JP2008152969A - 直接火炎型燃料電池セル構造 - Google Patents

Abstract

【課題】固体電解質を用いた直接火炎型燃料電池セルにおいて、火炎のカソード層側への回り込みを防止し、酸素分圧の低下による発電効率が低下するのを防止する。
【解決手段】固体電解質層（１０）の一面側にカソード層（１４）が形成され、他面側にアノード層（１２）が形成された固体酸化物型燃料電池セルを、火炎（１６）中或いはその近傍に配設して発電する直接火炎型燃料電池セルにおいて、前記アノード層側が凹形、カソード層側が凸形となるように、湾曲させた構造を有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池セルの構造に関する。特に、本発明は火炎中或いはその近傍に固体電解質燃料電池セルを配置し、火炎の熱によって固体電解質燃料電池セルをその作用温度に保持させて発電を行う、直接火炎型燃料電池セルの構造に関する。

従来、火力発電等に代わる低公害の発電手段として、或いはガソリンなどを燃料とするエンジンに取って代わる電動自動車の電気エネルギ源として、燃料電池が開発され、実用化されるに至っている。そして、この燃料電池に対しては、高効率化、低コスト化を目指して多くの研究がなされている。

この燃料電池には、種々の発電形式のものがあるが、その一種として固体電解質を用いた形式の燃料電池がある。この固体電解質を用いた燃料電池は、例えば、イットリアが添加された安定化ジルコニアからなる焼成体を酸素イオン伝導型の固体電解質として用いたものがある。この固体電解質層の一方の面にカソード層が、他方の面にアノード層がそれぞれ形成されており、カソード層側に酸素又は酸素含有気体が供給され、アノード層にはメタン等の燃料ガスによる火炎が直接適用されるようになっている。

この種の直接火炎型燃料電池において、従来は、燃料電池セルはまっ平らな板状ないし薄膜状の固体電解質層の一方の面にアノード層が、他方の面にカソード層がそれぞれ形成され、アノード層／電解質層／カソード層から構成される燃料電池セルとして発電体として機能していた。

上述のように、平板状の固体電解質層の一方の面にアノード層を、他方の面にカソード層をそれぞれ形成した燃料電池の先行技術としては、次のようなものがある。

特許文献１（特開２００４−１３９９３６号公報）によると、固体酸化物型燃料電池セルを火炎中或いはその近傍に配置して発電する燃料電池において、急激な温度変化による固体電解質のクラック等の損傷の発生するのを防止して、優れた耐久性をもたせるべく、固体電解質層を多孔質に形成している。

特許文献２（特開２００５−３５３５７１号公報）によると、１枚の板状の固体電解質基板に複数の燃料電池セルを形成するようにして、密閉構造を有しない燃料電池とし、その小型化、低コスト化を図り、そして、耐久性向上と発電効率の向上を図るため、平板状の固体電解質基板の一方の面に形成された複数のアノード層と、反対面にアノード層と対向して形成された複数のカソード層とを有し、固体電解質基板を介して対向するアノード層とカソード層間で複数の燃料電池セルを形成し、複数の燃料電池セルを形成するとともに、各アノード層とカソード層との間を直列になるように接続した構造を有する。

また、特許文献３（特開２００６−１９０５９２号公報）によると、固体酸化物型燃料電池において、耐久性、耐熱衝撃性及び体積発電密度を同時に高め、燃料電池の小型化、軽量化及び低コスト化を実現し、さらには燃料電池の生産性の向上を達成するために、導電性メッシュ及びこのメッシュに担持されたアノード形成材料からなるアノード層と、導電性メッシュ及び該メッシュに担持されたカソード形成材料からなるカソード層と、前記アノード層とカソード層の間に配置され、かつそれらの層によって支持された薄膜状の固体電解質層とからなる燃料電池セルを備えている。

以上に説明した特許文献１〜３に記載されている燃料電池は、前述のように、また図１に示すように、平板状の固体電解質層１０の一方の面にアノード層１２が、他方の面にカソード層１４がそれぞれ形成された構造を有する。そして、アノード層１２、カソード層１４にはそれぞれ電極１３、１５が接続されている。カソード層１４側に酸素又は酸素含有気体が供給され、アノード層にはメタン等の燃料ガスによる火炎１６が直接適用される構造である。

しかしながら、このように平板状の固体電解質層１０を持ったまっ平らな燃料電池セルにあっては、火炎１６がアノード層１２側の平面に適用されるに際して、矢印Ａで示すように火炎１６がアノード層１２側からカソード層１４側への回り込みが生じやすくなる。このように火炎がカソード層１４側へ回り込みが生じることにより、カソード層１４側における酸素分圧の低下による発電効率の低下が危惧されていた。

特開２００４−１３９９３６号公報 特開２００５−３５３５７１号公報 特開２００６−１９０５９２号公報

上述したように、従来の直接火炎型燃料電池セルのように、まっ平らな固体電解質層にアノード層、カソード層が形成されたものにあっては、火炎が燃料電池セルのアノード層に適用されるに際して、火炎のカソード層側への回り込みによる、酸素分圧の低下、発電効率の低下という問題がある。

そこで、本発明では、固体電解質を用いた直接火炎型燃料電池セルにおいて、火炎のカソード層側への回り込みを防止し、カソード層側での酸素分圧の低下による発電効率が低下するのを防止した直接火炎型燃料電池セルの構造を提案することを課題とする。

上記の課題を達成するために、本発明によれば、固体電解質層の一面側にアノード層が形成され、他面側にカソード層が形成された固体酸化物型燃料電池セルを、火炎中或いはその近傍に配設して発電する直接火炎型燃料電池セルにおいて、前記アノード層側が凹形、カソード層側が凸形となるように、湾曲した構造を有することを特徴とする直接火炎型燃料電池セルが提供される。燃料電池セルをこのような湾曲させた構造とし、火炎を凹面のアノード層側から適用することにより、火炎の凸面のカソード層側への回り込みが防止され、これによりカソード層側での酸素分圧の低下を防止することができ、火炎による燃料電池セルの反応部分を拡大することが可能となり、発電効率を高めることができる。

燃料電池セルは円錐形、角錐形、椀形、または屋根形の湾曲構造を有することを特徴とする。火炎を凹面のアノード側に適用した場合において、火炎の大きさ、種類、形状等により最適な湾曲形状、即ち最も発電効率を高めることのできる湾曲形状として、円錐形、角錐形、椀形、屋根形その他の形状のものから適宜選択することができる。

また、燃料電池セルを円錐形とする場合において、利用可能な角度範囲は、斜面と水平面とのなす角がθ＝５〜３０°であり、特に好適な角度としてはθ＝１５°である。

また、本発明によると、固体電解質のグリーンシートを一面側が凹面、他面側が凸面となるように湾曲させた形状に加工する工程と、該グリーンシートを焼成する工程と、焼成した固体電解質の凹面側にアノード層を、凸面側にカソード層をそれぞれ形成する工程と、を具備することを特徴とする直接火炎型燃料電池セルの製造方法が提供される。このように本発明においては、固体電解質のグリーンシートから湾曲形状の成形することで、直接火炎型燃料電池セルを簡単かつ低コストな方法で製造することができる。

この場合において、円形の固体電解質のグリーンシートを、中心が頂点となり、一面側が凹面、他面側が凸面となるように円錐形に加工することを特徴とする。これにより、従来の平坦な円形の燃料電池セルを製造する場合の工程をそのまま利用して、固体電解質のグリーンシートをまず円形に加工し、しかる後に、円錐形に加工して焼成することで、直接火炎型燃料電池セルをより簡単かつ低コストな方法で製造することができる。

以上により、カソード側への火炎の回り込みを防止した、或いは、カソード側への火炎の回り込みの少ない、その結果、発電効率の高い直接火炎型燃料電池セルを得ることができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図２は本発明の１実施形態に係る直接火炎型燃料電池セルの構造及びその製造方法を説明するための図であり、図３（ａ）及び（ｂ）は燃料電池セルを製造するための焼成前の固体電解質のグリーンシートの形状を示すものである。

本発明の直接火炎型燃料電池セルの構造としては、図２に示すように、固体電解質層１０の一方の面にアノード層１２が、他方の面にカソード層１４がそれぞれ形成され、且つアノード層１２、カソード層１４にはそれぞれ電極１３、１５が接続されている点は従来と同様であるが、本発明では、アノード層１２側が凹形、カソード層１４側が凸形となるように、湾曲させた構造を有する。そして、カソード層１４側に酸素又は酸素含有気体が供給され、アノード層１２側にはメタン等の燃料ガスによる火炎１６が直接適用される。

このように本発明では、燃料電池セルを湾曲させた構造とし、火炎１６を凹面のアノード層１２側から適用することにより、火炎１６は矢印Ｂに示すように、凹面１２ａに沿って９０°未満の鋭角状に湾曲されるので、火炎１６の凸面のカソード層１４側への回り込みが防止され、或いはカソード層１４側への回り込む火炎の量が少なくなり、これによりカソード層１４側における酸素分圧の低下が防止され、火炎による燃料電池セルの反応部分を実質的に拡大することが可能となり、発電効率を高めることができる。

このような形状の燃料電池セルを製造するには、まず最初、従来の燃料電池セルを製造する場合と同様、図３（ａ）のように、固体電解質層をグリーンシート１０ａの状態で円形状の薄板又は薄膜状に形成する。

固体電解質層の素材としては、本発明において特に限定されるものではないが、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、これらのジルコニアに更にＣｅ、Ａｌ等をドープしたジルコニア系セラミックス；ＳＤＣ（サマリアドープドセリア）、ＧＤＣ（ガドリアドープドセリア）等のセリア系セラミックス；ＬＳＧＭ（ランタンガトーレ）、酸化ビスマス系セラミックス等を用いることができる。

次に、固体電解質層のグリーンシート１０ａの状態で、図３（ｂ）に示すように、円錐形に加工する。円形平板状の固体電解質層のグリーンシート１０ａを円錐形の固体電解質層のグリーンシート１０ｂに加工するには、例えば、円形のグリーンシート１０ａを中心位置から半径方向に一直線に切断し、切断部分の両側にエタノール等をグリーンシートがふやける程度に塗り付けて、重ね合わせて適当な型（図示せず）等を利用して円錐形に加工すること等の簡便な方法がある。

このような簡便な加工方法は、ＳＤＣ系の固体電解質層に限らず、ＹＳＺ系やＧＤＣ系の固体電解質層においても適用可能である。

図３に示した、燃料電池セルの製造方法によると、固体電解質のグリーンシートをまず円形に加工し、しかる後に、円錐形に加工して焼成しているので、円形平板状の固体電解質のグリーンシートを円錐形に加工する工程を加えるだけで、従来の平坦な円形の燃料電池セルを製造する場合の工程、即ち、円形平板状の固体電解質のグリーンシートを製造するための設備、グリーンシートを焼成するための設備等をそのまま利用して、本発明に係る直接火炎型燃料電池セルを製造することができ、簡単で且つ安価の製造が可能となる。

図４は本発明において適用可能な燃料電池セルの種々の形状を示したものである。本発明の直接火炎型燃料電池セルでは、固体電解質層の一方の面が凹面であり、他方の面が凸である湾曲状の形状であって、アノード層側から火炎を適用した場合に、火炎のカソード層側への回り込みを防止できる形状であれば、種々の形状のものを採用することができる。例えば、角錐形（ａ）、お椀形（ｂ）、円錐形（ｃ）、屋根形（ｄ）その他種々の形状が考えられる。火炎のアノード側からカソード側への回り込みを防止できる程度、発電効率の向上の程度、加工の可能性や容易性等の種々の条件で適宜、最適となるような形状を選択すべきである。例えば、図５に示すように、燃料電池セルを円錐形とした場合においては、利用可能な角度範囲は、斜面と水平面とのなす角がθ＝５〜３０°であり、特に好適な角度としてはθ＝１５°程度である。

図６は、図３（ａ）のように固体電解質層のグリーンシート１０ａを円形状に形成した後、そのまま焼成した従来仕様のものと、図３（ｂ）のように円錐形に加工し、円錐の角度θを約１５°とした本発明（新規仕様）のものとを比較するために、実験を行った結果を示すものである。

実験に用いた燃料電池の仕様は次のとおりである。
（１）燃料電池の組成（下記のカッコ内の数値は組成割合を表す）
アノード；下層Ｎｉ０．９Ｃｏ０．１［４０］／ＳＤＣ［６０］
上層Ｎｉ０．９Ｃｏ０．１［７０］／ＳＤＣ［３０］＋Ｒｈ２Ｏ３ ５wt％
カソード；下層ＳＳＣ［５０］／ＳＤＣ［５０］
上層ＳＳＣ［７０］／ＳＤＣ［３０］＋ＰＦ２５wt％
固体電解質；ＳＤＣ（Ｓｍ０．８Ｃｅ０．２Ｏ１．９）
（２）燃料電池の形状・寸法
従来仕様；円形で直径１５mm、電極は直径１３mm
新規仕様；円錐型で直径１４mm（底面直径）、電極は直径１３mm
注）同じサイズ（円形）に切り出した電解質グリーンシートを、従来仕様ではそのまま焼成し燃料電池とし、新規仕様（本発明）では、円錐形に加工後、焼成し燃料電池としている。
（３）燃料：Ｃ４Ｈ１０（ｎ−ブタン）濃度６．５％
（４）総流量：４００sccm

図６から理解されるように、本発明のように円錐形としたものは従来の平坦な円板形のものに比べて発電効率が高くなっている。これは、上述のように円錐形のものにあっては火炎のカソード層側への回り込みが少なくなり、カソード層側での酸素分圧の低下が防止されたことに起因しているものと考えられる。

以上添付図面を参照して本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の精神ないし範囲内において種々の形態、変形、修正等が可能である。

以上に説明したように、本発明によれば、カソード側への火炎の回り込みを防止した、或いは、カソード側への火炎の回り込みの少ない、その結果、発電効率の高い燃料電池セルが得られ、直接火炎型の燃料電池を適用するあらゆる条件下において利用することができる。

従来の直接火炎型燃料電池セルの構造を示す断面図である。 本発明の直接火炎型燃料電池セルの構造を示す断面図である。 本発明の直接火炎型燃料電池セルの製造方法を説明するための図である。 本発明の燃料電池セルの種々の形状を示す図である。 円錐形の燃料電池セルの角度を示す図である。 従来の燃料電池セルと本発明の燃料電池セルとを比較するための実験結果を示す図である。

符号の説明

１０ 固体電解質層
１２ アノード層
１４ カソード層
１３、１５ 電極
１６ 火炎
Ａ、Ｂ 火炎の回り込み

Claims (4)

1. 固体電解質層の一面側にアノード層が形成され、他面側にカソード層が形成された固体酸化物型燃料電池セルを、火炎中或いはその近傍に配設して発電する直接火炎型燃料電池セルにおいて、火炎が適用される前記アノード層側が凹形、カソード層側が凸形となるように、湾曲した構造を有することを特徴とする直接火炎型燃料電池セル。
2. 円錐形、角錐形、椀形、または屋根形の湾曲構造を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
3. 固体電解質のグリーンシートを一面側が凹面、他面側が凸面となるように湾曲させた形状に加工する工程と、該グリーンシートを焼成する工程と、焼成した固体電解質の凹面側にアノード層を、凸面側にカソード層をそれぞれ形成する工程と、を具備することを特徴とする直接火炎型燃料電池セルの製造方法。
4. 円形の固体電解質のグリーンシートを、中心が頂点となり、一面側が凹面、他面側が凸面となるように円錐形に加工することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池セルの製造方法。