JP4583107B2

JP4583107B2 - 固体酸化物形燃料電池スタック

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Publication number: JP4583107B2
Application number: JP2004239217A
Authority: JP
Inventors: 邦聡芳片; 宏年坂元; 豪一三上
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2004-08-19
Filing date: 2004-08-19
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2024-08-19
Also published as: JP2006059621A

Description

本発明は、固体電解質（酸化物）を用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のスタック構造に関し、より詳しくは、固体電解質の酸素イオン伝導性を利用し、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガス中で安定的に発電する固体酸化物形燃料電池スタックに関するものである。

従来、固体酸化物形燃料電池スタックは、平板型と円筒型に大別される。

平板型においては、板状の電解質の一方の面に燃料極を形成し他方の面に空気極を形成した単電池セルを、集電部及びガス流路を形成したセパレーターを介して、複数個積層した構造である。前記セパレーターにより、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離するが、両極の仕切りが十分にシールされていないとガスのリークが発生し電圧低下と伴い、性能が低下する。そのため、単電池セルとセパレーターとの間にガスシールを施している。このガスシールは、種々の材質からなるセルの構成要素に圧力をかけることにより施されるため、セルがスタックの作製時や、使用時における振動又は熱サイクルなどにより破損が生じやすい欠点があり、実用化に課題を有している（特許文献１〜４等）。

また、円筒型には、円筒縦縞型、円筒横縞型などがある。これらは円筒状の電解質を介して燃料極及び空気極を構成した単電池セルであり、円筒単位ごとにインターコネクタにて接続する構造となっている。この特徴としては、平板型で必要とされるセパレーターが必要ない。しかし、平板型セルに比べて更に構造が複雑であるために製造プロセスが複雑になり、製造コストが高くなるという欠点がある。また、円形であるため、空気極への電子の流れが最大距離として単セル管断面を半周するので、電流の経路が長くなりオーム損を生じやすい構造であるため、発電容量が小さくなるという欠点もある（特許文献５等）。
特開平０５−００３０４５号公報特開平０８−０４５５３４号公報特開平０９−２７０２６３号公報特開平０６−２７５３０６号公報特開平０５−０９４８３０号公報

そこで、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離するセパレーターが必要なく、ガス流路も複雑にならず、簡素な構造とすることができる固体酸化物形燃料電池スタックを提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックは、電解質の少なくとも一方の面に形成された燃料極及び空気極からなる電極対を備えていて、燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスにより発電する複数の固体酸化物形燃料電池と、前記電極対から集電する集電部を介して導通接続された一対の第１インターコネクタであって、当該一対の第１インターコネクタと前記各固体酸化物形燃料電池間の間隙とで前記混合ガスの流路となる空間を形成するように前記固体酸化物形燃料電池を複数段支持している前記一対の第１インターコネクタと、を備え、前記一対の第１インターコネクタは、対向する面において平行に延びる複数の溝部を有しており、前記溝部に前記固体酸化物形燃料電池の側辺が嵌入されることにより、前記固体酸化物形燃料電池が集電部を介して前記第１インターコネクタと電気的に接続されている。

また、前記固体酸化物形燃料電池は基板をさらに備え、前記基板の少なくとも一方の面に、前記電解質、及び電極対が形成されていることが好ましい。

さらにまた、前記電解質に、前記電極対が複数形成されており、その隣り合う電極対の燃料極と空気極とを第２インターコネクタにより導通接続することもできる。

また、少なくとも一対の混合ガス供給口及び混合ガス排気口を備えていることが好ましい。

本発明によれば、セパレーターやガスシールを必要とせず、スタック構造を大幅に簡素化することができる。また、固体酸化物形燃料電池が基板を備えることにより、機械強度を向上させることができる。

また、第１インターコネクタの溝部に固体酸化物形燃料電池を差し込むことにより、スタック構造を形成しているため、各固体酸化物形燃料電池は第１インターコネクタに固定されず、各々の固体酸化物形燃料電池の交換が可能となる。

さらに、電極対を複数具備し、第２インターコネクタにより接続することで、より高い出力を得ることができる。また、各固体酸化物形燃料電池間に空間を形成することによって、混合ガスの流路を形成することができる。

以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタック構造を概略的に示す斜視図、図２は正面図である。図１及び図２に示すように本発明の固体酸化物形燃料電池スタック構造は、複数の固体酸化物形燃料電池１と、一対の第１インターコネクタ１１とを備えている。ここで各第１インターコネクタ１１は、内側に平行に延びる複数の溝部が形成されている。この溝部に固体酸化物形燃料電池１のそれぞれの両側辺を嵌入させることにより、各固体酸化物形燃料電池１…１は、間隔をあけて互いに平行に複数段支持されている。各燃料電池１間の隙間が、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスの流路となる。

図３は固体酸化物形燃料電池１の平面図、図４は正面図をそれぞれ示している。図３に示すように、各固体酸化物形燃料電池１は、板状に形成された電解質７と、この電解質７上に形成された燃料極３及び空気極５からなる電極対Ｅの複数個とを備えている。燃料極３及び空気極５は、第１インターコネクタ１１間において一方向に所定間隔で交互に形成されている。

そして、図４に示すように、隣り合う電極対Ｅの燃料極３と空気極５とが第２インターコネクタ９によって接続されている。また、両端に形成された燃料極３及び空気極５と接続された集電部１３が、第１インターコネクタ１１の溝部に嵌入されることにより圧着されて電気的に接続されている。こうして第１インターコネクタ１１を介して、複数段の固体酸化物形燃料電池１が互いに電気的に接続されるようになっている。

次に、上記のように構成された燃料電池の材質について説明する。電解質７の材料としては、固体酸化物形燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。電解質７は、基板として用いられるため、ある程度の強度が必要であることから、その厚みは、例えば２００〜１０００μｍであることが好ましい。

燃料極３及び空気極５は、セラミックス粉末材料から形成することができる。このとき用いられる粉末の平均粒径は、好ましくは１０ｎｍ〜１００μｍであり、さらに好ましくは５０ｎｍ〜５０μｍであり、特に好ましくは１００ｎｍ〜１０μｍである。なお、平均粒径は、例えば、ＪＩＳＺ８９０１にしたがって計測することができる。

燃料極３は、例えば、金属触媒と酸化物イオン導電体からなるセラミックス粉末材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる金属触媒としては、ニッケル、鉄、コバルトや、貴金属（白金、ルテニウム、パラジウム等）等の還元性雰囲気中で安定で、水素酸化活性を有する材料を用いることができる。また、酸化物イオン導電体としては、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型構造を有するものとしては、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などを挙げることができる。また、ペロブスカイト型構造を有するものとしてはストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物を挙げることができる。上記材料の中では、酸化物イオン導電体とニッケルとの混合物で、燃料極４を形成することが好ましい。なお、酸化物イオン導電体からなるセラミックス材料とニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、ニッケルへの粉末修飾などの形態であってもよい。また、上述したセラミックス材料は、１種類を単独で、或いは２種類以上を混合して使用することができる。また、燃料極４は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。

空気極５を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型構造等を有するＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ又はＭｎ等からなる金属酸化物を用いることができる。具体的には（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ_３などをの酸化物が挙げられ、好ましくは、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３である。上述したセラミックス材料は、１種を単独で、或いは２種以上を混合して使用することができる。

また、第１、第２インターコネクタ１１，９及び集電部１３は、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ，ＳＵＳ等の導電性金属、或いは金属系材料，又はＬａ（Ｃｒ，Ｍｇ）Ｏ_３，（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ_３などのランタン・クロマイト系等の導電性セラミックス材料によって形成することができ、これらのうちの１種を単独で使用してもよいし、２種以上を混合して使用してもよい。

燃料極３及び空気極５は、上述した材料を主成分として、後述するように、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられたペーストから形成される。より詳細には、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が５０〜９５重量％となるように、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。また、第１、第２インターコネクタ１１，９及び集電部１３も、上述した材料に上記添加物を加えることにより形成される。なお、集電部１３は導電性金属、或いは金属系材料からなるワイヤーやメッシュ状のもの等から形成されていてもよい。

次に、上述した燃料電池１の製造方法を図３及び図４を参照しつつ説明する。まず、上述した材料からなる板状の電解質７を準備する。続いて、上述した燃料極３、及び空気極５用の粉末材料を主成分として、これらそれぞれにバインダー樹脂、有機溶媒などを適量加えて混練し、燃料極ペースト、及び空気極ペーストをそれぞれ作成する。各ペーストの粘度は、次に説明するスクリーン印刷法に適合するように１０^３〜１０^６ｍＰａ・ｓ程度であることが好ましい。同様に、インターコネクター用及び集電部用ペーストも、上述した粉末材料にバインダー樹脂などの添加物を加えて作成しておく。このペーストの粘度は上述した燃料極ペースト等と同じである。

続いて、図３に示す電解質７上の位置に燃料極ペーストをスクリーン印刷法により塗布した後、所定の時間及び温度で乾燥・焼結させ、複数の燃料極３を形成する。これに続いて、各燃料極３の間に、所定間隔をおいて空気極ペーストをスクリーン印刷法によって塗布し、所定時間及び温度で乾燥・焼結させることにより、複数の空気極５を形成する。このとき、燃料極３と空気極５は、上記したように一方向に交互に並ぶように形成されている。次に、隣り合う電極対Ｅの燃料極３と空気極５との間を結ぶように、インターコネクター用ペーストを線状に塗布し、乾燥・焼結させることにより第２インターコネクタ９を形成し、隣り合う電極対Ｅを導電接続する。そして、第２インターコネクタ９と同様にして左右両端の燃料極３又は空気極５に導電接続するように集電部１３を形成する。以上により、固体酸化物形燃料電池１を形成する。

次に、内側に複数の溝部が形成された、柱状の第１インターコネクタ１１を二つ準備する。続いて、複数の固体酸化物形燃料電池１を第１インターコネクタ１１の溝部に嵌入させる。このとき、集電部１３が、第１インターコネクタ１１の溝部に接触されて導電接続される。ここで、電解質７の第１インターコネクタ１１が形成されていない側面を混合ガスの供給口及び排出口とすることができる。

上記のように構成された固体酸化物形燃料電池スタック構造の各燃料電池は、それぞれ次のように発電が行われる。すなわち、第１インターコネクタ１１が形成されていない側面（供給口）から、水素、又はメタン、エタンなどの炭化水素からなる燃料ガスと、空気などの酸化剤ガスとの混合ガスを高温の状態（例えば、４００〜１０００℃）で供給する。これにより、各電極対Ｅにおける燃料極３と空気極５との間の電解質７で、酸素イオン伝導が起こり発電が行われる。

以上のように、本実施形態によれば、ガスシールを必要とせず、かつ、構造を簡素化することができる。

また、固体酸化物形燃料電池１を第１インターコネクタ１１に嵌め込むだけでスタック構造とすることができるので、製造コストを低減することができ、また、各固体酸化物形燃料電池１の取り替えが簡単に行うことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、電解質７を基板として用いているが、図５に示すように、電解質７とは別の基板１５を準備し、その上に、電解質７及び電極対Ｅを形成することもできる。このように電解質７とは別の基板を用いることで機械強度を上げることができるので、電解質７を薄膜化することができ、より高い出力を得ることができる。また、図６及び図７に示すように、基板１５上に電解質７、及び電極対Ｅからなる複数の単電池セルＣを形成することもできる。この例では、複数の単電池セルＣを基板１５上に形成し、これらを第２インターコネクタ９により接続している。

また、上記実施形態では、電解質７の一方の面にのみ燃料極３、空気極５、第２インターコネクタ９、及び集電部１３を形成しているが、電解質７の他方の面にさらにこれらを形成することもできる（図８参照）。

また、図９及び図１０に示すように、準備した集電部１３を第１インターコネクタ１１の溝部に嵌入させ、その後、固体酸化物形燃料電池１を各集電部１３間に嵌入させるように構成することもできる。このとき、固体酸化物形燃料電池１の両端に形成された燃料極３及び空気極５が集電部１３に導通接続するようになっている。

また、上記実施形態では、横方向一方向にのみ交互に燃料極３及び空気極５を形成して、並列に接続しているが、これを図１１に示すように縦方向及び横方向のいずれにも交互に配置し、直列に接続することもできる。

また、上記実施形態では、スクリーン印刷法により、各ペーストを塗布しているが、これに限定されるものではなく、ドクターブレード法、スプレーコート法、ナイフコート法、リソグラフィー法、泳動電着法、ロールコート法、ディスペンサーコート法、ＣＶＤ、ＥＶＤ、スパッタリング法、転写法等の印刷方法等、その他一般的な印刷法を用いることができる。また、印刷後の後工程として、静水圧プレス、油圧プレス、その他一般的なプレス工程を用いることができる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックの一実施形態を概略的に示す斜視図である。図１に示す固体酸化物形燃料電池スタックの正面図である。図１に示した固体酸化物形燃料電池スタックの固体酸化物形燃料電池を示す平面図である。図２に示す固体酸化物形燃料電池スタックの正面図である。本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックの他の実施形態を示す正面図である。本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックのさらに他の実施形態を示す平面図である。図６に示す固体酸化物形燃料電池スタックの正面図である。本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックのさらに他の実施形態を示す正面図である。本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックのさらに他の実施形態を示す平面図である。図９に示す固体酸化物形燃料電池スタックの正面図である。本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックのさらに他の実施形態を示す平面図である。

符号の説明

１固体酸化物形燃料電池
３燃料極
５空気極
７電解質
９第２インターコネクタ
１１第１インターコネクタ
１３集電部
１５基版

Claims

電解質の少なくとも一方の面に形成された燃料極及び空気極からなる電極対を備えていて燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスにより発電する複数の固体酸化物形燃料電池と、
前記電極対から集電する集電部を介して導通接続された一対の第１インターコネクタであって、当該一対の第１インターコネクタと前記各固体酸化物形燃料電池間の間隙とで前記混合ガスの流路となる空間を形成するように前記固体酸化物形燃料電池を複数段支持している前記一対の第１インターコネクタと、を備え、
前記一対の第１インターコネクタは、対向する面において平行に延びる複数の溝部を有しており、前記溝部に前記固体酸化物形燃料電池の側辺が嵌入されることにより、前記固体酸化物形燃料電池が集電部を介して前記第１インターコネクタと電気的に接続されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
前記固体酸化物形燃料電池が、基板をさらに備え、前記基板の少なくとも一方の面に、前記電解質、及び電極対が形成されてい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スタック。
前記電解質に、前記電極対が複数形成されており、その隣り合う電極対の燃料極と空気極とが第２インターコネクタにより導通接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
少なくとも１対の混合ガス供給口及び混合ガス排気口を備えていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池スタック。