(57)【要約】【課題】発電セルの強度を向上させて、発電中の発電セルの割れを防止するとともに、固体電解質層の厚さ寸法を従来よりも薄くして発電性能を向上させる。【解決手段】固体電解質層２の一方の面に燃料極層３が形成され、他方の面に空気極層４が形成された固体酸化物形燃料電池の発電セル１０において、燃料極層３に、多孔質金属板１１の厚み方向の一部または全部が補強用骨格として埋め込まれている。多孔質金属板１１の厚み方向の一部のみが燃料極層３に埋め込まれている場合は、多孔質金属板１１の燃料極層３外に露出した部分を、燃料極層３の上に積層する燃料極集電体の少なくとも一部として利用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質層の一方の面に燃料極層が形成され、他方の面に空気極層が形成された固体酸化物形燃料電池の発電セルにおいて、
上記燃料極層に、多孔質金属板の厚み方向の一部または全部が補強用骨格として埋め込まれていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池の発電セル。
【請求項２】
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池の発電セルであって、
上記多孔質金属板の厚み方向の一部のみが上記燃料極層に埋め込まれることで、上記多孔質金属板の厚み方向の他の部分が燃料極層の外部に露出しており、該多孔質金属板の燃料極層外への露出部分が、上記燃料極層に積層される燃料極集電体の少なくとも一部として利用可能とされていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池の発電セル。
【請求項３】
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池の発電セルの製造方法であって、
上記固体電解質層の一方の面に上記多孔質金属板を配置し、上記固体電解質層の一方の面上に、上記多孔質金属板の厚み方向の少なくとも一部が含まれるように上記燃料極層を形成するためのスラリーを充填して該スラリーを焼結することにより、上記多孔質金属板の厚み方向の一部または全部が埋め込まれた上記燃料極層を上記固体電解質層上に形成することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の発電セルの製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池の発電セルの製造方法であって、
上記固体電解質層の一方の面上に上記燃料極層を形成するためのスラリーを充填し、そのスラリーの上に厚み方向の少なくとも一部が含まれるように上記多孔質金属板を配置して、上記スラリーを焼結することにより、上記多孔質金属板の厚み方向の一部または全部が埋め込まれた上記燃料極層を上記固体電解質層上に形成することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の発電セルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応ガスによって発電反応を行なうための固体酸化物形燃料電池の発電セルとその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、固体酸化物形燃料電池には、反応ガスによって発電反応を行なうための発電セルが搭載されている。
【０００３】
図２および図３は、従来の一般的な固体酸化物形燃料電池を示すものであり、図中符号１が発電セルである。
この発電セル１は、支持体となる固体電解質層２の一方の面に燃料極層３が、他方の面に空気極層４が一体に形成されたものである。
【０００４】
ここで、固体電解質層２は、高い酸素イオン伝導性を有するランタンガレート系（ＬａＧａＯ３系）材料が用いられているとともに、約２００μｍの厚さ寸法に形成されている。
【０００５】
また、燃料極層３は、Ｎｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、Ｎｉ−ＳＤＣ（サマリウム添加セリア）、Ｎｉ−ＧＤＣ（ガドニウム添加セリア）、Ｎｉ−ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、Ｎｉ−ＬＳＧＭ（ストロンチウム−マグネシウム添加ランタンガレート）、Ｎｉ−ＬＳＧＭＣ（ストロンチウム−マグネシウム−コバルト添加ランタンガレート）、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４は、ランタンマンガナイト系(ＬａＭｎＯ3系）材料、ランタンコバルタイト系（ＬａＣｏＯ3系）材料、サマリウムコバルタイト系（ＳｍＣｏＯ3系）材料、バリウムコバルタイト系（ＢａＣｏＯ3系）材料で構成されている。
ちなみに、燃料極層３および空気極層４は、それぞれ固体電解質層２の表面に２０〜３０μｍの厚さ寸法で形成されている。
【０００６】
さらに、燃料極層３の表面には、Ｎｉ基合金等の多孔質焼結金属板からなる燃料極集電体５が配設され、空気極層４の表面には、Ａｇ基合金等の多孔質焼結金属板からなる空気極集電体６が配設されている。
【０００７】
そして、発電セル１およびその両側に配設された燃料極集電体５、空気極集電体６が、セパレータ７によって挟み込まれることにより単セルが構成されるとともに、当該単セルが複数積層されることにより、燃料電池スタックが構成されている。
【０００８】
ここで、セパレーク７は、発電セル１間を電気的に接続するとともに、発電セル１に対して水素リッチな燃料ガス（Ｈ2、ＣＯ等）および酸化剤ガス（空気）を供給する機能を有するもので、ステンレス等の金属によって形成されている。そして、このセパレーク７の内部には、その外部から導入された上記燃料ガスを燃料極集電体５との対向面のほぼ中央部から吐出させる燃料ガス流路８と、空気極集電体６との対向面のほぼ中央部から空気を吐出させる空気流路９が形成されている。
【０００９】
以上の構成からなる固体酸化物形燃料電池においては、燃料ガス流路８に供給した上記燃料ガスをセパレータ７の中央部から燃料極集電体５に流出させるとともに、空気流路９に供給した空気を当該セパレータ７の中央部から空気極集電体６に流出させる。すると、上記燃料ガスおよび空気は、各々スポンジ状の燃料極集電体５または空気極集電体６内を拡散移動して外周方向へと流れ、さらに多孔質の燃料極層３または空気極層４から固体電解質層２の界面に到達する。
【００１０】
そして、空気極層４内の気孔を通って固体電解質層２の界面近傍に到達した空気は、当該空気極層４において電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化され、燃料極層３の方向に向かって固体電解質層２内を透過拡散移動する。次いで、燃料極層３との界面近傍に到達した酸化物イオンは、上記燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等）を生じ、燃料極層３に電子を放出する。そして、この電子を、積層方向両端部のセパレータ８間を通じて外部に起電力として取り出すことができる。
【００１１】
ところで、発電セル１の固体電解質層２は、高い酸素イオン伝導性を有するランタンガレート系電解質を用いていることから、７００℃程度の中温域の温度雰囲気下において、高い発電性能を発揮することができる。そして、上記固体電解質層２の厚さを薄くして、酸素イオンの透過拡散性を向上させることにより、発電性能を向上させることができることが知られている。
【００１２】
ところが、この上記ランタンガレート系電解質は、機械的強度が十分に高くないことから、固体電解質層２の厚さを薄くすると、固体電解質層２を支持体としている発電セル１自体の強度が低下してしまう。この結果、発電中に、発電セル１に割れが生じて、発電することができなくなる可能性があった。
【００１３】
このため、固体電解質層２をランタンガレート系の材料で構成した発電セル１を備えた固体酸化物形燃料電池が安定的な発電を行うためには、例えば発電セル１の直径がφ１７０ｍｍの場合、当該固体電解質層２を少なくとも約１６０μｍ以上の厚さ寸法にする必要があり、当該寸法以下に固体電解質層２を薄くすることにより発電性能の向上を図ることが困難であった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、発電セルの強度を向上させて、発電中の発電セルの割れを防止するとともに、固体電解質層の厚さ寸法を従来よりも薄くして発電性能を向上させることが可能な固体酸化物形燃料電池の発電セルとその製造方法を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池の発電セルは、固体電解質層の一方の面に燃料極層が形成され、他方の面に空気極層が形成された固体酸化物形燃料電池の発電セルにおいて、上記燃料極層に、多孔質金属板の厚み方向の一部または全部が補強用骨格として埋め込まれていることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池の発電セルは、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池の発電セルであって、上記多孔質金属板の厚み方向の一部のみが上記燃料極層に埋め込まれることで、上記多孔質金属板の厚み方向の他の部分が燃料極層の外部に露出しており、該多孔質金属板の燃料極層外への露出部分が、上記燃料極層に積層される燃料極集電体の少なくとも一部として利用可能とされていることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池の発電セルは、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池の発電セルの製造方法であって、上記固体電解質層の一方の面に上記多孔質金属板を配置し、上記固体電解質層の一方の面上に、上記多孔質金属板の厚み方向の少なくとも一部が含まれるように上記燃料極層を形成するためのスラリーを充填して該スラリーを焼結することにより、上記多孔質金属板の厚み方向の一部または全部が埋め込まれた上記燃料極層を上記固体電解質層上に形成することを特徴とするものである。
【００１８】
請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池の発電セルは、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池の発電セルの製造方法であって、上記固体電解質層の一方の面上に上記燃料極層を形成するためのスラリーを充填し、そのスラリーの上に厚み方向の少なくとも一部が含まれるように上記多孔質金属板を配置して、上記スラリーを焼結することにより、上記多孔質金属板の厚み方向の一部または全部が埋め込まれた上記燃料極層を上記固体電解質層上に形成することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１の発明によれば、燃料極層に多孔質金属板の厚み方向の一部または全部が補強用骨格として埋め込まれているので、発電セルとしての強度を大幅に向上させることが可能となる。この結果、製造段階および発電時に、発電セルが割れにくくなるとともに、固体電解質層の厚さ寸法を従来よりも薄くして発電性能を向上させることが可能になる。また、多孔質金属板は、燃料ガスが透過拡散可能であるため、燃料ガスを燃料極層全休に十分に行き渡らせることができ、従来と同様に発電セルとしての機能を円滑に果たすことができる。
【００２０】
請求項２の発明によれば、多孔質金属板の露出部分を燃料極集電体の少なくとも一部として用いるので、発電セルの燃料極層側に積層する燃料極集電体を薄くしたり省略したりすることができる。
【００２１】
請求項３の発明によれば、多孔質金属板を固体電解質層の一方の面に配置した上でスラリーを充填し焼結することにより、多孔質金属板の厚み方向の一部または全部が埋め込まれた燃料極層を固体電解質層上に容易に形成することができる。
【００２２】
請求項４の発明によれば、固体電解質層の一方の面にスラリーを充填し、そのスラリーの上に厚み方向の少なくとも一部が含まれるように多孔質金属板を配置して、スラリーを焼結することにより、多孔質金属板の厚み方向の一部または全部が埋め込まれた燃料極層を固体電解質層上に容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態の発電セルの部分断面図である。
【図２】従来の固体酸化物形燃料電池を示す斜視図である。
【図３】従来の固体酸化物形燃料電池の要部を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、本発明に係る燃料電池の発電セルの一実施形態を示すものであり、図中符号１０が発電セルである。
この発電セル１０は、固体電解質層２の一方の面に燃料極層３が形成され、他方の面に空気極層４が形成され、燃料極層３に、多孔質金属板１１の厚み方向の一部または全部が補強用骨格として埋め込まれたものである。燃料極層３と多孔質金属板１１の重複部は、３次元的に双方の網目が絡み合った構造をなしている。
【００２５】
ここで、固体電解質層２は、ランタンガレート系（ＬａＧａＯ3系）材料によって構成されるとともに、φ１２０ｍｍ、１６０μｍの厚さ寸法に形成されている。また、多孔質金属板１１の厚み方向の一部または全部が埋め込まれた燃料極層３は、Ｎｉ−ＧＤＣのサーメットによって構成されるとともに、φ１２０ｍｍ、５０〜４００μｍ程度の厚さ寸法に形成されている。また、空気極層４は、サマリウムコバルタイト系（ＳｍＣｏＯ3系）材料によって構成されるとともに、φ１２０ｍｍ、２０μｍの厚さ寸法に形成されている。なお、燃料極層３には、Ｎｉ−ＹＳＺ、Ｎｉ−ＳＤＣ、Ｎｉ−ＳｃＳＺ、Ｎｉ−ＬＳＧＭ、Ｎｉ−ＬＳＧＭＣ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットも使用することが可能であり、空気極層４には、ランタンマンガナイト系(ＬａＭｎＯ3系）材料、ランタンコバルタイト系（ＬａＣｏＯ3系）材料、バリウムコバルタイト系（ＢａＣｏＯ3系）材料等も使用することが可能である
【００２６】
さらに、多孔質金属板１１は、水素ガスを透過可能なＮｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、ＳＵＳ等の多孔質焼結金属板によって構成されるとともに、φ１２０ｍｍに形成されており、且つ厚さ寸法が、固体電解質層２の厚さ寸法よりも大きく形成されている。これにより、多孔質金属板１１は、固体電解質層２よりも機械的強度が大きくなっている。また、燃料極層２に対して埋め込まれるものであるから、燃料極層２と別の材料を使用することができる。
【００２７】
次に発電セル１０の製造方法を説明する。
発電セル１０を製造する場合は、固体電解質層２の一方の面に多孔質金属板１１を配置し、固体電解質層２の一方の面上に、多孔質金属板１１の厚み方向の少なくとも一部が含まれるように、燃料極層３を形成するためのスラリーを充填して、該スラリーを焼結する。そうすることにより、多孔質金属板１１の厚み方向の一部または全部が埋め込まれた燃料極層３を固体電解質層２上に形成することができる。空気極層４については公知の方法で形成する。それにより、容易に発電セル１０を得ることができる。
【００２８】
特に図示例のように、多孔質金属板１１の厚み方向の一部のみを燃料極層３に埋め込む場合には、多孔質金属板１１と固体電解質層２の間にスラリーを充填して焼結するのがよい。
【００２９】
また、次のように製造することもできる。
即ち、最初に固体電解質層２の一方の面上に燃料極層３を形成するためのスラリーを充填（塗布または印刷を含む）し、そのスラリーの上に厚み方向の少なくとも一部が浸漬する（含まれる）ように多孔質金属板１１を配置して、スラリーを焼結することにより、多孔質金属板１１の厚み方向の一部または全部が埋め込まれた燃料極層３を固体電解質層２上に形成する。それにより、容易に発電セル１０を得ることができる。
【００３０】
このように多孔質金属板１１を組み付けた上で燃料極層３を構成するスラリーを焼結する場合、多孔質金属板１１の材料としてＮｉ、Ｃｕなどを用いると、発電セル作成時にそれらの金属が酸化されることになるが、燃料電池スタックに組み立てて発電する段階で、酸化された金属が還元されるので、酸化による問題はなくなる。
【００３１】
また、多孔質金属板１１の厚み方向の一部のみが燃料極層３に埋め込まれ、多孔質金属板１１の厚み方向の他の部分が燃料極層３の外部に露出している図示例のような構造の場合は、多孔質金属板１１の燃料極層３外への露出部分１１ａを、燃料極層３に積層される燃料極集電体（ガス拡散層）の少なくとも一部として利用することができる。
【００３２】
上述した発電セル１０は、燃料極層３に多孔質金属板１１の厚み方向の一部または全部が補強用骨格として埋め込まれているので、発電セル１０としての強度を大幅に向上させることが可能となる。この結果、製造段階および発電時に、発電セル１０が割れにくくなるとともに、固体電解質層２の厚さ寸法を従来よりも薄くして発電性能を向上させることが可能になる。また、多孔質金属板１１は、燃料ガスが透過拡散可能であるため、燃料ガスを燃料極層３全休に十分に行き渡らせることができ、従来と同様に発電セルとしての機能を円滑に果たすことができる。
【００３３】
また、多孔質金属板１１の一部だけを燃料極層３に埋め込んだ場合は、多孔質金属板１１の露出部分１１ａを燃料極集電体の少なくとも一部として用いることができるので、発電セル１０の燃料極層３側に積層する燃料極集電体を薄くしたり省略したりすることができる。
【符号の説明】
【００３４】
１０  発電セル
２  固体電解質層
３  燃料極層
４  空気極層
１１  多孔質金属板
１１ａ  露出部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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