JPH08102327A

JPH08102327A - 中空平板状燃料電池基板

Info

Publication number: JPH08102327A
Application number: JP6235671A
Authority: JP
Inventors: Masaya Takahashi; 雅也高橋; Toshio Matsushima; 敏雄松島; Daisuke Ikeda; 大助池田; Katsumi Manabe; 勝己真鍋; Himeko Kanekawa; 姫子金川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1994-09-29
Filing date: 1994-09-29
Publication date: 1996-04-16

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、ガス気密性が高く、かつ、機械的強
度の高い、電極材料を構成材料として用いた固体電解質
型燃料電池用の中空平板状燃料電池基板を提供すること
を目的とする。【構成】本発明は、電極材料により形成された、固体電
解質型燃料電池に使用される内部に複数の酸化剤ガス流
路６が配置された中空平板状酸化剤極３′であって、該
中空平板状酸化剤極３′の少なくとも一方の面に配置し
た帯状凸部９を少なくとも一本以上有する構造であるこ
とを特徴とするものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体電解質型燃料電池
に使用する、電極材料からなる、内部にガス流路を有す
る中空平板状燃料電池基板に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に燃料電池は、酸化剤と燃料の２種
類のガスをを酸化剤極と燃料極に供給して発電を行うも
のの総称であり、ここで述べる固体電解質型燃料電池
は、構成材料の全てに固体物質を使用したもので、具体
的には以下のようなセラミックスが主材料として挙げら
れる。

【０００３】電解質；イットリア安定化ジルコニア
（以下、ＹＳＺ）燃料極；ニッケルジルコニアサーメット（以下、Ｎｉ
−ＹＳＺ）酸化剤極；ランタンマンガナイト（以下、ＬＳＭ）この燃料電池の発電セル一個の基本構成は、電解質の両
面に２つの電極を配置したものであるが、このセルの出
力電圧は閉路電圧でも１Ｖ足らずである。従って、実用
的な出力を得るためには、このようなセルを多層積層し
た構造とする必要がある。複数のセルを積層して構成し
た固体電解質型燃料電池の構造の例を、図４に示す。図
において、１は固体電解質、２は燃料極、３は酸化剤
極、４はインターコネクタ、５は燃料ガス流路、６は酸
化剤ガス流路、７は単位セルである。このような構造の
固体電解質型燃料電池に、燃料ガスおよび酸化剤ガスを
供給する事で、所定の電気出力を取り出すことができ
る。この構造の固体電解質型燃料電池における発電にお
いては、供給された各ガスが各々の反応面に有効に行き
渡るとともに、電極の端部等から周辺部へのリークが起
こらないように積層する必要がある。しかし、図４に示
したような構造の固体電解質型燃料電池では、実際の積
層において各単位セル７とインターコネクタ４の間の気
密性の確保が極めて難しいという問題がある。これは、
先に述べたように全ての構造部材が可とう性や圧縮時の
変形性がないセラミックスで形成されているため、接合
面においてガス気密性を得ることが極めて困難であるこ
とによる。このような問題点の解決は、部材の平坦性を
向上させたとしても難しいことと考えられ、その上、実
際に固体電解質型燃料電池の発電セルを焼結法で作製し
た場合には、反り等の発生が避けられないことを考慮す
ると殆ど実現不可能である。また、図４に示した方式の
場合、導電率が最も小さい構成部材である電解質の厚み
が増加すると、電池の内部抵抗が高くなり、セルの発電
特性が悪化するので、電解質の厚みを低減する必要があ
る。しかし、電解質の厚みを薄くすると単位セル７の強
度が低下するので、単位セル７とインターコネクタ４と
の間での気密性を高めるために電池上下から大きな圧力
をかけると、単位セルが破壊されてしまう恐れがある。

【０００４】そこで、このような積層時にガス気密性を
確保することが困難であるという問題を解決する一つの
方法として、図５に示すように予めどちらか一方の電極
材料で内部にガス流路６を備えた中空平板状酸化剤極
３′を作製し、これに発電部を形成させる方式が考えら
れている（特開平５−３６４１７号）。このような方式
では、中空平板状酸化剤極３′が電極として作用するた
め、この中空平板状酸化剤極３′の電極に対応するガス
は単位セル７とインターコネクタ４を組み合わせて形成
された流路ではなく、中空平板状酸化剤極３′内に設け
られた流路６を流れる。従って、中空平板状酸化剤極
３′の両端部にガスシールを施すだけでガスの気密性が
確保され、シール性を大幅に改善することができる。ま
た、構造的に不安定なガスシール部分を中空平板状酸化
剤極３′の両端部のみに減らすことにより、燃料電池の
組立が容易になるとともに、信頼性を高めることが可能
となる。さらに、ガス気密性を高めるために電池上下か
ら大きな圧力をかける必要が無くなるため、寿命的にも
優れた特性を得ることが出来る。８は緻密膜である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、内部に中空状
のガス流路６を設けた中空平板状酸化剤極３′において
は、ガス流路６を配した部分の強度が弱く、中空平板状
酸化剤極３′上に電解質１やインターコネクタ４等を作
製する時、あるいは燃料電池として動作させた際に、ガ
ス流路６に沿って中空平板状酸化剤極３′に亀裂が入り
やすいという問題点があった。このような問題点を解決
するための一つの方法として、中空平板状酸化剤極３′
のガス流路６を取り囲む部分の厚さを増加させて強度を
高めることが考えられる。しかし、中空平板状酸化剤極
３′のインターコネクタ４を設ける側の厚さを増加させ
た場合は、中空平板状酸化剤極３′の厚みが増すことに
より燃料電池の内部抵抗が増大する問題があり、一方、
中空平板状酸化剤極３′の電解質１を設ける側の厚さを
増加させた場合には、中空平板状酸化剤極３′内のガス
流路６から電解質１へ向かってのガス透過抵抗が増して
電極反応活性が低下する問題があり、さらに燃料電池全
体としての体積が増加することにより単位体積当たりの
発電効率が低下することなどの問題があった。

【０００６】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
で、ガス気密性が高く、なおかつ、機械的強度の高い、
電極材料を構成材料として用いた固体電解質型燃料電池
用の中空平板状燃料電池基板を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１記載の中空平板状燃料電池基板は、電極材料
により形成された、固体電解質型燃料電池に使用される
内部に複数の流路が配置された中空平板状の基板であっ
て、該基板の少なくとも一方の面に配置した凸部を少な
くとも一つ以上有する構造であることを特徴とするもの
である。

【０００８】又、請求項２記載の中空平板状燃料電池基
板は、前記凸部の形状が、その上面が基板に平行な平面
であり、その幅が凸部上面から基部に近づくにつれて次
第に広がる形状であることを特徴とするものである。

【０００９】又、請求項３記載の中空平板状燃料電池基
板は、前記凸部が帯状であることを特徴とするものであ
る。

【００１０】

【作用】上記手段により本発明にあっては、以下の作用
を有する。

【００１１】請求項１記載の中空平板状燃料電池基板で
は、基板表面に凸部を設けることにより、従来の中空平
板状燃料電池基板において亀裂等の発生が起こりやすか
った、基板のガス流路を配した部分の機械的強度を高め
ることが可能となる。このような凸部を設けることによ
っても、従来の中空平板状燃料電池基板の特長である、
ガスシール部分が少ないことによるガス気密性の高さ
や、ガスシールのために電池に圧力をかける必要がない
ことによる電池の寿命の長さなどの特長はまったく損な
われない。また、凸部を持った基板を積層した際には、
隣接した基板との間に空間が生じるが、この部分はガス
流路として活用されるため、基板の機械的強度を高める
ためにこのような凸部を形成しても、燃料電池の単位体
積当たりの発電効率を低下させることはない。

【００１２】また、請求項２記載の中空平板状燃料電池
基板では、基板表面に配置した凸部の形状を、その上面
が基板に平行な平面であり、その幅が凸部上面から基板
に近づくにつれて次第に広がる形状とすることにより、
基板上面方向から見た際に、凸部により基板表面に陰と
なる部分が生じなくなる。このような構造とすることに
より、製膜速度が早く生産性の高い溶射法、あるいはス
パッタ法等を用いてインターコネクタや電解質等の薄膜
を形成する場合に、これらの膜が基板の凸部などでとぎ
れたり、場所により膜厚が極端に不均一になることなく
基板全面に連続的に形成することが可能となる。これら
の薄膜は多孔質基板内を流れるガスが基板外部に漏れ出
すことを防ぐ役割を果たしており、膜の均一性を高める
ことにより、基板内と基板外をそれぞれ流れるガスが膜
の切れ目などを透過して直接反応し、燃料電池の発電効
率が低下することを防いでいる。また、膜厚が不均一な
部分においては、熱衝撃等による膜の亀裂や剥離が起こ
りやすくなるため、膜の均一性を高めることにより燃料
電池の信頼性や耐久性の低下を防ぐことが可能となる。
さらに凸部の上面を平面とすることにより、セルを積層
した際のセル間の電気伝導を良好なものとすることが可
能となる。

【００１３】また、請求項３記載の中空平板状燃料電池
基板では、凸部を帯状とするため、基板上を流れるガス
の方向や進入位置を容易に制御することができる。

【００１４】

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に
説明する。なお、本発明は以下の実施例にのみ限定され
るものではない。

【００１５】［実施例１］図１は本発明の一実施例によ
る中空平板状燃料電池基板の外観を示した斜視図であ
る。図中、３′は中空平板状酸化剤極、６は酸化剤ガス
流路、９は帯状の凸部を示す。電極材料としては固体電
解質型燃料電池の酸化剤極材料として一般的に広く利用
されている、ペロブスカイト構造を持つＬａ０．８Ｓｒ
０．２ＭｎＯ３の粒径１〜３μｍの粉末を使用し、作製
は押し出し成形法により行った。押し出し成形に使用す
る粘土状の材料は、酸化剤電極の原料粉末１００に対
し、バインダであるメチルセルロース系水溶性高分子を
約５、水１０（重量ベースの混合比）を添加した後、原
料混練機によって混練することにより作製した。このよ
うに作製した材料を真空押し出し成形機を用い、内部を
流路が貫通した平板状の押し出し成形体とした。次に断
面が台形の帯状の部材を同一の粘土状材料を用いて押し
出し成形し、先に形成した中空状の成形体の幅に合わせ
て切り出し、中空平板状成形体の一方の面に台形の長辺
が接するように、帯状の部材を中空平板状の成形体の短
辺に並行に張り合わせた。乾燥を行った後、４００℃で
４時間加熱することにより脱脂を行い、その後、１３０
０℃、４時間加熱を行い焼結した。焼結後の中空平板状
燃料電池基板の大きさは、幅１００ｍｍで長さは１５０
ｍｍ、厚みは５ｍｍである。また、帯状の凸部の大きさ
は、断面の台形の長辺の長さが１２ｍｍ、短辺の長さが
９ｍｍ、高さが３ｍｍとし、基板の片面に６本の凸部を
形成した。

【００１６】このようにして作製した中空平板状燃料電
池基板の曲げ強度を測定したところ、約１５ＭＰａであ
った。従来の電極材料により形成した中空平板状基板の
曲げ強度がおおよそ６ＭＰａであったことから、基板内
部に平板状多孔質支持体を配したことにより、基板の曲
げ強度が３倍近く増加したことになる。

【００１７】このような構造を有する中空平板状燃料電
池基板を用いて燃料電池を作製した。図２は本実施例に
よる中空平板状燃料電池基板を用いて作製した燃料電池
セルの外観を示した斜視図である。図中、１は固体電解
質、２は燃料極、３′は中空平板状酸化剤極、４はイン
ターコネクタ、６は酸化剤ガス流路、８は緻密膜、９は
帯状の凸部である。まず、中空平板状酸化剤極３′の凸
部９を設けた側の面に、インターコネクタ４として厚さ
２００μｍのランタンクロマイト膜を溶射法により作製
し、一方、凸部を設けない側の面には電解質１として厚
さ２００μｍのＹＳＺ膜を溶射法により作製した。次に
ＹＳＺ膜の上に厚さ１００μｍのＮｉ−ＹＳＺ膜をスラ
リー塗布、および焼き付けにより形成し、燃料極２とし
た。さらに、中空平板状酸化剤極３′の側面にガスの透
過を防ぐための緻密膜８としてＡ１２Ｏ３膜をスラリー
塗布、および焼き付けにより形成し、燃料電池セルとし
た。発電試験用ホルダーにこのセルを取り付け、中空平
板状酸化剤極３′の内部に空気を、中空平板状酸化剤極
３′の外部に水素を流した状態で開路電圧を測定したと
ころ、約１．０Ｖあり、凸部を設けた中空平板状酸化剤
極３′を用いて作製した燃料電池においても、中空平板
状酸化剤極３′内のガス機密性が十分に保たれいてるこ
とが確認された。

【００１８】［実施例２］図３は本発明の他の実施例に
よる中空平板状燃料電池基板の外観を示した斜視図であ
り、２′は中空平板状燃料極、５は燃料ガス流路、９′
は帯状の凸部である。電極材料としては固体電解質型燃
料電池の燃料極であるニッケルを体積％で６０％含むＮ
ｉ−ＹＳＺを用いた。この粉末は酸化ニッケルとＹＳＺ
から作製し、ニッケルが所定の体積％となるように各粉
末を秤量した後、これらをボールミルに入れ、更にエタ
ノールを加えた後に２４時間混合を行うことで調整し
た。中空平板状燃料極２′の作製には押し出し成形法を
用いた。押し出し成形法に使用する粘土状の材料は、燃
料電極の原料粉末１００に対し、バインダであるメチル
セルロース系水溶性高分子を約１０、水１５（重量ベー
スの混合比）を添加した後、原料混練機によって混練す
ることにより作製した。このように作製した材料を真空
押し出し成形機を用い、内部を流路５が貫通した平板状
の押し出し成形体とした。この際、流路５が中空平板状
燃料極２′の中央部ではなく、裏面に近い位置に形成さ
れるような押し出し成形機の金型を使用した。次に、ガ
ス流路５から離れた側の中空平板状燃料極２′の表面
に、Ｕ字形の溝を形成して帯状の凸部９′を設けた。中
空平板状燃料極２′内を流れる燃料ガスの流れと中空平
板状燃料極２′の表面のＵ字形の溝の部分を流れる酸化
剤ガスとの流れとが直交流と対向流との中間的な関係と
なるように、Ｕ字形の溝は中空平板状燃料極２′の短辺
から３０度傾けて形成した。乾燥を行った後、実施例１
と同様の方法により、脱脂、焼結を行った。焼結後の中
空平板状燃料電池基板の大きさは、幅１００ｍｍで長さ
は１５０ｍｍ、溝を設けていない部分の厚みは８ｍｍで
ある。また、溝の深さは３ｍｍ、開口部の幅は８ｍｍと
し、５本の溝を形成した。

【００１９】なお、前記各実施例においては帯状の凸部
９，９′を中空平板状酸化剤極３′，中空平板状燃料極
２′の一方の面のみに形成したが、中空平板状酸化剤極
３′，中空平板状燃料極２′の両面に形成してもかまわ
ない。また、凸部９，９′の形成法としては、ドクター
ブレード法等により作製した薄膜状のシートを適当な形
状に切り取った後に平板状の押し出し成形体上に積層す
る方法や、粘土状の電極材料から適当な形状の部材を切
り出して平板状の酸化剤極，燃料極上に張り合わせる方
法を用いてもかまわない。さらに凸部９，９′の形状と
して、前記各実施例においては側面が平面である台形状
及び、側面が連続した曲面のＵ字状としたが、いくつか
の平面、あるいは曲面を組み合わせた形状であってもか
まわない。また、凸部９，９′の配置は中空平板状酸化
剤極３′，中空平板状燃料極２′内部のガス流路６，５
の配置や形状に合わせて、曲線状や折れ線状であっても
かまわない。さらに、中空平板状酸化剤極３′，中空平
板状燃料極２′の形状はセル容器等の形状に合わせて、
上記各実施例において用いた直方体以外の形状としても
かまわず、ガス流路６，５の形状や配置についても特に
限定されるものではない。

【００２０】

【発明の効果】以上述べたように本発明の請求項１記載
による中空平板状燃料電池基板によれば、基板の少なく
とも一方の面に、配置した凸部を少なくとも一つ以上有
する構造とすることにより、従来の中空平板状燃料電池
基板の長所であるガスシールの容易さなどの特徴を損ね
ることなく、また、燃料電池の単位体積当たりの発電効
率を損なうことなく基板の強度を高めることが可能とな
った。この結果、中空平板状固体電解質型燃料電池の信
頼性や耐久性が高められ、なおかつ燃料電池セルの大型
化による燃料電池の高出力化が容易になり、産業上の上
からも極めて大きな効果を得ることができる。

【００２１】また、請求項２記載の中空平板状燃料電池
基板によれば、請求項１記載の中空平板状燃料電池基板
と同様の効果を奏するとともに、基板の表面に形成した
凸部を、その上面が基板に平行な平面であり、その幅が
凸部上面から基板に近づくにつれて次第に広がる形状と
することにより、生産性の高い薄膜作製法である溶射法
を用いた均一性の高い電解質膜やインターコネクタ膜を
凸部を有する基板の表面に形成することが可能となる。
このため、膜の不均一な部分における熱衝撃等による膜
の破損や、これらの欠陥部分を通じての燃料ガスと酸化
剤ガスとの反応による発電効率の低下が防止され、燃料
電池の信頼性や耐久性を高めることが可能となった。

【００２２】また、請求項３記載の中空平板状燃料電池
基板によれば、請求項１記載の中空平板状燃料電池基板
と同様の効果を奏するとともに、凸部を帯状とすること
により、基板上を流れるガスの方向や進入位置を容易に
制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す斜視図である。

【図２】図１の中空平板状燃料電池基板を用いて作製し
た燃料電池セルの一例を示した斜視図である。

【図３】本発明の他の実施例を示す斜視図である。

【図４】従来の固体電解質型燃料電池の一例を示す分解
斜視図である。

【図５】従来の固体電解質型燃料電池の他の例を示す斜
視図である。

【符号の説明】

１…電解質、２…燃料極、３…酸化剤極、３′…中空平
板状酸化剤極、４…インターコネクタ、５…燃料ガス流
路、６…酸化剤ガス流路、７…単セル、８…緻密膜、９
…帯状凸部、２′…中空平板状燃料極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者真鍋勝己東京都千代田区内幸町一丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (72)発明者金川姫子東京都千代田区内幸町一丁目１番６号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電極材料により形成された、固体電解質
型燃料電池に使用される内部に複数の流路が配置された
中空平板状の基板であって、該基板の少なくとも一方の
面に配置した凸部を少なくとも一つ以上有する構造であ
ることを特徴とする中空平板状燃料電池基板。
【請求項２】前記凸部の形状が、その上面が基板に平
行な平面であり、その幅が凸部上面から基部に近づくに
つれて次第に広がる形状であることを特徴とする請求項
１記載の中空平板状燃料電池基板。
【請求項３】前記凸部が帯状であることを特徴とする
請求項１記載の中空平板状燃料電池基板。