JP2015090788A - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents
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Abstract
Description
固体酸化物形燃料電池の固体電解質層の材料としては、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)などの電解質材料が古くから知られており、標準的に用いられている(例えば、特許文献1を参照)。
(1) 固体電解質層と、前記固体電解質層の一方の面に形成された燃料極と、前記固体電解質層の他方の面に形成された空気極とを備える単セルを有し、
前記空気極へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給口と、前記空気極を通過した酸化剤ガスを放出する酸化剤ガス放出口と、前記酸化剤ガス供給口から前記酸化剤ガス放出口までの酸化剤ガスの流路である酸化剤ガス室とを有する固体酸化物形燃料電池において、
前記空気極の触媒を被毒させる前記酸化剤ガス中に含まれる汚染物質を吸着する汚染物質トラップ層を有し、
前記汚染物質トラップ層は、前記酸化剤ガス室における酸化剤ガス供給口側に配置され、前記空気極と分離して形成され、発電に寄与しないことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
(2) 前記汚染物質トラップ層と前記空気極とは、前記固体電解質層における同じ面に設置されてなることを特徴とする前記(1)に記載の固体酸化物形燃料電池。
(3) 前記固体酸化物形燃料電池は、前記燃料極へ供給される燃料ガスの流路である燃料ガス室と、前記酸化剤ガス室とを隔てるセパレータを有し、
前記汚染物質トラップ層は、前記酸化剤ガスと接する前記セパレータの表面に設置されてなることを特徴とする前記(1)に記載の固体酸化物形燃料電池。
(4) 前記汚染物質トラップ層の面積は、前記空気極の面積の5%以上50%以下であることを特徴とする前記(1)乃至(3)の何れか1項に記載の固体酸化物形燃料電池。
(5) 前記空気極は、La、Sr、Co、及びFeよりなる群から選択される少なくとも1種の元素を含む複合酸化物を有することを特徴とする前記(1)乃至(4)の何れか1項に記載の固体酸化物形燃料電池。
(6) 前記汚染物質トラップ層は、La、Sr、Sm、Gd、Pr、Nd、Co、及びFeよりなる群から選択される少なくとも1種の元素を含む酸化物を有することを特徴とする前記(1)乃至(5)の何れか1項に記載の固体酸化物形燃料電池。
(7) 前記汚染物質トラップ層の比表面積が、前記空気極の比表面積以上であることを特徴とする前記(1)乃至(6)の何れか1項に記載の固体酸化物形燃料電池。
(2)前記(2)に記載の手段によると、汚染物質トラップ層と空気極とが固体電解質層における同じ面に設置されることにより、酸化剤ガスが空気極へと到る前に、より確実に酸化剤ガスと汚染物質トラップ層とが接触し、酸化剤ガスに含まれる汚染物質が汚染物質トラップ層によって吸着されやすい。よって、酸化剤ガスに含まれる汚染物質によって空気極の触媒が被毒することをより確実に防止することができ、発電性能が低下しにくい固体酸化物形燃料電池を提供することができる。
(3)前記(3)に記載の手段によると、汚染物質トラップ層がセパレータ上に設置されることにより、汚染物質トラップ層と空気極とを確実に分離することができるとともに、汚染物質トラップ層が確実に発電に寄与しないようにすることができる。
(4)前記(4)に記載の手段によると、汚染物質トラップ層の面積が空気極の面積の5%以上50%以下であるので、固体酸化物形燃料電池の発電性能を落とすことなく、酸化剤ガス中の汚染物質が空気極へと到ることを防止することできる。
(5)前記(5)に記載の手段によると、La、Sr、Co、及びFeは、高い導電特性を有するLSM系材料、LSC系材料、LSF系材料、又はLSCF系材料を構成する元素なので、これらの材料によって形成された空気極は高い導電性を有することとなり、発電性能に優れた固体酸化物形燃料電池を提供することができる。
(6)前記(6)に記載の手段によると、汚染物質トラップ層に含有されるLa、Sr、Sm、Gd、Pr、Nd、Co、及びFe等の少なくとも1種の元素を含む酸化物は、汚染物質を効果的に吸着することができるので、空気極の触媒が被毒することを防止する性能に優れた固体酸化物形燃料電池を提供することができる。
(7)前記(7)に記載の手段によると、汚染物質トラップ層の比表面積が、空気極の比表面積以上であるので、単位重量あたりの汚染物質トラップ層における汚染物質の吸着効率を上げることができる。よって、汚染物質を十分に吸着するのに必要な汚染物質トラップ層を小型化することができる。
図2において、単セル41の積層体の左手には、積層された複数の単セル41を含む積層体を貫通するように燃料ガス導入管2が配設される。この燃料ガス導入管2は、その一端部がナットの形状に形成され、他端がガス導入口として開口し、前記ガス導入口からナット形状に形成された一端部近傍まで中空に形成された中空管部21を有する。燃料ガス導入管2には、中空管部21における内部中空空間と単セル41とが連通する燃料ガス供給口22が設けられる。
また、図2において、単セルの積層体の右手には、積層された複数の単セル41を含む積層体を貫通するように燃料ガス導出管3が配設される。この燃料ガス導出管3は、その一端部がナットの形状に形成され、他端がガス導出口として開口し、前記ガス導出口からナット形状に形成された一端部近傍まで中空に形成された中空管部24を有する。燃料ガス導出管3には、中空管部24と単セル41とが連通する燃料ガス放出口23が設けられる。
燃料ガス導入管2から供給された燃料ガスは、中空管部21内を下方向へと移動するとともに、燃料ガス供給口22を通過し、単セル41側へと移動する。単セル41側へ移動した燃料ガスは、多孔質の燃料極43内に至る。燃料極43内で燃料ガスが反応して生成するガスが排ガスとして燃料ガス放出口23を通過し、中空管部24へと到る。排ガスは、中空管部24を上方向へと移動した後に、燃料ガス導出管3のガス導出口から固体酸化物形燃料電池スタック1の外部に排出される。
燃料ガス供給口22から燃料ガス放出口23までの間におけるガスの流路が、燃料ガス室26である。言い換えると、燃料ガス室26は、燃料ガス供給口22から燃料極43に到るまでの空間と、燃料極43内部における孔空間と、燃料極43から燃料ガス放出口23に到るまでの空間とを有する。
図3において、単セル41の積層体の左手には、積層された複数の単セル41を含む積層体を貫通するように酸化剤ガス導入管4が配設される。この酸化剤ガス導入管4は、その一端部がナットの形状に形成され、他端がガス導入口として開口し、前記ガス導入口からナット形状に形成された一端部近傍まで中空に形成された中空管部31を有する。酸化剤ガス導入管4には、中空管部31における内部中空空間と単セル41とが連通する酸化剤ガス供給口32が設けられる。
また、図3において、単セルの積層体の右手には、積層された複数の単セル41を含む積層体を貫通するように酸化剤ガス導出管5が配設される。この酸化剤ガス導出管5は、その一端部がナットの形状に形成され、他端がガス導出口として開口し、前記ガス導出口からナット形状に形成された一端部近傍まで中空に形成された中空管部34を有する。酸化剤ガス導出管5には、中空管部34と単セル41とが連通する酸化剤ガス放出口33が設けられる。
酸化剤ガス導入管4から供給された酸化剤ガスは、中空管部31内を下方向へと移動するとともに、酸化剤ガス供給口32を通過し、単セル41側へと移動する。単セル41側へ移動した酸化剤ガスは、空気極44内に至る。空気極44を通過したガスが排ガスとして酸化剤ガス放出口33を通過し、中空管部34へと到る。排ガスは、中空管部34を上方向へと移動した後に、酸化剤ガス導出管5のガス導出口から外部に排出される。
酸化剤ガス供給口32から酸化剤ガス放出口33までの間における酸化剤ガスの流路が、酸化剤ガス室36である。言い換えると、酸化剤ガス室36は、酸化剤ガス供給口32から空気極44に到るまでの空間と、空気極44内部における孔空間と、空気極44から酸化剤ガス放出口33に到るまでの空間とを有する。
酸化剤ガスとしては、例えば、酸素と他の気体との混合ガスが挙げられる。この混合ガスには80体積%以上の窒素及びアルゴン等の不活性ガスが含有されていても良い。酸化剤ガスとしては、安全であって安価である空気が好ましい。
固体電解質層42の厚みは、3μm以上20μm以下であることが好ましい。厚みが3μmを下回ると、欠陥のない単セル41を再現性良く得ることが困難である。また、厚みが20μmを上回ると、固体電解質層42の電気抵抗が大きくなり、固体酸化物形燃料電池の発電性能が低下することがある。
燃料極43の材質としては、例えば、Ni及び/又はFe等の金属と電解質材料との混合物であるサーメットが挙げられる。電解質材料としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)、サマリウム添加セリア(CeSmO2)、ガドリウム添加セリア(CeGdO2)、及びカルシア安定化ジルコニア(CaSZ)が挙げられる。これらの電解質材料は、それらの一種が選択されてもよく、また二種以上が選択されても良い。
汚染物質トラップ層47は、酸化剤ガスを透過させる機能を有する限りにおいて、その開気孔率、及び形状を適宜設計変更することができる。汚染物質トラップ層47の開気孔率は、10%以上、特に10%以上50%以下であることが好ましい。汚染物質トラップ層47の開気孔率は、汚染物質トラップ層47全体の体積に対する、汚染物質トラップ層47中に含まれる金属酸化物の体積の割合であり、通常、アルキメデス法によって測定される。汚染物質トラップ層47の形状として、たとえば、図4及び図6に示されるように、直方体を挙げることができる。図4に示されるように、汚染物質トラップ層47の、単セル41を積層する積層方向に沿う寸法つまり厚みは、30μm以上200μm以下が好ましい。
例えば、図4においては、空気極44が、固体電解質層42とインターコネクタ46と接続されることによって、空気極44と燃料極43とにおける化学反応、及びそれに伴う電子の移動が起こり、単セル41及びこの単セル41を有する固体酸化物形燃料電池が発電機能を発揮する。一方で、図4において、汚染物質トラップ層47は、固体電解質層42と接続されるものの、インターコネクタ46と接続されないので、汚染物質トラップ層47を介して空気極44と燃料極43とにおける化学反応、及びそれに伴う電子の移動が起こらない。よって、汚染物質トラップ層47は発電に寄与しない。
また、図5において、汚染物質トラップ層47は、セパレータ25と接続されるものの、インターコネクタ46とは接続されないので、汚染物質トラップ層47を介して空気極44と燃料極43とにおける化学反応、及びそれに伴う電子の移動が起こらない。よって、汚染物質トラップ層47は発電に寄与しない。
例えば、図6において、図4のB−B線を含む平面に投影したときの平面図を示す。通常は、図6に示される汚染物質トラップ層47の上平面の面積と空気極44の上平面の面積とから、汚染物質トラップ層47の面積と空気極44の面積との比を求めることができる。
図6において、図中の左側から右側へと酸化剤ガスが流れる。汚染物質トラップ層47の面積は、空気極44の面積の5%以上50%以下である。汚染物質トラップ層47の面積が、空気極44の面積の5%よりも小さいと、汚染物質が汚染物質トラップ層47において十分に吸着されず、空気極44の触媒が被毒しやすくなる。一方で、汚染物質トラップ層47の面積が空気極44の面積の50%より大きくなると、単セル41における空気極3の占める割合が小さくなるので、固体酸化物形燃料電池の発電性能が不十分となることがある。
なお、図5の例のように、空気極44と汚染物質トラップ層47とが、同じ面上に配置されていない例においても、単セル41の積層方向に直交する平面に投影される空気極44の上平面の面積と、単セル41の積層方向に直交する平面に投影される汚染物質トラップ層47の上平面の面積とを各々求めることにより、面積比を求めることができる。このように各々求めた空気極44の面積と汚染物質トラップ層47の面積とを比較し、汚染物質トラップ層47の面積が空気極44の面積の5%以上50%以下であればよい。
2:燃料ガス導入管
3:燃料ガス導出管
4:酸化剤ガス導入管
5:酸化剤ガス導出管
6、7:エンドプレート
8、9、10、11:固定部材
21、24:中空管部
22:燃料ガス供給口
23:燃料ガス放出口
25:セパレータ
26:燃料ガス室
31、34:中空管部
32:酸化剤ガス供給口
33:酸化剤ガス放出口
36:酸化剤ガス室
41:単セル
42:固体電解質層
43:燃料極
44:空気極
45:空気極集電体
46:インターコネクタ
47:汚染物質トラップ層
48:燃料極集電体
Claims (7)
- 固体電解質層と、前記固体電解質層の一方の面に形成された燃料極と、前記固体電解質層の他方の面に形成された空気極とを備える単セルを有し、
前記空気極へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給口と、前記空気極を通過した酸化剤ガスを放出する酸化剤ガス放出口と、前記酸化剤ガス供給口から前記酸化剤ガス放出口までの酸化剤ガスの流路である酸化剤ガス室とを有する固体酸化物形燃料電池において、
前記空気極の触媒を被毒させる前記酸化剤ガスに含まれる汚染物質を吸着する汚染物質トラップ層を有し、
前記汚染物質トラップ層は、前記酸化剤ガス室における酸化剤ガス供給口側に配置され、前記空気極と分離して形成され、発電に寄与しないことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 - 前記汚染物質トラップ層と前記空気極とは、前記固体電解質層における同じ面に設置されてなることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記固体酸化物形燃料電池は、前記燃料極へ供給される燃料ガスの流路である燃料ガス室と、前記酸化剤ガス室とを隔てるセパレータを有し、
前記汚染物質トラップ層は、前記酸化剤ガスと接する前記セパレータの表面に設置されてなることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池。 - 前記汚染物質トラップ層の面積は、前記空気極の面積の5%以上50%以下であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記空気極は、La、Sr、Co、及びFeよりなる群から選択される少なくとも1種の元素を含む複合酸化物を有することを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の固体酸化物型燃料電池。
- 前記汚染物質トラップ層は、La、Sr、Sm、Gd、Pr、Nd、Co、及びFeよりなる群から選択される少なくとも1種の元素を含む酸化物を有することを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の固体酸化物型燃料電池。
- 前記汚染物質トラップ層の比表面積が、前記空気極の比表面積以上であることを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の固体酸化物形燃料電池。
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