JP2011154935A - 横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックおよび燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】長手方向に沿って燃料ガスを流すためのガス流路12を内部に備え、一端側に前記ガス流路12の燃料ガス導入口を有し、他端側に前記ガス流路の燃料ガス排出口を有してなる電気絶縁性の多孔質支持体11上に、燃料極層、固体電解質層13bおよび空気極層13cが順次積層された多層構造を有する燃料電池セル13が、前記多孔質支持体11の長手方向に沿って複数配置されてなる横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック1aであって、前記多孔質支持体11の他端側領域上の少なくとも一部に、周期律表第2族元素のうち少なくとも1種を含んでなるケイ酸塩を主成分として含有する無機被膜25を設ける。
【選択図】図2
Description
特許文献2には、燃料ガス排出口の周囲における多孔質支持体にジルコニアを主成分とする無機成分を含浸させることが提案されている。
(1)長手方向に沿って燃料ガスを流すためのガス流路を内部に備え、一端側に前記ガス流路の燃料ガス導入口を有し、他端側に前記ガス流路の燃料ガス排出口を有してなる電気絶縁性の多孔質支持体上に、燃料極層、固体電解質層および空気極層が順次積層された多層構造を有する燃料電池セルが、前記多孔質支持体の長手方向に沿って複数配置されてなる横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックであって、前記多孔質支持体の他端側領域上の少なくとも一部に、周期律表第2族元素のうち少なくとも1種を含んでなるケイ酸塩を主成分として含有する無機被膜が設けられていることを特徴とする横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
(2)前記多孔質支持体の他端における外周の角部が、面取りされていることを特徴とする前記(1)に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
(3)前記無機被膜が、前記周期律表第2族元素のうち少なくとも1種を含んでなるケイ酸塩を、85mol%以上含有することを特徴とする前記(1)または(2)に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
(4)前記周期律表第2族元素のうち少なくとも1種を含んでなるケイ酸塩が、フォルステライト(Mg2SiO4)、ステアタイト(MgSiO3)およびワラストナイト(CaSiO3)から選ばれる一種であることを特徴とする前記(1)〜(3)のいずれかに記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
(5)前記無機被膜が、前記周期律表第2族元素のうち少なくとも1種を含んでなるケイ酸塩を主成分として含有するスラリーを焼成して形成されたものである前記(1)〜(4)のいずれかに記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
(6)前記(1)〜(5)のいずれかに記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを収納容器内に複数収容してなることを特徴とする燃料電池。
図1は、本実施形態にかかる横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック(以下、単に燃料電池セルスタックという場合がある。)の一部を破断して示す斜視図である。図2は、本実施形態にかかる横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料ガス排出側の端部の一部を拡大して示す縦断面図である。
ここで、上記端部領域とは、図2に示すように、多孔質支持体11の燃料ガス排出側の端部おけるガス流路12の内面から端面を経て外面を含む領域をいう。本発明においては、これらの領域の全面に無機被膜25を設けてもよいが、ヒートサイクルにおいて、多孔質支持体の燃料ガス排出側端部の破壊を抑制しうる限り、該領域の少なくとも一部、例えば上記端部の端面もしくはガス流路12の内面のみ、または端面とガス流路12の内面の両方、もしくは端面と外面の両方であってもよい。
図3に示す燃料電池セルスタック1bは、多孔質支持体11の燃料ガス排出側の端面の外縁の角部に、C面形状となるような面取りが施され、その表面に無機被膜25が設けられている。
図4に示す燃料電池セルスタック1cは、多孔質支持体11の燃料ガス排出側の端面の外縁の角部に、R面形状となるような面取りが施され、その表面に無機被膜25が設けられている。
具体的には、無機被膜25は、前述したとおりに設けられている。
(多孔質支持体11)
本発明に係る多孔質支持体11は、Mg酸化物(MgO)と、Ni若しくはNi酸化物(NiO)と、希土類元素酸化物とからなっている。なお、希土類元素酸化物を構成する希土類元素としては、Y、La、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm、Prなどを例示することができ、希土類元素酸化物としては、例えばY2O3やYb2O3等が挙げられ、特にY2O3が好ましい。
この多孔質支持体11の熱膨張係数は、通常、10.5〜12.5×10-6(1/K)程度である。
燃料極層は、前記式(ii)の電極反応を生じさせるものであり、本実施形態においては、固体電解質層13b側の活性燃料極層13aと、多孔質支持体11側の集電燃料極層13dとの二層構造に形成されている。
前記固体電解質層13b側の活性燃料極層13aは、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスから形成される。例えば、希土類元素が固溶しているZrO2(安定化ジルコニア)と、Niおよび/又はNiO(以下、Ni等と呼ぶ)とからなる。この希土類元素が固溶した安定化ジルコニアとしては、後述する固体電解質層13bに使用されているものと同様のものを用いるのがよい。
さらに活性燃料極層13aの開気孔率は、15%以上、特に20〜40%の範囲にあるのがよい。
また、固体電解質層13bとの熱膨張差に起因して発生する熱応力を吸収し、活性燃料極層13aの割れや剥離などを防止するという点から、活性燃料極層13aの厚みは、5〜15μmの範囲にあることが望ましい。
燃料極層のうち、前記多孔質支持体11側の集電燃料極層13dは、多孔質支持体11と同様、Ni若しくはNi酸化物と、希土類元素酸化物との混合体より形成させる。
固体電解質層13bは、希土類またはその酸化物を固溶させたZrO2からなる安定化ZrO2からなる緻密質なセラミックスで構成されている。
ここで、固溶させる希土類元素またはその酸化物としては、例えばSc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luなど、または、これらの酸化物などが挙げられ、好ましくは、Y、Yb、または、これらの酸化物が挙げられる。また、固体電解質層13bは、8モル%のYが固溶している安定化ZrO2(8mol% Yttoria Stabilized Zirconia、以下、「8YSZ」という。)と熱膨張係数がほぼ等しいランタンガレート系(LaGaO3系)固体電解質層を挙げることもできる。 また、固体電解質層13bは、例えば、厚さが10〜100μmであり、例えば、相対密度(アルキメデス法による)が93%以上、好ましくは、95%以上の範囲に設定される。このような固体電解質層13bは、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有すると同時に、燃料ガスまたは酸素含有ガスのリーク(ガス透過)を防止するためにガス遮断性を有している。
空気極層13cは、導電性セラミックスから形成されている。導電性セラミックスとしては、例えば、ABO3型のペロブスカイト型酸化物が挙げられ、このようなペロブスカイト型酸化物としては、例えば、遷移金属型ペロブスカイト酸化物、好ましくは、LaMnO3系酸化物、LaFeO3系酸化物、LaCoO3系酸化物など、特にAサイトにLaを有する遷移金属型ペロブスカイト酸化物を挙げることができる。さらに好ましくは、600〜1000℃程度の比較的低温での電気伝導性が高いという観点から、LaCoO系酸化物が挙げられる。
前記したペロブスカイト型酸化物において、AサイトにLaおよびSrが共存してもよく、また、BサイトにFe、CoおよびMnが共存してもよい。
このような空気極層13cは、前記した式(i)の電極反応を生ずることができる。
空気極層13cの開気孔率は、例えば、20%以上、好ましくは、30〜50%の範囲に設定される。開気孔率が前記した範囲内にあれば、空気極層13cが良好なガス透過性を有することができる。
空気極層13cの厚さは、例えば、30〜100μmの範囲に設定される。前記した範囲内にあれば、空気極層13cが良好な集電性を有することができる。
隣接する燃料電池セル部13同士を直列に接続するために使用されるセル間接続部材17は、一方の燃料電池セル13の活性燃料極層13aと隣接する他方の燃料電池セル13の空気極層13cとを電気的に接続するものであり、インターコネクタ17aとセル接続材17bとから構成され、これらは電気的に接続されている。
インターコネクタ17aは導電性セラミックスから形成されるが、燃料ガス(水素ガス)及び空気等の酸素含有ガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性を有していることが必要である。このため、かかる導電性セラミックスとしては、一般に、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO3系酸化物)が使用される。また、多孔質支持体11内のガス流路12を通る燃料ガスと空気極層13cの外部を通る空気等の酸素含有ガスとのリークを防止するため、かかる導電性セラミックスは緻密質でなければならず、例えば93%以上、特に95%以上の相対密度(アルキメデス法)を有していることが好適である。なお、インターコネクタ17aの端面と、固体電解質層13bの端面との間には、適当な接合層(例えばY2O3)を介在させることにより、シール性を向上させることもできる。
また、インターコネクタ17aとしては、金属層と、ガラスの入った金属ガラス層との二層構造としてもよい。金属層は、例えば、AgとNiの合金からなり、金属ガラス層は、Agとガラスからなる。前記金属ガラス層により、多孔質支持体11内のガス流路12を通る燃料ガスのセル接続材へのリーク、および空気極層13cの外部を通る酸素含有ガスの前記金属層へのリークを有効に防止することができる。
一方、セル接続材17bは多孔質とされている。セル接続材17bとしては、LaCoO3系等の導電性セラミック(例えば空気極材料)、Ag−Pd等の貴金属から構成された多孔質とすることができる。セル接続材17bの材料の空気極層13cへの塗布量が少ない場合にはセル接続材17bの材料が空気極層13cの気孔中に浸入し、層としては形成されない。特に、Ag−Pd等の貴金属はコスト低減のため塗布量が少ないため、空気極層13cは、空気極層材料とAg−Pd等の集電材料が混在して構成され、セル接続材17bは形成されない。一方、LaCoO3系等の導電性セラミックは、塗布量が多く、この場合には空気極層13c上にセル接続材17bが形成される。なお、空気極層13cがセル接続材17bを兼ねるものとしてもよい。この場合、一方の燃料電池セル13の活性燃料極層13a上に設けられたインターコネクタ17aに隣接する他方の燃料電池セル13の空気極層13cが接続されることで、隣り合う燃料電池セル13を電気的に直列に接続することができる。
さらに、空気極層13cとインターコネクタ17aとが電気的に接続されている場合であっても、空気極層13c上にセル接続材17bを設けることもできる。この場合、一方の燃料電池セル13内を流れる電流を、効率よく他方の燃料電池セル13に供給することができる。
無機被膜25は、周期律表第2族元素のうち少なくとも1種を含んでなるケイ酸塩を主成分として含有する。
周期律表第2族元素のうち少なくとも1種を含んでなるケイ酸塩(以下、単にケイ酸塩と略す場合がある。)としては、例えば、周期律表第2族元素としてMgを含有するフォルステライト(Mg2SiO4)、ステアタイト(MgSiO3)、アケルマナイト(Ca2MgSiO7)、ディオプサイト(Ca2MgSiO6)や、周期律表第2族元素としてCaを含有するワラストナイト(CaSiO3)、アノーサイト(CaAl2Si2O8)、ゲーレナイト(Ca2Al2SiO7)、周期律表第2族元素としてBaを含有するセルシアン(BaAl2Si2O8)等を挙げることができ、燃料電池セルスタック1aを構成する各構成との熱膨張係数等を考慮して適宜選択して用いることが好ましい。特には、上記した活性燃料極層13aや固体電解質層13bの熱膨張係数を考慮して、フォルステライト(Mg2SiO4)、ステアタイト(MgSiO3)およびワラストナイト(CaSiO3)のいずれか一種を用いることが好ましく、特にはフォルステライト(Mg2SiO4)を用いることが好ましい。
次に、前記した横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック1aの製造方法について、図5および図6を参照して、説明する。
まず、多孔質支持体成形体41を作製する。多孔質支持体成形体41の材料として、体積基準での平均粒径(D50)(以下、単に「平均粒径」という。)が0.1〜10.0μmのMgO粉末に、必要により熱膨張係数調整用または接合強度向上用として、Ni粉末、NiO粉末、Y2O3粉末、または、希土類元素安定化ジルコニア粉末(YSZ)などを所定の比率で配合して混合し、混合後の熱膨張係数が固体電解質層13bのそれとほぼ一致するように調整する。この混合粉末を、ポアー剤と、セルロース系有機バインダーと、水とからなる溶媒と混合し、押し出し成形して、図5に示すように、内部にガス流路42を有する中空の板状形状で、扁平状の多孔質支持体成形体41を作製し、これを乾燥後、900℃〜1100℃、2〜4時間で仮焼処理する。ガス流路の直径は、押し出し成形時に調整する。
次に、活性燃料極層テープ43aと同様にして、例えば、NiO粉末、Ni粉末と、Y2O3などの希土類元素酸化物とを混合し、これにポアー剤を添加し、アクリル系バインダーとトルエンとを混合してスラリーとし、ドクターブレード法にてスラリーを塗布して乾燥し、厚さ80〜200μmの集電燃料極層テープ43を作成する。この集電燃料極層テープ43に前記活性燃料極層テープ43aを貼り付ける(図6(b))。当該貼り合わせたテープを燃料電池セル13の形状にあわせて切断し、絶縁部を形成する部分を打ち抜く(図6(c))。
次に、この集電燃料極層テープ43を貼り付けた状態で乾燥し、その後、900〜1300℃の温度範囲で2〜4時間仮焼する(図6(d))。そして、活性燃料極層43aのインターコネクタ47aを形成したい部分に、マスキングテープ48を貼り付ける(図6(e))。
なお、多孔質支持体成形体の燃料ガス排出側の一端部(非発電部の一端部)には、無機被膜を設けるために、多孔質支持体成形体の燃料ガス排出側の端部から20〜25μm空けて固体電解質層成形体を設ける。
この状態で、900〜1200℃、2〜4時間仮焼する。この仮焼中に、マスキングテープ48とその上に塗布された固体電解質層成形体43bの層を除去することができる。(図6(f))。
上述したような燃料電池セルスタックを複数個組み合わせることにより横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックバンドルとし、該バンドルと、燃料電池セルスタックを作動させるための補機とを収納容器内に収納することにより、本発明の燃料電池とすることができる。それにより、長期信頼性の向上した燃料電池とすることができる。
まず、多孔質支持体成形体を作製した。該多孔質支持体成形体の材料として、平均粒径(D50)が2.8μmのMgO粉末に、NiOおよびY2O3粉末を配合して混合し、熱膨張係数が固体電解質層のそれとほぼ一致するように調整した(すなわち11.0×10-6(1/K))。この混合粉末を、ポアー剤と、セルロース系有機バインダーと、水とからなる溶媒に混合し、押出し成形して、内部にガス流路を有する中空の板状形状で、扁平状の多孔質支持体成形体を作製し(図5参照)、これを乾燥後、1100℃、4時間で仮焼処理した。
実施例の無機被膜に代えて、8YSZの無機被膜を形成した他は、実施例と同様にして、燃料電池セルスタックを得た。
実施例の無機被膜を形成しなかった他は、実施例と同様にして、燃料電池セルスタックを得た。
(1)900℃昇降温サイクル試験
収納容器内に燃料電池セルスタックを収納し、燃料ガスとしてN2およびH2を、燃料電池セルスタック内のガス流路内にそれぞれN2:1.67L/分、H2:0.42L/分の流量で流し、さらに空気を燃料電池セルスタック外面に流量48L/分で流しながら、収納容器外部から加熱し、収納容器内の温度を室温から500℃/時の昇温速度で900℃まで昇温させた。900℃到達後に、空気流量はそのまま保ち、N2の噴出を止め、H2流量を0.644L/分に増量したガス噴出下で30分間保持した。その後、昇温時と同様のガス噴出下で、500℃/時の降温速度で降温し、室温(50℃程度)まで温度が下がった時点を1サイクルとした。そして、上記燃料電池セルスタックの燃料ガス排出側の先端部が破壊するサイクル数を調べた。
室温下で、燃料ガスとして都市ガスを用い、燃料電池セルスタック内のガス流路内に流量0.4L/分で流し、先端部から排出される燃料ガスにバーナーで着火した。燃焼状態を10分間保持し、その後、燃料ガスの噴出を止めた。収納容器内の温度が室温(50℃程度)まで下がった時点を1サイクルとした。そして、上記燃料電池セルスタックの燃料ガス排出側の端部が破壊するサイクル数を調べた。
11 多孔質支持体
12 ガス流路
13 燃料電池セル
13a 活性燃料極層
13b 固体電解質層
13c 空気極層
13d 集電燃料極層
17a インターコネクタ
17b セル接続材
25 無機被膜
41 多孔質支持体成形体
43 集電燃料極層用テープ
43a 活性燃料極層成形体
43b 固体電解質層成形体
43c 空気極層成形体
47a インターコネクタ
47b セル接続材
48 マスキングテープ
51 隔壁
Claims (6)
- 長手方向に沿って燃料ガスを流すためのガス流路を内部に備え、一端側に前記ガス流路の燃料ガス導入口を有し、他端側に前記ガス流路の燃料ガス排出口を有してなる電気絶縁性の多孔質支持体上に、燃料極層、固体電解質層および空気極層が順次積層された多層構造を有する燃料電池セルが、前記多孔質支持体の長手方向に沿って複数配置されてなる横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックであって、
前記多孔質支持体の他端側領域上の少なくとも一部に、周期律表第2族元素のうち少なくとも1種を含んでなるケイ酸塩を主成分として含有する無機被膜が設けられていることを特徴とする横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。 - 前記多孔質支持体の他端における外周の角部が、面取りされていることを特徴とする請求項1に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
- 前記無機被膜が、前記周期律表第2族元素のうち少なくとも1種を含んでなるケイ酸塩を、85mol%以上含有することを特徴とする請求項1または2に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
- 前記周期律表第2族元素のうち少なくとも1種を含んでなるケイ酸塩が、フォルステライト(Mg2SiO4)、ステアタイト(MgSiO3)およびワラストナイト(CaSiO3)から選ばれる一種からなることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
- 前記無機被膜が、前記周期律表第2族元素のうち少なくとも1種を含んでなるケイ酸塩を主成分として含有するスラリーを焼成して形成されたものである請求項1〜4のいずれかに記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを収納容器内に複数収容してなることを特徴とする燃料電池。
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