JP5176362B2 - Solid oxide fuel cell structure and solid oxide fuel cell using the same - Google Patents
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Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池用構造体及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell structure and a solid oxide fuel cell using the same.
燃料電池とは、外部からの燃料供給と燃焼生成物の排気とを連続的に行いながら、燃料が酸化する際に発生する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換できる電池である。燃料電池の種類は電解質により分類され、電解質にイオン伝導性を持つ固体酸化物を用いたものを固体酸化物形燃料電池と呼んでいる。この固体酸化物形燃料電池は、さらに、大別して円筒形のものと平板形のものとの2種類の固体酸化物形燃料電池に分類される。平板形の固体酸化物形燃料電池は、その形状のため、スタック化が容易であるが、円筒形の固体酸化物形燃料電池に比べてガスシール性が劣るといった欠点を有していた。そこで、平板形の固体酸化物形燃料電池のガスシール性を向上させるために、例えば特許文献1に開示された燃料電池は、多孔質基板上に燃料極、電解質、及び空気極がこの順で形成されている。そして、この多孔質基板と燃料極とを覆うように電気伝導性ガス不透過膜を形成することによって、燃料極と空気極とを分離してガスシール性を向上させている。
しかしながら、上記燃料電池では、多孔質基板と燃料極とをガス不透過膜で覆うという工程が必要となるため、従来の燃料電池に比べてその製造工程数が増加し、歩留まりが悪くなるといった問題がある。 However, the above fuel cell requires a process of covering the porous substrate and the fuel electrode with a gas-impermeable membrane, which increases the number of manufacturing steps compared to conventional fuel cells, resulting in poor yield. There is.
そこで、本発明は、製造工程数を増加させることなく良好なガスシール性を得ることが可能な固体酸化物形燃料電池用構造体及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池を提供することを課題とする。 Accordingly, the present invention provides a solid oxide fuel cell structure capable of obtaining good gas sealing properties without increasing the number of manufacturing steps, and a solid oxide fuel cell using the same. Let it be an issue.
本発明に係る固体酸化物形燃料電池用構造体は、上記課題を解決するためになされたものであり、導電性を有する多孔質基板と、前記基板の一方面に形成された燃料極あるいは空気極のどちらか一方の電極と、前記一方の電極を覆い、さらに前記基板の側面を覆うように形成された緻密質電解質と、前記基板の他方面と対向するように配置されたインターコネクタと、を備え、前記インターコネクタには、前記基板の他方面と対向するガス流路が形成されている。 The structure for a solid oxide fuel cell according to the present invention is made to solve the above-described problems, and includes a porous substrate having conductivity, and a fuel electrode or air formed on one surface of the substrate. Either one of the electrodes, a dense electrolyte formed so as to cover the one electrode and further cover the side surface of the substrate, and an interconnector arranged to face the other surface of the substrate, The interconnector is provided with a gas flow path facing the other surface of the substrate.
このように構成された固体酸化物形燃料電池用構造体は、通常、その電解質上に他方の電極を形成することで固体酸化物形燃料電池として使用される。この燃料電池では、基板の他方面、すなわち、電解質によって覆われていない面から、発電に必要なガスを導入することで、基板を介して一方の電極にガスが供給される。このとき、基板の側面が緻密質の電解質によって覆われているため、基板の他方面から導入されたガスを、基板の側面から漏出させることなく一方の電極へ供給することが可能となる。このように、ガスの漏出を防ぐための部材を別途設ける必要がないため、従来の燃料電池の製造工程数を増加させずに良好なガスシール性を確保することができる。なお、本発明に係る緻密質電解質の「緻密質」とは、ガス不透過性で、ガスが透過するための気孔をほとんど有さないことをいう。 The structure for a solid oxide fuel cell thus configured is usually used as a solid oxide fuel cell by forming the other electrode on the electrolyte. In this fuel cell, gas is supplied to one electrode through the substrate by introducing a gas necessary for power generation from the other surface of the substrate, that is, the surface not covered with the electrolyte. At this time, since the side surface of the substrate is covered with a dense electrolyte, the gas introduced from the other surface of the substrate can be supplied to one electrode without leaking from the side surface of the substrate. As described above, since it is not necessary to separately provide a member for preventing gas leakage, it is possible to ensure good gas sealing performance without increasing the number of manufacturing steps of the conventional fuel cell. The “dense” of the dense electrolyte according to the present invention means that it is gas-impermeable and has almost no pores for gas to permeate.
上記固体酸化物形燃料電池は、種々の構成をとることができるが、例えば、上記基板の側面を一方の電極で覆い、さらにその上から電解質で覆うように構成することができる。このように構成することで、反応場である一方の電極と電解質との接触面積を大きくすることができ、出力の向上を図ることができる。 The solid oxide fuel cell can have various configurations. For example, the side surface of the substrate can be covered with one electrode and further covered with an electrolyte. By comprising in this way, the contact area of one electrode and electrolyte which is a reaction field can be enlarged, and the improvement of an output can be aimed at.
また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、上記課題を解決するためになされたものであり、上記いずれかの固体酸化物形燃料電池用構造体と、前記電解質上に形成された他方の電極と、を備えている。 In addition, a solid oxide fuel cell according to the present invention has been made to solve the above problems, and any one of the solid oxide fuel cell structure and the other formed on the electrolyte. Electrode.
このように構成された燃料電池は、一方の電極にガスを供給するため、基板の他方面からガスを導入すると、基板内に進入したガスは、基板の側面が緻密質の電解質で覆われているため、基板の側面から漏出することなく一方の電極へ供給される。このように、ガスの漏出を防ぐための部材を別途設ける必要がないため、従来の燃料電池の製造工程数を増加させずに良好なガスシール性を確保することができる。 Since the fuel cell configured in this manner supplies gas to one electrode, when the gas is introduced from the other surface of the substrate, the side surface of the substrate is covered with a dense electrolyte when the gas enters the substrate. Therefore, it is supplied to one electrode without leaking from the side surface of the substrate. As described above, since it is not necessary to separately provide a member for preventing gas leakage, it is possible to ensure good gas sealing performance without increasing the number of manufacturing steps of the conventional fuel cell.
本発明によれば、製造工程数を増加させることなく良好なガスシール性を得ることが可能な固体酸化物形燃料電池用構造体及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池を提供することを課題とする。 According to the present invention, there is provided a solid oxide fuel cell structure capable of obtaining good gas sealing properties without increasing the number of manufacturing steps, and a solid oxide fuel cell using the same. Let it be an issue.
以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池用構造体及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池の実施形態を添付図面に従って説明する。図1は本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の平面図、図2は図1のA−A線断面図、図3は図2のB−B線断面図である。 Embodiments of a solid oxide fuel cell structure and a solid oxide fuel cell using the same according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. 1 is a plan view of a solid oxide fuel cell according to the present embodiment, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
図1〜図3に示すように、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池1は、導電性を有する平面視円形状の多孔質基板2を備えており、この基板2上に燃料極3,電解質4及び空気極5がこの順で形成されている。基板2は、その上面及び側面が燃料極3によって覆われており、その下面は露出した状態となっている。そして、このように燃料極3によって覆われた基板2は、さらにその燃料極3の上から上面及び側面が緻密質電解質4によって覆われている。この電解質4は、燃料極3と同様に、基板2の下面は覆っておらず、このため、基板2の下面は露出した状態となっている。以上のように燃料極3及び電解質4によって覆われた基板2を固体酸化物形燃料電池用構造体10と称する。そして、この固体酸化物形燃料電池用構造体10における電解質4の上面に、空気極5が電解質4よりも一回り小さい大きさで形成されることで、固体酸化物形燃料電池1が構成される。
As shown in FIGS. 1 to 3, the solid
次に燃料電池1を構成する各部材の材料について説明する。
Next, the material of each member constituting the
多孔質基板2は、ガス透過性及びその強度を考慮すると、その気孔率が20〜60%の範囲にあることが好ましい。このように、気孔率を20%以上とすることで、ガス透過性を確保することができる一方、気孔率を60%以下とすることで、基板と燃料極との接着面積を確保し、基板と燃料極との剥離をより確実に防止することができる。また、このような要求を満たすため、多孔質基板2を構成する材料は、Fe、Ti、Cr、Cu、Ni、Ag、Au、Pt等の導電性金属を用いることができ、1種を単独で使用してもよいし、2種以上を混合してもよく、例えばステンレス系耐熱材料などが使用でき、具体的には、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、インコネルやハステロイなどのニッケル基の耐熱合金などを用いることができる。
In consideration of gas permeability and strength, the
電解質4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(GDC)、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(YSZ)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。
As the material of the
燃料極3及び空気極5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。
The
燃料極3は、作製時には、金属酸化物と酸化イオン導電体で作製することが出来る。上記金属酸化物としては、具体的には酸化ニッケル,酸化鉄,酸化コバルト,酸化銅,酸化ルテニウムなどを使用することが出来、より好ましくは、酸化ニッケルであり、含有率を50%以上好ましくは、70%以上が良い。酸化ニッケルはニッケルに還元すると、他の金属に比べて水素酸化活性が高く、また含有率を50パーセント以上とすることで、空隙が出来やすくなり、70%以上とすることでニッケル量が増すことで高性能化する。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酸化ニッケルとの混合物で、燃料極3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酸化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、酸化ニッケルへの粉末修飾または酸化物イオン導電体への酸化ニッケルの修飾などの形態であってもよい。また、上述した材料は、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3は、金属触媒となる金属酸化物を単体で用いて構成することもできる。
The
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)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)(Fe,Co)O3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。
As the ceramic powder material forming the
上記燃料極3、電解質4は、例えばドライコーティング法によって形成することができる。ドライコーティング法としては、例えばスパッタリング法を例示することができる。具体的に、スパッタリング法を使用した場合、基板2をスパッタリング装置の基板ホルダーに設置し、成膜材料として、燃料極或いは電解質材料をバッフルプレート上に載置し、真空ポンプを用いて、チャンバー内を到達真空度3×10−4Paまで減圧した後、金属基板を700℃まで加熱し、導入管からチャンバー内へアルゴンガス(1slm)を導入すると共に、導入管からチャンバー内へ、それぞれ酸素(0.5slm)を導入する。続いて、パルス直流電源により成膜材料に2kWの電力を印加して成膜材料を拡散させ、所定の厚みになるまで成膜を行う。なお、成膜時の雰囲気圧は1Paに設定する。
The
空気極5は、例えば、スクリーン印刷によって形成することができるが、この場合、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。
The
次に、上述した燃料電池1の製造方法について図4を参照しつつ説明する。図4は、燃料電池1の製造方法を示す説明図である。
Next, a method for manufacturing the above-described
まず、上述した材料からなる多孔質基板2を準備する(図4(a))。
First, the
続いて、上述したドライコーティング法によって、基板2をその下面を除いて覆うように燃料極3を形成する(図4(b))。
Subsequently, the
そして、燃料極3によって覆われた基板2をさらにその上から覆うように、上記と同様の手法によって緻密質電解質4を形成する(図4(c))。以上の工程により、固体酸化物形燃料電池用構造体10が形成される。
Then, a
続いて、固体酸化物形燃料電池用構造体10における電解質4上に、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・焼結することにより空気極5を形成する。以上の工程により、固体酸化物形燃料電池1が形成される(図4(d))。
Subsequently, an air electrode paste is applied onto the
また、上記実施形態では、燃料極3、電解質4の成膜法としてスパッタリング法、空気極5の成膜法としてスクリーン印刷法を用いているが、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、スピンコート法、電気泳動法、ゾルーゲル法、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、CIP(静水圧プレス)、HIP(熱間静水圧プレス)、ホットプレス、その他の一般的なプレス工程を用いることができる。
In the above embodiment, the sputtering method is used as the film formation method for the
以上のようにして形成された固体酸化物形燃料電池1を使用したスタック構造20について図面を参照しつつ説明する。図5は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池1のスタック構造を示す正面断面図である。
A
図5に示すように、固体酸化物形燃料電池1のスタック構造20は、4つの燃料電池1と、5つのインターコネクタ6とを備えており、各インターコネクタ6の間に燃料電池1が介挿されるように、各インターコネクタ6及び燃料電池1が交互に配置されている。各インターコネクタ6は、上面に第1ガス流路61が形成されるとともに、下面に第2ガス流路62が形成されている。そして、各インターコネクタ6の第1ガス流路61は、その上に配置された燃料電池1の多孔質基板2と対向しており、第2ガス流路62は、その下に配置された燃料電池1の空気極5と対向している。なお、インターコネクタ6を導電性のものとすることによって、各インターコネクタ6を介して各燃料電池1を直列に接続している。
As shown in FIG. 5, the
以上のようにスタック化された固体酸化物形燃料電池1は、次のようにして発電が行われる。まず、水素やメタン、エタンなどの炭化水素からなる燃料ガスを、高温の状態(例えば、400〜1000℃)で各インターコネクタ6の第1ガス流路61に導入する。また、各インターコネクタ6の第2ガス流路62には、空気などの酸化剤ガスを高温の状態で導入する。第1ガス流路61に導入された燃料ガスは、基板2が多孔質であるため、基板2内に進入して燃料極3まで進行し、燃料極3と接触する。また、第2ガス流路62に導入された混合ガスは、第2ガス流路62と対向する空気極5と直接接触する。こうして、各燃料電池1の燃料極3が燃料ガスと接触し、且つ空気極5が酸化剤ガスと接触するため、各燃料電池1における燃料極3と空気極5との間で、電解質4を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。
The solid
以上のように、本実施形態によれば、基板2の側面は電解質4によって覆われている。このため、第1ガス流路61に導入された燃料ガスは基板2内に進入するが、この基板2内に進入した燃料ガスは、基板2の側面から漏出することなく燃料極3に供給される。このように、ガスの漏出防止のための材料を燃料電池に別途設ける必要がないため、従来の燃料電池の製造工程数を増加させずに良好なガスシール性を確保することができ、起電力の損失を最小限に抑えることができる。
As described above, according to the present embodiment, the side surface of the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明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、二室型の固体酸化物形燃料電池1として説明したが、単室型の固体酸化物形燃料電池1として使用することもできる。この場合は、インターコネクタ6の第1ガス流路61及び第2ガス流路62に、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを導入し、燃料極3及び空気極5に混合ガスを接触させることで発電を行う。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these, A various change is possible unless it deviates from the meaning of this invention. For example, in the above-described embodiment, the two-chamber solid
また、上記実施形態では、基板2上に、燃料極3、電解質4及び空気極5がこの順で形成されているが、図6に示すように、空気極5、電解質4、燃料極3の順で形成することもできる。なお、この場合は、空気極5及び電解質4によって覆われた基板2が固体酸化物形燃料電池用構造体10となる。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態では、燃料極3が、基板2の側面を覆うように形成されているが、図7に示すように、基板2の上面のみを覆うように形成することもできる。なお、この場合は、電解質4が、基板2の側面を直接覆うように形成されている。
Moreover, in the said embodiment, although the
また、上記実施形態では、基板2,燃料極3,電解質4及び空気極5は、平面円形状であるが、特にこれに限定されるものではなく、例えば平面視矩形状にするなど種々の形状にすることができる。
Moreover, in the said embodiment, although the board |
1 固体酸化物形燃料電池
2 基板
3 燃料極
4 電解質
5 空気極
10 固体酸化物形燃料電池用構造体
1 Solid
Claims (3)
前記基板の一方面に形成された燃料極あるいは空気極のどちらか一方の電極と、
前記一方の電極を覆い、さらに前記基板の側面を覆うように形成された緻密質電解質と、
前記基板の他方面と対向するように配置されたインターコネクタと、を備え、
前記インターコネクタには、前記基板の他方面と対向するガス流路が形成されている、固体酸化物形燃料電池用構造体。 A porous substrate having electrical conductivity;
Either the fuel electrode or the air electrode formed on one surface of the substrate;
A dense electrolyte formed to cover the one electrode and further cover the side surface of the substrate;
An interconnector arranged to face the other surface of the substrate,
A structure for a solid oxide fuel cell , wherein the interconnector is formed with a gas flow path facing the other surface of the substrate .
前記電解質は、前記一方の電極の上からさらに前記基板の側面を覆うように形成されている、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池用構造体。 The one electrode is formed so as to cover a side surface of the substrate,
2. The solid oxide fuel cell structure according to claim 1, wherein the electrolyte is formed so as to further cover a side surface of the substrate from above the one electrode.
前記電解質上に形成された他方の電極と、を備えた、固体酸化物形燃料電池。 A structure for a solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2,
A solid oxide fuel cell comprising: the other electrode formed on the electrolyte.
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