(57)【要約】【課題】高い発電性能を維持することができる燃料電池及び燃料電池の製造方法を提供する。【解決手段】基体管１０３の外周面上に、前記基体管１０３の軸方向に沿って、燃料極１０９と固体電解質膜１１１と空気極１１３とを備える複数のセル１０５と、隣接する前記セル１０５を電気的に接続するインターコネクタ１０７とを備える燃料電池であって、一の前記セル１０５内で前記インターコネクタ１０７と前記燃料極１０９とが接触する側の端部において、前記燃料極１０９が端部に傾斜部を有し、該傾斜部上に形成されている前記固体電解質膜１１１が１０μｍ以上形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体管の外周面上に、前記基体管の軸方向に沿って、燃料極と固体電解質膜と空気極とを備える複数のセルと、隣接する前記セルを電気的に接続するインターコネクタとを備える燃料電池であって、
一の前記セル内で前記インターコネクタと前記燃料極とが接触する側の端部において、前記燃料極が端部に傾斜部を有し、
該傾斜部上に形成されている前記固体電解質膜が１０μｍ以上形成されている燃料電池。
【請求項２】
基体管の外周面上に、前記基体管の軸方向に沿って、燃料極と固体電解質膜と空気極とを備える複数のセルと、隣接する前記セルを電気的に接続するインターコネクタとを備える燃料電池を備える燃料電池の製造方法であって、
一の前記セル内で前記インターコネクタと前記燃料極とが接触する側の端部において、前記燃料極が端部に傾斜部を構成するように前記固体電解質膜を形成する工程と、
前記傾斜部上に形成される前記固体電解質膜の膜厚が１０μｍ以上となるように、前記固体電解質膜を形成する工程とを備える燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基体管上に複数のセルが形成された円筒型の燃料電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１及び特許文献２に開示されるように、燃料電池として円筒型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が検討されている。
円筒型の固体酸化物形燃料電池は、発電室の内部に複数のセルスタックを収容する。１つのセルスタックは、基体管の円周方向に、燃料極、固体電解質膜、空気極を積層させたセルが複数形成される。複数のセルは、基体管の軸方向に配列され、隣り合うセル同士がインターコネクタで電気的に直列に接続される。
【０００３】
燃料極、固体電解質膜、空気極及びインターコネクタは、スクリーン印刷を用いて各層の成分を含むスラリーを基体管上に塗布することにより成膜される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４７８１８２３号公報
【特許文献２】特開２００８−５９７９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池の製造において、基体管、燃料極、固体電解質膜及びインターコネクタは共焼結される。この時固体電解質膜にクラックが発生すると、運転時に酸化性ガスがクラックを通じて固体電解質膜内部に侵入する。侵入した酸化性ガスが燃料極に到達すると、燃料極が酸化されて発電性能の低下に繋がる。
【０００６】
本発明は、高い発電性能を維持することができる燃料電池及び燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様は、基体管の外周面上に、前記基体管の軸方向に沿って、燃料極と固体電解質膜と空気極とを備える複数のセルと、隣接する前記セルを電気的に接続するインターコネクタとを備える燃料電池であって、一の前記セル内で前記インターコネクタと前記燃料極とが接触する側の端部において、前記燃料極が端部に傾斜部を有し、該傾斜部上に形成されている前記固体電解質膜が１０μｍ以上形成されている燃料電池である。
【０００８】
本発明の第２の態様は、基体管の外周面上に、前記基体管の軸方向に沿って、燃料極と固体電解質膜と空気極とを備える複数のセルと、隣接する前記セルを電気的に接続するインターコネクタとを備える燃料電池を備える燃料電池の製造方法であって、一の前記セル内で前記インターコネクタと前記燃料極とが接触する側の端部において、前記燃料極が端部に傾斜部を構成するように前記固体電解質膜を形成する工程と、前記傾斜部上に形成される前記固体電解質膜の膜厚が１０μｍ以上となるように、前記固体電解質膜を形成する工程とを備える燃料電池の製造方法である。
【０００９】
円筒型の燃料電池においては、セルの一方端部においてインターコネクタと固体電解質膜とが接触するとともに、インターコネクタと燃料極とが接触する。このセルの一方端部において、燃料極の端部は段差があるため、この段差部分で固体電解質膜が形成されにくくなり、固体電解質膜の膜厚が薄くなる。本願発明者らは、燃料極の傾斜部において燃料極に角部があると、燃料極の傾斜部において、固体電解質膜の膜厚が薄くなり、固体電解質膜にクラック発生による損傷が発生することを見出した。更に本発明者らは、傾斜部上に形成される固体電解質の膜厚が薄い場合には、燃料極の末端位置で固体電解質膜のクラック損傷が発生することを見出した。
【００１０】
本発明のように、燃料極端部の傾斜部上に形成される固体電解質膜の膜厚を１０μｍ以上とすれば、上記クラックの発生を防止することができる。この結果、運転時に酸素等の酸化性ガスがクラックを透過して容易に燃料極に到達することを防止できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池は、燃料極の端部の傾斜部に十分な厚さの固体電解質膜を形成しているため、固体電解質膜の損傷を効果的に防止することができる。この結果、燃料極の損傷を防止でき、高い発電性能を長時間維持させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】円筒型の燃料電池のセルスタックの一態様を示す概略図である。
【図２】燃料電池セルの端部の積層状態の一例を説明する概略図である。
【図３】燃料電池セルの端部の積層状態の別の例を説明する概略図である。
【図４】燃料電池セルの端部の積層状態の別の例を説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて各構成要素の位置関係を特定するが、鉛直方向に対して必ずしもこの限りである必要はない。例えば、紙面における上方向が鉛直方向における下方向に対応してもよい。また、紙面における上下方向が鉛直方向に直行する水平方向に対応してもよい。
【００１４】
図１乃至図４を参照して本発明に係る燃料電池及びその製造方法の一実施形態を説明する。
図１は、本実施例に係る円筒型の燃料電池のセルスタックの一態様を示すものである。セルスタック１０１は、円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを有する。燃料電池セル１０５は、燃料極１０９と固体電解質膜111と空気極１１３とが積層して形成されている。また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端に形成された燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を有する。
【００１５】
燃料電池セル１０５の一方端部（図１において、燃料電池セル１０５の紙面右側の端部）Ａで、燃料極１０９上に固体電解質膜１１１が形成され、固体電解質膜１１１上にインターコネクタ１０７が形成される。燃料電池セル１０５の他方端部（図１において、燃料電池セル１０５の紙面左側の端部）Ｂで、インターコネクタ１０７は、一つの燃料電池セル１０５の固体電解質膜１１１と接触するとともに、同一の燃料電池セル１０５の燃料極１０９と接触する。
【００１６】
基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４とされる。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される燃料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料極１０９に拡散させるものである。
【００１７】
燃料極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。この場合、燃料極１０９は、燃料極１０９の成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を有する。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。また、燃料極１０９は、改質により得られる水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質膜111を介して供給される酸素イオン（Ｏ２−）とを固体電解質膜111との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成するものである。なお、燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。
【００１８】
固体電解質膜111は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを有するＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質膜111は、空気極で生成される酸素イオン（Ｏ２−）を燃料極に移動させるものである。
【００１９】
空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で構成される。この空気極１１３は、固体電解質膜111との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ２−）を生成するものである。
【００２０】
インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ３系などのＭ１−ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ１０７は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１０９とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続するものである。リード膜１１５は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタにより直列に接続される複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出すものである。
【００２１】
本実施形態の燃料電池において、基体管１０３は押出し成形法により形成される。燃料極１０９、固体電解質膜１１１、空気極１１３及びインターコネクタ１０７の各層は、スクリーン印刷法を用いて形成される。
【００２２】
具体的に、燃料極１０９、固体電解質膜１１１及びインターコネクタ１０７の材料を含むスラリーがそれぞれ作製される。各スラリーが、押出し成形された基体管１０３上の所定位置にスクリーン印刷により塗布される。
【００２３】
基体管１０３上に燃料極１０９、固体電解質膜１１１及びインターコネクタ１０７が順次形成された後に、基体管１０３〜インターコネクタ１０７が大気中で共焼結される。焼結温度は、具体的に１３５０℃〜１４５０℃とされる。理由として、１３５０℃未満の場合は電解質、インターコネクタが焼結されず、気密性が損なわれる可能性があり、１４５０℃を超える場合は燃料極、基体管の緻密化が進み、ガス透過性が損なわれ、発電性能が低下する可能性があるからである。
【００２４】
空気極１１３の材料を含むスラリーが作製される。空気極用スラリーが、共焼結後の基体管１０３上の所定位置にスクリーン印刷により塗布される。空気極１１３が形成された基体管１０３が、大気中にて焼結される。焼結温度は、具体的に１１００℃〜１２５０℃とされる。ここでの焼結温度は、基体管〜インターコネクタを形成した後の共焼結温度よりも低温とされる。
【００２５】
図２乃至図４は、図１の燃料電池のセルスタック１０１における燃料電池セル１０５の符号Ａ側の端部の拡大図である。図２乃至図４では、空気極及び基体管は省略した。
【００２６】
図２は、燃料電池セルの端部Ａにおいて、燃料極１０９ａの端部が略直線状の傾斜となる傾斜部１２３ａを有する。燃料電池の燃料電池セル１０５において、燃料極１０９ａの平坦部（燃料極端部から基体管軸方向へ２００μｍ以上進んだ任意の幅１００μｍの範囲で、膜厚が平均から±５μｍである部分）１２１ａの膜厚は、５０〜２００μｍである。
【００２７】
図２の形状とした場合、燃料極１０９ａの傾斜部１２３ａの角度αは、５〜６０°となるように傾斜が設定される。このような形状の傾斜部１２３ａは、スクリーン印刷により燃料極１０９ａのスラリーを複数回に分けて積層させ、端部で各層の重なりをずらすことにより形成される。角度αは、一回の塗布膜厚、各層のずれ幅、燃料極用スラリーの粘度等を調整する。
【００２８】
燃料極１０９ａ上に固体電解質膜１１１ａを形成する場合、平坦部１２１ａ上に形成される固体電解質膜１１１ａの膜厚は２０〜６０μｍである。一方、燃料極１０９ａの傾斜部１２３ａに形成される固体電解質膜１１１ａの膜厚は、平坦部１２１ａの膜厚よりも薄くなる。
固体電解質膜１１１ａの平坦部１２１ａ及び傾斜部１２３ａでの膜厚は、固体電解質膜用スラリーの粘度及び降伏値により制御可能である。
【００２９】
図２の端部形状とした場合、燃料極１０９ａの傾斜部１２３ａ上に形成される固体電解質膜１１１ａが薄くなると、角部１２５ａの位置において固体電解質膜１１１ａにクラック１２９ａが発生する。また、燃料極１０９ａの末端１２７ａでは、基体管１０３に接するように固体電解質膜１１１ａが直接形成される。傾斜部１２３ａ上に形成される固体電解質膜１１１ａが薄いと、末端１２７ａでの固体電解質膜１１１ａも薄くなり、固体電解質膜１１１ａにクラック１２９ｂが発生する。このように、クラック１２９ａ，１２９ｂは、燃料電池セル１０５の端部において燃料極１０９ａの表面が不連続に変化する箇所において発生する。
【００３０】
本実施形態では、燃料極１０９ａの傾斜部１２３ａにおける固体電解質膜１１１ａの膜厚を、１０μｍ以上確保することにより、傾斜部１２３ａに対する緻密性を向上させ、クラック１２９ａ，１２９ｂの発生を防止することができる。従って、クラック１２９ａ，１２９ｂを通じて燃料極１０９ａに酸化性ガスが到達することを防止し、燃料極１０９ａの損傷を防止することができる。また、固体電解質膜１１１ａにおいて効率的に燃料ガスと酸化性ガスとを反応させることができる。
【００３１】
図３は、燃料極１０９ｂの端部が、階段状の傾斜部１２３ｂを有する。平坦部１２１ｂ（上記平坦部１２１ａと同定義）の膜厚は、５０〜２００μｍである。
一回のスクリーン印刷により塗布可能な燃料極の厚さは、燃料極用スラリーの粘度にも依るが１０μｍである。階段状の傾斜部１２３ｂは、各層のずれ幅や燃料用スラリーの粘度等を調整することによって得られる。傾斜部１２３ｂの段数は、平坦部１２１ｂの膜厚と、一回の塗布膜厚とによって決定される。また、傾斜部１２３ｂの基体管軸方向の幅は、段数と各層のずれ幅によって設定される。
【００３２】
燃料極１０９ｂの平坦部１２１ｂ上に形成される固体電解質膜１１１ｂの膜厚は２０〜６０μｍである。一方、傾斜部１２３ｂ上に形成される固体電解質膜１１１ｂの膜厚は、平坦部１２１ｂ上よりも薄い。
固体電解質膜１１１ａの平坦部１２１ｂ及び傾斜部１２３ｂでの膜厚は、固体電解質膜用スラリーの粘度及び降伏値により制御可能である。
【００３３】
図３の例において、燃料極１０９ｂの傾斜部１２３ｂ上に形成される固体電解質膜１１１ｂが薄くなると、段差の角部１２５ｂ上で固体電解質膜１１１ｂにクラック１２９ａが発生する。また、燃料極１０９ｂの末端１２７ｂでは、固体電解質膜１１１ｂにクラック１２９ｂが発生する。このように、クラック１２９ａ，１２９ｂは、固体電解質膜１１１ｂの膜厚が薄くなり、かつ、燃料電池セル１０５の端部において燃料極１０９ｂの表面が不連続に変化する箇所において発生する。
【００３４】
図３においても、クラック発生を防止するためには、燃料極１０９ｂの傾斜部１２３ｂに対応する位置における固体電解質膜１１１ｂの膜厚は、１０μｍ以上とする必要がある。
【００３５】
図４は、燃料極１０９ｃの端部が、外側に凸の曲線状を有する傾斜部１２３ｃとなっている。平坦部１２１ｃ（上記平坦部１２１ａと同定義）の膜厚は、５０〜２００μｍである。
【００３６】
傾斜部１２３ｃの曲率、及び、傾斜部１２３ｃの基体管軸方向の幅は、一回の塗布膜厚、各層のずれ幅や燃料極用スラリーの粘度等を調整することによって設定可能である。
【００３７】
燃料極１０９ｃ上に固体電解質膜１１１ｂを形成する場合、平坦部１２１ｃ上に形成される固体電解質膜１１１ｃの膜厚は２０〜６０μｍである。これに対し、燃料極１０９ｃの傾斜部１２３ｃに形成される固体電解質膜１１１ｃの膜厚は、平坦部１２１ｃの膜厚よりも薄くなる。特に、傾斜部１２３ｃの曲率が大きい場合は、固体電解質膜１１１ｃが形成されにくい。例えば、燃料極１０９ｃの基体管軸方向の幅が短く、末端１２７ｃ近傍での曲率が大きくなる場合、スクリーン印刷により固体電解質膜用スラリーが末端１２７ｃ近傍に塗布されにくい傾向があり、末端１２７ｃでの固体電解質膜１１１ｃの膜厚が薄くなる。
固体電解質膜１１１ｃの平坦部１２１ｃ及び傾斜部１２３ｃでの膜厚は、固体電解質膜用スラリーの粘度及び降伏値により制御可能である。
【００３８】
このように、固体電解質膜１１１ｃの膜厚が薄い場合には、上述のように燃料電池セル１０５の端部において燃料極１０９ａの表面が不連続に変化する箇所においてクラックが発生する。すなわち、図４の場合、燃料極１０９ａの末端１２７ｃにおいてクラック１２９ｂが発生する。
【００３９】
図２及び図３の例と同様に、図４の場合においてもクラック発生を防止するためには、傾斜部１２３ｃにおける固体電解質膜１１１ｃの膜厚を、１０μｍ以上とする必要がある。
【符号の説明】
【００４０】
１０１  セルスタック
１０３  基体管
１０５  燃料電池セル
１０７  インターコネクタ
１０９，１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃ  燃料極
１１１，１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ  固体電解質膜
１１３  空気極
１１５  リード膜
１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ  平坦部
１２３ａ，１２３ｂ，１２３ｃ  傾斜部
１２５ａ，１２５ｂ  角部
１２７ａ，１２７ｂ，１２７ｃ  末端
１２９ａ，１２９ｂ  クラック
Ａ，Ｂ  端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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