JP2018067509A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料極2、固体電解質層3、及び空気極4がこの順で積層された固体酸化物形燃料電池1である。空気極4は、固体電解質層3側に形成された内部反応層41と、この上に形成され、かつ酸化剤ガスO中の汚染物質を捕集する外部捕集層42とを有する。内部反応層41及び外部捕集層42は互いに組成の異なる遷移金属ペロブスカイト型酸化物を含有することが好ましい。
【選択図】図1
Description
上記空気極は、上記固体電解質層側に形成された内部反応層(41)と、上記内部反応層上に形成され、かつ酸化剤ガス中の汚染物質を捕集する外部捕集層(42)と、を有する固体酸化物形燃料電池(1)にある。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
固体酸化物形燃料電池に係る実施形態について、図1を参照して説明する。固体電解質形燃料電池1は、SOFCと称され、固体電解質として固体酸化物セラミックスを利用する燃料電池である。図1に例示されるように、燃料電池1においては、燃料極2、固体電解質層3、及び空気極4がこの順に積層されている。燃料電池1は、発電性能が高い等の観点から、平板形の電池構造をとることができる。
本実施形態は、中間層を有さない燃料電池である。なお、本実施形態以降において用いられる符号のうち、既出の実施形態等において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態等におけるものと同様の構成要素等を表す。
本実施形態においては、空気極を連続層により形成した燃料電池について説明する。
図3に例示されるように、本実施形態における空気極4は、内部反応層41と外部捕集層42との間に明確な界面を有しておらず、内部反応層41から外部捕集層42へ向けて連続的に組成が変化する連続層45からなる。この場合においても、連続層45の表層側、すなわち、酸化剤ガスOが導入される酸化剤ガス流路10に面する表層側において外部捕集層42が形成され、中間層5側に内部反応層41が形成される。
本実施形態においては、空気極における酸化剤ガスの導入端面が外部捕集層によって被覆された燃料電池について説明する。図4に例示されるように、燃料電池1においては、空気極4側に集電板6が配置され、両者の間には酸化剤ガス流路10が形成される。集電板6の具体的な構成については実施形態6において後述するが、集電板6は、例えば集電基板61と多数の突起状の集電部62とを有することができる。
実施形態4においては、導入端面における内部反応層を外部捕集層で被覆した例について説明したが、本実施形態は、図6に例示されるように、空気極4の導入端面43以外の端面においても内部反応層41を外部捕集層42で被覆する形態について説明する。
本実施形態においては、突起状の集電部を有する集電板を有する燃料電池について説明する。図7に例示されるように、燃料電池1においては、空気極4側に集電板6が配置される。集電板6は、導電性を有し、例えば金属製である。
本例は、集電部の形成パターンが実施形態6とは異なる2つの変形例について説明する。変形例1は、図9(a)に例示されるように、櫛歯状に伸びる集電部の例である。各集電部62は、所定の間隔を空けて例えば酸化剤ガスの流入方向と平行な方向に伸びる。この場合には、集電部62間に、互いに平行な複数の酸化剤ガス流路10が形成される。そのため、酸化剤ガスOの流れ方向を均一にすることが可能になる。櫛歯状に伸びる集電部62は、当接部47において空気極4と当接している。
本例は、外部捕集層を有する空気極、及び外部捕集層を有していない空気極について、空気極における汚染物質の浸入度合の違いを比較する例である。まず、実施形態1と同様の構成を有する燃料電池を次のようにして作製した。
<材料準備>
燃料極形成用シート、固体電解質層形成用シート、および、中間層形成用シートをこの順に積層し、積層体を得た。得られた積層体は、静水圧プレス成形法を用いて圧着、脱脂した。静水プレスはCIPとも言われる。なお、CIP成形条件は、温度80℃、加圧力50MPa、加圧時間10分という条件とした。
本例は、実施形態5と同様の構成の燃料電池について、実験例1と同様に空気極の被毒を分析する例である。本例の燃料電池は、実施形態5と同様に、空気極4の排出端面46以外の端面43、44、45における内部反応層41が外部捕集層43によって被覆されている(図13参照)。これを実施例2とする。なお、内部反応層41上に外部捕集層43が積層形成されているため、図13において内部反応層41は本来示されないが、説明の便宜のため、内部反応層41の外縁を破線にて示す。
本例は、実施形態6と同様の燃料電池について、実験例1と同様に空気極の被毒を分析する例である。本例の燃料電池1は、図16(a)及び(b)に例示されるように、実施形態6と同様に集電部62と外部捕集層42との当接部47に肉薄部471を有し、当接部47の周囲、すなわち集電部62と外部捕集層42の非当接部48に肉厚部481を有している。本例の燃料電池1を実施例3とする。
2 燃料極
3 固体電解質層
4 空気極
41 内部反応層
42 外部捕集層
5 中間層
6 集電板
Claims (17)
- 燃料極(2)、固体電解質層(3)、及び空気極(4)がこの順で積層されており、
上記空気極は、上記固体電解質層側に形成された内部反応層(41)と、上記内部反応層上に形成され、かつ酸化剤ガス(O)中の汚染物質を捕集する外部捕集層(42)と、を有する固体酸化物形燃料電池(1)。 - 上記内部反応層及び上記外部捕集層は互いに組成の異なる遷移金属ペロブスカイト型酸化物を含有する、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 上記外部捕集層は、La、Sr、Sm、及びCoよりなる群から選択される少なくとも2種の元素を含有する遷移金属ペロブスカイト型酸化物を含有する、請求項1又は2に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 上記外部捕集層は、少なくともCoを含有する遷移金属ペロブスカイト型酸化物を含有し、上記内部反応層よりもCo含有量が高い、請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 上記外部捕集層の線熱膨張係数が16×10-6/K以上である、請求項3又は4に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 上記固体電解質層と上記空気極との間に中間層(5)を有し、上記中間層上に上記空気極が形成されている、請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 上記内部反応層は、La、Sr、Sm、Co、Fe、Ni、及びMnよりなる群から選択される少なくとも2種の元素を含む遷移金属ペロブスカイト型酸化物、或いは上記遷移金属ペロブスカイト型酸化物と上記中間層を構成する材料との複合材料を含有する、請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 上記内部反応層中に含まれる上記遷移金属ペロブスカイト型酸化物が、LaxSr1−xCoO3系酸化物、LaxSr1-xCoyFe1−yO3系酸化物、及びSmxSr1−xCoO3系酸化物(但し、上記において、0≦x≦1、0≦y≦1)よりなる群から選択される少なくとも1種である、請求項7に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 上記内部反応層の線熱膨張係数が10×10-6以上、16×10-6/K未満である、請求項7又は8に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 上記空気極が上記固体電解質層上に形成されている、請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 上記内部反応層は、La、Sr、Sm、Co、Fe、Ni、及びMnよりなる群から選択される少なくとも2種の元素を含む遷移金属ペロブスカイト型酸化物、或いは上記遷移金属ペロブスカイト型酸化物と上記固体電解質層を構成する材料との複合材料を含有する、請求項10に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 上記内部反応層中に含まれる上記遷移金属ペロブスカイト型酸化物が、LaxSr1−xCoO3系酸化物、LaxSr1-xCoyFe1−yO3系酸化物、及びSmxSr1−xCoO3系酸化物(但し、上記において、0≦x≦1、0≦y≦1)よりなる群から選択される少なくとも1種である、請求項11に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 上記内部反応層の線熱膨張係数が10×10-6以上、16×10-6/K未満である、請求項11又は12に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 上記空気極が、上記内部反応層から上記外部捕集層へ向けて連続的に組成が変化する連続層(45)からなる、請求項1〜13のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 上記連続層は、La、Sr、Sm、Ni、及びMnよりなる群から選択される少なくとも1種の元素と、Coとを含む遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなり、上記内部反応層側から上記外部捕集層側へCo含有量が増加する、請求項14に記載の固体酸化物形燃料電池。
- さらに、上記固体酸化物形燃料電池の側面(11)に形成された酸化剤ガス導入口(111)を有し、上記空気極は、上記酸化剤ガス導入口から供給された上記酸化剤ガスが衝突する導入端面(43)を有し、少なくとも上記導入端面においては上記内部反応層が上記外部捕集層によって被覆されている、請求項1〜15のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池。
- さらに、上記空気極上に形成された集電板(6)を有し、上記集電板は、集電基板(61)と上記集電基板から上記空気極に向かって伸びる複数の突起状の集電部(62)を有し、上記空気極における上記集電部との当接部(47)の周囲は、上記当接部に比べて上記外部捕集層の厚みが大きい、請求項1〜16のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池。
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