JP2009146805A

JP2009146805A - 電気化学装置

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Publication number: JP2009146805A
Application number: JP2007324508A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Kuno; 俊明久野; Naoya Takase; 尚哉高瀬
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2007-12-17
Filing date: 2007-12-17
Publication date: 2009-07-02
Anticipated expiration: 2027-12-17
Also published as: JP5177847B2

Abstract

【課題】セラミック製の電気化学セルをスタックするときにセルに加わる機械的応力を低減し、またガスの利用効率を向上させ、電流損失も低減することで効率を向上させることである。
【解決手段】電気化学装置は、複数のセラミックス製電気化学セル１、およびインターコネクター１１を備えている。電気化学セル１が、第一のガスを流すガス流路を内蔵しており、第一のガスと接触する第一の電極、固体電解質層、電気化学セルの外表面に露出して第二のガスと接触する第二の電極、および第一の電極と電気的に導通する導電部５を備えている。インターコネクター１１が、電気化学セル１の一部を収容する収容部と、この収容部から突出する接続部１２とを備えている。収容部とセル１との間に第二のガスの流路が形成されている。第二のガスが流路を通過する間に第二の電極と接触する。接続部１２が、隣接するセル１の導電部５に対して電気的に接続されている。
【選択図】図１２

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池などの電気化学装置に関するものである。

燃料電池1 枚当たりの電圧は1V程度であるので、大出力を得るには複数枚積層( スタック) しなければならない。そこで、いかに小型で積層数を増やし大出力を得ることができるかが問題となってくる。

特許文献１の特に図14では、セラミック製電気化学セルの例えば燃料極の内部に燃料流路を形成し、燃料極の上に固体電解質膜、空気極膜を形成する。そしてセルそのものにガス供給孔とガス排出孔とを設け、セルを直接に複数枚積層してスタックを形成する。このスタック形成のさいに、隣接する各セルのガス供給孔を連続させてガス供給路を形成し、各セルのガス排出孔を連続させることでガス排出路を形成する。
ＷＯ２００７／０２９８６０Ａ１

特許文献１記載のようなスタック（集合電池）では、ガス流路を内部に持つセルを固定部材に取り付け、これらをスタックする。しかし、この構造でのセルは構造部材としての役割も持つので、応力が加わりやすい。特にガス流路を内部に持つセルはガス流路を持たないセルよりも構造強度が弱いことから、セルに応力が加わらない構造が望ましい。

本出願人は、特許文献２において、電気化学セルの内部に燃料ガス流路を形成し、複数の電気化学セルを互いに離間された状態でガス供給部材およびガス排出部材によって支持することを開示した。
特願２００７−８３９９９

しかし、この場合には、セル外を流れる空気の流量が多く、セルの表面で発電に利用できる空気量が少なく、利用効率が低い。また、隣接するセルを導電性のガス供給部材や排出部材で導通させるが、電流の流れる距離が長くなる傾向があり、この点から電流損失が大きくなる傾向があった。

本発明の課題は、セラミック製の電気化学セルをスタックするときにセルに加わる機械的応力を低減し、またガスの利用効率を向上させ、電流損失も低減することで効率を向上させることである。

本発明は、複数のセラミックス製電気化学セル、およびインターコネクターを備えている電気化学装置であって、
電気化学セルが、第一のガスを流すガス流路を内蔵しており、第一のガスと接触する第一の電極、固体電解質層、電気化学セルの外表面に露出して第二のガスと接触する第二の電極、および第一の電極と電気的に導通する導電部を備えており、
インターコネクターが、電気化学セルの一部を収容する収容部と、この収容部から突出する接続部とを備えており、
収容部と前記電気化学セルとの間に第二のガスの流路が形成されており、第二のガスが流路を通過する間に第二の電極と接触し、接続部が、隣接するセルの導電部に対して電気的に接続されていることを特徴とする。

本発明では、電気化学セル内に第一のガスの流路を形成すると共に、インターコネクターによって、電気化学セルの一部を収容し、インターコネクターとセルとの間に第二のガスの流路を形成する。第二のガスは、この流路を通過する間に第二の電極と接触し、電気化学反応に寄与する。従って、インターコネクター内にセルを収容して第二のガス流路を形成しているので、第二のガス流路を幅の狭い流路として形成でき、第二のガスの利用効率を向上させることができる。

これと共に、インターコネクターに接続部を設け、あるセルを収容するインターコネクターの接続部を、隣接するセルの導電部に対して電気的に接続する。これによって、隣接するセルは、インターコネクターの収容部から延びる接続部を介して、隣接するセルに対して接続される。この構造によって、スタック全体に加わる圧縮応力は、各インターコネクターの各収容部で受けられ、各接続部で応力分散される。従って、セルに過大な応力が加わることによる破損を防止できる。

本発明では、電気化学セルは板状であることが好ましい。ただし、平板状には限らず、湾曲した板や円弧状の板でもよい。電気化学セルは、第一のガスと接触する第一の電極、固体電解質膜、第二のガスと接触する第二の電極、および第二の電極と接続された導電部を備えている。

ここで、第一の電極、第二の電極は、アノードまたはカソードから選択する。これらのうち一方がアノードである場合には、他方はカソードである。これと同様に、第一のガス、第二のガスは、酸化性ガス、還元性ガスから選択する。

酸化性ガスは、酸素イオンを固体電解質膜へと供給可能なガスであれば特に限定されないが、空気、希釈空気、酸素、希釈酸素が挙げられる。還元性ガスとしては、Ｈ_２、CO、ＣＨ_４とこれらの混合ガスを例示できる。

本発明が対象とする電気化学セルは、電気化学反応を生じさせるためのセル一般を意味している。例えば、電気化学セルは、酸素ポンプ、高温水蒸気電解セルとして使用できる。高温水蒸気電解セルは、水素の製造装置に使用でき、また水蒸気の除去装置に使用できる。また、電気化学セルを、ＮＯｘ、ＳＯｘの分解セルとして使用できる。この分解セルは、自動車、発電装置からの排ガスの浄化装置として使用できる。この場合には、固体電解質膜を通して排ガス中の酸素を除去するのと共に、ＮＯｘを電解してＮ_２とＯ_２ ⁻とに分解し、この分解によって生成した酸素をも除去できる。また、このプロセスと共に、排ガス中の水蒸気が電解されて水素と酸素とを生じ、この水素がＮＯｘをＮ_２へと還元する。また、好適な実施形態では、電気化学セルが、固体酸化物形燃料電池である。

固体電解質の材質は特に限定されず、あらゆる酸素イオン伝導体を利用できる。例えば、イットリア安定化ジルコニア又はイットリア部分安定化ジルコニアであってよく、ＮＯｘ分解セルの場合には、酸化セリウムも好ましい。

カソードの材質は、ランタンを含有するペロブスカイト型複合酸化物であることが好ましく、ランタンマンガナイト又はランタンコバルタイトであることが更に好ましく、ランタンマンガナイトが一層好ましい。ランタンコバルタイト及びランタンマンガナイトは、ストロンチウム、カルシウム、クロム、コバルト（ランタンマンガナイトの場合）、鉄、ニッケル、アルミニウム等をドープしたものであってよい。

アノードの材質としては、ニッケル−マグネシアスピネル、ニッケル−ニッケルアルミナスピネル、ニッケル−ジルコニア、白金−酸化セリウム、ルテニウム−ジルコニア等が好ましい。

各電気化学セルの形態は特に限定されない。電気化学セルは、アノード、カソードおよび固体電解質層の３層からなっていてよい。あるいは、電気化学セルは、アノード、カソードおよび固体電解質層以外に、例えば多孔質体層を有していて良い。

本発明においては、第一のガスを流すガス流路が電気化学セルに設けられている。ガス流路の形態、個数および場所は特に限定されない。

好適な実施形態においては、隣接する前記電気化学セルが、貫通孔を有する結合部材によって連結されている。

この実施形態において、第一のガス流路と連通する第一の貫通孔、第二の貫通孔をセルに形成できる。各貫通孔の形態、個数および場所は特に限定されない。

本発明では、結合部材と電気化学セルとを連結する方法は、特に限定されない。この連結には、例えば、ガラスやセラミックス製接着剤や、機械的結合法を利用できる。また、連結部材と電気化学セルとを気密にシールする方法は、特に限定されないが、シール材を用いることが好ましい。このようなシール部材の材質は特に限定されないが、電気化学セルの作動温度において耐酸化性と耐還元性を有する必要がある。具体的には、シリカを主成分とするガラス及び結晶化ガラス、金属ろうなどを例示できる。また、O リング、C リング、E リングやメタルジャケットガスケット、マイカガスケットなどのコンプレッションシールも例示できる。

連結部材が管状体または環状体である場合には、管状部の具体的形態は限定されない。管状部の横断面形状は、例えば、真円形、楕円形、三角形、四角形、六角形などの多角形であってよい。

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明をさらに詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電気化学セル１を示す斜視図であり、図２は、電気化学セル１を分解して示す分解斜視図である。

電気化学セル１の第一の電極１６の内部に、第一のガスを流すためのガス流路７が形成されている。第一の電極１６は平板状をなしており、第一の電極１６を覆うように固体電解質層６が設けられている。セル１の両側の主面上には、それぞれ、第二の電極２Ａ、２Ｂが形成されている。セル１の両方の主面には、第二の電極２Ａ、２Ｂが露出する。本例では、セル１の中央部に、セル内側の第一の電極１６に電気的に導通する導電部５が露出している。

電気化学セル１には、所定箇所に、第一の貫通孔３および第二の貫通孔４が形成されている。貫通孔３からセル内に流入した第一のガスは、矢印Ａ、Ｂ、Ｃのようにガス流路７内を流れ、第二の貫通孔４から排出される。第一のガスは、流路７を流れる間に電気化学反応に寄与する。

図３に示すように、複数のセル１を積層する。そして、隣接するセル間に連結部材９を介在させることで、隣接するセルの各貫通孔３、４をそれぞれ連結する。各連結部材９には貫通孔９ａが形成されている。各貫通孔９ａと各貫通孔３が連通することによって、ガス供給路が形成される。また、各貫通孔９ａと各貫通孔４とが連通することによって、ガス排出路が形成される。

連結部材の材質は、セルを構成するセラミックスよりも機械的強度が高ければ特に限定されないが、セルとの熱膨張係数差が２×１０^−６ (/K)の材料、例えばジルコニア、マグネシア、スピネルセラミックス、さらにこれらを複合した材料などを例示できる。また、電気化学セルの作動温度において耐酸化性および耐還元性を有していれば金属であってもよく、純金属であっても合金であってもよいが、ニッケル、インコネル、ニクロムなどのニッケル基合金、ステンレスなどの鉄基合金、ステライトなどのコバルト基合金が好ましい。

本発明のインターコネクターは、電気化学セルの一部を収容する収容部と、収容部から突出する接続部とを備えている。収容部は、セルの外側から挿入することができ、セルをその両面側から挟み、セルと収容部との間に第二ガスの流路を形成するものである。

インターコネクターの材質は導電性である必要があり、また第二のガスに対してセルの稼働温度で耐久性でなければならない。具体的には、純金属であっても合金であってもよいが、ニッケル、インコネル、ニクロムなどのニッケル基合金、ステンレスなどの鉄基合金、ステライトなどのコバルト基合金が好ましい。

接続部は、弾性変形可能であることが好ましく、金属板から形成されていることが特に好ましい。金属の材質は、上記したインターコネクター用材料を例示できる。

図４（ａ）は、一実施形態に係るインターコクネター２０の側面図であり、図４（ｂ）は、その断面図であり、図４（ｃ）は、その平面図であり、（ｄ）は、（ｃ）のインターコネクターを右側から見た図である。

収容部１１は、上側板１１ａ、下側板１１ｂおよび端板１１ｄを備えており、上側板１１ａと下側板１１ｂとの間に空間１１ｃが形成されている。端板１１ｄと反対側から接続部１２が突出している。接続部１２は、平坦部１２ａと、上方へと沿っている曲折部１２ｂとを備えている。接続部１２は、金属平板の加工によって形成されている。

図５（ａ）は、一実施形態に係るインターコクネター２０Ａの側面図であり、図５（ｂ）、図５（ｃ）は、その断面図であり、図５（ｄ）は、その平面図である。

収容部１１Ａは、上側板１１ａ、下側板１１ｂを備えており、上側板１１ａと下側板１１ｂとの間に空間１１ｃが形成されている。インターコネクターの端部は開放端になっている。インターコネクターの開放端と反対側から接続部１２が突出している。接続部１２は、平坦部１２ａと、上方へと沿っている曲折部１２ｂとを備えている。接続部１２は、金属平板の加工によって形成されている。

好適な実施形態においては、接続部に、隣接する電気化学セルへと向かって突出する突起が設けられている。これによって、隣接するセルとの接続の確実性が一層向上する。

図６のインターコネクター２０Ｂは、図４に示すインターコネクター２０と同様のものであり、特に図４（ａ）と同様に、インターコネクター２０Ｂの側面図を示すものである。本例では、接続部１２ｂの先端の曲折部１２ｂに、隣接するセルに向かって突出する突起１３が形成されている。

図７のインターコネクター２０Ｃは、図５に示すインターコネクター２０Ａと同様のものであり、特に図５（ａ）と同様に、インターコネクター２０Ａの側面図を示すものである。本例では、接続部１２の先端の曲折部１２ｂに、隣接するセルに向かって突出する突起１３が形成されている。

このような突起の形成方法は特に限定されないが、例えばエンボス加工によって形成できる。

図３のスタックを形成した後に、例えば上述したようなインターコネクターを各セルに被せ、固定する。例えば、図８に示すように、各セル１の各電極２Ａを被覆するように、それぞれインターコネクター２０（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ）の収容部を横からはめ込み、固定する。また、各セル１の各電極２Ｂを被覆するように、それぞれインターコネクター２０（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ）の収容部を横からはめ込み、固定する。この状態では図９に示す状態となる。

この際、各インターコネクターと、対向する電極２Ａ（２Ｂ）との間には、第二のガスの流路に形成される。このガス流路内には、所定の導電性接続部材を収容し、導電性接続部材を電極および収容部に接触させることによって、電極と収容部とを電気的に接続する。導電性接続部材の材質や形態は特に限定されず、公知のものを使用できるが，金属フェルト、メッシュを例示できる。

スタックを形成すると、図１０に示すように、最上部のセル１の導電部５と、最下部のセルのインターコネクターとを結線する。これによって、複数のセルが直列接続される。

隣接するセルの接続状態を図１１、図１２に模式的に示す。図１１の例では、図４、図５に示した接続部突起のないインターコネクターを使用した。まず、図１１に示すように、インターコネクター２０、２０Ａの収容部をセル１に横から被せてはめ込む。このとき、接続部１２の平坦部１２ａと、隣接するセルの導電部５との間に、導電ペースト３０を介在させる。

次いで、図１２に示すように、インターコネクター２０、２０Ａを深く押し込み、前述のようにセル１に対して固定する。この状態で、二つのインターコネクター２０、２０Ａの接続部１２は互いに交差し、かつ導電部５に対して導電製ペースト３０Ａを介して接続される。

また、隣接するセルの接続状態を図１３、図１４に模式的に示す。図１３の例では、図６、図７に示した接続部突起のないインターコネクター２０Ｂ、２０Ｃを使用した。まず、図１３に示すように、インターコネクター２０Ｂ、２０Ｃの収容部をセル１に横から被せてはめ込。このとき、接続部１２の平坦部１２ａと、隣接するセルの導電部５との間に、導電ペースト３０を介在させる。

次いで、図１４に示すように、インターコネクター２０Ｂ、２０Ｃを深く押し込み、前述のようにセル１に対して固定する。この状態で、二つのインターコネクター２０Ｂ、２０Ｃの接続部１２は互いに交差し、かつ導電部５に対して導電製ペースト３０Ａを介して接続される。このとき、突起１３によって導電性ペースト３０Ａは下方へと向かって強く押圧され、導電部５に対する接続抵抗が一層低減される。

図１〜図１４を参照しつつ説明した前記方法に従い、本発明の実施例１、２、３、４の各スタックを作製した。

（発電用セルの作製）
燃料極１６を基板とする固体酸化物形燃料電池（セル）を作製した(図１、図２参照)。
（燃料極基板の作製）
酸化ニッケル粉末とイットリア安定化ジルコニア(YSZ)を混合し、燃料極基板用粉末を得た。この粉末を金型プレス成形し、燃料極基板成形体を２枚製作した。
（流路形成部材の設置と燃料極基板との一体化＋電解質膜形成）
流路形成部材を燃料極基板成形体の間に挟み、プレスによって一体化した。
固体電解質としては、YSZ粉末にバインダーを添加したスラリーを用い、燃料極基板成形体上に塗布、乾燥後、電気炉で空気中1400℃２時間焼成して、固体電解質６／燃料極１６支持基板を得た。

（空気極および導電板の形成）
LaMnO_３粉末にバインダーと溶剤を加え、ペーストを作製した。このペーストを前記基板の２主面上にスクリーン印刷、乾燥後、電気炉で空気中1200℃で１時間焼成して、空気極２Ａ、２Ｂを形成した。また、電解質の一部を剥離し、燃料極基板を外表面に露出させた。この露出部に、別途製作しておいたランタンクロマイトの厚み0.3mmの導電板を導電性ペーストにて貼り付け、導電板５の周囲をシール材で固定した。こうして得られた焼結体に燃料供給孔３、排出孔４を加工によって形成し、発電用セル１を得た。作製したセル１の形状は、長さ110mm、幅100mm、厚さ3mmであった。

（金属製インターコネクターの作製）
材質SUS430の平板を、長さ60mm、幅105mm、厚さ0.5mmの寸法に加工し、図４、５、６、７の各インターコネクターを成形した。

（セルとセラミック連結部品の接合）
上で作製したセル１の燃料供給孔３、排出孔４、に外径φ24mm、内径φ9mm、厚み2mmのセラミック連結部品９を、1000℃で軟化するガラスペーストを用いて取り付け、20段積層し、電気炉で空気中、1000℃１時間加熱して接合した（図３）。

(金属インターコネクタの取り付け)
上で作製されたインターコネクター内に、エンボス加工した集電メッシュ（導電性接続部第）を入れた。インターコネクターの各接続部に導電性ペースト３０を塗布し、20段積層された各セルの左右からはめ込んだ（図８、図９）。電気的接続は、図１１〜１４に示すようにして行った。

（発電性能の評価）
性能評価をするため、電気炉に前記スタックをセットし、図１０のように電圧線・電流線を接続した燃料極側にＮ_２，空気極側にAirを流しながら800℃まで昇温し、800℃に達した時点で燃料極側にＨ_２を流して還元処理を行った。３時間の還元処理後、スタックの電流-電圧特性評価を実施した。

800℃での発電特性を表１に示す。発電出力は、スタックの単位体積当たりの出力と１セル当たりの出力を示している。

発電特性は、実施例１、２では、単位体積当たりの出力は270W/L以上であった。本発明実施例３、４では、実施例１、２よりもさらにオーミック抵抗が低減され、出力が向上した。本発明実施例３、４の出力がさらに向上したのは、金属インターコネクターをはめ込む際に導電板に金属インターコネクターが押しつけられる為、接触抵抗が低減された為と考えられる。

また、インターコネクター突起部の長さを変更することにより、セルの作製寸法ばらつきに関係なく、ユニットの大きさはインターコネクターの大きさで決定され、一定サイズのユニットを作製することが可能な形状である。

本発明の一実施形態に係る電気化学セル１の斜視図である。図１のセル１の分解斜視図である。セル１を積層してスタックを形成した状態を示す斜視図である。図４（ａ）は、一実施形態に係るインターコクネター２０の側面図であり、図４（ｂ）は、その断面図であり、図４（ｃ）は、その平面図であり、（ｄ）は、（ｃ）のインターコネクターを右側から見た図である。図５（ａ）は、一実施形態に係るインターコクネター２０Ａの側面図であり、図５（ｂ）、図５（ｃ）は、その断面図であり、図５（ｄ）は、その平面図である。インターコネクター２０Ｂを示す側面図である。インターコネクター２０Ｃを示す側面図である。図３のスタックのセル１にインターコネクターをはめ込んでいる状態を示す斜視図である。図３のスタックのセル１にインターコネクターをはめ込んだ状態を示す斜視図である。図９のスタックに電圧、電流線を取り付けた状態を示す斜視図である。図９のスタックの作製前の状態を模式的に示す断面図である。図９のスタックの作製後の状態を模式的に示す断面図である。図９のスタックの作製前の状態を模式的に示す断面図である。図９のスタックの作製後の状態を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１電気化学セル２Ａ、２Ｂ第二の電極３第一の貫通孔４第二貫通孔５導電部６固体電解質７第一のガスの流路９結合部材１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ収容部１２接続部１６第一の電極２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０ＣインターコネクターＡ、Ｂ、Ｃ第一のガスの流れ

Claims

複数のセラミックス製電気化学セル、およびインターコネクターを備えている電気化学装置であって、
前記電気化学セルが、第一のガスを流すガス流路を内蔵しており、前記第一のガスと接触する第一の電極、固体電解質層、前記電気化学セルの外表面に露出して第二のガスと接触する第二の電極、および前記電気化学セルの外表面に露出して前記第一の電極と電気的に導通する導電部を備えており、
前記インターコネクターが、前記電気化学セルの一部を収容する収容部と、この収容部から突出する接続部とを備えており、
前記収容部と前記電気化学セルとの間に前記第二のガスの流路が形成されており、前記第二のガスが前記流路を通過する間に前記第二の電極と接触し、前記接続部が、隣接する前記電気化学セルの前記導電部に対して電気的に接続されていることを特徴とする、電気化学装置。
前記接続部に、隣接する前記電気化学セルへと向かって突出する突起が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の電気化学装置。
前記接続部が弾性変形部材からなることを特徴とする、請求項１または２記載の電気化学装置。
前記接続部と前記導電部とが導電性ペーストによって接続されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の電気化学装置。
隣接する前記電気化学セルが、貫通孔を有する結合部材によって連結されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の電気化学装置。