JP4099330B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池に関し、更に詳細にはメタン等の燃料ガスと酸素とを含む混合ガスが供給される燃料電池用セルが用いられた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、火力発電等の発電効率に比較して、高効率の発電効率が期待できるため、現在、多くの研究がなされている。
かかる燃料電池には、図５に示す様に、イットリア（Ｙ₂Ｏ₃）が添加された安定化ジルコニアから成る焼成体を酸素イオン伝導型の固体電解質層１００として用い、この固体電解質層１００の一面側にカソード層１０２が形成されていると共に、固体電解質層１００の他面側にアノード層１０４が形成された燃料電池用セル１０６が配設されている。
この燃料電池用セル１０６のカソード層１０２側には、酸素又は酸素含有気体が供給される。他方のアノード層１０４側には、メタン等の燃料ガスが供給される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
かかる図５に示す燃料電池用セル１０６のカソード層１０２側に供給された酸素（Ｏ₂）は、カソード層１０２と固体電解質層１００との境界で酸素イオン（Ｏ^2-）にイオン化され、この酸素イオン（Ｏ^2-）は、固体電解質層１００によってアノード層１０４に伝導される。アノード層１０４に伝導された酸素イオン（Ｏ^2-）は、アノード層１０４に供給されたメタン（ＣＨ₄）ガスと反応し、水（Ｈ₂Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、水素（Ｈ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）が生成される。かかる反応の際に、酸素イオンが電子を放出するため、カソード層１０２とアノード層１０４との間に電位差が生じる。このため、カソ−ド層１０２とアノード層１０４を取出線１０８によって電気的に接続することにより、アノード層１０４の電子はカソード層１０２の方向（矢印の方向）に取出線１０８を流れ、燃料電池から電気を取り出すことができる。
尚、かかる図５に示す燃料電池の作動温度は、約１０００℃である。
【０００４】
しかし、図５に示す燃料電池用セル１０６は、約１０００℃もの高温下で、カソード層１０２側は酸化性雰囲気に晒されていると共に、アノード層１０４側は還元性雰囲気に晒されているため、燃料電池用セル１０６の耐久性を向上することは困難であった。
一方、SCIENCE，Vol.288（2000），p2031-2033には、図６に示す様に、固体電解質層１００の両面側にカソード層１０２とアノード層１０４とが形成された燃料電池用セル１０６を、メタンガスと酸素とが混合された混合ガス雰囲気内に載置しても、燃料電池用セル１０６には起電力が発生することが報告されている。
この様に、燃料電池用セル１０６を混合ガス雰囲気内に載置することによって、燃料電池用セル１０６の全体を実質的に同一雰囲気とすることができ、両面の各々を異なる雰囲気に晒す図５に示す燃料電池用セル１０６に比較して、その耐久性の向上を図ることができる。
しかしながら、図６に示す燃料電池では、単一の燃料電池用セル（以下、単一燃料電池用セルと称することがある）１０６が容器２００内に収容されているため、燃料電池から取り出すことのできる電圧及び電流は不充分である。
【０００５】
このため、燃料電池から所望の電圧及び電流を取り出すには、図７に示す様に、複数個の単一燃料電池用セル１０６，１０６・・が積層された多層燃料電池用セルを使用し、単一燃料電池用セル１０６，１０６・・を電気的に直列及び／又は並列に接続する。
しかし、多層燃料電池用セルを構成する単一燃料電池用セル１０６の各々は、ガス流路３０２，３０２・・が複雑に形成されたセパレータ３００によって分離されており、燃料電池の構造等を複雑化している。
しかも、この様に構造等が複雑化した燃料電池では、その作動温度における各部材の熱膨張率等のマッチングを図ることが困難であり、各部材に加えられる熱ストレスの影響が大きくなり易い。
そこで、本発明の課題は、供給されたメタン等の燃料ガスと酸素とを含む混合ガスを用い、簡単な構造で所望の電圧及び電流を取り出し得る燃料電池を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、前記課題を解決するには、図６に示す燃料電池に用いた複数個の単一燃料電池用セル１０６を電気的に並列となるように接続して形成した多層燃料電池用セルを用いた燃料電池によれば、多層燃料電池用セル及び燃料電池の構造を簡単化でき、所望の電圧及び電流を取り出すことができることを見出し、本発明に到達した。
すなわち，本発明は、メタン等の燃料ガスと酸素とを含む混合ガスが供給される燃料電池用セルが用いられた燃料電池であって、前記燃料電池用セルとして、前記混合ガスが透過し得ない緻密構造の固体電解質層がカソード層とアノード層とに挟み込まれて複数個の単一燃料電池用セルが形成されていると共に、前記単一燃料電池用セルの各々が隣接する単一燃料電池用セルとの間に絶縁層が配設されて電気的に並列に接続された多層燃料電池用セルが使用され、且つ前記混合ガスが供給される筒状体内に、前記混合ガスが通過可能な多孔層に形成されたカソード層、アノード層及び絶縁層の各々が混合ガスの流動方向に対して平行方向となるように、前記多層燃料電池用セルが配設されていると共に、前記多層燃料電池用セルを構成する最外層の絶縁層が、前記混合ガスが多層燃料電池用セルをバイパスすることを防止できるように、前記筒状体の内壁面に接合されていることを特徴とする燃料電池にある。
【０００７】
かかる本発明において、燃料電池用セルとして、混合ガスが透過し得ない緻密構造の固体電解質層がカソード層とアノード層とに挟み込まれて成る複数の単一燃料電池用セルが電気的に直列に接続されて複数個の直列燃料電池用セルが形成されていると共に、前記直列燃料電池用セルの各々が隣接する直列燃料電池用セルとの間に絶縁層が配設されて電気 的に並列に接続された多層燃料電池用セルを使用することによって、単一燃料電池用セル単独よりも大きな電流量及び電圧を取り出すことができる。
また、単一燃料電池用セル又は直列燃料電池用セルが電気的に並列に接続されるように、前記セルの外方に延出されたカソード層同士及びアノード層同士の端部が電気的に接続することによって、単一燃料電池用セル又は直列燃料電池用セルを容易に電気的に並列接合できる。
【０００８】
本発明に係る燃料電池によれば、使用する多層燃料電池用セルは、混合ガスが透過し得ない固体電解質層が、混合ガスが透過し得る多孔層のカソード層とアノード層とに挟み込まれて形成された、複数個の単一燃料電池用セルを、隣接する単一燃料電池用セルとの間に混合ガスが透過し得る多孔層の絶縁層を配設して電気的に並列に接続することによって、単一燃料電池用セル単独よりも大きな電流量を取出すことができる。
また、多層燃料電池用セルとして、混合ガスが透過し得ない緻密構造の固体電解質層がカソード層とアノード層とに挟み込まれて成る複数の単一燃料電池用セルが電気的に直列に接続されて複数個の直列燃料電池用セルが形成されていると共に、直列燃料電池用セルの各々が隣接する直列燃料電池用セルとの間に絶縁層が配設されて電気的に並列に接続された多層燃料電池用セルを用いることによって、単一燃料電池用セル単独よりも大きな電流量及び電圧を取り出すことができる。
更に、供給された混合ガスの流動方向に対して平行方向となるように、筒状体内に多層燃料電池用セルを配設し、その際に、多層燃料電池用セルの最外層を構成する多孔層の絶縁層が筒状体の内壁面と接合するように多層燃料電池用セルを配設することによって、多層燃料電池用セルをバイパスする混合ガスを防止できる。
かかる本発明に係る燃料電池では、燃料電池の作動温度における各部材の熱膨張率のマッチングを図ることも比較的容易となり、各部材に加えられる熱ストレスの影響を可及的に軽減できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る燃料電池の一例を図１（ａ）（ｂ）に示す。図１（ａ）は、本発明に係る燃料電池の一例を説明するための概略断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す燃料電池の接続状況を説明する説明図である。
図１（ａ）に示す燃料電池では、燃料電池用セル１０は、その側面を形成する最外層の絶縁層１８を介して筒状体２２の内壁面に接合されて収容されている。このため、筒状体２２内に矢印Ａ方向から供給されるメタン等の燃料ガスと酸素とを含む混合ガスが、燃料電池用セル１０をバイパスすることを防止できる。
かかる燃料電池用セル１０は、固体電解質層１２がカソード層１４とアノード層１６とに挟み込まれて形成された単一燃料電池用セル２０，２０，２０から形成され、隣接する単一燃料電池用セル２０との間には、絶縁層１８が配設されている。
この単一燃料電池用セル２０，２０，２０は、図１（ｂ）に示す様に、電気的に並列に接続されている。すなわち、図１（ａ）に示す様に、カソード層１４，１４，１４が取出線２４ａに接続され、アノード層１６，１６，１６が取出線２４ｂに接続されて筒状体２２の外側に引き出される。
この際に、取出線２４ａ，２４ｂに接続されるカソード層１４及びアノード層１６を、図１（ａ）に示す様に、燃料電池用セル１０の外方に延出しておくことにより、取出線２４ａ，２４ｂとの接続を容易に行うことができる。
【００１０】
図１に示す燃料電池では、供給された混合ガスの流動方向に対して燃料電池用セル１０を形成する各層が平行方向に配設されている。かかる燃料電池用セル１０を構成する各単一燃料電池用セル２０で起電力が発生するには、単一燃料電池用セル２０を形成するカソード層１４に、供給された混合ガス中の酸素（Ｏ₂）が拡散することが必要である。
更に、固体電解質層１２によってアノード層１６に伝導された酸素イオン（Ｏ^2-）がアノード層１６に供給された混合ガス中のメタン（ＣＨ₄）等の燃料ガスと電気化学的に反応し、生成された水（Ｈ₂Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、水素（Ｈ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）等がアノード層１６を拡散して除去されることも必要である。
このため、混合ガスの流動方向に対して燃料電池用セル１０の各層が平行方向に配設されている図１（ａ）に示す燃料電池では、供給された混合ガスが燃料電池用セル１０を形成する各層に対して平行方向に流動することを要し、カソード層１４、アノード層１６及び絶縁層１８の各々は、混合ガスが通過し得る多孔層に形成されている。このカソード層１４、アノード層１６及び絶縁層１８の各々の気孔率は、２０％以上、更に３０〜７０％、特に４０〜５０％とすることが好ましく、更に絶縁層１８の気孔率をカソード層１４及びアノード層１６よりも高くすることが好ましい。
一方、固体電解室層１２は、カソード層１４、アノード層１６及び絶縁層１８の各々が多孔層に形成されているため、混合ガスが通過し得ない緻密層に形成されている。
【００１１】
図１（ａ）に示す燃料電池用セル１０を形成する固体電解質層１２は、酸素イオン誘導体であって、イットリウム（Ｙ）やスカンジウム（Ｓｃ）等の周期律表第３族元素により部分安定化されたジルコニア酸化物、或いはサマリウム（Ｓｍ）やガドリウム（Ｇｄ）等がドープされたセリウム酸化物によって形成される。
更に、カソード層１４は、ストロンチウム（Ｓｒ）等の周期律表第３族元素が添加されたランタンのマンガン、ガリウム又はコバルト酸化化合物から形成され、アノード層１６は、固体電解質層１２を形成する固体電解質が１０〜３０wt％添加されたニッケルサーメット又は白金担持体によって形成されている。
また、絶縁層１８は、電気絶縁性を有するアルミナセラミックやフォルステライトセラミック等の材料で形成でき、特に接合する単一燃料電池用セル２０を形成するカソード層１４及びアノード層１６に近似した熱膨張係数の材料で形成されていることが好ましい。
かかる燃料電池用セル１０を形成する際には、固体電解質層１２を緻密構造とする場合には、予め焼成して形成した固体電解質層１２に、所定形状の各層用のグリーンシートを積層した後、又は各層用のペーストを所定形状に塗布した後、固体電解質層１２の緻密構造を維持でき且つその他の層が多孔層を形成し得る条件下で再焼成することによって得ることができる。
或いは、予め焼成して形成した単一燃料電池用セル２０，２０・・を、絶縁層１８を形成するグリーンシートを介して積層し、固体電解質層１２の緻密構造を維持でき且つ絶縁層１８が多孔層となり得る条件下で焼成して一体化することによっても、燃料電池用セル１０を得ることができる。
得られた燃料電池用セル１０は、その最外層の絶縁層１８，１８の側面を筒状体２２の内壁面に密着させて収容して燃料電池とする。
尚、固体電解質層１２、カソード層１４、アノード層１６及び絶縁層１８の全層が多孔層の燃料電池用セル１０を形成するには、所定形状に形成した各層のグリーンシートを積層した積層体を同時焼成することによって得ることができ、予め焼成して形成した固体電解質層１２に、所定形状の各層用のグリーンシートを積層した後、又は各層用のペーストを所定形状に塗布した後、再焼成することによって燃料電池用セル１０を得る場合に比較して、製造コスト等を安価とすることができる。
【００１２】
得られた燃料電池を駆動温度まで昇温した後、図１（ａ）に示す様に、燃料電池用セル１０を形成する各層に対して平行方向から混合ガスを供給すると、供給された混合ガスは、単一燃料電池用セル２０，２０・・の各々を形成する多孔層のカソード層１４、アノード層１６及び絶縁層１８に沿って流動する。その際に、混合ガス中の酸素（Ｏ₂）は、カソード層１４と固体電解質層１２との境界で酸素イオン（Ｏ^2-）にイオン化され、この酸素イオン（Ｏ^2-）は、固体電解質層１２によってアノード層１６に伝導される。アノード層１６に伝導された酸素イオン（Ｏ^2-）は、アノード層１６を通過する混合ガス中のメタン（ＣＨ₄）等の燃料ガスと電気化学的に反応し、水（Ｈ₂Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、水素（Ｈ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）等の反応ガスが生成される。この反応ガスは、アノード層１６を流動する混合ガスの流動方向に移動し、燃料電池用セル１０から排出される。
かかる電気化学的な反応の際に、酸素イオンが電子を放出するため、カソード層１４とアノード層１６との間に電位差が生じる。
この電位差は、単一燃料電池用セル２０，２０・・の各カソード層１４とアノード層１６との間に生じるため、各カソード層１４同士を接続した取出線２４ａと、各アノード層１６同士を接続した取出線２４ｂとにより、燃料電池から電気を取出すことができる。
かかる取出線２４ａ，２４ｂにより、単一燃料電池用セル２０，２０・・は、図１（ｂ）に示す様に、電気的に並列に接続されている。このため、単一燃料電池用セル２０，２０・・の各々の電圧及び電流が等しく、電圧をｖボルトとし電流をｉアンペアとすると、燃料電池から取出される電圧Ｖはｖボルトであるが、電流Ｉはｉ＋ｉ＋・・アンペアとなる。従って、図１（ａ）に示す燃料電池では、単一燃料電池用セル単独よりも大きな電流量を取出すことができる。
【００１３】
また、大きな電圧及び電流の電気を取出したい場合には、図２（ａ）に示す燃料電池を用いる。図２（ａ）に示す燃料電池の燃料電池用セル１０は、筒状体２２の内壁面に絶縁層１８を介して接合されており、燃料電池用セル１０を構成する単一燃料電池用セル２０ａ，２０ａ，２０ｂ，２０ｂは、図１（ａ）に示す単一燃料電池用セル２０と同一構成である。
但し、単一燃料電池用セル２０ａ，２０ａは、単一燃料電池用セル２０ａの一方のアノード層１６と、他方の単一燃料電池用セル２０ａのカソード層１４とが直接接合されて直列燃料電池用セル群２０Ａ（以下、単にセル群２０Ａと示すことがある）を形成する。
更に、単一燃料電池用セル２０ｂ，２０ｂも、単一燃料電池用セル２０ｂの一方のアノード層１６と、他方の単一燃料電池用セル２０ｂのカソード層１４とが直接接合されて直列燃料電池用セル群２０Ｂ（以下、単にセル群２０Ｂと示すことがある）を形成する。
かかるセル群２０Ａとセル群２０Ｂとは、絶縁層１８を介して接合されて一体化されており、セル群２０Ａ，２０Ｂの絶縁層１８に接合された最外層のカソード層１４，１４が取出線２４ａに接合され、セル群２０Ａ，２０Ｂの最外層に位置するアノード層１６，１６が取出線２４ｂに接合されている。
図２（ａ）に示す燃料電池用セル１０においても、取出線２４ａ，２４ｂに接続されるカソード層１４及びアノード層１６を、図２（ａ）に示す様に、燃料電池用セル１０の外方に延出しておくことにより、取出線２４ａ，２４ｂとの接続を容易に行うことができる。
【００１４】
かかる図２（ａ）に示す燃料電池は、図２（ｂ）に示す様に、単一燃料電池用セル２０ａ，２０ａが電気的に直列に接続されたセル群２０Ａと、単一燃料電池用セル２０ｂ，２０ｂが電気的に直列に接続されたセル群２０Ｂとが、電気的に並列に接続されている。このため、単一燃料電池用セル２０ａ，２０ａ，２０ｂ，２０ｂの各々の電圧及び電流が等しく、電圧をｖボルトとし電流をｉアンペアとすると、燃料電池から取出される電圧Ｖは２ｖボルトとなり、電流Ｉも２ｉアンペアとなる。従って、図２（ａ）に示す燃料電池では、単一燃料電池用セル単独よりも大きな電流量及び電圧を取出すことができる。
【００１５】
図１（ａ）及び図２（ｂ）に示す燃料電池に用いた燃料電池用セル１０では、供給された混合ガスの流動方向に対して平行方向となるように各層を配設したが、混合ガスの流動方向に対して直交方向となるように各層を配設した燃料電池用セル１０を用いた燃料電池を、参考のために図３（ａ）（ｂ）に示す。
図３（ａ）（ｂ）に示す参考例としての燃料電池は、矢印Ａ方向から供給された混合ガスが、混合ガスの流動方向に対して直交方向に配設された燃料電池用セル１０の各層を通過することが必要であるため、燃料電池用セル１０を形成する固体電解質層１２、カソード層１４、アノード層１６及び絶縁層１８の各層は、混合ガスが通過可能な多孔層である。
かかる多孔層の燃料電池用セル１０は、所定形状に形成した各層のグリーンシートを積層した積層体を同時焼成することによって得ることができる。
尚、燃料電池用セル１０を形成する各層の組成等は、図１（ａ）及び図２（ａ）に示す燃料電池用セル１０と同一であり、詳細な説明を省略する。
【００１６】
図３（ａ）に示す参考例としての燃料電池の燃料電池用セル１０は、固体電解質層１２がカソード層１４とアノード層１６とに挟み込まれて形成された三個の単一燃料電池用セル２０，２０，２０から形成され、隣接する単一燃料電池用セル２０との間には、絶縁層１８が配設されている。
かかる燃料電池用セル１０は、カソード層１４同士が取出線２４ａに接続され、アノード層１６同士が取出線２４ｂに接続されているため、単一燃料電池用セル２０，２０，２０が電気的に並列に接合されたものである。
また、図３（ｂ）に示す参考例としての燃料電池の燃料電池用セル１０は、単一燃料電池用セル２０ａ，２０ａが直接接合され、直列燃料電池用セル群２０Ａ（以下、単にセル群２０Ａと示すことがある）を形成し、単一燃料電池用セル２０ｂ，２０ｂも、直接接合されて直列燃料電池用セル群２０Ｂ（以下、単にセル群２０Ｂと示すことがある）を形成する。
かかるセル群２０Ａとセル群２０Ｂとは、絶縁層１８を介して接合されて一体化されており、セル群２０Ａ，２０Ｂの絶縁層１８に接合された最外層のカソード層１４，１４が取出線２４ａに接合され、セル群２０Ａ，２０Ｂの最外層に位置するアノード層１６，１６が取出線２４ｂに接合されている。このため、セル群２０Ａ，２０Ｂは、図２（ｂ）に示すように、電気的に並列に接合されたものである。
【００１７】
図１〜図３に示す燃料電池の燃料電池用セル１０を形成する絶縁層１８では、微細孔が形成された多孔質のセラミック層を用いていたが、図４に示す様に、緻密なセラミック板に複数個の孔２６，２６・・が穿設された絶縁層１８を用いてもよい。
また、筒状体２２と燃料電池用セル１０とを同時焼成して形成してもよい。この様に、両者を同時焼成して形成することにより、筒状体２２の内壁面と燃料電池用セル１０の外周面との密着を容易に行うことができる。
更に、図１〜図４に示す燃料電池に供給する混合ガスとしては、メタンの他に、水素ガス、エタン，プロパン等の可燃性ガスと空気とを混合した混合ガスを好適に用いることができ、通常、可燃性ガスの酸素に対する濃度を爆発限界以上の濃度に調整して容器２０内に供給する。
【００１８】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池によれば、供給されたメタン等の燃料ガスと酸素とを含む混合ガスを用い、簡単な構造で所望の電圧及び電流を取り出すことができる。このため、燃料電池を小型化でき、家庭用等にも用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る燃料電池の一例を説明する概略断面図及び説明図である。
【図２】 本発明に係る燃料電池の他の例を説明する概略断面図及び説明図である。
【図３】 参考例としての燃料電池の一例を説明する概略断面図である。
【図４】 本発明に係る燃料電池に用いる絶縁層の他の例を説明する部分斜視図である。
【図５】 従来の燃料電池の概略を説明するための概略図である。
【図６】 改良された燃料電池の概略を説明するため概略図である。
【図７】 従来の多層燃料電池用セルを説明するための斜視図である。
【符号の説明】
１０ 燃料電池用セル
１２ 固体電解質層
１４ カソード層
１６ アノード層
１８ 絶縁層
２０Ａ，２０Ｂ 直列燃料電池用セル群
２０，２０ａ，２０ｂ 単一燃料電池用セル
２２ 筒状体

Claims (3)

1. メタン等の燃料ガスと酸素とを含む混合ガスが供給される燃料電池用セルが用いられた燃料電池であって、
   前記燃料電池用セルとして、前記混合ガスが透過し得ない緻密構造の固体電解質層がカソード層とアノード層とに挟み込まれて複数個の単一燃料電池用セルが形成されていると共に、前記単一燃料電池用セルの各々が隣接する単一燃料電池用セルとの間に絶縁層が配設されて電気的に並列に接続された多層燃料電池用セルが使用され、
   且つ前記混合ガスが供給される筒状体内に、前記混合ガスが通過可能な多孔層に形成されたカソード層、アノード層及び絶縁層の各々が混合ガスの流動方向に対して平行方向となるように、前記多層燃料電池用セルが配設されていると共に、
   前記多層燃料電池用セルを構成する最外層の絶縁層が、前記混合ガスが多層燃料電池用セルをバイパスすることを防止できるように、前記筒状体の内壁面に接合されていることを特徴とする燃料電池。
2. 燃料電池用セルとして、混合ガスが透過し得ない緻密構造の固体電解質層がカソード層とアノード層とに挟み込まれて成る複数の単一燃料電池用セルが電気的に直列に接続されている複数個の直列燃料電池用セルが形成されていると共に、前記直列燃料電池用セルの各々が隣接する直列燃料電池用セルとの間に絶縁層が配設されて電気的に並列に接続された多層燃料電池用セルが使用されている請求項１記載の燃料電池。
3. 単一燃料電池用セル又は直列燃料電池用セルが電気的に並列に接続されるように、前記セルの外方に延出されたカソード層同士及びアノード層同士の端部が接続されている請求項１又は請求項２項記載の燃料電池。

Images