JP6486709B2 - 固体酸化物形燃料電池及び固体酸化物形燃料電池の製造方法 - Google Patents
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Description
図3は特許文献1に開示される円筒型固体酸化物形燃料電池のセルスタックの縦断面図である。円筒型固体酸化物形燃料電池では、複数の円筒形状のセルスタック201が電気的に並列に接続されて燃料電池内部に収容される。各セルスタック201において、例えばカルシウム安定化ジルコニア(CSZ)製の多孔質の基体(基体管)203上に、燃料極209、固体電解質膜211、及び、空気極213が積層された燃料電池セル205が複数形成され、隣接する燃料電池セル205がインターコネクタ207で連結される。隣接する燃料電池セル205間には、一方の燃料電池セル205の固体電解質膜211が基体203と接触して設けられる。
例えば、1つのセルスタックでの発電量を増大させるために、セル間の距離を縮めてセル数を増加させ、更にインターコネクタの幅を小さくした場合、セル間が近接することにより基体(基体管)を介した漏洩電流が発生する可能性が生じ、セル間の短絡発生が懸念される。
インターコネクタの形成工程において、燃料極及び固体電解質膜が急峻な勾配の端部を有する場合には、特に燃料極及び固体電解質膜の先端にインターコネクタ材料が入り込めず空間(気泡等)が発生しやすい場合がある。燃料電池の運転中及び起動/停止の際にこの空間を起点としてインターコネクタが損傷しやすかった。本発明ではインターコネクタが形成される領域では固体電解質膜及び燃料極が緩やかな勾配を有することになるので、インターコネクタ用材料を燃料極と固体電解質膜の先端にも確実に充填できる。この結果、緻密なインターコネクタを形成できるとともに、運転中のインターコネクタの損傷を防止することが可能である。
また本発明の固体酸化物形燃料電池及びその製造方法では、特にインターコネクタをセル間に形成する際に、隙間なくインターコネクタをセル間に配置させることができる。
本実施形態では、セルスタックは円筒型(基体が円筒形状)として説明するが、これに限定されない。例えば、セルスタックは楕円型(基体が楕円筒形状)としても良い。
図2は本実施形態のセルスタックの燃料電池セル間の拡大概略図である。本実施形態において、燃料極109の両端部はそれぞれ異なる形状を有している。燃料極109の一方の端部109b(図1において燃料極109の左側の端部)の基体103表面に対する勾配は、燃料極109の他方の端部109a(図1において燃料極109の右側の端部)の基体103表面に対する勾配よりも緩やか(端部109bの基体103表面に対す傾斜角度の方が小さい)である。
このように材料を適切に選択することにより、各層の収縮率及び熱膨張係数を基体に整合させる。
空気極113は2層構成とすることもできる。この場合、固体電解質膜111側の空気極層(空気極中間層)はSmドープCeO2などの高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層上の空気極層(空気極導電層)は、La(Sr,Ca)MnO3で表されるペロブスカイト型酸化物(Sr及びCaドープLaMnO3)で構成されると良い。こうすることにより、発電性能を向上させることができる。
基体103は、例えば押出し成形法により形成される。基体103の直径は、軸方向で略均一となっている。
空気極113を2層構成とする場合には、空気極中間層用材料の粉末及び空気極導電層用材料の粉末を用いてそれぞれスラリーが作製される。各スラリーがスクリーン印刷またはディスペンサを用いて基体103の所定位置に塗布される。
以上によりセルスタック101の形成工程が終了する。
103 基体
105 燃料電池セル
107 インターコネクタ
109 燃料極
109a,109b 燃料極の端部
111 固体電解質膜
111a 固体電解質膜の端部
113 空気極
115 リード膜
Claims (6)
- 基体上に、燃料極と固体電解質膜と空気極とを備える複数の燃料電池セルと、隣接する前記燃料電池セルを電気的に接続するインターコネクタとを備えるセルスタックを有する固体酸化物形燃料電池であって、
前記燃料極の一方の端部の前記基体表面に対する勾配が、前記燃料極の他方の端部の前記基体表面に対する勾配よりも緩やかであり、
隣接する前記燃料極の間に位置する前記基体のうち、前記他方の端部側に位置する前記基体の表面が前記固体電解質膜と接触し、残りの前記基体の表面が前記インターコネクタと接触し、
前記他方の端部の先端での前記固体電解質膜の最小膜厚が、前記燃料極の表面に位置する前記固体電解質膜の厚さよりも厚い固体酸化物形燃料電池。 - 前記燃料極の表面に位置する前記固体電解質膜の膜厚が10μm以上100μm以下の範囲内であり、
前記最小膜厚が100μm以上である請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池。 - 前記基体が、安定化ジルコニア、安定化ジルコニアと酸化ニッケルとの混合物、MgAl2O4、SrZrO3のいずれかであり、
前記燃料極が、Niとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物であり、
前記固体電解質膜がジルコニア系電解質材料であり、
前記インターコネクタが、Al2O3が3mol%以上5mol%以下の割合で添加された、チタネート系ペロブスカイト型化合物である請求項1または請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池。 - 基体上に、燃料極と固体電解質膜と空気極とを備える複数の燃料電池セル、及び、隣接する前記燃料電池セルを電気的に接続するインターコネクタを有するセルスタックを備える固体酸化物形燃料電池の製造方法であって、
前記燃料極の一方の端部の前記基体表面に対する勾配が他方の端部の前記基体表面に対する勾配よりも緩やかになるように、前記燃料極が形成される工程と、
前記燃料極上、及び、隣接する前記燃料電池セルの間における前記他方の端部側の前記基体上に、前記固体電解質膜が形成される工程と、
隣接する前記燃料電池セルの間において、前記燃料極上、前記固体電解質膜上、及び、前記一方の端部側の前記基体上に、前記インターコネクタが形成される工程とを含み、
隣接する前記燃料電池セルの間に位置する前記基体のうち、前記他方の端部側の前記基体が前記固体電解質膜と接触し、残りの前記基体が前記一方の端部側で前記インターコネクタと接触するように、前記固体電解質膜及び前記インターコネクタが形成され、
前記他方の端部の先端での前記固体電解質膜の最小膜厚が、前記燃料極の表面に位置する前記固体電解質膜の厚さよりも厚くなるように前記固体電解質膜が形成される固体酸化物形燃料電池の製造方法。 - 前記燃料極の表面に位置する前記固体電解質膜が10μm以上100μm以下の範囲内であり、前記最小膜厚が100μm以上となるように、前記固体電解質膜が形成される請求項4に記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。
- 前記基体が、安定化ジルコニア、安定化ジルコニアと酸化ニッケルとの混合物、MgAl2O4、SrZrO3のいずれかであり、
前記燃料極が、Niとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物であり、
前記固体電解質膜がジルコニア系電解質材料であり、
前記インターコネクタが、Al2O3が3mol%以上5mol%以下の割合で添加された、チタネート系ペロブスカイト型化合物である請求項4または請求項5に記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。
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