(57)【要約】【課題】複数の単セルのスタック化を容易に行うことができる固体酸化物形燃料電池を提供する。【解決手段】本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスが供給される固体酸化物形燃料電池であって、シート状の電解質１１の両面それぞれに燃料極１２及び空気極１３が形成された単セル１と、この単セル１を支持するとともに、導電性及び多孔質性を有する基板２と、を備え、基板２において単セル１と隣接する領域４は、平面視において上記単セル１よりも大きい面積を有している。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスが供給される固体酸化物形燃料電池であって、
シート状の電解質の両面それぞれに燃料極及び空気極が形成された単セルと、
前記単セルを支持するとともに、導電性及び多孔質性を有する基板と、を備え、
前記基板において前記単セルと隣接する領域は、平面視において前記単セルよりも大きい面積を有している、固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記領域には、平面視において前記単セルより大きい凹部が形成されている、請求項１に記載の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、燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスにより発電を行う固体酸化物形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料ガス及び酸化剤ガスを混合して供給することでセパレータやガスシール材を必要とせず、ガス供給ラインの簡略化ができ、簡単なシステム構造を実現できる単室型ＳＯＦＣが提案されている。この単室型ＳＯＦＣで採用される燃料電池としては、燃料極と空気極の２つの電極が、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスにさらされながらも、ガス選択性を持ち、それらの間に電圧が発生する特徴がある。そして、電池構造としては、例えば特許文献１に示すように、電解質の基板の一方面に燃料極、他方面に空気極を配置したセル構造がある。
【特許文献１】特開２００２−５０３７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記のような燃料電池は、所望の出力を得るため、複数個をスタックして用いることが多い。しかしながら、スタックする単セルの数は、要求される出力によって異なるため、その時々に要求される出力に応じて簡単にスタック化ができる単セル構造が要望されていた。
【０００４】
本発明は、上記問題を解決するためになされものであり、複数の単セルのスタック化を容易に行うことができる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】
【０００５】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスが供給される固体酸化物形燃料電池であって、上記問題を解決するためになされたものであり、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスが供給される固体酸化物形燃料電池であって、シート状の電解質の両面それぞれに燃料極及び空気極が形成された単セルと、前記単セルを支持するとともに、導電性及び多孔質性を有する基板と、を備え、前記基板において前記単セルと隣接する領域は、平面視において前記単セルよりも大きい面積を有している。
【０００６】
この構成によれば、基板上の単セルに隣接する領域に、この単セルより面積の大きい領域が形成されているため、複数の電池を簡単にスタック化することができる。例えば、２個の電池をスタック化する場合、一方の電池を単セルが上を向くように配置するとともに、他方の電池は、単セルが下を向くように反転する。そして、他方の電池の単セルが、一方の電池の上記領域上に当接するように固定する。すなわち、各電池が上記構成を有することにより、複数の単セルの向きを互い違いにしながら、基板の面方向にスタック化することができる。基板は導電性を有しているため、上記のように接続することで、単セルを直列に接続することできる。したがって、上記構成の燃料電池を複数準備しておけば、必要な出力に応じて、所望の数の電池を簡単にスタック化することができる。なお、シート状とは、薄膜状のほか、硬質の板状のものも含むものとする。
【０００７】
ここで、上記領域に、平面視において単セルより大きい凹部が形成されていることが好ましい。この構成によれば、電池を接続する場合、一方の電池の凹部内に、他方の電池の単セルを配置することができるため、スタック化された電池の厚みを小さくすることができる。このとき、領域の深さは、単セルの厚みよりも大きいと、単セルが凹部内に入り込むため、単セルの厚みの分だけ、スタック化された電池の厚みを小さくすることができ、コンパクト化を図ることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池によれば、複数の単セルのスタック化を容易に行うことができる。
【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固体酸化物形燃料電池の断面図、図２は、図１の平面図である。
【００１０】
図１に示すように、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池には、電解質１１、燃料極１２及び空気極１３を有する単セル１と、これを支持する基板２とを備えている。単セル１は、シート状の電解質１１の両面それぞれに薄膜状の燃料極１２及び空気極１３を形成することで構成されている。そして、この単セル１は、燃料極１２が基板２に当接するよう固定されている。本実施形態では、燃料極１２の周縁をガラスシール３によって基板２に固定している。基板２は、導電性及び多孔質性を有する長方形状に形成されている。そして、図１及び図２に示すように、基板２の左側に単セル１が配置されるとともに、右側には単セル１よりも大きい何も配置されていない領域４が確保されている。この領域４には、後述するように、他の電池の単セル１が配置される。以後、この領域を「接続領域」と称する。
【００１１】
次に、上記燃料電池を構成する材料について説明する。電解質１１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。
【００１２】
燃料極１２及び空気極１３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。
【００１３】
燃料極１２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１２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１２は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。
【００１４】
空気極１３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。
【００１５】
上記電解質１１、燃料極１２、及び空気極１３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。
【００１６】
電解質１１、燃料極１２、空気極１３の形成方法としては、例えば印刷法を用いることができ、具体的には、スクリーン印刷法やナイフコ−ト法、ドクターブレード法、スプレーコート等の印刷方法を用いることができる。これ以外にも、電解質１１、燃料極１２、空気極１３を、転写シート上に塗布しておき（いわゆるグリーン体）、これらを転写することによって電極を形成することもできる。
【００１７】
基板２は、電子伝導性を有するが、イオン伝導性が無視できる程度に小さいことが好ましい。また、熱力学的に安定な材料で構成されていることが好ましい。導電率については、燃料電池の運転温度において、２Ｓ・ｃｍ−１以上であることが好ましい。このような要求を満たすとともに、各層は次のように構成することができる。また、基板の気孔率は、ガス透過性及び基板の強度を考慮すると、１０〜８０％の範囲にあることが好ましい。このような要求を満たすため、基板２を構成する材料は、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ，ＳＵＳ等の導電性金属、或いは金属系材料，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。
【００１８】
次に、上記のように構成された燃料電池のスタック化について説明する。図３はスタック化された複数の電池の断面図である。図３に示すように、２つの電池を接続する場合、まず、一方の電池において単セル１が上を向くように配置し、他方の電池は、単セル１を下に向ける。そして、一方の電池の単セル１に隣接する接続領域４に、他方の単セル１をガラスシールによって固定する。同様にして、次は、単セル１を上に向けれた電池を、上記他方の電池の接続領域４に固定し、これを複数の電池について繰り返すと、面方向に延びるように複数の電池をスタック化することができる。
【００１９】
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、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高温の状態（例えば、４００〜１０００℃）で供給する。基板２は、多孔質性を有するため、混合ガスは、基板２内に流入し、各電極１２，１３に接触する。こうして、燃料極１２及び空気極１３がそれぞれ混合ガスと接触するため、各単セル１における燃料極１２と空気極１３との間で、電解質１１を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。
【００２０】
以上のように、本実施形態によれば、単セル１に隣接して接続領域４が形成されているため、この接続領域４に他の電池の単セル１を反転させて取り付けることができる。こうして、複数の電池を上下互い違いにしながら、連結していくことができるため、スタック化を容易に行うことができる。したがって、上記構成の燃料電池を複数準備しておけば、必要な出力に応じて、所望の数の電池を簡単にスタック化することができる。
【００２１】
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、スタック化された電池の厚みＤは、２つの基板２の厚みに単セルの厚みを加えたものになる。ここで、接続領域４に凹部を形成し、これに単セルが収納されるようにすれば、電池の厚みをさらに小さくすることができる。図４に示すように、凹部２１の深さを電解質１１と空気極１３の合計厚さと同じにし、燃料極１２と同程度の厚さのガラスシール３を単セル１の周囲に設ければ、電解質１１と空気極１３の合計厚さだけ電池の厚みを小さくすることができる。或いは、これよりも深い凹部２１を形成することもできるが、空気極１３と凹部壁面とが電気的に接続されるように、接触させたり、或いは導電性の部材を間に設ける必要がある。
【００２２】
また、単セルの固定や、電池同士の接続は、ガラスシール以外でも行うことができ、例えば絶縁性の接着剤であれば、適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る固体酸化物形燃料電池の一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１の平面図である。
【図３】図１に係る固体酸化物形燃料電池をスタック化したときの断面である。
【図４】本発明に係る固体酸化物形燃料電池の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１    単セル
１１  電解質
１２  燃料極
１３  空気極
２    基板
２１  凹部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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