JP4688434B2

JP4688434B2 - 固体酸化物形燃料電池

Info

Publication number: JP4688434B2
Application number: JP2004139801A
Authority: JP
Inventors: 豪一三上; 邦聡芳片
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2004-05-10
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2024-05-10
Also published as: JP2004363095A

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池に関する。

固体酸化物形燃料電池のセルデザインとして、従来、平板型（スタック型）、円筒型（チューブ型）などが提案されている（例えば、特許文献１及び２）。

平板型セルは、燃料ガスと空気とを分離するためのセパレータや、セルとセパレータ間のガスシールが必要になるため、構成が複雑なものとなる。また、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って施されるため、セルが振動や熱サイクルなどに対して脆弱であるなどの欠点があり、実用化に大きな課題を有している。

一方、円筒型セルは、ガスシール性に優れるものの、平板型セルに比べて更に構造が複雑であるために、製造コストが高くなるという欠点がある。
また、平板型セル及び円筒型セルのいずれも、性能を向上させるためには電解質の薄膜化が要求されるが、薄すぎると脆弱化して耐震性や耐久性が低下するという問題があった。

このため、上述した平板型、円筒型に代わる固体酸化物形燃料電池として、燃料極と空気極とを電解質基板の同一平面上に配置し、燃料及び空気の混合ガスを供給することにより発電が可能な単室型の固体酸化物形燃料電池が提案されている（例えば、特許文献３）。この構成によれば、燃料と空気とを分離する必要がないため、セパレータ及びガスシールが不要となり、構造の簡素化を図ることができる。
特開平５−３０４５号公報（第１頁、第６図）特開平５−９４８３０号公報（第１頁、第１図）特開平８−２６４１９５号公報（第２−３頁、第１図）

上述した単室型の燃料電池は、燃料及び空気の混合気体により発電を行うため、燃料と空気とを分離してそれぞれ燃料極及び空気極に導く平板型と比較した場合、発電効率の向上が課題となる。従来においては、燃料極と空気極との間隔を狭めることで電池の内部抵抗を減少させて電池性能の向上を図っているが、燃料極及び空気極間の狭小化には限界があり、性能向上の点で更に改良の余地があった。また、混合気体を前提とした形状であり、その点でも効率が少し劣るものであった。

本発明は、このような問題を解決すべくなされたものであって、構造が簡素で製造容易であり、且つ、良好な耐久性を維持しつつ発電性能の高効率化を図ることができる固体酸化物形燃料電池の提供を目的とする。

本発明の前記目的は、固体電解質基材に設けられた一対の燃料極及び空気極を有する電池セルを備えた固体酸化物形燃料電池であって、前記固体電解質基材は、断面形状が三角形状である複数の基材溝部を同一表面に有しており、前記燃料極及び空気極は、隣接する２つの前記基材溝部にそれぞれ収容されており、前記基材溝部の幅が、１０μm〜１０mmである、固体酸化物形燃料
電池により達成される。

また、前記基材溝部の最大深さが、１０〜５０００μmであることが好ましい。

また、前記電池セルにおける前記燃料極と前記空気極との間隔が、１〜１０００μmであることが好ましい。

上述した固体酸化物形燃料電池は、前記固体電解質基材の表面を覆う蓋板を更に備えることが好ましく、前記固体電解質基材の表面と前記蓋板との間が密着されていることが好ましい。

この固体酸化物形燃料電池において、前記蓋板は、セラミックス系材料により形成され、前記基材溝部に対向する位置に蓋溝部が形成されていることが好ましい。

或いは、前記蓋板は、セラミックス系材料により形成され、前記固体電解質の前記燃料極及び空気極と対向する位置に、それぞれ燃料極及び空気極が配置されていることが好ましい。

或いは、前記蓋板は、セラミックス系材料により形成され、前記基材溝部に対向する位置に蓋溝部が形成されており、且つ、隣接する２つの前記蓋溝部に、燃料極及び空気極がそれぞれ配置されていることが好ましく、前記蓋板に設けられた前記燃料極及び空気極は、前記固体電解質基材に設けられた前記燃料極及び空気極とそれぞれ対向するように構成することが好ましい。

以上の説明から明らかなように、本発明の固体酸化物形燃料電池によれば、構造が簡素で製造容易であり、良好な耐震性及び耐久性を維持しつつ発電性能の高効率化を図ることが可能になり、例えば、車両などの移動体への搭載性に優れる。

以下、本発明の実態形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池を示す概略斜視図であり、図２は図１における矢示Ａ方向の側面図である。図１及び図２に示すように、固体酸化物形燃料電池１は、固体電解質基材２、燃料極４、空気極６及び蓋板８を備えている。尚、図１においては、固体電解質基材２と蓋板８とを分解した状態で示している。

固体電解質基材２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る。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、これらの材料を加圧成型し、千数百度で焼結することにより得られる。

固体電解質基材２は、例えば厚みが０．０５〜５０ｍｍの平板であり、平行に延びる２つの基材溝部２ａが表面に形成されている。基材溝部２ａは、成型焼結サンドブラスト加工、リソグラフィ加工、切削加工などにより形成することができる。基材溝部２ａの断面形状は特に限定されないが、製造容易などの観点から三角形状又は矩形状であることが好ましく、本実施形態では三角形状としている。基材溝部２ａの大きさの一例を挙げると、幅が１０μm〜１０mm、長さが５ｍｍ〜１００ｍｍ、最大深さが１０μm〜２０００μmである。また、隣接する基材溝部の間隔は、１〜１０００μmであることが好ましい。

燃料極４及び空気極６は、それぞれ基材溝部２ａに配置されている。燃料極４及び空気極６の厚みは、基材溝部２ａを燃料ガス又は空気が通過可能となるように基材溝部２ａの最大深さよりも小さな値であり、例えば、燃料極４及び空気極６の厚みを１０〜１００μm程度にすることが好ましい。

燃料極４及び空気極６は、セラミックス粉末により形成することができる。粉末粒径は、通常数ｎｍ〜数十μmであり、好ましくは１〜１０μmである。

燃料極４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、酸化物イオン伝導体としては、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６のセラミックス材料としては、例えば、ペロブスカイト型構造などを有するＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，ＣｒやＭｎなどからなる金属酸化物を用いることができ、具体的には、（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ₃，（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ₃，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ₃，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ₃，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ₃などの酸化物が挙げられ、好ましくは（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ₃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される。

蓋板８は、固体電解質基材２の表面を覆うように配置された平板であり、固体電解質基材２の表面と密着することにより、各基材溝部２ａに燃料ガス又は空気の流路を形成している。この蓋板８の材料は、イオン伝導性を有するセラミックス系材料、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、上述の固体電解質基材２と同じ材料を用いることが好ましい。また、コスト、耐熱性の面から、一般的に耐熱性を有するシリカ、アルミナ、チタニア系材料を用いることも可能である。

各電池セル１０を複数用いる場合には、インターコネクタを介して直列に接続されればよく、インターコネクタの材料としては、パラジウム、白金、ニッケル、ロジウム、金などの金属材料やこれらの合金、及びＬａ_0.7Ｓｒ_0.3ＣｒＯ₃などのセラミックス系電子導電材などを挙げることができる。

以上の構成を備える固体酸化物形燃料電池１は、高温（５００〜１０００℃）に加熱して、燃料極４が配置された基材溝部２ａの一端側から水素、又はメタンやエタンなどの炭化水素からなる燃料ガスを導入し、空気極６が配置された基材溝部２ａの一端側から酸素等の酸化剤ガスを導入することにより、発電を行うことができる。

本実施形態においては、上述した従来の表面が平滑な固体電解質基材上に燃料極および空気極を配置するのではなく、固体電解質基材２の表面に形成した基材溝部２ａに燃料極４及び空気極６を配置しているので、同一体積の基材においては平面型と比べて表面積が増加する分、より多くの電極を配置でき、且つ、反応面積を増大させることができる。また、混合気体ではなく、各々必要とする気体を別々に導入することが可能である。したがって、固体電解質基材２の厚みを確保して良好な耐久性を維持しつつ、発電効率を高めることができる。

また、固体電解質基材２の表面から燃料極４及び空気極６が突出しないので、コンパクトな構成にすることができる。

また、固体電解質基材２の表面に蓋板８を密着させることにより、燃料ガス流路と空気流路とを簡易な構成で確実に分離することができ、この点からも発電効率の向上を図ることができる。

次に、上述した固体酸化物形燃料電池１の製造方法の一例を説明する。まず、燃料極４及び空気極６の粉末材料を主成分として、ワニス、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製する。各ペーストの粘度は、５０００００〜１００００００ｍPａ・ｓ程度であることが好ましい。

ついで、スクリーン印刷法、リソグラフィ法などにより、作製した燃料極ペースト及び空気極ペーストを固体電解質基材２における所定の基材溝部２ａに順次塗布し、燃料極４及び空気極６を形成する。そして、固体電解質基材２の表面を蓋板８で覆い、密着させることにより、固体酸化物形燃料電池１が完成する。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明の具体的な態様が上記実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、各基材溝部２ａに燃料極４又は空気極６のいずれかを収容しているが、隣接する基材溝部２ａに燃料極４及び空気極６が収容されている限り、燃料極４及び空気極６の配置は特に限定されるものではない。

また、本実施形態においては、蓋板８が固体電解質基材２に対向する面を平滑面としているが、図３（ａ）に示すように、蓋板８における各基材溝部２ａと対向する位置に、蓋溝部８ａを形成してもよい。更に、図３（ｂ）に示すように、各蓋溝部８ａに燃料極４及び空気極６を形成し、基材溝部２ａの燃料極４と蓋溝部８ａの燃料極４とを対向させ、基材溝部２ａの空気極６と蓋溝部８ａの空気極６とを対向させるようにしてもよい。或いは、図３（ｃ）に示すように、蓋板８が固体電解質基材２に対向する面を平滑面としたままで、蓋板８における各基材溝部２ａと対向する位置に、燃料極４及び空気極６を形成し、基材溝部２ａの燃料極４と蓋板８の燃料極４とを対向させ、基材溝部２ａの空気極６と蓋板８の空気極６とを対向させるようにしてもよい。これらの構成とすることにより、発電効率をより向上させることができる。

また、本実施形態においては、単一の電池セルにて説明を行っているが、当然複数の電池セル１０を配置しインターコネクタにより、所望の出力特性に応じて、必要に応じ、直列や並列に接続するとも可能である。また、燃料極４及び空気極６が交互に並ぶように配置すればよいが、必ずしも交互配置である必要はなく、各電池セル１０間の所望の接続がしやすいように、適宜配列を定めることができる。

また、基材溝部２ａや蓋溝部８ａは、凹溝やその他の形状の溝部であってもよく、蓋板８に開口を形成することにより、これらの開口を介して凹溝や、その他の形状の溝部に燃料ガス又は空気を導入することができる。

また、蓋板８を設けない構成にすることも可能であり、燃料ガス及び空気の混合ガスを高温にして各基材溝部２ａの燃料極４及び空気極６に導入し、効率の高い発電を行うことも可能である。

さらには、厚み方向に各電池セルをスタックする構成とすることも可能である。（尚、この場合、各電池セルごとに、絶縁処理を施す必要が生じるおそれはある。）

以下に実施例及び比較例を挙げて、本発明を更に詳細に説明する。

図４（ａ）に示す実施例の構成において、セリア系電解質からなる固体電解質基材２に、NiO-セリア系電解質材(1400℃焼成)からなる燃料極４、及び、サマリウムストロンチウムコバルト(1200℃焼成)の酸化物からなる空気極６を形成した。燃料極４及び空気極６の電極面積は２．０ｍｍ²であり、電極間隔を０．１ｍｍとした。また、基材溝部２ａの最大深さを０．２５ｍｍとした。そして、この固体電解質基材２の表面をセリア系電解質からなる蓋板８により覆い、固体酸化物形燃料電池１を作製した。この固体酸化物形燃料電池１の燃料極４及び空気極６に、それぞれ８００℃のＣＨ₄燃料ガス（１００mL／min）及び酸素（７０mL/min）を導入し、発電性能を測定した。

一方、図４（ｂ）に示す比較例の構成において、固体電解質基材５２の同一平面上に燃料極５４及び空気極５６を配置して固体電解質型燃料電池を形成した。この比較例では、ＣＨ₄燃料ガス及び酸素を２：１の比率とした混合ガスを固体電解質基材５２上に３００mL/minの流量で導入し、実施例と同様に発電性能を測定した。固体電解質基材、燃料極及び空気極の材質及びサイズは、実施例と同様とした。

結果は、以下の通りである。表１から明らかなように、本実施例の固体酸化物形燃料電池は、起電力及び最大出力密度の双方において従来の固体酸化物形燃料電池よりも優れていた。

本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池を示す概略斜視図である。図１における矢示Ａ方向の側面図である。本発明の他の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池を示す側面図である。実施例及び比較例に係る固体酸化物形燃料電池の概略構成を示す側面図である。

符号の説明

１固体酸化物形燃料電池
２固体電解質基材
４燃料極
６空気極
８蓋板
１０電池セル

Claims

固体電解質基材に設けられた一対の燃料極及び空気極を有する電池セルを備えた固体酸化物形燃料電池であって、
前記固体電解質基材は、断面形状が三角形状である複数の基材溝部を同一表面に有しており、
前記燃料極及び空気極は、隣接する２つの前記基材溝部にそれぞれ収容されており、
前記基材溝部の幅が、１０μm〜１０mmである、固体酸化物形燃料電池。
前記基材溝部の最大深さが、１０〜５０００μmである請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記電池セルにおける前記燃料極と前記空気極との間隔が、１〜１０００μmである請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記固体電解質基材の表面を覆う蓋板を更に備え、前記固体電解質基材の表面と前記蓋板との間が密着されている請求項１から３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
前記蓋板は、セラミックス系材料により形成され、前記基材溝部に対向する位置に蓋溝部が形成されている請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記蓋板は、セラミックス系材料により形成され、前記固体電解質の前記燃料極及び空気極と対向する位置に、それぞれ燃料極及び空気極が配置されている請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記蓋板は、セラミックス系材料により形成され、前記基材溝部に対向する位置に蓋溝部が形成されており、
隣接する２つの前記蓋溝部に、燃料極及び空気極がそれぞれ配置されており、
前記蓋板に設けられた前記燃料極及び空気極は、前記固体電解質基材に設けられた前記燃料極及び空気極とそれぞれ対向する請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池。