(57)【要約】【課題】燃料極および酸化剤極の高集積化を容易として、高出力化を図る。【解決手段】炭化水素系燃料ガスと、酸素を含む酸化剤ガスとの混合ガスによって発電が可能な単室型燃料電池１０において、電解質１１を円柱形状として、電解質１１の表面に燃料極１２と酸化剤極１３とを形成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素または炭化水素系の燃料ガスと、酸素を含む酸化剤ガスとの混合ガスによって発電が可能な単室型燃料電池において、
円柱状または円筒状の電解質と、
前記電解質の外周面にそれぞれ形成される燃料極および酸化剤極と
を備えることを特徴とする単室型燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の単室型燃料電池であって、
前記燃料極および酸化剤極は、
前記電解質の中心軸に垂直な円周に沿って帯状に形成された構成である単室型燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の単室型燃料電池であって、
前記燃料極と酸化剤極が隣り合うように複数対、配置され、隣り合う一方の対の酸化剤極と他方の対の燃料極とがインターコネクタによって接続されている単室型燃料電池。
【請求項４】
水素または炭化水素系の燃料ガスと、酸素を含む酸化剤ガスとの混合ガスによって発電が可能な単室型燃料電池の製造方法において、
円柱状または円筒状の電解質と、燃料極用の第１の材料と、酸化剤用の第２の材料を準備する工程と、
前記電解質を当該電解質の中心軸を回転軸として回転させながら、前記電解質の外周面に前記第１の材料を塗布する工程と、
前記電解質を当該電解質の中心軸を回転軸として回転させながら、前記電解質の外周面に前記第２の材料を塗布する工程と
を備える単室型燃料電池の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の単室型燃料電池の製造方法において、
前記第１の材料は、燃料極用の粉末材料を主成分とする燃料極ペーストであり、
前記第２の材料は、酸化剤極用の粉末材料を主成分とする酸化剤極ペーストである、単室型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、水素または炭化水素系の燃料ガスと、酸素を含む酸化剤ガスとの混合ガスによって発電が可能な単室型燃料電池と、単室型燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池は、反応ガスの供給方法に着目すると、燃料ガスと酸化剤ガスを分離した状態で供給する隔膜型（二室型）のものと、燃料ガスと酸化剤ガスの混合ガスを供給する単室型のものに分類される。
【０００３】
隔膜型の燃料電池は、電解質膜の一方の面に燃料極を、他方の面に酸化剤極を形成し、燃料極側に供給される燃料ガスと酸化剤極側に供給される酸化剤ガスとを電解質膜で分離した状態で発電させるものである。
【０００４】
単室型の燃料電池は、特許文献１〜３に記載されたように、平板状の電解質膜の同一表面上または異なる表面上に、燃料ガスの酸化反応に対する触媒性能の異なる燃料極および酸化剤極を形成し、燃料ガスと酸化剤ガスの混合ガスを用いて発電させるものである。この構成により、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離するための構成要素（例えばセパレータ等）が不要となることから、隔膜型の燃料電池に比べて装置全体の小型化を図ることができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−６３８１０号公報
【特許文献２】特開２００５−２５９５９０号公報
【特許文献３】特開２００５−２２２７７４号公報
【０００６】
しかしながら、前記従来の単室型の燃料電池は、平板構造であることから、電解質の表面積を大きくすることが難しかった。このために、電解質上に配置できる燃料極および酸化剤極の数や面積を増大させることが難しく、十分に出力を高めることができないという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料極および酸化剤極の高集積化を容易として、高出力化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］
水素または炭化水素系の燃料ガスと、酸素を含む酸化剤ガスとの混合ガスによって発電が可能な単室型燃料電池において、
円柱状または円筒状の電解質と、
前記電解質の外周面にそれぞれ形成される燃料極および酸化剤極と
を備えることを特徴とする単室型燃料電池。
【００１０】
適用例１に記載の単室型燃料電池によれば、電解質が円柱状または円筒状であることから、電解質の外周面に燃料極と酸化剤極とをそれぞれ形成する構成とすることで、燃料極および酸化剤極の面積を大きく取ることができる。すなわち、適用例１に記載の単室型燃料電池によれば、燃料極および酸化剤極を三次元の範囲にわたって形成することができることから、燃料極および酸化剤極の面積を大きく取ることができる。したがって、適用例１に記載の単室型燃料電池によれば、燃料極および酸化剤極の高集積化が容易であることから、高出力化を図ることができるという効果を奏する。
【００１１】
［適用例２］
適用例１に記載の単室型燃料電池であって、前記燃料極および酸化剤極は、前記電解質の中心軸に垂直な円周に沿って帯状に形成された構成である単室型燃料電池。
【００１２】
ここで、「中心軸に垂直な円周」とは、中心軸に垂直な面内に位置する電解質の円周の意味である。適用例２に記載の単室型燃料電池によれば、燃料極および酸化剤極をより大面積とすることができる。したがって、より一層の高出力化を図ることができるという効果を奏する。
【００１３】
［適用例３］
適用例２に記載の単室型燃料電池であって、前記燃料極と酸化剤極が隣り合うように複数対、配置され、隣り合う一方の対の酸化剤極と他方の対の燃料極とがインターコネクタによって接続されている単室型燃料電池。
【００１４】
適用例３に記載の単室型燃料電池によれば、複数の電極対をインターコネクタにより容易に直列接続することができる。したがって、高電圧の出力を容易に得ることができる。
【００１５】
［適用例４］
水素または炭化水素系の燃料ガスと、酸素を含む酸化剤ガスとの混合ガスによって発電が可能な単室型燃料電池の製造方法において、
円柱状または円筒状の電解質と、燃料極用の第１の材料と、酸化剤用の第２の材料を準備する工程と、
前記電解質を当該電解質の中心軸を回転軸として回転させながら、前記電解質の外周面に前記第１の材料を塗布する工程と、
前記電解質を当該電解質の中心軸を回転軸として回転させながら、前記電解質の外周面に前記第２の材料を塗布する工程と
を備える単室型燃料電池の製造方法。
【００１６】
適用例４に記載の単室型燃料電池の製造方法によれば、電解質を中心軸を回転軸として回転させながら電解質の外周面に燃料極用の第１の材料を塗布することにより、燃料極が形成され、電解質を中心軸を回転軸として回転させながら電解質の外周面に酸化剤極用の第２の材料を塗布することにより、酸化剤極が形成される。このために、中心軸に垂直な円周上に高精度に位置する帯状の燃料極および酸化剤ガスを容易に作成することができる。
【００１７】
［適用例５］
適用例４に記載の単室型燃料電池の製造方法において、
前記第１の材料は、燃料極用の粉末材料を主成分とする燃料極ペーストであり、
前記第２の材料は、酸化剤極用の粉末材料を主成分とする酸化剤極ペーストである、単室型燃料電池の製造方法。
【００１８】
適用例５に記載の単室型燃料電池の製造方法によれば、第１および第２の材料は、ペースト状のものであることから、へら等を用いて容易に塗布することができる。
【００１９】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池を備える燃料電池システムなどの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００２１】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての単室型燃料電池１０の平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線断面図であり、図３は単室型燃料電池１０の斜視図である。図１ないし図３に示すように、この単室型燃料電池（以下、単に「燃料電池」と呼ぶ）１０は、円柱状の電解質１１と、電解質１１の外周面にそれぞれ形成される燃料極（アノード）１２および酸化剤極（カソード）１３とを備える。燃料極１２と酸化剤極１３とは対となって電極対Ｅを構成しており、燃料電池１０は複数個(図示の例では、５個）の電極対Ｅを備える。これら電極対Ｅはインターコネクタ１５によって直列に接続されている。
【００２２】
燃料極１２および酸化剤極１３は、円柱状の電解質１１の中心軸Ｌ（図３参照）に垂直な円周に沿って帯状に形成され、所定間隔ｔをおいて配置されている。なお、燃料極１２および酸化剤極１３は、その円周の全周に亘って形成され、円環状となっている。燃料極１２および酸化剤極１３の幅ｗ１，ｗ２は、例えば１〜１０００μｍであり、燃料極１２と酸化剤極１３との間隔ｔは、例えば１〜１０００μｍである。複数の電極対Ｅは、円柱状の電解質１の上端から下端へと一方向（図１の左右方向）に並び、燃料極１２および酸化剤極１３の配置位置が同一方向になっている。すなわち、各電極対Ｅは図１の左側に燃料極１２が配置され、右側に酸化剤極１３が配置されている。この結果、隣り合う電極対Ｅ間では、異極同士、つまり酸化剤極１３と燃料極１２が向き合うことになる。このとき、隣接する電極対Ｅ間の間隔ｓは、例えば１０〜５０００μｍとすることが好ましい。
【００２３】
インターコネクタ１５は、上記向き合った酸化剤極１３と燃料極１２の間、すなわち、隣り合う電極対Ｅにおける一方の電極対Ｅの酸化剤極１３と他方の電極対Ｅの燃料極１２との間に架設される。なお、インターコネクタ１５は、電解質１１の円周上の一箇所に配置される。この結果、電解質１１の外周面に形成された複数の電極対Ｅはインターコネクタ１５によって直列に接続される。なお、上端側と下端側の各電極対Ｅには、電流を取り出すための集電端子１７，１８が接続されている。
【００２４】
次に、上記のように構成された燃料電池１０の材質について説明する。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（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。
【００２５】
燃料極１２および酸化剤極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。燃料極１２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１２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。
【００２６】
酸化剤極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。
【００２７】
インターコネクタ１５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。
【００２８】
上記燃料極１２および酸化剤極１３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１２および酸化剤極１３の膜厚は焼結後に例えば１μｍ〜５００μｍとなるように形成する。また、インターコネクタ１５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。
【００２９】
なお、上記燃料極１２および酸化剤極１３は、上述した材料に限る必要はなく、炭化水素の酸化反応に対する触媒性能（活性度）が互いに異なる組み合わせを選択することができれば、他の材料を使用することができる。すなわち、燃料極として機能する活性度が高い側の材料と、酸化剤極として機能する活性度が低い側の材料とを得ることができれば、いずれの材料も自由に選択することができる。
【００３０】
図４は、上述した燃料電池１０の製造方法を示す工程図である。図示するように、まず、上述した材料からなる円柱状の電解質１１を準備する（第１の工程Ｓ１）。上述した電解質の材料を円柱状とすることは容易である。
【００３１】
次いで、上述した燃料極１２および酸化剤極１３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、酸化剤極ペーストをそれぞれ作成する（第２の工程Ｓ２）。第２の工程Ｓ２においては、同様に、インターコネクタ用ペーストも、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。
【００３２】
続いて、電解質１１の外周面上の複数の位置に燃料極ペーストを塗布した後、所定の時間および温度で乾燥・焼結し、燃料極１２を形成する（第３の工程Ｓ３）。上記燃料極ペーストの塗布は、電解質１１をその中心軸を回転軸として回転させながら行う。詳細には、回転している電解質１１に、燃料極ペーストを付着させたへらを押し当てるようにして塗布を行う。電解質１１に押し当てることにより行う。これによって、中心軸に垂直な円周上に高精度に位置する帯状の燃料極１２を容易に作成することができる。
【００３３】
次に、電解質１１の外周面上の燃料極１２と対向する位置それぞれに、酸化剤極ペーストを塗布した後、所定の時間および温度で乾燥・焼結し、酸化剤極１３を形成する（第４の工程Ｓ４）。上記酸化剤極ペーストの塗布は、第３の工程Ｓ３と同様に、電解質１１をその中心軸を回転軸として回転させながら行う。これによって、燃料極１２に対して高精度に並列される帯状の酸化剤極１３を容易に作成することができる。こうして、複数の電極対Ｅ、図示の例では５個の電極対Ｅが形成される。
【００３４】
なお、この実施例では、燃料極１２と酸化剤極１３とを別々に形成していたが、これに換えて、電解質を回転させながら燃料極ペーストと酸化剤極ペーストとを同時に塗布して、燃料極１２と酸化剤極１３とを同時に形成する構成としてもよい。
【００３５】
続いて、前述した位置にインターコネクタ用ペーストを帯状に塗布し、インターコネクタ１５を形成する（第５の工程Ｓ５）。その後、上端側と下端側の各電極対Ｅに集電端子１７，１８を接続する（第６の工程Ｓ６）。以上の第１ないし第６の工程Ｓ１〜Ｓ６により燃料電池１０が完成する。
【００３６】
上記のように構成された燃料電池１０においては、電極対Ｅが配置された電解質１１に対して、メタン、エタン等の炭化水素系を含む燃料ガスと、酸素を含む酸化剤ガスとしての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、各電極対Ｅにおける燃料極１２と酸化剤極１３との間の電解質１１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。この結果、燃料電池１０は、炭化水素系の燃料ガスと、酸素を含む酸化剤ガスとの混合ガスによって発電が可能な単室型の燃料電池を構成する。なお、燃料ガスとしては、炭化水素系に換えて水素そのものとしてもよい。
【００３７】
以上のように構成された第１実施例の燃料電池１０では、電解質１１が円柱状であることから、電解質１１の外周面に燃料極１２と酸化剤極１３とをそれぞれ形成する構成とすることで、燃料極１２および酸化剤極１３の面積を大きく取ることができる。すなわち、燃料電池１０によれば、燃料極１２および酸化剤極１３を三次元の範囲にわたって形成することができることから、燃料極１２および酸化剤極１３の面積を大きく取ることができる。したがって、燃料電池１０によれば、燃料極１２および酸化剤極１３の高集積化が容易であることから、高出力化を図ることができるという効果を奏する。
【００３８】
また、燃料電池１０においては、燃料極１２と酸化剤極１３が隣り合うように複数対、配置され、隣り合う一方の対の酸化剤極１３と他方の対の燃料極１２とがインターコネクタ１５によって接続されている構成となっていることから、複数の電極対Ｅを容易に直列接続することができる。したがって、高電圧の出力を容易に得ることができる。
【００３９】
図５は、前述した構成の燃料電池１０を複数本、集積した一例を示す説明図である。図示の例では、スタックケース３０に、前述した燃料電池１０が、縦方向に４個、横方向に３個、合計１２個、集積されている。こうした構成とすることで、単位容積当たりの燃料電池の集積度を格段に高めることができる。
【００４０】
Ｂ．第２実施例：
図６は、本発明の第２実施例としての単室型燃料電池１１０の平面図である。この第２実施例の単室型燃料電池１１０は、第１実施例の単室型燃料電池１０と比較して、インターコネクタの形状が相違するだけであり、その他の構成、すなわち、電解質１１、燃料極１２、酸化剤極１３等の構成は同一である。第１実施例と同一のパーツには同一の符号を付した。
【００４１】
第１実施例では、図１ないし図３に示すように、インターコネクタ１５は、燃料極１２と酸化剤極１３との間の空間の円周上の一箇所に配置された構成であった。これに対して、本実施例では、インターコネクタ１１５は、燃料極１２と酸化剤極１３との間の空間の全周を占める環状のものであり、燃料極１２と酸化剤極１３との間が全周にわたって連結される。
【００４２】
この構成の第２実施例の単室型燃料電池１１０は、第１実施例と同様に、燃料極１２および酸化剤極１３の高集積化が容易であることから、高出力化を図ることができる。さらに、インターコネクタ１１５は、燃料極１２と酸化剤極１３との間を全周にわたって連結する構成であることから、電子伝導性に優れている。また、単室型燃料電池１１０を製造するに際して、円柱状の電解質１１を回転させながら燃料極１２、酸化剤極１３およびインターコネクタ１１５を一度に形成することも可能であることから、製造が容易であるという効果も奏する。
【００４３】
Ｃ．他の実施形態：
なお、本発明は上記した実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【００４４】
（１）変形例１：
上記第１，第２実施例において、電解質１１は円柱状、すなわち内部が詰まった電解質体であったが、これに換えて、内部が中空となった構成としてもよい。さらには、中空の上、上端、下端が開放された構成、すなわち円筒状とすることもできる。これらの構成によっても、第１実施例と同様に、燃料極および酸化剤極の高集積化が容易であることから、高出力化を図ることができるという効果を奏する。
【００４５】
（２）変形例２：
上記第１，第２実施例では、燃料極１２および酸化剤極１３から構成される電極対Ｅが複数個、形成されていたが、これに換えて、１個だけ、すなわち、１個の燃料極と１個の酸化剤極とだけ備える構成としてもよい。この場合にはインターコネクタ１５は不要となる。
【００４６】
（３）変形例３：
上記第１，第２実施例では、燃料極１２および酸化剤極１３は、電解質１１の円周の全周に亘って形成され、円環状となっているが、これに換えて、その円周の一部分だけ（すなわち円弧形状）に形成する構成としてもよい。
【００４７】
（４）変形例４：
上記第１実施例では、回転している電解質１１に対してへらを用いて電極ペースト（燃料極ペースト、酸化剤ペースト）を塗布することにより燃料電池を製造していたが、これに換えて、回転している電解質１１に対して、燃料極１２または酸化剤極１３用の粉末材料をスプレーにより噴射することにより塗布を行う構成としてもよい。本発明の燃料電池の製造方法としては、回転している電解質１１に対して燃料極用の第１の材料と酸化剤極用の第２の材料を塗布することができる方法であれば、前記へらを用いた方法、スプレーを用いた方法以外にも種々の方法を採用することができる。
【００４８】
（５）変形例５：
上記第１，第２実施例では、単室型燃料電池は、固体酸化物形のものであったが、これに換えて、固体高分子形燃料電池、リン酸形燃料電池等、異なる種類の燃料電池に適用することも可能である。要は、水素または炭化水素系の燃料ガスと、酸素を含む酸化剤ガスとの混合ガスによって発電が可能な単室型の構成であれば、種々の燃料電池に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１実施例としての単室型燃料電池１０の平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】単室型燃料電池１０の斜視図である。
【図４】単室型燃料電池１０の製造方法を示す工程図である。
【図５】単室型燃料電池１０を複数本集積した一例を示す説明図である。
【図６】本発明の第２実施例としての単室型燃料電池１１０の平面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０…単室型燃料電池
１１…電解質
１２…燃料極
１３…酸化剤極
１５…インターコネクタ
１７，１８…集電端子
３０…スタックケース
１１０…単室型燃料電池
１１５…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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【図５】
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【図６】
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