(57)【要約】【課題】内部改質式固体酸化物型燃料電池において改質触媒および電子導電性物質の使用量を抑制する。【解決手段】内部改質式固体酸化物型燃料電池に、カソードと、アノード１２と、カソードおよびアノード１２で挟まれた固体酸化物電解質１１と、アノードに接して設けられた集電体１６を備える。集電体１６は、炭化水素から水素を生成する反応の改質触媒と電子導電性物質とを含有する被膜が基材の表面に形成された触媒集電要素６１を含んでいる。触媒集電要素６１の基材は、たとえば固体酸化物電解質１１と同じ材料で形成される。【選択図】図１
2010103009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードと、
アノードと、
前記カソードおよび前記アノードで挟まれた固体酸化物電解質と、
炭化水素から水素を生成する反応の改質触媒と電子導電性物質とを含有する被膜が基材の表面に形成された触媒集電要素を含み前記アノードに接して設けられた集電体と、
を有することを特徴とする内部改質式固体酸化物型燃料電池。
【請求項２】
前記基材は、熱膨張係数が前記改質触媒および前記電子導電性物質のいずれよりも前記固体酸化物電解質に近い物質で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内部改質式固体酸化物型燃料電池。
【請求項３】
前記基材は、前記固体酸化物電解質と同一の物質で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の内部改質式固体酸化物型燃料電池。
【請求項４】
前記基材は、セリア系電解質材料で形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の内部改質式固体酸化物型燃料電池。
【請求項５】
前記改質触媒および前記電子導電性物質は、いずれもＮｉであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の内部改質式固体酸化物型燃料電池。
【請求項６】
前記集電体は、前記触媒集電要素よりも前記被膜の電子導電性が高い導電要素を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の内部改質式固体酸化物型燃料電池。
【請求項７】
前記導電要素はＡｇを含有することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の内部改質式固体酸化物型燃料電池。
【請求項８】
電子導電性を持つ物質で炭化水素を含有する燃料が流れる燃料流路が前記アノードに対向して形成されたセパレータを有し、前記集電材は前記セパレータと前記アノードとの間に設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の内部改質式固体酸化物型燃料電池。
【請求項９】
前記触媒集電要素は、前記燃料流路にも配置されていることを特徴とする請求項８に記載の内部改質式固体酸化物型燃料電池。
【請求項１０】
前記改質触媒が少なくとも表面に存在し前記燃料流路に配置された改質触媒要素を有することを特徴とする請求項８または請求項９に記載の内部改質式固体酸化物型燃料電池。
【請求項１１】
前記被膜は、高分散状態で形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の内部改質式固体酸化物型燃料電池。
【請求項１２】
カソードと、アノードと、前記カソードおよび前記アノードで挟まれた固体酸化物電解質と、表面に炭化水素から水素を生成する改質触媒および電子導電性を持つ物質とを含有する被膜とを備えた触媒集電要素からなり前記アノードに接して設けられた集電材と、を有する内部改質式固体酸化物型燃料電池と、
前記アノードに炭化水素を含有する炭化水素系燃料を供給する燃料供給装置と、
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部改質式固体酸化物型燃料電池および燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
新エネルギーのひとつとして、水素が挙げられる。この水素の利用分野として、水素と酸素を電気化学的に反応させることにより、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池が注目されている。燃料電池は高いエネルギー利用効率を有し、大規模分散電源、家庭用電源、移動用電源として開発が進められている。
【０００３】
燃料電池は、温度域や使用する材料・燃料の種類に応じて、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、などに分けられる。このうち、効率などの観点から、固体酸化物の電解質を使用して、電気化学反応により電気エネルギーを得る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が注目されている。
【０００４】
燃料電池は、電解質と電極とを備えた電気化学セルである。ＳＯＦＣに用いられる固体酸化物の電解質は、酸素イオン導電性を有し、一般に、緻密な安定化ジルコニアを用いて形成される。また、安定化ジルコニアと比較して酸素イオン導電性が良好な電解質材料として、ペロブスカイト型酸化物やセリア系固溶体などが用いられる場合がある。
【０００５】
ＳＯＦＣの電極は、燃料極と空気極に分けられる。燃料極では、燃料ガスであるＨ２と、電解質の内部を移動してきた酸素イオンとが電気化学的に反応し、Ｈ２Ｏと電子（ｅ−）が生成される。空気極では、たとえば空気中の酸素が電子（ｅ−）を取り込み、電気化学反応により、酸素イオンが生成される。空気極で生成された酸素イオンは、電解質へと移動する。
【０００６】
燃料極には、一般的に、たとえば、Ｎｉ−ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、Ｎｉ−ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）など、金属と固体酸化物の混合焼結体（サーメット）が用いられる。また、燃料極に、たとえばＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｍｇ、Ｐｔなど、金属単体あるいは合金など複数の金属の混合体が用いられる場合もある。
【０００７】
空気極には、一般的に、たとえば、ＬａＳｒＭｎ酸化物、ＬａＳｒＣｏ酸化物、ＬａＳｒＣｏＦｅ酸化物、ＬａＳｒＦｅ酸化物など、ペロブスカイト型酸化物やこれらの一部サイトを置換した酸化物が用いられる。また、空気極に、たとえばＬＳＭ−ＹＳＺ、ＬＳＭ−ＳｃＳＺ、ＬＳＣ−ＳＤＣ、ＬＳＣ−ＧＤＣなど、電解質に用いている固体酸化物との混合体なども用いられる場合もある。
【０００８】
このような電気化学セルは、電解質あるいは電極を支持体として、電解質および電極が積層されている。たとえば、電解質を支持体とした場合、ある程度の強度を有する緻密な電解質基材の両面に空気極層および燃料極層が形成される。電極層の厚みは、一般的に、数十μｍ程度である。
【０００９】
電極を支持体とする場合、多孔質の電極基材の表面に緻密な電解質層を形成し、さらにその上に、別の電極層、つまり基材が燃料極の場合は空気極が、形成される。電解質層の厚みは、一般的には、数〜数十μｍ程度である。
【００１０】
ＳＯＦＣでは、水素以外に、炭化水素燃料や石炭ガス化ガスなどを直接導入して発電することが可能である。一般的に、これらの燃料は、燃料極へ供給される前に、改質器などを用いて水素を含む燃料に変換された後、燃料極に導入される場合と、直接燃料極に導入し、燃料極において改質反応を行い、水素を含む燃料に変換しつつ、発電を行う場合とがある。前者は外部改質方式、後者は内部改質方式などと呼ばれる。
【００１１】
燃料極の構成要素である、ＮｉやＦｅ、Ｃｏなどといった金属成分は、炭化水素燃料を改質し、水素を含む燃料にする改質触媒作用も有している。電極を支持体とする場合、燃料極を支持体としたセルは、Ｎｉなどの改質触媒作用を有する金属成分が多く存在する。このため、内部改質方式にも適していると考えられるが、条件によっては、十分改質が進行しない場合もある。一方、電解質支持型セルの場合、Ｎｉなどの改質触媒作用を有する金属は薄い電極層（数十μｍ）内にしか存在せず、内部改質方式では十分に改質が進行しない場合も生じる。
【００１２】
特許文献１には、集電材にＮｉ繊維などを用い、集電材に改質作用を付与する方法が開示されている。しかし、Ｎｉ繊維は酸化還元の繰り返しにより、改質効果および集電機能が劣化する可能性が高い。そのため、改質触媒作用の高い電極などが開発されている。また、特許文献２などでは、炭化水素燃料のクラッキング防止などが検討されている。
【００１３】
集電材をＮｉのみで形成した場合、電解質や電極材料との熱膨張係数差が大きいため、破損などの不具合が生じやすい。そこで、特許文献３には、サーメット材料を集電体材料に用いて、熱膨張係数差を緩和したりする方法が開示されている。
【特許文献１】特開平３−２８３２６６号公報
【特許文献２】特開２００７−３１１３１８号公報
【特許文献３】特開平８−１７４５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
たとえば電解質支持型セルを用いたＳＯＦＣにおいて、燃料極で炭化水素系燃料などを内部改質すると、燃料極での改質効果が低い場合がある。集電材料に改質効果を持たせると、酸化還元の繰り返しによる劣化や、他の構成材料との熱膨張係数差の緩和などが必要となる。
【００１５】
また、触媒は、反応物質と接する部分しか反応には寄与しない。このため触媒の粒子の内部の領域は反応には寄与せず、触媒としては無駄な部分である。しかし、特許文献１などでは、このような無駄な部分を削減する方法は開示されていない。
【００１６】
そこで、本発明は、内部改質式固体酸化物型燃料電池において、改質触媒および電子導電性物質の使用量を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上述の目的を達成するため、本発明は、内部改質式固体酸化物型燃料電池において、カソードと、アノードと、前記カソードおよび前記アノードで挟まれた固体酸化物電解質と、炭化水素から水素を生成する反応の改質触媒と電子導電性物質とを含有する被膜が基材の表面に形成された触媒集電要素を含み前記アノードに接して設けられた集電体と、を有することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、燃料電池システムにおいて、カソードと、アノードと、前記カソードおよび前記アノードで挟まれた固体酸化物電解質と、表面に炭化水素から水素を生成する改質触媒および電子導電性を持つ物質とを含有する被膜とを備えた触媒集電要素からなり前記アノードに接して設けられた集電材と、を有する内部改質式固体酸化物型燃料電池と、前記アノードに炭化水素を含有する炭化水素系燃料を供給する燃料供給装置と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、内部改質式固体酸化物型燃料電池において、改質触媒および電子導電性物質の使用量を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２１】
［第１の実施の形態］
図２は、本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第１の実施の形態を用いた燃料電池システムのブロック図である。
【００２２】
本実施の形態の燃料電池システムは、内部改質式固体酸化物型燃料電池３０と、燃料供給装置３１と、酸素供給装置３２とを有している。この燃料電池システムにおいて、燃料供給装置３１が内部改質式固体酸化物型燃料電池３０に炭化水素を含有する炭化水素系燃料を供給し、酸素供給装置３２が内部改質式固体酸化物型燃料電池３０に酸素を供給すると、内部改質式固体酸化物型燃料電池３０は発電する。内部改質式固体酸化物型燃料電池３０が発電した電力は、内部改質式固体酸化物型燃料電池３０に接続された外部負荷３３で消費される。
【００２３】
図３は、本実施の形態における内部改質式固体酸化物型燃料電池を分解した状態の斜視図である。
【００２４】
内部改質式固体酸化物型燃料電池３０は、複数の板状の単セル１７を積層してスタック化したものである。図３は、スタック化される内部改質式固体酸化物型燃料電池３０の一部を抜き出して、各構成部材を積層方向に離して記載した図である。なお、内部改質式固体酸化物型燃料電池３０の各構成部材の間には、必要に応じて気体の漏えい・進入を防止するためのシール材、電気的に絶縁するための絶縁材が設けられる。
【００２５】
内部改質式固体酸化物型燃料電池３０は、それぞれの単セル１７に対して、単セル１７を両面から挟み込む集電体１５，１６と、単セル１７および集電体１５，１６を両面から挟み込むセパレータ１４とを有している。集電体１５，１６は、いずれも、導電性を持つ材料で、気体が通過可能に層状に形成されている。
【００２６】
セパレータ１４は、導電性の材料で板状に形成されている。単セル１７は、集電体１５，１６およびセパレータ１４によって電気的に接続されている。セパレータ１４には、貫通燃料流路２１および貫通酸素流路２３が形成されている。貫通燃料流路２１および貫通酸素流路２３は、それぞれ対向する辺に沿って延びる領域がセパレータ１４の板厚方向に貫通した空間である。セパレータ１４の一方の表面には、一対の貫通燃料流路２１の間に溝状燃料流路２２が形成されている。溝状燃料流路２２が形成された側とは反対側のセパレータ１４の表面には、一対の貫通酸素流路２３の間に溝状酸素流路２４が形成されている。セパレータ１４に溝状燃料流路２２および溝状酸素流路２４を設けているため、アノード１２およびカソード１３には、効率よく反応ガスが供給される。
【００２７】
図４は、本実施の形態における単セルの断面図である。
【００２８】
本実施の形態の単セル１７は、板状の固体酸化物電解質１１を支持体とし、その両面をカソード１３およびアノード１２で挟み込んだものである。カソード１３、固体酸化物電解質１１、アノード１２は、たとえば、いずれも層状に形成されている。
【００２９】
固体酸化物電解質１１は、たとえば安定化ジルコニア、ペロブスカイト型酸化物あるいはセリア（ＣｅＯ２）系電解質固溶体を用いて形成される。安定化ジルコニアとは、たとえばＹ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯなどを安定化剤として固溶させたジルコニアである。ペロブスカイト型酸化物としては、たとえばＬａＳｒＧａＭｇ酸化物、ＬａＳｒＧａＭｇＣｏ酸化物、ＬａＳｒＧａＭｇＣｏＦｅ酸化物、ＬａＳｒＧａＭｇＣｏＦｅ酸化物などが挙げられる。セリア（ＣｅＯ２）系電解質固溶体としては、Ｓｍ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３など固溶したセリア系固溶体が挙げられる。なお、これら以外の電解質を用いてもよい。
【００３０】
カソード１３は、たとえばＬａＳｒＭｎ酸化物（以下、ＬＳＭと呼ぶ）、ＬａＳｒＣｏ酸化物（以下、ＬＳＣと呼ぶ）、ＬａＳｒＣｏＦｅ酸化物（以下、ＬＳＣＦと呼ぶ）、ＬａＳｒＦｅ酸化物（以下、ＬＳＦと呼ぶ）、ＬａＳｒＭｎＣｏ酸化物（以下、ＬＳＭＣと呼ぶ）、ＬａＳｒＭｎＣｒ酸化物（以下、ＬＳＭＣと呼ぶ）、ＬａＣｏＭｎ酸化物（以下、ＬＣＭと呼ぶ）、ＬａＳｒＣｕ酸化物（以下、ＬＳＣと呼ぶ）、ＬａＳｒＦｅＮｉ酸化物（以下、ＬＳＦＮと呼ぶ）、ＬａＮｉＦｅ酸化物（以下、ＬＮＦと呼ぶ）、ＬａＢａＣｏ酸化物（以下、ＬＢＣと呼ぶ）、ＬａＮｉＣｏ酸化物（以下、ＬＮＣと呼ぶ）、ＬａＳｒＡｌＦｅ酸化物（以下、ＬＳＡＦと呼ぶ）、ＬａＳｒＣｏＮｉＣｕ酸化物（以下、ＬＳＣＮＣと呼ぶ）、ＬａＳｒＦｅＮｉＣｕ酸化物（以下、ＬＳＦＮＣと呼ぶ）、ＬａＮｉ酸化物（以下、ＬＮと呼ぶ）、ＧｄＳｒＣｏ酸化物（以下、ＧＳＣと呼ぶ）、ＧｄＳｒＭｎ酸化物（以下、ＧＳＭと呼ぶ）、ＰｒＣａＭｎ酸化物（以下、ＰＣａＭと呼ぶ）、ＰｒＳｒＭｎ酸化物（以下、ＰＳＭと呼ぶ）、ＰｒＢａＣｏ酸化物（以下、ＰＢＣと呼ぶ）、ＳｍＳｒＣｏ酸化物（以下、ＳＳＣと呼ぶ）、ＮｄＳｍＣｏ酸化物（以下、ＮＳＣと呼ぶ）、ＢｉＳｒＣａＣｕ酸化物（以下、ＢＳＣＣと呼ぶ）、ＢａＬａＦｅＣｏ酸化物（以下、ＢＬＦＣと呼ぶ）、ＢａＳｒＦｅＣｏ酸化物（以下、ＢＳＦＣと呼ぶ）、ＹＳｒＦｅＣｏ酸化物（以下、ＹＬＦＣと呼ぶ）、ＹＣｕＣｏＦｅ酸化物（以下、ＹＣＣＦと呼ぶ）、ＹＢａＣｕ酸化物（以下、ＹＢＣと呼ぶ）などで形成される。カソード１３は、電解質材料との混合体でもよく、たとえば、ＬＳＭ−ＹＳＺ、ＬＳＣＦ−ＳＤＣ、ＬＳＣＦ−ＧＤＣ、ＬＳＣＦ−ＹＤＣ、ＬＳＣＦ−ＬＤＣ、ＬＳＣＦ−ＣＤＣ、ＬＳＭ−ＳｃＳＺ、ＬＳＭ−ＳＤＣ、ＬＳＭ−ＧＤＣなどで形成されてもよい。さらに、カソード１３に、たとえばＰｔ、Ｒｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄなどの成分を添加してもよい。
【００３１】
図１は、本実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。
【００３２】
アノード１２は、たとえば金属と固体酸化物の混合焼結体（サーメット）であるアノード粒子６０を用いて固体酸化物電解質１１の表面に層状に形成される。サーメットとしては、たとえばＮｉ−ＹＳＺ、Ｎｉ−ＳｃＳＺ、Ｎｉ−ＳＤＣ、Ｎｉ−ＧＤＣ、Ｎｉ−ＹＤＣ、などが用いられる。また、このようなサーメットに、たとえばＦｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ａｕなどの成分を添加してもよい。あるいは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ａｕなどを主構成材料とするサーメットを用いてもよい。また、貴金属を含む金属を単独で電極として用いてもよい。たとえばＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ａｕなどの単体、合金、混合体でアノード１２を形成してもよい。
【００３３】
アノード１２の表面には、集電体１６の層が形成されている。集電体１６は、触媒集電要素６１の集合体である。
【００３４】
図５は、本実施の形態における触媒集電要素の断面図である。
【００３５】
触媒集電要素６１は、基材９１の表面に改質触媒および電子導電性物質を含有する被膜８１が形成された粒子である。改質触媒とは、炭化水素から水素を生成する改質反応のＮｉなどの触媒である。また、電子導電性物質とは、Ｎｉなどの電子導電性を持つ物質である。集電体１６は、アノード１２に接して設けられる。
【００３６】
触媒集電要素６１は、たとえば、メッキ方法、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法、電気泳動法、スラリーコーティング法、スパッタリング法、プラズマスプレー法、イオンプレーティング法、フレームスプレー法、プラズマジェットトーチ法、ＥＶＤ法、などによって形成される。あるいは、圧縮、摩擦、せん断力などの機械的作用によって触媒集電要素６１を形成することもできる。
【００３７】
触媒集電要素６１の基材９１は、耐熱性を有し、安定であることが望ましい。被膜８１に含有される改質触媒および電子導電性物質として、たとえばＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｒｕなどの金属単体、これらの混合物、あるいは、これらの合金などを用いることができる。また、被膜８１に含有される改質触媒および電子導電性物質として、ペロブスカイト型酸化物などの酸化物セラミックスあるいは非酸化物セラミックを用いてもよい。
【００３８】
また、触媒集電要素６１の被膜８１は、単層でもよいし、２層以上の複数層が形成されてもよい。触媒集電要素６１の表面が完全に被膜８１で覆われている必要はなく、点状や斑状でも構わない。
【００３９】
図６は、ＹＳＺを基材としてその表面にＡｇの被膜が形成された粒子の顕微鏡写真である。
【００４０】
図６の粒子は、直径１５μｍ程度のＹＳＺ粒子を基材として、その表面に１μｍ程度のＡｇの被膜が形成されている。このような粒子を触媒集電要素６１として用いることができる。
【００４１】
このような燃料電池システムにおいて、燃料供給装置３１によって内部改質式固体酸化物型燃料電池３０に供給された炭化水素系燃料は、貫通燃料流路２１を通って溝状燃料流路２２に送られる。溝状燃料流路２２に到達した炭化水素系燃料は、集電体１６の触媒集電要素６１に接することとなる。触媒集電要素６１の表面に炭化水素から水素を生成する改質反応の改質触媒を含有する被膜８１が形成されているため、触媒集電要素６１に接した炭化水素系燃料を用いて内部改質反応が生じる。この内部改質反応によって生成された水素は、アノード１２に供給される。また、酸素供給装置３２は、空気などの酸素を含む気体を内部改質式固体酸化物型燃料電池３０に供給する。この酸素を含む気体は、貫通酸素流路２３を通って溝状酸素流路２４に送られる。溝状酸素流路２４に到達した酸素は、カソード１３に接することになる。
【００４２】
このようにしてアノード１２に水素、カソード１３に酸素が供給されることにより、内部改質式固体酸化物型燃料電池３０は発電する。集電体１６の触媒集電要素６１には電子導電性物質を含有する被膜８１が形成されているため、発電によって生じた電流は集電体１６を通って流れることになる。
【００４３】
改質触媒は、炭化水素系燃料と接しなければ内部改質反応に寄与しないため、触媒集電要素６１の内部に改質触媒を含有させても触媒としての機能はほとんど発揮しない。しかし、本実施の形態では、触媒集電要素６１の表面には改質触媒および電子導電性物質を含有する被膜８１が形成されている。このため、触媒としての機能をほとんど損なうことなく改質触媒の使用量を抑制することができる。また、電子導電性を確保しつつ電子導電性物質の使用量を抑制することができる。
【００４４】
さらに、Ｎｉなどの金属で全体が形成された触媒あるいは集電要素を用いると、高温の運転温度と停止中の低温を繰り返し経験すると、酸化反応および還元反応を繰り返し経験する場合がある。酸化反応および還元反応を繰り返し経験すると、これらの反応に伴う体積変化を繰り返し経験することとなり、クラックなどが生じて健全性を維持できないおそれがある。しかし、本実施の形態では、Ｎｉなどの金属は表面にのみ用いられるため、酸化反応および還元反応を繰り返し経験したとしても、その体積変化は小さく健全性が損なわれるおそれは小さい。
【００４５】
ＮｉやＲｕは改質効果が高いため、被膜８１に含有される改質触媒および電子導電性物質として好ましい。また、Ａｇは非常に電子導電性が高いため、被膜８１にＡｇが含有されることが好ましい。
【００４６】
また、触媒集電要素６１の基材９１は、被膜８１に含有される触媒物質および電子導電性物質よりも熱膨張係数が固体酸化物電解質１１に近い物質で形成されることが好ましい。さらに、固体酸化物電解質１１と熱膨張率が同程度のものを用いることが好ましい。触媒集電要素６１の熱膨張は、触媒集電要素６１の体積の大部分を占める基材９１の熱膨張率に大きく依存する。このため、基材９１と固体酸化物電解質１１との熱膨張率が同程度であれば、集電体１６の層と固体酸化物電解質１１の熱膨張差を小さくすることができる。熱膨張差を小さくすることにより、集電体１６の層の剥離やクラックの発生を抑制することができる。
【００４７】
そこで、触媒集電要素６１の基材９１は、たとえば固体酸化物電解質１１と同じ材質とする。固体酸化物電解質１１にＹＳＺを用いた場合には、基材９１としてＹＳＺを用いる。あるいは、固体酸化物電解質１１にＳｃＳＺを用いた場合には基材９１としてＳｃＳＺを、固体酸化物電解質１１にＧＤＣやＳＤＣといったセリア系電解質材料を適用した場合には基材９１としてセリア系電解質材料を、固体酸化物電解質１１にランタンガレード系材料を適用した場合には基材９１としてランタンガレード系材料を用いる。これによって、固体酸化物電解質１１と集電体１６の層の熱膨張をほぼ同程度とすることができる。また、ＧＤＣやＳＤＣといったセリア系電解質材料で基材９１を形成すると、カーボン析出を抑制でき、内部改質方式の固体酸化物型燃料電池において、高い改質効果を得ることができる。
【００４８】
［第２の実施の形態］
図７は、本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第２の実施の形態における単セルの断面図である。
【００４９】
本実施の形態の単セル１７は、板状のアノード１２を支持体とし、その表面に固体酸化物電解質１１およびカソード１３を積層したものである。この単セル１７を用いた内部改質式固体酸化物型燃料電池であっても、第１の実施の形態と同様にアノード１２の表面に集電体１６（図１参照）の層を形成することにより、改質触媒および電子導電性物質の使用量を抑制することができる。
【００５０】
また、本実施の形態ではアノード１２を支持体としているため、単セル１７の熱膨張としてアノード１２の熱膨張が支配的である。そこで、集電体１６の触媒集電要素６１の基材９１として、アノード１２と熱膨張率が同程度の物質を用いることが好ましい。
【００５１】
［第３の実施の形態］
図８は、本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第３の実施の形態における単セルの断面図である。
【００５２】
本実施の形態の単セル１７は、固体酸化物電解質１１とカソード１３との間に反応抑制層１８を設けている。反応抑制層１８は、緻密ないしは緻密に近い構造であることが必要である。この単セル１７を用いた内部改質式固体酸化物型燃料電池であっても、第１の実施の形態と同様にアノード１２の表面に集電体１６（図１参照）の層を形成することにより、改質触媒および電子導電性物質の使用量を抑制することができる。
【００５３】
固体酸化物電解質１１を形成する電解質材料、および、カソード１３などを形成する電極材料の選択によっては、電解質材料と電極材料との反応性が高い場合がある。このような場合には、固体酸化物電解質１１とカソード１３との間に、反応抑制層１８を設けることにより、電解質材料と電極材料との反応を抑制することができる。反応抑制層を導入してもよい。
【００５４】
［第４の実施の形態］
図９は、本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第４の実施の形態における単セルを断面とともに示す斜視図である。
【００５５】
本実施の形態の単セル１７は、円筒状に形成されたアノード１２を支持体として、その外面に固体酸化物電解質１１およびカソード１３を積層形成したものである。燃料極支持体と電解質層の間に、燃料極活性層を設けてもよい。固体酸化物電解質１１とカソード１３との間に、反応抑制層を設けてもよい。
【００５６】
このような単セル１７を用いる場合、円筒状のアノード１２の内部空間が燃料流路となるため、燃料流路を別途形成する必要がない。また、カソード１３には外側に存在する酸素が供給されるため、酸素流路を別途形成する必要がなく、酸素供給装置３２（図２参照）を特別に設ける必要がない。
【００５７】
この単セル１７を用いる内部改質式固体酸化物型燃料電池であっても、第１の実施の形態と同様にアノード１２の表面に集電体１６（図１参照）の層を形成することにより、改質触媒および電子導電性物質の使用量を抑制することができる。
【００５８】
［第５の実施の形態］
図１０は、本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第５の実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。
【００５９】
本実施の形態では、第１の実施の形態における集電体１６（図１参照）の層とアノード１２（図１参照）の代わりに、集電体入りアノード１９を設けている。集電体入りアノード１９には、アノード粒子６０、粒子状の触媒集電要素６１および繊維状の触媒集電要素６２が混在している。繊維状の触媒集電要素６２は、基材９１（図５参照）の表面に改質触媒および電子導電性物質を含有する被膜８１（図５参照）が形成され、粒子状の触媒集電要素６１と同様の断面形状（図５参照）を有する。
【００６０】
このような繊維状の触媒集電要素６２を用いた場合でも、粒子状の触媒集電要素６１の場合と同様に、改質触媒および電子導電性物質の使用量を抑制することができる。なお、粒子状の触媒集電要素６１および繊維状の触媒集電要素６２のいずれか一方のみを用いてもよい。
【００６１】
触媒集電要素６１，６２とアノード粒子６０とを混在させることにより、内部改質反応によって生じた水素のアノード粒子６０までの移動距離が短くなる。また、集電体およびアノードの全体としての厚さを薄くすることができる。
【００６２】
固体酸化物電解質１１からセパレータ１４に向かって、集電体入りアノード１９中の触媒集電要素６１，６２の密度を変化させてもよい。たとえば炭化水素系燃料がより多く存在するセパレータ１４の近傍では触媒集電要素６１，６２の密度を高めることにより、内部改質反応をより効率的に進めることができる。
【００６３】
［第６の実施の形態］
図１１は、本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第６の実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。
【００６４】
本実施の形態では、セパレータ１４の溝状燃料流路２２の内部にも触媒集電要素６１を充填している。この際、溝状燃料流路２２には炭化水素系燃料が通過できる空間は確保しておく必要がある。
【００６５】
このような内部改質式固体酸化物型燃料電池では、たとえば炭化水素系燃料がより多く存在するセパレータ１４の溝状燃料流路２２に改質触媒が存在することになるため、改質効果が向上する。また、触媒集電要素６１がセパレータ１４と溝状燃料流路２２でも接触することとなるため、集電面積を増加し、固体酸化物型燃料電池の内部抵抗が小さくなる。
【００６６】
［第７の実施の形態］
図１２は、本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第７の実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。
【００６７】
本実施の形態では、セパレータ１４の溝状燃料流路２２に改質触媒粒子４２を充填したものである。この際、溝状燃料流路２２には炭化水素系燃料が通過できる空間は確保しておく必要がある。このような内部改質式固体酸化物型燃料電池では、たとえば炭化水素系燃料がより多く存在するセパレータ１４の溝状燃料流路２２に改質触媒が存在することになるため、改質効果が向上する。
【００６８】
この改質触媒粒子４２には、たとえば化学プラントや燃料電池の改質器などで使用実績のあるものを用いる。これにより、固体酸化物型燃料電池の信頼性を向上させることができる。
【００６９】
このような内部改質式固体酸化物型燃料電池であっても、少なくとも集電体１６の層では、改質触媒および電子導電性物質は基材の内部に用いる必要がないため、改質触媒および電子導電性物質の使用量を抑制することができる。
【００７０】
［第８の実施の形態］
図１３は、本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第８の実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。
【００７１】
本実施の形態では、セパレータ１４の溝状燃料流路２２に改質触媒粒子４２および触媒集電要素６１を充填している。この際、溝状燃料流路２２には炭化水素系燃料が通過できる空間は確保しておく必要がある。この改質触媒粒子４２には、たとえば化学プラントや燃料電池の改質器などで使用実績のあるものを用いる。
【００７２】
一般的に用いられている改質触媒はアルミナなどを担持体に用いているため、導電性が非常に低い。しかし、本実施の形態では、そのような改質触媒粒子４２を触媒集電要素６１と混合することにより、集電効果を向上させることができる。
【００７３】
［第９の実施の形態］
図１４は、本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第９の実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。
【００７４】
本実施の形態では、触媒集電要素６１および導電粒子４３で集電体１６の層を形成している。導電粒子４３は、触媒集電要素６１よりも電子導電性が高い物質で表面に被膜を形成した粒子である。たとえば触媒集電要素６１はＮｉやＲｕなどで被膜を形成した粒子であり、導電粒子４３はＡｇで被膜を形成した粒子である。
【００７５】
このように導電粒子４３を用いることにより集電効果を高めることができる。なお、導電粒子４３の代わりに、繊維状の触媒集電要素６２と同様に、表面に電子導電性が高い物質の被膜が形成された繊維状の物体を用いてもよい。
【００７６】
［第１０の実施の形態］
図１５は、本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第１０の実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。
【００７７】
本実施の形態では、セパレータ１４の溝状燃料流路２２に導電粒子４３および触媒集電要素６１を充填している。この際、溝状燃料流路２２には炭化水素系燃料が通過できる空間は確保しておく必要がある。このような内部改質式固体酸化物型燃料電池では導電粒子４３がセパレータ１４と溝状燃料流路２２でも接触することとなるため、内部抵抗が小さくなる。
【００７８】
［第１１の実施の形態］
図１６は、本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第１１の実施の形態における触媒集電要素の平面図である。
【００７９】
本実施の形態では、触媒集電要素６１は、基材９１の表面に改質触媒および電子導電性物質を高分散させて被膜８１を形成したものである。なお、触媒集電要素６１の形状は粒子状でも繊維状でもよい。
【００８０】
基材９１の表面に、改質触媒および電子導電性物質を単に担持させた場合には、内部改質式固体酸化物型燃料電池の運転に必要な高温になると、特に粒子の接触部分近傍に凝集してしまう場合がある。しかし、改質触媒および電子導電性物質を高分散させておくことにより、このような凝集は起こりにくくなる。
【００８１】
また、改質触媒および電子導電性物質を基材９１の表面に高分散させることにより、反応に寄与する活性面積が増加し、改質効果を向上させることができる。
【００８２】
［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第１の実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。
【図２】本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第１の実施の形態を用いた燃料電池システムのブロック図である。
【図３】本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第１の実施の形態を分解した状態の斜視図である。
【図４】本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第１の実施の形態における単セルの断面図である。
【図５】本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第１の実施の形態における触媒集電要素の断面図である。
【図６】ＹＳＺを基材としてその表面にＡｇの被膜が形成された粒子の顕微鏡写真である。
【図７】本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第２の実施の形態における単セルの断面図である。
【図８】本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第３の実施の形態における単セルの断面図である。
【図９】本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第４の実施の形態における単セルを断面とともに示す斜視図である。
【図１０】本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第５の実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。
【図１１】本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第６の実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。
【図１２】本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第７の実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。
【図１３】本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第８の実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。
【図１４】本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第９の実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。
【図１５】本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第１０の実施の形態におけるアノード近傍の拡大断面図である。
【図１６】本発明に係る内部改質式固体酸化物型燃料電池の第１１の実施の形態における触媒集電要素の平面図である。
【符号の説明】
【００８４】
１１…固体酸化物電解質、１２…アノード、１３…カソード、１４…セパレータ、１５…集電体、１６…集電体、１７…単セル、１８…反応抑制層、１９…集電体入りアノード、２１…貫通燃料流路、２２…溝状燃料流路、２３…貫通酸素流路、２４…溝状酸素流路、３０…内部改質式固体酸化物型燃料電池、３１…燃料供給装置、３２…酸素供給装置、３３…外部負荷、４２…改質触媒粒子、４３…導電粒子、６０…アノード粒子、６１…触媒集電要素、６２…触媒集電要素、８１…被膜、９１…基材
【図１】
2010103009.tif 000003
【図２】
2010103009.tif 000004
【図３】
2010103009.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図６】
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