JP4807605B2 - 固体電解質型燃料電池用スタック及び固体電解質型燃料電池 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質を用い、電気化学反応により電気エネルギーを得る固体電解質型燃料電池(SOFC)に係り、更に詳細には、固体電解質を電極層で挟持して成る単セルを備えた燃料電池用スタック及び固体電解質型燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、高エネルギー変換が可能で、地球環境に優しいクリーンエネルギー源として燃料電池が注目されており、自動車用電源としての応用が検討されている。
固体電解質型燃料電池(以下、「SOFC」と略す)は、効率の高い燃料電池として注目されている。
しかし、燃料電池単セルの起電力は約1Vと低いため、高電圧化のために複数の単セルを直列に接続してスタックを形成する必要があるため、スタッキングの方法が重要である。
また、自動車用電源としての応用を考えたときには、高出力化が必要となり、SOFCを高出力化するための技術のひとつとして、固体電解質や電極を薄膜化することが挙げられるが、従来例である特開平8−64216号公報などに開示されている構造では、集電機能が不十分であり、電流の取り出しをスムーズに行うための配線構造が必要である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような、従来の燃料電池スタックでは、電極部が集電機能を兼ねているため、電極が薄くなると導電経路の断面積が小さくなってしまい、電気抵抗が大きくなってしまう。
また、集電機能を向上させるために、セル要素間にセパレーターやインタコネクタを配置すると、燃料電池スタックにおける非発電要素の占める割合が大きくなり、出力密度が低下してしまう。
更に、従来のインタコネクタは、高温下で酸化ガス雰囲気、還元ガス雰囲気の両方にさらされるため、高い耐久性が要求され、使用できる材料が限られていた。
更にまた、高電圧化のためには単セルを直列化することが必要だが、ガスセパレーターがない平板型のスタックにおいて、スタック内部で各単セルを直列接続することは非常に困難であり、スタック外部で直列接続を行わなければならず、配線構造の複雑化、部品点数の増加などに係る課題があった。
【0004】
そこで本発明は、小型化、高出力化が可能で、信頼性の高い固体電解質型燃料電池用スタック及び固体電解質型燃料電池の提供を目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、集電を担う導電性材料を所定形状で配置したことにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0006】
請求項1に記載した固体電解質型燃料電池用スタックは、固体電解質層を空気極層及び燃料極層で挟持して電気的かつ機械的に接合し、その固体電解質層界面に電気化学的な反応場を形成する燃料電池用単セルを、導電性基板又は絶縁性基板に設けた複数の溝又は孔に配置した燃料電池用セル板を有し、上記各燃料電池用セル板の溝又は孔が存在しない部位であって、その燃料電池用セル板の上面の一部から下面の一部まで反応場から集電した電流を外部に導通するための導電性材料を貫入しているとともに、それらの燃料電池用セル板を、これらに貫入した導電性材料どうしを互いに直列接続させ、かつ、空気極層、燃料極層及び固体電解質層の積層方向とほぼ同一方向へ2次元的に連結して一体化したことを特徴としている。
【0007】
請求項2に記載の固体電解質型燃料電池用スタックは、請求項1に記載した燃料電池用セル板に貫入した導電性材料の電子伝導度が、空気極層及び燃料極層を形成する材料の電子伝導度以上である。
【0008】
請求項3に記載の固体電解質型燃料電池用スタックは、請求項1又は2に記載した燃料電池用セル板に貫入した導電性材料が、ランタン−ストロンチウム−マンガン複合酸化物、ランタン−ストロンチウム−コバルト複合酸化物、ランタンクロマイト、銀、ニッケル、銅、白金及び鉄から成る群より選ばれた少なくとも1種のものを含んで成る合金、並びに/又はステンレス鋼より成る。
【0009】
請求項4に記載の固体電解質型燃料電池用スタックは、請求項1〜3のいずれか1項に記載した燃料電池用セル板に、これに配置した溝又は孔と隣接する溝又は孔との間隙且つ上記基板の延在方向に上記導電性材料を埋設している。
【0010】
請求項5に記載の固体電解質型燃料電池用スタックは、請求項4に記載した燃料電池用セル板の延在方向に埋設される導電性材料が、その燃料電池用セル板の表面側又は裏面側に配設され、その燃料電池用セル板の裏面側又は表面側に上記ガス流路を配設している。
【0011】
請求項6に記載の固体電解質型燃料電池用スタックは、請求項1〜5のいずれか1項に記載したセル板の厚さt、上記導電性材料の埋設深さd1及び上記ガス流路の深さd2が、t>d1+d2の関係を満たしている。
【0012】
請求項7に記載の固体電解質型燃料電池用スタックは、請求項1〜6のいずれか1項に記載した燃料電池用単セル又は導電性材料に絶縁部を設け、一又は複数の燃料電池用単セルごと且つ空気極層側及び燃料極層側の集電を担う集電部を形成している。
【0013】
請求項8に記載の固体電解質型燃料電池用スタックは、請求項7に記載した集電部の横断面又は縦断面の平均面積Scが、上記反応場の横断面又は縦断面の平均面積Srより大きいものである。
【0014】
請求項9に記載の固体電解質型燃料電池用スタックは、請求項8に記載した平均面積Scと上記平均面積Srとが、Sc/Sr≧10の関係を満たしている。
【0015】
請求項10に記載の固体電解質型燃料電池用スタックは、請求項1〜9のいずれか1項にした燃料電池用単セル又は導電性材料に絶縁部を設けている。
【0016】
請求項11に記載の固体電解質型燃料電池用スタックは、請求項1〜10のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池用スタックを発電要素として構成したものである。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の固体電解質型燃料電池用の単セル及びセル板について詳細に説明する。なお、本明細書において、「%」は特記しない限り質量百分率を示す。
また、説明の便宜上、単セルや電極層など各層の一方の面を「上面、表面」、他の面を「下面、裏面」などと記載するが、これらは等価な要素であり、相互に置換した構成も本発明の範囲に含まれるのは言うまでもない。更に、セル板は、単セルの集積化を促進して、得られる燃料電池の高出力化を図るのに実用的な製品形態である。
【0018】
上述のように、本発明の単セルは、固体電解質層を空気極層及び燃料極層で挟持し、これを基板に配置して成る。
ここで、基板は、特にシリコン(Si)基板に限定されず、導電性基板及び絶縁性基板のいずれでも採用でき、例えばガラス基板や金属基板などを使用できる。これより、基板にかかるコストを低下できる。
また、上記挟持体(空気極層、固体電解質層及び燃料極層の積層体)は、基板に設けた溝又は孔に配置される。これより、原料ガス(空気ガス及び燃料ガス)の接触により形成される反応場(発電部)が所望形態で固定される。なお、かかる溝や孔は、燃料電池としたときの出力や原料ガス流路などを考慮して種々の形状とすることが可能であり、溝や孔の深さも特に限定されない。
【0019】
また、上記空気極層及び燃料極層の構成材料としては、例えば、燃料極層としては、ニッケル(Ni)又は銅(Cu)、及びこれらのサーメットなどを使用でき、空気極層としては、LSM、LSC、Pt及びAgなどを使用できる。
【0020】
更に、上記固体電解質層は、発電機能を発現するのに必要であり、酸素イオン伝導性などを有する従来公知の材料、例えば、酸化ネオジウム(Nd2O3)、酸化サマリウム(Sm2O3)、イットリア(Y2O3)及び酸化ガドリニウム(Gd2O3)などを固溶した安定化ジルコニアや、セリア(CeO2)系固溶体、酸化ビスマス及びLaGaO3などを使用することができるが、これに限定されるものではない。
【0021】
また、本発明の単セルは、上記空気極層及び燃料極層を上記固体電解質層と電気的且つ機械的に接合し、該固体電解質層界面に電気化学的な反応場を形成することを特徴とし、また、上面の一部から下面の一部まで且つ上記溝又は孔が存在しない部位に、該反応場から集電した電流を外部に導通可能な導電性材料を貫入して成ることを特徴とする。
これより、スタックとしたときの直流抵抗(オームの法則に基づく抵抗)を低減し、スタック内で単セルを直列接続することができる。また、上記導電性材料を原料ガスに触れさせないため、耐久性の低い材料であっても使用できる。更に、上記導電性材料として強度の強い材料を使用することにより、セル板を構成したときの機械的強度を向上させることができる。
【0022】
例えば、上記導電性材料として、ランタン−ストロンチウム−マンガン(La−Sr−Mn)複合酸化物、ランタン−ストロンチウム−コバルト(La−Sr−Co)複合酸化物、ランタンクロマイト、銀(Ag)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、白金(Pt)又は鉄(Fe)、及びこれらの任意の組合せに係る金属を主に含む合金、並びに/又はステンレス鋼を用いることができる。このように、他の部分の熱膨張係数差を緩和できる材料を選択することにより、スタックとしたときの熱ショックを緩和し、燃料電池スタックを高速で昇温させることができる。また、集電機能が高く、高温でも安定な電極層集電部を形成することができる。
なお、上記導電性材料として、例えば、ニッケル−クロム合金などの発熱体を用いることも有効であり、この場合は通電によりスタックなどの起動用熱源として利用できる。
【0023】
更に、上記導電性材料の電子伝導度は、上記空気極層及び燃料極層を形成する材料の電子伝導度以上であることが好適である。これより、セル板を構成したときにセル板内の温度分布を均一化し、スタックの熱耐久性を向上させることができる。また、各電極層における集電がスムーズになり易い。
【0024】
なお、本発明の燃料電池用セル板は、上述の単セルを上記空気極層、燃料極層及び固体電解質層の積層方向とほぼ垂直の方向へ2次元的且つ連続的又は断続的に複数個接合して成る。この場合、導電性材料が担当する単セル数を適宜変更することにより、電気抵抗と発電出力のバランスを調整できるので有効である。
ここで、かかるセル板が該単セルを断続的に接合してなる場合とは、本発明の単セルから導電性材料を除いた構成の単セルを組合わせて成るセル板であることを意味し、言い換えれば、2以上のセルユニットごとに導電性材料を設置した構成となる。
【0025】
また、集電をよりスムーズに行う面から、上記導電性材料を上記溝又は孔と隣接する溝又は孔との間隙且つ上記基板の延在方向に埋設して、燃料電池用セル板を得ることが好適である。
この場合は、基板の空きスペースに導電性材料を埋設するので、反応場(発電部)を減らすことがなくデッドスペースを有効利用できる。また、電子伝導性(反応により生じた電子を集電する機能)が向上できる。更に、導電性材料がガスに触れないため、高温でのガス耐久性を考慮しなくてよい。また、セル板の縦方向(厚さ方向)に貫入した導電性材料に加えて、横方向(面方向)にも導電性材料を埋設することで、反応場(発電部)のより広い領域から効率良く集電することができ、また、直流抵抗が低減できるので有効である。
なお、上記「溝又は孔の間」は、全ての溝又は孔の間に限定されず、複数の単セルで構成したセルユニット中の一部の溝又は孔であってもよいことは言うまでもない。また、基板の延在方向に埋設する導電性材料としては、ほぼ縦方向に貫入する導電性材料と同様のものを使用することができ、更に両者は接続して配置することができる。更に、基板の延在方向に埋設する導電性材料は、セル板の強度等を保持できる限りは多く配置するのが望ましい。
【0026】
また、上記溝又は孔は、隣接する3以上の溝又は孔とガス流路を介して連通されていることが好適である。ガスを一方向のみに流通すると、ほぼ縦方向に貫入する導電性材料によってガスの流通が遮られることがあるが、これを防止できるので有効である。更に、ガス流路は、網目状などの所望形状に配置でき、例えば、図12に示すようなガス流路を挙げることができる。なお、セル板を後述するスタックに構成するときは、かかるガス流路を縦方向(積層方向)に接続することも可能である。
【0027】
更に、上記基板の延在方向に埋設される導電性材料は、該基板の表面側又は裏面側に配設され、上記ガス流路は、上記基板の裏面側又は表面側に配設されることが好ましい。例えば、図12に示すように、表面に導電性部材を埋設し、裏面にガス流路を形成することで、セル板の強度を確保しつつ、これらを所望形状に配置できる。なお、これらを同一面に形成すると、該導電性材料が該ガス流路に遮断され又は該ガス流路が該導電性材料に遮断されて、所望形状に配置することが困難である。
また、セル板厚さt、上記導電性材料の埋設深さd1及び上記ガス流路の深さd2が、t>d1+d2の関係を満たすことがよい。特に、セル基板の強度を考慮すると、上記導電性材料とガス流路とが5μm以上の間隔を有することが望ましい。なお、t>d1+d2の関係を満たさないときは、埋設深さ及びガス流路の深さが深過ぎて、基板を貫通し、セル板の強度が低下すること、集電部にガスが接触すること、ガスがリークすることなどがある。
【0028】
次に、本発明の固体電解質型燃料電池用スタックについて説明する。
かかる固体電解質型燃料電池用スタックは、上述の燃料電池用単セル又はセル板を上記空気極層、燃料極層及び固体電解質層の積層方向とほぼ同一方向へ2次元的に複数個連結し一体化して成る。このようなスタックを発電要素とするときは、出力特性に優れた(自動車用電源に適した)燃料電池が得られる。
【0029】
また、上記燃料電池用単セル又は導電性材料に絶縁部を設け、1又は複数の単セルごと且つ空気極層側及び燃料極層側の集電を担う集電部を形成することが好適である。即ち、電極反応を担う反応場と電流輸送を担う集電部とに任意に分けることができ、スタックの直流抵抗を低減し、スタック内で単セルを直列接続することができる。
上記絶縁部は、直列に接続されるように設けることができ、例えば、図4及び図8に示すように、セルを分割する絶縁部11a、セルの短絡を防止する絶縁部11b及び隣接する直列部同士を分割する絶縁部11cを設けて直列接続を形成することができる。また、絶縁部を構成する絶縁体としては、SiN、Al2O3(アルミナ)及びガラスなどを例示できる。
一方、図3及び図7に示すように、各セルの空気極層2のみに接続されている空気極層側集電部9と、燃料極層3のみに接続されている燃料極層側集電部10とが形成されるように上記絶縁部11を設けて並列接続を形成することもできる。このときは各電極層における集電がスムーズになり易い。
【0030】
更に、上記集電部の横断面又は縦断面の平均面積Scは、上記反応場の横断面又は縦断面の平均面積Srより大きいことが好適であり、具体的には、上記平均面積Scと上記平均面積Srとが、Sc/Sr≧10の関係を満たすことがよい。この場合は、電極層集電部の抵抗を十分に小さくし、集電をスムーズに行うことができる。なお、上記Sc/Srが10以上の方が、導電性が十分で抵抗が小さく、出力が低下する恐れがない。
【0031】
次に、本発明の固体電解質型燃料電池について説明する。
かかる燃料電池は、上述の固体電解質型燃料電池用スタックを発電要素として構成して得られる。これより、導電性材料を貫入したスタックで構成されているため、該導電性材料をインタコネクタ(電気伝導路)として利用でき、燃料電池を薄膜化、小型化することが容易になる。
【0032】
【実施例】
以下、本発明を図面を参照して実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【0033】
以下の実施例では、シリコン基板(Si基板)を用いてセル板(単電池板A及び単電池板B)を作製し、これらを複数枚積層して、各例の固体電解質型燃料電池を作製し、その性能評価を実施した。
【0034】
(実施例1:並列接続)
1)基板の作製(μセルの作り方)
アンチモンが混入された抵抗率10〜11Ωcmの(100)配向単結晶シリコン基板(5インチ径、厚さ1.0mm)として、その片面を鏡面研磨したものを用い、これをダイシング・ソーで各辺が(110)方向となるように、5cm角の正方形状に切断した。この方形物を90℃に保った水:過酸化水素:水酸化アンモニウム=5:1:0.05の混合溶液中10分間の浸漬処理に付したのち、5%フッ酸水溶液に1分、純水に1分浸してから取り出し、次いで窒素ガス噴射で乾燥後直ちに超高真空仕様、複数ターゲット・スパッタリング装置に搬入した。該装置の基板ホルダーに収容した正方形シリコン基板の成膜面について、その外縁部をインコネル製マスクで覆って周辺部分が成膜されないようにした。成膜面積は正方形基板の中心部分の4cm角部分となるようにした。
【0035】
2)単電池板Aの作製
上記のSi基板に輻射ヒーターを用いて基板温度を700℃まで昇温させ、金属ニッケルのターゲットを用い、RFスパッタにて膜厚約5000Åの酸化ニッケル膜を成長させた。
次に、基板温度を600℃まで低下させ、10モル%イットリア添加安定化ジルコニア(以下、「10YSZ」とする)の焼結体ターゲットを用い、上記酸化ニッケル膜上に膜厚約2μmの10YSZ薄膜を成長させた。
更に、基板温度を500℃まで低下させ、LSMの焼結体ターゲットを用いて、膜厚約3000Åの多結晶LSM膜を成長させた。
このようにして、Si基板の片面上に酸化ニッケル膜、10YSZ膜及び多結晶LSM膜を順次積層した。
【0036】
次に、図1に示すように、上記Si基板1の両面に、常圧CVD法で約5000Å厚のPSG膜を析出させ、次いでSi基板1の裏面(10YSZ膜等が積層された面の裏面)に、図1に示すパターンをフォトリソグラフィー法で転写し、白抜き部分に相応する転写部のみをフッ酸系エッチング液への浸漬処理により除去した。ここで、エッチングパターンの幅に狭いエリアがあるのは、異方性エッチングの際、基板途中でエッチングが停止するようにするためである。
フォトレジストをアッシングして除去した後、約60℃に保った抱水ヒドラジンの異方性エッチング液中に上記Si基板を約8時間浸漬し、図1に示すように、Si基板1を上記パターンに相応させてエッチング除去し、基板面内に小開口7をあけ、積層薄膜が一部自立状態となるようにする。次いで、シリコン基板1をフッ酸系エッチング液中に浸し、保護PSG膜20を除去した。
続いて、上記積層膜の形成されていない面に対し、輻射ヒーターを用い基板温度を500℃まで昇温し、金属ニッケルの焼結体ターゲットを用いて、RFスパッタにて、ガス流路に沿って膜厚約3000Åの酸化ニッケル膜を成長させた。
更に、単電池板を積層してスタックを形成した際に、図3及び図4(並列接続、直列接続)のような回路構成になるように、集電部と電極層が接触する部分の一部に、Al2O3粉(材料)をスプレーコートし絶縁皮膜を形成し、その後集電部となる開口部(セル孔)にニッケル金属ペーストを充填し、乾燥して集電部とした。
以上のように単電池板Aを作製した。各要素部のサイズは、開口部は1.0mm×1.0mm、開口部の間隔は1.0mmであった。
【0037】
3)単電池板Bの作製
上記のシリコン基板に対し、輻射ヒーターを用い基板温度を700℃まで昇温し、LSMの焼結体ターゲットを用いて、RFスパッタにて膜厚約5000Åの多結晶LSM膜を成長させた。
次に、基板温度を600℃まで低下させ、10モル%イットリア添加安定化ジルコニア(以下、「10YSZ」とする)の焼結体ターゲットを用いて、LSM膜上に膜厚約2μmの10YSZ薄膜を成長させた。
次に、基板温度を500℃まで低下させ、金属ニッケルのターゲットを用いて、膜厚約3000Åの酸化ニッケル膜を成長させた。このようにして、シリコン基板の片面上に順次多結晶LSM膜、10YSZ膜、酸化ニッケル膜を積層した。
【0038】
次に、上記の基板両面に、常圧CVD法で約5000Å厚のPSG膜を析出させ、次いでシリコン基板の裏面(10YSZ膜等が積層された面の裏面)に、図1に示すパターンをフォトリソグラフィー法で転写し、図1の白抜き部分に相応する転写部のみをフッ酸系エッチング液への浸漬処理により除去した。ここで、エッチングパターンの幅に狭いエリアがあるのは、異方性エッチングの際、基板途中でエッチングが停止するようにするためである。
フォトレジストをアッシングして除去したのち、約60℃に保った抱水ヒドラジンの異方性エッチング液中に基板を約8時間浸漬し、図1に示すように、シリコン基板を上記パターンに相応させてエッチング除去し、基板面内に小開口7をあけ、積層薄膜が一部自立状態となるようにする。次いで、シリコン基板1をフッ酸系エッチング液中に浸し、保護PSG膜20を除去した。
続いて、上記積層膜の形成されていない面に対し、輻射ヒーターを用い基板温度を500℃まで昇温し、LSMの焼結体ターゲットを用いて、RFスパッタにて、ガス流路に沿って膜厚約3000Åの多結晶LSM膜を成長させた。
更に、単電池板を積層してスタックを形成した際に、図3、4のような回路構成になるように、集電部と電極層が接触する部分の一部に、Al2O3粉(材料)をスプレーコートし絶縁皮膜を形成し、その後集電部となる開口部にニッケル金属ペーストを充填し、乾燥して集電部とした。
以上のように単電池板Bを作製した。各要素部のサイズは、開口部は1.0mm×1.0mm、開口部の間隔は1.0mmであった。
【0039】
4)固体電解質型燃料電池の作製(各単電池板の積層)
上記手順にて作製した単電池板Aの平坦な面に被着している電極層材料と同じLSM空気電極層材料のスラリーを単電池板Aの平坦な面の電極層上に塗布し、次いで、上記単電池板の平坦な面の最表面に被着している電極層材料と同じ酸化ニッケル燃料電極層材料のスラリーを単電池板の平坦な面の電極層上に塗布し、図2に示すように、各単電池板を対向させて積層した。それらを積層したのち、焼成炉にて600℃で一括焼成し、固体電解質型燃料電池を作製した。
【0040】
図3に示すように、電気炉中に単電池板A2枚と、単電池板B1枚を積層した燃料電池を設置し、700℃に昇温させ、純酸素と純水素をそれぞれ原料ガスとして用い、交流インピーダンス測定と、発電試験を行った。
交流インピーダンス測定の結果、直流抵抗は、電極層集電部9、10を形成していないものは0.5Ωだったのに対し、本実施例で作製したものは、0.03Ωと小さな抵抗値を示した。
また、発電試験の結果、開放起電力1.05V、最大出力0.8W/cm2であった。
【0041】
(実施例2:直列接続)
図4に示すように、電気炉中に単電池板A5枚と、単電池板B5枚を積層した燃料電池を設置し、700℃に昇温させ、純酸素と純水素をそれぞれ原料ガスとして用い、発電試験を行った。
直列部の総電圧は5.1Vを示し、直列化による高電圧化がなされた。また、発電試験の結果、開放起電力5.1V、最大出力3.2W/cm2であった。
【0042】
(実施例3:ガラス基板直列接続▲1▼)
本実施例のセル板の製造工程を図6に示す。また、図5にセル板の一部の断面図及び平面図を示す。
(a)厚さ0.5mm、5cm角の高珪酸ガラスを基板1として、2mmφのセル孔7を6個穴を加工した。なお、これらセル孔7の一部には導電性材料を貫入し電極集電部8とした。
(b)次いで、仮基板1’としてSi基板表面にシランカップリング材を塗布して基板1の上面に設置し、200℃で熱処理し張り合わせた。
(c)基板下面から蒸着マスクを使用して所望のパターンでセル孔7に電解質層4としてYSZをRFスパッタ法により1μm成膜した。
(d)続いて下部電極層2(3)として基板下面から電解質層4に直接接着するように、LSMをRFスパッタ法により5μm形成した。
(e)フッ酸系のエッチング液により、仮基板1’を剥離除去した。
(f)基板上面から上部電極層3(2)としてYSZとNiを2源スパッタ法により5μm形成した。
このようにして作製した単電池板を、単電池板Aとした。
【0043】
また、上記製造工程において、工程(d)で下部電極層をYSZとNiを2源スパッタ法により5μm形成し、工程(g)で上部電極層をLSMをRFスパッタ法により5μm形成した単電池板を、単電池板Bとした。
実施例2と同様にして、上記単電池板A5枚と単電池板B5枚を図4のように積層した燃料電池を用いて、500℃で発電特性を評価した。開放端電圧4.5V、出力1.05W/cm2であった。
【0044】
(実施例4:ガラス基板直列接続▲2▼)
本実施例のセル板の製造工程を図10に示す。また、図9にセル板の一部の断面図及び平面図を示す。
(a)厚さ0.5mm、5cm角の高珪酸ガラスを基板1として、2mmφのセル孔7を6個穴と、電極集電部8となるべき溝(サイズ)12を加工した。
(b)次いで、仮基板1’としてSi基板表面にシランカップリング材を塗布して基板1の上面に設置し、200℃で熱処理し張り合わせた。
(c)基板下面から蒸着マスクを使用して所望のパターンでセル孔7に電解質層4としてYSZをRFスパッタ法により1μm成膜した。
(d)続いて下部電極層2(3)として基板下面から電解質層4に直接接着するように、LSMをRFスパッタ法により5μm形成した。
(e)更に、フッ酸系のエッチング液により、仮基板1’を剥離除去した。
(f)また、基板上面の溝(サイズ)12にニッケル金属ペーストを充填し、乾燥させ、電極集電部8を形成した。
(g)基板上面から上部電極層3(2)としてYSZとNiを2源スパッタ法により5μm形成した。
このようにして作製した単電池板を、単電池板Aとした。
【0045】
また、上記製造工程において、工程(d)で下部電極層2(3)をYSZとNiを2源スパッタ法により5μm形成し、工程(g)で上部電極層3(2)をLSMをRFスパッタ法により5μm形成した単電池板を、単電池板Bとした。
また所定のセル孔7に導電性材料を貫入し電極集電部8を形成した。
実施例2と同様にして、上記単電池板A5枚と単電池板B5枚を図8及び図11に示すように積層した燃料電池を用いて、500℃で発電特性を評価した。開放端電圧4.3V、出力0.98W/cm2であった。
【0046】
以上、本発明を実施例により詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
例えば、本発明において、単セル及びセル板の形状等は任意に選択でき、目的の出力に応じた固体電解質型燃料電池を作製できる。
【0047】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、集電を担う導電性材料を所定形状で配置したこととしたため、小型化、高出力化が可能で、信頼性の高い単セル、セル板、これらを備えた燃料電池用スタック及び固体電解質型燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】基板のエッチングパターンの一例を示す断面図である。
【図2】燃料電池用スタックの一例を示す断面図及び斜視図である。
【図3】燃料電池用スタックの他の例を示す断面図及び回路図である。
【図4】燃料電池用スタックの更に他の例を示す断面図及び回路図である。
【図5】セル板の一部の一例を示す断面図及び平面図である。
【図6】セル板の製造工程の一例を示す断面図である。
【図7】燃料電池用スタックの他の例を示す断面図及び回路図である。
【図8】燃料電池用スタックの更に他の例を示す断面図及び回路図である。
【図9】セル板の一部の他の例を示す断面図及び平面図である。
【図10】セル板の製造工程の他の例を示す断面図である。
【図11】燃料電池用スタックの他の例を示す断面図及び斜視図である。
【図12】基板のエッチングパターンの他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
1 基板(ガラス基板)
1’仮基板
2 空気極
3 燃料極
4 電解質
5 空気ガス流路
6 燃料ガス流路
7 セル孔
8 集電部(導電部)
9 空気極層集電部
10 燃料極層集電部
11、11a、11b、11c 絶縁部
12 溝(サイズ)
13 反応場(発電部)
20 保護PSG膜
Claims (11)
- 固体電解質層を空気極層及び燃料極層で挟持して電気的かつ機械的に接合し、その固体電解質層界面に電気化学的な反応場を形成する燃料電池用単セルを、導電性基板又は絶縁性基板に設けた複数の溝又は孔に配置した燃料電池用セル板を有し、
上記各燃料電池用セル板の溝又は孔が存在しない部位であって、その燃料電池用セル板の上面の一部から下面の一部まで反応場から集電した電流を外部に導通するための導電性材料を貫入しているとともに、
その燃料電池用セル板に貫入した導電性材料どうしを互いに直列接続させ、かつ、空気極層、燃料極層及び固体電解質層の積層方向とほぼ同一方向へ2次元的に連結して一体化したことを特徴とする固体電解質型燃料電池用スタック。 - 上記燃料電池用セル板に貫入した導電性材料の電子伝導度が、空気極層及び燃料極層を形成する材料の電子伝導度以上である請求項1に記載の固体電解質型燃料電池用スタック。
- 上記燃料電池用セル板に貫入した導電性材料が、ランタン−ストロンチウム−マンガン複合酸化物、ランタン−ストロンチウム−コバルト複合酸化物、ランタンクロマイト、銀、ニッケル、銅、白金及び鉄から成る群より選ばれた少なくとも1種のものを含んで成る合金、並びに/又はステンレス鋼より成る請求項1又は2に記載の固体電解質型燃料電池用スタック。
- 上記燃料電池用セル板に、これに配置した溝又は孔と隣接する溝又は孔との間隙且つ上記基板の延在方向に上記導電性材料を埋設している請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池用スタック。
- 上記燃料電池用セル板の延在方向に埋設される導電性材料が、その燃料電池用セル板の表面側又は裏面側に配設され、その燃料電池用セル板の裏面側又は表面側に上記ガス流路を配設している請求項4に記載の固体電解質型燃料電池用スタック。
- セル板の厚さt、上記導電性材料の埋設深さd1及び上記ガス流路の深さd2が、t>d1+d2の関係を満たしている請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池用スタック。
- 上記燃料電池用単セル又は導電性材料に絶縁部を設け、1又は複数の燃料電池用単セルごと且つ空気極層側及び燃料極層側の集電を担う集電部を形成した請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池用スタック。
- 上記集電部の横断面又は縦断面の平均面積Scを、上記反応場の横断面又は縦断面の平均面積Srより大きくしている請求項7に記載の固体電解質型燃料電池用スタック。
- 上記平均面積Scと上記平均面積Srとが、Sc/Sr≧10の関係を満たすことを特徴とする請求項8に記載の固体電解質型燃料電池用スタック。
- 上記燃料電池用単セル又は導電性材料に絶縁部を設けた請求項1〜10のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池用スタック。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池用スタックを発電要素として構成したことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
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