(57)【要約】  【課題】  高い発電出力を得ることができる固体酸化物形燃料電池及びこれに用いる基材を提供する。  【解決手段】  電解質１と、燃料極３及び空気極５からなり、電解質１の一方面に配置される複数の電極体Ｅと、複数の電極体Ｅを直列に接続するインターコネクター７とを備え、複数の電極体Ｅは、隣接する当該電極体Ｅ間において同極同士が対向配置された状態で並んでいる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質と、
燃料極及び空気極からなり、前記電解質の一方面に配置される複数の電極体と、
前記複数の電極体を直列に接続するインターコネクターとを備え、
前記複数の電極体は、隣接する当該電極体間において同極同士が対向配置された状態で並んでいる固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
隣接する前記電極体において、一方の電極体の燃料極と他方の電極体の空気極とが前記インターコネクターによって接続されている請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記電解質を支持する基板をさらに備えている請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
電解質と、
燃料極及び空気極からなり、当該電解質の一方面に配置される複数の電極体とを備え、
前記複数の電極体は、隣接する当該電極体間において同極同士が対向配置された状態で並んでいる固体酸化物形燃料電池用基材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質を用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）及びこれに用いる基材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、固体酸化物形燃料電池のセルデザインとして、平板型（スタック型）、円筒型（チューブ型）などが提案されている。
【０００３】
平板型セルは、板状の電解質の表面及び裏面に燃料極及び空気極をそれぞれ配置したものであり、こうして形成されたセルはセパレーターを介して複数個積層された状態で使用される。セパレーターは各セルに供給される燃料ガスと空気とを完全に分離する役割を果たしており、各セルとセパレーターとの間にはガスシールが施されている（例えば、特許文献１）。しかしながら、この平板型セルでは、セルに対して圧力をかけてガスシールを施すため、セルが振動や熱サイクルなどに対して脆弱であるなどの欠点があり、実用化に大きな課題を有している。
【０００４】
一方、円筒型セルは、円筒形の電解質の外周面及び内周面に燃料極及び空気極をそれぞれ配置したものであり、円筒縦縞型、円筒横縞型などが提案されている（例えば、特許文献２）。ところが、円筒型セルは、ガスシール性に優れるという利点を有する一方、平板型セルに比べて構造が複雑であるため、製造プロセスが複雑になり、製造コストが高くなるという欠点がある。
【０００５】
さらに、次の問題もある。平板型セル及び円筒型セルのいずれも、性能を向上させるためには電解質の薄膜化が要求され、電解質材料のオーミックな抵抗の低減が必要となるが、電解質が薄すぎると脆弱化してしまい、耐振性や耐久性が低下するという問題があった。
【０００６】
このため、上述した平板型、円筒型に代わる燃料電池として、燃料極及び空気極を固体電解質からなる基板の同一面上に配置し、燃料および空気の混合ガスを供給することにより発電が可能な非隔膜式固体酸化物形燃料電池が提案されている（例えば、特許文献３）。この燃料電池によれば、燃料ガスと空気とを分離する必要がないため、セパレーター及びガスシールが不要となり、構造及び製造工程の大幅な簡略化を図ることができる。
【０００７】
また、この非隔膜式固体酸化物形燃料電池では、酸素イオンの伝導が固体電解質の表層付近で起こり、燃料極と空気極とを固体電解質の同一面上に近接して形成するため、平板型や円筒型のように電解質の厚みが電池の性能に直接影響することはない。したがって、電池の性能を維持したまま電解質の厚みを増すことができ、これによって脆弱性を改善することが可能となる。
【特許文献１】特開平５−３０４５号公報（第１頁、第６図）
【特許文献２】特開平５−９４８３０号公報（第１頁、第１図）
【特許文献３】特開平８−２６４１９５号公報（第２−３頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献３の燃料電池では、次のような問題があった。この燃料電池では、一対の燃料極と空気極とを電極体と規定し、複数の電極体を電解質上に配置している。そして、隣接する電極体間の燃料極と空気極とをインターコネクターで直列に接続している。ところが、この構造では、隣接する電極体間に電解質が存在しているため、発電時にはこの電解質が酸素イオンの移動する経路となり得る。そのため、電極体間の電解質と、この電解質を挟む燃料極及び空気極とが燃料電池を構成して発電することになる。この場合、酸素イオンは、空気極から、隣接する電極体の燃料極へも移動可能となるため、この部分において電極体と電解質とからなる本来の単電池セルとは逆向きの電界が発生する。これにより、本来の単電池セルの起電力と、電極体間に形成される電池の起電力とが打ち消し合うため、燃料電池全体の起電力が下がり、電池性能が低下するという問題があった。
【０００９】
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、高い発電出力を得ることができる固形酸化物形燃料電池及びこれに用いる基材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】
【００１０】
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、電解質と、燃料極及び空気極からなり、当該電解質の一方面に配置される複数の電極体と、前記複数の電極体を直列に接続するインターコネクターとを備え、前記複数の電極体は、隣接する当該電極体間において同極同士が対向配置された状態で並んでいることを特徴としている。
【００１１】
この構成によれば、隣接する電極体おいて、同極同士が対向するように並んで配置されているため、発電時において、この同極間での酸素イオンの移動はない。したがって、従来例と異なり、隣接する電極体の間に電界が形成されて、電極体内で発生する本来の起電力が相殺されるのを防止することができる。その結果、燃料電池トータルの電圧が大きく低下するのを防止することができ、高い発電出力を得ることができる。
【００１２】
電極体を直列に接続する方法としては、種々のものが考えられるが、例えば、  隣接する電極体において、一方の電極体の燃料極と他方の電極体の空気極とをインターコネクターによって接続する方法がある。このようにすると、インターコネクターの配線長さを短くできるため、低コストで燃料電池を構成することができる。
【００１３】
また、電解質を支持する基板を設けることもできる。このようにすると、電解質を薄膜化しても振動や熱サイクルに対する高い耐久性を維持することができる。特に、本発明に係る燃料電池では、電池反応に寄与する部分が主として電解質の表層付近であることから、基板を用いることで電解質を薄膜化することが可能であり、例えば印刷によって電解質を形成しても、電池の性能に影響を与えることはない。
【００１４】
また、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、電解質と、燃料極及び空気極からなり、当該電解質の一方面に配置される複数の電極体とを備え、前記複数の電極体は、隣接する当該電極体間において同極同士が対向配置された状態で並んでいる固体酸化物形燃料電池用基材を提供するものである。
【００１５】
この基材を使用すると、インターコネクターを適宜配線することで、電極体を直列に接続したり、並列に接続することができ、一つの基材を用途に応じて使い分けることができる。特に、電極体を直列に接続すると、上記説明の通り、高い電圧を得られるという利点がある。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る固形酸化物型燃料電池によれば、高い発電出力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の一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燃料電池の平面図であり、図２は図１の正面図である。
【００１８】
図１及び図２に示すように、この燃料電池は、矩形の板状に形成された電解質１と、燃料極３及び空気極５からなり電解質１の一方面に配置された複数の電極体Ｅ（ここでは、５個の電極体Ｅ1〜Ｅ5を表示）とを備えており、これら電極体Ｅはインターコネクター７によって直列に接続されている。
【００１９】
各電極体Ｅの燃料極３及び空気極５は、帯状に形成され所定間隔をおいて配置されている。このとき、燃料極３と空気極５との間隔は、例えば１〜１０００μｍであることが好ましく、１０〜５００μｍであることがさらに好ましい。複数の電極体Ｅは、電解質１の一端から他端へと一方向（図１の左右方向）に並び、隣接する電極体Ｅにおいては、燃料極３及び空気極５の配置位置が反対になっている。すなわち、本実施形態では電極体Ｅ1，Ｅ3，Ｅ5は図１の左側に燃料極３が配置され、右側に空気極５が配置されている。一方、これらの電極体の間に配置される電極体Ｅ2，Ｅ4については、左側に空気極５が配置され右側に燃料極５が配置されている。このように、隣接する電極体Ｅ間で燃料極３及び空気極５の配置位置が反対になっているため、隣接する電極体Ｅ間では、同極同士、つまり燃料極３または空気極５同士が対向配置されている。このとき、隣接する電極体Ｅ間の間隔は、例えば１０〜５０００μｍとすることが好ましく、１０００〜３０００μｍとすることがさらに好ましい。また、電解質１の対角線上で対向する２つの角部（図１の左上と右下）には、電流を取り出すための集電部９がそれぞれ形成されている。
【００２０】
そして、これら電極体Ｅは、次のようにして直列に接続されている。すなわち、隣接する電極体Ｅにおいて、一方の電極体Ｅの燃料極３または空気極５と、これと対向する同極を挟んで配置された他方の電極体Ｅの空気極５または燃料極３とがインターコネクター７によって接続されている。つまり、一つおきに並ぶ電極をインターコネクター７で接続している。例えば、電極体Ｅ1とＥ2とでは、電極体Ｅ1の右側の空気極５と電極体Ｅ2の右側の燃料極３とが接続されている。このとき、インターコネクター７は、空気極５及び燃料極３の一端部同士（図１の上端側）または他端部同士（図１の下端側）を接続している。また、インターコネクター７同士が交差するのを避けるため、ある電極体Ｅ同士が電極の一端部で接続されている場合には、これらと隣接する電極体とは、電極の他端部で接続される。例えば、図１に示すように、電極体Ｅ1及び電極体Ｅ2は、電極の他端部（図１の下側）で接続されているが、電極体Ｅ2及び電極体Ｅ3は、電極の一端部（図１の上部）で接続されている。
【００２１】
次に、上記のように構成された燃料電池の材質について説明する。電解質１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（Ｃｅ，Ｓｍ）Ｏ3，（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ3等のセリア系酸化物，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｇａ，Ｍｇ）Ｏ3等のランタン・ガレード系酸化物，スカンジウム安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ），イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等の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系材料を用いることができる。電解質は、基板として用いられるため、ある程度の強度が必要であることから、その厚みは、例えば２００〜１０００μｍであることが好ましい。
【００２２】
燃料極３及び空気極５は、セラミックス粉末材料により形成することができる。このとき用いられる粉末の粒径は、通常１０ｎｍ〜１００μｍであり、好ましくは１００ｎｍ〜１０μｍである。
【００２３】
燃料極３を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ニッケルと酸素イオン伝導性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酸素イオン伝導性材料としては、例えば（Ｃｅ，Ｓｍ）Ｏ3，（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ3などのセリア系酸化物、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｇａ，Ｍｇ）Ｏ3などのランタンガレード系酸化物、スカンジウム安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）やイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの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挙げることができ、このようなセラミックス材料と、ニッケルとの混合物で燃料極５を形成することが好ましい。このうち、ニッケル−セリア系酸化物のサーメットで燃料極５を形成することが特に好ましい。なお、酸素イオン伝導性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。
【００２４】
空気極５を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型金属酸化物を使用することができる。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などを挙げることができる。これらセラミックス粉末は、１種を単独で使用することもできるし、２種以上を混合して使用することもできる。
【００２５】
また、インターコネクター７は、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ，ＳＵＳ，又はＬａ（Ｃｒ，Ｍｇ）Ｏ3，（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ3，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ3などのランタン・クロマイト系等の導電性セラミックス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。
【００２６】
上記燃料極３、及び空気極５は、上述した材料を主成分として、さらにワニス、感光性高分子、有機溶媒などが適量加えられることにより形成される。そして、これら燃料極３及び空気極５の膜厚は焼結後に１μｍ〜５００μmとなるように形成するが、１０μm〜１００μmとすることが好ましい。また、インターコネクター７も、上述した材料に上記添加物を加えることにより形成される。
【００２７】
次に、上述した燃料電池の製造方法の一例を説明する。まず、上述した材料からなる板状電解質１を準備する。続いて、上述した燃料極３、及び空気極５用の粉末材料を主成分として、これらそれぞれにワニス、感光性高分子、有機溶媒などを適量加えて混練し、燃料極ペースト、空気極ペーストをそれぞれ作成する。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１０3〜１０6Ｐａ・ｓ程度であることが好ましい。同様に、インターコネクター用ペーストも、上述した粉末材料にワニス等の添加物を加えて作成しておく。このペーストの粘度は上述した燃料極ペースト等と同じである。
【００２８】
続いて、図１に示すような電解質１上の複数の位置に、燃料極ペーストをスクリーン印刷法により帯状に塗布した後、所定の時間及び温度で乾燥・焼結し、燃料極３を形成する。次に、図１に示すように各電解質１上の燃料極３と対向する位置それぞれに、空気極ペーストをスクリーン印刷法によって塗布し、所定時間及び温度で乾燥・焼結することにより、空気極５を形成する。こうして、８個の電極体Ｅが形成される。そして、集電体９を電解質１の角部に形成した後、図１に示す位置にインターコネクター用ペーストをスクリーン印刷法によって線状に塗布し、インターコネクター１を形成する。以上の工程により、図１及び図２に示すような燃料電池が完成する。
【００２９】
上記のように構成された燃料電池は、次のように発電が行われる。まず、電極体Ｅが配置された電解質１の一方面上に、水素、メタン、エタンなどの炭化水素からなる燃料ガスと空気との混合ガスを高温の状態（例えば、４００〜１０００℃）で供給する。これにより、各電極体Ｅにおける燃料極３と空気極５との間の電解質１の表層付近で、酸素イオン伝導が起こって発電が行われる。
【００３０】
以上のように本実施形態に係る燃料電池では、隣接する電極体Ｅにおいて、同極同士が対向するように配置されているため、発電時において、この同極間での酸素イオンの移動はない。したがって、従来例と異なり、隣接する電極体Ｅの間に電界が形成されて、電極体Ｅ内で発生する本来の起電力が相殺されるのを防止することができる。その結果、燃料電池トータルの電圧が大きく低下するのを防止することができ、高い発電出力を得ることができる。
【００３１】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれ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、上記実施形態では、電極Ｅ間をインターコネクター７で接続するのに、一つおきに並ぶ電極を接続しているが、これに限定されるものではない。電極体Ｅが直列に接続される限りは、例えば、図３に示すように接続することもできる。但し、インターコネクター７の配線長さを短くするという観点からは、図１に示す接続方法にすることが好ましい。
【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、リソグラフィー法、ロ−ルコ−ト法、グラビアロ−ルコ−ト法、ディスペンサーコート法、転写法等、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、静水圧プレス、油圧プレス、その他の一般的なプレス工程を用いることができる。
【００３３】
上記実施形態では、電極体を直列に接続する場合について説明したが、並列に接続できるのは勿論である。この場合、図４（ｂ）に示すような、電極体Ｅの同極同士が対向配置された電解質１を基材として準備しておけば、用途に応じて、インターコネクター７の配置を変えて、図４（ａ）に示すように直列に接続して使用することもできるし、図４（ｃ）に示すように並列に接続して使用することもできる。特に、直列に接続した場合には、上記したように電圧の低下を防止できるため、特に有利である。
【００３４】
また、上記実施形態では板状の電解質を用いているが、電解質の他方面に基板を配置し、この基板によって各電解質を支持するようにすることもできる。こうすることで、電解質１を薄くしたとしても、燃料電池が脆弱化するのを防止することができる。このとき用いられる基板は、例えば、アルミナ系、シリカ系、チタン系等のセラミックス系材料、或いはＳＵＳで構成することができる。また、電解質は、印刷によって薄膜化して基板上に形成することができる。
【００３５】
また、インターコネクターは、上記のような印刷以外にも種々の構成をとることができ、例えばワイヤーによって電極間を接続することもできる。また、上記材料を細糸状に形成し格子状に配置したメッシュ形状にすることもできる。
【実施例】
【００３６】
以下に実施例を挙げて、本発明をさらに詳細に説明する。実施例として図１及び図２に示す固体酸化物形燃料電池を作成する。電解質として、５０ｍｍ×５０ｍｍで厚みが１ｍｍの市販の板状の電解質を準備した。この電解質は、セリア系の電解質であり、その材質はＧＤＣ［（Ｃｅ，Ｃｄ）Ｏ3］でガドリニウムがドープされている。燃料極材料として、酸化ニッケル（ＮｉＯ）粉末（粒径０．０１〜１μm、平均粒径０．１μm）と、ＳＤＣ［（Ｃｅ，Ｓｍ）Ｏ3］粉末（粒径１〜１０μm、平均粒径５μm）とを重量比で７：３となるように混合した後、セルロース系ワニスを混合し、燃料極ペーストを作製した。燃料極ペーストの粘度はスクリーン印刷に適した５×１０5ｍPa・ｓとした。また、空気極材料として、ＳＳＣ［（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ3］粉末（０．１〜１０μm、平均粒径３μm)を使用し、セルロース系ワニスを混合して空気極ペーストを作製した。空気極ペーストの粘度も同様に、スクリーン印刷法に適した５×１０5mＰａ・ｓとした。
【００３７】
また、電極体間を接続するインターコネクター用の材料としては、Ａｕ粉末（０．１〜５μm、平均粒径２．５μm)を使用し、これにセルロース系ワニスを混合してインターコネクター用ペーストを作製した。インターコネクター用ペーストの粘度はスクリーン印刷に適した５×１０5mＰａ・ｓとした。
【００３８】
次に、電解質１上にスクリーン印刷法によって燃料極ペーストを塗布した。このとき、幅５００μｍ、長さ７ｍｍ、塗布厚み３０μｍの燃料極３が電解質１上に５個形成されるように、燃料極ペーストを塗布した。そして、１３０℃で１５分間乾燥した後、１４５０℃で１時間焼結した。続いて、上記電解質１の同一面上に、空気極ペーストをスクリーン印刷法によって塗布した。このとき、幅５００μｍ、長さ７ｍｍ、塗布厚み３０μｍ、燃料極３との間隔２００μｍである空気極５が電解質１上に５個形成されるように空気極ペーストを塗布した。そして、燃料極３と同様に、１３０℃で１５分間乾燥した後、１２００℃で１時間焼結した。こうして、図１に示す位置に燃料極３及び空気極５を配置して、５個の電極体Ｅを形成した。最後に、インタコネクター用ペーストを図１に示す位置にスクリ−ン印刷法で塗布し（線幅２μｍ、厚み３０μm）、上記電極体Ｅを直列に接続した。以上の工程を経て、実施例に係る固体酸化物形燃料電池を製造した。
【００３９】
また、この実施例と対比する比較例１及び２を次のように製造した。比較例１では、図５に示すように、５個の電極体Ｅを同じ向きに配置して、隣接する電極体間で異極同士が対向するように配置した。そして、隣接する電極体Ｅの燃料極３と空気極５とをインターコネクター７によって接続した。電解質１、燃料極３、空気極５、及びインターコネクター７の材質と寸法は、実施例で示したものと同じである。
【００４０】
さらに、比較例２として、電解質上に１個の電極体を形成したいわゆる単電池セルを準備した。電解質基板、燃料極、空気極、及びインターコネクターの材質と寸法は、実施例で示したものと同じである。
【００４１】
こうして製造された実施例及び比較例に対して、次のような評価実験を行った。すなわち、メタンと酸素との混合ガスを８００℃で導入し、ＣＨ4＋１／２Ｏ2→２Ｈ2＋ＣＯの反応を起こさせることで、燃料極である酸化ニッケルを還元処理し、電流−電圧特性の評価を行った。なお、還元処理を行うには、上記混合ガスの代わりに水素ガスを導入してもよい。結果は、以下の通りである。
【００４２】
【表１】
2005063810.tif 000003
表１によれば、実施例では、比較例２の単電池セルの約５倍の起電力及び出力が得られた。一方、比較例１では実施例１と同数の電極体を備えているにもかかわらず、９２０ｍＶの起電力しか得られず、また出力についても６．２ｍＷしか得られなかった。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る固体酸化物形燃料電池の一実施形態の平面図である。
【図２】図１に示す燃料電池の正面図である。
【図３】図１に示す燃料電池の他の例を示す平面図である。
【図４】本発明に係る固体酸化物形燃料電池用基材の使用方法を説明する図である。
【図５】比較例１の平面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１    電解質
３    燃料極
５    空気極
７    インターコネクター
【図１】
2005063810.tif 000004
【図２】
2005063810.tif 000005
【図３】
2005063810.tif 000006
【図４】
2005063810.tif 000007
【図５】
2005063810.tif 000008