JP2010086819A - 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】スタック化する際のセル段数を抑え、小型でありながら、高出力化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。
【解決手段】本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、同じ軸方向に延びる少なくとも１つの第１の貫通孔、及び少なくとも１つの第２の貫通孔が形成され、第１及び第２の貫通孔が両端部において開口し、ガス非透過性の電解質と、前記第１の貫通孔の内壁面に形成された燃料極と、第２の貫通孔の内壁面に形成された空気極と、電解質のいずれか一方の端部に配置され、前記第１及び第２の貫通孔を連通させる流路を有する連通部材と、を備え、第１及び第２の貫通孔は隣接して配置され、燃料極と空気極とが接触しないように配置されている。
【選択図】図３

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。

従来より、固体酸化物形燃料電池 のセルデザインとして、平板型、円筒型などが提案されている。平板型セルは、板状の電解質の表面及び裏面に燃料極及び空気極をそれぞれ配置したものであり、こうして形成されたセルはセパレーターを介して複数個積層された状態で使用される。セパレーターは各セルに供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する役割を果たしている。また、各セルとセパレーターとの間にはガスシールが施されている（例えば、特許文献１）。

一方、円筒型セルは、円筒形の電解質の外周面及び内周面に燃料極及び空気極をそれぞれ配置したものであり、円筒縦縞型、円筒横縞型などが提案されている（例えば、特許文献２）。
特開平５−３０４５号公報（第１頁、第６図） 特開平５−９４８３０号公報（第１頁、第１図）

上記のように、平板型及び円筒型の固体酸化物形燃料電池においては、複数のセルをスタックすることで、高い出力を得ることができるが、このように従来一般に知られる平板型及び円筒型の固体酸化物形燃料電池では単セルとセパレータとが別個の部材となり、これらの組立工程が必要になるばかりでなく、燃料ガス供給管や空気供給管なども配設する必要があることから多数の部材が必要になり、コストアップと大型化（コンパクトにできない）につながるという問題があった。また、単室型固体酸化物形燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスの混合ガスで発電できるため、平板型で必要なガスシールが必要なく、スタック構造が簡素化する利点がある。しかし、燃料ガスと酸化剤ガスを分離した、いわゆる二室型よりも燃料ガスが希釈した状況で発電するため、低出力となる問題があり、スタック化するときのセル段数が二室型よりも更に多くなるという問題があった。

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、単室型においても、スタック化するときのセル段数を抑え、小型でありながら、高出力化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。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、同じ軸方向に延びる少なくとも１つの第１の貫通孔、及び少なくとも１つの第２の貫通孔が形成され、前記第１及び第２の貫通孔が両端部において開口する電解質と、前記第１の貫通孔の内壁面に形成された燃料極と、前記第２の貫通孔の内壁面に形成された空気極と、前記電解質の一端部に配置され、前記第１及び第２の貫通孔を連通させる流路を有する連通部材と、を備え、前記第１及び第２の貫通孔は隣接して配置され、前記燃料極と空気極とが接触しないように配置されており、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスで発電する。

この構成によれば、電解質に複数の貫通孔を形成し、これら貫通孔の内壁面に燃料極と空気極をそれぞれ形成している。そして、燃料極が形成された第１の貫通孔と、空気極が形成された第２の貫通孔とを隣接させている。そのため、各貫通孔に燃料ガスと酸化剤ガスの混合ガスを供給すれば、燃料極、空気極、及びその間の隔壁を形成する電解質によって発電が行われる。このように、電解質の中に複数の貫通孔を形成し、その中に燃料極及び空気極を形成しているため、貫通孔の数を増やすことで固体酸化物形燃料電池の高出力化が可能となる。また、貫通孔を小さくすることで固体酸化物形燃料電池の小型化を図ることができる。

さらに、上記固体酸化物形燃料電池は、混合ガス中で発電するため、燃料ガスと空気ガス供給管を各貫通孔に設ける必要がないため、小型化を図ることができる。

また、連通部材を電解質の一端部に設けているため、燃料ガスと酸化剤ガスの混合ガスを、電解質の他端部における第１または第２の貫通孔の一方の貫通孔から供給すれば、混合ガスは一方の貫通孔及び連通部材を介して他方の貫通孔へ進入し、電解質の他端部から排出される。そのため、ガスの供給口と排出口とを電解質の同じ側にすることができ、ガス流路の設計が容易となる。

さらに、混合ガスを第２の貫通孔から供給すると、次の効果を得ることができる。すなわち、燃料ガスと酸化剤ガスの混合ガスを第２の貫通孔に供給すると、この混合ガスは、まず空気極に接触し反応する。これにより、混合ガスのうち、主として酸素が消費されるため、第２の貫通孔内のガスは、燃料ガスがリッチな状態になる。その後、この混合ガスは、連通部材を介して、第１の貫通孔内に流入する。第１の貫通孔内では、燃料ガスがリッチな混合ガスが燃料極と接触し、その後、電解質の他端部から外部へ排出される。したがって、単室型の電池でありながら、燃料極への燃料ガスの供給効率が高くなり、高出力化を図ることができる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造は、同じ軸方向に延びる少なくとも１つの第１の貫通孔、及び少なくとも１つの第２の貫通孔が形成され、前記第１及び第２の貫通孔が両端部において開口する電解質と、前記第１の貫通孔の内壁面に形成された燃料極と、前記第２の貫通孔の内壁面に形成された空気極と、を有する複数の固体酸化物形燃料電池セルを備え、前記複数の固体酸化物形燃料電池は、一端部と他端部とが互いに向き合うように、前記軸方向に並んで配置され、前記一端部と他端部とにおいて、隣接する前記固体酸化物形燃料電池セルの燃料極と空気極とを電気的に接続する少なくとも１つのインターコネクターと、前記複数の固体酸化物形燃料電池セルのうち、軸方向の端部に配置されている燃料電池において、前記インターコネクターが配置された側と反対側の端部に配置され、前記第１及び第２の貫通孔を連通させる流路を有する連通部材と、をさらに備えている。

この構成によれば、上述した固体酸化物形燃料電池の効果を得ることができる。さらに、複数の固体酸化物形燃料電池が接続されているため、高出力を得ることができる。

上記スタック構造において、各固体酸化物形燃料電池セルは、次のように構成することができる。すなわち、燃料極を、第１の貫通孔の内壁面から延ばして電解質の他端部の端面に形成し、空気極を、第２の貫通孔の内壁面から延ばして電解質の一端部の端面に形成する。この構成によれば、電解質の各端部の端面に、燃料極及び空気極がそれぞれ露出している。そのため、インターコネクターを隣接する固体酸化物形燃料電池の間に配置すると、これに燃料極と空気極がそれぞれ接触するため、固体酸化物形燃料電池セルを簡単に直列に接続することができる。

上記スタック構造において、インターコネクターは種々の構造することができるが、例えば、メッシュ状に形成すると、ガスが透過するので、電解質の両端面の全面に配置することができる。そのため、集電効率が高くなり、高出力を得ることができる。

本発明によれば、単室型においても、スタックのセル段数を抑え、小型でありながら、固体酸化物形燃料電池の高出力化が可能になる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造の斜視図である。

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のスタック構造は、２つの単セルを備えており、これら単セルをインターコネクター４によって電気的に接続している。ここでは、図１の上側に配置された単セルを第１単セルＣ１、下側に配置された単セルを第２単セルＣ２と称することとする。そして、第２単セルＣ２の下端部には、内部にガスの流路が形成された連通部材５が配置されている。

まず、各単セルについて説明する。両端セルの構造は同じであるので、第１単セルについて説明する。第１単セルは、直方体状に形成されたガス非透過性の電解質１を備えており、この電解質１には上端部１１と下端部１２とを貫通する４つの貫通孔１３，１４が形成されている。４つの貫通孔１３，１４は、断面が矩形状に形成され、格子状に整列している。ここでは、４つの貫通孔を２つに分け、図１の右奥及び左手前の貫通孔を第１貫通孔１３、図１の左奥及び右手前の貫通孔を第２貫通孔１４と称することとする。

図２は、図１のＡ−Ａ線断面図（ａ）、図１の単セルを上端から見た平面図（ｂ）、図１の単セルを下端から見た平面図（ｃ）であり、図３は図１のスタック構造の縦線断面図である。図２及び図３に示すように、各第１貫通孔１３の内壁面には、燃料極２が塗布されている。一方、各第２貫通孔１４の内壁面には空気極３が塗布されている。図２（ｂ）に示すように、電解質１の上端部１１の端面には、第１貫通孔１３の内壁面から延びる燃料極２がほぼ全面に塗布されている。一方、図２（ｃ）に示すように、電解質１の下端部１２の端面には、第２貫通孔１４から延びる空気極３がほぼ全面に塗布されている。ここで、燃料極２と空気極３とは互いに接触しないように、塗布されている。すなわち、図３に示すように、第１貫通孔１３内の燃料極２は、電解質１の下端部１２まで延びておらず、その手前で終端している。同様に、空気極３は電解質１の上端部１１の手前で終端している。こうして、燃料極２と空気極３との間には隙間１５を形成している。

そして、両単セルは、上端部１１と他端部１２とが対向するように軸方向に並べられており、これらの間にメッシュ状のインターコネクター４が配置されている。各単セルの上端部１１及び下端部１２の端面には、燃料極２及び空気極３がそれぞれ塗布されているため、インターコネクター４の上面及び下面にはそれぞれ燃料極及び空気極が接触する。これにより、両端セルは電気的に接続される。また、インターコネクター４は、メッシュ状に形成されているため、両単セル間に混合ガスを流通させることができる。

次に、連通部材５について説明する。この連通部材５は、第２単セルＣ２の下端部に配置されるものであり、ガス非透過性の材料で形成されている。そして、第２単セルＣ２の下端部を覆うように、上面に凹部５１を有するカップ状に形成されている。この凹部５１が、第２単セルＣ２の下端部で開口する第１及び第２貫通孔１３，１４を連通させるガス流路になっている。

続いて、上記燃料電池のスタック構造を構成する材料について説明する。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、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）ＣｏＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ３などの酸化物が挙げられ、好ましくは、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ３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２、及び空気極３は、例えば、ウエットコ−ティング法によって形成することができる。ウエットコ−ティング法としては、スプレー法、ディスペンサーコート法、ディップコート法等が例示できる。その際、これら燃料極２及び空気極３は、ペースト状にする必要があり、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、上記のように構成された単セルの製造方法の一例について説明する。ここでは、ディップコート法によって電極を形成する方法について説明する。

まず、固体電解質材料の製造方法について説明すると、上述した電解質粉末とバインダーを混練し、直方体の断面に四角形状の４つの貫通孔１３，１４が形成されるように押し出し成形を行う。そして、この成形体を所定の温度で焼結し、電解質１を得る。

続いて、燃料極ペースト、空気極ペーストを収容した容器をそれぞれ準備する。そして、電解質１において空気極３を形成すべき領域と外壁とにマスキングをした後、隙間１５が形成されるように電解質１を上端部１１側から容器に浸漬し、燃料極ペーストを電解質１の表面に塗布する。その後、所定時間、所定温度で乾燥・焼結して燃料極２を形成する。次に、電解質１において燃料極２が形成された領域及び外壁にマスキングをした後、隙間１５が形成されるように電解質１を下端部１２側から容器に浸漬し、空気極ペーストを電解質１の表面に塗布する。その後、所定時間、所定温度で乾燥・焼結して空気極３を形成する。こうして、単セルが作製される。

インターコネクターは、例えば、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ，ステンレス系材料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。

連通部材５を形成する材料は、ガス非透過性で且つ耐熱性を有していれば、特には限定されない。例えば、ＳＵＳのような金属材料、アルミナ系材料、シリカ系材料、またはジルコニア系材料を用いることができる。

上記のように構成された燃料電池のスタック構造では、次のように発電が行われる。まず、図３に示すように、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、空気などの酸化剤ガスとの混合ガスＧを、第１単セルＣ１の上端部から第２貫通孔１４に供給する。第１単セルＣ１の第２貫通孔１４を経た混合ガスは、メッシュ状のインターコネクター４を通過し、第２単セルＣ２の第２貫通孔１４に流入する。この過程において、混合ガスＧは、まず空気極３に接触し、酸素が消費される。そのため、第２貫通孔１４を通過するガスは、燃料ガスがリッチな状態になる。

その後、この混合ガスＧは、連通部材５の凹部５１を通過して、第２単セルの第１貫通孔に流入する。さらに、この混合ガスは、インターコネクター４を介して第１単セルＣ１の第１貫通孔１３に流入した後、上端部１１の開口から排出される。第１貫通孔１３を通過する過程においては、燃料ガスがリッチな混合ガスＧが燃料極２と接触する。以上の過程において、混合ガスＧ中の燃料ガス及び酸化剤ガスと各電極２，３とが選択的に反応するため、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に複数の貫通孔１３，１４を形成し、これら貫通孔１３，１４の内壁面に燃料極２と空気極３をそれぞれ形成している。そのため、１つの電解質１に対して複数の燃料極２及び空気極３を形成することができ、セルの集積化が可能になる。また、貫通孔を小さくすることで電池の小型化を図ることができる。

また、混合ガスＧをまず第２貫通孔１４内で空気極３と反応させた後、第１貫通孔１３内に流入するように構成している。そのため、第１貫通孔１３内に流入する混合ガスＧは、燃料ガスがリッチな状態になる。したがって、単室型の電池でありながら、燃料極２への燃料ガスの供給効率が高くなり、高出力化を図ることができる。なお、必ずしも上記のようなガスの流れにする必要はなく、混合ガスＧを第１貫通孔１３内で燃料極と反応させた後、第２貫通孔１４内に流入するように構成しても構わない。

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、上記支持体１は直方体であったが、形状は適宜変更可能であり、円筒型のほか、五角形、六角形などの断面多角形状でもよい。さらに、上記各実施形態では、電解質１に４つの断面矩形状の貫通孔を形成しているが、これに限定されるものではなく、貫通孔の数、形状は特には限定されない。例えば、上記の四角形状のほかにも、各開口の横断面形状が二等辺三角形、正三角形、正五角形、正六角形などでもよい。また、正三角形と正六角形などの相異なる形状の開口が混在し、隣接するような設計でもよい。そして、貫通孔を多角形状に形成するとともに、全体としてハニカム構造とすれば、電池の剛性が向上し、耐衝撃性能が向上する。

また、上記実施形態では、単セルの数は、２つであるが特には限定されず、１つであってもよい。また、インターコネクター４は、メッシュ状だけでなく、他の形態も可能である。すなわち、隣接する単セル間のガスの流れを阻害しないような形態であればよく、例えば、貫通孔の開口を塞がないようなパターン状に層を形成したり、多孔質体で形成することもできる。また、連通部材５の構成も、両貫通孔を連通できるのであれば、ガス流路の構造は特には限定されない。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造の一実施形態を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ線断面図（ａ）、図１の第１セルを上端から見た平面図（ｂ）、図１の第１セルを下端から見た平面図（ｃ）である。 図１の縦断面図である。

符号の説明

１ 電解質
１１ 上端部（一端部）
１２ 下端部（他端部）
１３ 第１貫通孔
１４ 第２貫通孔
２ 燃料極
３ 空気極
４ インターコネクター
５ 連通部材
５１ ガス流路
Ｃ１ 第１単セル（固体酸化物形燃料電池セル）
Ｃ２ 第２単セル（固体酸化物形燃料電池セル）

Claims (4)

1. 同じ軸方向に延びる少なくとも１つの第１の貫通孔、及び少なくとも１つの第２の貫通孔が形成され、前記第１及び第２の貫通孔が両端部において開口し、ガス非透過性の電解質と、
   前記第１の貫通孔の内壁面に形成された燃料極と、
   前記第２の貫通孔の内壁面に形成された空気極と、
   前記電解質のいずれか一方の端部に配置され、前記第１及び第２の貫通孔を連通させる流路を有する連通部材と、を備え、
   前記第１及び第２の貫通孔は隣接して配置され、
   前記燃料極と空気極とが接触しないように配置されており、
   燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスで発電する、単室型固体酸化物形燃料電池。
2. 同じ軸方向に延びる少なくとも１つの第１の貫通孔、及び少なくとも１つの第２の貫通孔が形成され、前記第１及び第２の貫通孔が両端部において開口するガス非透過性の電解質と、
   前記第１の貫通孔の内壁面に形成された燃料極と、
   前記第２の貫通孔の内壁面に形成された空気極と、を有する複数の固体酸化物形燃料電池セルを備え、
   前記複数の固体酸化物形燃料電池セルは、一端部と他端部とが互いに向き合うように、前記軸方向に並んで配置され、
   前記一端部と他端部とにおいて、隣接する前記固体酸化物形燃料電池セルの燃料極と空気極とを電気的に接続する少なくとも１つのインターコネクターと、
   前記複数の固体酸化物形燃料電池セルのうち、軸方向の端部に配置されている燃料電池において、前記インターコネクターが配置された側と反対側の端部に配置され、前記第１及び第２の貫通孔を連通させる流路を有する連通部材と、をさらに備えている、単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
3. 前記燃料極は、前記第１の貫通孔の内壁面から延び前記電解質の一方の端部の端面に形成され、
   前記空気極は、前記第２の貫通孔の内壁面から延び前記電解質の他方の端部の端面に形成されている、請求項２に記載の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ーは、メッシュ状に形成されている、請求項２または
   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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