JP2010232007A

JP2010232007A - 固体酸化物型燃料電池

Info

Publication number: JP2010232007A
Application number: JP2009078190A
Authority: JP
Inventors: Naoki Ito; 直樹伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2029-03-27
Also published as: JP5423093B2

Abstract

【課題】電解質のピンホールの発生を抑制することを目的とする。
【解決手段】固体酸化物型燃料電池１０であって、複数の孔１１０を有する基板１００と、前記基板の一方の面に順次積層された第１の電極層２００と、固体酸化物で形成された電解質層３００と、第２の電極層４００と、を備え、前記孔１１０は、前記基板１００の法線１５０方向に対して傾いて形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に固体酸化物型燃料電池に関するものである。

多数の孔を有するフェライトステンレス鋼基板の上に電極層、電解質を形成している固体酸化物型燃料電池が知られている（例えば特許文献１）。

特表２００４−５１２６５１号公報

従来の固体酸化物型燃料電池では、フェライトステンレス鋼基板の孔は、フェライトステンレス鋼基板の法線方向と平行に開けられていた。そのため、電極、電解質を形成するときに、孔を埋めきれず、電解質にピンホールが形成され、反応ガスのリークや短絡が発生する恐れがあった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決し、電解質のピンホールの発生を抑制することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
固体酸化物型燃料電池であって、複数の孔を有する基板と、前記基板の一方の面に順次積層された第１の電極層と、固体酸化物で形成された電解質層と、第２の電極層と、を備え、前記孔は、前記基板の法線方向に対して傾いて形成されている、固体酸化物型燃料電池。
この適用例によれば、電極層、電解質層におけるピンホールの発生を抑制することが可能となる。

本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、固体酸化物型燃料電池の他、固体酸化物型燃料電池における電極層・電解質層の形成方法等、様々な形態で実現することができる。

本実施例に係る燃料電池の構成を示す説明図である。燃料電池の材料の一例を示す説明図である。燃料電池の典型的な材料の組み合わせの一例を示す説明図である。燃料電池の製造方法を比較して示す説明図である。斜めの孔の他の形成方法を示す説明図である。電極層・電解質層の他の形成方法を示す説明図である。変形例を示す説明図である。他の変形例を示す説明図である。

図１は、本実施例に係る燃料電池の構成を示す説明図である。燃料電池１０は、基板１００と、アノード２００と、電解質３００と、カソード４００と、を備える。アノード２００、電解質３００、カソード４００は、基板１００の上に、アノード２００、電解質３００、カソード４００の順番に積層されている。

図２は、燃料電池の材料の一例を示す説明図である。基板１００は、例えば、SUS430、SUS410L、SUS447、Fe/30Cr合金、Crofer22APU（ドイツ・ティッセンクルップ・ＶＤＭ社）、ZMG232（日立金属）などの金属材料で構成された平板である。基板１００の厚さとして、０．１mm〜２mmの値を採用することが可能である。基板１００には、複数の孔１１０が形成されている。図１に示すように、本実施例では、孔１１０は、基板１００平面に対する直角方向と傾いて形成されている。すなわち基板１００の法線１５０と、孔１１０に沿った直線１１５とは、一定の角度α（１０度＜α＜８０度）をなしている。角度αは２０度から４５度の値を採用することが好ましい。角度αの値が２０度より小さいと、アノード２００を堆積する際にアノード２００が貫通し易くなり、角度αの値が４５度より大きいと、孔１１０を形成するのに必要とする、基板平面方向の長さが長くなりすぎるからである。また、孔１１０の直径Ｌ１として、１μm〜１mmを採用することが可能であり、５０〜３００μmを採用することが好ましい。また、法線１５０方向から基板１００の孔１１０の中を見たときに、基板１００の向こう側が孔１１０を通して見えないように、孔１１０が形成されていることが好ましい。

アノード２００の材料として、例えば、Ni/8YSZ混合物（50/50ｗｔ）（ニッケルと８mｏｌ％イットリア安定化ジルコニアを重量比５０：５０で混合した混合物）や、Ni/GDC混合物（60/40ｗｔ）（ニッケルとガドリニウム添加セリアを重量比６０：４０で混合した混合物）を採用することが可能である。アノード２００の膜の厚さとして、２０〜１００μmの厚さを採用することが可能である。また、アノード２００を形成する材料の粒径として、０．０１〜５μmを採用することが可能であり、０．１〜１μmを採用することが好ましい。

電解質３００の材料として、例えば8YSZや、GDC、SDC（サマリウム添加シリア）、La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O₃（LSGM、ストロンチウム・マグネシウム添加ガリウム酸ランタン）を採用することが可能である。電解質３００の膜の厚さとして、５〜３０μmの厚さを採用することが可能である。

カソード４００の材料として、例えば、La_0.8Sr_0.2MnO₃やLa_0.6Sr_0.4CrO₃、La_0.9Ca_0.1MnO₃、PrCrO₃を採用することが可能である。カソード４００の膜の厚さとして、３０〜１００μmの厚さを採用することが可能である。なお、ここに示した基板１００、アノード２００、電解質３００、カソード４００の材料は、一例であり、これ以外の材料の使用を妨げるものではない。膜厚についても同様である。

図３は、燃料電池の典型的な材料の組み合わせの一例を示す説明図である。図３（Ａ）に示す例では、基板１００にSUS430（厚さ0.1mm）を用い、アノードにNi/8YSZ（膜厚50μm）、電解質に8YSZ（15μm）、カソードにLa_0.8Sr_0.2MnO₃（30μm）を用いている。図３（Ｂ）に示す例では、基板１００にCrofer22APU（0.2mm）を用い、アノードにNi/GDC（20μm）、電解質にGDC（10μm）、カソードにLa_0.6Sr_0.4CoO₃（30μm）を用いている。図３（Ｃ）に示す例では、基板１００にZMG232（0.4mm）を用い、アノードにLSGM（10μm）、電解質にGDC（5μm）、カソードにLa_0.6Sr_0.4CoO₃（20μm）を用いている。なお、これらの組み合わせは一例であり、様々な組み合わせを採用することが可能である。

図４は、燃料電池の製造方法を比較して示す説明図である。図４（Ａ）は、実施例を示し、図４（Ｂ）は比較例を、図４（Ｃ）は、変形例を示している。図４（Ａ）に示す実施例では、アノード２００は、基板１００の法線１５０方向から堆積される。本実施例では、アノード２００の堆積方向と、孔１１０に沿った直線１１５の方向と、が平行でないため、アノード２００が孔１１０を通って反対側に抜けにくい。その結果、アノード２００にピンホールが発生し難くすることが可能である。図には示していないが、電解質３００、カソード４００についても同様に堆積される。その結果、電解質３００やカソード４００についてもピンホールが発生し難くすることが可能である。

図４（Ｂ）に示す比較例では、孔１２０は、基板１００に対して法線１５０方向に形成されている。すなわち、すなわち基板１００の法線１５０と、孔１２０に沿った直線１５１とは、平行である。一方、アノード２００は、基板１００の法線１５０方向から堆積される。比較例では、アノード２００の堆積方向と孔１２０に沿った直線１５１の方向が平行なため、積層するアノード２００が孔１２０を通って反対側に抜けやすい。その結果、積層するアノード２００にピンホール２１０が発生する恐れがある。この場合、電解質３００や、カソード４００を堆積する際に、同様にピンホールが発生する恐れがある。

図４（Ｃ）に示す変形例では、図４（Ｂ）に示す比較例と同様に、孔１２０は、基板１００に対して法線１５０方向に形成されている。一方、アノード２００は、基板の法線１５０方向から一定の角度β（１０度＜β＜８０度）傾いた方向から堆積される。角度βとして、２０度から４５度の値を採用することが好ましい。変形例では、実施例と同様にアノード２００の堆積方向と孔１１０に沿った直線１１５の方向が平行でないため、アノード２００が孔１１０に中に落ち込みにくい。その結果、アノード２００にピンホールが発生し難い。

一般的には、レーザーやドリルなどで、基板１００に対し直接的に斜めの孔１１０を形成することが可能である（図示せず）。ただし、ドリルで斜めの孔１１０を形成する際には、ドリルの刃先と基板１００の間に滑りが発生する恐れがあるため、ドリルと基板１００とをしっかりと固定する必要がある。

図５は、斜めの孔の他の形成方法を示す説明図である。図５（Ａ）に示す形成方法は、基板１００に対して剪断応力５００をかけて、基板１００にすべり変形を起こさせる方法である。この方法は、基板１００の材料が金属である場合に用いることが可能である。まず、基板１００に法線１５０と垂直な孔１２０を形成する。この孔１２０は、レーザーやドリルによって形成することが可能である他、金型を用いたプレスによっても形成することが可能である。次に、基板１００に剪断応力５００を掛けて滑り変形を起こさせる。これにより、法線１５０と垂直な孔１２０は、法線１５０と斜めの方向の孔１１０に変形する。なお、加熱条件下で剪断応力５００を掛けることが好ましい。

図５（Ｂ）に示す方法は、孔１２０の位置がずれた複数の基板１０１〜１０３を重ね合わせる方法である。基板１００は、複数の基板１０１〜１０３を備える。各基板１０１〜１０３は、孔１２１〜１２３を備える。基板１０１と１０２を重ねたときに、孔１２１と孔１２２の一部が重なり、基板１０２と１０３を重ねたときに、孔１２２と孔１２３の一部が重なるように、孔１２１〜１２３が、基板１０１〜１０３に形成されている。また、３枚の基板１０１〜１０３を重ねたときに、孔１２１と１２３は、孔１２２を介して繋がっている。また、孔１２１〜１２３の中心を結ぶ線１５２は、直線をなしている。線１５２と法線１５０の為す角γは、１０度から８０度の値を採用することが可能であり、２０度から４５度の範囲が好ましい。こうすると、アノード２００を堆積する際に、ピンホールを発生し難くすることが可能となる。なお、基板１０１と１０３を重ねたときに、孔１２１と１２３が重ならないことが好ましい。なお、線１５２は直線でなくてもよい。

図５（Ｂ）に示す方法では、基板３枚を用い、線１５２が直線であるのに対し、図５（Ｃ）に示す方法では、基板１０１〜１０５の５枚を用い、各基板１０１〜１０５の孔１２１〜１２５の中心を結ぶ線１５３が直線に乗っていない点が異なる。例えば、線１５３は曲線、螺旋曲線であってもよい。こうすると、アノード２００を堆積する際に、ピンホールを発生し難くすることが可能となる。図５（Ｂ）や図５（Ｃ）に示す方法では、孔１２１〜１２５を形成する際に、プレスを用いることが可能なため、製造が容易である。また、図５（Ａ）に示す剪断応力をかける方法では各孔１１０の直線１１５の向きは一方向に限られるが、図５（Ｂ）（Ｃ）に示す方法では、線１５２、１５３を様々な方向に向かせることができる。これにより、アノード２００、電解質３００、カソード４００にバランス良く反応ガスを供給できるので、燃料電池の発電効率を向上させることが可能となる。なお、図５（Ｂ）では基板を３枚用い、図５（Ｃ）では基板を５枚用いているが、基板の枚数はこれらの枚数に限られない。

図６は、電極層・電解質層の他の形成方法を示す説明図である。図６（Ａ）に示す方法は、図４（Ｃ）に示す方法とは、法線１５０方向を軸として基板１００を回転させる点が異なる。基板１００を回転させない場合、アノード２００は、基板の一方向から堆積する。その場合、孔１２０の中にもアノード２００が堆積するが、孔１２０のアノード２００の噴射方向の側面にアノード２００が堆積し易い。これに対し、本実施例では、孔１２０の側面に均等にアノード２００を堆積させることが可能となる。なお、基板１００を回転させずに、アノード２００の放射スプレー（図示せず）を回転させるようにしてもよい。

図６（Ｂ）に示す方法は、基板１００に法線１５０と平行な孔１２０を開けた後、基板１００を折り曲げ、アノード２００を堆積させている。このようにすると、アノード２００の堆積方向と、孔１２０に沿った方向とは非平行となるので、アノード２００を堆積する際に、ピンホールを発生し難くすることが可能となる。

図６（Ｃ）に示す方法は、基板１００に法線１５０と平行な孔１２０を開けた後、基板１００を折らずに曲げ、アノード２００を堆積させている。このように、基板１００を折らずに曲げても、同様にアノード２００の堆積方向と、孔１２０に沿った方向とを非平行にすることができる。その結果、アノード２００を堆積する際に、ピンホールを発生し難くすることが可能となる。

［変形例］
図７は、変形例を示す説明図である。図７（Ａ）は、変形例の断面を示す説明図であり、図７（Ｂ）は中間の基板１０２の平面を示す説明図である。本実施例では、各基板１０１〜１０３は孔１２１〜１２３を備えているが、３枚の基板１０１〜１０３で構成する場合、基板１０１、１０３にお互いに重ならない孔１２１、１２３を有し、中間の基板１０２は、孔１２１、１３１を連通する連通路１２９を備えるようにしてもよい。具体的には、基板１００を法線１５０方向から見たときに、基板１００の第１の面に形成される孔１２１と、基板１００の第２の面に形成される孔１２３の位置とが、ずれているように、前記孔１２１〜１２３が形成されていてもよい。すなわち、孔１２１、１３１と連通路１２９とがクランク形状を形成していてもよい。こうすれば、孔１２１内にアノード２００が侵入しても、基板１０３によりアノード２００の基板１００反対側への通過が妨げられるので、アノード２００、電解質３００、カソード４００におけるピンホールの生成を抑制し易い。

図８は、他の変形例を示す説明図である。上述した実施例では、基板１００の形状が平面である場合について説明したが、基板１００の形状は、例えば円筒形であってもよい。図８に示す例では、基板１００の形状が円筒形である。円筒の直径１１５と孔１１０に沿った直線１１５とは、一定の角度α（１０度＜α＜８０度）をなしている。なお、角度αは同様に２０度から４５度の値を採用することが好ましい。なお、孔１１０に沿った直線１１５は、図８（ａ）に示すように、円の平面方向に向いていてもよく、図８（ｂ）に示すように、円の平面方向と交わる方向を向いていてもよい。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…固体酸化物型燃料電池
１００…基板
１０１〜１０５…基板
１１０…孔
１１５…直線
１２０〜１２５…孔
１２９…連通路
１３０…直線
１３１、１３２…線
１５０…法線
１５５…直径
２００…アノード
２１０…ピンホール
３００…電解質
４００…カソード
５００…剪断応力

Claims

固体酸化物型燃料電池であって、
複数の孔を有する基板と、
前記基板の一方の面に順次積層された第１の電極層と、固体酸化物で形成された電解質層と、第２の電極層と、
を備え、
前記孔は、前記基板の法線方向に対して傾いて形成されている、個体酸化物型燃料電池。