JP2012009245A - 固体酸化物形燃料電池用単セルおよび固体酸化物形燃料電池用単セルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電特性を向上させることができる固体酸化物形燃料電池用単セルおよび固体酸化物形燃料電池用単セルの製造方法を提供する。
【解決手段】燃料極３の電解質１と接触する面と反対側の面に、導電性の材料からなる導電部材４を設ける。これにより、燃料極３の平面内を横流れしていた電流が導電部材４を流れることが可能となるので、燃料極３の材料に起因する電気抵抗を受ける電流が少なくなるため、発電特性を向上させることができる。
【選択図】 図１

Description

本願発明は、固体酸化物形燃料電池に関するものである。

近年、規模の大小にかかわらず高い効率が得られることから、燃料電池が次世代のコジェネレーションシステムに用いられる発電手段として注目されている。燃料電池は、酸素などの酸化剤ガスと水素などの燃料ガスとの化学反応を利用した電池であり、空気極と呼ばれる陽極と、燃料極と呼ばれる陰極とで電解質の層を挟んだ単セルを、複数重ね合わせたスタック構造を用いている。一組のセル（単セル）で得られる電気の電圧は、約０．７Ｖであるが、複数の単セルを重ね合わせて用いることで、所望とする電圧の供給が可能である。

このような燃料電池には、高分子材料を電解質層に用いる固体高分子型や、セラミックスなどの酸化物を電解質層に用いる固体酸化物形がある。

固体高分子形燃料電池では、作動温度が高々９０℃であり、自動車用や家庭用コジェネレーションシステムに適用可能とされている。

これに対して、固体酸化物形燃料電池は、作動温度が６００℃以上と高温であるが、発電効率が４５％以上と高効率である。このため、複数の単セルを組み合わせたスタック構造の固体酸化物形燃料電池は、タービン発電などと組み合わせてより高効率のコジェネレーションシステムを構築できるという利点を有しており、発電所への用途などに期待されている。

ところで、複数の単セルを組み合わせてスタック構造とするときには、単セルを収容して、単セルの燃料極に燃料ガス、空気極に酸化剤ガスをそれぞれ個別に供給するととともに、各単セルを電気的に接続するセパレータまたはインターコネクタと呼ばれる部材（以下、「セパレータ」という。）が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。このセパレータに収容された単セルは、セパレータ内部でセパレータと接触することにより、セパレータと電気的に接続されることとなる。

特開２００９−１４６７４５号公報

しかしながら、単セルは、電解質と燃料極からなるハーフセルの作製時に、単セルの中心を頂点とした反りが発生することがある。この反りは、電解質と燃料極を構成する材料の熱膨張係数、それぞれの厚さや気孔率などが原因で発生すると考えられている。この反りが大きいと、燃料極の一部しかセパレータに接触しなくなる。例えば、図４に示すような電解質１１、空気極１２および燃料極１３からなる単セル１０の場合、燃料極１３の外周部にしかセパレータ２１が接触しなくなる。すると、燃料極１３では、単セル１０の外周部近傍で電気化学反応が行わることになるので、燃料極１３の平面内で電流が流れる「横流れ」という現象（図４の符号ｂを参照。）が生じてしまう。この横流れした電流は、燃料極１３の平面内を通過する際に燃料極１３の材料に起因するオーミック抵抗の影響を受ける。このため、単セルから十分な発電特性を得ることが困難となる。特に近年では単セルの大型化が促進されているため、この単セルの大型化に伴って反りも大きくなるので、ますます発電特性の向上が阻害される。

そこで、本発明は、発電特性を向上させることができる固体酸化物形燃料電池用単セルおよび固体酸化物形燃料電池用単セルの製造方法を提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る固体酸化物形燃料電池用単セルは、平板状の電解質と、この電解質の一方の面に設けられた空気極と、電解質の他方の面に設けられた燃料極と、この燃料極の電解質と接触する面と反対側の面に形成され、燃料極よりも電気抵抗が低い材料からなる導電部材とを備えたことを特徴とするものである。

上記固体酸化物形燃料電池用単セルにおいて、導電部材は、格子状または放射状の平面形状を有するようにしてもよい。

また、上記固体酸化物形燃料電池用単セルにおいて、燃料極よりも電気抵抗が低い上記材料は、ニッケル酸化物からなるようにしてもよい。

また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池用単セルの製造方法は、電解質の材料より形成されたスラリーおよび燃料極の材料より形成されたスラリーをそれぞれ成形して乾燥することで、電解質となる第１のシートおよび燃料極となる第２のシートを形成する第１のステップと、第２のシート上に燃料極の材料よりも電気抵抗が低い材料より形成されたスラリーを成形して乾燥することで、第２のシート上に導電部材となる第３のシートが形成された第４のシートを形成する第２のステップと、第１のシートおよび第２のシートを積層し、この第２のシート上に第４のシートを配設して焼成することにより、燃料極、電解質および導電部材を一体焼結する第３のステップと、空気極の材料より形成されたスラリーを電解質上に塗布して焼成することにより空気極を作製する第４のステップとを有することを特徴とするものである。

上記固体酸化物形燃料電池用単セルの製造方法において、第３のシートは、格子状または放射状の平面形状を有するように形成されるようにしてもよい。

また、上記固体酸化物形燃料電池用単セルの製造方法において、前記燃料極よりも電気抵抗が低い上記材料は、ニッケル酸化物からなるようにしてもい。

本発明によれば、燃料極の電解質と接触する面と反対側の面に燃料極よりも電気抵抗が低い材料からなる導電部材を設けることにより、燃料極の平面内を横流れしていた電流が導電部材を流れることが可能となるので、燃料極の材料に起因する電気抵抗を受ける電流が少なくなるため、発電特性を向上させることができる。

図１は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池用単セルの構成を模式的に示す断面図である。 図２は、導電部材の平面形状を説明するための模式図である。 図３は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池用単セルの製造方法を示すフローチャートである。 図４は、電流の横流れを説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

＜単セルの構成＞
図１に示すように、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池セル用の単セルは、燃料極支持型の構成を有し、平板状の電解質１、この電解質１の他方の面に形成された平板状の空気極２、電解質１の他方の面に形成された平板状の燃料極３、および、この燃料極３の電解質１と接触する面と反対側の面に形成された導電部材４を備えている。

電解質１は、平面視円盤状に形成され、例えば、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、サマリア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）などのジルコニア系の材料から構成される。

空気極２は、平面視円盤状に形成され、例えば、タンランニッケルフェライト(Ｌａ(Ｎｉ,Ｆｅ)Ｏ₃)、ランタンストロンチウムマンガネート((Ｌａ,Ｓｒ)ＭｎＯ₃)、ランタンストロンチウムコバルタイト((Ｌａ,Ｓｒ)ＣｏＯ₃)など、ペロブスカイト酸化物から構成される。

燃料極３は、平面視円盤状に形成され、例えば、ニッケル添加イットリア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＹＳＺ）、ニッケル添加サマリア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＳＳＺ）、ニッケル添加スカンジア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＳｃＳＺ）など、電気導電性が高い金属Ｎｉと上述した電解質１を構成する材料とが３：７〜７：３の重量比で混合された混合物から構成される。ここで、燃料極３の電子導電性は、混合材料によって特性が決定される。すなわち、酸素導電性を有するジルコニアの割合が多い場合には、燃料極３の電子導電性は低くなり、電気導電性が高いニッケルの割合が多い場合には、燃料極３の電子導電性は高くなる。

導電部材４は、燃料極３の電解質１と接触する面と反対側の面に形成され、例えば、ニッケル酸化物など、燃料極３よりも電気抵抗が低い材料から構成される。このような導電部材４は、図２に示すように、平面視略格子状に形成される。

＜単セルの製造方法＞
次に、図３を参照して、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池セル用の単セルの製造方法について説明する。

まず、ジルコニア酸化物からなる電解質１の材料、ペロブスカイト酸化物からなる空気極２の材料、ならびに、ニッケル酸化物およびジルコニア酸化物からなる燃料極３の材料それぞれにバインダー溶液を加えてスラリーを作製する（ステップＳ１）。便宜上、以下において、電解質１の材料からなるスラリーを電解質スラリー、空気極２の材料からなるスラリーを空気極スラリー、燃料極３の材料からなるスラリーを燃料極スラリーと呼ぶ。

各スラリーを作製すると、電解質スラリーおよび燃料極スラリーに対して、攪拌および減圧脱泡処理を行い、各スラリーの粘度の調整と脱泡を行う（ステップＳ２）。

粘度調整および脱泡を行うと、ドクターブレード法により、電解質スラリーおよび燃料極スラリーそれぞれを所定の厚さを有するシート状の成形体を形成する（ステップＳ３）。便宜上、以下において、電解質スラリーから形成されたシート状の成形体を電解質シート、燃料極スラリーから形成されたシート状の成形体を燃料極シートと呼ぶ。

燃料極シートを生成すると、予め用意しておいたニッケル酸化物のみからなるスラリーを、単セルが完成したときにセパレータとの接触面となる燃料極シート上に、スクリーン印刷法によって図２の符号ａで示すような０．１−１．０ｍｍ間隔の格子状に印刷して、乾燥させる（ステップＳ４）。この結果、燃料極３上に導電部材４が形成されることとなる。

続いて、電解質シートおよび燃料極シートを所定の形状に切り出し、複数枚の燃料極シートと１枚の電解質とを積層したグリーン体を作製する（ステップＳ５）。このとき、作製されたグリーン体における燃料極側の端面には、導電部材４が形成されている。

グリーン体を作製すると、これに対して脱脂処理および焼結処理を行うことにより、電解質１と燃料極３とからなる燃料極支持型ハーフセルを作製する（ステップＳ６）。

燃料極支持型ハーフセルを作製すると、この燃料極支持型ハーフセルの電解質１の面上に空気極スラリーを塗布して焼成する（ステップＳ７）。このようにして空気極２が生成されることにより、単セルが完成することとなる。

このように形成された単セルをセパレータに収容し、所定の温度下において空気極２に酸化剤ガス、燃料極３に燃料ガスを供給すると、空気極２および燃料極３と電解質１との界面で電気化学反応が発生する。このような状態で、空気極２側のセパレータと燃料極３側のセパレータとを端子として負荷回路に接続すると、電力を取り出すことができる。

このような状態において、燃料極３の平面内で横流れしている電流のうち格子状の導電部材４に到達した電流は、この導電部材４を通って流れる。この導電部材４を流れる電流は、従来のように燃料極３の平面内を横流れしなくてよいので、燃料極３の材料に起因する抵抗の影響を受けない。したがって、従来よりも抵抗の影響を受ける電流が少なくなるので、単セル全体として発電特性の向上を実現することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、燃料極３の電解質１と接触する面と反対側の面に導電性の材料からなる導電部材４を設けることにより、燃料極３の平面内を横流れしていた電流が導電部材４を流れることが可能となるので、燃料極３の材料に起因する電気抵抗を受ける電流が少なくなるため、発電特性を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、導電部材４としてニッケル酸化物を用いた場合を例に説明したが、導電部材４の材料は、燃料極３よりも電気抵抗が低い材料であればニッケル酸化物に限定されず、各種材料を用いることができる。

また、本実施の形態では、燃料極シート上にニッケル酸化物からなる導電部材４を格子状に形成する場合を例に説明したが、燃料極シート上に形成する導電部材４の平面形状は格子状に限定されず、適宜自由に設定することができる。例えば、単セルの中心から外縁に向かう放射状に形成するようにしてもよい。この場合には、燃料極３の平面内の電流が単セルの中心部から外縁に向かって導かれるので、電流が導電部材４を効率的に流れるので、燃料極３の材料に起因する抵抗の影響を受ける電流を減少させることができ、結果として、単セルの発電特性を向上させることができる。

本発明は、各種燃料電池に適用することができる。

１…電解質、２…空気極、３…燃料極、４…導電部材。

Claims (6)

1. 平板状の電解質と、
   この電解質の一方の面に設けられた空気極と、
   前記電解質の他方の面に設けられた燃料極と、
   この燃料極の前記電解質と接触する面と反対側の面に形成され、前記燃料極よりも電気抵抗が低い材料からなる導電部材と
   を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用単セル。
2. 前記導電部材は、格子状または放射状の平面形状を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池用単セル。
3. 前記燃料極よりも電気抵抗が低い材料は、ニッケル酸化物からなる
   ことを特徴とする請求項１または２記載の固体酸化物形燃料電池用単セル。
4. 電解質の材料より形成されたスラリーおよび燃料極の材料より形成されたスラリーをそれぞれ成形して乾燥することで、電解質となる第１のシートおよび燃料極となる第２のシートを形成する第１のステップと、
   前記第２のシート上に前記燃料極の材料よりも電気抵抗が低い材料より形成されたスラリーを成形して乾燥することで、前記第２のシート上に導電部材となる第３のシートが形成された第４のシートを形成する第２のステップと、
   前記第１のシートおよび前記第２のシートを積層し、この第２のシート上に前記第４のシートを配設して焼成することにより、前記燃料極、前記電解質および前記導電部材を一体焼結する第３のステップと
   空気極の材料より形成されたスラリーを前記電解質上に塗布して焼成することにより前記空気極を作製する第４のステップと
   を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池用単セルの製造方法。
5. 前記第３のシートは、格子状または放射状の平面形状を有するように形成される
   ことを特徴とする請求項４記載の固体酸化物形燃料電池用単セルの製造方法。
6. 前記燃料極よりも電気抵抗が低い材料は、ニッケル酸化物からなる
   ことを特徴とする請求項４または５記載の固体酸化物形燃料電池用単セルの製造方法。

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