JPH03238758A

JPH03238758A - 固体電解質型燃料電池

Info

Publication number: JPH03238758A
Application number: JP2032334A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Mihara; 三原　浩; Hirotaka Nakagawa; 中川　大隆; Yoshihito Uemoto; 好仁上元; Hiroshi Tsuneizumi; 常泉　浩志; Takuya Kadowaki; 琢哉門脇; Eiji Matsuda; 松田　英治; Koichi Yokosuka; 横須賀　剛一
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1990-02-15
Filing date: 1990-02-15
Publication date: 1991-10-24

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、固体電解質型燃料電池特にその構造に関する
ものである。

［従来の技術］近時、化学反応の自由エネルギー変化を、直接に電気エ
ネルギーに変換する装置として、燃料電池か注目され開
発されている。燃料電池は、通常の化学電池と規を−に
するものであるが、異なるところは電極の活物質を電池
容器内に収めておらず、負極には燃料を、また正極には
燃料を酸化する物質を連続的に供給して発電することで
あり、有力な直接発電システムの一つとして商用化が積
極的に検討されている。これら燃料電池の中で第３世代
燃料電池として、安定化ジルコニアを電解質とする固体
電解質型燃料電池が注目されている。

即ちジルコニア（Ｚ　ｒ　Ｏ２）は、１１５０℃付近で
単斜晶形から正方晶形への結晶構造の転移があり、この
際、約９％の容積変化が現れる。この容積変化を防ぐた
めに、カルシウム、イツトリウムなどの酸化物をジルコ
ニアに固溶させることが行われ、このような固溶体を安
定化ジルコニアと称している。

第６図は、この様な燃料電池の原理の説明図である。

第６図に示すように、例えば安定化ジルコニアのような
固体電解質１の一方の表面に空気極２が正極として、そ
して他方の表面に負極として燃料極３が設けられている
。

空気極２に空気（０２）を流し、燃料極３に燃料ガス（
Ｈ，ＣＯ）を流すと、空気極２側において、０２＋４ｅ→２０の反応が起こり、燃料極３側において、２０　−０２＋４６の反応が生ずる。

上記反応により発生した電子（ｅ　　）は、燃料極３側
から空気極２に向けて移動し、正極である空気極２と、
負極である燃料極３との間に電気が流れる。

Ｈ２＋ｌ／２０２→Ｈ２０の反応で、同時に発生した水は系外に排出される。

固体電解質型燃料電池は、上述のように構成されている
が、そのセル構造を実現するために、従来固体電解質１
を基体とするか、または、固体電解質１及び電極以外の
別の物質を基体としていた。

第７図は、固体電解質を基体とした場合の一例を示す断
面図である。

第７図に示すように、基体として十分な厚さを有する安
定化ジルコニアからなる固体電解質１の一方の表面には
、酸化ニッケル粉体を高温で溶射した多孔質体からなる
薄い燃料極３が設けられ、固体電解質１の他方の表面に
は、例えばＬ　ａ　Ｍ　ｎ０３のようなセラミックス多
孔質体からなる薄い空気極２が設けられている。

第８図は、固体電解質１及び電極以外の別の物質を基体
とした場合の一例を示す断面図である。

第８図に示すように、セラミックス、例えば・アルミナ
、ジルコニア等の多孔質体からなる十分な厚さの基体４
の一方の表面上に、各々薄いＮｉ多孔質体からなる燃料
極３と、安定化ジルコニアからなる固体電解質１と、セ
ラミックス多孔質体からなる空気極２とが積層されてい
る。

燃料電池は、上述のように、固体電解質１、空気極２．
燃料極３及び基体４によって構成された１つのセルを、
複数段積み重ねることによって形成される。

第９図は、この様な複数段のセルからなる燃料電池の一
例を示す概略断面の説明図である。

第９図に示すように、固体電解質１の一方の表面に、セ
ラミックス多孔質焼結体からなる板状の空気極２が設け
られ、固体電解質１の他方の表面に、Ｎｉ多孔質焼結体
からなる板状の燃料極３が設けられている。

空気極２及び燃料極３の各々の外側には、波板状の耐熱
金属板からなる集電体５が設けられ、且つ、集電体５の
外側には、平板状の耐熱金属板からなるインターコネク
ター（セパレータ）６が設けられている。

空気極２に空気または酸素をそして燃料極３に水素また
は燃料ガスを供給することにより前記のように発生した
電気は、波板状の集電体５によって集電され、インター
コネクター（セパレータ）６により各セルの電気を集電
する。

これら安定化ジルコニアなどを用いた酸化物焼結体固体
電解質型燃料電池の有利な点は、全固体構造をとること
が出来ると共に、電極における反応が、溶融炭酸塩電池
よりも簡単なことである。

［発明が解決しようとする課題］前述の第８図に示すような固体電解質１以外の別の物質
を基体とした場合には、複数の電池を直列に接続する場
合には、外部で接続しなければならないため構造か複雑
になり、且つ電極内を電流が平行に流れるため、電池の
内部抵抗が増加する等の問題を生ずる。

以上の如き、従来の固体電解質型燃料電池において、多
孔質基板をその後の成膜のための強度メンバーとして使
用すると共に、燃料電極としての機能を持たせる場合に
は、次のような問題が生ずる。

１）燃料電極として効率良く電気化学反応をさせるため
には、固体電解質と燃料電極の界面における燃料電極の
構造は、できるだけ微細な粒子で構成される多孔質とす
ることにより、固体電解質、電極及びガスの三相界面を
ふやす必要がある。

こうした微細な構造を持つ燃料電極を、その後に続く成
膜のための強度メンバーとするために所定の厚さ（２關
程度）にすると、微細なボアのために基板内のガス透過
性か悪くなり、その結果良好な電池か得られない。

２）上記と逆に、基板内のガス透過性を向上させるため
に、大きな粒子による大きなボアを持つ多孔質とすると
、三相界面か減少し、良好な電池か得られない。

３）当然のことながら、上記１）と２）を組み合わせせ
て、大きなボアを持つ多孔質の表面付近を微細な構造を
持つ電極材とする方法も考えられるが、大きなボアを持
つ多孔質は、緻密なものに比べて強度か低いので、その
分厚くする必要かあり、ガス透過性を悪くすることにな
る。また、多孔質体は緻密なものに比べて導電率が落ち
るので、電池性能を下げる原因ともなる。

本発明は、上記の固体電解質型燃料電池における問題点
を解決する、構造が簡単で、且つ電池の内部抵抗か小さ
い電池を提供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］本発明の固体電解質型燃料電池は、固体電解質、空気電極及び燃料電極とから成る固体電解
質型燃料電池において、該電池の燃料電極部の材料と同
一の材料から成り、且つ多数の貫通孔を有する緻密な基
板の片面上に前記燃料電極、固体電解質及び空気電極の
順に成膜して成ることを特徴とする固体電解質型燃料電
池である。

そして、上記の燃料電極材料が、ニッケル・ジルコニア
・サーメットから成る固体電解質型燃料電池であり、ま
た別な態様例として基板がテーノく一状の貫通孔を設けて
成り、さらに別な態様例として、基板の貫通孔の一方に溝を加
えて成る固体電解質型燃料電池であり、またさらに、前
述の構成からなるセルの集電体として溝付きセパレータ
を使用することを特徴とする固体電解質型燃料電池であ
る。

［作用］本発明の固体電解質型燃料電池によれば、１〉多数の貫
通孔を有する基板を使うために、燃料ガスの透過性が良
好となる。

２）貫通孔に溝を付けることにより、電極部分へのガス
透過性か更に向上する。

３）緻密な材料で基板を製作するため、強度が高く、薄
い材料とすることができ、大型化の場合にもコンパクト
な構造となる。

４）また緻密な材料で基板を製作するため、この部分の
導電率が高く、電池性能が向上する。

５）電気化学反応に直接関与する固体電解質界面の燃料
電極は微細な構造となるので、電池性能が向上する。

次に本発明の実施例について述べる。

［実施例コ第１図　（ａ）〜（ｅ）は本発明の電池の実施例である
固体電解質型燃料電池の製作を示す説明図、第２図、及
び第３図は別の実施例である基体（板）を示す説明図、
第４図（ａ）　、　（ｂ）は溝の平面を示す説明図、第
５図はセル及び集電体の構成を示す説明図である。

図において、１は固体電解質、２は空気極、３は燃料極
、４は基体（板）、４ａはグリーンシート、５は集電体
、６はインターコネクター（セパレータ）、７は貫通孔
、８は溝、９は溝付きセパレータ、１０はセルである。

■）第１図　（ａ）に示すように、厚さ１〜２ＩＩＩ１
１のニッケル・ジルコニア・サーメットのグリーンシー
ト４ａを成形する。

２）第１図（ｂ）に示すように、グリーンシート４ａに
径０　、５　ａｍの貫通孔７を開ける。

３）次に、第１図（Ｃ）に示すように、グリーンシ−ト
４ａを１２００℃にて焼成し基板４を得る。

４）第１図（ｄ）に示すように、基板４上に厚さ３０〜
４０．のニッケル・ジルコニア・サーメットの微細な燃
料電極３を溶射し製作する。

５）次いで、固体電解質１をＰＶＤ法により蒸着し、そ
の上に、ランタンとマンガンの複合酸化物（ＬａＭｎＯ
３）のようなセラミックス多孔質焼結体を溶射し、空気
電極２を設ける。

以上のように構成した電池に、要すれば、さらに空気極
２及び燃料極３の各々の外側に、第９図に示すように、
Ｃｒ１６％、　　Ｆｅ　　７％を含むニッケル合金（イ
ンコネル６００）のような波板状の耐熱金属板からなる
集電体５を設け、且つ、集電体の外側には、単電池を直
列に結ぶ導電体として、電解質１の膨張係数に近い、例
えばマグネシウムをドープした酸化ランタンクロム（Ｌ
ａＣｒ　　　Ｍｏ２ＳｇＯ，Ｌ　０３　）のセラミックスからなる平板状のセ
パレータ（インターコネクター）６を設け、固体電解質
型燃料電池を完成せしめる。

かかる固体電解質型燃料電池において、空気極２に空気
または酸素を、そして燃料極３３こ水素または燃料ガス
を供給することにより発生した電気は、波板状の集電体
５によって集電され、セパレータ６により各セル１０の
電気を集電する。

この電池の前記の１）の工程において、第２図に示すよ
うに、グリーンシート４ａにテーパー状の貫通孔７を設
けて、以下同じ工程にて製作された固体電解質型電池は
、この貫通孔７により、ガス透過性を高めることが出来
る。

又、上記の貫通孔７の上部に、第３図並びに第４図（ａ
）　、　（ｂ）に示すように、溝８を追加させるとより
電池反応を促進することが出来る。

更に別の態様例として第５図に示す如く、溝付きセパレ
ータ９を用いると構造が簡単で好ましい。

なお、本発明の電極は第１図に示すような平板型固体電
解質燃料電池に限らず、多管型固体電解質燃料電池にも
適用出来るものである。

［発明の効果コ本発明の固体電解質燃料電池によれば、■）強度を有す
る基板上に、電池の構成Ｈ３層を成膜することにより、
大面積の電池製作が可能となる。

２）基板に多数の貫通孔を設けたため、燃料ガスの透過
性が向上し、電池性能が向上する。

３）基板は、比較的緻密な基板を使うために多孔質基板
より導電性が高く、電池性能が向上する。

４）比較的緻密な基板を使うため、強度が上がり、多孔
質基板を使う場合より、薄くすることができ、コンパク
トな電池が得られる。

５）燃料電極用材料と基板の材料を同じものとしたため
、相互のなじみが良く、熱膨張率の差による損傷がなく
、安定した性能の電池が得られる。

等の効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｅ）は本発明の電池の実施例である固
体電解質型燃料電池の製作を示す説明図、第２図及び第
３図は電池基板の別の実施例の説明図、第４図（ａ）　
、　（ｂ）は溝の平面を示す説明図、第５図はセル及び
集電体の構成を示す説明図、第６図は燃料電池の原理の
説明図、第７図及び第８図は従来の固体電解質型燃料電
池の説明図、第９図は、従来の複数段のセルからなる燃
料電池の一例を示す概略断面の説明図である。図において、１：固体電解質、２：空気極、３：燃料極
、４：基体（板）、４ａニゲリーンシート、５：集電体
、６：インターコネクター（セパレータ）、７：貫通孔
、８：溝、９：溝付きセパレータ、１０：セル。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）固体電解質、空気電極及び燃料電極とから成る固
体電解質型燃料電池において、該電池の燃料電極部の材
料と同一の材料から成り、且つ多数の貫通孔を有する緻
密な基板の片面上に前記燃料電極、固体電解質及び空気
電極の順に成膜して成ることを特徴とする固体電解質型
燃料電池。
（２）前記燃料電極部材料が、ニッケル・ジルコニア・
サーメットから成ることを特徴とする請求項１記載の固
体電解質型燃料電池。
（３）前記基板がテーパー状の貫通孔を設けて成ること
を特徴とする請求項１又は２記載の固体電解質型燃料電
池。
（４）前記基板の貫通孔の一方に溝を加えたことを特徴
とする請求項１〜３記載の固体電解質型燃料電池。
（５）セルの集電体として溝付きセパレータを使用する
ことを特徴とする請求項１〜４記載の固体電解質型燃料
電池。