JP3898551B2

JP3898551B2 - 燃料電池セル及びセルスタック並びに燃料電池

Info

Publication number: JP3898551B2
Application number: JP2002099357A
Authority: JP
Inventors: 和弘岡本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-04-01
Filing date: 2002-04-01
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2022-04-01
Also published as: JP2003297388A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電性能が良好な燃料電池セル及びセルスタック並びに燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。
【０００３】
図４は、従来の固体電解質型燃料電池のセルスタックを示すもので、このセルスタックは、複数の燃料電池セル１（１ａ、１ｂ）を集合させ、一方の燃料電池セル１ａと他方の燃料電池セル１ｂとの間に金属フェルトからなる集電部材５を介在させ、一方の燃料電池セル１ａの燃料側電極７と他方の燃料電池セル１ｂの酸素側電極１１とを電気的に接続して構成されていた。
【０００４】
燃料電池セル１（１ａ、１ｂ）は、円筒状の金属からなる燃料側電極７の外周面に、固体電解質９、導電性セラミックスからなる酸素側電極１１を順次設けて構成されており、固体電解質９、酸素側電極１１から露出した燃料側電極７には、酸素側電極１１に接続しないようにインターコネクタ１３が設けられている。
【０００５】
このインターコネクタ１３は、燃料側電極７のガス通過孔１５を流れる燃料ガス（水素）と、酸素側電極１１の外側を流れる酸素含有ガス（空気）とを確実に遮断するため、また、燃料ガス及び酸素含有ガスに曝されても変質しにくい緻密な導電性セラミックスが用いられている。
【０００６】
一方の燃料電池セル１ａと他方の燃料電池セル１ｂとの電気的接続は、一方の燃料電極１ａの燃料側電極７を、該燃料側電極７に設けられたインターコネクタ１３、集電部材５を介して、他方の燃料電池セル１ｂの酸素側電極１１に接続することにより行われていた。
【０００７】
燃料電池は、上記セルスタックを収納容器内に収容して構成され、燃料側電極７内部に燃料（水素）を流し、酸素側電極１１に酸素含有ガス（空気）を流して６００〜１０００℃で発電される。
【０００８】
燃料電池セル１で発電された電流は、他方の燃料電池セル１ｂの酸素側電極１１から一方の燃料電池セル１ａの燃料側電極７に流れる。
【０００９】
また、従来、図５に示すように、燃料電池セル２１を、複数の貫通孔２３を有する電極基体２４の外面に、固体電解質２６、外側電極２８を形成して構成することが知られている（特開平５−３６４１７号公報等参照）。貫通孔２３は、平板状の電極基体２４の幅方向に所定間隔を置いて形成されている。尚、符号２９はインターコネクタである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記した図４の燃料電池セル１では、円筒状の燃料側電極７の内部には一つのガス通過孔１５が形成されており、その内部を燃料ガスが流れるが、ガス通過孔１５内の燃料ガスは、流体力学上、燃料側電極７の内面での流通量はガス通過孔１５中央部よりも少なく、固体電解質９への燃料ガス供給量が未だ低く、燃料ガスを有効に利用していないという問題があった。
【００１１】
また、上記した図５の燃料電池セル２１でも、図４の燃料電池セル１の場合と同様、燃料ガスは、貫通孔２３中心部を通過し、上記と同様、固体電解質２６への燃料ガス供給量が未だ低く、燃料ガスを有効に利用していないという問題があった。
【００１２】
さらに図５の燃料電池セル２１では、電極基体２４が水素等が流れる燃料側電極である場合、金属酸化物で電極基体２４を作製し、後で還元して金属化されるが、貫通孔２３間、または貫通孔２３と固体電解質２６との間の距離が長く、即ち、電極厚みが厚いため、また、上記したように燃料ガスが貫通孔２３の中央部を流通するため、電極基体２４が還元され難く、電子伝導度が低くなる傾向があり、発電性能を十分に発揮できないという問題があった。
【００１３】
本発明は、内側電極における電子伝導度を高くできるとともに、内側電極を通過するガスを有効利用できる燃料電池セル及びセルスタック並びに燃料電池を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池セルは、内側電極の外面に、固体電解質、外側電極を順次形成してなるとともに、前記固体電解質及び前記外側電極が形成されていない前記内側電極の表面にインターコネクタを形成し、前記固体電解質及び前記インターコネクタにより、前記内側電極に供給されるガスと前記外側電極に供給されるガスとが遮断されている燃料電池セルであって、前記内側電極が、セラミックスからなる中実状の導電性芯材の周囲に、軸長方向にガス通過可能な多孔質導電体を形成してなることを特徴とする。
【００１５】
このような燃料電池セルでは、内側電極が、セラミックスからなる導電性芯材の周囲に、軸長方向にガス通過可能な多孔質導電体を形成してなるため、例えば導電性芯材として緻密質のセラミックスを用いることにより、ガスは内側電極の中心部においては流れず、固体電解質により近い外周部の多孔質導電体を流れ、固体電解質表面へのガス供給量を増加でき、内側電極に供給されるガスを有効利用でき、発電性能を向上できる。
【００１６】
また、発電電流は内側電極の多孔質導電体、導電性芯材を流れることができるため、電流経路を短くでき、内部抵抗を小さくでき、電圧勾配を小さくすることができる。
【００１７】
さらに、内側電極が水素等が流れる側に形成された燃料側電極である場合、内側電極の多孔質導電体に還元ガスを流通させ、多孔質導電体を還元させて金属化させるが、上記したように、内側電極を通過する還元ガスを拡散して流すことができるため、内側電極の多孔質導電体の還元が確実にかつ短時間になされ、内側電極の電子伝導度を短時間でかつ確実に向上でき、発電性能を十分に発揮することができる。さらに、本発明の燃料電池セルでは、固体電解質及び外側電極が形成されていない内側電極の表面にインターコネクタが形成され、固体電解質及びインターコネクタにより、内側電極に供給されるガスと外側電極に供給されるガスとが遮断されている。このような燃料電池セルでは、電流が内側電極の多孔質導電体、導電性芯材を流れ、外側電極、インターコネクタ間を直線的に流れることができるため、電流経路を短くして燃料電池セルにおける内部抵抗を小さくできる。
【００１８】
さらに、内側電極の中央部を、例えば緻密な導電性芯材により形成することにより、発電に寄与しない内側電極の中央部ではガスが流れず、内側電極の外周部、即ち固体電解質側をガスが流れ、内側電極から固体電解質表面へのガス供給量を増加でき、内側電極内部に供給されるガスを有効利用でき、発電性能をさらに向上できる。
【００１９】
また、本発明の燃料電池セルでは、多孔質導電体は、多数の貫通孔が軸長方向に形成されたハニカム状であることを特徴とする。内側電極の外周部、即ち固体電解質側をハニカム状の多孔質導電体で構成することにより、多孔質導電体を流れるガスを均一に拡散して、固体電解質へのガス供給量をさらに増加でき、内側電極内部に供給されるガスを有効利用できる。
【００２１】
また、本発明の燃料電池セルでは、導電性芯材は、インターコネクタと同一材料、又はＬａＣｒＯ₃系材料により形成できる。インターコネクタは、上記したように水素等の還元性ガス（燃料ガス）と、空気等の酸素含有ガスに曝されても変質しにくい材料で形成されているため、還元性ガスや酸素含有ガスが流通する電極材料として用いても優れた導電性を有することができる。また、ＬａＣｒＯ₃系材料も、同様に還元性ガスや酸素含有ガスが流通する雰囲気でも電極材料として優れた導電性を有する。
【００２２】
本発明の燃料電池セルは内側電極が扁平状であることを特徴とする。内側電極が扁平状である場合には、電極の周方向の距離が長いため、内側電極の対向する部分間の電流経路が長くなる傾向にあるため、本発明を好適に用いることができる。
【００２３】
本発明のセルスタックは、上記燃料電池セルが複数集合してなるものである。また、本発明の燃料電池は、上記燃料電池セルを収納容器内に複数収容してなるものである。このような燃料電池では、燃料電池セルが、電極における内部抵抗を小さくできるとともに、内側電極を通過するガスを有効利用できるため、発電量を大きくすることができるとともに、燃料使用量を低減できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の燃料電池セルの斜視図を示すもので、燃料電池セルは扁平状とされている。この燃料電池セルは、扁平状の燃料側電極２１（内側電極）の一方側の外面に、緻密質な固体電解質２３、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極２５（外側電極）を順次積層し、燃料側電極２１の他方側の外面にインターコネクタ２７を積層して構成されており、燃料側電極２１が支持体となっている。
【００２５】
燃料電池セルは断面が扁平で、全体的に見て楕円柱状であり、緻密な耐還元性セラミックスからなる扁平状の導電性芯材２１ａの周囲（側面）に、軸長方向にガス通過可能な多孔質導電体２１ｂを形成して構成されている。多孔質導電体２１ｂは、多数の貫通孔２１ｂ１が軸長方向（長さ方向）に形成されたハニカム状とされている。
【００２６】
尚、図１は多数の貫通孔２１ｂ１を環状に形成したが、貫通孔２１ｂ１を導電性芯材２１ａと固体電解質２３との間であればランダムに形成しても良い。また、燃料側電極２１の中央部に扁平状の導電性芯材２１ａを形成したが、扁平状でなく円柱状等であっても良く芯材となれば良いが、固体電解質２３へのガス供給量を増加するという点から燃料側電極２１の形状に相似する形状、図１の場合には扁平状であることが望ましい。
【００２７】
導電性芯材２１ａは、インターコネクタ２７と同一材料により形成されている。インターコネクタ２７と同一材料で形成することにより、燃料電池セルを作製するための材料で対応でき、別個に導電性芯材２１ａを形成する材料を準備する必要がない。尚、導電性芯材２１ａは、緻密な耐還元性セラミックスであればどのような材料を用いても良いが、一般に用いられているＬａＣｒＯ₃系材料を好適に用いることができる。インターコネクタ２７と組成は異なるが、成分が同一のものを用いても良い。
【００２８】
燃料電池セルは、断面形状が、幅方向両端に設けられた弧状部と、これらの弧状部を連結する一対の平坦部とから構成されており、一対の平坦部は平坦であり、ほぼ平行に形成されている。これらの一対の平坦部は、燃料側電極２１の平坦部にインターコネクタ２７、又は固体電解質２３、酸素側電極２５を形成して構成されている。
【００２９】
尚、燃料側電極２１は扁平状である必要はなく、円柱状、楕円柱状であっても良く、四角柱状であっても良いが、扁平状である場合には発電する面積を増加させることができ、所定容積当たりの発電量を向上できる。
【００３０】
燃料側電極２１の多孔質導電体２１ｂに形成された貫通孔２１ｂ１の孔径は１ｍｍ以下とされている。このように孔径が小さいため、燃料側電極２１の多孔質導電体２１ｂを流れるガスを十分に拡散できる。特に、貫通孔２１ｂ１の孔径は、２０〜５００μｍであることが望ましい。また、燃料側電極２１の多孔質導電体２１ｂに形成された貫通孔２１ｂ１の断面形状は円形だけでなく、楕円形、四角形等何れでも良い。
【００３１】
燃料側電極２１の多孔質導電体２１ｂは、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｒｕのうちいずれか一種の金属又は金属酸化物、もしくはこれらの合金又は合金酸化物を主成分とするものであり、これら以外に、外面の固体電解質２３への接合強度を向上し、固体電解質２３の熱膨張係数に近似させるため、固体電解質材料を含有することが望ましい。金属又は金属酸化物としては、コストの観点からＮｉ又はＮｉＯが望ましい。
【００３２】
燃料側電極２１の外面に設けられた固体電解質２３は、３〜１５モル％のＹ、希土類元素を含有した部分安定化あるいは安定化ＺｒＯ₂からなる緻密質なセラミックスが用いられている。燃料側電極２１と固体電解質２３との間には、燃料側電極２１との接合強度を向上するため、緻密層からなる接合層を介在させても良い。この固体電解質２３の厚みは、ガス透過を防止するという点から１０〜１００μｍであることが望ましい。
【００３３】
また、酸素側電極２５は、ＬａＭｎＯ₃系材料、ＬａＦｅＯ₃系材料、ＬａＣｏＯ₃系材料の少なくとも一種の多孔質の導電性セラミックスから構成されている。酸素側電極２５は、６００〜１０００℃程度の比較的低温での電気伝導性が高いという点からＬａＦｅＯ₃系材料が望ましい。酸素側電極２５の厚みは、集電性という点から３０〜１００μｍであることが望ましい。
【００３４】
燃料側電極２１外面の一部には、その軸長方向に固体電解質２３及び酸素側電極２５が形成されていない部分を有しており、この露出した燃料側電極２１の外面には、導電性セラミックスからなるインターコネクタ２７が形成されている。
【００３５】
このインターコネクタ２７の厚みは、緻密性と電気抵抗という点から３０〜２００μｍであることが望ましい。インターコネクタ２７は、ＬａＣｒＯ₃系材料の導電性セラミックスから構成されている。インターコネクタ２７は、燃料側電極２１の内外の燃料ガス、酸素含有ガスの漏出を防止するため緻密質とされており、また、インターコネクタ２７の内外面は、燃料ガス、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。インターコネクタ２７の端面と固体電解質２３の端面との間には、シール性を向上すべく接合層を介在させても良い。
【００３６】
以上のような燃料電池セルの製造方法について説明する。先ず、インターコネクタ２７を形成するＬａＣｒＯ₃系材料と、有機バインダー及び有機溶媒とを混合した、インターコネクタ材料を用いて扁平状の導電性芯材成形体を作製する。
【００３７】
また、例えば、ＮｉＯ粉末と、Ｙを含有したＺｒＯ₂（ＹＳＺ）粉末と、有機バインダー及び有機溶媒とを混合した燃料側電極材料を押出成形して、貫通孔が軸長方向に形成された多数のチューブ状成形体を作製する。
【００３８】
この後、多数のチューブ状成形体を、導電性芯材成形体の周囲に、その側面同士が当接するように束ねて加圧成形し、導電性芯材成形体の側面に多孔質導電体の成形体が形成された扁平状の燃料側電極成形体を作製する。
【００３９】
次に、例えば、ＹＳＺ粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合した、固体電解質材料を用いてシート状成形体を作製し、このシート状成形体を、燃料側電極成形体上に、その両端間が所定間隔をおいて離間するように巻き付け、乾燥する。
【００４０】
この後、上記インターコネクタ材料を用いてシート状成形体を作製し、このシート状成形体を、露出した燃料側電極成形体の外面に積層し、燃料側電極成形体の外面に固体電解質のシート状成形体、インターコネクタのシート状成形体が積層された積層成形体を作製する。
【００４１】
次に、この積層成形体を脱バインダ処理し、酸素含有雰囲気中で１３００〜１６００℃で同時焼成し、この積層体を、例えば、ＬａＦｅＯ₃系材料と、溶媒を含有するペースト中に浸漬し、固体電解質の表面に酸素側電極成形体をディッピングにより形成し、１０００〜１３００℃で焼き付けることにより、図１の燃料電池セルを作製できる。尚、ＮｉＯを主成分とする燃料側電極２１は、発電前に還元したり、或いは発電中に還元される。
【００４２】
尚、上記方法では、一旦、導電性芯材成形体、チューブ状成形体を作製し、燃料側電極成形体を作製した後、この燃料側電極成形体の外面にシート状成形体を積層したが、例えば、サーキュライダ、マルチマニホールドダイ、フィードブロックダイを用いた押出成形機によって、導電性芯材成形体、チューブ状成形体、燃料側電極成形体の作製、シート状成形体の積層を一度に行うこともできる。
【００４３】
また、上記形態では、焼結体上に酸素側電極２５をディップ法により形成し、焼き付けて形成したが、酸素側電極２５を形成するためのシート状成形体を、固体電解質２３を形成するためのシート状成形体上に積層し、同時焼成して形成することもできる。
【００４４】
さらに、燃料側電極成形体の上面にシート状成形体を積層した例について説明したが、ディップ法により固体電解質２３、酸素側電極２５、インターコネクタ２７を形成しても良い。
【００４５】
尚、上記形態では、燃料側電極２１にインターコネクタ２７を形成したが、インターコネクタを形成せず、固体電解質２３、酸素側電極２５を全周面に形成しても良い。また、上記形態では、燃料側電極２１を内側電極としたが、酸素側電極２５を内側電極としても良い。
【００４６】
以上のように構成された燃料電池セルでは、貫通孔２１ｂ１内に、例えば水素からなる燃料ガスを供給し、酸素側電極２５側に、例えば空気を供給することにより、発電することになる。
【００４７】
そして、本発明の燃料電池セルでは、燃料側電極２１が、緻密な耐還元性セラミックスからなる導電性芯材２１ａの周囲に、軸長方向にガス通過可能な多孔質導電体２１ｂを形成して構成したため、ガスは発電に寄与しない燃料側電極２１の中心部においては流れず、固体電解質２３により近い外周部の多孔質導電体２１ｂを流れ、固体電解質２３表面へのガス供給量を増加でき、燃料側電極２１に供給されるガスを有効利用でき、発電性能を向上できる。
【００４８】
また、発電電流は、インターコネクタ２７、燃料側電極２１の多孔質導電体２１ｂ、導電性芯材２１ａ、インターコネクタ２７に対向して形成された酸素側電極２５を流れるため、電流が対向する電極間を直線的に流れて電流経路を短くでき、燃料電池セルにおける内部抵抗を小さくでき、電圧勾配を小さくすることができる。
【００４９】
さらに、燃料側電極２１の多孔質導電体２１ｂに形成された貫通孔２１ｂ１に水素等の還元ガスを分散させて流すことができるため、燃料側電極２１の多孔質導電体２１ｂの還元が確実にかつ短時間になされ、燃料側電極２１の電子伝導度を短時間でかつ確実に向上でき、発電性能を十分に発揮することができる。また、燃料側電極２１の中心部の導電性芯材２１ａは耐還元性セラミックスからなるため、多孔質導電体２１ｂの還元処理時に還元することなく優れた導電性を有することができる。
【００５０】
また、燃料側電極２１が、導電性芯材２１ａの周囲に多孔質導電体２１ｂを形成して構成されるため、燃料側電極２１の強度を向上できる。
【００５１】
本発明のセルスタックは、図３に示すように、上記した燃料電池セル３３が複数集合してなり、一方の燃料電池セル３３と他方の燃料電池セル３３との間に、金属フェルト及び／又は金属板からなる集電部材３５を介在させ、一方の燃料電池セル３３の燃料側電極２１を、該燃料側電極２１に設けられたインターコネクタ２７、集電部材３５を介して他方の燃料電池セル３３の酸素側電極２５に電気的に接続して構成されている。集電部材３５は、耐熱性、耐酸化性、電気伝導性という点から、Ｐｔ、Ａｇ、Ｎｉ基合金、Ｆｅ−Ｃｒ鋼合金の少なくとも一種からなることが望ましい。
【００５２】
セルスタックは、複数の燃料電池セル３３を３列に整列させ、隣設した２列の最外部の燃料電池セル３３の電極同士が導電部材４１で接続され、これにより３列に整列した複数の燃料電池セル３３が電気的に直列に接続している。
【００５３】
本発明の燃料電池は、図３のセルスタックを収納容器内に収容して構成されている。
【００５４】
尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。
【００５５】
【発明の効果】
本発明の燃料電池は、内側電極が、緻密な耐還元性セラミックスからなる導電性芯材の周囲に、軸長方向にガス通過可能な多孔質導電体を形成してなるため、ガスは内側電極の中心部においては流れず、固体電解質により近い外周部の多孔質導電体を流れ、固体電解質表面へのガス供給量を増加でき、内側電極に供給されるガスを有効利用でき、発電性能を向上できるとともに、発電電流は内側電極の多孔質導電体、導電性芯材を流れることができるため、電流経路を短くでき、内部抵抗を小さくでき、電圧勾配を小さくすることができる。
【００５６】
また、内側電極が水素等が流れる側に形成された燃料側電極である場合、内側電極の多孔質導電体の還元が確実にかつ短時間になされ、内側電極の電子伝導度を短時間でかつ確実に向上でき、発電性能を十分に発揮することができるとともに、内側電極の中心部の導電性芯材は耐還元性セラミックスからなるため、多孔質導電体を還元処理しても還元することなく優れた導電性を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池セルを示す斜視図である。
【図２】図１を拡大して示す断面図である。
【図３】本発明のセルスタックを示す横断面図である。
【図４】従来のセルスタックを示す横断面図である。
【図５】従来の固体電解質型燃料電池セルを示す斜視図である。
【符号の説明】
２１・・・燃料側電極（内側電極）
２１ａ・・・導電性芯材
２１ｂ・・・多孔質導電体
２１ｂ１・・・貫通孔
２３・・・固体電解質
２５・・・酸素側電極（外側電極）
２７・・・インターコネクタ
３３・・・燃料電池セル

Claims

内側電極の外面に、固体電解質、外側電極を順次形成してなるとともに、前記固体電解質及び前記外側電極が形成されていない前記内側電極の表面にインターコネクタを形成し、前記固体電解質及び前記インターコネクタにより、前記内側電極に供給されるガスと前記外側電極に供給されるガスとが遮断されている燃料電池セルであって、前記内側電極が、セラミックスからなる中実状の導電性芯材の周囲に、軸長方向にガス通過可能な多孔質導電体を形成してなることを特徴とする燃料電池セル。
前記多孔質導電体は、多数の貫通孔が軸長方向に形成されたハニカム状であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池セル。
前記導電性芯材が前記インターコネクタと同一材料からなることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池セル。
前記導電性芯材がＬａＣｒＯ_３系材料からなることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池セル。
前記内側電極が扁平状であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の燃料電池セル。
請求項１乃至５のうちいずれかに記載の燃料電池セルが複数集合してなることを特徴とするセルスタック。
請求項１乃至５のうちいずれかに記載の燃料電池セルを複数収納容器内に収容してなることを特徴とする燃料電池。