JP4658495B2 - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

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、このような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るため、燃料極と空気極との距離を固体電解質の同一面上にて近づけることにより、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制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は、隣接する電極体間において、対向する電極の対向面全体に亘ってインターコネクタを形成している。そのため、電解質上に占めるインターコネクタの割合が大きく、電解質上の集積度は必ずしも高いとは言えなかった。

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、集積度を高くすることにより電池性能を向上させ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。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、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、前記各電極は、電極本体と、この電極本体から当該電極本体の平面方向へ突出する凸部とを備えており、前記凸部上に、インターコネクタ又は集電部が形成されている。

この構成によれば、各電極に凸部が形成されているため、この部分にインターコネクタを設ければ、従来例のように電極の一端部の全面に亘ってインターコネクタを形成する必要がない。したがって、インターコネクタが形成される面積を減少させることができ、燃料電池における電極の集積度を向上することができる。

また、凸部を設けておくことで、インターコネクタや集電部を各電極に接続する際に、その位置決めを容易に行うことができる。特に、この燃料電池をセットする装置側にインターコネクタや集電体を設けておき、この燃料電池を装置にセットしたときに、各電極の必要箇所にインターコネクタや集電体が接続される構造を採用した場合には、有利である。また、インターコネクタを印刷法にて形成する際にも、位置決めを容易に行うことができる。

ここで、各電極の電極本体を帯状に形成し、凸部を電極本体の中央から突出するように構成すれば、次のような利点がある。すなわち、電極本体の中央に凸部を形成すると、この凸部に集電部が形成された場合、電子の移動距離、つまり、集電体とそこから最も離れた電極本体上の位置との距離は、電極本体の長さの半分になる。したがって、電子の移動距離は電極本体の長さの半分になるため、電子伝導時の損失を低減することができ、出力密度の向上を図ることができる。

さらに、電極体を複数個設けた場合、隣接する電極体において、異極同士が凸部を対向させた状態で配置すると、凸部の長さだけインターコネクタを短くすることができる。したがって、電子伝導の損失を低減することができるとともに、インターコネクタに係るコストを低減することができる。

本発明に係る固形酸化物形燃料電池によれば、集積度を向上することができるとともに、インターコネクタや集電部を形成する場合に、その位置決めを容易に行うことができる。

（第１実施形態）
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。この電極体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は、帯状に形成された電極本体３１，５１と、この電極本体３１，５１から突出する凸部３２，５２とからなるＬ字形に形成されている。両電極３，５の電極本体３１，５１は、上記間隔をおいて平行に並んでおり、その端部から電極本体３１，５１の延びる方向とは垂直な方向に凸部３２，５２が突出している。本実施形態では、燃料極３と空気極５とで互いに異なる端部に凸部３２，５２が形成されている。すなわち、燃料極３においては図１の下側である一端部に凸部３２が形成される一方、空気極５においては同図の上側である他端部５１に凸部５２が形成されている。そして、各凸部３２，５２上には、集電部７１，７２がそれぞれ形成されており、ここから電流が取り出されるようになっている。

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，スカンジウム安定化ジルコニア（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を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ニッケルと酸素イオン伝導性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は、ニッケルに限定されることなく、コバルトや貴金属（白金、ルテニウム、パラジウム等）の還元性雰囲気中で安定な金属を用いることができる。また、酸素イオン伝導性材料としては、例えば（Ｃｅ，Ｓｍ）Ｏ₃，（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ₃などのセリア系酸化物、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｇａ，Ｍｇ）Ｏ₃などのランタンガレード系酸化物、スカンジウム安定化ジルコニア（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などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を挙げることができ、このようなセラミックス材料と、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、酸素イオン伝導性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。

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、ペロブスカイト型金属酸化物を使用することができる。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、集電体３１，５１は、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ，ＳＵＳ等の導電性金属、或いは金属系材料，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１μｍ〜５００μmとなるように形成するが、１０μm〜１００μmとすることが好ましい。また、集電体７１，７２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。

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１０³〜１０⁶Ｐａ・ｓ程度であることが好ましい。同様に、インターコネクタ用ペーストも、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Ｌ字形に塗布した後、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Ｌ字形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。こうして、電極体Ｅが形成される。そして、各燃料極３及び空気極５上の凸部３２，５２に集電体７１，７２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、上記各ペーストに感光性高分子を使用する場合には、乾燥、露光工程を経た後、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との間の電解質１の表層付近で、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係る燃料電池では、各電極３，５に凸部３２，５２が形成されているため、この部分に集電部７１，７２を設ければ、従来例のように電極の一端部の全面に亘ってインターコネクタや集電部を形成する必要がない。したがって、燃料電池における集積度を向上することができる。

また、このような凸部３２，５２を設けておくことで、集電部７１，７２を各電極３，５上に接続する際に、その位置決めを容易に行うことができる。本実施形態の燃料電池では、各電極３，５に集電部７１，７２を設けているが、集電部を設けない場合、例えば、燃料電池をセットする装置側にインターコネクタや集電体を設けておき、この燃料電池を装置にセットしたときに、各電極の必要箇所にインターコネクタや集電体が接続されるようにすることができる。このとき、接続すべき箇所が明確になるため、有利である。また、インターコネクタを印刷法にて形成する際にも、位置決めを容易に行うことができる。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第２実施形態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燃料電池の平面図である。本実施形態に係る燃料電池は、第１実施形態と異なり、複数の電極体を有している。なお、本実施形態に係る燃料電池を構成する材料は、第１実施形態と同様であるので、詳しい説明は省略する。

図２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上に３つの電極体Ｅ、つまり同図の左側から第１，第２，及び第３の電極体Ｅ₁，Ｅ₂，Ｅ₃を備えている。各電極体Ｅ₁，Ｅ₂，Ｅ₃は、所定間隔をおいて配置された燃料極３及び空気極５を備えている。そして、各電極３，５は、帯状に形成された電極本体３１，５１と、この電極本体３１，５１から突出する凸部３２，５２とからなるＬ字形に形成されている。各電極体Ｅ₁，Ｅ₂，Ｅ₃においては同図の左側に燃料極３、右側に空気極５が配置された状態で、左から右へ平行に並んでおり、隣接する電極体Ｅ間では、凸部同士が対向した状態で配置されている。より詳細には、第１の電極体Ｅ₁と第２の電極体Ｅ₂との間では、各電極３，５において、同図の上側である一端部で凸部３２，５２が対向しており、第２の電極体Ｅ₂と第３の電極体Ｅ₃との間では、同図の下側である他端部で凸部３２，５２が同様に対向している。

また、隣接する電極体Ｅは、インターコネクタ９によって直列に接続されている。すなわち、隣接する電極体Ｅにおいて対向している凸部３２，５２を結ぶようにインターコネクタ９が形成されている。また、両端に位置する凸部、つまり第１の電極体Ｅ₁の燃料極３の凸部３２、及び、第３の電極体Ｅ₃の空気極５の凸部５２上には、集電体７１，７２が形成されている。なお、インターコネクタ９の材料は、集電体と同じものを用いることができる。

以上のように、本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができるほか、次のような効果を得ることができる。すなわち、隣接する電極体Ｅにおいて、燃料極３と空気極５とが凸部３２，５２を対向させた状態で配置されているため、凸部３２，５２の長さだけインターコネクタ９を短くすることができる。したがって、電子伝導時の損失を低減することができるとともに、インターコネクタ９に係るコストを低減することができる。

ところで、本実施形態では、第１実施形態と同様に、各電極３，５をＬ字形に形成しているが、例えば、次のように構成することもできる。図３に示すように、この例では、第１の電極体Ｅ₁の燃料極３と、第３の電極体Ｅ₃の空気極５とが、上記と同様にＬ字形に形成されている。但し、第１の電極体Ｅ₁と第２の電極体Ｅ₂との間、及び第２の電極体Ｅ₂と第３の電極体Ｅ₃との間で互いに対向している電極においては、電極本体３１，５１の中央に凸部３２，５２が形成されている。これにより、電極体Ｅの隣接部分では凸部３２，５２が互いに対向するように配置されている。そして、隣接する電極体Ｅにおいて対向している凸部３２，５２を結ぶようにインターコネクタ９が形成されている。

上述した構成によれば、次のような効果を得ることができる。すなわち、凸部３２，５２が電極本体３１，５１の中央から突出するように構成されているため、電子の移動距離、つまり、インターコネクタ９とそこから最も離れた電極本体３１，５１上の位置との距離は、電極本体３１，５１の長さの半分になる。したがって、電子の移動距離は電極本体３１，５１の長さの半分になるため、発電量を多くできるとともに、電子伝導時の損失を低減することができる。なお、上記の例では第１の電極体Ｅ₁の燃料極３と、第３の電極体Ｅ₃の空気極５とをＬ字形に形成した例を示したが、これらの各電極も他の電極と同様に中央部に凸部を有するように形成することができ、こうすることで電子伝導時の損失を低減させることが可能となる。

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、上記実施形態では、各ペーストの塗布にスクリーン印刷法を用いているが、これに限定されるものではなく、ドクターブレード法、スプレーコート法、リソグラフィー法、泳動電着法、ロールコート法、ディスペンサーコート法、ＣＶＤ，ＥＶＤ，スパッタリング法、転写法等の印刷方法等、その他一般的な印刷法を用いることができる。また、印刷後の後工程として、静水圧プレス、油圧プレス、その他の一般的なプレス工程を用いることができる。

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燃料電池を作成した。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１〜１０μｍ、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、インターコネクタ及び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、インターコネクタペースト及び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、電解質上に、燃料極ペーストをスクリーン印刷法によって幅５００μｍ、長さ７ｍｍ、塗布厚み５０μｍとなるようにＬ字形に塗布した。そして、１３０℃で１５分間乾燥し後、１４５０℃で１時間で焼結し、燃料極を形成した。これに続いて、各燃料極と並ぶように、電解質上に空気極ペーストをスクリーン印刷法によって幅５００μｍ、長さ７ｍｍ、塗布厚み５０μｍとなるようにＬ字形に塗布し、空気極同士が隣接するようにした。このとき、燃料極と空気極との位置関係は、図１に示すようにし、その間隔は２００μｍになるようにした。そして、１３０℃で１５分間乾燥した後、１２００℃で１時間焼結し、空気極を形成した。次に、燃料極及び空気極の各凸部にＡｕを主成分とするペーストを塗布し、集電部とした。こうして、実施例に係る燃料電池が形成された。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第１実施形態の平面図である。 本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第２実施形態の平面図である。 本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第２実施形態の変形例を示す平面図である。

符号の説明

１ 電解質
３ 燃料極
５ 空気極
７ 集電部
９ インターコネクタ

Claims (4)

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、
   前記各電極は、電極本体と、この電極本体から当該電極本体の平面方向へ突出する凸部とを備えており、
   前記凸部上に、インターコネクタ又は集電部が形成されている、固体酸化物形燃料電池。
2. 前記各電極の電極本体は、帯状に形成されており、
   前記凸部は、前記電極本体の中央から突出している、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
3. 前記電極体を複数個備え、
   隣接する電極体においては、異極同士が前記凸部を対向させた状態で配置されている、請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 前記対向する凸部は、インターコネクタを介して接続されている、請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池。

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