JP2002280026A - 固体電解質型燃料電池の空気極集電体 - Google Patents

固体電解質型燃料電池の空気極集電体

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JP2002280026A
JP2002280026A JP2001325857A JP2001325857A JP2002280026A JP 2002280026 A JP2002280026 A JP 2002280026A JP 2001325857 A JP2001325857 A JP 2001325857A JP 2001325857 A JP2001325857 A JP 2001325857A JP 2002280026 A JP2002280026 A JP 2002280026A
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fuel cell
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electrode current
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Koji Hoshino
孝二 星野
Jun Akikusa
順 秋草
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Abstract

(57)【要約】 【課題】固体電解質型燃料電池の空気極集電体およびそ
の空気極集電体を組み込んだ固体電解質型燃料電池を提
供する。 【解決手段】銀繊維からなる銀フェルトで構成した固体
電解質型燃料電池の空気極集電体、銀細線からなる銀メ
ッシュで構成した固体電解質型燃料電池の空気極集電
体、銀よりも高温強度を有する金属または合金からなる
金属繊維の表面にニッケル下地メッキしたのち銀メッキ
した銀メッキ繊維からなる銀メッキフェルトで構成した
固体電解質型燃料電池の空気極集電体、または銀よりも
高温強度を有する金属または合金からなる金属細線から
なる金属メッシュの表面にニッケル下地メッキしたのち
銀メッキして得られた銀メッキメッシュで構成した固体
電解質型燃料電池の空気極集電体。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、低温で作動させても
出力密度の高い固体電解質型燃料電池における空気極集
電体およびこの空気極集電体を組み込んだ固体電解質型
燃料電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】一般に、固体電解質型燃料電池は、水素
ガス、天然ガス、メタノール、石炭ガスなどを燃料とす
ることができるところから、発電における石油代替エネ
ルギー化を促進することができ、さらに廃熱を利用する
ことができるところから、省資源および環境問題の観点
からも注目されている。この固体電解質型燃料電池は図
1の断面概略図に示される積層構造を有する。図1にお
いて、1は空気極集電体、2は空気極、3は固体電解
質、4はセパレータ、5は燃料極、6は燃料極集電体、
7は水素が通る溝、8は空気が通る溝である。固体電解
質3の片面に空気極2を積層させ、他方の片面に燃料極
5を形成することによりセル9を構成する。
【0003】前記固体電解質3は一般にイットリアで安
定化したジルコニア(以下、YSZという)で構成され
ているが、近年、Ln1-xxGa1-y-z123(但
し、Ln=La、Ce、Pr、Nd、Smの1種または
2種以上、A=Sr、Ca、Baの1種または2種以
上、B1=Mg、Al、Inの1種または2種以上、B2
=Co、Fe、Ni、Cuの1種または2種以上、x=
0.05〜0.3、y=0〜0.29、z=0.01〜
0.3、y+z=0.025〜0.3)で示される酸化
物なども使用されている。さらにセパレータ4はランタ
ンクロマイト(LaCrO3)からなる緻密なセラミッ
クスで構成されており、空気極2は(Sm、Sr)Co
3、(La、Sr)MnO3などのセラミックスで構成
されており、燃料極5はNi/YSZサーメット、Ni
/(Ce、Sm)O2サーメットなどで構成されてい
る。そして空気極集電体1は白金メッシュで構成されて
おり、燃料極集電体6はNiメッシュで構成されてい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の固体電
解質型燃料電池は、1000℃という高い温度で作動さ
せることにより燃料が持っている化学エネルギーを電気
エネルギーに比較的効率良く変換することができるが、
固体電解質型燃料電池の作動を1000℃で作動させる
ためには、固体電解質型燃料電池の構成部品に使用され
る材料が特に耐熱性に優れた材料に制限され、さらに固
体電解質型燃料電池を作動させるための付属装置(例え
ば、燃料ガスの予熱装置など)においても高温に耐える
材料で構成する必要があり、また高温で作動することに
より材料の消耗が早くなり、使用寿命も短くなるなどコ
ストが高くなることは避けられない。そのため、100
0℃よりも低温度で効率良く作動させることができる固
体電解質燃料電池が求められている。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、上述のよ
うな観点から、一層低い温度で効率良く作動させること
ができる固体電解質燃料電池を開発すべく試験研究を行
った。その結果、銀繊維からなる銀フェルトまたは銀細
線からなる銀メッシュを空気極集電体として組み込んだ
固体電解質型燃料電池は、900℃以下で作動させる
と、従来の白金メッシュからなる空気極集電体を組み込
んだ固体電解質型燃料電池に比べて、発電効率が1.6
倍以上向上するという研究結果が得られたのである。
【0006】この発明は、かかる研究結果に基づいてな
されたものであって、(1)銀繊維からなる銀フェルト
で構成した固体電解質型燃料電池の空気極集電体、
(2)銀細線からなる銀メッシュで構成した固体電解質
型燃料電池の空気極集電体、に特徴を有するものであ
る。
【0007】銀は、約200℃以上930℃以下の温度
領域においては酸化雰囲気中においても還元され、金属
相が安定相である。したがって、銀フェルトおよび銀メ
ッシュは約200℃以上930℃以下の温度領域におい
て酸化皮膜が形成されず、良好な導電体である。しか
し、銀フェルトおよび銀メッシュからなる空気極集電体
を組み込んだ固体酸化物燃料電池を930℃で作動させ
ると、銀フェルトおよび銀メッシュからなる空気極集電
体の表面に酸化膜が発生することがないが、銀は高温で
酸素を固溶するために、約930℃で溶けはじめる。し
たがって、実際に、銀フェルトおよび銀メッシュを空気
極集電体として組み込んだ固体酸化物燃料電池の作動温
度は900℃以下であることが好ましい。
【0008】銀フェルトおよび銀メッシュを空気極集電
体として組み込んだ固体酸化物燃料電池が低温で発電性
能が向上する理由は、一般に、空気極において、空気中
の酸素が空気極集電体により電子を受け取り、酸素イオ
ン(O-2)が生成されるが、極微量の酸素が含まれてい
る銀を固体酸化物燃料電池の空気極集電体とした場合、
空気極集電体中に極微量含まれる酸素が集電体表面にお
いての酸素イオンの生成を促進させる働きがあり、酸素
イオンを集電体表面から早く移動させることができるこ
と、空気極集電体と電極との交換電流密度の上昇によ
り、さらなる酸素イオンの移動が速やかになること、酸
素の解離(O2→2O)、イオン化(O+2e→O-2
も銀フェルトおよび銀メッシュからなる空気極集電体中
に固溶した酸素により促進すること、などによるものと
考えられる。
【0009】前記銀フェルトまたは銀メッシュで構成し
た固体電解質型燃料電池の空気極集電体は、銀フェルト
または銀メッシュが高温に長時間さらされると、銀は高
温強度が低いために前記銀フェルトおよび銀メッシュは
収縮し焼結して空隙率が減少し、そのため固体電解質型
燃料電池の空気極集電体としての機能が低下することが
ある。
【0010】そこで、空気極集電体が高温に長時間曝さ
れても収縮による空隙率の減少が少く、したがって長時
間空気極集電体としての機能が低下することない銀フェ
ルトまたは銀メッシュからなる空気極集電体を得るべく
研究を行った。その結果、銀よりも高温強度に優れた金
属または合金などの金属繊維の表面にニッケル下地メッ
キしたのち銀メッキして得られた銀メッキ繊維からなる
銀メッキフェルトで構成した空気極集電体、または銀よ
りも高温強度に優れた金属または合金からなる金属細線
からなる金属メッシュの表面にニッケル下地メッキした
のち銀メッキして得られた銀メッキメッシュで構成した
空気極集電体は、前記銀よりも高温強度に優れた金属ま
たは合金からなる金属繊維および金属細線が高温におい
て骨格を維持するために、銀繊維からなる銀フェルトで
構成された空気極集電体および銀細線からなる銀メッシ
ュで構成された空気極集電体に比べて、高温に一層長時
間使用しても空気極集電体の空隙率が減少することが少
ないという知見を得たのである。
【0011】この発明は、かかる知見に基づいてなされ
たものであって、(3)銀よりも高温強度に優れた金属
または合金からなる金属繊維の表面にニッケル下地メッ
キしたのち銀メッキして得られた銀メッキ繊維からなる
銀メッキフェルトで構成した固体電解質型燃料電池の空
気極集電体、(4)銀よりも高温強度に優れた金属また
は合金からなる金属細線からなる金属メッシュの表面に
ニッケル下地メッキしたのち銀メッキして得られた銀メ
ッキメッシュで構成した固体電解質型燃料電池の空気極
集電体、に特徴を有するものである。なお、この発明で
用いる銀メッキメッシュは、銀よりも高温強度に優れた
金属または合金などの金属細線の表面にニッケル下地メ
ッキしたのち銀メッキして得られた銀メッキ金属細線を
編んで製造した銀メッキメッシュを用いても良く、この
発明で用いる銀メッキメッシュはいかなる製造方法で作
製した銀メッキメッシュを用いても良い。
【0012】前記銀よりも高温強度に優れた金属または
合金は、NiまたはNi基合金、FeまたはFe基合
金、CoまたはCo基合金であることが好ましい。した
がって、この発明は、(5)前記(3)または(4)に
記載の銀よりも高温強度に優れた金属または合金は、N
iまたはNi基合金、FeまたはFe基合金、Coまた
はCo基合金である固体電解質型燃料電池の空気極集電
体、に特徴を有するものである。
【0013】前記金属繊維および金属細線を構成するN
iまたはNi基合金は、具体的には、純Ni、インコネ
ル600、インコネル718、ハステロイC−22、ヘ
インズアロイ214、ヘインズアロイ230などであ
り、FeまたはFe基合金は、具体的には、純Fe、炭素
鋼、ステンレス鋼、エスイット鋼などであり、Coまたは
Co基合金は、具体的には、ヘインズアロイ188、U
LTETなどである。
【0014】
【発明の実施の形態】つぎに、この発明の固体酸化物燃
料電池の空気極集電体を実施例により具体的に説明す
る。 実施例1 純銀からなる平均太さ:30μm、平均長さ:2mmを
有する純銀繊維と、平均粒径:2μmの純銀粉末を用意
し、純銀繊維:90質量%、純銀粉末:10質量%とな
るように配合し、混合して純銀繊維と純銀粉末の混合粉
末を作製した。この混合粉末を金型に充填し、軽くプレ
ス成形したのち、910℃で10分間加熱焼成すること
により空隙率:80%、厚さ:0.7mmの純銀フェルト
を作製し、この純銀フェルトを用いて純銀フェルトから
なる空気極集電体を作製した。
【0015】さらに、原料粉末として、La23、Sr
CO3、Ga23、MgO、CoOの各粉末を用意し、
これら原料粉末をLa0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co
0.053となるように秤量し、良く混合した後、110
0℃で予備焼成し、得られた仮焼体を粉砕し、通常のバ
インダー、溶剤などを加えてボールミルで粉砕すること
によりスラリーを作製し、このスラリーをドクターブレ
ード法によりグリーンシートに成形した。成形したグリ
ーンシートを空気中で十分に乾燥させ、所定の寸法に切
り出してこれを1450℃で燒結した。得られた燒結体
の厚さは110μmであった。
【0016】このようにして得られた燒結体を電解質と
し、この電解質の片面にNiと(Ce0.8Sm0.2)O2
の体積比が6:4になるように混合したNiOと(Ce
0.8Sm0.2)O2の混合粉末を1100℃で焼付けるこ
とにより燃料極を形成し、さらに前記電解質の反対側の
片面に(Sm0.5Sr0.5)CoO3を1000℃で焼付
けることにより空気極を形成することによりセルを作製
した。
【0017】さらに、ランタンクロマイト粉を静水圧プ
レスして板状とした後、機械加工して溝を形成し、つい
で1450℃で燒結することにより片面に溝を有するセ
パレータを作製した。また、燃料極集電体としてNiフ
ェルトを用意した。
【0018】このようにして作製したセルの燃料極側に
燃料極集電体であるNiフェルトを積層し、セルの空気
極側に前記純銀フェルトからなる空気極集電体を積層
し、さらにこれら燃料極集電体および空気極集電体の上
に前記セパレータを積層させて図1に示される構造を有
する本発明固体電解質燃料電池1を作製した。
【0019】このようにして得られた本発明固体電解質
燃料電池1を700℃に保持しながら燃料ガスとして乾
燥水素ガスを流し、酸化剤ガスとして空気を流し、本発
明固体電解質燃料電池1について0.7Vにおける電流
密度を測定し、その結果を表1に示した。
【0020】実施例2 純銀からなる平均太さ:20μmを有する純銀細線を用
意した。この純銀細線を用いて純銀メッシュを作製し、
この純銀メッシュからなる空気極集電体を作製した。こ
の純銀メッシュからなる空気極集電体をセルの空気極側
に積層することにより実施例1と同様にして図1に示さ
れる構造を有する本発明固体電解質燃料電池2を作製
し、この本発明固体電解質燃料電池2について0.7V
における電流密度を測定し、その結果を表1に示した。
【0021】実施例3 平均太さ:20μm、平均長さ:3mmを有するNi繊
維を用意した。このNi繊維の表面にNi下地メッキし
たのち純銀をメッキすることにより純銀メッキNi繊維
を作製し、この純銀メッキNi繊維を金型に充填し、軽く
プレス成形したのち、900℃で10分間焼成すること
により空隙率:82%、厚さ:0.7mmの純銀メッキN
i繊維フェルトを作製し、この純銀メッキNi繊維フェ
ルトを用いて空気極集電体を作製し、この空気極集電体
を組み込んだ本発明固体電解質燃料電池3を作製し、こ
の本発明固体電解質燃料電池3について0.7Vにおけ
る電流密度を測定し、その結果を表1に示した。
【0022】実施例4 純Niからなる平均太さ:30μmを有する純Ni細線
を用意した。このNi細線で作製したNiメッシュの表
面にNi下地メッキしたのち純銀をメッキすることによ
り純銀メッキNiメッシュを作製し、この純銀メッキN
iメッシュからなる空気極集電体を作製した。この純銀
メッキNiメッシュからなる空気極集電体をセルの空気
極側に積層することにより実施例1と同様にして図1に
示される構造を有する本発明固体電解質燃料電池4を作
製し、この本発明固体電解質燃料電池4について0.7
Vにおける電流密度を測定し、その結果を表1に示し
た。
【0023】実施例5 平均太さ:20μm、平均長さ:3mmを有するインコ
ネル600(成分組成:Cr:15.5%,Fe:7
%,残部Niおよび不可避不純物)からなるNi合金繊
維を用意した。このNi合金繊維の表面にNi下地メッ
キしたのち純銀をメッキすることにより純銀メッキNi
合金繊維を作製し、この純銀メッキNi合金繊維を金型
に充填し、軽くプレス成形したのち、900℃で10分
間焼成することにより空隙率:82%、厚さ:0.7mm
の純銀メッキNi合金繊維フェルトを作製し、この純銀
メッキNi合金繊維フェルトを用いて空気極集電体を作
製し、この空気極集電体を組み込んだ本発明固体電解質
燃料電池5を作製し、この本発明固体電解質燃料電池5
について0.7Vにおける電流密度を測定し、その結果
を表1に示した。
【0024】実施例6 インコネル600(成分組成:Cr:15.5%,F
e:7%,残部Niおよび不可避不純物)からなる平均
太さ:30μmを有するNi合金細線を用意した。この
Ni合金細線で作製したNi合金メッシュの表面にNi
下地メッキしたのち純銀をメッキすることにより純銀メ
ッキNi合金メッシュを作製し、この純銀メッキNi合
金メッシュからなる空気極集電体を作製した。この純銀
メッキNi合金メッシュからなる空気極集電体をセルの
空気極側に積層することにより実施例1と同様にして図
1に示される構造を有する本発明固体電解質燃料電池6
を作製し、この本発明固体電解質燃料電池6について
0.7Vにおける電流密度を測定し、その結果を表1に
示した。
【0025】実施例7 平均太さ:20μm、平均長さ:3mmを有するSUS
304ステンレス鋼(成分組成:Cr:18%,Ni:
8%,残部Feおよび不可避不純物)からなるFe基合
金繊維を用意した。このFe基合金繊維の表面にNi下
地メッキしたのち純銀をメッキすることにより純銀メッ
キFe基合金繊維を作製し、この純銀メッキFe基合金
繊維を金型に充填し、軽くプレス成形したのち、900
℃で10分間焼成することにより空隙率:82%、厚
さ:0.7mmの純銀メッキFe基合金繊維フェルトを作
製し、この純銀メッキFe基合金繊維フェルトを用いて
空気極集電体を作製し、この空気極集電体を組み込んだ
本発明固体電解質燃料電池7を作製し、この本発明固体
電解質燃料電池7について0.7Vにおける電流密度を
測定し、その結果を表1に示した。
【0026】実施例8 SUS304ステンレスステンレス鋼(成分組成:C
r:18%,Ni:8%,残部Feおよび不可避不純
物)からなる平均太さ:30μmを有するFe基合金細
線を用意した。このFe基合金細線で作製したFe基合
金メッシュの表面にNi下地メッキしたのち純銀をメッ
キすることにより純銀メッキFe基合金メッシュを作製
し、この純銀メッキFe基合金メッシュからなる空気極
集電体を作製した。この純銀メッキFe基合金メッシュ
からなる空気極集電体をセルの空気極側に積層すること
により実施例1と同様にして図1に示される構造を有す
る本発明固体電解質燃料電池8を作製し、この本発明固
体電解質燃料電池8について0.7Vにおける電流密度
を測定し、その結果を表1に示した。
【0027】実施例9 平均太さ:20μm、平均長さ:3mmを有するCoか
らなるCo繊維を用意した。このCo繊維の表面にNi
下地メッキしたのち純銀をメッキすることにより純銀メ
ッキCo繊維を作製し、この純銀メッキCo繊維を金型
に充填し、軽くプレス成形したのち、900℃で10分
間焼成することにより空隙率:82%、厚さ:0.7mm
の純銀メッキCo繊維フェルトを作製し、この純銀メッ
キCo繊維フェルトを用いて空気極集電体を作製し、こ
の空気極集電体を組み込んだ本発明固体電解質燃料電池
9を作製し、この本発明固体電解質燃料電池9について
0.7Vにおける電流密度を測定し、その結果を表1に
示した。
【0028】実施例10 Coからなる平均太さ:30μmを有するCo細線を用
意した。このCo細線で作製したCoメッシュの表面に
Ni下地メッキしたのち純銀をメッキすることにより純
銀メッキCoメッシュを作製し、この純銀メッキCoメ
ッシュからなる空気極集電体を作製した。この純銀メッ
キCoメッシュからなる空気極集電体をセルの空気極側
に積層することにより実施例1と同様にして図1に示さ
れる構造を有する本発明固体電解質燃料電池10を作製
し、この本発明固体電解質燃料電池10について0.7
Vにおける電流密度を測定し、その結果を表1に示し
た。
【0029】従来例1 さらに、比較のために、白金メッシュからなる空気極集
電体を用意し、この白金メッシュからなる空気極集電体
を組み込む以外は実施例1と全く同様にして従来固体電
解質燃料電池1を作製し、この従来固体電解質燃料電池
1について、0.7Vにおける電流密度を測定し、その
結果を表1に示した。
【0030】
【表1】
【0031】表1に示される結果から、純銀フェルトか
らなる空気極集電体を組み込んだ本発明固体電解質燃料
電池1、純銀メッシュからなる空気極集電体を組み込ん
だ本発明固体電解質燃料電池2、純銀メッキNiフェル
トからなる空気極集電体を組み込んだ本発明固体電解質
燃料電池3、純銀メッキNiメッシュからなる空気極集
電体を組み込んだ本発明固体電解質燃料電池4、純銀メ
ッキNi合金フェルトからなる空気極集電体を組み込ん
だ本発明固体電解質燃料電池5、純銀メッキNi合金メ
ッシュからなる空気極集電体を組み込んだ本発明固体電
解質燃料電池6、純銀メッキFe基合金フェルトからな
る空気極集電体を組み込んだ本発明固体電解質燃料電池
7、純銀メッキFe基合金メッシュからなる空気極集電
体を組み込んだ本発明固体電解質燃料電池8、純銀メッ
キCoフェルトからなる空気極集電体を組み込んだ本発
明固体電解質燃料電池9、および純銀メッキCoメッシ
ュからなる空気極集電体を組み込んだ本発明固体電解質
燃料電池10は、いずれも従来例1で作製した白金メッ
シュからなる空気極集電体を組み込んだ従来固体電解質
燃料電池1に比べて、0.7Vにおける電流密度は大幅
に向上していることが分かる。
【0032】
【発明の効果】この発明の銀フェルトからなる空気極集
電体、銀メッシュからなる空気極集電体、銀メッキフェ
ルトからなる空気極集電体、および銀メッキメッシュか
らなる空気極集電体をそれぞれ組み込んだ固体電解質型
燃料電池は、従来の白金メッシュからなる空気極集電体
を組み込んだ固体電解質型燃料電池と比べていずれも
1.6倍以上の発電特性を示すところから、900℃以
下に下げて作動させても優れた発電特性を有し、低温で
作動できるから使用寿命を延ばすことができ、さらに低
コストの材料を使用することができるので製造コストを
下げることができて燃料電池産業の発展に大いに寄与す
るものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】固体電解質型燃料電池の構造を説明するための
断面概略図である。
【符号の説明】
1 空気極集電体 2 空気極 3 電解質 4 セパレータ 5 燃料極 6 燃料極集電体 7 溝 8 溝 9 セル

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】銀繊維からなる銀フェルトで構成したこと
    を特徴とする固体電解質型燃料電池の空気極集電体。
  2. 【請求項2】銀細線からなる銀メッシュで構成したこと
    を特徴とする固体電解質型燃料電池の空気極集電体。
  3. 【請求項3】銀よりも高温強度に優れた金属または合金
    からなる金属繊維の表面にニッケル下地メッキしたのち
    銀メッキして得られた銀メッキ繊維からなる銀メッキフ
    ェルトで構成したことを特徴とする固体電解質型燃料電
    池の空気極集電体。
  4. 【請求項4】銀よりも高温強度に優れた金属または合金
    からなる金属細線からなる金属メッシュの表面にニッケ
    ル下地メッキしたのち銀メッキして得られた銀メッキメ
    ッシュで構成したことを特徴とする固体電解質型燃料電
    池の空気極集電体。
  5. 【請求項5】前記銀よりも高温強度に優れた金属または
    合金は、NiまたはNi基合金、FeまたはFe基合
    金、CoまたはCo基合金であることを特徴とする請求
    項3または4記載の固体電解質型燃料電池の空気極集電
    体。
  6. 【請求項6】請求項1、2、3、4または5記載の空気
    極集電体を組み込んだ固体電解質型燃料電池。
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