成することができる。また、電解質１の形成には、一般的に乾式加圧成形が用いられるが、これに特定する必要は無く、押出し成形、射出成形、鋳込み成形、キャスティング法（シ−ト成形）を用いて作製することができる。また、電解質１の膜厚は、１００〜５０００μｍであることが好ましく、２００〜３０００μｍであることがさらに好ましい。電解質１上に形成される溝１１の深さは、電極２，３の厚みも考慮して、例えば、１０〜１０００μｍが好ましく、１００〜５００μｍがさらに好ましい。また、溝の幅については、１０〜１０００μｍが好ましく、１００〜４００μｍがさらに好ましい。

上記のように構成された燃料電池は、単独でも用いることはできるが、通常は、図２のようにスタックして用いられる。この例では、図１に示す３つの電池を、間に一枚のシート状のセパレータ４が介挿されるようにしてスタックする。セパレータ４は、導電性であり、電極２，３に対して、シ−ル剤やスポット溶接等によって接合される。そして、次のように発電が行われる。まず、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を、壁面に燃料極２が形成された空間Ｇに供給する。一方、壁面に空気極が形成された空間Ｇには、空気などの酸化剤ガスを供給する。このように、それぞれの空間Ｇは、分離されているため、燃料ガスと酸化剤ガスは混合することがなく、いわゆる二室型の電池として機能する。こうして、燃料極２及び空気極３がそれぞれ水素及び酸化剤ガスと接触するため、燃料極２と空気極３との間で、電解質１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、電解質１の両面に溝１１を形成し、この溝１１、及び溝間の凸部１２に電極を形成している。そのため、平面積を大きくすることなく、電解質１と各電極２，３との接触面積を向上させることができ、出力の向上が可能となる。また、電池表面の凹部１０がガスの流路となるため、セパレータには溝を形成する必要がなく、上記のようにシート状にセパレータ４を使用することができる。したがって、セパレータ４を薄膜化することができ、その結果、スタック構造の小型化を図ることができる。

ところで、上記実施形態では、二室型の電池を説明したが、単室型の電池も構成することができる。例えば、図３では、電池表面の凹部１０の間に形成される凸部２０に集電体５をそれぞれ形成している。集電体５は、上述したセパレータ４と同じ導電性の材料に、バインダー等の添加物を混合し、スクリーン印刷などによって形成することができる。こうして形成した電池は、凸部２０上の集電体５同士が当接するようにスタックされる。そして、図４に示すように、隣接する電池の凹部１０がそれぞれ対向するように配置され、空間Ｇが形成される。この空間Ｇ内では、上側の壁面に空気極３が配置され、下側の壁面に燃料極２が配置される。また、最上面及び最下面には、図２のようなセパレータ４が配置され、このセパレータ４と凹部１０との間に空間Ｇが形成される。なお、スタックの固定には、スタックの外部に抑え冶具を配置すること等によって行われる。こうして形成された空間Ｇには、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスが供給され、いわゆる単室型として機能する。
（第２実施形態）
次に、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第２実施形態について図５を参照しつつ説明する。図５は、第２実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図である。

図５に示すように、この固体酸化物形燃料電池は、上面及び下面に複数の溝が形成された板状の電解質１を備えている。各溝１１は、断面Ｖ字形に形成されており、平行に並んでいる。そして、各溝１１、及び溝１１間の凸部１２を覆うように、燃料極２および空気極３が配置されている。すなわち、各電極２，３は、平面視で、電解質１の上面及び下面の全面を覆うようにそれぞれ配置されている。なお、上記燃料電池を形成する各部材の材料、製造方法は、上記第１実施形態と同様であるので省略する。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、各電極２、３が電解質１の溝１１の内壁面及び溝間の凸部１２を覆うように配置されているため、電解質１の平面積が小さくても、各電極２，３との接触面積を大きくすることができる。その結果、小型でありながら、高い出力を得ることができる。

また、上記燃料電池をスタック化する場合には、例えば、図６に示すように、板状の導電性のセパレータ６を介して、接続することができる。すなわち、隣接する各電池が、燃料極２と空気極３とが対向するように配置し、その間にセパレータ６を介在させる。これによって、複数の電池が直列に接続される。各セパレータ６の上下の面には、溝状のガス流路６１、６２が形成されており、各流路６１，６２が電極２，３と対向するようにする。そして、燃料極２と対向するガス流路６１には燃料ガスを供給する一方、空気極３と対向するガス流路６２には酸化剤ガスを供給すると、二室型の固体酸化物形燃料電池として発電する。なお、各ガス流路６１，６２に燃料ガスと酸化剤ガスの混合ガスを供給することもできる。
（第３実施形態）
次に、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第３実施形態について図７を参照しつつ説明する。図７は、第３実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図である。

同図に示すように、この固体酸化物形燃料電池は、第１実施形態と同様に、複数の溝が形成された板状の電解質１を備えており、その上面及び下面に燃料極２および空気極３が配置されている。但し、第１実施形態と異なり、電解質１の溝１１間の凸部１２にのみ燃料極２および空気極３が配置されている。すなわち、これらの電極２，３は、電解質１の上面及び下面で、所定間隔をおいて帯状に形成されており、各溝１１の内壁面には、電極は配置されていない。また、必要に応じて、各電極２，３上には、同形状の集電体５を配置することができる。これら集電体５も電解質の上面及び下面で帯状に形成されている。

上記のような燃料電池は、例えば、次のように製造することができる。まず、板状の電解質１の上面及び下面に所定間隔をおいて複数の溝１１を平行に形成する。次に、上面及び下面の溝１１間の凸部１２に、それぞれ燃料極２及び空気極３を形成する。その後、必要に応じて、燃料極２および空気極３上にそれぞれ集電体５を形成する。或いは、次のような方法でもよい。まず、図８（ａ）に示すように、板状の電解質１の上面及び下面を覆うように、燃料極２および空気極３をスクリーン印刷などで、べた塗りすることで形成する。続いて、図８（ｂ）に示すように、切削加工により、各電極２，３とともに電解質１の上面及び下面を切削し、複数の溝１１を形成する。これにより、溝１１の形成部分の電極のみが削り取られるため、溝１１間の凸部１２には電極が形成されたままになる。こうして、所定の溝を全て形成した後、各電極２，３上に集電体５を形成すると、図７に示す燃料電池が完成する。なお、上述した方法で用いた材料、電極の形成方法など、製造の詳細は、第１実施形態と同様であるので省略する。また、上記電池をスタック化する場合には、例えば、図２に示すように、シート状のセパレータ４を用いたり、或いは図４に示すような、溝間の凸部上に形成した集電体５を用いてスタック化することができる。

以上のように、本実施形態によれば、電解質１の溝１１間の凸部１２にのみ電極２，３を形成しているので、製造が容易である。また、電解質１に形成した溝１１をガスの流路として利用できるため、従来の平板型燃料電池のような溝を有するセパレータが不要であり、コストを低減することができる。

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、電解質１上に形成される溝１１の形状は、特には限定されず、上記各実施形態で示した断面矩形状、Ｖ字形のほか、半円状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第１実施形態を示す断面図である。 図１の燃料電池のスタック構造を示す断面図である。 図１の燃料電池の他の例を示す断面図である。 図３の燃料電池のスタック構造を示す断面図である。 本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第２実施形態を示す断面図である。 図５の燃料電池のスタック構造を示す断面図である。 本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第３実施形態を示す断面図である。 図７に示す燃料電池の製造方法を示す図である。

符号の説明

１ 電解質
１１ 溝
１２ 凸部
２ 燃料極
３ 空気極
４ セパレータ
５ 集電体
１０ 凹部
２０ 凸部

Claims (5)

1. 扁平状の電解質と、
   前記電解質の一方面及び他方面に形成された複数の溝と、
   前記電解質の一方面の溝の壁面及び溝間の凸部に被覆された燃料極と、
   前記電解質の他方面の溝の壁面及び溝間の凸部に被覆された空気極と、
   を備えている、固体酸化物形燃料電池。
2. 扁平状の電解質と、
   前記電解質の一方面及び他方面に形成された複数の溝と、
   前記電解質の一方面の溝に充填されるとともに、当該溝間の凸部を覆う燃料極と、
   前記電解質の他方面の溝に充填されるとともに、当該溝間の凸部を覆う空気極と、
   を備えている、固体酸化物形燃料電池。
3. 扁平状の電解質と、
   前記電解質の一方面及び他方面に形成された複数の溝と、
   前記電解質の一方面の溝間の凸部に被覆された燃料極と、
   前記電解質の他方面の溝間の凸部に被覆された空気極と、
   を備えている、固体酸化物形燃料電池。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の複数の固体酸化物形燃料電池と、
   前記燃料電池同士を電気的に接続するシート状で緻密性を有する導電性セパレータと、を備え、
   隣接する２つの前記燃料電池を、前記燃料極と空気極とが対向するように配置するとともに、これらの電極を前記セパレータを介して当接させ、
   前記セパレータが、前記凸部に被覆された前記各電極と接触することで、前記溝に対応する前記電極の凹部との間に空間が形成される、固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
5. 請求項１から３のいずれかに記載の複数の固体酸化物形燃料電池と、
   前記燃料電池同士を電気的に接続する集電体と、を備え、
   隣接する２つの前記燃料電池を、前記燃料極と空気極とが対向するように配置するとともに、前記凸部に被覆された前記電極同士を前記集電体を介して当接させ、
   前記溝に対応する前記電極の凹部同士が対向することで、空間が形成される、固体酸化物形燃料電池の単室型スタック構造。

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