燃料電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種可實現(xiàn)高發(fā)電效率的固體氧化物燃料電池。第一間隔物（10）配置在氧化劑氣體極（32a）上。第一間隔物（10）上形成有用于向氧化劑氣體極（32a）提供氧化劑氣體的氧化劑氣體流路（12a）。第二間隔物（50）配置在燃料極（33a）上。第二間隔物(50)上形成有用于向燃料極(33a)提供燃料氣體的燃料氣體流路(52a)。第一間隔物（10）上氧化劑氣體流路（12a）的寬度隨著遠離氧化劑氣體極（32a）而階段性或連續(xù)地變窄。第二間隔物（50）上燃料氣體流路（52a）的寬度隨著遠離燃料極（33a）而階段性或連續(xù)地變窄。
【專利說明】燃料電池【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種燃料電池。本發(fā)明特別涉及固體氧化物燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，作為新能源，燃料電池正受到越來越多的關(guān)注。燃料電池有固體氧化物燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)、熔融碳酸鹽燃料電池、磷酸燃料電池、固體高分子燃料電池等。在這些燃料電池中，固體氧化物燃料電池并不一定需要使用液體的構(gòu)成要素，而且在使用碳氫燃料時還能夠進行內(nèi)部的改性。因此，對固體氧化物燃料電池進行了廣泛的研究開發(fā)。
[0003]例如，在下述的專利文獻I中，公開了圖8所示的固體氧化物燃料電池100。固體氧化物燃料電池100具有2個發(fā)電元件101a、101b。發(fā)電元件IOlaUOlb被夾在間隔物102a、102b、102c之間。在間隔物102a位于發(fā)電元件IOla—側(cè)的表面、與間隔物102a位于發(fā)電兀件IOlb —側(cè)的表面上形成有多個氧化劑氣體流路103a、103b。另一方面,在間隔物102b位于發(fā)電元件IOla —側(cè)的表面、與間隔物102c位于放電元件IOlb —側(cè)的表面上形成有多條燃料氣體流路104a、104b。多條氧化劑氣體流路103a、103b與多條燃料氣體流路104a、104b沿著相互正交的方向延伸。多條氧化劑氣體流路103a、103b與多條燃料氣體流路104a、104b各自的橫截面大致呈矩形。
[0004]在固體氧化物燃料電池100中，氧化劑氣體經(jīng)由多條氧化劑氣體流路103a、103b而提供給發(fā)電元件101a、101b。燃料氣體則經(jīng)由多條燃料氣體流路104a、104b而提供給發(fā)電元件101a、101b。由此來進行發(fā)電。
現(xiàn)有技術(shù)文獻 專利文獻`
[0005]專利文獻1:日本專利特開2004 - 39573號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

發(fā)明所要解決的技術(shù)問題
[0006]在固體氧化物燃料電池100中，當氧化劑氣體、燃料氣體的供給壓力變高時，間隔物102a-102c容易受到損傷。因此，存在增大氧化劑氣體、燃料氣體的供給壓力將難以提高發(fā)電效率的問題。
[0007]本發(fā)明有鑒于上述問題，其目的在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)高發(fā)電效率的固體氧化物燃料電池。
解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案
[0008]本發(fā)明所涉及的燃料電池包括發(fā)電元件、第一間隔物和第二間隔物。發(fā)電元件具有固體氧化物電解質(zhì)層、燃料極和空氣極。燃料極設置在固體氧化物電解質(zhì)層的一個主面上。空氣極設置在固體氧化物電解質(zhì)層的另一個主面上。第一間隔物設置在空氣極上。第一間隔物上形成有用于向空氣極提供氧化劑氣體的氧化劑氣體流路。第二間隔物設置在燃料極上。第二間隔物上形成有用于向燃料極提供燃料氣體的燃料氣體流路。第一間隔物上氧化劑氣體流路的寬度隨著遠離空氣極而階段性地或連續(xù)地變窄。第二間隔物上燃料氣體流路的寬度隨著遠離燃料極而階段性地或連續(xù)地變窄。
[0009]本發(fā)明所涉及的燃料電池的一個特定方面在于，第一間隔物具有沿寬度方向?qū)⒀趸瘎怏w流路劃分成多個的線狀凸部。第二間隔物具有沿寬度方向?qū)⑷剂蠚怏w流路劃分成多個的線狀凸部。
發(fā)明效果
[0010]根據(jù)本發(fā)明，能提供一種可實現(xiàn)高發(fā)電效率的固體氧化物燃料電池。
【專利附圖】

【附圖說明】
圖1是實施方式I所涉及的固體氧化物燃料電池的簡要分解立體圖。
圖2是實施方式I所涉及的固體氧化物燃料電池沿y方向和Z方向的簡要剖視圖。
圖3是實施方式I所涉及的固體氧化物燃料電池沿X方向和ζ方向的簡要剖視圖。
圖4是實施方式2所涉及的固體氧化物燃料電池的一部分沿y方向和ζ方向的簡要剖視圖。
圖5是實施方式2所涉及的固體氧化物燃料電池的一部分沿X方向和ζ方向的簡要剖視圖。
圖6是實施方式3所涉及的固體氧化物燃料電池的一部分沿y方向和ζ方向的簡要剖視圖。
圖7是實施方式3所涉及的固體氧化物燃料電池的一部分沿X方向和ζ方向的簡要剖視圖。
圖8是專利文獻I所記載的固體氧化物燃料電池的簡要分解立體圖。
【具體實施方式】
[0012]下面，對實施本發(fā)明的優(yōu)選方式的一個示例進行說明。然而，下述實施方式僅僅是例示。本發(fā)明不限于下述任一實施方式。
[0013]此外，在實施方式等所參照的各附圖中，以相同的標號來參照實質(zhì)上具有相同功能的構(gòu)件。此外，實施方式等所參照的附圖是示意性描述的圖，附圖中所繪制的物體的尺寸比率等可能會與現(xiàn)實中的物體的尺寸比率等不同。附圖相互間的物體的尺寸比率等也可能不同。具體的物體的尺寸比率等應當參考以下的說明來判斷。
[0014]《實施方式I》
圖1是實施方式I所涉及的燃料電池的簡要分解立體圖。圖2是實施方式I所涉及的燃料電池沿y方向和ζ方向的簡要剖視圖。圖3是實施方式I所涉及的燃料電池沿X方向和ζ方向的簡要剖視圖。
[0015]如圖1?圖3所示，實施方式I所涉及的固體氧化物燃料電池I具有第一間隔物
10、第一多孔質(zhì)體20、發(fā)電元件30、第二多孔質(zhì)體40、以及第二間隔物50。固體氧化物燃料電池I中，第一間隔物10、第一多孔質(zhì)體20、發(fā)電元件30、第二多孔質(zhì)體40、以及第二間隔物50以上述順序進行層疊。
[0016]此外，本實施方式的固體氧化物燃料電池I僅具有一個由第一多孔質(zhì)體20、第二多孔質(zhì)體40、以及發(fā)電元件30構(gòu)成的層疊體。但本發(fā)明并不限于該結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的燃料電池例如也可具有多個由第一多孔質(zhì)體、第二多孔質(zhì)體、以及發(fā)電元件構(gòu)成的層疊體。在這種情況下，相鄰的層疊體由間隔物進行隔離。
[0017](發(fā)電元件30)
發(fā)電元件30是由氧化劑氣體流路(氧化劑氣體用歧管)61提供的氧化劑氣體和由燃料氣體流路(燃料氣體用歧管)62提供的燃料氣體發(fā)生反應從而進行發(fā)電的部分。這里，氧化劑氣體能夠由例如空氣、氧氣等有氧氣體來構(gòu)成。此外，燃料氣體可采用氫氣、一氧化碳氣體等含有烴類氣體等的氣體。
[0018](固體氧化物電解質(zhì)層31)
發(fā)電元件30包括固體氧化物電解質(zhì)層31。固體氧化物電解質(zhì)層31優(yōu)選為離子導電性較高的電解質(zhì)層。固體氧化物電解質(zhì)層31例如可以由穩(wěn)定氧化鋯、部分穩(wěn)定氧化鋯等形成。作為穩(wěn)定氧化鋯的具體例，可舉出10mol%氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(10YSZ)、llmol%螢石型鈧穩(wěn)定氧化鋯(IIScSZ)等。作為部分穩(wěn)定氧化鋯的具體例，可舉出3mol%氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯(3YSZ)等。此外，固體氧化物電解質(zhì)層31也可以由例如摻入有Sm、Gd等的氧化鈰類氧化物、以LaGaO3為母體且分別用Sr和Mg來取代一部分La和Ga后得到的La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.20(3-5)等韓鈦礦型氧化物等來形成。
[0019]固體氧化物電解質(zhì)層31被夾在空氣極層32和燃料極層33之間。S卩，在固體氧化物電解質(zhì)層31的一個主面上形成有空氣極層32，在另一個主面上形成有燃料極層33。
[0020](空氣極層32)
空氣極層32具有空氣極32a?？諝鈽O32a為陰極。空氣極32a中，氧捕獲電子，從而形成了氧離子?？諝鈽O32a優(yōu)選使用多孔質(zhì)、傳導率較高、且在高溫下不易與固體氧化物電解質(zhì)層31等產(chǎn)生固體間反應的材料?？諝鈽O32a例如可以由螢石型鈧穩(wěn)定氧化鋯(ScSZ)、摻入有Sn的氧化銦、PrCoO3類氧化物、LaCoO3類氧化物、LaMnO3類氧化物等形成。作為LaMnO3類氧化物的具體例,例如可舉出La0.8SrQ.2Μη03(通稱:LSM)、Laa8Sra2Coa2Fea8O3(通稱:LSCF)、La0 6Caa4Mn03(通稱:LCM)等。空氣極32a也可以由混合了 2種以上上述材料的混合材料構(gòu)成。
[0021](燃料極層33)
燃料極層33具有燃料極33a。燃料極33a為陽極。燃料極33a中，氧離子與燃料氣體進行反應從而釋放出電子。燃料極33a優(yōu)選使用多孔質(zhì)、電子傳導性較高、且在高溫下不易與固體氧化物電解質(zhì)層31等產(chǎn)生固體間反應的材料。燃料極33a例如可以由NiO、氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)/鎳金屬的多孔質(zhì)金屬陶瓷、螢石型鈧穩(wěn)定氧化鋯(ScSZ)/鎳金屬的多孔質(zhì)金屬陶瓷等構(gòu)成。燃料極層33可以由混合了 2種以上上述材料的混合材料構(gòu)成。
[0022](第一間隔物10)
發(fā)電元件30的空氣極層32上配置有由第一間隔物主體11以及第一流路形成構(gòu)件12構(gòu)成的第一間隔物10。第一間隔物10上形成有用于向空氣極32a提供氧化劑氣體的氧化劑氣體流路12a。該氧化劑氣體流路12a自氧化劑氣體用歧管61起，從x方向的xl側(cè)向x2側(cè)延伸。氧化劑氣體流路12a被沿X方向延伸的多個線狀凸部12c，在氧化劑氣體流路12a的寬度方向即y方向上分割成多個。
[0023]第一間隔物主體11及第一流路形成構(gòu)件12的材料并無特別限定。第一間隔物主體11及第一流路形成構(gòu)件12分別可由例如氧化釔穩(wěn)定氧化鋯等穩(wěn)定氧化鋯、部分穩(wěn)定氧化鋯等形成。另外，第一間隔物主體11及第一流路形成部12分別也可由例如添加了稀土金屬的鉻酸鑭、鈦酸鍶等導電性陶瓷、氧化鋁、硅酸鋯等的絕緣性陶瓷等形成。
[0024]在多個線狀凸部12c中，分別埋設有多個過孔電極12cl。多個過孔電極12cl形成為在ζ方向上貫通多個線狀凸部12c。另外，第一間隔物主體11中，與多個過孔電極12cl的位置相對應地形成有多個過孔電極11c。多個過孔電極Ilc形成為貫通第一間隔物主體
11。這些多個過孔電極Ilc及多個過孔電極12cl構(gòu)成了從線狀凸部12c的與第一間隔物主體11相反一側(cè)的表面直至第一間隔物主體11的與線狀凸部12c相反一側(cè)的表面為止的多個過孔電極。
[0025]過孔電極Ilc及過孔電極12cl的材質(zhì)并無特別限定。過孔電極Ilc及過孔電極12cl分別可由例如Ag-Pd合金、Ag-Pt合金、添加了堿土金屬的鉻酸鑭(LaCrO3)、鐵酸鑭(LaFeO3)、猛酸銀鑭(LSM:Lanthanum Strontium Manganite)等形成。
[0026](第二間隔物50)
發(fā)電元件30的空氣極層33上配置有由第二間隔物主體51以及第二流路形成構(gòu)件52構(gòu)成的第二間隔物50。第二間隔物50上形成有用于向燃料極33a提供燃料氣體的燃料氣體流路52a。該燃料氣體流路52a自燃料氣體用歧管62起，從y方向的yl側(cè)向y2側(cè)延伸。燃料氣體流路52a被沿y方向延伸的多個線狀凸部52c，在燃料氣體流路52a的寬度方向即X方向上分割成多個。
[0027]第二間隔物主體51及第二流路形成構(gòu)件52的材料并無特別限定。第二間隔物主體51及第二流路形成部52分別可由例如穩(wěn)定氧化鋯、部分穩(wěn)定氧化鋯等形成。另外，第二間隔物主體51及第二流路形成部52分別也可由例如添加了稀土金屬的鉻酸鑭、鈦酸鍶等導電性陶瓷、氧化鋁、硅酸鋯等絕緣性陶瓷等形成。
[0028]在多個線狀凸部52c中，分別埋設有多個過孔電極52cl。多個過孔電極52cl形成為在ζ方向上貫通多個線狀凸部52c。另外，第二間隔物主體51中，與多個過孔電極52cl的位置相對應地形成有多個過孔電極51c。多個過孔電極51c形成為貫通第二間隔物主體51。這些多個過孔電極51c及多個過孔電極52cl構(gòu)成了從線狀凸部52c的與第二間隔物主體51相反一側(cè)的表面直至第二間隔物主體51的與線狀凸部52c相反一側(cè)的表面為止的多個過孔電極。
[0029]過孔電極51c及過孔電極52cl的材質(zhì)并無特別限定。過孔電極51c及過孔電極52cI分別可由例如Ag-Pd合金、Ag-Pt合金、鎳金屬、氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)/鎳金屬、螢石型鈧穩(wěn)定氧化鋯(ScSZ)/鎳金屬等形成。
[0030](第一多孔質(zhì)體20及第二多孔質(zhì)體40)
線狀凸部12c與空氣極32a之間，配置有第一多孔質(zhì)體20。第一多孔質(zhì)體20形成為覆蓋空氣極32a的面向氧化劑氣體流路12a的部分。具體而言，本實施方式中，第一多孔質(zhì)體20形成為實質(zhì)上覆蓋整個空氣極32a。
[0031]由氧化劑氣體流路12a提供的氧化劑氣體在第一多孔質(zhì)體20內(nèi)擴散，同時流向空氣極32a側(cè)。從而，能夠高均勻度地向空氣極32a提供氧化劑氣體。
[0032]另一方面，在線狀凸部52c與燃料極33a之間，配置有第二多孔質(zhì)體40。第二多孔質(zhì)體40形成為覆蓋燃料極33a的面向燃料氣體流路52a的部分。具體而言，本實施方式中，第二多孔質(zhì)體40形成為實質(zhì)上覆蓋整個燃料極33a。
[0033]由燃料氣體流路52a提供的燃料氣體在第二多孔質(zhì)體40內(nèi)擴散，同時流向燃料極33a側(cè)。從而，能夠高均勻度地向燃料極33a提供燃料氣體。
[0034]第一多孔質(zhì)體20、第二多孔質(zhì)體40各自的材質(zhì)并無特別限定。本實施方式中，第一多孔質(zhì)體20、第二多孔質(zhì)體40分別由導電構(gòu)件構(gòu)成。具體而言，本實施方式中，第一多孔質(zhì)體20由與空氣極32a相同的材料構(gòu)成。第二多孔質(zhì)體40由與燃料極33a相同的材料構(gòu)成。因此，空氣極32a經(jīng)由第一多孔質(zhì)體20與過孔電極12cl、llc電連接。燃料極33a經(jīng)由第二多孔質(zhì)體40與過孔電極52cl、51c電連接。
[0035]此外，第一多孔質(zhì)體20、第二多孔質(zhì)體40并非本發(fā)明的必要構(gòu)成要素。因此，也可以不設置第一多孔質(zhì)體20、第二多孔質(zhì)體40。
[0036]在圖8所示的固體氧化物燃料電池100中，多條氧化劑氣體流路103a、103b與多條燃料氣體流路104a、104b各自的橫截面大致呈矩形。因此，在固體氧化物燃料電池100中，當氧化劑氣體、燃料氣體的供給壓力變高時，在間隔物102a?102c的氧化劑氣體流路103a、103b和燃料氣體流路104a、104b的角部附近的部分會發(fā)生應力集中。因此，當氧化劑氣體、燃料氣體的供給壓力變高時，間隔物102a?102c可能會產(chǎn)生裂縫。
[0037]另外，當通過一體燒制來制作固體氧化物燃料電池100時，因發(fā)電元件101a、IOlb與間隔物102a?102c在燒制時的收縮行為不同而產(chǎn)生的應力會集中在間隔物102a?102c的氧化劑氣體流路103a、103b和燃料氣體流路104a、104b的角部附近的部分。因此，當一體燒制時，間隔物102a?102c可能會產(chǎn)生裂縫。
[0038]而在本實施方式中，如圖2所示，第一間隔物10上的氧化劑氣體流路12a沿y方向的寬度隨著遠離空氣極32a (朝zl側(cè))而階段性地變窄。而且，如圖3所示，第二間隔物50上的燃料氣體流路52a沿X方向的寬度隨著遠離燃料極33a(朝z2側(cè))而階段性地變窄。即，流路12a、52a的側(cè)壁上形成有臺階的結(jié)構(gòu)。
[0039]因此，即使氧化劑氣體、燃料氣體的供給壓力變高，因氧化劑氣體、燃料氣體的供給壓力而產(chǎn)生的應力也會分散地施加在間隔物10、50上。從而，在固體氧化物燃料電池I中，能夠使間隔物10、50不易產(chǎn)生裂縫地提高氧化劑氣體、燃料氣體的供給壓力。而且，在進行發(fā)電時，間隔物10、50也不易產(chǎn)生裂縫，從而能夠穩(wěn)定地進行發(fā)電。因而，能實現(xiàn)高發(fā)電效率。
[0040]另外，一體燒制時因間隔物IO、50與發(fā)電元件30的收縮行為不同而產(chǎn)生的應力也會分散地施加在間隔物10、50上。從而，能夠使間隔物10、50不易產(chǎn)生裂縫、并穩(wěn)定地制造出高合格率的固體氧化物燃料電池I。
[0041]此外，作為在本實施方式的情況下形成氧化劑氣體流路12a及燃料氣體流路52a的方法，可以列舉出例如以下的方法:即、通過在形成有開口部的尺寸較大的開口部的生片上，層疊形成有開口部的尺寸較小的開口部的生片，從而構(gòu)成層疊體，用于構(gòu)成第一流路形成構(gòu)件12的線狀凸部12c以外的部分，然后對該層疊體進行燒制的方法。
[0042]以下，對實施本發(fā)明的優(yōu)選方式的另一個示例進行說明。在下面的說明中，用通用的標號來參照與上述實施方式I實質(zhì)上具有共同功能的構(gòu)件，并省略說明。
[0043]《實施方式2》
圖4是實施方式2所涉及的燃料電池的一部分沿y方向和ζ方向的簡要剖視圖。圖5是實施方式2所涉及的燃料電池的一部分沿X方向和ζ方向的簡要剖視圖。此外，在圖4和圖5中，發(fā)電元件30、第二多孔質(zhì)體40、以及第二間隔物50與實施方式I所涉及的固體氧化物燃料電池I的相同，因此省略其圖示。
[0044]實施方式I中，氧化劑氣體流路12a及燃料氣體流路52a各自的寬度經(jīng)一級臺階變窄，并以這樣的間隔物10、50為例進行了說明。但本發(fā)明并不限于該結(jié)構(gòu)。
[0045]例如圖4所示，第一間隔物10構(gòu)成為氧化劑氣體流路12a的寬度經(jīng)多級臺階變窄。另外，如圖5所示，第二間隔物50構(gòu)成為燃料氣體流路52a的寬度經(jīng)多級臺階變窄。由此，可以更有效地抑制應力集中地施加于間隔物10、50的特定部位。從而，間隔物10、50不易產(chǎn)生裂縫，能夠?qū)崿F(xiàn)高發(fā)電效率，并且還能夠?qū)崿F(xiàn)高合格率。
[0046]但是，當流路12a、52a的寬度不同的部分過多，則會導致固體氧化物燃料電池I的制造變得困難。因此，優(yōu)選使間隔物10、50構(gòu)成為流路12a、52a在I?10級臺階的范圍內(nèi)經(jīng)多級臺階變窄。
[0047]《實施方式3》
圖6是實施方式3所涉及的燃料電池的一部分沿I方向和ζ方向的簡要剖視圖。圖7是實施方式3所涉及的燃料電池的一部分沿X方向和ζ方向的簡要剖視圖。此外，在圖6和圖7中，發(fā)電元件30、第二多孔質(zhì)體40、以及第二間隔物50與實施方式I所涉及的固體氧化物燃料電池I的相同，因此省略其圖示。
[0048]如圖6和圖7所示，本實施方式中，間隔物10、50構(gòu)成為使得流路12a、52a的寬度連續(xù)地變窄。由此，可以更有效地抑制應力集中地施加于間隔物10、50的特定部位。從而，間隔物10、50不易產(chǎn)生裂縫，能夠進一步實現(xiàn)高發(fā)電效率，并且還能夠進一步實現(xiàn)高合格率。
標號說明
[0049]I 固體氧化物燃料電池
10第一間隔物
11第一間隔物主體 Ilc過孔電極
12第一流路形成構(gòu)件 12a氧化劑氣體流路 12c線狀凸部
12c I過孔電極 20 第一多孔質(zhì)體
30發(fā)電元件
31固體氧化物電解質(zhì)層
32空氣極層 32a空氣極
33燃料極層 33a燃料極
40 第二多孔質(zhì)體
50第二間隔物51第二間隔物主體51c過孔電極
52第二流路形成構(gòu)件52a燃料氣體流路52c線狀凸部
52c I過孔電極
61氧化劑氣體用歧管
62燃料氣體用歧管
【權(quán)利要求】
1.一種燃料電池，其特征在于，包括: 發(fā)電元件，該發(fā)電元件具有固體氧化物電解質(zhì)層、配置在所述固體氧化物電解質(zhì)層的一個主面上的燃料極、和配置在所述固體氧化物電解質(zhì)層的另一個主面上的空氣極； 第一間隔物，該第一間隔物配置在所述空氣極上，且形成有用于向所述空氣極提供氧化劑氣體的氧化劑氣體流路；以及 第二間隔物，該第二間隔物配置在所述燃料極上，且形成有用于向所述燃料極提供燃料氣體的燃料氣體流路， 所述第一間隔物構(gòu)成為使得所述氧化劑氣體流路的寬度隨著遠離所述空氣極而階段性或連續(xù)地變窄， 所述第二間隔物構(gòu)成為使得所述燃料氣體流路的寬度隨著遠離所述燃料極而階段性地或連續(xù)地變窄。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于， 所述第一間隔物具有沿寬度方向?qū)⑺鲅趸瘎怏w流路劃分成多個的線狀凸部， 所述第二間隔物具有沿寬度方向?qū)⑺鋈剂蠚怏w流路劃分成多個的線狀凸部。
【文檔編號】H01M8/02GK103460475SQ201280016081
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月25日
【發(fā)明者】中居秀朗 申請人:株式會社村田制作所