JP4557578B2 - 燃料電池セル及びセルスタック並びに燃料電池 - Google Patents
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Description
燃料極: O2− (固体電解質)+H2 → H2O+2e− …(2)
かかる発電によって生成した電流は、支持基板31に取り付けられているインターコネクタ35を介して集電される。
上記のような構造を有する本発明の燃料電池セル30において、支持基板31は、燃料ガスを燃料極まで透過させるためにガス透過性であること、及びインターコネクタを介しての集電を行うために導電性であることが要求されるが、このような要求を満たすと同時に、同時焼成により生じる不都合を回避するために、Ni金属成分とY2O3、Yb2O3などの希土類酸化物とから支持基板31を構成する。
本発明において、燃料極層32は、前述した式(2)の電極反応を生じせしめるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスから形成される。例えば、希土類元素が固溶しているZrO2と、Ni及び/またはNiOとから形成される。この希土類元素が固溶しているZrO2(安定化ジルコニア)としては、以下に述べる固体電解質層33の形成に使用されているものと同様のものを用いるのがよい。
この燃料極層32上に設けられている固体電解質層33は、一般に3〜15モル%の希土類元素が固溶したZrO2(通常、安定化ジルコニア)と呼ばれる緻密質なセラミックスから形成されている。希土類元素としては、Sc,Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luを例示することができるが、安価であるという点からY、Yb、Scが望ましい。
酸素極34は、所謂ABO3型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成される。かかるペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、特にAサイトにLaを有するLaMnO3系酸化物、LaFeO3系酸化物、LaCoO3系酸化物の少なくとも1種が好適であり、600〜1000℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からLaFeO3系酸化物が特に好適である。尚、上記ペロブスカイト型酸化物においては、AサイトにLaと共にSrなどが存在していてもよいし、さらにBサイトには、FeとともにCoやMnが存在していてもよい。
上記の酸素極34に対面する位置において、支持基板31上に接合層36を介して設けられているインターコネクタ35は、導電性セラミックスからなるが、燃料ガス(水素)及び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ことが必要である。このため、かかる導電性セラミックスとしては、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO3系酸化物)が使用される。また、支持基板31の内部を通る燃料ガス及び支持基板31の外部を通る酸素含有ガスのリークを防止するため、かかる導電性セラミックスは緻密質でなければならず、例えば93%以上、特に95%以上の相対密度を有していることが好適である。
接合層36は前記支持基板31と前記インターコネクタ35を接着させる層であり、Ni金属及び/又はNi金属の酸化物と希土類で安定化したジルコニアからなり、燃料極層32と同一成分で、類似する組成から構成されており、接合層36中の安定化ジルコニア含量は、35乃至45体積%の範囲にあるのが好ましく、またNi或いはNiO含量は、65乃至55体積%であるのがよい。燃料極層32の熱膨張係数より接合層36の熱膨張係数の方が大きくすることで、インターコネクタ35と接合層36との熱膨張差を小さくすることができるため、インターコネクタ35のクラック発生、インターコネクタ35の支持基板31からの剥離を抑えることができるからである。
前記固体電解質33と、前記酸素極34との間に拡散防止層37を有する。拡散防止層37は、(CeO 2 )1−x(SmO1.5)x(0<x≦0.3)の一般式で表わされるSmが固溶したCeO2からなる複合酸化物であることが好ましい。特に、電気抵抗を低減するという点から、一般式中のxが、0.1≦x≦0.2で表される組成のSm2O3が固溶したCeO2からなることが望ましい。さらに、これに拡散を遮断または抑制する効果を高くするために、他の希土類元素の酸化物を含有するものであっても良い。
以上のような構造を有する燃料電池セルは、以下のようにして製造される。
31・・・支持基板
32・・・燃料極層
33・・・固体電解質層
34・・・酸素極層
31a・・・燃料ガス通路
35・・・インターコネクタ
A・・・発電部
B・・・非発電部
Claims (5)
- 鉄族金属成分および希土類酸化物からなり、内部に長手方向に貫通する燃料ガス通路を有するとともに、互いに平行な一対の平坦面を有する支持基板の一方側主面上に、鉄族金属成分および希土類元素が固溶しているZrO 2 からなる燃料極層、希土類元素が固溶したZrO 2 からなる固体電解質層および酸素極が積層され、他方側主面上にインターコネクタが積層された発電部を備えてなる中空平板状の燃料電池セルであって、
長手方向における両端部のうち少なくとも一方の端部が、前記支持基板の周囲を取り囲むように、前記燃料極層および前記固体電解質層がこの順に積層され、前記酸素極が積層されていない非発電部とされていることを特徴とする燃料電池セル。 - 前記燃料電池セルの長手方向の一方側端近傍で発電に使用されなかった前記燃料ガスを燃焼させるとともに、前記一方側端部が前記非発電部とされていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池セル。
- 前記燃料電池セルの長手方向の他方側端部が、前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するためのマニホールドに接合されるとともに、前記他方側端部が前記非発電部とされていることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池セル。
- 請求項3に記載の複数の前記燃料電池セルの前記他方側端部が前記マニホールドにそれぞれ接合されているとともに、前記燃料電池セル間が集電部材により電気的に接続されていることを特徴とするセルスタック。
- 請求項4に記載のセルスタックを収納容器内に収納してなることを特徴とする燃料電池。
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