JP5239137B2 - 単室型固体酸化物形燃料電池及びそのスタック構造 - 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動作する単室型固体酸化物形燃料電池及びそのスタック構造に関する。

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としては、種々のものが提案されているが、例えば、特許文献１には、多孔質の支持基体上に燃料極（アノード）を形成し、その燃料極の上に電解質を形成し、さらにその電解質の上に空気極（カソード）を形成した固体酸化物形燃料電池が開示されている。
特開平１１−１１１３０９号公報

ところで、上記燃料電池では、基板上に複数の単セルを形成することで、出力の向上を図っているが、電極形成時の位置決めに精度が要求されるなど種々の問題がある。そのため、複数の単セルを簡単に接続できるような電池構造が要望されていた。

そこで、本発明は、複数の単セルを簡単に接続することが可能な単室型固体酸化物形燃料電池及びそのスタック構造を提供することを目的とする。

この構成によれば、セル本体の一の側端面及びそれとは重ならない他の側端面それぞれに燃料極および空気極に電気的に接続された集電層が形成されているため、この燃料電池を複数個準備すれば、上記側端面同士を当接させるだけで、電池を直列に接続することができる。したがって、電池の接続を大幅に簡素化することができる。

本発明に係る第１の単室型固体酸化物形燃料電池は、上記問題を解決するためになされたものであり、燃料極、空気極、及びこれらの間に配置された電解質を有するセル本体と、前記燃料極に電気的に接続され、前記セル本体の一の側端面に延設された第１の集電層と、前記空気極に電気的に接続され、前記一の側端面とは重ならない位置の他の側端面に延設された第２の集電層と、を備え、前記セル本体は、一方の前記電極を支持する多孔質の支持基板をさらに備え、一方の前記電極と、他方の前記電極に接続された集電層との間に絶縁層が配置されており、前記絶縁層は、一方の前記電極の側端面に形成されており、一方の前記電極に接続された集電層は、当該一方の電極を介して、前記支持基板の側端面であって前記絶縁層が形成された側端面と異なる側端面に形成されており、他方の前記電極に接続された集電層は、前記絶縁層の側端面に形成されている。

上記燃料電池においては、一の側端面と他の側端面とが対向する位置にあるように構成することができる。この場合は、例えば、セル本体を矩形状に形成すればよい。これにより、電池を一直線状に配置することで、電気的に接続することができる。これ以外でも、例えばセル本体を矩形状に形成した場合、一の側端面と他の側端面とを、それぞれ互いに直交する側端面とすることもできる。

また、本発明に係る第２の単室型固体酸化物形燃料電池は、上記問題を解決するためになされたものであり、燃料極、空気極、これらの間に配置された電解質、及び一方の前記電極を支持する導電性の多孔質の支持基板を有するセル本体と、他方の前記電極に電気的に接続され、前記多孔質の支持基板の側端面に延設された集電層と、を備え、前記集電層と、一方の前記電極及び多孔質支持基板と、の間を絶縁する絶縁層をさらに備え、前記絶縁層は、一方の前記電極及び前記支持基板の側端面に形成されており、前記集電層は、前記絶縁層の側端面に形成されている。

この構成によれば、一方の電極が導電性の多孔質支持基板に支持されるとともに、他方の電極に接続された集電層が支持基板の側端面に延設されているため、この燃料電池を複数個準備すれば、支持基板において集電層が形成された側端面と、集電層が形成されていない側端面とを当接させるだけで、電池を直列に接続することができる。したがって、電池の接続を大幅に簡素化することができる。このとき、支持基板を少し大きめに一方の電極から飛び出す形とすることにより使用しやすい形態となる。

また、多孔質支持基板（一方の電極）と他方の電極とが短絡するのを防止するため、多孔質基板及び一方の電極と集電層との間に絶縁層を配置することが好ましい。このとき、電解質によって一方の電極を覆っておけば、絶縁層は、多孔質基板と集電層との間に配置しておけばよい。但し、絶縁層を設けなくても、多孔質支持基板と他方の電極とが接触しないように構成されていればよく、例えば、電解質によって一方の電極と支持基板の側端面を電解質で覆い、その上に集電層を配置することもできる。

なお、上記第１及び第２の燃料電池においては、セル本体の支持基板（電極、電解質、または多孔質基板）は、通常の扁平型の板形状のみならず、ある程度の厚みを有するブロック状とすることもでき、少なくとも電極等が配置される一対の面と、それらを連結する側端面を有する形状であればよい。

また、本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造は、上記問題を解決するためになされたものであり、複数の上記単室型固体酸化物形燃料電池と、前記複数の燃料電池をスライド可能に挟持する一対のガイド部材と、を備え、前記ガイド部材は、前記集電層が形成されている側端面を前記スライド方向に向けた状態で、前記各燃料電池を挟持する。

この構成によれば、上記複数の燃料電池をスライド可能に挟持する一対のガイド部材を有しているため、このガイド部材に複数の燃料電池を順にスライドさせると、これらの電池が一列に並びつつ、隣接する電池の側端面を互いに当接させることができる。したがって、燃料電池の接続を簡単に行うことができる。また、隣接する電池は当接させているだけなので、例えば、いずれかの電池が故障した場合には、その電池のみを簡単に交換することができる。なお、上記構成では、一対のガイド部材で燃料電池を挟持しているため、各燃料電池の一方面及び他方面は外部に露出している。したがって、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給したときには、これらのガスと各電極とを接触させることができ、電池として確実に動作する。

本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池及びそのスタック構造によれば、電池の接続を簡単に行うことができる。

以下、本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池の一実施形態について添付図面にしたがって説明する。図１は本実施形態に係る単室型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、本実施形態に係る単室型固体酸化物形燃料電池は、平面視矩形状の支持基板としての板状電解質１と、その上面（一方面）及び下面（他方面）にそれぞれ形成された薄膜状の燃料極２および空気極３と、からなる単セル本体Ｃを備えている。以下の説明では、図１における単セル本体Ｃの右側の側端面を前面、左側の側端面を後面、紙面と直交する側端面を右面、左面と称することとする。両電極２，３は、電解質１の前後方向の中央部分に配置されており、前後方向の両端部では電解質１が露出している。そして、この電池には各電極２、３と接続される２つの集電層が形成されている。つまり、燃料極２上から電解質１の上面に沿って延び、電解質１の前面を覆う第１の集電層４と、空気極３上から電解質１の下面に沿って延び、電解質１の後面を覆う第２の集電層５が形成されている。これらの集電層４，５は、後述する材料によってメッシュ状に形成されている。また、図１に示すように、両集電層４，５は互いに接触せず、また、第１の集電層４は空気極３に接触していない。同様に、第２の集電層５は燃料極３には接触していない。

次に、上記電池のスタック構造について説明する。図２及び図３は、上記燃料電池を複数個、直列接続したスタック構造の平面図及びそのＡ−Ａ線断面図である。図２に示すように、このスタック構造は、複数（ここでは４個）の上記燃料電池Ｅと、それらを収容するスタック用治具とで構成されている。スタック用治具は、燃料電池Ｅをスライド可能に挟持する一対の長尺状のガイド部材１１、両ガイド部材１１の一端部（図２の左側）を連結する連結部材１２、及び両ガイド部材１１の他端部に着脱自在に取り付けられる蓋部材１３を備えている。そして、複数の燃料電池Ｅは、ガイド部材１１の長手方向に沿って並ぶように、一列に収容される。図３に示すように、ガイド部材１１は、断面コ字状に形成され、互いの凹部１１１が対向するように配置されている。そして、これらを連結する連結部材１２は、燃料電池Ｅの前後面とほぼ同じ長さになっている。凹部１１１の高さは、上記燃料電池Ｅの厚さとほぼ同じであり、各燃料電池の右面側及び左面側の端部が両ガイド部材１１の凹部１１１にスライド可能に嵌り込むように構成されている。

複数の燃料電池Ｅをスタックするには、右面または左面をガイド部材１１の長手方向に向け、これらを同じ方向に向けてガイド部材１１の他端部側から順に嵌め込み、一端部側へスライドさせていく。これにより、隣接する燃料電池Ｅの第１及び第２の集電層４，５同士が当接し、４つの電池が直列に接続される。そして、最後尾の燃料電池Ｅが収納された後、蓋部材１３をガイド部材１１に取り付ける。蓋部材１３は、両ガイド部材１１の他端部を連結するとともに、図２に示すように、連結部材１２との間で、４つの燃料電池Ｅを挟持するためのものである。蓋部材１３を取り付けることで、４つの燃料電池Ｅの前後方向の移動が規制される。蓋部材１３の前後方向の長さは、収容する燃料電池Ｅの数に合わせて適宜決定される。例えば、燃料電池の数を減らした場合、最後に収容された燃料電池Ｅと蓋部材１３とが当接するように蓋部材１３の長さを長くしておく必要がある。なお、連結部材１２及び蓋部材１３に集電層を形成したり、或いはこれらの部材を導電性の部材にしておけば、電流の取り出しが簡単になる。

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１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。また、電解質１の厚みは、燃料極２及び空気極３を支持する支持基板であることを考慮すると、２００〜５０００μｍであることが好ましく、５００〜１０００μｍであることがさらに好ましい。

燃料極２及び空気極３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２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２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２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３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。

また、集電層４，５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。

上記燃料極２、及び空気極３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。また、集電層４，５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。そして、燃料極２及び空気極３の膜厚は５〜１００μmとなるように形成するが、２０〜５０μmとすることが好ましい。

また、スタック用治具は、耐熱性の絶縁性材料で構成され、例えば、アルミナ、ジルコニア、などのセラミックスを使用することができる。但し、上記のように連結部材１２及び蓋部材１３を導電性の材料で形成してもよいし、或いは端部の燃料電池の集電層と電気的に接続できるように絶縁性材料の表面に導電性の材料を塗布してもよい。

次に、上述した燃料電池の製造方法について参照しつつ説明する。まず、上述した材料からなる板状電解質１を準備する。続いて、上述した燃料極２、及び空気極３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、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、１０^３〜１０^６ｍＰａ・ｓ程度であることが好ましい。

次に、燃料極ペーストを、電解質１の上面の中央部分に塗布した後、所定時間、所定温度にて乾燥・焼結し、燃料極２を形成する。続いて、空気極ペーストを電解質１の下面の中央部分に塗布し、乾燥・焼結して空気極３を形成する。その後、集電層ペーストを燃料極２から電解質１の前面にわたって塗布し、乾燥・焼結して第１の集電層４を形成する。同様に、集電層ペーストを空気極３から電解質１の後面にわたって塗布し、第２の集電層５を形成する。なお、燃料極２、空気極３、及び集電層４，５は、種々の方法で形成することができる。例えば、溶射法、スクリーン印刷法、転写法、リソグラフィー法、電気泳動法、ドクターブレード法、ディスペンサーコート法、ＣＶＤ，ＥＶＤ，スプレーコート法、ディップコート法、スパッタリングや、或いは、いわゆるグリーン体を用いた方法で形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。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。このとき混合ガスは、図３に示すように、スタック用治具の上下の面から、つまり両ガイド部材１１の間で露出する電池の各電極に接触する。これにより、燃料極２と空気極３との間で、電解質１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、板状の電解質１の前面及び後面それぞれに燃料極２および空気極３に接続された集電層４，５が形成されているため、上記のようにこの燃料電池を複数個準備すれば、前面及び後面同士を当接させるだけで、電池を直列に接続することができる。したがって、電池の接続を大幅に簡素化することができる。特に、上記のような治具を準備すれば、複数の電池を治具のガイド部材１１間にスライドさせるだけで、スタック化が図れるため、複数の電池の接続がより簡単になる。また、治具に電池を装着した場合、電池同士は当接しているだけであり、固定されていないため、いずれかの電池が破損した場合でも、その電池のみの交換が可能となる。したがって、従来例のようにすべてのセルが固定されているのに比べ、一部の電池の交換が可能なことから、コストの低減が可能となる。

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、上記治具において、電池と電池の間にインターコネクター部材を装着してもよい。この場合、インターコネクター部材は、集電層４，５と同様の材料で形成される。そして、図４に示すように、インターコネクター部材５１を電池と同様の平面視矩形状にしておけば、ガイド部材１１をスライドさせるだけで、装着することできるため、取付が非常に簡単になる。

また、上記実施形態では、電解質１を支持基板としているが、いずれか一方の電極２，３を支持基板とすることもできる。例えば、図５の例では、板状の燃料極２を支持基板とし、その上面に薄膜状の電解質１と空気極３とがこの順で形成されている。燃料極２と電解質１とはほぼ同じ大きさに形成されているが、空気極３は短絡を防止するため、電解質１の中央部分にやや小さく形成されている。また、燃料極２の下面から電解質１の前面に向かっては第１の集電層４が形成される一方、空気極３の上面から電解質１及び燃料極２の後面に向かっては第２の集電層５が形成されている。このとき、燃料極２及び電解質１の後面には、絶縁層５３が形成されており、これによって第２の集電層５が燃料極２と接触するのを防止し、両電極２，３の短絡を防いでいる。以上のように構成された電池でも単セル本体Ｃの前面及び後面に集電層４，５が形成されているため、複数の電池を準備し、治具にスライドさせるだけで容易にスタック化を図ることができる。なお、図５の例では、燃料極２を支持基板としているが、空気極３を支持基板として、その上に電解質１と燃料極２を形成することもできる。また、絶縁層を形成しなくても、例えば、電解質１で支持基板２の側端面を覆い、その上に第２の集電層５を形成すれば、空気極３と燃料極２との短絡を防止できる。

さらに、図６のようにすることもできる。この例では、非導電性の多孔質支持基板５２を準備し、この上に燃料極２、電解質１、および空気極３をこの順で薄膜状に形成している。このとき、多孔質支持基板５２、燃料極２、及び電解質１はほぼ同じ大きさに形成し、空気極３をやや小さく形成しておく。そして、多孔質支持基板５２の下面からその前面側に延び燃料極２および電解質１に接触する第１の集電層４を形成する。また、空気極３から後方へ延び、電解質１、燃料極２および支持基板５２の後面に接触する第２の集電層５を形成する。このとき、図５の例と同様に、支持基板５２、電解質１、及び燃料極２の後面には絶縁層５３を形成しておき、空気極３と燃料極２とが短絡しないようにしておく。この構成であっても、上述した各電池と同様の効果を得ることができる。また、支持基板上の電極（ここでは燃料極２）と第１の集電層４との接触性を高めるためには、例えば、図７に示すように、燃料極２が多孔質支持基板５２の側端面を介して、支持基板５２の下面まで延びるように形成し、この燃料極２を覆うように、第１の集電層４を多孔質支持基板５２の側端面に形成すればよい。なお、絶縁層を形成しなくても、例えば、電解質１で支持基板５２及び燃料極２の側端面を覆い、その上に第２の集電層５を形成すれば、空気極３と燃料極２との短絡を防止できる。

また、多孔質支持基板を導電性を有する材料で形成してもよい。この場合は、図８に示すように、多孔質基板５２が導電性を有しているため、燃料極２と接続する集電層は不要になる。つまり、多孔質支持基板５２が燃料極２と電気的に接続されるため、この多孔質基板５２の側端面に直接、他の電池の集電層を接触させれば、燃料極２と電気的に接続させることができる。この場合、図８に示すように、燃料極２よりも多孔質支持基板５２を大きく突出するように形成しておけば、他の電池に接触させやすくなる。また、支持基板５２としてステンレス系材料を用いれば、セルの割れを防止することができる。なお、この例では、絶縁層５３により、支持基板５２と集電層５の短絡を防止しているが、絶縁層を形成しなくても、例えば電解質１で支持基板５２及び燃料極２の側端面を覆い、その上に集電層５を形成すれば、空気極３と燃料極２との短絡を防止できる。

また、上述した例では、セル本体を矩形状に形成し、対向する側端面それぞれに集電位置を設けているが、これ以外の位置でもよい。つまり、２つの集電位置が側端面上で互いに重ならないようにしておけばよい。例えば、図９に示すように、セル本体を矩形状に形成し、直交する側端面に２つの集電位置を設けることもできる。この例では、電解質支持基板１の下面及び上面に燃料極２および空気極３をそれぞれ形成し、第１の集電層４を燃料極２から電解質支持基板１の一の側端面に延びるように形成する。一方、第２の集電層５は、空気極３から電解質支持基板１の隣接する側端面に延びるように形成する。第１及び第２の集電層４，５は、互いに直交する電解質支持基板１の側端面に形成されているため、例えば、図１０に示すように、４つの電池を準備すれば、第１及び第２の集電層４，５が互いに当接するように、環状に配置することで、直列に接続することができる。但し、短絡を防止するため、いずれかの集電層の当接位置には絶縁部材２００を配置する必要がある。

本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池の一実施形態を示す断面図である。 図１の燃料電池を治具に装着したスタック構造を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 本発明に係るスタック構造の他の例を示す平面図である。 図１の燃料電池の他の例を示す断面図である。 図１の燃料電池のさらに他の例を示す断面図である。 図１の燃料電池のさらに他の例を示す断面図である。 図１の燃料電池のさらに他の例を示す断面図である。 図１の燃料電池のさらに他の例を示す平面図である。 図９の燃料電池のスタック構造を示す平面図である。

符号の説明

１ 電解質
２ 燃料極
３ 空気極
４ 第１の集電層
５ 第２の集電層
１１ ガイド部材

Claims (4)

1. 燃料極、空気極、及びこれらの間に配置された電解質を有するセル本体と、
   前記燃料極に電気的に接続され、前記セル本体の一の側端面に延設された第１の集電層と、
   前記空気極に電気的に接続され、前記一の側端面とは重ならない位置の他の側端面に延設された第２の集電層と、を備え、
   前記セル本体は、一方の前記電極を支持する多孔質の支持基板をさらに備え、
   一方の前記電極と、他方の前記電極に接続された集電層との間に絶縁層が配置されており、
   前記絶縁層は、一方の前記電極の側端面に形成されており、
   一方の前記電極に接続された集電層は、当該一方の電極を介して、前記支持基板の側端面であって前記絶縁層が形成された側端面と異なる側端面に形成されており、
   他方の前記電極に接続された集電層は、前記絶縁層の側端面に形成されている、単室型固体酸化物形燃料電池。
2. 前記一の側端面と他の側端面とは、対向する位置にある、請求項１に記載の単室型固体酸化物形燃料電池。
3. 燃料極、空気極、これらの間に配置された電解質、及び一方の前記電極を支持する導電性の多孔質の支持基板を有するセル本体と、
   他方の前記電極に電気的に接続され、前記多孔質の支持基板の側端面に延設された集電層と、を備え、
   前記集電層と、一方の前記電極及び多孔質支持基板と、の間を絶縁する絶縁層をさらに備え、
   前記絶縁層は、一方の前記電極及び前記支持基板の側端面に形成されており、
   前記集電層は、前記絶縁層の側端面に形成されている、単室型固体酸化物形燃料電池。
4. 複数の請求項２又は３に記載の単室型固体酸化物形燃料電池と、
   前記複数の燃料電池をスライド可能に挟持する一対のガイド部材と、を備え、
   前記ガイド部材は、前記集電層が形成されている側端面を前記スライド方向に向けた状態で、前記各燃料電池を挟持する、単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造。

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