JP2010238437A

JP2010238437A - 平板型固体酸化物形燃料電池用の固体電解質及び平板型固体酸化物形燃料電池

Info

Publication number: JP2010238437A
Application number: JP2009083263A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Uozumi; 学司魚住; Akbay Taner; アクベイタナー
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2010-10-21

Abstract

【課題】発電セルの面内温度分布による電流密度の不均一を是正し、高効率化を図る。
【解決手段】固体電解質層２Ａの両面に燃料極層３と空気極層４を配置して発電セル５Ａを構成し、この発電セルの外側に燃料極集電体６と空気極集電体７を配置し、これらの集電体の外側にセパレータ８Ａを配置して単セル１０Ａを構成すると共に、セパレータの燃料極層及び空気極層に対向する各面に反応ガスを吐出するための反応ガス吐出孔１７、１８を形成し、ガス吐出孔より集電体を介して燃料極層及び空気極層に反応ガスを供給して発電反応を生じさせる平板型固体酸化物形燃料電池において、固体電解質層２Ａの厚さを面の中心部から周辺部に行くに従い徐々に薄くなるように形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、平板型固体酸化物形燃料電池用の固体電解質、及び、その固体電解質を固体電解質層に用いた平板型固体酸化物形燃料電池に関するものである。

近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する固体酸化物形燃料電池が高効率でクリーンな発電装置として注目されている。この固体酸化物形燃料電池は、固体電解質層の両面に燃料極層（アノード）と空気極層（カソード）を配置して成る発電セルの外側に燃料極集電体と空気極集電体を配置し、これらの集電体の外側にセパレータを配置した単セルを複数積層することによりスタック化されている。

上記固体酸化物形燃料電池では、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガスが供給され、燃料極層側に燃料ガスが供給されることにより発電反応が生じている。このため、空気極集電体と燃料極集電体は、反応ガスが空気極層と燃料極層との界面に到達することができるように、いずれも多孔質の層で形成されている。

そして、発電セル内において、空気極層側に供給された酸素は、空気極集電体内の気孔を通って空気極層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（０^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動し、燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンはこの部分で燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ₂０、Ｃ０₂等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて電力として取り出すことができる。

図４は、従来の平板積層型の固体酸化物形燃料電池を示しており、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４を配した発電セル５と、燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層４の外側に配した空気極集電体７と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８によって単セル１０が構成されている。

そして、単セル１０は、複数積層されると共に、その上下端部にフランジ１３を配して周縁部をボルト１４にて締め付けられ、その締め付け荷重によって各構成要素が一体的に密着して構成されることにより燃料電池スタック１が形成されている。

ここで、固体電解質層２は、酸化物イオンの移動媒体であると同時に、燃料ガスと空気を直接接触させないための隔壁としても機能するので、ガス不透過性の撤密な構造となっている。この固体電解質層２は、酸化物イオン伝導性が高く、空気極層３側の酸化性雰囲気から燃料極層４側の還元性雰囲気までの条件下において化学的に安定で、熱衝撃に強い材料から構成する必要があり、かかる要件を満たす材料として、例えばイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）で構成されている。

一方、電極である空気極（カソード）層３と燃料極（アノード）層４はいずれも電子伝導性の高い材料から構成する必要がある。空気極層３の材料は、７００℃前後の高温の酸化性雰囲気中で化学的に安定でなければならないため、金属は不適当であり、電子伝導性を持つＬａＭｎＯ₃もしくはＬａＣｏＯ₃、または、これらのＬａの一部をＳｒ、Ｃａ等に置換した固溶体（ＬＳＭ、ＬＳＣ等）で構成されている。また、燃料極層４の材料は、Ｎｉ−ＹＳＺ、Ｎｉ−ＧＤＣなどのサーメットで構成されている。

また、空気極集電体６および燃料極集電体７は、各々多孔質焼結体で構成されている。この多孔質焼結体は、集電機能、ガス透過機能、均一ガス拡散機能、クッション機能、熱膨脹差吸収機能等を兼ね備えるので、多機能の集電体材料として適している。

また、セパレータ８は、発電セル５間を電気接続すると共に、発電セル５に対してガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスをセパレータ８外周面から導入して燃料ガス通路１２を介してセパレータ８の燃料極層４に対向する面から吐出させる燃料ガス吐出孔１８と、酸化剤ガスをセパレータ８外周面から導入して酸化剤ガス通路１１を介してセパレータ８の空気極層３に対向する面から吐出させる酸化剤ガス吐出孔１７とをそれぞれ有している。

このような平板型固体酸化物形燃料電池の従来技術として特許文献１や特許文献２が開示されているが、従来のこの種の燃料電池では、何れも固体電解質の厚みが均一に設定されていた。

特開２００３−７３１６号公報特開平４−２９８９６５号公報

ところで、運転中、発電セル５の中心部の温度は周辺部より数十度高くなり、例えば、中心部が７５０℃程度であるのに対し、周辺部は７００℃程度になるが、従来の燃料電池では、発電セル５の固体電解質層２の厚みが中心部から周辺部まで均一に形成されているので、発電セル５の中心部の方が、発電セル５の周辺部と比べて固体電解質層２のＩＲ損が小さくなり、その結果、発電セル５の面内での電流密度が不均一となっていた。

例えば、ＬＳＧＭＣ（ランタンガレート系電解質）の場合、酸素イオン導電率は、温度が７５０℃のときに０．１４５Ｓｃｍ^-1となり、７００℃のときに０．１１２Ｓｃｍ^-1となる（ただし、Ｓ＝１／Ω）。従って、均一な厚みだと、中心部から周辺部にかけての温度分布に応じて電流密度が面内で均一でなくなり、高出力時に高効率で発電ができないという問題を生じる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、発電セルの面内温度分布による電流密度の不均一を是正し、高出力時に高効率で発電することが可能な平板型固体酸化物形燃料電池用の固体電解質、及び、その固体電解質を固体電解質層に用いた平板型固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配置して発電セルを構成し、この発電セルの外側に燃料極集電体と空気極集電体を配置し、これらの集電体の外側にセパレータを配置して単セルを構成すると共に、上記セパレータの上記燃料極層及び空気極層に対向する各面に反応ガスを吐出するための反応ガス吐出孔を形成して、当該セパレータの上記ガス吐出孔より上記集電体を介して、燃料極層及び空気極層に反応ガスを供給して発電反応を生じさせる平板型固体酸化物形燃料電池の上記固体電解質層を構成する固体電解質において、その厚さを面の中心部から周辺部に行くに従い徐々に薄くなるように形成したことを特徴とするものである。

請求項２の発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配置して発電セルを構成し、この発電セルの外側に燃料極集電体と空気極集電体を配置し、これらの集電体の外側にセパレータを配置して単セルを構成すると共に、上記セパレータの上記燃料極層及び空気極層に対向する各面に反応ガスを吐出するための反応ガス吐出孔を形成して、当該セパレータの上記ガス吐出孔より上記集電体を介して、燃料極層及び空気極層に反応ガスを供給して発電反応を生じさせる平板型固体酸化物形燃料電池において、上記固体電解質層を、請求項１に記載の固体電解質で構成し、該固体電解質層の厚みの変化を、上記集電体または上記セパレータの厚みの変化で吸収したことを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、平板型固体酸化物形燃料電池の発電セルに使用される固体電解質の厚みを、面の中心部から周辺部に行くに従い徐々に薄くなるように形成しているので、発電セルの面内で中心部が高く周辺部が低くなるような温度分布が生じていても、発電セルの面内で、できるだけ均一な電流密度を維持することができるようになる。

したがって、高効率・高出力化に寄与することができ、また同じ効率であれば一層の薄肉化が可能になる。しかも、電流密度の均一化に伴って厚みを増すことができるようになることから、発電セルの製造時や発電時における割れ対策にも効果を奏することができる。

請求項２の発明によれば、固体電解質層の厚みの変化を、集電体またはセパレータの厚みの変化で吸収するようにしているので、固体電解質層に厚み変化を設けたからといって、燃料電池スタックを構成する積層要素同士の密着性に問題が生じるようなことはなく、発電効率の向上を図ることができる。

（ａ）は本発明に係る固体電解質を用いた平板型固体酸化物形燃料電池の一実施形態を示す側面図、（ｂ）はその燃料電池の中の単セルの構成を誇張して示す拡大断面図である。（ａ）は本実施形態の固体電解質（固体電解質層）の構成を誇張して示す断面図、（ｂ）は厚さが均一な比較例の固体電解質（固体電解質層）の断面図である。本実施形態の固体電解質の作成方法の説明のための誇張した側面図である。従来の平板型固体酸化物形燃料電池スタックの全体構成及びその一部詳細を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図１〜図３を用いて説明する。
図１に示すように、この平板型固体酸化物形燃料電池では、固体電解質層２Ａの両面に燃料極層３と空気極層４を配した発電セル５Ａと、燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層４の外側に配した空気極集電体７と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８Ａによって単セル１０Ａが構成されている。

そして、単セル１０Ａが複数積層されると共に、その積層体の上下端部にフランジ１３を配して周縁部をボルト１４にて締め付けられ、その締め付け荷重によって各構成要素が一体的に密着して構成されることにより、燃料電池スタック１Ａが形成されている。

また、セパレータ８Ａは、発電セル５間を電気接続すると共に、発電セル５Ａに対してガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスをセパレータ８Ａ外周面から導入して燃料ガス通路１２を介してセパレータ８Ａの燃料極層４に対向する面から吐出させる燃料ガス吐出孔１８と、酸化剤ガスをセパレータ８Ａ外周面から導入して酸化剤ガス通路１１を介してセパレータ８の空気極層３に対向する面から吐出させる酸化剤ガス吐出孔１７とをそれぞれ有している。

ここで、固体電解質層２Ａ（固体電解質）の素材は従来と変わらないが、従来と異なる重要な点として、固体電解質層２Ａの厚さが、面の中心部から周辺部に行くに従い徐々に薄くなるように形成されている点を挙げることができる。即ち、本実施形態における固体電解質層２Ａは、両面凸の凸レンズ状の断面に形成されている。

また、固体電解質層２Ａの厚みの変化を、セパレータ８Ａの厚みの変化により吸収している。つまり、セパレータ８Ａの板面を、固体電解質層２Ａの厚み変化に応じた凹面状に形成することで、発電セル５Ａと集電体６、７とセパレータ８Ａとが互いに密着するようにしている。なお、セパレータの厚みを均一にして、集電体６、７の厚み変化で固体電解質層２Ａの厚み変化を吸収するようにすることも可能である。

このように、発電セル５Ａの固体電解質層２の厚みが、面の中心部から周辺部に行くに従い徐々に薄くなるように形成されている場合、運転中に発電セル５Ａの面内で中心部が高く周辺部が低くなるような温度分布が生じても、発電セル５Ａの面内でできるだけ均一な電流密度を維持することができるようになる。

その結果、高効率・高出力化に寄与することができ、また同じ効率であれば一層の薄肉化が可能になる。しかも、電流密度の均一化に伴って厚みを増すことができるようになることから、発電セル５Ａの製造時や発電時における割れ対策にも効果を奏することができる。

また、本実施形態によれば、固体電解質層２Ａの厚みの変化をセパレータ８Ａの厚みの変化で吸収するようにしているので、固体電解質層２Ａに厚み変化を設けたからといって、燃料電池スタック１Ａを構成する積層要素同士の密着性に問題が生じるようなことはなく、発電効率の向上を図ることができる。

次に実施例と比較例について計算した結果を示す。表１及び表２は、実施例と比較例の計算結果を示す表である。いずれも材料はＬＳＧＭＣ（ランタンガレート系電解質）である。この材料の場合、前述したように、酸素イオン導電率は、温度が７５０℃のときに０．１４５Ｓｃｍ^-1となり、７００℃のときに０．１１２Ｓｃｍ^-1となる。

図２（ａ）に示すように、実施例の固体電解質層２Ａは、中心部の厚みｔ１が２２０μｍ、周辺部の厚みｔ２が１７０μｍであり、中心部から周辺部にかけて徐々に厚みが小さくなっている。また、比較例の固体電解質層２は、中心部から周辺部まで厚さｔが一定の２００μｍとなっている。

そして、運転中に中心部の温度が７５０℃、周辺部の温度が７００℃になったとすると、実施例の場合の中心部の抵抗値は０．０２２／０．１４５＝０．１５２Ω、周辺部の抵抗値は０．０１７／０．１１２＝０．１５２Ωとなり、中心部も周辺部も同じになる。従って電流密度は均一の値、例えば０．６Ａ／ｃｍ²になる。

一方、比較例の場合の中心部の抵抗値は０．０２０／０．１４５＝０．１３８Ω、周辺部の抵抗値は０．０２０／０．１１２＝０．１７９Ωとなり、中心部と周辺部で差ができる。これを用いて中心部と周辺部の各電流密度を、実施例の場合の電圧降下（０．１５２／０．６＝０．０９１２）を基準にして計算してみると、中心部では、０．０１９２／０．１３８＝０．０６６１、周辺部では、０．０１９２／０．１７９＝０．０５０９となり、四捨五入すると、中心部の電流密度は０．６６Ａ／ｃｍ²、周辺部の電流密度は０．５１Ａ／ｃｍ²となり、差が出ることになる。

なお、中心部は、電流密度は高いものの、周辺部に比べて領域の面積は小さいので、全体の面積について積分してみると、平均的な電流密度は０．５〜０．６Ａ／ｃｍ²あたりの範囲になり、実施例の方が優れていると言うことができる。

次に、このような凸レンズ形の固体電解質の作り方について簡単に述べる。作り方としては、次のような幾つかの例を挙げることができる。
（１）均一な厚みの電解質を作り、それを凸レンズのように研磨する方法。
（２）図３に示すように、順にサイズが一回りずつ小さくなるグリーンシートＧ１〜Ｇ６を用意し、それを順に同心状に貼り合わせていって、貼り合わせたら焼成して、電解質とする方法。

なお、上記実施形態における固体電解質層２Ａは、平面形状が円形の場合を想定して述べたが、平面形状が角形であっても勿論よい。また、上記実施形態においては、固体電解質層２Ａの両面が凸になったものを示したが、片面凸のものであってもよく、いずれにしろ中心部から周辺部にかけて徐々に薄くなるように厚み変化が与えられているものであればよい。

１燃料電池スタック（平板型固体酸化物形燃料電池）
２Ａ固体電解質層（固体電解質）
３燃料極層
４空気極層
５Ａ発電セル
６燃料極集電体
７空気極集電体
８Ａセパレータ
１７燃料ガス吐出孔
１８酸化剤ガス吐出孔

Claims

固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配置して発電セルを構成し、この発電セルの外側に燃料極集電体と空気極集電体を配置し、これらの集電体の外側にセパレータを配置して単セルを構成すると共に、上記セパレータの上記燃料極層及び空気極層に対向する各面に反応ガスを吐出するための反応ガス吐出孔を形成して、当該セパレータの上記ガス吐出孔より上記集電体を介して、燃料極層及び空気極層に反応ガスを供給して発電反応を生じさせる平板型固体酸化物形燃料電池の上記固体電解質層を構成する固体電解質において、
その厚さを面の中心部から周辺部に行くに従い徐々に薄くなるように形成したことを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池用の固体電解質。
固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配置して発電セルを構成し、この発電セルの外側に燃料極集電体と空気極集電体を配置し、これらの集電体の外側にセパレータを配置して単セルを構成すると共に、上記セパレータの上記燃料極層及び空気極層に対向する各面に反応ガスを吐出するための反応ガス吐出孔を形成して、当該セパレータの上記ガス吐出孔より上記集電体を介して、燃料極層及び空気極層に反応ガスを供給して発電反応を生じさせる平板型固体酸化物形燃料電池において、
上記固体電解質層を、請求項１に記載の固体電解質で構成し、該固体電解質層の厚みの変化を、上記集電体または上記セパレータの厚みの変化で吸収したことを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池。