(57)【要約】      （修正有）【課題】ガス供給効率を高めて高出力化を可能とする固体酸化物形燃料電池を提供する。【解決手段】電解質２と、電解質２の上面に形成された空気極３と電解質２の下面に形成された燃料極４とで電解質２を挟むようにして構成された少なくとも一つの第１の電極体Ｅ１と、電解質２の上面に形成された燃料極４と電解質２の下面に形成された空気極３とで電解質２を挟むようにして構成された少なくとも一つの第２の電極体Ｅ２と、ガス供給口５２及びガス排出口５３を有する少なくとも一つのガス流路が下面に形成され、各ガス流路内に燃料極４及び空気極３をそれぞれ少なくとも一つ収容するように電解質２の上面及び下面のそれぞれに設置されたガス流路ユニット５と、を備え、各ガス流路において、燃料極４は空気極３よりも下流に配置されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の電解質と、
前記電解質の一方面に形成された空気極と他方面に形成された燃料極とで前記電解質を挟むようにして構成された少なくとも一つの第１の電極体と、
前記電解質の一方面に形成された燃料極と他方面に形成された空気極とで前記電解質を挟むようにして構成された少なくとも一つの第２の電極体と、
ガス供給口及びガス排出口を有する少なくとも一つのガス流路を前記一方面及び他方面にそれぞれ形成し、前記各ガス流路内に前記燃料極及び空気極をそれぞれ少なくとも一つ収容するように前記電解質の一方面及び他方面のそれぞれに設置されたガス流路ユニットと、を備え、
前記各ガス流路において、前記燃料極は前記空気極よりも下流に配置されている、単室型固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記ガス流路ユニットは、第１の方向から流れるガスを前記ガス供給口内に案内するガイド部材を有しており、
前記ガス排出口は、前記第１の方向と直交する第２の方向に開口するように形成されている、請求項１に記載の単室型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、単室型固体酸化物形燃料電池に関するものである。
【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、電解質の一方面に燃料極（アノード）を形成し、他方面に空気極（カソード）を形成した単室型の固体酸化物形燃料電池が開示されている。この燃料電池を発電させるためには、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燃料極及び空気極に供給する。こうして供給された混合ガスは、燃料極及び空気極のそれぞれと接触し、燃料極と空気極との間で電解質を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。
【特許文献１】特開２０００−２４３４１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
以上のように、上記燃料電池では混合ガスにより発電することができるが、燃料極に燃料ガスを空気極に酸化剤ガスをそれぞれ別に供給する二室型の燃料電池と比べると、上記単室型の燃料電池では各電極に供給される混合ガス中における発電に不要なガスの割合が多いため、ガス供給効率が低く、高出力化が困難であるといった問題があった。
【０００４】
そこで、本発明は、ガス供給効率を高めて高出力化を可能とする固体酸化物形燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池は、上記課題を解決するためになされたものであり、板状の電解質と、前記電解質の一方面に形成された空気極と他方面に形成された燃料極とで前記電解質を挟むようにして構成された少なくとも一つの第１の電極体と、前記電解質の一方面に形成された燃料極と他方面に形成された空気極とで前記電解質を挟むようにして構成された少なくとも一つの第２の電極体と、ガス供給口及びガス排出口を有する少なくとも一つのガス流路を前記一方面及び他方面にそれぞれ形成し、前記各ガス流路内に前記燃料極及び空気極をそれぞれ少なくとも一つ収容するように前記電解質の一方面及び他方面のそれぞれに設置されたガス流路ユニットと、を備え、前記各ガス流路において、前記燃料極は前記空気極よりも下流に配置されている。
【０００６】
この構成によれば、ガス流路内において燃料極が空気極よりも下流に配置されている。このため、ガス供給口からガス流路内に流入した混合ガスは、ガス流路内において上流側に配置された空気極にまず供給され、混合ガス中の酸化剤ガスである酸素が空気極によって使用される。そして、空気極によって酸素の割合が減少した混合ガスは、空気極よりもガス流路の下流側にある燃料極に供給される。この燃料極に供給される混合ガスは、燃料極に不要なガスである酸素の割合が小さく、メタンなどの燃料ガスの割合が大きくなっている。したがって、上記燃料電池における燃料極へのガスの供給効率は、単室型であるにも関わらず高い効率を有し、その結果、燃料電池の高出力化を図ることができる。
【０００７】
上記燃料電池は種々の構成をとることができるが、例えば、上記ガス流路ユニットは、第１の方向から流れるガスを前記ガス供給口内に案内するガイド部材を有しており、ガス排出口を、第１の方向と直交する第２の方向に開口するように形成していてもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ガス供給効率を高めて高出力化を可能とする固体酸化物形燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池の実施形態を添付図面に従って説明する。図１は、本実施形態に係る単室型固体酸化物形燃料電池の斜視図、図２は本実施形態に係る単室型固体酸化物形燃料電池の供給部材の上面を分解した分解斜視図、図３は図１のＡ−Ａ線断面図である。
【００１０】
図１、図２及び図３に示すように、本実施形態に係る単室型固体酸化物形燃料電池１は、支持基板としての平面視矩形状の電解質２を備えており、その上面（一方面）２１及び下面（他方面）２２に複数の空気極３及び燃料極４が形成されている。そして、このように空気極３及び燃料極４が形成された電解質２の上面２１及び下面２２には、ガスの流路を形成するガス流路ユニット５がそれぞれ設置されている。電解質２の上面２１に形成された空気極３及び燃料極４は、２つの空気極３と２つの燃料極４が紙面手前側から奥側に向かってこの順で並べられた列と、２つの燃料極４と２つの空気極３とが紙面手前側から奥側に向かってこの順で並べられた列との２種類の列を構成しており、この各列が図２の左側から右側に向かって交互に４列形成されている。また、電解質２の下面２２に形成された燃料極４及び空気極３は、上面２１に形成された空気極３及び燃料極４と電解質２を介して対向するように配置されている。すなわち、上面２１に形成された空気極３と電解質２を介して対向するようにその下面２２に形成されている電極は燃料極４であり、この上面２１に形成された空気極３と下面２２に形成された燃料極４とで第１の電極体Ｅ１を形成している。またこれとは逆に、上面２１に形成された燃料極４と電解質２を介して対向するようにその下面２２に形成されている電極は空気極３であり、この上面２１に形成された燃料極４と下面２２に形成された空気極３とで第２の電極体Ｅ２を形成している（図３参照）。
【００１１】
図２に基づいて電解質２の上面２１に設置されたガス流路ユニット５について説明すると、各ガス流路ユニット５は、電解質２とほぼ同じ大きさであり、電解質２と対向する面５５に空気極３と燃料極４とを２つずつ収容したガス流路５１が４本形成されている。各ガス流路５１は、紙面手前側から奥側に延びており、以下、左側から右側に向かって第１、第２、第３及び第４のガス流路５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄと称することとする。各ガス流路５１は、２つのガス供給口５２と、１つのガス排出口５３とを有している。第１及び第３のガス流路５１ａ，５１ｃのガス供給口５２は、紙面手前側に所定間隔をおいて形成されており、ガス流路ユニット５の上面５６に開口している。また、第１及び第３のガス流路５１ａ，５１ｃのガス排出口５３は、ガス流路５１の紙面奥側の端部から、ガス流路ユニット５の紙面奥側の端面に開口している。
【００１２】
一方、第２及び第４のガス流路５１ｂ，５１ｄのガス供給口５２は、紙面奥側に所定間隔をおいて形成されており、ガス流路ユニット５の上面５６に開口している。また、第２及び第４のガス流路５１のガス排出口５２は、ガス流路ユニット５の紙面手前側の面に開口している。ガス流路ユニット５はさらに、燃料電池１に供給される混合ガスをガス供給口５２から効率よくガス流路５１内に案内するためのガイド部材５４を複数有している。これら各ガイド部材５４は、各ガス供給口５２の開口の右側端部から左側上方に向かって斜めに延びている。
【００１３】
このように構成されたガス流路ユニット５を電解質２の上面２１に設置した状態では、各ガス流路５１内に２つの空気極３と２つの燃料極４とが収容されている。つまり、ガス供給口５２の直下に２つの空気極３が配置され、その下流のガス排出口５３側に２つの燃料極４が配置されている。以上、電解質２の上面２１に設置されるガス流路ユニット５について説明したが、電解質５の下面２２に設置されるガス流路ユニット５も同様の構成をしている。このようにガス流路ユニット５は、紙面の左側から（第１の方向）流入するガスを受入れ、それと直交する紙面の手前と奥側（第２の方向）に排出している。
【００１４】
次に、上記燃料電池１を構成する材料について説明する。
【００１５】
ガス流路ユニット５は、例えば耐熱性の観点から、石英ガラスやバイコールガラスなど一般的な耐熱性ガラスやアルミナ、シリコン窒化物、シリコン炭化物などのセラミックス板を使用することができる。また、シリコンウエハやニッケルや鉄を主成分とする金属やＳＵＳなどの金属板なども材料として使用することができる。
【００１６】
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、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。
【００１７】
燃料極４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４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４は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。
【００１８】
空気極３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）ＭｎＯ３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。
【００１９】
電解質２、燃料極４及び空気極３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。
【００２０】
上記燃料極４、及び空気極３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。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、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。また、電解質２も、上記燃料極４及び空気極３と同様に、上述した材料を主成分として、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成型されるが、上記主成分とバインダーとの混合において、上記主成分の割合が８０重量％以上となるように混合されることが好ましい。そして、燃料極４及び空気極３の膜厚は、焼結後に５〜１００μmとなるように形成することが好ましく、１０〜３０μmとすることがさらに好ましい。
【００２１】
次に、上述した燃料電池１の製造方法について図４を参照しつつ説明する。図４は、燃料電池１の製造方法を示す説明図である。
【００２２】
まず、上述した電解質２用の粉末材料を主成分として、バインダー樹脂、有機溶媒などを適量加えて混練し、電解質ペーストを作製し、所定時間焼結して支持基板としての電解質２を成形する（図４（ａ））。このとき、電解質２の厚さは、支持基板としての強度の観点から、２００〜３０００μｍとすることが好ましく、５００〜１０００μｍとすることがさらに好ましい。
【００２３】
次に、上述した空気極３及び燃料極４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、有機溶媒などを適量加えて混練し、空気極ペースト、燃料極ペーストをそれぞれ作製する。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１０３〜１０６ｍＰａ・ｓ程度であることが好ましい。
【００２４】
そして、電解質２の上面２１に空気極ペ−ストをスクリーン印刷により塗布した後、所定の時間及び温度で乾燥・焼結することにより空気極３を形成する。続いて、電解質２の上面２１に燃料極ペーストをスクリーン印刷法により塗布した後、所定の時間及び温度で乾燥・焼結し、燃料極４を形成する（図４（ｂ））。
【００２５】
そして、このように空気極３及び燃料極４が形成された電解質２の上面２１にガス流路ユニット５を設置する（図４（ｃ））。
【００２６】
以上の工程を電解質２の下面２２側にも繰り返し行い、単室型固体酸化物形燃料電池１が完成する（図４（ｄ））。
【００２７】
次に、上記のように構成された燃料電池１の発電動作について図１、図２及び図３に基づいて説明する。まず、図１及び図２に示すように、各燃料電池１の左側に設置されたガス供給源Ｓから水素、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、燃料電池１の上側及び下側に高温の状態（例えば、４００〜１０００℃）で供給する。すると、混合ガスは、各ガイド部材５４に案内されガス供給口５２からガス流路５１内に流入する。ガス流路５１内に流入した混合ガスは、ガス供給源Ｓからガス供給口までのガスの供給流れとは直交するように、第１及び第３のガス流路５１ａ，５１ｃでは紙面手前側から奥側に向かって流れ、第２及び第４のガス流路５１ｂ、５１ｄでは紙面奥側から手前側に向かって流れる。つまり、各ガス流路５１内に流入した混合ガスは、まずガス流路５１内の上流にある２つの空気極３に供給される。空気極３に供給された混合ガスは、空気極３によって混合ガス中の酸素が消費されるため、空気極３の下流にある燃料極４には燃料ガスがリッチな状態の混合ガスが供給される。こうして、図３に示すように、電解質２の上面２１及び下面２２に形成された空気極３及び燃料極４がそれぞれ混合ガスと接触するため、第１の電極体Ｅ１又は第２の電極体Ｅ２を構成する空気極３と燃料極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。
【００２８】
以上のように本実施形態によれば、ガス流路５１内において燃料極４が空気極３よりも下流に配置されている。このため、ガス供給口５２からガス流路５１内に流入した混合ガスは、ガス流路５１内において上流側に配置された空気極３にまず供給され、混合ガス中の酸化剤ガスである酸素が空気極３によって使用される。そして、空気極３によって酸素の割合が減少した混合ガスは、空気極３よりもガス流路５１の下流側にある燃料極４に供給される。この燃料極４に供給される混合ガスは、燃料極４に不要なガスである酸素の割合が小さく、メタンなどの燃料ガスの割合が大きくなっている。したがって、上記燃料電池１における燃料極４へのガスの供給効率は、単室型であるにも関わらず二室型の燃料電池と同等の効率を有し、その結果、燃料電池１の高出力化を図ることができる。
【００２９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明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、図５及び図６に示すように、空気極３をガス流路５１を塞ぐような大きさに形成することができる。このように空気極３でガス流路５１を塞ぐと、混合ガスは空気極３を透過しなければ燃料極４に到達することができないので、より確実に燃料極４へのガス供給効率を向上させることができる。
【００３０】
また、図７に示すように、空気極３を収容する空気極用流路５１１と、燃料極４を収容する燃料極用流路５１２と、空気極用流路５１１及び燃料極用流路５１２の横に平行して延びる連絡流路５１３とによりガス流路５１を構成することができる。連絡流路５１３は、空気極用流路５１１に連通する２つの第１の連通口５１４と、燃料極用流路５１２を連通する２つの第２の連通口５１５とを有している。２つの空気極３は、その一部がそれぞれ第１の連通口５１４を塞ぐように形成されている。この実施形態に係る燃料電池１では、ガス供給口５２から流入した混合ガスは、空気極用流路５１１内に流入し、空気極３を透過して第１の連通口から連絡流路５１３内に流入する。このように一旦空気極３を透過して酸素が消費され燃料ガスの割合が大きくなった混合ガスが、連絡流路５１３から第２連通口５１５を介して燃料極用流路５１２内に流入し、燃料極４に供給される。
【００３１】
このように、ガス流路は種々の構成が可能であるが、ガス流路の上流に空気極、下流に燃料極を配置し、ガスが空気極を通過した後に燃料極を通過するように構成されていれば、特には限定されない。
【００３２】
また、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、スピンコート法、電気泳動法、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、ＣＩＰ（静水圧プレス）、ＨＩＰ（熱間静水圧プレス）、ホットプレス、その他の一般的なプレス工程を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る固体酸化物形燃料電池の実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明に係る固体酸化物形燃料電池の実施形態を示す分解斜視図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の製造方法を示す説明図である。
【図５】本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池の他の実施形態を示めす斜視図である。
【図６】図５のＡ−Ａ線断面図である。
【図７】本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池のさらに他の実施形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  単室型固体酸化物形燃料電池
２  電解質
２１  上面（一方面）
２２  下面（他方面）
３  燃料極
４  空気極
５  ガス流路ユニット
５１  ガス流路
５２  ガス供給口
５３  ガス排出口
５４  ガイド部材
Ｅ１  第１の電極体
Ｅ２  第２の電極体
【図１】
2008084745.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2008084745.tif 000007
【図６】
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【図７】
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