JP4961804B2 - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスにより発電を行う固体酸化物形燃料電池に関する。

近年、燃料ガス及び酸化剤ガスを混合して供給することでセパレータやガスシール材を必要とせず、ガス供給ラインの簡略化ができ、簡単なシステム構造を実現できる単室型ＳＯＦＣが提案されている。この単室型ＳＯＦＣで採用される燃料電池としては、燃料極と空気極の２つの電極が、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスにさらされながらも、ガス選択性を持ち、それらの間に電圧が発生する特徴がある。そして、電池構造としては、例えば特許文献１に示すように、電解質の基板の一方面に燃料極、他方面に空気極を配置したセル構造がある。
特開２００５−３２７６０９号公報（段落）

上記単室型の固体酸化物形燃料電池は、混合ガスを供給するため、二室型に比べて構造を簡素化できるという利点がある。しかしながら、混合ガスを供給しているため、各電極がガス選択性を有しているとしても、燃料ガス及び酸化剤ガスを各電極に直接供給する二室型の電池と比べると、ガスの供給効率の観点からは劣っているという問題がある。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、単室型でありながら、ガスの供給効率を高めることができ、その結果、高出力が可能な固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスが供給される固体酸化物形燃料電池であって、上記問題を解決するためになされたものであり、シート状の電解質の両面に燃料極および空気極がそれぞれ形成された複数の単セルと、前記複数の単セル間に配置され、これら単セルを直列に接続するインターコネクターと、を備え、前記インターコネクターは、混合ガスが流入可能で、且つ流入した混合ガスを前記燃料極及び空気極に供給可能であり、しかも、水素不透過層と、当該水素不透過層と前記燃料極との間に配置された水素分離層とを備えている。

この構成によれば、インターコネクターにおいて燃料極側に水素分離層が配置されているため、供給された燃料ガスから水素を分離することができ、これを燃料極に供給することができる。したがって、燃料極に必要な水素を効率的に供給することが可能となり、その結果、出力を向上することができる。また、分離された水素は、水素不透過層によって空気極側へ移動するのが防止されるため、空気極の劣化を防止することができる。なお、本発明でいうシート状の電解質とは、硬質の板状電解質のほか、シート状の薄膜からなる電解質も含むものとする。

上記燃料電池において、水素不透過層は、種々の材料で構成することかできるが、例えば、ＳＵＳ等の緻密金属で形成することができる。

インターコネクターのより具体的な構成としては、例えば、水素分離層と水素不透過層との間に配置され、混合ガスが流入可能で、且つ流入した混合ガスを燃料極に供給可能な第１のガス供給層と、水素不透過層と空気極との間に配置され、混合ガスが流入可能で、且つ流入した混合ガスを空気極に供給可能な第２のガス供給層とを備えるように構成することができる。このとき、第１及び第２のガス供給層は、例えば、多孔質体で構成することができる。

或いは、インターコネクターにおいて、水素分離層を、混合ガスが流入可能で、且つ流入した混合ガスを燃料極に供給可能に構成することができる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池によれば、単室型でありながら、ガスの供給効率を高めることができ、その結果、高出力が可能となる。

以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池は、電解質１１、燃料極１２、及び空気極１３からなるシート状の単セル１を複数個（図１では２個）配置したものである。各単セルの間には、板状のインターコネクター２が配置されており、２つの単セル１を直列に接続している。各単セル１は、矩形のシート状に形成された電解質１１の両面に薄膜状の燃料極１２および空気極１３がそれぞれ形成されることで構成されている。この実施形態では、電解質１１の下面（図１の下側）に燃料極１２が配置される一方、電解質１１の上面に空気極１３が配置されている。

インターコネクター２は、４層構造であり、上側の単セル１の下面に接触する水素分離層２１、第１多孔質層２２、水素不透過層２３、及び第２多孔質層２４が上からこの順で配置されている。

次に、上記燃料電池を構成する材料について説明する。電解質１１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。

燃料極１２及び空気極１３は、セラミックス粉末材料により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１２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１２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またはセラミックス材料へのニッケル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１２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１３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などの酸化物が挙げられ、好ましくは、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_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。

上記燃料極１２、及び空気極１３は、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより形成される。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。

燃料極１２、空気極１３の形成方法としては、例えば印刷法を用いることができ、具体的には、スクリーン印刷法やナイフコ−ト法、ドクターブレード法、スプレーコート等の印刷方法を用いることができる。これ以外にも、燃料極１２、空気極１３を、転写シート上に塗布しておき（いわゆるグリーン体）、これらを転写することによって電極を形成することもできる。

インターコネクタ２は、電子伝導性を有するが、イオン伝導性が無視できる程度に小さいことが好ましい。また、熱力学的に安定な材料で構成されていることが好ましい。導電率については、燃料電池の運転温度において、２Ｓ・ｃｍ^−１以上であることが好ましい。このような要求を満たすとともに、各層は次のように構成することができる。

インターコネクター２を構成する第１及び第２多孔質層２２，２４の気孔率は、ガス透過性及びインターコネクタの強度を考慮すると、１０〜８０％の範囲にあることが好ましい。これは、気孔率が１０％未満だと、ガスの透過性が悪くなり、電極反応が低下するからである。一方、気孔率が８０％以上だと、電子の移動経路が少なくなり、インタ−コネクタの抵抗が大きくなり、導電性が低下するからである。また、後述するように、インターコネクタ２の周縁の面からガスを流入させる必要があるため、ある程度の厚みが必要となる。したがって、例えば、インタ−コネクタの厚みは、０．１〜３ｍｍであることが好ましい。厚みが０．１ｍｍより小さいと、ガス拡散性が悪くなり、３ｍｍより大きいと、厚み方向の抵抗が大きくなることから、導電性が低下し、スタック性能が低下するからである。以上のような要求を満たすため、インターコネクタ２を構成する材料は、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。

水素分離膜２１は、例えば、Ｒｏ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｕ等の金属または金属酸化物で構成することができる。例えば、メタン等の気体がこの水素分離膜に接触または通過すると、水素のみが分離される。また、水素不透過層２３は、例えばＳＵＳ等の緻密金属で構成することができる。

上記のように構成された燃料電池は、次のように発電が行われる。以下、図２を参照しつつ説明する。図２はインターコネクターの拡大断面図である。まず、電池に対して水素、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等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。このとき、インターコネクター２の面方向と平行に、混合ガスを供給することが好ましい。供給された混合ガスは電池の上面及び下面の燃料極１２、空気極１３の表面に接触するほか、インターコネクター２を介して各電極１２，１３に接触する。すなわち、インターコネクター２の第１及び第２多孔質層２２，２４の側端面から内部に進入した後、燃料極１２及び空気極１３に接触する。

このとき、混合ガスは、選択的に各電極１２，１３と接触するが、メタン等の炭化水素ガスは、第１多孔質層２２からインターコネクター２内に進入した後、水素分離層２１に接触し、水素が分離する。分離した水素は水素分離層２１を通過して燃料極１２に接触するが、空気極１３側に移動する水素もある。しかし、空気極１３側には水素不透過層２３が配置されているため、空気極１３側に移動するのが防止される。一方、第２多孔質層２４の側端面から進入した混合ガスにおいては、空気極１３が選択的に酸化剤ガスと接触する。こうして、燃料極１２及び空気極１３がそれぞれ水素ガス及び酸化剤ガスと接触するため、各単セル１における燃料極１２と空気極１３との間で、電解質１１を介した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、インターコネクタ２において燃料極１１と面する位置に水素分離層２１が配置されているため、供給された燃料ガスから水素を分離することができ、これを燃料極１２に供給することができる。したがって、燃料極１２に必要な水素を効率的に供給することが可能となり、その結果、出力を向上することができる。また、分離された水素は、水素不透過層２３によって空気極１３側へ移動するのが防止されるため、空気極１３の劣化を防止することができる。

以上、本発明の一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、インターコネクターの構成は、上記したもの以外、種々の構成が可能である。例えば、上記インターコネクター２では、水素不透過層２３と水素分離層２１との間に第１多孔質層２２を配置しているが、このような独立した多孔質層を設けず、水素分離層２１を多孔質体で構成すると、ガスの流入と水素の分離を一つの層で行うことができる。この場合、水素分離層２１は上述した第１及び第２多孔質層と同様、ガスを流入させる必要があるため、ある程度の厚さが必要となる。

或いは、多孔質層の代わりに、図３に示すように、各電極１２，１３と対向する面それぞれにガスが流通可能な溝２２１，２４１を形成したガス供給層２２，２４を設けることもできる。このとき、この溝２２１，２４１をインターコネクター２の周縁部まで延ばして開口するように構成すれば、インターコネクター２の側端縁からのガスの流入が可能になる。

また、各電極の表面に集電層を設けることもできる。集電層は、Ｐｔ，Ａｕ，Ｐｄ，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。そして、これらの材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより形成される。これらは、例えば、印刷法を用いて各電極に塗布することができ、具体的には、スクリーン印刷法やナイフコ−ト法、ドクターブレード法、スプレーコート等の印刷方法を用いることができる。これ以外にも、上記材料を転写シート上に塗布しておき（いわゆるグリーン体）、これらを転写することによって集電層を形成することもできる。或いは、予めメッシュ状に形成したものを電極上に圧接することもできる。このとき、例えば燃料極１２に取り付けられる集電層を白金からなるメッシュで構成するとともに、空気極１３に取り付けられる集電層を金からなるメッシュで構成することができる。

本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の側面図である。 発電のメカニズムを示すインターコネクターの断面図である。 インターコネクターの他の例を示す断面図である。

符号の説明

１ 単セル
１１ 電解質
１２ 燃料極
１３ 空気極
２ インターコネクタ

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスが供給される固体酸化物形燃料電池であって、
   シート状の電解質の両面に燃料極および空気極がそれぞれ形成された複数の単セルと、
   前記複数の単セル間に配置され、これら単セルを直列に接続するインターコネクターと、を備え、
   前記インターコネクターは、混合ガスが流入可能で、且つ流入した混合ガスを前記燃料極及び空気極に供給可能であり、しかも、
   水素不透過層と、当該水素不透過層と前記燃料極との間に配置された水素分離層とを備えている、固体酸化物形燃料電池。
2. 前記水素不透過層は、緻密金属から形成されている、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
3. 前記インターコネクターは、
   前記水素分離層と水素不透過層との間に配置され、混合ガスが流入可能で、且つ流入した混合ガスを前記燃料極に供給可能な第１のガス供給層と、
   前記水素不透過層と空気極との間に配置され、混合ガスが流入可能で、且つ流入した混合ガスを前記空気極に供給可能な第２のガス供給層と
   を備えている、請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 前記水素分離層は、混合ガスが流入可能で、且つ流入した混合ガスを前記燃料極に供給可能に構成されている、請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池。

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