JP6048974B2 - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents
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Description
一対の最外層の間に、固体電解質層を介してアノード用内部電極層とカソード用内部電極層とが積層され、一体焼結してある素子本体を有する固体酸化物形燃料電池であって、
前記アノード用内部電極層およびカソード用内部電極層の少なくともいずれか一方が、前記素子本体の外表面に露出する第1端と、前記第1端と異なる位置で前記素子本体の外表面に露出する第2端とを有する。
前記柱状電極が前記素子本体の外表面に露出する端部が、前記第1端または前記第2端を構成してもよい。
前記アノード用内部電極の前記第1端または第2端を含む位置で、前記素子本体に、燃料ガスを含む炎が当てられ、
前記カソード用内部電極の前記第1端および第2端の少なくとも一方が、前記炎の側部外側に位置する。
アノードとカソードとが固体電解質を介して交互に複数積層される素子本体を有し、
前記アノードと前記カソードとが、それらの積層方向から見て、それぞれの一部が重ならない非重なり部を有しており、
前記非重なり部において積層方向に隣接する前記固体電解質同士を接続する仕切り部が前記非重なり部に設けられて、前記複数のアノードと前記複数のカソードと前記固体電解質と前記仕切り部とが一体で焼成されて前記素子本体が構成され、
前記アノードと前記カソードとの少なくとも一方は、前記素子本体の外表面の第1所定位置から、前記第1所定位置とは異なる前記素子本体の外表面の第2所定位置までの前記素子本体内を貫通するように配置してあることを特徴とする。
前記素子本体の内部に積層してある前記複数のカソードのうち前記素子本体の表面に最も近いカソードは、前記カソードの平面から設けられて一端部が前記素子本体の表面に引き出されるカソード用貫通体を有してもよい。
図1は、燃料電池の概念図である。図1を用いて、燃料電池の一般的な動作原理を説明する。本実施形態で対象とする燃料電池FCは固体酸化物形燃料電池(以下、「SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)」という)である。燃料電池FCは、水の電気分解とは逆に、燃料中の水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させ、燃料のもつ化学的なエネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。カソード(空気極)Caでは、酸素(空気)Aが外部回路から電子e− を受け取り、酸素イオンO2−となって電解質Eを伝ってアノード(燃料極)Anへ移動する。アノードAnでは、酸素イオンO2−と外部から供給された燃料F(水素H2 )とが反応して、2個の電子e− を電極へ送り出す。この電子e− は、負荷Lを通って反対側のカソードCaに流れる。電子e− の流れる方向と反対方向に電流Iが流れる。そして、水素H2 は、負の電荷を帯びた酸素イオンO2−と結合し、水となる。これを化学式で示せば、
カソード:(1/2)O2 +2e− →O2−
アノード:O2−+H2 →H2 O+2e−
全体:(1/2)O2 +H2 →H2 O
となる。なお、SOFCは、H2 以外(例えば、CO)も燃料として使用できる。
図19は、実施形態2に係るSOFCのアノード用内部電極層とカソード用内部電極層との重なり状態を示す透視図である。図20は、実施形態2に係るSOFCが有するカソード用内部電極層の平面図である。図21は、実施形態2に係るSOFCにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。
図22は、実施形態3に係るSOFCのアノード用内部電極層とカソード用内部電極層との重なり状態を示す透視図である。図23は、実施形態3に係るSOFCが有するアノード用内部電極層の平面図である。図24は、実施形態3に係るSOFCが有するカソード用内部電極層の平面図である。図25Aおよび図25Bは、実施形態3に係るSOFCにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。
図26は、実施形態4に係るSOFCのアノード用内部電極層とカソード用内部電極層との重なり状態を示す透視図である。図27は、実施形態4に係るSOFCが有するアノード用内部電極層の平面図である。図28は、実施形態4に係るSOFCが有するカソード用内部電極層の平面図である。図29は、実施形態4に係るSOFCにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。図30は、実施形態4に係る別のSOFCにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。
図31Aは、実施形態5に係るSOFCの内部構造を示す断面図である。図31Bは、実施形態5に係るSOFCの内部構造を示す一部断面斜視図である。図32は、実施形態5に係るSOFCが有するアノード用内部電極層の平面図である。図33は、実施形態5に係るSOFCが有するカソード用内部電極層の平面図である。図34は、実施形態5に係るSOFCの平面図である。図35は、実施形態5に係るSOFCにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。図36は、実施形態5に係るSOFCを用いて炎から電力を得る状態を示す模式図である。
上述した実施形態1〜実施形態5に係るSOFC1、1a、1b、1c、1dを製作し、発電性能を評価した。比較例として、アノード用内部電極層とカソード用内部電極層との各々の一方の端縁がSOFCの素子本体を貫通しない(露出していない)ものを作製し、発電性能を評価した。実施形態1〜実施形態5及び比較例のサンプルは、厚みが25μmの固体電解質を介在させながら、両内部電極層(アノード用内部電極層及びカソード用内部電極層)の厚みが40μmのものを交互に積層して作製した。両内部電極層は交互に2層ずつ4層と、それらの間に固体電解質層が3層となるようにした。両内部電極層の重なり合う面積、すなわち、電極有効面積は1層あたり6.7mm2 となるようにした。
図39は、本発明の実施形態6に係るSOFCにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。図39に示す実施形態6に係るSOFC1eは、以下に示す以外は、前述した実施形態1〜5のSOFCと同様である。この実施形態に係るSOFC1eの素子本体10eでは、アノード用内部電極層2eが素子本体10eの同一の外表面である面10Beに第1端2e1と第2端2e2とで露出している。また、カソード用内部電極層3eが素子本体10eの同一の外表面である面10Deに第1端3e1と第2端3e2とで露出している。
図40は、本発明の実施形態7に係るSOFCにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。図40に示す実施形態7に係るSOFC1fは、以下に示す以外は、前述した実施形態1〜6のSOFCと同様である。この実施形態に係るSOFC1fの素子本体10fでは、アノード用内部電極層2fが素子本体10fの対向する2つの外表面である面10Bfおよび10Dfに、それぞれ第1端2f1と第2端2f2とで露出している。また、カソード用内部電極層3fが素子本体10fの対向する2つの外表面である面10Afおよび10Cfに、それぞれ第1端3f1と第2端3f2とで露出している。
図41は、本発明の実施形態8に係るSOFCにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。図42は、本実施形態8の変形例に係るSOFCにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。図43は、本実施形態8の別の変形例に係るSOFCにおける燃料及び酸素の流れを示す模式図である。図41に示す実施形態8に係るSOFC1gは、以下に示す以外は、前述した実施形態1〜7のSOFCと同様である。この実施形態に係るSOFC1gの素子本体10gでは、アノード用内部電極層2gが素子本体10gの隣接する3つの外表面である面10Bg、10Agおよび10Dgに、それぞれ単一の第1端2g1と2つの第2端2g2とで露出している。アノード用内部電極層2gは、面10Cgには露出しないようになっている。また、カソード用内部電極層3gは素子本体10gの隣接する3つの外表面である面10Cg、10Dgおよび10Agに、それぞれ単一の第1端3g1と2つの第2端3g2とで露出している。カソード用内部電極層3gは、面10Bgには露出しないようになっている。
2、2a〜2i、202 アノード用内部電極層
2C アノード用貫通体(柱状電極)
2TB、2TD アノード用内部電極層の第1端または第2端
3、3a〜3i、203 カソード用内部電極層
3C カソード用貫通体(柱状電極)
3TA、3TC カソード用内部電極層の第1端または第2端
4 固体電解質層
5 仕切り部
6 非重なり部
10、10a〜10i、210 素子本体
10A、10B、10C、10D、10E、10F、10Aa、10Ba、10Ca、10Da、10Ab、10Bb、10Cb、10Db、10Ac、10Bc、10Cc、10Dc、10Ad、10Bd、10Cd、10Dd、10Ed、10Fd、10Ae,10Be、10Ce、10De、10Af、10Bf、10Cf、10Df、10Ag、10Bg、10Cg、10Dg、10Ah、10Bh、10Ch、10Dh、10Ai、10Bi、10Ci、10Di 面
11、211 第1外部電極
12、212 第2外部電極
20、21 仕切り
23、24 導入通路
30 計測器
31 銅パイプ
100 積層体
101A、101C 単位シート
102 アノード用内部電極層
103 カソード用内部電極層
104 固体電解質グリーンシート
105 余白層
An アノード
Ca カソード
A 酸素(空気)の流れ
F 燃料の流れ
FC 燃料電池
E 電解質
N ガスバーナー
FL 炎
K 積層方向
Claims (6)
- 一対の最外層の間に、複数のアノード用内部電極層と複数のカソード用内部電極層とが固体電解質層を介して交互に積層され、一体焼結してある素子本体を有する固体酸化物形燃料電池であって、
前記アノード用内部電極層およびカソード用内部電極層の少なくともいずれか一方が、前記素子本体の外表面に露出する第1端と、前記第1端と異なる位置で前記素子本体の外表面に露出する第2端とを有する
固体酸化物形燃料電池。 - 前記第1端および前記第2端の少なくともいずれか一方には、前記素子本体の外表面に形成してある外部電極が接続してある請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記第1端および前記第2端の少なくとも一方は、2以上である請求項1または2に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 2以上の前記第1端または前記第2端が、前記素子本体の対向する二面にそれぞれ形成してある請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記第1端と前記第2端とは、前記素子本体の対向する二面にそれぞれ露出している請求項1〜4のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記第1端と前記第2端とは、前記素子本体の隣接する二面にそれぞれ露出している請求項1〜4のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
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