JP6819587B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
本出願は、2015年7月16日出願の日本出願第2015−142287号、2016年1月29日出願の日本出願第2016−016684号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
最初に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
(1)本発明の燃料電池は、カソード、アノード、および、前記カソードおよび前記アノードの間に介在する固体電解質層を備えており、前記固体電解質層がイオン伝導性を有する固体酸化物を含むMEAと、前記カソードおよび前記アノードの少なくとも一方に対向するように配置される少なくとも1つの第1金属多孔体と、前記第1金属多孔体に対向するように配置され、かつ、ガス供給口およびガス排出口が形成されたインターコネクタと、を備える。このとき、前記第1金属多孔体は、前記ガス供給口に対向し、かつ、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体Sと、前記金属多孔体S以外の三次元網目状の骨格を有する金属多孔体Hと、を有し、前記金属多孔体Sの気孔率Psと、前記金属多孔体Hの気孔率Phとが、Ps<Phの関係を満たす。これにより、ガス拡散性能が向上する。
(10)前記気孔率Psに対する前記気孔率Phの割合が1.05〜2であることが好ましい。これによりガス拡散性能が向上する。
(11)前記金属多孔体Sの気孔径が100〜1000μmであり、前記金属多孔体Hの気孔径が300〜3500μmであることが好ましい。これにより圧力損失を低減できることができる。
本発明の実施形態を具体的に以下に説明する。なお、本発明は、以下の内容に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
以下、本実施形態に係る燃料電池を、図1〜図4、図5Aおよび図5Bを参照しながら説明する。図1は、燃料電池の一実施態様を模式的に示す断面図である。図2は、金属多孔体の骨格の一部の構造の一例を示す模式図であり、図3は、その骨格の一部の断面を模式的に示す断面図である。図4は、一実施形態に係るインターコネクタを模式的に示す上面図である。図5Aおよび図5Bは、一実施形態に係る第1金属多孔体の構成を模式的に示す上面図である。なお、図示例では、MEA、インターコネクタおよび第1金属多孔体が円形である場合を示しているが、これに限定されるものではない。MEA1、インターコネクタ3および第1金属多孔体2は、例えば、矩形、楕円形、多角形等であっても良い。
第1金属多孔体2(金属多孔体S、H)および後述する第2金属多孔体6は、三次元網目状の骨格を有しており、例えば、不織布状の構造や、スポンジ状の構造を有する。このような構造は、空孔および金属製の骨格を有する。例えば、スポンジ状の構造を有する金属多孔体は、空孔および金属製の骨格を有する複数のセルにより構成される。
このように、金属被覆処理の後、内部の樹脂を除去すると、金属多孔体の骨格の内部に空洞が形成されて、中空となる。このようにして得られる金属多孔体は、樹脂製発泡体の形状に対応する三次元網目構造の骨格を有する。なお、市販の金属多孔体としては、住友電気工業株式会社製の「アルミセルメット」(登録商標)や銅またはニッケルの「セルメット」(登録商標)を用いることができる。
第1金属多孔体2は、MEA1とインターコネクタ3との間に介在している。第1金属多孔体2は、主に、ガス供給口4から供給された原料ガスを拡散し、MEA1に供給する役割を有する。
そのため、複数の金属多孔体を同一平面上に隙間なく配置することができる。第1金属多孔体2を構成する複数の金属多孔体は、その骨格同士が絡み合うことにより接合されていても良い。金属多孔体同士の接合(骨格同士の絡み合い)については、後述する。
この場合も、上記と同様、ガス供給口4から第1金属多孔体2に供給された原料ガスは、点Cから、気孔率のより大きな第2領域HRに向かって拡散する。図7Aでは、第1領域SRの形状が正多角形(正八角形)である場合を示しているが、第1領域SRの形状は特に限定されず、例えば、3角形〜12角形であり得る。また、図示例のようにすべての辺の長さが等しい正多角形であっても良いし、辺の長さが同じではない多角形であっても良い。
このとき、各金属多孔体の気孔率は、同じであっても良いし異なっていても良い。第2領域HRを構成する各金属多孔体の形状も特に限定されない。例えば、図5Aおよび5Bに示すように、第2領域HRを構成する各金属多孔体は、第1領域SR(金属多孔体S)に平行な帯状の形状であっても良いし、第2領域HRを直線Lに垂直な方向に複数に分割したような形状(図示せず)であっても良い。さらに、第2領域HRを構成する各金属多孔体は、これらを組み合わせた形状であっても良い。
上記比表面積は、例えば、それぞれ100〜9000m2/m3であっても良く、200〜6000m2/m3であっても良い。金属多孔体Sの比表面積は、金属多孔体Hの比表面積より大きくても良い。
なお、セル密度とは、金属多孔体の表面に長さ1インチ(=2.54cm)の直線を引いたとき、この直線上に存在する開口103の数である。金属多孔体Sのセル密度は、金属多孔体Hのセル密度より大きくても良い。
第1金属多孔体2に、三次元網目状の骨格を有する第2金属多孔体6を積層しても良い。第2金属多孔体6の気孔率P2は特に限定されず、配置場所および目的等に応じて適宜設定すれば良い。第2金属多孔体6も、複数の金属多孔体を組み合わせて形成されても良い。
気孔径が小さい場合、その表面の凹凸は小さくなる。そのため、第2金属多孔体6の気孔径D2が小さいほど、電極(アノード1a)との接触性が向上し易い。よって、抵抗が小さくなる。なかでも、電気抵抗およびガス拡散性のバランスの点で、第1金属多孔体2全体の気孔径D1と第2金属多孔体6の気孔径D2との比(D1/D2)は、1.2〜10であることが好ましく、1.5〜5であることがより好ましい。気孔径D2は、気孔径Dsと同様にして求められる。
MEA1は、カソード1cと、アノード1aと、カソード1cおよびアノード1aの間に介在し、イオン伝導性を有する固体電解質層1bと、を備える。カソード1cと、アノード1aと、固体電解質層1bとは、例えば、焼結により一体化されている。
カソード1cは、酸素分子を吸着し、解離させてイオン化することができる多孔質の構造を有している。カソード1cの材料としては、例えば、燃料電池、ガス分解装置または水素製造装置のカソードとして用いられる公知の材料を用いることができる。カソード1cの材料は、例えば、ランタンを含み、ペロブスカイト構造を有する化合物である。具体的には、ランタンストロンチウムコバルトフェライト(LSCF、La1−aSaFe1−bCobO3−δ、0.2≦a≦0.8、0.1≦b≦0.9、δは酸素欠損量である)、ランタンストロンチウムマンガナイト(LSM、La1−cScMnO3−δ、0.2≦c≦0.8、δは酸素欠損量である)、ランタンストロンチウムコバルタイト(LSC、La1−HRSHRCoO3−δ、0.2≦HR≦0.8、δは酸素欠損量である)等が挙げられる。
アノード1aは、イオン伝導性の多孔質構造を有している。例えば、プロトン伝導性を有するアノード1aでは、後述する流路から導入される水素などの燃料を酸化して、水素イオン(プロトン)と電子とを放出する反応(燃料の酸化反応)が行われる。
固体電解質層1bは、イオン伝導性を有する固体酸化物を含む。固体電解質層1bを移動するイオンとしては特に限定されず、酸化物イオンであっても良いし、プロトンであっても良い。なかでも、固体電解質層1bは、プロトン伝導性を有することが好ましい。プロトン伝導型酸化物型燃料電池(Protonic Ceramic Fuel Cells、PCFC)は、例えば400〜600℃の中温域で稼働できる。そのため、PCFCは、多様な用途に使用可能である。
MEA1の製造方法は、特に限定されず、従来公知の方法を用いることができる。例えば、アノード用材料をプレス成形する工程と、得られたアノード成形体の片面に、固体酸化物を含む固体電解質用材料を積層し、焼結する工程と、焼結された固体電解質用材料の表面に、カソード用の材料を積層し、焼結する工程と、を備える方法により、製造することができる。このようにして製造されたMEA1において、アノード1aと固体電解質層1bとカソード1cとは一体化されている。
焼結は、常圧下または加圧下で行うことができる。
インターコネクタ3は、燃料ガスと空気とを分離する。MEA1と金属多孔体2とインターコネクタ3とが組み合わされて、一つの構成単位が形成される。燃料電池10が、積層された複数の上記構成単位を含む場合、インターコネクタ3の一方の面を第1金属多孔体2に接触させ、他方の面をMEA1の一方の面に接触させても良い。
また、本方式において、高分子電解質膜と電極として用いられる上記金属多孔体とは、圧着されることにより導通する。そのため、両者を圧着する際の各電極の変形およびクリープによる電気抵抗増加が実用上問題ない範囲になるように、上記金属多孔体の単位面積当たりの質量を調節することが好ましい。上記金属多孔体の単位面積当たりの質量は、400g/m2以上が好ましい。
上記アルカリ水電解方式を用いる水素製造装置に関し、以下の付記1−1を開示する。
(付記1−1)
アルカリ性水溶液を収容する電解槽と、
前記アルカリ性水溶液に浸漬される陽極および陰極と、
前記陽極と前記陰極との間に電圧を印加する電源と、を備え、
前記陽極および前記陰極の少なくとも一方が、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体を含む、水素製造装置。
(付記1−2)
陽極、陰極およびアルカリ性水溶液を、それぞれ準備する工程と、
前記アルカリ性水溶液に、前記陽極および前記陰極を浸漬する工程と、
前記陽極と前記陰極との間に電圧を印加する工程と、を備え、
前記陽極および前記陰極の少なくとも一方が、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体を含む、水素の製造方法。
(付記2−1)
陽極と、
陰極と、
前記陽極と前記陰極との間に介在する高分子電解質膜と、
前記陽極と前記陰極との間に電圧を印加する電源と、を備え、
少なくとも前記陽極が、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体を含む、水素製造装置。
(付記2−2)
陽極、陰極、および、前記陽極と前記陰極との間に介在する高分子電解質膜を準備する工程と、
前記陽極に水を導入する工程と、
前記陽極と前記陰極との間に電圧を印加する工程と、を備え、
少なくとも前記陽極が、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体を含む、水素の製造方法。
(付記3−1)
陽極と、
陰極と、
前記陽極と前記陰極との間に介在する固体酸化物電解質膜と、
前記陽極と前記陰極との間に電圧を印加する電源と、を備え、
前記陽極および前記陰極の少なくとも一方が、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体を含む、水素製造装置。
(付記3−2)
陽極、陰極、および、前記陽極と前記陰極との間に介在する固体酸化物電解質膜を準備する工程と、
前記陽極または前記陰極に水蒸気を導入する工程と、
前記陽極と前記陰極との間に電圧を印加する工程と、を備え、
前記陽極および前記陰極のうち、少なくとも前記水蒸気が導入される電極が、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体を含む、水素の製造方法。
気孔率の異なる7種類の金属多孔体の前駆体(前駆体a〜g)として、住友電気工業株式会社製のニッケルのセルメット(登録商標)、品番#1〜#6および#8を準備した。
前駆体a〜gの気孔率等を表1に示す。
得られた前駆体a〜gを所望の形状に切断し、組み合わせて、第1前駆体を形成した。
別途、前駆体a〜gのうちの1種類を第1前駆体と同じ大きさに切断し、第2前駆体を形成した。第1前駆体と第2前駆体とを積層し、1MPaの荷重でロールプレスを行って、第1前駆体と第2前駆体とを接合した。得られた複合材料A〜Fの構成を表2および3に示す。なお、第1金属多孔体および第2金属多孔体に含まれる各金属多孔体の気孔率、気孔径およびセル径は、前駆体a〜gよりもそれぞれ5%減少していた。以下に、各複合材料について詳述する。
複合材料A〜Cは、いずれも同じ構成の第1前駆体と、異なる種類の第2前駆体とを接合して形成した。第1前駆体は、第1領域SR(金属多孔体S)に1種類の前駆体を用い、第2領域HR(金属多孔体H)に以下に示す複数の前駆体を用いた。第1前駆体は、図5Bに示す分割領域HR1〜HR4に替えて、分割領域HR1〜HR6に分割された構成とした。具体的には、図5Bに示す分割領域HR3の外側に分割領域HR5をさらに配置し、分割領域HR4の外側に分割領域HR6をさらに配置した。プレス加工後の金属多孔体Sの幅(直線Lに垂直な方向の長さ)は12mmであり、金属多孔体Hを構成する各金属多孔体(HR1〜HR6)の幅はそれぞれ24mmであり、第1金属多孔体および第2金属多孔体の厚みはいずれも1mmであった。複合材料A〜Cに使用された前駆体の種類およびその配置、並びにプレス加工後の各気孔率を、表2に示す。
複合材料D〜Fは、いずれも同じ構成の第1前駆体と、異なる種類の第2前駆体とを接合して形成した。第1前駆体は、第1領域SR(金属多孔体S)に1種類の前駆体を用い、第2領域HR(金属多孔体H)に以下に示す複数の前駆体を用いた。第1前駆体は、図7Bに示す分割領域HR1、HR2に替えて、分割領域HR1〜HR4に分割された構成とした。具体的には、図7Bに示す環状の分割領域HR2の外側にさらに環状の分割領域HR3を配置し、分割領域HR3の外側にさらに環状の分割領域HR4を配置した。プレス加工後の金属多孔体Sの幅(直線Lに垂直な方向の長さ)は10mmであり、環状の金属多孔体Hを構成する各金属多孔体(HR1〜HR4)の幅((外径−内径)/2)はそれぞれ10mmであり、第1金属多孔体および第2金属多孔体の平均の厚みはいずれも1mmであった。複合材料D〜Fに使用された前駆体の種類とその配置、並びにプレス加工後の各気孔率を、表3に示す。
複合材料Aを用いて、以下の手順で、燃料電池を作製した。
下記の手順でMEAを作製した。
まず、BZY(BaZr0.8Y0.2O2.9)に、Ni(触媒成分)を70体積%含むようにNiOを混合し、ボールミルによって粉砕混練した。次いで、得られた混練物をプレス成形して、アノードを構成する成形体(厚さ550μm)を形成し、1000℃で仮焼結した。続いて、上記成形体の一方の面に、BZY(BaZr0.8Y0.2O2.9)と水溶性バインダ樹脂(エチルセルロース)とを混合したペーストをスクリーン印刷によって塗布した後、750℃で水溶性バインダ樹脂を除去した。続いて、酸素雰囲気下、1400℃で共焼成させることにより、アノードと固体電解質層(厚さ10μm)とを形成した。
複合材料Aを、上記で得られたMEAのアノードの表面に、アノードに第1金属多孔体が対向するように積層し、さらに、平滑な表面を有するステンレス鋼製のアノード側インターコネクタを積層した。一方、カソードの表面に、ガス流路を有するステンレス鋼製のカソード側インターコネクタを積層し、図10Aに示す燃料電池Aを製作した。
動作温度を600℃として、作製された燃料電池Aのアノードに燃料ガス(水素)を0.3L/分で流し、カソードに空気を1L/分で流した時のガス拡散性を評価した。ガス拡散性は、アノードの表面における壁せん断応力、静圧、ガスの流線、ガスの速度ベクトルにより評価した。結果を図12に示す。図12は、アノードの表面の1/4の部分における、A壁せん断応力の分布、B静圧の分布、C水素ガスの流線、D水素ガスの速度ベクトルを示している(以下、図13〜18についても同じ)。図中、白く見えている部分はシールされている部分であり、図12CおよびDにおいて、右下にある半円は、排出口の一部を示している(以下、図13〜18についても同じ)。
複合材料Aを、アノードに第2金属多孔体が対向するように積層したこと以外は、実施例1と同様にして、図10Bに示す燃料電池Bを作製し、評価した。結果を図13に示す。
複合材料Bを用い、アノードに第2金属多孔体が対向するように積層したこと以外は、実施例1と同様にして、図10Bに示す燃料電池Cを作製し、評価した。結果を図14に示す。
複合材料Cを用い、アノードに第2金属多孔体が対向するように積層したこと以外は、実施例1と同様にして、図10Bに示す燃料電池Dを作製し、評価した。結果を図15に示す。
複合材料Dを用いたこと以外は、実施例1と同様にして、図10Aに示す燃料電池Eを作製し、評価した。結果を図16に示す。
複合材料Eを用いたこと以外は、実施例1と同様にして、図10Aに示す燃料電池Fを作製し、評価した。結果を図17に示す。
複合材料Fを用いたこと以外は、実施例1と同様にして、図10Aに示す燃料電池Gを作製し、評価した。結果を図18に示す。
Claims (9)
- カソード、アノード、および、前記カソードおよび前記アノードの間に介在する固体電解質層を備えており、前記固体電解質層がイオン伝導性を有する固体酸化物を含むMEAと、
前記カソードおよび前記アノードの少なくとも一方に対向するように配置される少なくとも1つの第1金属多孔体と、
前記第1金属多孔体に対向するように配置され、かつ、ガス供給口およびガス排出口が形成されたインターコネクタと、を備え、
前記第1金属多孔体が、前記ガス供給口に対向し、かつ、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体Sと、前記金属多孔体S以外の三次元網目状の骨格を有する金属多孔体Hと、を有し、
前記金属多孔体Sの気孔率Psと、前記金属多孔体Hの気孔率Phとが、Ps<Phの関係を満たし、
前記気孔率Psが、85体積%以上である、燃料電池。 - 前記金属多孔体Sが、さらに前記ガス排出口に対向しており、かつ、前記ガス供給口の中心と前記ガス排出口の中心とを最短距離で結ぶ直線に沿った帯状の形状である、請求項1に記載の燃料電池。
- 前記金属多孔体Sが、前記ガス供給口の中心に対応する中心を有する円形または多角形の形状である、請求項1に記載の燃料電池。
- 前記インターコネクタの前記第1金属多孔体に対向する面が、平滑である、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池。
- さらに、前記第1金属多孔体に積層され、かつ、三次元網目状の骨格を有する第2金属多孔体を備える、請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記第1金属多孔体と前記第2金属多孔体とが接合されており、
前記接合する部分において、前記第1金属多孔体の前記骨格と前記第2金属多孔体の前記骨格とが絡み合っている、請求項5に記載の燃料電池。 - 前記第2金属多孔体が、前記第1金属多孔体と前記カソードまたは前記アノードとの間に介在しており、
前記第2金属多孔体の気孔径が、100〜1000μmである、請求項5または請求項6に記載の燃料電池。 - 少なくとも前記アノードに対向する前記第1金属多孔体を備える、請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記金属多孔体Sの気孔径が100〜1000μmであり、前記金属多孔体Hの気孔径が300〜3500μmである、請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載の燃料電池。
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