(57)【要約】      （修正有）【課題】電池性能を安定させることができる固体酸化物形燃料電池用単セル及びこれを備えた固体酸化物形燃料電池を提供する。【解決手段】支持基１１板上に配置される固体酸化物形燃料電池用単セルであって、前記支持基板１１の一方面に配置される電解質２と、前記電解質２上に配置され、所定方向に延びる燃料極３と、前記電解質２上に配置され、前記燃料極３と離間し且つ当該燃料極３と同一方向に延びる空気極４と、前記燃料極３上に配置され、当該燃料極３に沿って延びる第１の集電層５と、前記空気極４上に配置され、当該空気極４に沿って延びる第２の集電層６と、を備え、前記各集電層５，６は、ガス透過性を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板上に配置される固体酸化物形燃料電池用単セルであって、
前記支持基板の一方面に配置される電解質と、
前記電解質上に配置され、所定方向に延びる燃料極と、
前記電解質上に配置され、前記燃料極と離間し且つ当該燃料極と同一方向に延びる空気極と、
前記燃料極上に配置され、当該燃料極に沿って延びる第１の集電層と、
前記空気極上に配置され、当該空気極に沿って延びる第２の集電層と、
を備え、
前記各集電層は、ガス透過性を有する、固体酸化物形燃料電池用単セル。
【請求項２】
前記各集電層は、前記燃料極上及び空気極上の全面に配置されている、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池用単セル。
【請求項３】
ガス透過性を有する支持基板と、
前記支持基板上に配置され、少なくとも１つの、請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池用単セルと、
を備えている、固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
第１の支持基板と、
前記第１の支持基板上に配置され、請求項１または２に記載の複数の固体酸化物形燃料電池用単セルと、
前記第１の支持基板との間に、前記固体酸化物形燃料電池用単セルを配置する、ガス透過性の第２の支持基板と、
前記第２の支持基板において前記第１の支持基板と対向する面に配置され、前記各集電層と接続されるとともに、前記複数の固体酸化物形燃料電池用単セルを電気的に接続するインターコネクタと、
を備え、
前記燃料極及び空気極は、ガス透過性を有する、固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
前記第１の支持基板は、ガス透過性を有する、請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項６】
所定間隔をあけて平行に配置された、ガス透過性のある複数の支持基板と、
隣接する前記支持基板の間に配置され、一方の前記支持基板上に前記電解質が配置される、請求項１または２に記載の複数の固体酸化物形燃料電池用単セルと、
隣接する前記支持基板のうち、他方の支持基板の表面に配置されるとともに、前記各集電層と接続され、前記複数の固体酸化物形燃料電池用単セルを電気的に接続する、インターコネクタと、
を備え、
前記燃料極、空気極、及び各集電層は、ガス透過性を有し、
前記電解質は、緻密に形成されている、固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池用単セル及びこれを備えた固体酸化物形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池とは外部からの燃料供給と燃焼生成物の排気とを連続的に行いながら、燃料が酸化する際に発生する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換できる電池である。燃料電池の種類は電解質により分類され、電解質にイオン伝導性を持つ固体酸化物を用いたものを固体酸化物形燃料電池と呼んでいる。この固体酸化物形燃料電池としては、種々のものが提案されているが、例えば、特許文献１には、電解質基板上に、安定化ジルコニアまたはペロブスカイト型酸化物の固体電解質シートの同一表面上にパラジウム・白金・ニッケルまたはロジウム電極と金電極を印刷した構造で、所定間隔をおいて燃料極（アノード）と空気極（カソード）とを形成した単室型の固体酸化物形燃料電池の構造が開示されている。また、単室型の電極材料として、空気極には、ストロンチウムをドープしたＬｎ1-xＳｒxＣｏＯ3-δ（ただし、Ｌｎは希土類元素）、また、燃料極には、ニッケルと、酸化セリウムを主体とする複酸化物を含有したものを使用することが述べられており、一般的な二室型の固体酸化物形燃料電池で使用される材料を利用できることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第２８１０９７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の固体酸化物形燃料電池では、櫛形の燃料極と空気極とを互いにかみ合わせるように配置している。そして、隣接するに電池は、インターコネクタで接続している。しかしながら、このインターコネクタは、各電極の櫛の歯とは反対側に設けられている。すなわち、各電極に部分的に接触した状態となっているため、各電極で生じた電子を取り出しにくく電池性能が安定しない問題があった。
【０００５】
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、電池性能を安定させることができる固体酸化物形燃料電池用単セル及びこれを備えた固体酸化物形燃料電池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】
【０００６】
本発明は、支持基板上に配置される固体酸化物形燃料電池用単セルであって、前記支持基板の一方面に配置される電解質と、前記電解質上に配置され、所定方向に延びる燃料極と、前記電解質上に配置され、前記燃料極と離間し且つ当該燃料極と同一方向に延びる空気極と、前記燃料極上に配置され、当該燃料極に沿って延びる第１の集電層と、前記空気極上に配置され、当該空気極に沿って延びる第２の集電層と、を備え、前記各集電層は、ガス透過性を有する。
【０００７】
この構成によれば、各電極が所定方向に延びるように形成され、さらに各集電層が電極上に、これに沿って形成されている。そのため、各電極の長手方向の全体に亘って電子を取り出すことができる。その結果、電池性能を安定させることができる。なお、本発明でいう所定方向に延びる電極とは、例えば、正方形のように点対象な形状ではないものを指す。例えば、一方向に延びる長方形、帯状などのほか、Ｌ字型、波形など、多方向に延びる形状であってもよい。また、ガス透過性とは、ガスが透過すればよいため、多孔質材料で形成したり、あるいは貫通孔を形成したものであってもよい。
【０００８】
上記単セルにおいては、各集電層を、燃料極及び空気極の全面に配置することができる。ここでいう全面とは、必ずしも各電極のすべての面を指すのではなく、例えば、各電極において電解質とは反対側の面の長手方向の長さの８０％以上に、集電層が配置されていればよい。
【０００９】
また、本発明に係る第１の固体酸化物形燃料電池は、ガス透過性を有する支持基板と、前記支持基板上に配置され、少なくとも１つの、上述した固体酸化物形燃料電池用単セルと、を備えている。
【００１０】
また、本発明に係る第２の固体酸化物形燃料電池は、第１の支持基板と、前記第１の支持基板上に配置され、上述した複数の固体酸化物形燃料電池用単セルと、前記第１の支持基板との間に、前記固体酸化物形燃料電池用単セルを配置する、ガス透過性の第２の支持基板と、前記第２の支持基板において前記第１の支持基板と対向する面に配置され、前記各集電層と接続されるとともに、複数の固体酸化物形燃料電池用単セルを電気的に接続するインターコネクタと、を備え、前記燃料極及び空気極は、ガス透過性を有する。
【００１１】
この構成によれば、上述した単セルを複数個接続することができる。このとき、例えば、第２の支持基板にインターコネクタを予め配置し、これを集電層と接触させれば、複数の単セルを電気的に接続することができる。また、第２の支持基板は、ガス透過性を有するため、第２の支持基板の上面から燃料ガス及び酸化剤ガスを供給すれば、発電を行うことができる。ここで、第１の支持基板もガス透過性を有するものとすることができる。こうすることで、単セルに対し、いずれの方向からでも単セルに対して、ガスを供給することができる。
【００１２】
また、本発明に係る第３の固体酸化物形燃料電池は、所定間隔をあけて平行に配置された、ガス透過性のある複数の支持基板と、隣接する前記支持基板の間に配置され、一方の前記支持基板上に前記電解質が配置される、上述した複数の固体酸化物形燃料電池用単セルと、隣接する前記支持基板のうち、他方の支持基板の表面に配置されるとともに、前記各集電層と接続され、前記複数の固体酸化物形燃料電池用単セルを電気的に接続する、インターコネクタと、を備え、前記燃料極、空気極、及び各集電層は、ガス透過性を有し、前記電解質は、緻密に形成されている。
【００１３】
この構成によれば、ガス透過性を有する複数の支持基板の間に複数の単セルを配置しているため、支持基板の積層方向に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給すれば、発電を行うことができる。ここで、電解質は緻密に形成されているため、供給されたガスは、支持基板において電解質が配置されている部分を透過せず、面方向に沿って流れていく。したがって、支持基板上にあるすべての単セルにガスを供給することができる。そして、ガスは、支持基板において電解質が配置されていない部分を通過して、支持基板の積層方向に流れていく。以上のようにして、ガスは、支持基板の面に垂直な方向及び平行な方向に流れていくため、ガスの拡散性を大きく向上することができ、各単セルに均一にガスを供給することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電池性能を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る単セルの側面図である。
【図２】図１の平面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（第１実施形態）
以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池用単セルの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固体酸化物形燃料電池用単セルの側面図、図２は図１の平面図である。
【００１７】
図１及び図２に示すように、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用単セルは支持基板上に配置されるものであり、多孔質の支持基板１１上に配置される薄膜状の電解質２を備えている。そして、この電解質２の上面には、所定間隔をおいて長方形の燃料極３と空気極４が配置されている。さらに、燃料極３及び空気極４の上面には、第１及び第２集電層５，６が配置されている。各集電層５，６は、燃料極３または空気極４の上面の全面に亘って設けられている。ここで、上記電解質２は、緻密に形成され、ガスを透過し難くなっている。一方、各電極３，４及び各集電層５，６は、ガスを透過する多孔状に形成されている。
【００１８】
続いて、上記単セルを構成する材料について説明する。支持基板１１は多孔質性であり、ガス透過性を考慮するとその気孔率が１０〜７０体積％の範囲にあることが好ましく、３０〜６０体積％の範囲にあることがさらに好ましい。このような要求を満たすため、支持基板１１を構成する材料は、絶縁性を有する材料で構成されていれば特に限定されず、例えば、アルミナ系材料、シリカ系材料などのセラミックス材料を用いることができる。支持基板１１は、例えば粉末をプレスして焼結するプレス法や、テープキャスト法で形成することができる。テープキャスト法については、上記材料でグリーンシートを作製し焼結させて支持基板を形成する。具体的には、上述の材料と造孔剤を添加し、バインダー、分散剤および可塑剤を加え、エタノール、２-プロパノールといったアルコール系溶媒からなる分散媒体により分散されているスラリーを作製する。造孔剤の添加量は、支持基板１１の材料の総重量比に対して５〜２０ｗｔ％が好ましい。添加されている造孔剤は、焼結の際に燃焼して分解消失するため造孔剤が存在していた箇所には空孔が形成される。
【００１９】
なお、造孔剤としては、例えば、炭素粉末、熱可塑性樹脂粉末、熱可塑性樹脂繊維、熱硬化性樹脂粉末、熱硬化性樹脂繊維、天然繊維、天然繊維の誘導体等が挙げられる。炭素粉末としては、例えば、カーボンブラック、活性炭、グラファイト（黒鉛）、無定形炭素等が挙げられる。炭素粉末中の金属成分の含有量は、好ましくは１００ｍｇ／ｋｇ以下、特に好ましくは金属成分を含有しないことである。また、熱可塑性樹脂粉末、熱可塑性樹脂繊維、熱硬化性樹脂粉末又は熱硬化性樹脂繊維としては、例えば、ポリスチレン等の炭化水素化合物であってもよいし、ポリメタクリル酸メチル、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の含酸素有機化合物；ポリアミド、メラミン樹脂、尿素樹脂、ポリウレタン等の含窒素化合物；ポリスルホン等の含硫黄化合物のような、炭素原子及び水素原子以外の原子を含む化合物であってもよい。これらのうち、燃焼時に炭酸ガス以外のガスが発生しない点で、炭化水素化合物及び含酸素有機化合物が好ましい。天然繊維としては、例えば、セルロース繊維、タンパク繊維等が挙げられ、セルロース繊維には、半人造のアセテートやレーヨンも含まれる。また、天然繊維の誘導体としては、エチルセルロース等の天然繊維のエチルエステル等が挙げられる。
造孔剤が粒状の場合、平均粒径（平均径）は、好ましくは０．１〜２０μｍ、特に好ましくは０．５〜１０μｍ、更に好ましくは１〜５μｍである。造孔剤の平均粒径が、０．１μｍ未満だと、支持基板１の細孔の細孔径が小さくなり過ぎるので、支持基板形成用スラリーが含浸し難くなり易く、また、２０μｍを超えると、支持基板１１の細孔の細孔容積が大きくなり過ぎるので、支持基板１１の強度が低くなり易い。なお、粒状の場合、個々の粒子の縦方向、横方向及び奥行き方向の径のうち、最も大きい長さを平均した値が、該粒状の造孔剤の平均粒径である。
【００２０】
また、造孔剤が繊維状の場合、平均繊維長は、好ましくは０．０１〜１０μｍ、特に好ましくは０．０５〜５μｍ、更に好ましくは０．１〜１μｍである。この造孔剤の平均繊維長が、０．０１μｍ未満だと、支持基板１の細孔の細孔径が小さくなり過ぎるので、支持基板形成用スラリーが含浸し難くなり易く、また、１０μｍを超えると、支持基板１１の細孔の細孔容積が大きくなり過ぎるので、支持基板１１の強度が低くなり易い。また、造孔剤の平均繊維径は、特に制限されないが、好ましくは０．００１〜１μｍ、特に好ましくは０．００５〜０．５μｍである。なお、繊維状の場合、個々の繊維の横方向の長さを、平均した値が、平均繊維長であり、個々の繊維の縦方向及び奥行き方向の径のうち、大きい方の長さを平均した値が、平均繊維径である。これらのうち1種もしくは2種以上を使用することができる。
【００２１】
上述の工程により作製された支持基板１１は多孔性であり、支持基板１１の気孔率については液体中の支持基板１１の体積V、支持基板の密度ρ、また空気中での支持基板１１の重さWまたは液体中での支持基板の重さW'から算出するアルキメデス法を用いて同定した。
【００２２】
電解質２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、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物（ＧＤＣ）、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物（ＹＳＺ）などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。電解質２は、例えばウェットコーティング法によって形成することができる。ウェットコーティング法としては、スプレー法、スクリーン印刷法、ディップコート法等が例示できる。その際、電解質２はペースト状にする必要があり、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶剤などが適量加えられることにより形成される。より詳細には、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が５０〜９５重量％となるようにバインダー樹脂を加えることが好ましい。また、上述したように、電解質２は、緻密に形成してガスを透過し難くする必要があるため、その相対密度は、９０％以上であることが好ましい。
【００２３】
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、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物など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ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・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３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またはセラミックス材料へのニッケル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種類を単独で、或いは２種類以上を混合して使用することができる。また、燃料極３は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。
【００２４】
空気極４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等を有するＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ又はＭｎ等からなる金属酸化物を用いることができる。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などの酸化物が挙げられ、好ましくは、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ３である。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。
【００２５】
なお、上述したように、燃料極３及び空気極４は、多孔質で形成されているが、ガス透過性の観点から、その気孔率は、２０〜５０体積％であることが好ましく、３０〜４０体積％であることがさらに好ましい。
【００２６】
電解質２、燃料極３、空気極４をセラミックス粉末材料から形成する場合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、空気極４の膜厚は、５〜１００μmとなるように形成するが、５〜５０μmであることがさらに好ましい。
【００２７】
燃料極３および空気極４は、例えばウェットコーティング法によって形成することができる。ウェットコーティング法としては、スプレー法、スクリーン印刷法、インクジェット法、ディップコート法等が例示できる。その際、電解質２はペースト状にする必要があり、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶剤などが適量加えられることにより形成される。より詳細には、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が５０〜９５重量％となるようにバインダー樹脂を加えることが好ましい。燃料極３及び空気極４の膜厚は５〜１００μｍとなるように形成するが、５〜５０μｍとすることが好ましい。また、電解質２の膜厚は、１〜１００μｍであることが好ましく、５〜５０μｍであることがさらに好ましい。
【００２８】
各集電層５，６は、導電性のある金属或いは金属酸化物材料からなり、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，ＳＵＳ，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。各集電層５，６の膜厚は、５〜１００μmとなるように形成するが、５〜５０μmであることがさらに好ましい。各集電層５，６は、例えばウェットコーティング法によって形成することができる。ウェットコーティング法としては、スプレー法、スクリーン印刷法、ディップコート法等が例示できる。その際、各集電層５，６はペースト状にする必要があり、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶剤などが適量加えられることにより形成される。より詳細には、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が５０〜９５重量％となるようにバインダー樹脂を加えることが好ましい。なお、上述したように、集電層５，６は、多孔質で形成されているが、ガス透過性の観点から、その気孔率は、２０〜５０体積％であることが好ましく、３０〜４０体積％であることがさらに好ましい。
【００２９】
上記単セルにおいては、次のように発電が行われる。まず、メタンなどの炭化水素系ガスからなる燃料ガスと、空気などの酸化剤ガスとの混合ガスを単セルの表面に供給する。これにより、燃料極３及び空気極４がそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスと接触するため、燃料極３と空気極４との間で、電解質２を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。
【００３０】
以上のように、本実施形態によれば、各集電層５，６が電極３，４の上面全体に形成されているため、各電極３，４の長手方向の全体に亘って電子を取り出すことができる。その結果、電池性能を安定させることができる。なお、支持基板１１は、多孔質ではなく、緻密なものを使用することもできる。
（第２実施形態）
次に、上記単セルを複数個接続した固体酸化物形燃料電池の一実施形態について説明する。図３は、本実施形態における固体酸化物形燃料電池の断面図である。
【００３１】
図３に示すように、この燃料電池は、第１実施形態で示した単セルを複数使用している。すなわち、上述した多孔質からなる一対の支持基板１１，１２の間に複数の単セルを配置し、これらをインターコネクタ８で電気的に接続している。より詳細に説明すると、第１支持基板１１の上面に３個の単セル、つまり第１，第２及び第３単セルＣ１〜Ｃ３が所定間隔をおいて配置されている。一方、第２支持基板の下面には、４つのインターコネクタ８が配置されており、各インターコネクタ８が単セルＣ１〜Ｃ３の集電層５，６の上面に接触している。各インターコネクタ８は、平面視で帯状に形成され、上述した３個の単セルＣ１〜Ｃ３を直列に接続する。例えば、第１単セルＣ１の第２集電層６と、第２単セルＣ２の第１集電層５がインターコネクタ８によって接続されている。
【００３２】
この燃料電池は、例えば、次のように製造することができる。まず、第１支持基板１１上に、電解質用ペーストを塗布し、これを乾燥した後、焼結し電解質２を形成する。次に、電解質２上に、燃料極ペースを塗布し、これを乾燥した後、焼結し燃料極３を形成する。同様に、電解質２上に、空気極ペーストを塗布し、これを乾燥した後、焼結し空気極４を形成する。さらに、燃料極３及び空気極４上に集電層用ペーストを塗布し、乾燥、焼結する。こうして、第１及び第２集電層５，６が形成される。一方、第２支持基板１２の下面には、インターコネクタ用ペーストを塗布し、乾燥、焼結してインターコネクタ８を形成する。なお、インターコネクタを形成する材料は、上述した集電層５，６と同じである。これに続いて、インターコネクタ８が形成された第２支持基板１２を単セルＣ１〜Ｃ３の上面に配置する。このとき、インターコネクタ８により３つの単セルＣ１〜Ｃ３が接続されるように位置決めする。
【００３３】
以上のように、本実施形態によれば、インターコネクタ８が配置された第２支持基板１２により、複数の単セルＣ１〜Ｃ３を直列に接続することができる。また、インターコネクタを単セル上に直接形成しなくてもよいため、第２支持基板１２上のインターコネクタ８の配置を変えれば、直列または並列など所望の接続が可能になる。なお、発電の方法は、第１実施形態と同様であるが、第２支持基板１２は、多孔質で形成されているため、混合ガスは、第２支持基板１２を透過して各単セルＣ１〜Ｃ３の電極３，４に供給される。また、第１支持基板１１も多孔質でガス透過性を有しているため、単セルＣ１〜Ｃ３に対し、いずれの方向からでも混合ガスを供給することができる。
（第３実施形態）
次に、上記第２実施形態の燃料電池を、垂直方向にスタックした燃料電池の一実施形態について説明する。図４は、本実施形態における固体酸化物形燃料電池の断面図である。
【００３４】
図４に示すように、この燃料電池は、第２実施形態の燃料電池を３段にスタックしたものである。すなわち、４つの支持基板を所定間隔をおいて平行に配置し、その間に単セルを３つずつ配置している。ここでは、４つの支持基板を図４の下から第１，第２，第３，及び第４支持基板１１〜１４と称する。
【００３５】
より詳細に説明すると、第１〜第３支持基板１１〜１３の上面には、各単セルの電解質２が配置されている。一方、第２〜第４支持基板１２〜１４の下面には、インターコネクタ８が配置されており、第１〜第３支持基板１１〜１３上の単セルをそれぞれ直列に接続している。さらに、４個の支持基板１１〜１４は、図４の左右方向に配置された集電板９によって左右方向から狭持されている。各集電板９には、各支持基板１１〜１４の端部が挿入される４つの溝９１が形成されており、これによって支持基板１１〜１４と集電板９とが連結される。
【００３６】
集電板９は、Fe，Ti，Cr，Cu，Ni，Ag，Au，Pt等の導電性金属を用いることができ、1種を単独で使用しても良いし、2種類以上を混合してもよい。例えば、ステンレス系耐熱材料などが使用でき、具体的にはオーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、インコネルやハステロイなどのニッケル基の耐熱合金などを用いることができる。また、導電性金属酸化物を用いることもでき、例えばＬａ（Ｃｒ，Ｍｇ）Ｏ３、（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ３などのランタン・クロマイト系材料を用いることが可能である。集電板の肉厚は２００〜５０００μmであることが好ましい。
【００３７】
上記単セルにおいては、次のように発電が行われる。まず、メタンなどの炭化水素系ガスからなる燃料ガスと、空気などの酸化剤ガスとの混合ガスを第４支持基板１４の上方から下方に向けて供給する。混合ガス(図４の矢印)は、各支持基板１１〜１４を透過し、下方に流れながら、第１〜第３支持基板１１〜１３上の単セルと接触する。これにより、燃料極３及び空気極４がそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスと接触するため、燃料極３と空気極４との間で、電解質２を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。なお、図４に示す矢印が混合ガスの流れを示している。
【００３８】
以上のように、本実施形態によれば、ガス透過性を有する４個の支持基板の間に複数の単セルを配置しているため、支持基板１１〜１４の積層方向に混合ガスを供給すれば、発電を行うことができる。ここで、電解質２は緻密に形成されているため、供給されたガスは、第１〜第３支持基板１１〜１３において電解質２が配置されている部分を透過せず、面方向に沿って流れていく。したがって、第１〜第３支持基板１１〜１３上にあるすべての単セルに混合ガスを供給することができる。そして、混合ガスは、第１〜第３支持基板１１〜１３において電解質２が配置されていない部分を通過して、支持基板の積層方向に流れていく。したがって、混合ガスは、第１〜第３支持基板１１〜１３の面に垂直な方向及び平行な方向に流れていくため、ガスの拡散性を大きく向上することができ、各単セルに均一にガスを供給することができる。
【００３９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態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、単セルの個数、支持基板の枚数は適宜変更することができる。また、各単セルにおいては、電極の形状は特には限定されず、長方形のほか、所定の方向に延びている形状であればよく、さらに両電極が向き合うように配置されていればよい。また、集電層は、必ずしも電極の上面全体に配置されていなくてもよいが、少なくとも電極の延びる方向に沿って形成されていることが好ましい。特に、電極の上面の長手方向に８０％以上に集電層が配置されていれば、発電時に電子を取り出しやすくなる。また、第３実施形態においては、スタック上部と下部にガス導入、排出口を設けた筐体形状をとってもよい。また、第１及び第２実施形態においては、単セルの下側に配置される支持基板１１を緻密なガス非透過性としてもよい。
【実施例】
【００４０】
以下、本発明の実施例について説明する。但し、本発明は以下の実施例には限定されない。まず、第１実施形態と同様の単セルについて、電池性能の評価試験を行った。ここでは、第１実施形態と同様の実施例１とともに、電極に対し集電層を並列に隣接配置した比較例１、集電層としてＡｕメッシュを用いた比較例２の評価試験を行った。はじめに、実施例及び比較例の製造方法について説明する。以下の説明において、集電層以外は、実施例及び比較例は同様の材料及び製造方法で作製される。
【００４１】
まず、支持基板をテープキャスト法により形成する。テープキャスト法については、上述した支持基板材料でグリーンシートを作製し焼結させて支持基板を形成する。具体的には、上述の材料と造孔剤を添加し、バインダー、分散剤および可塑剤を加え、エタノール、２-プロパノールといったアルコール系溶媒からなる分散媒体により分散されているスラリーを作製する。造孔剤の添加量は上記支持基板材料の総重量比に対して５〜２０ｗｔ％が好ましい。添加されている造孔剤は、焼結の際に燃焼して分解消失するため造孔剤が存在していた箇所には空孔が形成される。配合比率に関しては、焼成後の気孔率が２０〜７０体積％となるよう主成分と造孔剤の配合比率を調整した。また支持基板の厚みは焼結後に0.8ｍｍとなるよう調整した。
【００４２】
燃料極、電解質、空気極、集電層は、それぞれNiO−GDC、GDC、LSCF、金を主成分として、これらに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ペーストを作製した。より詳細には、上述した主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が５０〜９５重量％となるように、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。これらを加えて混練し燃料極ペースト、電解質ペースト、空気極ペースト、集電層ペーストをそれぞれ作製する。各ペーストの粘度は、スクリーン印刷法に適合するように１０３〜１０６ｍPa・ｓであることが好ましい。なお、ここでペーストを作製する集電層は、実施例１及び比較例１に用いられるものである。
【００４３】
次に、前述で作製した支持基板上に電解質ペーストをスクリーン印刷法により塗布後厚みが50μｍ、各辺が8ｍｍ、8ｍｍの正方形となるように印刷した。130℃で15分間乾燥後、１７００℃で１０時間焼結し、電解質を形成した。
【００４４】
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り塗布後厚みが５０μｍ、電極幅700μｍ、電極長さ8ｍｍとなるように印刷した。そして、130℃で15分間乾燥後、１４５０℃で１０時間焼結し、燃料極を形成した。さらに、空気極ペーストをスクリーン印刷法により燃料極との離間距離が５００μmとなる箇所に、塗布後厚みが５０μｍ、電極幅700μｍ、電極長さ8ｍｍとなるように印刷した。そして、130℃で15分間乾燥させた後、１２００℃で１時間焼結し、空気極を形成した。
【００４５】
続いて、実施例１について、燃料極の上に集電層ペーストをスクリーン印刷法により塗布後厚みが50μｍ、集電層幅700μｍ、集電層長さ8ｍｍがとなるように印刷した。そして、130℃で15分間乾燥後、１２００℃で１時間焼結した。これに続いて、空気極の上に集電層ペーストをスクリーン印刷法により塗布後厚みが50μｍ、集電層幅700μｍ、集電層長さ8ｍｍとなるように印刷した。そして、130℃で15分間乾燥後、１０００℃で１時間焼結した。
【００４６】
比較例１については、各電極の長手方向に延びる一側面に隣接するように、集電層（幅700μｍ、長さ8ｍｍ）を形成した。このときに、集電層は、各電極の上面に重ねず、側面においてのみ接触させている。形成位置以外は、実施例１と同様の方法で作製される。比較例２では、各電極の上面にＡｕからなるメッシュ（100メッシュ、線幅0.07ｍｍ、6ｍｍ×3ｍｍ）を配置した。こうして、実施例１及び比較例１，２が完成した。
【００４７】
続いて、作製した実施例１及び比較例１，２において、発電を行う。作動温度７００℃とし、メタンと空気との混合ガスを各単セルの上方から供給した。ガス総流量は500ml/min、CH4の濃度は２０％である。そして、セル電圧ならびにインピーダンス値を計測した。結果は以下の通りである。
【００４８】
【表１】
2011076959.tif 000003
【００４９】
まず、集電層としてAuメッシュを用いた比較例２では、性能が著しく低かった。また、電極に対し集電層が並列に隣接配置された比較例１では、電極抵抗が著しく増大しており集電層の接圧も含んでいる。一方、電極に対し集電層が積層配置した実施例１では、集電層が電極の全面に亘って形成されているため、電極抵抗の低減が見られ安定したセル性能を示す結果が得られた。
【００５０】
続いて、第２実施形態に示す燃料電池を作製し、電池性能の評価試験を行った。ここでは、２種類の大きさの単セルを作製し、一対の支持基板の間に配置した。また、気孔率の相違する４種類の支持基板を用いた。
(1)支持基板
一辺が10ｍｍ、厚さ800μmの正方形のアルミナ製の支持基板を用いた。また、気孔率が、20，30，60，及び70体積％の４種類を準備した。
(2)単セル
電解質として、面積が0.27cm2，0.45cm2の２種類を準備した。材料は、ＧＤＣを主成分とした。また、NiO−GDCを主成分とする燃料極、LSCFを主成分とする空気極を形成した。各電極の面積は、各々0.063 cm2とした。また、電極間距離は500μmとした。詳細な作成方法は、実施例１と同じである。また、インターコネクタは、図３に示すように、第２支持基板の下面に形成した。すなわち、インターコネクタペーストを塗布後厚みが50μｍ、幅2000μm、長さ9000μmとなるように印刷した後。130℃で15分間乾燥後、１０００℃で１時間焼結した。
【００５１】
こうして形成された８種類の電池に対し、作動温度７００℃で発電を行った。このとき、ガス総流量500ml/min、メタンガス濃度20％とし、セル電圧を計測した。結果は以下の通りである。
【００５２】
【表２】
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【００５３】
上記結果より、気孔率が高くまた電解質面積が低い程、性能が高いことが判明した。気孔率体積60%，電解質面積0.27cm2時に最も性能が高くガス拡散性が向上し、セル電圧の安定が確認された。気孔率70体積%の支持基板では、気孔率が高いことで基板強度が低下し、支持基板と電解質間の内部応力差により、セル割れが確認された。
【００５４】
このほか、メタン濃度３０％時の性能も評価した。例えば、気孔率20体積%の支持基板であっても、０．５８Vの安定したセル電圧は確認された。気孔率70体積%の支持基板を用いたとき、作動温度６００℃時で性能を評価すると、０．５２Vの安定したセル電圧が確認された。したがって、条件によっては使用可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１１〜１４  支持基板
２  電解質
３  燃料極
４  空気極
５  第１集電層
６  第２集電層
８  インターコネクタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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