JP2012227011A - 燃料電池セル及び燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池セルの空気極41は、正方形の板状であり、且つ、固体酸化物体37側の下層61と下層61の外側の表面を覆う上層63とから構成されている。このうち、下層61は、平面形状が正方形で、その四方の側面は厚み方向に対して垂直である。一方、上層63は、平面形状が正方形であり、その厚み方向の外側に正方形の主面(外側表面)65を備えるとともに、その四方の側方に側面を備えている。特に、この上層63の側面のうち、酸化剤ガスの導入側及び排出側の流路に沿った両側面67、69は、酸化剤ガスをスムーズに外側表面65側に導くために、外側表面65側ほど中央側(上層63の平面における中央側)に傾斜するように、平板状の傾斜面を有するように構成されている。
【選択図】図3
Description
例えば、下記特許文献1に記載の様に、イオン伝導性を有する固体酸化物からなる層状の固体電解質体と、固体電解質体の一方の面側に設けられて酸化剤ガス(空気や酸素など)に接する層状の空気極と、固体電解質体の他方の面側に設けられて燃料ガス(水素やメタンやエタノールなど)に接する層状の燃料極とを有する平板形状の燃料電池セルが知られており、また、この燃料電池セルを複数個積層した構造を有する燃料電池も開発されている。
本発明の第5態様では、各電極の側面の傾斜を30〜85°の範囲に設定すれば、有効に電極の主面側に各ガスを誘導して導入することができる。
本発明の第6態様では、各電極の側面に、ガスの導入方向に沿って。1又は複数のスリット(溝)を形成しているので、好適に電極の主面側に各ガスを導入することができる。
ここでは、各電極の傾斜する側面の状態を例示している。
ここでは、燃料電池セルの構成を例示している。
ここでは、燃料電池セルからなる燃料電池を例示している。
・前記電解質体としては、イオン導電性を有する固体電解質体が挙げられる。この固体電解質体の材質としては、ZrO2系固体電解質、LaGaO3系固体電解質、BaCeO3系固体電解質、SrCeO3系固体電解質、SrZrO3系固体電解質及びCaZrO3系固体電解質等が挙げられる。これらの固体電解質のうちでは、ZrO2系固体電解質が好ましい。また、希土類元素の酸化物、特にY2O3、Sc2O3を用いて安定化、又は部分安定化されたZrO2系固体電解質が、優れたイオン導電性と十分な機械的強度とを併せて有するためより好ましい。
[第1実施形態]
a)まず、本実施形態の固体酸化物形燃料電池(以下単に燃料電池と記す)の概略構成について説明する。
この燃料電池1は、発電単位(発電セル)である平板形の燃料電池セル3が複数個(例えば18段)積層された燃料電池スタック5と、燃料電池スタック5を貫く複数のボルト(第1〜第8ボルト)11〜18と、各ボルト11〜18の両端に螺合する各ナット19(総称)とを備えている。
・図2に分解して示す様に、前記燃料電池セル3は、いわゆる燃料極支持膜タイプの板状の燃料電池セルである。この燃料電池セル3の燃料ガス流路31側(図2下側)には、板状の燃料極(アノード)33が配置されるとともに、燃料極33の空気流路35側(図2上側)の表面には、膜状の固体電解質体(固体酸化物体)37が形成されている。更に、固体酸化物体37の空気流路35側の表面には、反応防止層39が形成され、反応防止層39の空気流路35側には、板状の空気極(カソード)41が形成されている。なお、燃料極33と固体酸化物体37と反応防止膜39と空気極41とをセル本体43と称する。
前記反応防止層39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各セリア系酸化物(SDC、GDC)等を採用できる。
・次に、燃料電池セル3を構成する各部材のうち、特に外周の枠体55等を構成する部材について、更に説明する。なお、燃料電池セル3の平面形状は正方形であるので、燃料電池セル3を構成する各部材の平面形状も正方形である。
更に、このガスシール部47には、中央の正方形の開口部85と連通するように、ガスシール部47の左右の枠部分に、細径のガス流路(空気流路35と連通する流路)となる長方形の切り欠き87、89が複数本ずつ形成されている。
また、前記絶縁フレーム48は、例えばマイカからなる枠状の板材であり、その外縁部には、前記各挿通孔71〜78が形成されている。このうち、同図の左右の挿通孔78、74には、それぞれ辺に沿って両側に伸びる切れ込み91、93が形成してある。なお、この切れ込み91、93は、それぞれ前記ガスシール部47の左右の切り欠き87、89に連通している。
(1) 燃料極基体用グリーンシートの形成
NiO粉末(60重量部)とYSZ粉末(40重量部)との混合粉末(100重量部)に対して、造孔材である有機ビーズ(混合粉末に対して10重量%)と、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエン+エタノール混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整した。得られたスラリーをドクターブレード法により、厚さ250μmの燃料極基体用グリーンシートを作製した。
YSZ粉末(100重量部)に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエン+エタノール混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整した。得られたスラリーをドクターブレード法により、厚さ10μmの固体電解質層用グリーンシートを作製した。
次に、前記燃料極基体用グリーンシートと前記固体電解質層用グリーンシートとを積層し、その積層体を焼成して、焼成積層体を作製した。
次に、積層焼成体の固体電解質側に、GDC(ガドリニウム添加セリア)保護膜用ペーストを印刷して焼き付けて、反応防止層39を形成した。
次に、前記焼成積層体の反応防止層39の上に、以下に述べる様にして空気極用のペースト層を形成し、そのペースト層を焼き付けて、セル本体43を作製した。
その後、この未焼成空気極131を焼成して、空気極41を形成するとともにセル本体43を完成した。
本実施形態では、板状の空気極41の側面は、酸化剤ガスが流入する第1方向(X方向)に対して交差しており、しかも、この側面は、固体酸化物体37側の一辺よりも固体酸化物体37と反対側の一辺が酸化剤ガスの下流側に傾斜している。つまり、空気極41の側面は、ガスの流路に沿って外側(固体酸化物体37と反対側)が下流側に傾斜している。
上述した製造方法で、空気極の(酸化剤ガスの流れに沿った)両側面の傾斜を35〜80°の範囲で傾斜させた試料を作製した。具体的には、両側面を35°、45°、55°、65°、75°、80°の角度に傾斜させた空気極を備えた燃料電池セルを作製した。
[第2実施形態]
次に、第2実施形態について説明するが、前記第1実施形態と同様な内容については、説明を省略する。
具体的には、本実施形態では、前記第1実施形態と同様に、燃料極144の上に固体酸化物体145が形成され、固体酸化物体145の上に反応防止層147が形成され、反応防止層147の上に空気極141の下層149が形成され、その下層149の上に上層143が形成されている。
本実施形態においても、前記第1実施形態と同様な効果を奏する。
[第3実施形態]
次に、第3実施形態について説明するが、前記第1実施形態と同様な内容については、説明を省略する。
具体的には、本実施形態では、前記第1実施形態と同様に、燃料極163や固体酸化物体165を備え、この固体酸化物体165の上に反応防止層167が形成され、反応防止層167の上に、空気極161が形成されている。
[第4実施形態]
次に、第4実施形態について説明するが、前記第1実施形態と同様な内容については、説明を省略する。
具体的には、本実施形態では、前記第1実施形態と同様に、燃料極183や固体酸化物体185を備え、この固体酸化物体185の上に反応防止層187が形成され、反応防止層187の上に、空気極181が形成されている。
本実施形態においても、前記第1実施形態と同様な効果を奏する。
[第5実施形態]
次に、第5実施形態について説明するが、前記第4実施形態と同様な内容については、説明を省略する。
具体的には、本実施形態では、前記第4実施形態と同様に、燃料極203や固体酸化物体205を備え、この固体酸化物体205の上に反応防止層207が形成され、反応防止層207の上に、空気極201が形成されている。
本実施形態においても、前記第1実施形態と同様な効果を奏する。
[第6実施形態]
次に、第6実施形態について説明するが、前記第5実施形態と同様な内容については、説明を省略する。
特に本実施形態では、燃料極221の両側面223、225が、空気極227の両側面229、231と同様に、35〜80°の範囲で傾斜している。
なお、空気極227の両側面229、231に傾斜を設けなくてもよい。逆に、空気極227及び燃料極221の全ての側面を同様に傾斜させてもよい。
[第7実施形態]
次に、第7実施形態について説明するが、前記第5実施形態と同様な内容については、説明を省略する。
そして、この両側面243、245には、酸化剤ガスの流れ方向に沿って複数の溝(スリット)247が形成してある。
なお、燃料極の傾斜した側面に同様なスリットを設けてもよい。
(1)例えば、上述した前記第1実施形態における製造方法では、開口部の内周面に傾斜を有するマスクを用いて、側面に傾斜を有する空気極を形成したが、他の方法で形成してもよい。
(2)また、例えば空気極の材料として、例えば粘度50Pa・sのインクを作製し、開口部の内周面に傾斜を有しないマスクを用いて、厚膜印刷にて未焼成空気極層を形成し、乾燥し、焼成する。この場合も、未焼成空気極層の側面が、図12(a)に示す様に湾曲することにより傾斜するので、焼成後の空気極の側面も傾斜したものとなる。
3…燃料電池セル
31…燃料ガス流路
33、144、163、183、203、221…燃料極
35…空気流路
37、145、165、185、205、253、257…固体酸化物体
39、147、167、187、207…反応防止層
41、141、161、181、201、227、241、251、255…空気極
55…枠体
61、149、169、189…下層
63、143、171、191…上層
65…外側表面
67、69、173、175、209、211、223、225、229、231、243、245…側面
Claims (9)
- 電解質体の一方の面に空気極が形成されるとともに、他方の面に燃料極が形成された平板形状の燃料電池セルにおいて、
前記空気極側に形成され前記空気極に対して所定の第1方向から酸化剤ガスを供給する第1流路と、前記燃料極側に形成され前記燃料極に対して所定の第2方向から燃料ガスを供給する第2流路と、を備え、
前記空気極又は前記燃料極を所定の厚みを有する板状の構造とするとともに、該板状の構造の、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスが流入する前記第1方向又は前記第2方向に交差する側面を、前記電解質体側の一辺よりも、該電解質体と反対側の一辺がガスの下流側に傾斜するように構成したことを特徴とする燃料電池セル。 - 電解質体の一方の面に空気極が形成されるとともに、他方の面に燃料極が形成された平板形状の燃料電池セルにおいて、
前記空気極側に形成され前記空気極に対して所定の第1方向から酸化剤ガスを供給する第1流路と、前記燃料極側に形成され前記燃料極に対して所定の第2方向から燃料ガスを供給する第2流路と、を備え、
前記空気極及び前記燃料極を所定の厚みを有する板状の構造とするとともに、該板状の構造の、前記酸化剤ガスが流入する前記第1方向に交差する第1側面及び前記燃料ガスが流入する前記第2方向に交差する第2側面を、前記電解質体側の一辺よりも、該電解質体と反対側の一辺がガスの下流側に傾斜するように構成したことを特徴とする燃料電池セル。 - 前記電解質体と前記空気極と前記燃料極との側面方向の周囲を囲むように枠体を設けるとともに、前記枠体に前記各ガスを導入するための流路を設けたことを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池セル。
- 前記空気極は、空気極機能層と、前記空気極機能層の表面上に形成され前記酸化剤ガスが該空気極機能層まで拡散可能な拡散層と、を備え、
前記拡散層のみが前記傾斜を有するように構成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池セル。 - 前記側面の傾斜する角度が、前記電解質体の表面に対して30〜85°の範囲であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池セル。
- 前記傾斜する側面に、前記第1方向及び前記第2方向の少なくとも一方に沿って、スリットが形成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池セル。
- 前記傾斜する側面は、滑らかな表面又は階段状の表面を有していることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池セル。
- 前記請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池セルは、固体酸化物を電解質体とする固体酸化物形燃料電池セルであることを特徴とする燃料電池セル。
- 前記請求項1〜8のいずれか1項に記載の燃料電池セルを、1又は複数個備えたことを特徴とする燃料電池。
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