JP2009009737A - 固体電解質形燃料電池及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料極25は、燃料極25の外周に沿って形成された四角枠状の周縁部51と、その周縁部51に囲まれた正方形の凹部53を有する薄肉部55とを備えている。つまり、薄肉部55は周縁部51より薄肉とされており、その薄肉部55は燃料極25と空気極29とが厚み方向に重なりあう領域を含んでいる。また、薄肉部55の下面側の面積、即ち凹部53の底面の面積は、燃料極25の厚み方向における全面積(全投影面積)の5〜80%の範囲である。すなわち、全面積に対する凹部53の面積の比(開口率)は、例えば80%である。
【選択図】図3
Description
この固体酸化物形燃料電池は、例えば固体電解質層の各面に燃料極と空気極とを形成したセル本体を備えた燃料電池セルを、多数積層してスタックを形成し、燃料極に燃料ガスを供給するとともに、空気極に酸化剤ガス(例えば空気)を供給し、燃料及び酸素とを固体電解質層を介して化学反応させることによって電力を発生させるものである。
自立膜型セルにおいては、電解質部で強度が得られているため、電極(燃料極)に複数の切込部を設けて、ガスの拡散性において向上を図っている(特許文献1参照)。
そこで、高い気孔率を確保しながら、強度が高い支持膜型セルを得るために、支持体中におけるガスの拡散経路として、球状気孔と繊維状気孔部を設ける技術が提案されている(特許文献2参照)。
更に、櫛歯状に流路を形成した支持体を作製し、集電体を必要としない簡略化した電池構成が提案されている(特許文献4参照)。この技術では、支持体における凹部は、投入されたガスの流路として設けられ、ガスは反応場である三相界面まで拡散することによって発電が行われ、凸部ではインターコネクタと直接的に接触して集電している。
また、特許文献3の技術では、燃料ガスの流れ方向下流部の厚みを薄くした支持体により、ガスの拡散性を向上して燃料枯れを抑制しているが、上流部では強度を得るために支持体の厚みを厚くする必要があり、高い出力密度が得られなかった。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、支持体強度の確保とガスの拡散性を両立することができる固体電解質形燃料電池及びその製造方法を提供することである。
(2)請求項2の発明では、前記支持体の厚み方向(即ち固体電解質層への投影方向)において、前記薄肉部の面積は、前記支持体全体の面積の5〜80%の範囲であることを特徴とする。
本発明では、支持体に凹状の開口部を形成することにより薄肉部を形成したものである。
本発明は、開口部の形成状態を例示したものである。
本発明では、支持体の薄肉部における厚みが50μm以上であるので、十分な強度を確保できる。
本発明は、固体電解質形燃料電池セルが積層された固体電解質形燃料電池スタックを示したものである。
・ここで、前記固体電解質層は、電池の作動時に燃料極に導入される燃料ガス又は空気極に導入される酸化剤ガスのうちの一方の一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。このイオンとしては、例えば酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。また、燃料極は、還元剤となる燃料ガスと接触し、セルにおける負電極として機能する。空気極は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、セルにおける正電極として機能する。
燃料ガスとしては、水素、還元剤となる炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。この燃料ガスとしては水素が好ましい。これらの燃料ガスは1種のみを用いてもよいし、2種以上を併用することもできる。また、50体積%以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。
図1に示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池1は、燃料ガス(例えば水素)と酸化剤ガス(例えば空気(詳しくは空気中の酸素))との供給を受けて発電を行う装置であり、図示しない断熱容器に収容されている。
特に、本実施例では、図3(a)にセル本体39の下面側を示す様に、燃料極25は、燃料極25の外周に沿って正方形の四角枠状に形成された(即ち外周に沿って全周にわたって形成された)周縁部51(外径50mm×内径120mm)と、その周縁部51に囲まれた(周縁部51より)薄肉の正方形の薄肉部55(外径120mm)とを備えており、薄肉部55は、燃料極25の下面の中央に形成された凹部53により薄肉とされている。
尚、図4では、燃料ガス予熱部5等の構成は省略して固体電解質形燃料電池セル3における流路を模式的に示してある。
図4(a)に示す様に、空気用のボルト7の上方から供給された空気は、そのボルト7の軸中心に形成された中心孔59に導入され、各固体電解質形燃料電池セル3の側方にあけられた連通路61を介してセル内の空気流路31側に導入される。
(2)燃料の流路(燃料の流れを破線の矢印で示す)
図4(b)に示す様に、燃料用のボルト11の下方から供給された燃料ガスは、燃料ガス予熱部5を介して、他の燃料用のボルト13の中心孔67に導入される。
次に、各セル内の燃料ガス流路23の燃料ガスは、同様な他の連通路71を介して、燃料用のボルト11の中心孔73に排出され、その上方よりスタック外に排出される。
・まず、例えばSUS430からなる板材を打ち抜いて、セル間セパレータ33、空気極フレーム41、隔離セパレータ45、燃料極フレーム47等を製造した。
・更に、固体電解質形燃料電池セル3のセル本体39を、下記の様にして製造した。
酸化ニッケル(NiO)粉末60重量部と、イットリアを8モル%固溶させたジルコニア(8YSZ)粉末40重量部を混合して成分原料とし、この成分原料に気孔形成材として人造黒鉛粉を30重量部加えた。
そのスラリーを用い、ドクターブレード法にて、厚さ200μmのグリーンシートとした。
(2)燃料極55及び三成分積層体の焼結体の作製
固体電解質層27の原料としては、8YSZ粉末を用いた。この8YSZ粉末100重量部に、バインダーとしてポリビニルアルコール13重量部とブチルカルビトール35重量部をそれぞれ混合して、固体電解質層用スラリーを調製した。
一方、反応防止層(セリア系酸化物層)28の原料としては、サマリアをドープしたセリア(Sm0.2Ce0.8O1.9:SDC)を用いた。つまり、原料粉末には、酸化サマリウム、酸化セリウムを用い、それぞれを所定量秤量し、エタノールを溶媒として湿式混合後、1400℃−6hrキープの条件で仮焼し、SDC粉末を得た。その後、エタノール溶媒を加え湿式粉砕して、平均粒径を0.53μmのSDC粉末を得た。
このスラリーを、前記固体電解質層用印刷層の表面上に、厚さが1〜20μm、130mm×130mmのサイズとなるようにスクリーン印刷し、反応防止層用印刷層を形成した。
そして、この三成分積層体の成形体を、1400℃1時間キープの条件で同時焼成を行うことにより、三成分積層体の焼結体を得た。
空気極39の原料として、平均粒径2μmの市販のLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8Ox(以下LSCFと表記)粉末を用いた。
前記セル本体39のうち、燃料極25(詳しくは露出した下面側)に対してブラスト加工を行った。つまり、燃料極25の薄肉部55を周縁部51より薄肉にするために、薄肉部55を凹状に加工するブラスト加工を行って、セル本体39を完成した。
次に、上述のように接合一体化した部材を用い、セル間セパレータ33、空気極側集電体35、燃料極側集電体37などを、積層して一体にして、固体電解質形燃料電池1を組み付けた。
c)次に、本実施例の効果について説明する。
図5に示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池のセル本体81は、前記実施例1と同様に、(支持体である)燃料極83と固体電解質層85と反応防止層87と空気極89とを備えている。
本実施例によっても、前記実施例1と同様な効果を奏する。なお、実施例1より開口率が小さい分、強度が高いという利点がある。
図6に示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池のセル本体101は、前記実施例2と同様に、(支持体である)燃料極103と固体電解質層105と反応防止層107と空気極109とを備えている。
図7に示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池のセル本体121は、前記実施例3と同様に、(支持体である)燃料極123と固体電解質層125と反応防止層127と空気極129とを備えている。
つまり、燃料極123には、厚みの大きな枠状の周縁部133の内側に、各凹部131に対応して多数の薄肉部135が形成されている。なお、前記厚み方向において燃料極123と空気極129とが重なり合う中央部137においては、薄肉部135のみが薄肉となっている。
本実施例によっても、前記実施例3と同様な効果を奏する。
図8に示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池のセル本体141は、前記実施例4と同様に、(支持体である)燃料極143と固体電解質層145と反応防止層147と空気極149とを備えている。
本実施例によっても、前記実施例4と同様な効果を奏する。
図9に示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池のセル本体161は、前記実施例2と同様に、(支持体である)燃料極163と固体電解質層165と反応防止層167と空気極169とを備えている。
図10に示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池のセル本体181は、前記実施例3と同様に、(支持体である)燃料極183と固体電解質層185と反応防止層187と空気極189とを備えている。
本実施例の固体電解質形燃料電池は、前記実施例1〜7の燃料極支持構造とは異なり、支持体が空気極である空気極支持構造である。
つまり、空気極203には、厚みの大きな枠状の周縁部213の内側に、凹部211に対応して薄肉部215が形成されている。なお、前記厚み方向において燃料極209と空気極203とが重なり合う中央部217は、薄肉部215の領域内に設定されている。
本実施例によっても、前記実施例1と同様な効果を奏する。
次に、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
実験には、上述した実施例1〜7と同様な構成のセル本体の試料を作成した。
具体的には、燃料ガス流路に水素ガス3L/minを供給するとともに、空気流路に空気ガス9L/minを投入して、750℃にてセルが破損するまで最大5回の発電試験を行った。
例えば、本発明は、固体電解質形燃料電池としては、上述した様な中空ボルトを用いて、ガスの流通とスタックの固定を行うもの以外に、例えば2006−194245号の図1〜図8等に記載の様に、ロウ材等によってセル等を接合し、そのセルの枠部を貫通するように設けたガス流路を利用して、空気や燃料を供給したり排出する構成の(帯状のマニホールドタイプの)固体電解質形燃料電池にも、本発明を適用できることは勿論である。
3…固体電解質形燃料電池セル
4…固体電解質形燃料電池スタック
23…燃料ガス流路
25、83、103、123、143、163、183、203、221、231…燃料極
27、85、105、125、145、165、185、205…固体電解質層
28、87、107、127、147、167、187、207…反応防止層
29、89、109、129、149、169、189、209…空気極
31…空気流路
39、81、101、121、141、161、181、201…セル本体
45…隔離セパレータ
51、93、113、133、153、175、193、213…周縁部
53、91、111、131、151、171、191、211、233…凹部
55、95、115、135、155、177、195、215…薄肉部
57、97、117、137、157、179、197、217…中央部
Claims (7)
- 固体電解質層の一方の面側に燃料ガスに接する燃料極を備えるとともに、他方の面側に酸化剤ガスに接する空気極を備えたセル本体を有する固体電解質形燃料電池であって、
前記セル本体は、前記燃料極又は空気極を主なる支持体とする板状の構造であり、
前記支持体は、その平面方向において該支持体の外周を構成する枠状の周縁部と、該周縁部に周囲を囲まれており、前記支持体の厚み方向において該支持体とは異なる電極が重なり合う中央部とを備え、
前記中央部の一部又は全体に、前記周縁部より厚みが薄い薄肉部を有することを特徴とする固体電解質形燃料電池。 - 前記支持体の厚み方向において、前記薄肉部の面積は、前記支持体全体の面積の5〜80%の範囲であることを特徴とする請求項1に記載の固体電解質形燃料電池。
- 前記支持体の厚み方向の外側に開口する開口部により、前記支持体が薄肉とされたことを特徴とする請求項1又は2に記載の固体電解質形燃料電池。
- 前記中央部に前記開口部が点在するように形成されたことを特徴とする請求項3に記載の固体電解質形燃料電池。
- 前記薄肉部の厚みが、50μm以上であることを特徴とする請求項5に記載の固体電解質形燃料電池。
- 前記セル本体を備えた固体電解質形燃料電池セルを、ガスの流通を遮断するセル間セパレータを介して、複数積層したことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池。
- 前記請求項1〜6のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池の製造方法であって、
前記セル本体を焼成によって形成した後に、前記支持体の一部を、研磨、研削、及びブラストのいずれかの方法によって加工して、前記支持体の厚みを調整することを特徴とする固体電解質形燃料電池の製造方法。
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