JP2005276536A - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い発電出力を得ることができる固形酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】 電解質１と、この電解質１の一方面に形成され燃料極３及び空気極５を有する少なくとも一つの電極体Ｅとを備えた固体酸化物形燃料電池において、燃料極３及び空気極５は、帯状に形成されるとともに、所定間隔をおいて平行に並んでおり、両電極３，５が並ぶ方向における燃料極３の電極幅Ｂが、１０〜１０００μｍである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体電解質を用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）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（スタック型）、円筒型（チューブ型）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完全に分離する役割を果たしており、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）。ところが、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。

さらに、次の問題もある。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を薄膜化することによる内部抵抗の低減が必要となるが、電解質が薄すぎると振動や熱サイクルなどに対して脆弱化してしまい、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主に固体電解質の表層付近で起こると考えられており、燃料極と空気極とを固体電解質の同一面上で近接させると、電池性能が向上する。したがって、電解質の厚みを必要以上に薄膜化する必要がなく、電池性能を維持したまま電解質の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）

しかしながら、上記特許文献３に記載の燃料電池であっても、その出力は充分とは言えず、さらなる改良の余地があった。

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、さらに高い発電出力を得ることができる固形酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。

本発明者は上記発明をさらに改良すべく研究を重ね、帯状に形成した空気極の幅（電極が並ぶ方向の長さ）を所定の長さにすることで、燃料電池の出力が向上することを見出した。本発明は、以下の点を特徴とする。
１．電解質と、前記電解質の一方面に形成され燃料極及び空気極を有する少なくとも一つの電極体とを備えた固体酸化物形燃料電池において、前記燃料極及び空気極は、帯状に形成されるとともに、所定間隔をおいて平行に並んでおり、前記両電極が並ぶ方向における前記空気極の電極幅が、１０〜１０００μｍである、固体酸化物形燃料電池。
２．前記空気極の電極幅が、１０〜５００μｍである、上記項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
３．前記空気極の電極幅が２０〜２００μｍであり、前記燃料極の電極幅は前記空気極の電極幅よりも大きい、上記項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池。
４．前記燃料極は、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有する酸化物イオン導電体と金属触媒との混合物で形成されている、上記項１から３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
５．前記空気極は、ペロブスカイト型構造を有する金属酸化物、及び貴金属の少なくとも一方を含む材料で形成されている、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。

本発明に係る固形酸化物形燃料電池によれば、高い出力を得ることができる。

以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の一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燃料電池の平面図（ａ）及びそのＡ−Ａ線断面図（ｂ）である。

図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池は、板状の電解質１と、この電解質１の一方面に配置される電極体Ｅとを備えている。電極体Ｅは、帯状に形成された燃料極３及び空気極５を有しており、これらが所定間隔をおいて配置されている。この間隔は、例えば１〜１０００μｍであることが好ましく、１０〜５００μｍであることがさらに好ましい。また、各電極３，５におけるの端部には、集電体３１，５１が形成されており、ここから電流が取り出されるようになっている。集電体３１，５１の位置は、各電極３，５で互いに反対側に配置されており、燃料極３の集電体３１は同図の上側である一端部に配置され、空気極５の集電体５１は同図の下側である他端部に配置されている。なお、集電部３１，５１は、上記のように各電極３，５の端部に形成することもできるし、電極３，５の全面に形成することもできる。

燃料極３の膜厚は、１〜３００μｍであることが好ましく、５〜１００μｍであることがさらに好ましい。これは、膜厚が小さすぎると三相界面長の低下により出力が低くなるからであり、膜厚が大きすぎると反応ガスの拡散不足による過電圧が増大しやすくなるため、膜厚が大きくなっても、それに応じた出力が得られないからである。つまり、コストパフォーマンスが低くなるからである。また、電極のオーム損も一因である。一方、空気極５の膜厚も、同様に、１〜３００μｍであることが好ましく、５〜１００μｍであることがさらに好ましい。その理由は、燃料極の場合と同様である。

また、後述するように、燃料極３をセリア系酸化物を有する材料、空気極５をサマリウム（Ｓｍ）をベースとしてコバルトを含んだ材料、そして電解質１をガドリニウムをドープしたセリア系酸化物（ＧＤＣ）からなる材料で形成した場合には、両電極３，５の膜厚は１０〜６５μｍとすることが好ましく、特に、燃料極３の膜厚を１０〜３５μｍ、空気極５の膜厚を１０〜４０μｍとすることが特性上好ましい。

また、両電極３，５において集電体３１，５１と、そこから最も離れた電極上の端部までの長さＬ（以下、「電極長さ」という）は、１００００μｍ以下であることが好ましく、１０００〜７０００μｍであることがさらに好ましく、４０００μｍ以下であることが特に好ましい。例えば、空気極５の場合は、集電体５１から電極上端部までの長さを上記のように設定することが好ましい。また、燃料極３の場合は、上記電極長さＬを空気極５と同じかそれよりも長くしても構わない。

さらに、両電極３，５について、上記電極長さＬと垂直な方向である各電極３，５が並ぶ方向の長さ、つまり電極幅Ｂについては、次のように設定することが好ましい。すなわち、空気極５については、５〜１０００μｍであることが好ましく、１０〜５００μｍであることがさらに好ましく、２０〜２００μｍであることが特に好ましい。一方、燃料極３の電極幅Ｂは、５〜１０００μｍであることが好ましく、５００〜７００μｍであることが好ましい。このとき、燃料極３の電極幅は、空気極５の電極幅よりも大きいことが好ましい。

次に、上記のように構成された燃料電池の材質について説明する。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（Ｃｅ，Ｓｍ）Ｏ₃，（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ₃等のセリア系酸化物，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｇａ，Ｍｇ）Ｏ₃等のランタン・ガレード系酸化物，スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ），イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等の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系材料を用いることができる。電解質１は、基板として用いられるため、ある程度の強度が必要であることから、その厚みは、例えば２００〜１０００μｍであることが好ましい。

燃料極３及び空気極５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３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（Ｃｅ，Ｓｍ）Ｏ₃，（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ₃などのセリア系酸化物、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）やイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などのジルコニア系酸化物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（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｇａ，Ｍｇ）Ｏ₃などの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５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、燃料極５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５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を有する金属酸化物で形成することができる。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などを挙げることができる。これらセラミックス粉末は、１種を単独で使用することもできるし、２種以上を混合して使用することもできる。また、Ｐｔ，Ｐｄ，Ａｕ等の貴金属で空気極５を形成することもでき、さらにはこのような貴金属と上記金属酸化物との混合物で空気極５を形成することもできる。

また、集電体３１，５１は、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ，ＳＵＳ等の導電性金属、或いは導電性金属系材料，又はＬａ（Ｃｒ，Ｍｇ）Ｏ₃，（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ₃，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ₃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３、及び空気極５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。そして、これら燃料極３及び空気極５の膜厚は焼結後に上述した膜厚にする。また、集電体３１，５１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。なお、集電体は導電性金属、或いは金属系材料からなるワイヤーやメッシュ状のもの等から形成されていてもよい。

次に、上述した燃料電池の製造方法の一例を説明する。まず、上述した材料からなる板状の電解質１を準備する。続いて、上述した燃料極３、及び空気極５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、感光性高分子、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成する。各ペーストの粘度は、次に説明するスクリーン印刷法に適合するように１０³〜１０⁶ｍＰａ・ｓ程度であることが好ましい。同様に、集電体用ペーストも、上述した粉末材料にバインダー樹脂等の添加物を加えて作成しておく。このペーストの粘度は上述した燃料極ペースト等と同じである。

続いて、電解質１上の図１（ａ）に示す位置に、燃料極ペーストをスクリーン印刷法により帯状に塗布した後、所定の時間及び温度で乾燥・焼結し、燃料極３を形成する。次に、電解質１上の燃料極３と対向する位置に、所定間隔をおいて帯状の空気極ペーストをスクリーン印刷法によって塗布し、所定時間及び温度で乾燥・焼結することにより、空気極５を形成する。そして、各燃料極３及び空気極５上に集電体ペーストを塗布した後、乾燥、焼結して集電体３１，５１を形成する。以上の工程により、図１に示すような燃料電池が完成する。なお、感光性高分子を用いる場合には、ペーストの塗布後、乾燥・露光工程を経て、焼結する必要がある。

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。まず電極体Ｅが配置された電解質１の一方面上に、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。これにより、各電極体Ｅにおける燃料極３と空気極５との間で、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、各電極の幅を上記のように設定することで、良好な電池性能を得ることができる。その理由は以下の通りである。すなわち、両電極３，５の電極幅Ｂが短すぎると、電極の面積が小さくなって電池反応領域が狭くなるため、発電量が低くなる。一方、電極幅Ｂが長すぎると、両電極の対向する端部Ｓ１とは反対側の端部Ｓ２が互いに遠くなる。電池反応は、通常三相界面で進行するため、三相界面の一部である反対側の端部Ｓ２が互いに遠くなると、オーム抵抗により酸素イオンが届きにくくなり、反応が進行しがたくなる。その結果、発電に寄与しない部分が増え、見かけ上、出力密度が低下し、電池性能が低下する。以上の理由から、各電極の幅を上記のように調整することが好ましい。このとき、燃料極３は、水素酸化活性を高める必要があるため、空気極５の電極幅よりも大きくすることが好ましい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、そ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、上記のように電極長さは短いことが好ましいが、この観点からすれば、集電体を各電極の全面に形成することもできる。このようにすると、電極の面積を維持したままで、集電体から電極端部までの長さを短くすることができるため、高い出力を得ることができる。

また、上記実施形態では、電極体Ｅを１つのみ形成しているが、複数の電極体Ｅを電解質１上に形成した後、インターコネクタでこれらを接続することもできる。この場合、インターコネクタは、集電体３１，５１と同じ材料で形成することができる。

さらに、本発明に係る燃料電池では、集電体やインターコネクタを必ずしも電解質上に配置する必要はなく、この燃料電池をセットする装置側に集電体等を形成しておき、燃料電池を装置にセットしたときに、各電極に対応する部分に集電体やインターコネクタが配置されるように構成することもできる。この場合、集電体やインターコネクタが配置される位置から電極上の最も離れた端部までの長さが、上述した「電極長さ」となる。

以下に実施例を挙げて、本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。ここでは、図１に示す構造を有する４種類の燃料電池を作成することとし、各電池の電極幅及び電極長さを以下の表１に示すようにした。

まず、上記４種類のサンプルに使用する材料について説明する。電解質材料としてはＧＤＣ（Ｃｅ_0.9Ｇｄ_0.1Ｏ_1.9）からなる厚さ１ｍｍの板体を使用した。また、燃料極材料としてＮｉＯ粉末（０．０１〜１０μｍ、平均１μｍ)、ＳＤＣ（Ｃｅ_0.8Ｓｍ_0.2Ｏ_1.9）粉末（粒径０．０１〜１０μｍ、平均０．１μｍ）を重量比で７：３となるように混合した後、セルロース系バインダー樹脂を混合し、燃料極ペーストを作製した。燃料極ペーストの粘度はスクリーン印刷に適した５×１０⁵ｍＰａ・ｓとした。空気極材料としてＳＳＣ（Ｓｍ_0.5Ｓｒ_0.5ＣｏＯ₃）粉末（０．１〜１０μｍ、平均３μｍ)を使用し、セルロース系バインダー樹脂を混合し、空気極ペーストを作製した。空気極ペーストの粘度は、燃料極と同様にスクリーン印刷に適した５×１０⁵ｍＰａ・ｓとした。また、集電体の材料として、Ａｕ粉末（０．１〜５μｍ、平均粒径２．５μｍ）をセルロース系バインダー樹脂と混合し、集電体ペーストを作成した。これらの粘度は、上記と同様に５×１０⁵ｍＰａ・ｓとした。

次に、上記材料を用いて４個のサンプルを作成する。以下の説明は、各サンプルについて共通であるが、サンプル１〜３は電極幅のみを相違させ、サンプル４はサンプル３に対して電極長さのみを変えるようにした。上記燃料極材ペーストをスクリーン印刷法によって、上記電極長さ、塗布厚み５０μｍで上記電極幅となるように塗布後、１３０℃で１５分間乾燥した。その後、１４５０℃、１時間で焼結した。次いで、上記空気極材ペーストをスクリーン印刷法によって、上記電極長さ、塗布厚み５０μｍで上記電極幅となるように塗布した。このとき、両電極の間隔は、２００μｍにした。そして、１３０℃で１５分間乾燥した後、１２００℃で１時間で焼結した。焼結後の各電極の膜厚は２５μｍとなった。最後に、各電極に集電体ペーストを塗布し、１５０℃で２０分間乾燥後、９００℃にて２時間焼結し、４種類の燃料電池を得た。

以上のような方法により作製した固体酸化物形燃料電池にメタン：酸素＝２：１の混合ガスを８００℃で導入し電流−電圧特性の評価を行った。結果を、図２及び図３に示す。図２はサンプル１〜３における電流密度と電圧及び出力密度との関係を示す図であり、図３はサンプル３及び４における電流密度と電圧及び出力密度との関係を示す図である。

図２によれば、電極幅が短くなるほど、高い電池性能を示していることが分かる。一方、図３によれば、電極幅が短く、しかも電極長さが短くなったときに、高い電池性能を示していることが分かる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の一実施形態の平面図（ａ）及びそのＡ−Ａ線断面図（ｂ）である。 サンプル１〜３に関し電流密度と電圧及び出力密度との関係を示す図である。 サンプル３及び４に関し電流密度と電圧及び出力密度との関係を示す図である。

符号の説明

１ 電解質
３ 燃料極
５ 空気極
３１，５１ 集電体

Claims (5)

1. 電解質と、前記電解質の一方面に形成され燃料極及び空気極を有する少なくとも一つの電極体とを備えた固体酸化物形燃料電池において、
   前記燃料極及び空気極は、帯状に形成されるとともに、所定間隔をおいて平行に並んでおり、
   前記両電極が並ぶ方向における前記空気極の電極幅が、５〜１０００μｍである、固体酸化物形燃料電池。
2. 前記空気極の電極幅が、１０〜５００μｍである、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
3. 前記空気極の電極幅が２０〜２００μｍであり、前記燃料極の電極幅は前記空気極の電極幅よりも大きい、請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 前記燃料極は、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有する酸化物イオン導電体と金属触媒との混合物で形成されている、請求項１から３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
5. 前記空気極は、ペロブスカイト型構造を有する金属酸化物、及び貴金属の少なくとも一方を含む材料で形成されている、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。
   

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