JP5320947B2 - 固体酸化物形燃料電池及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池及びその製造方法に関する。

従来より、固体酸化物形燃料電池 のセルデザインとして、平板型、円筒型などが提案されている。平板型セルは、板状の電解質の表面及び裏面に燃料極及び空気極をそれぞれ配置したものであり、こうして形成されたセルはセパレーターを介して複数個積層された状態で使用される。セパレーターは各セルに供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する役割を果たしている。また、各セルとセパレーターとの間にはガスシールが施されている（例えば、特許文献１）。しかしながら、このような平板型セルでは、セルに対して圧力をかけてガスシールを施すため、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、円筒形の電解質の外周面及び内周面に燃料極及び空気極をそれぞれ配置したものであり、円筒縦縞型、円筒横縞型などが提案されている（例えば、特許文献２）。円筒型セルは、ガスシール性に優れるという利点を有する一方、平板型セルに比べて構造が複雑であるため、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、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、電解質材料のオーミックな抵抗の低減が必要となるが、電解質が薄すぎると脆弱化してしまい、耐振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、円筒型に代わる燃料電池として、燃料極及び空気極を、固体電解質からなる基板の同一面上に配置し、燃料ガスおよび酸化剤ガスの混合ガスを供給することにより発電が可能な非隔膜式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）。この燃料電池によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する必要がないため、セパレーター及びガスシールが不要となり、構造及び製造工程の大幅な簡略化を図ることができる。

また、この非隔膜式固体酸化物形燃料電池では、酸素イオンの伝導が固体電解質の主に表層付近で起こり、平板型や円筒型のように電解質の厚みが電池の性能に大きく影響することはない。したがって、電池の性能を維持したまま電解質の厚みを増すことができ、これによって脆弱性を改善することが可能となる。
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）

上記のように、平板型及び円筒形の固体酸化物形燃料電池においては、燃料極と空気極との間に配置される電解質の厚みを小さくすることで、オーミックな抵抗の低減を図る必要があった。これに対して、非隔膜式固体酸化物形燃料電池では、電解質上に燃料極と空気極とが配置されているため、電解質の厚さを小さくする必要はないが、オーミックな抵抗を低減するには、燃料極と空気極との距離を小さくすることが必要となる。しかしながら、両者の距離を微細に形成することは難しく、その改善が望まれていた。

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、電解質上に配置される燃料極と空気極との距離を小さくすることが可能な非隔膜式の固体酸化物形燃料電池及びその製造方法を提供することを目的とする。

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、電解質と、前記電解質の一方面に配置され、燃料極、空気極、及び絶縁部材を有する少なくとも１つの電極体と、を備え、前記燃料極と空気極とは、前記電解質上で、前記絶縁部材を介して隣接して配置され、前記絶縁部材は、前記燃料極と空気極と間の全てに配置され、前記燃料極及び空気極と接している。

電解質上で燃料極と空気極との間の距離を小さくするには、両電極の位置決めに高い精度が要求されるほか、仮に位置決めが成功したとしても、電極のにじみなどで両電極が短絡するおそれがある。これに対して、本発明によれば、燃料極と空気極との間の全てに絶縁部材が配置されているので、電解質上で燃料極と空気極との間の距離を小さくしても、両電極が接触するのを防止することができる。したがって、両電極間の距離を小さくすることができ、オーミック抵抗の低減が可能になり、ひいては電池性能の向上が可能になる。

上記電池において、絶縁部材を、燃料極及び空気極のいずれか一方の電極の上面に延ばすことができる。こうすることで、絶縁部材が一方の電極を覆うため、他方の電極が一方の電極に接触するのをさらに防止することができる。その結果、両電極をより近接して配置することができる。このとき、他方の電極を、絶縁部材の上面に延ばすことができる。これにより、他方の電極を形成する際に、寸法誤差が生じた場合であっても、両電極が接触するのを防止することができる。

上記絶縁部材は多孔質とすることができる。これにより、電極において絶縁部材が接触している部分にもガスを供給することができる。特に、絶縁部材が電極全体を覆った場合であっても、ガスの供給が可能になる。ここで用いられる絶縁部材は、例えば、気孔率が、３０〜９０％であることが好ましい。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の製造方法は、上記問題を解決するためになされたものであり、電解質の一方面に、燃料極または空気極のいずれか一方の電極を形成する第１のステップと、前記一方の電極と接するように、前記電解質の一方面に絶縁部材を形成する第２のステップと、前記絶縁部材と接し、且つ前記一方の電極とは接しないように、前記電解質上に他方の電極を形成する第３のステップと、を備え、前記絶縁部材は前記燃料極と空気極と間の全てに配置されている。

この方法によれば、上記のように、燃料極と空気極との間の全てに絶縁部材を配置するので、両電極の距離が短くなったとしても、接触を防止することができる。したがって、オーミック抵抗の低減が可能になり、電池性能を向上することができる。

上記第２のステップにおいて、絶縁部材を、前記一方の電極の上面に延びるように形成し、第３のステップにおいて、他方の電極を絶縁部材の上面に形成することが好ましい。

上記絶縁部材は多孔質とすることができ、この場合、その気孔率は、３０〜９０％とすることが好ましい。

本発明によれば、電解質上に配置される燃料極と空気極との距離を小さくすることが可能となり、固体酸化物形燃料電池の性能を向上させることができる。

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、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の正面断面図である。

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、板状の電解質１の上面に、燃料極２（アノード）と空気極３（カソード）とが所定間隔をおいて配置されている。そして、両電極２，３の間の全てには、絶縁部材４が配置されている。より詳細には、絶縁部材４が、端部が電解質１の上面にあり、燃料極２の側面及び上面の一部を覆うように配置されている。さらに、空気極３は、絶縁部材４の側面及び上面を覆うように配置されている。但し、空気極３は絶縁部材４の上面にあり、燃料極２には接触しないようになっている。絶縁部材４は、緻密な材料で形成することができるが、多孔質材料で形成することもできる。多孔質材料で形成すれば、後述するように、燃料極２を覆っている部分にも、ガスを供給することができる。

続いて、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（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。上述したように、各電極を支持するので、その厚さは、例えば、１００〜１０００μｍであることが好ましい。

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）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。

絶縁部材４を構成する材料は、特には限定されないが、耐熱性の観点から、セラミックス系材料で構成することが好ましい。具体的には、アルミナ系材料、シリカ系材料、チタン系材料を用いることができる。このとき、多孔質材料の気孔率は３０〜９０％であることが好ましい。

上記燃料極２、及び空気極３は、例えば、ウエットコ−ティング法によって形成することができる。ウエットコ−ティング法としては、スクリーン印刷法、電気泳動（ＥＰＤ）法、ドクターブレード法、スプレーコート法、インクジェット法、スピンコ−ト法、ディップコート法等が例示できる。その際、これら燃料極２及び空気極３、は、ペースト状にする必要があり、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。

次に、上記のように構成された固体酸化物形燃料電池の製造方法の一例について図面を参照しつつ説明する。図２は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の製造方法を示す説明図である。ここでは、スクリーン印刷によって電極を形成する方法について説明する。

まず、上記の電解質粉末材料をプレス成形し、公知の条件で焼結することにより板状の電解質基板１を準備する。次に、図２（ａ）に示すように、電解質１の上面に帯状の燃料極ペーストを塗布し、所定時間、乾燥・焼結することで、燃料極２を形成する。ここで用いる燃料極ペーストにおけるセラミック材料の粉末の粒径は、例えば、０．０１〜１．０μｍにすることができる。続いて、図２（ｂ）に示すように、燃料極２の上面の一部を覆うように、電解質１の上面に絶縁部材４を形成する。これに続いて、図２（ｃ）に示すように、絶縁部材４の上面の一部を覆うように電解質１の上面に、帯状の空気極ペーストを塗布し、所定時間、所定温度で乾燥・焼結して空気極３を形成する。このとき、空気極ペーストは、絶縁部材４の上面に形成し、燃料極２に接触しないようにする。こうして、燃料電池が完成する。

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、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、電解質１の上面に供給し、この混合ガスと両電極２，３とを接触させる。こうして、燃料極２及び空気極３がそれぞれ、混合ガス中の燃料ガス及び酸化剤ガスと選択的に反応するめ、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、燃料極２と空気極３との間の全てに絶縁部材４を配置するので、両電極の距離が短くなったとしても、接触を防止することができる。したがって、オーミック抵抗の低減が可能になり、電池性能を向上することができる。このように、絶縁部材４を介して燃料極２と空気極３とを隣接させた場合、両電極２，３の距離ｄは、例えばスクリーン印刷を用いた場合、１０〜２００μｍまで近接させることができる。

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、絶縁部材４を燃料極２の上面の一部を覆うように配置しているが、これに限定されるものではなく、種々の態様で電極及び絶縁部材を配置することができる。例えば、図３（ａ）に示すように、絶縁部材４を単に、両電極２，３の間に配置することもできる。また、図３（ｂ）に示すように、絶縁部材４で、燃料極２全体を覆うこともできる。このとき、絶縁部材４は多孔質材料で形成する必要があり、こうすることで、混合ガスが絶縁部材４を透過して燃料極に供給することができる。

また、図４に示すように、基板６を準備し、この上面に電解質１を薄膜状に形成することもできる。本発明のような非隔式固体酸化物形燃料電池では、電池反応に寄与している電解質１は、電極が形成された表面付近であるため、電解質１を薄くしても性能が低下することはない。むしろ、こうすることで、電解質１の材料コストを低減することができる。また、基板６を用いることにより、電池の機械強度を大きく向上することができる。このような基板６としては、電解質１との密着性に優れた材料で形成されることが好ましく、具体的には、ＳＵＳ、またはアルミナ系材料、シリカ系材料、チタン系材料等のセラミックス系材料を好ましく用いることができる。特に、１０００℃以上の耐熱性に優れたセラミックス系材料を用いることが好ましい。なお、基板６の厚みは、５０μｍ以上にすることが好ましい。このとき、電解質１の膜厚は、例えば、１０〜５０００μｍであることが好ましく、５０〜２０００μｍであることがさらに好ましい。

また、図５に示すように、本発明に係る電池は、複数組の燃料極２及び空気極３をインターコネクター５で接続することで、出力を向上することができる。インターコネクター５は、隣接する電池の燃料極２と空気極３とを接続する。インターコネクター５は、例えば、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ，ステンレス系材料等の導電性金属材料，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金属酸化物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。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の一実施形態を示す正面断面図である。 図１の固体酸化物形燃料電池の製造方法を示す図である。 図１の固体酸化物形燃料電池の他の例を示す正面断面図である。 図１の固体酸化物形燃料電池の他の例を示す正面断面図である。 図１の固体酸化物形燃料電池の他の例を示す正面断面図である。

符号の説明

１ 電解質
２ 燃料極
３ 空気極
４ 絶縁部材

Claims (11)

1. 電解質と、
   前記電解質の一方面に配置され、燃料極、空気極、及び絶縁部材を有する少なくとも１つの電極体と、を備え、
   前記燃料極と空気極とは、前記電解質上で、前記絶縁部材を介して隣接して配置され、
   前記絶縁部材は、前記燃料極と空気極と間の全てに配置され、前記燃料極及び空気極と接している、固体酸化物形燃料電池。
2. 前記絶縁部材は、前記燃料極及び空気極のいずれか一方の電極の上面に延びている、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
3. 他方の電極は、前記絶縁部材の上面に延びている、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 電解質と、
   前記電解質の一方面に配置され、燃料極、空気極、及び絶縁部材を有する少なくとも１つの電極体と、を備え、
   前記燃料極と空気極とは、前記電解質上で、前記絶縁部材を介して隣接して配置され、
   前記絶縁部材は、前記燃料極と空気極と間の全てに配置され、
   前記絶縁部材は、前記燃料極及び空気極のいずれか一方の電極の上面に延びており、
   他方の電極は、前記絶縁部材の上面に延びている、固体酸化物形燃料電池。
5. 前記絶縁部材は多孔質である、請求項１から４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
6. 電解質と、
   前記電解質の一方面に配置され、燃料極、空気極、及び絶縁部材を有する少なくとも１つの電極体と、を備え、
   前記燃料極と空気極とは、前記電解質上で、前記絶縁部材を介して隣接して配置され、
   前記絶縁部材は、多孔質であり、前記燃料極と空気極と間の全てに配置されている、固体酸化物形燃料電池。
7. 前記絶縁部材の気孔率が、３０〜９０％である、請求項５または６に記載の固体酸化物形燃料電池。
8. 電解質の一方面に、燃料極または空気極のいずれか一方の電極を形成する第１のステップと、
   前記一方の電極と接するように、前記電解質の一方面に絶縁部材を形成する第２のステップと、
   前記絶縁部材と接し、且つ前記一方の電極とは接しないように、前記電解質上に他方の電極を形成する第３のステップと、
   を備え、
   前記絶縁部材は前記燃料極と空気極と間の全てに配置されている、固体酸化物形燃料電池の製造方法。
9. 前記第２のステップにおいて、前記絶縁部材は、前記一方の電極の上面に延びるように形成され、前記第３のステップにおいて、前記他方の電極は前記絶縁部材の上面に形成される、請求項８に記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。
10. 前記絶縁部材は多孔質である、請求項８または９に記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。
11. 前記絶縁部材の気孔率が、３０〜９０％である、請求項１０に記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。

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