JPH01124964A

JPH01124964A - 平板型固体電解質燃料電池

Info

Publication number: JPH01124964A
Application number: JP62283716A
Authority: JP
Inventors: Tokumi Satake; 徳己佐竹; Akihiro Isato; 伊里　昭寛; Hideo Nishikawa; 西川　日出男
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1987-11-10
Filing date: 1987-11-10
Publication date: 1989-05-17

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野コ本発明は平板型固体電解質燃料電池に関し、電流を流す
ことにより水電解、ＣＯ２電解等の電解セルにも使用可
能なものである。

［従来の技術と問題点］周知の如く、固体電解質燃料電池（以下、５ＯＦＣと呼
ぶ）はイツトリア安定化ジルコニア（以下、ＹＳＺと呼
ぶ）などを電解質とし、その両側に電極を設け、約１０
００℃に加熱した状態で燃料及び酸化剤（通常は空気）
を供給すると、電気化学反応により直接発電するもので
、高効率、無公害等の特徴を有し、次世代の発電方式と
して期待されている。

従来、電池構造としては、円筒型５ＯＦＣ及び平板型５
ＯＦＣが考えられている。前者の代表例としては第４図
に示゛す特開昭５４−７３２４０号（以下、従来例１と
呼ぶ）及び第５図に示す特開昭５７−１３０３８１号（
以下、従来例２と呼ぶ）があり、現在夫々数Ｋｗ級の発
電試験を行うなどの研究が進められている。一方、後者
としては、第６図に示す波形状薄膜と平板状薄膜を積層
した平板型５ＯＦＣ（以下、従来例３と呼ぶ）がある。

第、６図において、１は単位セルである。この単位セル
１は、酸素電極２．固体電解質膜３．燃料電極４で構成
される波板状の積層膜５及び燃料電極６．インタコネク
タ膜７．酸素電極８で構成される平板状の積層膜９から
成立ち、単セル１が複数個直列に接続したものがモジュ
ール（集合電池）１０である。また、波板状積層膜で仕
切られた空間のうち、その燃料電極４に接する方が燃料
通路１１で、酸素電極２に接する方が酸化剤通路１２と
なっている。また、各構成層の膜厚は５０〜１００μｓ
程度である。材質的には、前記酸素電極２．８は高温酸
化雰囲気で高い導電性を有し、熱膨張率も他の構成材杆
と略一致するＬａＳｒＭｎＯ３などの酸素電極材料を使
用する。同様に、燃料電極４．６は高温還元雰囲気で高
い導電性を有し、熱膨張率も考慮した（Ｎｉ　Ｏ＋ＹＳ
Ｚ）などの燃料電極材料を使用する。また、固体電解質
膜３にはイオン導電性を有するＹＳｚなどを、インタコ
ネクタ膜７には高温酸化還元の両雰囲気に耐え、導電性
も有するＬａ　Ｍｇ　Ｃｒ　０３の材料を使用する。

製作方法としては、以上全ての電池構成要素はテープキ
ャスティングと呼ばれる薄膜製造法で、焼成前のグリー
ンな状態で成形される。それらを用いて、積層膜５は酸
素電極２．固体電解質膜３゜燃料電極４のテープキャス
ティング膜を積層後、波板状に曲げ加工する。また、積
層膜９は燃料電極６．インタコネクタ膜７．酸素電極８
のテープキャスティング膜を積層し、平板状とする。こ
のようにして製作した波板状積層膜５及び平板状積層膜
９を交互に積み重ね、その状態で一括焼成する。電池完
成後、約１０００℃に保持した状態で燃料通路１１に水
素等酸化剤通路１２に空気等を供給すると、電気化学反
応により直接電気が得られる。

ところで、円筒型５ＯＦＣと平板型５ＯＦＣを比較する
と、円筒型５ＯＦＣは試作が比較的容易で、現在すでに
かなり研究が進んでいるが、発電性能（電流密度、出力
密度等）はさほど良くなく、そのため単位出力当りの製
造コストも高くなることが予想される。

一方、従来例３の燃料電池は薄膜のみで構成され、しか
も１セルの間隔を１〜２ｍｍと小さくしているため、発
電部単位面積当りの電流密度、出力密度が高く、しかも
薄膜のみで構成され重量が軽い為、セル容量１重量当り
の出力は従来例１．２と比べ飛躍的に向上する。しかし
ながら、平板型５ＯＦＣは製作が難しく製作技術の確立
が最も重要な課題である。以下、第６図の平板型５ＯＦ
Ｃの問題点について説明する。

（１）燃料電極及び酸素電極は主に１０００℃での導電
率、熱膨張率を考慮して選定された材料で、しかも電極
に対する要求からポーラスに出来ており、燃料電極、酸
素電極の強度は低い。従って、燃料電極同志、酸素電極
同志の接合部は弱く、この部分から破損し易い。

（２）固体電解質膜、インタコネクタ膜、酸素電極。

燃料電極の４　Ｍ類の材料を焼成前の未焼結のグリーン
状態で３層膜及びそれを変形した波形状の３層膜を成形
し、それらを積層後１度に焼成させるが、これらの材料
は■本来最適焼成温度が異なる。

■固体電解質膜及びインタコネクタ膜は緻密な膜を必要
とする一方で酸素電極及び燃料電極はポーラスな膜を必
要とするなど、構成膜により要求使用が異なる。従って
、１度の焼成で４種類の材料全てに対し、最適な焼成を
行うことは困難である。

また、焼成温度の高い材料に合せて高い温度で焼成する
と、焼成温度の低い材料側で材質の劣化。

電極の緻密化及び電池としての有害な界面反応等の不具
合が生じる。また、逆に焼成温度の低い材料に合せて低
い温度で焼成すると、焼成温度の高い材料は焼結が不充
分で、緻密性が不足したり電気的特性が不十分等の不具
合が生じる。

（３）　４　ｔＩ類の材料は熱膨張率も考慮して材料を
選定しているが、未焼結のグリーン状態から焼成する時
に同一条件で昇温しでも、材料１粒度等により焼結、即
ち焼結に伴う収縮が開始する温度及び収縮量が異なる。

例えば、材料間の熱膨張率の差がＩ　Ｘ　１０−６／’
Ｃ違っている時に０℃から１０００℃まで温度を変えた
時の変形量の差は１　ｘ　１Ｏ−６ｘ（１０００℃−０
℃）Ｘ１００膠０，１　％に過ぎないが、焼結前の収縮
量の差は１０％オーダで生じる。しかも、バインダーは
蒸発又は燃焼し、セラミックスあ焼結は不十分で強度が
ほとんどない状態で、この収縮のアンバランスが生じる
と割れ。

変形が非常に生じ易くなる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、接合部の強
度を向上するとともに、焼成時の割れを防止し得る平板
型固体電解質燃料電池を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］本発明は、交互に積層されかつ少なくとも一方が波形状
の複数の固体電解質膜及びインタコネクタ膜と、これら
固体電解質膜及びインタコネクタ膜により囲まれた領域
内に夫々形成され、内部に夫々通路を有した燃料電極及
び酸素電極とを具備することを要旨とする。

［作用コ本発明によれば、（１）緻密膜同志である固体電解質膜、インタコネクタ
膜を直接（又は接着剤層を介して）接合する為、接合部
の強度が向上する。

（２）固体電解質膜、インタコネクタ膜の両方又は片方
は波板状であるため、両者の接するのは線状又は点状で
ある。このように両膜とも略フリーの状態で焼成出来る
ため、焼成中の変形が可能で割れが生じにくくなる。

（３）材料配合例が例えば固体電解質膜；ＹＳＺ。

インタコネクタ膜；　ＬａＭｇＣｒ０３　、燃料電極；
（ＮｉＯ＋ＹＳＺ）、酸素電極；ＬａＳｒＭｎＯ３の場
合、緻密で焼成温度も高い固体電解質膜、インタコネク
タ膜をまず焼成し、次いでポーラスで焼成温度も少し低
い燃料電極、酸素電極を焼成する。このように、焼成温
度の高い材料から低い材料へと順次焼成するため、各材
料に対して最適の条件で焼成することが可能である。

［実施例］以下、本発明の実施例を図を参照して説明する。

実施例１第１図において、２１はＹＳｚ等からなる波板状の固体
電解質膜である。この固体電解質膜２１には、接着剤２
２を介してＬａ　Ｍｇ　Ｃｒ　０３などからなる平板状
のインタコネクタ膜２３が接合されている。ここで、前
記接着剤２２の材質としては、ｚｒｏ２．Ａノ２０３１
　　Ｓ　ｔ　０２などのセラミックを主成分とし高温に
耐えられるものを使用する。但し、黒鉛パウダーなどを
充填剤として詰め、ホットプレスなどの方法で固体電解
質膜２１とインタコネクタ膜２３が直接接合する場合に
は、前記接着剤２２は不要である。前記固体電解質膜２
２とインタコネクタ膜２３で形成される通路２４には、
内部に燃料通路２５ａを有する（ＮｉＯ＋ＹＳＺ）など
からなる酸素電極２５、内部に酸化剤通路２６ａを有す
る燃料電極２６が夫々設けられている。ここで、前記燃
料通路２５ａ、酸化剤通路２６ａは固体電解質８２１の
凹凸により出来るもので、両道路２５ａ、２５ｂは平行
流となる。このように、前記固体電解質膜２１、インタ
コネクタ膜２３．酸素電極２５及び燃料電極２６かた単
セル２７が成立ち、これら単セル２７を積層することに
よりモジュール（集合電池）２８が成立つ。

次に、上記構造の平板型５ＯＦＣの製作方法について第
２図（ａ）〜（ｅ）を参照して説明する。

■まず、固体電解質膜２１のグリーンテープをテープキ
ャスティング法で成形し、波形状に曲げる（第２図（ａ
）図示）。なお、図中の３１はＹＳＺを収容する容器、
３２は乾燥機、３３はカッターである。

■次に、インタコネクタＩＩ！　２３のグリーンテープ
をテープキャスティング法で成形する（第２図（ｂ）図
示）。

■つづいて、波形状の固体電解質膜２１の凸部先端に接
着剤２２を塗布し、平板状のインタコネクタ膜２３と積
層し、この状態で１４００〜１６００℃で焼成する（第
２図（Ｃ）図示）。

■更に、所定の面に対し燃料電極２６のスラリーを流し
込む等の方法で塗布し、１３００〜１５００℃で焼成す
る（第２図（ｄ）図示）。

■最後に、上記■で施工しなかった面に対し酸素電極２
５のスラリーを塗布し、１１００〜１４００℃で焼成し
て平板型固体電解質膜燃料電池を製作する（第２図（ｅ
）図示）。

しかるに、電池完成後、約１０００℃に保持した状態で
燃料及び酸化剤を供給すると、電気化学反応により電気
が得られ、その電気はマクロ的に見ると平板型５ＯＦＣ
の垂直方向へと流れる。

上記実施例１によれば、波形状の固体電解質膜２１及び
平板状のインタコネクタ膜２３を接着剤２２を介して積
層し、焼成により接合した構造となっているため、従来
と比べ固体電解質膜２１゜インタコネクタ膜２３の接合
部の強度が向上する。

また、前記固体電解質膜２１は波形状である為、前記イ
ンタコネクタ膜２３との接する部分は線状となる。従っ
て、両膜２１．２３とも略フリーの状態で焼成できるた
め、焼成中の変形が可能で割れが生じにくくなる。更に
、緻密で焼成温度も高い固体電解質膜２１．インタコネ
クタ膜２３を先ず焼成し、次いでポーラスで焼成温度も
少し低い燃料電極２６．酸素電極２５を焼成して電池を
構成すれば、焼成温度の高い材料から低い材料へと順次
焼成することになり、各材料に対して最適な条件で焼成
することが可能となる。

実施例２本実施例は、第１図の燃料電池に聴いて、燃料通路２６
ａ及び、酸化剤通路２５ａが直交するように改良した平
板型５ＯＦＣである（第３図図示）。

なお、同図は分り易くする為、燃料電極、酸素電極及び
接着剤は省略しである。

図中の４１は波板状のインタコネクタ膜であり、波板の
向きを直交するように積層されている。また、４２は電
池端部のシール材で、燃料４３及び酸化剤４４が混合し
ない構造になっている。しかるに、燃料通路２６．酸化
剤通路２５ａは電池の端面からはシール材４２の存在に
より燃料通路２６ａのみ、又は酸化剤通路２５ａのみし
かガスが流れるスペースはないが、電流内部ではこち電
解質膜２１及びインタコネクタ膜４１の間を交互に流れ
ている。このように、燃料通路２６ａと酸化剤通路２５
ａが直交している為、ガス給排気のためのヘッダー構造
方法が容易となる。次に、第３図の平板型５ＯＦＣの製
作方法について説明する。

■まず、固体電解質膜２１のグリーンテープをテープキ
ャスティング法で成形し、波形状に曲げる。次に、同様
にして、波形状のインタコネクタ膜４１を成形する。

■次いで、上記波板状の固体電解質膜２１と波板状のイ
ンタコネクタ膜４を直交するように重ね、その接する部
分に接着剤を塗布する。その状態で１４００〜１６００
℃で焼成する。

■この後、電池の端部にガスリークを防止する為のシー
ル材４２を詰め込む。そのシール材４２の幅は、少なく
とも固体電解質膜２１．インタコネクタ膜４１の、波板
の１ピッチ分以上とする。第３図に示す如くシールする
ことにより、Ａ方向端面に貫通しているのはインタコネ
クタ膜４１の波板の下側のみで、そこに燃料４３を流す
ことになる。同様に、Ｂ方向端面には固体電解質膜２１
の波板の下側に酸化剤４４を流すことになる。このよう
に、実施例２では燃料と酸化剤を直交方向に流すことが
可能となる。

■次に、第３図ん状態から電池を立てて、燃料電極スラ
リーを流し込み、必要な膜厚を形成した後１３００〜１
４００で焼成し、平板型５ＯＦＣを製作する。

［発明の効果］以上詳述した如く本発明によれば、接合部の強度を向上
するとともに、焼成時の割れを防止できかつ各材料に対
して最適の条件で焼成可能な発電効率の高い平板型固体
電解質燃料電池を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１に係る平板型５ＯＦＣの断面
図、第２図（ａ）〜（ｅ）は夫々同平板型５ＯＦＣの製
作方法を工程順に示す説明図、第３図は本発明の実施例
２に係る平板型５ＯＦＣの断面図、第４図（ａ）は従来
例１に係る円筒型５ＯＦＣの斜視図、同図（ｂ）は同図
（ａ）の断面図、第５図は従来例２に係る円筒型５ＯＦ
Ｃの斜視図、第６図は従来例３に係る平板型５ＯＦＣの
断面図である。２１・・・固体電解質膜、２２・・・接着剤、２３゜４
１・・・インタコネクタ膜、２５・・・酸素電極、２５
ａ・・・燃料通路、２６・・・燃料電池、２６ａ・・・
酸化剤通路、２７・・・単セル、２８・・・モジュール
、４２・・・シール材、４３・・・燃料、４４・・・酸
化剤。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦ｒａ　　　　　　　　　Ｄ Φ ″　　　　　区へ＾　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　＾１）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　、
Ω！！？Ｘ第６図

Claims

【特許請求の範囲】

交互に積層されかつ少なくとも一方が波形状の複数の固
体電解質膜及びインタコネクタ膜と、これら固体電解質
膜及びインタコネクタ膜により囲まれた領域内に夫々形
成され、内部に夫々通路を有した燃料電極及び酸素電極
とを具備することを特徴とする平板型固体電解質燃料電
池。