(57)【要約】【課題】セル間の絶縁性を保持しつつ直列接続されるセル数を増加させることにより、単位体積当たりの出力を向上させた固体酸化物形燃料電池を提供する。【解決手段】基体管１１上に燃料極と固体電解質膜と空気極とを備えるセル１２が前記基体管１１の円周方向に複数配列されたセル群１３を有し、前記セル群１３が前記基体管１１の軸方向に沿って複数配列され、１つの前記セル群１３内で、前記基体管１１の円周方向に前記複数のセル１２がインターコネクタを介して電気的に直列接続され、前記１つのセル群１３内の一のセル１２が、前記１つのセル群１３の隣の別のセル群１３内の一のセル１２と前記インターコネクタを介して電気的に直列接続される固体酸化物形燃料電池。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体管上に燃料極と固体電解質膜と空気極とを備えるセルが前記基体管の円周方向に複数配列されたセル群を有し、前記セル群が前記基体管の軸方向に沿って複数配列され、
１つの前記セル群内で、前記基体管の円周方向に前記複数のセルがインターコネクタを介して電気的に直列接続され、
前記１つのセル群内の一のセルが、前記１つのセル群の隣の別のセル群内の一のセルと前記インターコネクタを介して電気的に直列接続される固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記基体管の軸方向に沿って、前記セルが整列されている請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記１つのセル群内の前記セルが、前記別のセル群内の前記セルと前記基体管の円周方向に位置がずれて配置され、
複数の前記セルが、前記基体管の軸方向に対してらせん状になるように電気的に直列に接続される請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
隣り合う前記セルの前記燃料極の間に、絶縁性材料からなる絶縁膜が形成されている請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
基体管の外周面上に、前記基体管の円周方向及び軸方向の各々に、複数の燃料極及び固体電解質膜の積層膜を形成する積層膜形成工程と、
前記基体管の円周方向に形成された前記複数の積層膜のうち一の積層膜と、該一の積層膜と前記基体管の軸方向で隣接する前記積層膜との間に、前記基体管の軸方向に電気的に直列接続するためのインターコネクタを形成する第１のインターコネクタ形成工程と、
前記基体管の円周方向で隣接する前記積層膜の間に、前記基体管の円周方向に電気的に直列接続するためのインターコネクタを形成する第２のインターコネクタ形成工程と、
前記第１のインターコネクタ形成工程及び前記第２のインターコネクタ形成工程の後に、前記積層体上に空気極を形成する工程とを有する固体酸化物形燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基体管上に複数のセルが形成された円筒型の固体酸化物形燃料電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
円筒型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、発電室の内部に複数のセルスタックを収容する。図４に示すように、セルスタック１００は、基体管１０１の円周方向に、燃料極１０３、固体電解質膜１０４、空気極１０５を積層させたセル１０２が複数形成される。複数のセル１０２は、基体管１０１の軸方向に配列され、隣り合うセル１０２同士がインターコネクタ１０６で電気的に直列に接続される。
【０００３】
上記の固体酸化物形燃料電池において１つの基体管（セルスタック）での発電量を増大させるためには、基体管の軸方向でセル数を増加させる。このとき、セル数の増加に伴って基体管を長くすると、固体酸化物形燃料電池の発電室を大きくする必要が生じ、装置容積が増大してしまう。基体管の長さを変えずにセル数を増大させるためには、セル間を短縮して発電に寄与しない領域の面積をできる限り小さくする必要がある。しかし、セル間の距離が小さくなりすぎると、セル間での絶縁性が低下して性能が低下する。これらの理由で、増加可能なセル数には限界があった。
【０００４】
特許文献１は、基体管の円周方向で複数の単電池素子を設けた固体電解質型燃料電池を開示している。単電池素子は、基体管の上部側から下部側に向かって電気的に直列に接続され、さらに下部側から上流側に向かって電気的に直列接続されるリターン型の構造とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−６３９１６号公報（特許請求の範囲、段落［００１９］、図１〜図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、セルを微細化することで、セルを基体管の周方向と軸方向に配列し、直列接続されるセル数を増加させることにより、単位体積当たりの出力を向上させた固体酸化物形燃料電池及び固体酸化物形燃料電池の製造方法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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、基体管上に燃料極と固体電解質膜と空気極とを備えるセルが前記基体管の円周方向に複数配列されたセル群を有し、前記セル群が前記基体管の軸方向に沿って複数配列され、１つの前記セル群内で、前記基体管の円周方向に前記複数のセルがインターコネクタを介して電気的に直列接続され、前記１つのセル群内の一のセルが、前記１つのセル群の隣の別のセル群内の一のセルと前記インターコネクタを介して電気的に直列接続される固体酸化物形燃料電池を提供する。
上記発明において、前記基体管の軸方向に沿って、前記セルが整列されている。
【０００８】
また本発明は、基体管の外周面上に、前記基体管の円周方向及び軸方向の各々に、複数の燃料極及び固体電解質膜の積層膜を形成する積層膜形成工程と、前記基体管の円周方向に形成された前記複数の積層膜のうち一の積層膜と、該一の積層膜と前記基体管の軸方向で隣接する前記積層膜との間に、前記基体管の軸方向に電気的に直列接続するためのインターコネクタを形成する第１のインターコネクタ形成工程と、前記基体管の円周方向で隣接する前記積層膜の間に、前記基体管の円周方向に電気的に直列接続するためのインターコネクタを形成する第２のインターコネクタ形成工程と、前記第１のインターコネクタ形成工程及び前記第２のインターコネクタ形成工程の後に、前記積層体上に空気極を形成する工程とを有する固体酸化物形燃料電池の製造方法を提供する。
【０００９】
本発明の固体酸化物形燃料電池では、基体管の軸方向だけでなく円周方向にもセルが形成されるように分離しているので、セル素子数が増加して単位体積当たりの出力を増大する。更に、基体管軸方向のみにセルを直列接続させる場合と比較して、基体管軸方向のセルの寸法を広く確保することができる。このため、固体酸化物形燃料電池の作製が容易となる。
【００１０】
また上記発明において、前記１つのセル群内の前記セルが、前記別のセル群内の前記セルと前記基体管の円周方向に位置がずれて配置され、複数の前記セルが、前記基体管の軸方向に対してらせん状になるように電気的に直列に接続されることが好ましい。
【００１１】
基体管の軸方向に隣り合うセル間の電位差を小さくすることができる。隣り合うセル間の電位差が小さいほど、絶縁破壊が発生するセル間の距離が短くなる。このため、発電に寄与しない接続部分の面積を小さくすることができる。従って、上記構成の固体酸化物形燃料電池では、セル数を更に増加させて高集積化することができ、出力を更に増大させることができる。
【００１２】
上記発明において、隣り合う前記セルの前記燃料極の間に、絶縁性材料からなる絶縁膜が形成されていることが好ましい。
【００１３】
上記絶縁膜を設けることにより、セル間の距離を縮めた場合でもセル間の絶縁性を保持させて短絡を防止することができる。また、緻密な絶縁膜を設ければ、気密性が保たれるので性能が向上する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の固体酸化物形燃料電池は、セル数が増加しているため、高い出力で発電することができる。
また、隣り合うセル群でセルの位置を円周方向にずらし、基体管軸方向にらせん状になるようにセル同士を直列接続することで、基体管軸方向に隣り合うセル間の電位差を小さくすることができる。この結果、絶縁破壊を抑制しつつ高集積化された固体酸化物形燃料電池とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態におけるセルの位置とセル間の電気的接続を表す概略図である。
【図２】第２実施形態におけるセルの位置とセル間の電気的接続を表す概略図である。
【図３】第３実施形態におけるセルの位置とセル間の電気的接続を表す概略図である。
【図４】円筒型の固体酸化物形燃料電池におけるセルスタックの発電部の断面概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
円筒型の固体酸化物形燃料電池は、発電室内に複数のセルスタックを収容する。セルスタックは、中央部に発電部が設けられ、両端部は非発電部となっている。セルスタックの発電部において、基体管の外周面上に、基体管側から順に燃料極、固体電解質膜、空気極を積層されたセルが形成されている。セルスタックは、基体管の内側に燃料（水素ガス等）が流通し、基体管の外側に空気が流通するものである。
【００１７】
固体電解質膜の一部は、セルの基体管軸方向の一端部で基体管と接触する。但し、一つのセルの固体電解質膜は、隣のセルの燃料極とは接触していない。
隣り合うセル同士を連結するインターコネクタが形成されている。インターコネクタは、一つのセルの固体電解質膜と、このセルと接続されるセルの燃料極との間で、基体管と接触している。空気極は、固体電解質膜及びインターコネクタに接触して設けられる。
【００１８】
基体管はカルシア安定化ジルコニア（ＣＳＺ）、または、ＣＳＺと酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混合物などを主とする多孔質材料からなる。基体管は多孔質であり、燃料とされる水素ガスが基体管内側から外側（燃料極側）に向かって流通可能となっている。
燃料極は酸化ニッケル（ＮｉＯ）とジルコニア系電解質材料との複合材で構成されている。複合材としては、例えば、ＮｉＯとイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の混合物とされる。
固体電解質膜は電子絶縁性であり、ガスを通さない気密性と高温での高いイオン透過性とを有することが求められる。固体電解質膜は、主としてＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ２（ＹＳＺ）などからなる。
インターコネクタは燃料ガスと空気とが混合しないように緻密な膜となっている。インターコネクタは、例えばＬａＣｒＯ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ３、Ｌａ（Ｃｒ，Ｍｇ）Ｏ３、（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ３、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ３などで構成される。
空気極は、例えば（Ｌａ，Ｓｒ，Ｃａ）ＭｎＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物を主成分とする。
セルスタックでの気密性を確保するために、固体電解質膜及びインターコネクタは、相対密度９０％以上の緻密膜とされる。
【００１９】
図１は、第１実施形態のセルスタックの発電部について、外周面を平面に展開した概略図である。なお、図１ではインターコネクタを省略している。
第１実施形態のセルスタック１０では、基体管１１の円周方向に複数のセル１２が配列されたセル群１３が形成されている。セル群１３は、基体管１１の軸方向に複数配列されている。基体管１１の軸方向で、複数のセル１２が整列して配置されている。すなわち、隣り合うセル群１３間では、セル１２は基体管１１軸方向の同位置に設けられている。
【００２０】
１つのセル１２は、基体管１１の軸方向に電池が構成されている。従って、１つのセル１２内で電流が流れる方向は、基体管１１の軸方向と同じとなっている。
【００２１】
図１内の矢印は、セル間の電気的な接続方向（電流が流れる方向）を表している。基体管１１の両端部には集電部（不図示）が設けられる。一方の端部の集電部は、基体管１１端部側に設けられるセル群１３Ａ内のセル１２ａの負極（燃料極）と直列接続する。セル１２ａの正極（空気極）は、基体管１１の円周方向で隣り合うセル１２ｂの負極と直列接続する。このように、セル群１３内でセル１２同士は直列接続する。しかし、既に集電部と接続されているセル１２ａの負極と、隣のセル１２ｂの正極とは接続されない。
【００２２】
セル１２ｂの正極は、セル群１３Ａの隣のセル群１３Ｂ内のセル１２ｃの負極と直列接続する。セル１２ｃは、基体管１１の軸方向でセル１２ｂと対角に位置している。セル１２ｃは、同じセル群１３Ｂ内で隣り合うセル１２ｄと直列接続する。上記の接続は、基体管１１の他方の端部に設けられるセル１２まで繰り返される。基体管１１の他方の端部に設けられるセル１２ｅの正極は、基体管１１の一方の端部の集電部と接続する。
【００２３】
図１ではセル１２ｂとセル１２ｃとを接続しているが、セル１２ｂと基体管１１軸方向に隣り合うセル１２ｄとを接続しても良い。こうすることで、セル間の接続距離を更に短くすることができる。
【００２４】
図１では、円周方向に２つのセル、軸方向に９つのセルを設けた場合が例示されているが、本実施形態はこれに限定されない。円周方向のセル数（１つのセル群内のセル数）及び軸方向のセル数（セル群の数）は、基体管の寸法、セルの単位長さあたりの出力等を考慮して決定される。セルの単位長さあたりの出力は、セル数と相関がある。すなわち、１つのセルスタック上に設けられるセル数が少ない場合には、集積されるセル数が少ない上に空気極の抵抗が大きいため、セルの単位長さあたりの出力が低い。一方、セル数を多くすると、発電に寄与しないセル間の面積（無効面積）が増大するので、単位長さあたりの出力が低くなる。
【００２５】
第１実施形態において、隣り合うセル１２の燃料極の間に、絶縁膜が設けられても良い。絶縁膜を設ける場合は、絶縁膜上に固体電解質膜が形成される。絶縁膜は、例えばＳｒＴｉＯ３系ペロブスカイト型酸化物、ＳｒＬａＴｉＯ３＋Ａｌ２Ｏ３、ＳｒＺｒＯ３＋Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＡｌ２Ｏ４＋ＭｇＯなどとされる。絶縁膜は、相対密度９０％以上の緻密膜とされる。こうすることで、セルスタック１０の気密性が確保され、出力を増大させることができる。
【００２６】
第１実施形態のセルスタックの形成工程を以下で説明する。
基体管１１上に、燃料極を形成する。燃料極の形成方法として、スクリーン印刷、ジェットディスペンサによる製膜、ＣＶＤ法、転写法などが採用できる。円周方向及び軸方向に配置するセルの数、及び、セル間の距離に応じて、燃料極をパターニングして形成する。スクリーン印刷及びＣＶＤ法では、設けるセルの数及び位置に対応させたマスクを用いて、燃料極を成膜する。ジェットディスペンサを用いた製膜では、設けるセルの数及び位置に対応する部分にのみ、燃料極を形成する。
【００２７】
絶縁膜が設けられる場合は、燃料極が形成された後で固体電解質膜の形成前に絶縁膜の形成工程が実施される。燃料極のパターニングに対応させて、燃料極の間の基体管１１上に絶縁膜が形成される。絶縁膜の形成方法は、燃料極の形成方法と同様の方法が採用可能である。
【００２８】
燃料極及び基体管１１（あるいは絶縁膜）上に固体電解質膜を形成して、燃料極及び固体電解質膜の積層膜を作製する。固体電解質膜の形成方法は、燃料極の場合と同様の方法が採用可能である。１つのセル内で電流が流れる方向を考慮して、固体電解質膜の形成位置が決定される。図１では、１つのセル内で基体管の軸方向に紙面左から右に向かって電流が流れるので、固体電解質膜は燃料極に対して右側にずらして形成され、燃料極の紙面右側端部で基体管１１または絶縁膜と接触する。
【００２９】
セル間を接続するインターコネクタを形成する。インターコネクタの形成方法は、燃料極の場合と同様の方法が採用可能である。第１実施形態では、図１で示した経路で直列接続するように、インターコネクタがパターニングされて形成される。具体的に、セル（１２ａ，１２ｃ）の正極側に位置する積層膜と、そのセル（１２ａ，１２ｃ）と基体管１１円周方向に隣接するセル（１２ｂ，１２ｄ）の負極側に位置する積層膜とを接続するようにインターコネクタが形成される。また、セル（１２ｂ）の正極側に位置する積層膜と、そのセル（１２ｂ）の隣のセル群内のセル（１２ｃ）の負極側に位置する積層膜とを接続するようにインターコネクタが形成される。
【００３０】
基体管１１上に積層膜（燃料極、固体電解質膜）及びインターコネクタが形成された後に、基体管１１が大気中で共焼結される。焼結温度は、具体的に１３５０℃〜１４５０℃とされる。
【００３１】
共焼結後の基体管１１上に、空気極が形成される。空気極の形成方法は、燃料極の場合と同様の方法が採用可能である。セル形成部分に段差がある場合、均一に空気極を形成するためには、ジェットディスペンサによる製膜やＣＶＤ法など、製膜装置が基体管と接触しない製膜方法を採用することが好ましい。
【００３２】
空気極が形成された基体管１１が、大気中にて焼結される。焼結温度は、具体的に１１００℃〜１２５０℃とされる。ここでの焼結温度は、基体管〜インターコネクタを形成した後の共焼結温度よりも低温とされる。
【００３３】
本実施形態のセルスタックは、従来の基体管軸方向にのみセルを直列接続させる場合と比較して、基体管１１の軸方向でのセルの１２の寸法を大きくすることができる。
基体管軸方向のみにセルを配列した場合、基体管半径をｒ、基体管軸方向のセル（有効発電部）の長さをｌ１とすると、セルの面積Ｓは２πｒ×ｌ１となる。
一方、本実施形態のセルスタックでは、図１のように基体管円周方向に２つのセルを配列した場合、基体管軸方向のセルの長さは２πｒ×（１／２）である。基体管軸方向のセル（有効発電部）の長さをｌ２とすると、上記と同面積のセルとするためには、ｌ２＝Ｓ／（２πｒ×（１／２））＝２ｌ１となる。
このように、本実施形態のセルスタックでは、セルの基体管軸方向の寸法を広く確保することができるので、スクリーン印刷等による施工が容易になる。
【００３４】
図２は、第２実施形態のセルスタックの発電部について、外周面を平面に展開した概略図である。図２においてもインターコネクタは省略されている。
第２実施形態のセルスタック２０は、１つのセル２２内で電流が流れる方向は、基体管２１の円周方向である。隣り合うセル群２３Ａ，２３Ｂでは、１つのセル内で電流が流れる方向が反対となっている。第２実施形態においても、隣り合うセル群２３間では、セル２２は基体管２１軸方向の同位置に設けられている。
【００３５】
図２内の矢印は、セル間の電気的な接続方向（電流が流れる方向）を表している。第１実施形態と同様に、基体管２１の両端部に集電部が設けられている。一方の端部の集電部は、基体管２１端部側に設けられるセル群２３Ａ内のセル２２ａの負極と直列接続する。セル群２３Ａ内で、セル２２ａ，ｂは直列接続する。セル２２ｂの正極は、セル群２３Ａに隣り合うセル群２３Ｂ内のセル２２ｃの負極と直列接続する。セル２２ｃは、基体管２１軸方向でセル２２ｂと隣り合っている。セル２２ｃは、同じセル群２３Ｂ内のセル２２ｄと直列接続する。基体管２１の他方の端部に設けられるセルまで、上記の接続が繰り返される。基体管２１の他方の端部に設けられるセル２２ｅの正極は、基体管２１の一方の端部の集電部と接続する。
【００３６】
第２実施形態は、第１実施形態と比較してセル間の接続距離を更に短くすることができる。
【００３７】
第２実施形態のセルスタック２０は、第１実施形態と同様の工程にて作製される。第２実施形態では、セル内で電流が流れる方向と、セル間の接続経路とを考慮して、固体電解質膜、インターコネクタ及び空気極の形成位置が設定される。
【００３８】
第２実施形態のセルスタック２０においても、隣り合うセルの燃料極の間に絶縁膜が設けられていても良い。
【００３９】
図３は、第３実施形態のセルスタックの発電部について、外周面を平面に展開した概略図である。図３においてもインターコネクタは省略されている。
第３実施形態のセルスタック３０において、１つのセル３２内で電流が流れる方向は基体管３１の円周方向である。隣り合うセル群３３間で、１つのセル３２内で電流が流れる方向は同じである。第３実施形態では、基体管３１の軸方向では、隣り合うセル群内のセルは位置をずらして配置されている。セル群３３Ａ内のセル３２ａ，ｂの位置は、隣のセル群３３Ｂ内のセル３２ｃ，ｄの位置と基体管３１の円周方向にずれている。有効発電部（燃料極と電解質と空気極との３層が重なる部分）の円周方向の長さをＬ１、インターコネクタの円周方向の長さをＬ２、セル間の円周方向の長さをＬ３とした場合に、セル３２ｃに対するセルａの円周方向へのずれ量Ｘ、及び、セル３２ｄに対するセル３２ｂの円周方向のずれ量Ｘは、Ｌ２＋Ｌ３≦Ｘ≦Ｌ１とする。
【００４０】
図３内の矢印は、セル間の電気的な接続方向（電流が流れる方向）を表している。第１実施形態と同様に、基体管３１の一方の端部の集電部は、基体管３１端部側のセル群３３Ａ内のセル３２ａの負極と直列接続する。セル群３３Ａ内でセル３２ａ，３２ｂは直列接続する。セル３２ｂの正極は、セル群Ａの隣のセル群３３Ｂ内で最も近いセル３２ｃの負極と直列接続する。セル群３３Ｂ内で、セル３２ｃ，ｄは直列接続する。上記の接続は、基体管３１の他方の端部に設けられるセルまで繰り返される。基体管３１の他方の端部に設けられるセル３２ｅの正極は、基体管３１の一方の端部の集電部と接続する。
【００４１】
第３実施形態のセルスタック３０は、第１実施形態と同様の工程にて作製される。第３実施形態では、セルの配置、セル内で電流が流れる方向、及び、セル間の接続経路を考慮して、各層の形成位置が設定される。
【００４２】
なお、第３実施形態のセルスタック３０においても、隣り合うセルの燃料極の間に絶縁膜が設けられていても良い。
【００４３】
上述のようにセル３２を配置して接続することにより、各セル３２はらせん状に接続されることになる。こうすることで、セル間の接続距離を短くすることができる。更に、らせん状にセルを接続することによって、基体管軸方向に隣り合うセル間の電位差が小さくなる。
【００４４】
例えば１つのセルで正極と負極との電位差が１Ｖであるとする。第２実施形態（図２）の接続では、基体管２１軸方向で隣り合うセル２２ａの負極とセル２２ｄの正極との電位差は、４Ｖになる。一方、第３実施形態（図３）のらせん状の接続では、基体管３１軸方向で隣り合うセル３２ｂの負極とセル３２ｄの正極との電位差は３Ｖとなる。
【００４５】
１つのセルスタック内でセル数を増やすにはセル間の距離を小さくする必要があるが、セル間の距離が小さく電位差が大きい場合には絶縁破壊が発生する恐れがある。このため、第２実施形態のように基体管軸方向に隣り合うセルの電位差が大きい場合には、絶縁破壊が発生しない程度にセル同士を離間させなくてはならない。第３実施形態は第２実施形態と比較して基体管軸方向に隣り合うセルの電位差が小さいために、セル間の距離をより縮めることが可能である。このため、第３実施形態のようにらせん状に電気的に接続すると、セル数を増加させることができ、高集積化が実現できる。
【符号の説明】
【００４６】
１０，２０，３０  セルスタック
１１，２１，３１  基体管
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ  セル
２２，２２ａ，２２ｂ、２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ  セル
３２，３２ａ，３２ｂ、３２ｃ，３２ｄ，３２ｅ  セル
１３，１３Ａ，１３Ｂ，２３，２３Ａ，２３Ｂ，３３，３３Ａ，３３Ｂ  セル群
【図１】
2013175307.tif 000003
【図２】
2013175307.tif 000004
【図３】
2013175307.tif 000005
【図４】
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