JP2002334706A

JP2002334706A - 電池要素層支持体及び固体電解質型燃料電池用セル板

Info

Publication number: JP2002334706A
Application number: JP2001137049A
Authority: JP
Inventors: Itaru Shibata; 格柴田; Mitsugi Yamanaka; 貢山中; Noritoshi Sato; 文紀佐藤; Masaharu Hatano; 正治秦野; Keiko Kushibiki; 圭子櫛引; Naoki Hara; 直樹原; Tatsuhiro Fukuzawa; 達弘福沢; Makoto Uchiyama; 誠内山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-05-08
Filing date: 2001-05-08
Publication date: 2002-11-22

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】機械的強度に優れ通常の金属基板と同等の支
持性及び取扱性を有し、しかも耐熱変形性にも優れた電
池要素層支持体及びこれを用いたＳＯＦＣ用セル板を提
供すること。【解決手段】固体電解質層２に燃料極層１又は３と空
気極層１又は３を挟着した電池要素層６を支持する固体
電解質型燃料電池用の電池要素層支持体７である。電池
要素層と接合する多孔質金属体４と、耐酸化性及び耐還
元性を持つ耐酸化還元材料から成る補強材５を有する。
この電池要素支持体を用いた固体電解質型燃料電池用セ
ル板である。電池要素層支持体と、電池要素層の燃料極
層又は空気極層とを接合して成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質型燃料
電池の電池要素層を支持する支持体及び固体電解質型燃
料電池用のセル板に係り、更に詳細には、多孔質金属体
及び所定の補強材を備え、優れた支持性及び取扱性を有
する電池要素層支持体、及びこれを用いた固体電解質型
燃料電池用セル板に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高エネルギー変換が可能で、地球
環境に優しいクリーンエネルギー源として燃料電池が注
目されている。各種燃料電池のうち、固体電解質型の燃
料電池（以下、「ＳＯＦＣ」と略す）は、電解質として
イットリア安定化ジルコニアなどの酸化物イオン伝導性
固体電解質を用い、その両面（表裏面）に多孔質電極を
被着し、固体電解質を隔壁として一方の側に水素や炭化
水素などの燃料ガス、他方の側に空気又は酸素ガスを供
給する形式の電池であり、一般的に約１０００℃で作動
する燃料電池である。

【０００３】かかる固体電解質の導電率は、リン酸型燃
料電池や溶融炭酸塩型燃料電池の電解質の導電率に比較
して約１桁低い値となることが知られている。一般に、
電解質部分の電気抵抗は電池では発電損失となるので、
発電出力密度を向上させるためには、固体電解質を薄膜
化して膜抵抗を極力低減させることが重要となるが、電
解質部分には電池としての機能を確保すべくある程度以
上の大きさの面積が要求される。このようなことから、
ＳＯＦＣでは、機械的強度を持つ支持体上に固体電解質
膜を形成したセル構造が検討されている。

【０００４】また、特にいわゆる平板型のＳＯＦＣで
は、多孔質金属基体上に、燃料極層／固体電解質層／空
気極層から成る電池要素層をプラズマ溶射法によって積
層したセル構造（以下、「ＤＬＲセル」という）が提案
されており（”ＰｌａｓｍａＳｐｒａｙｅｄＴｈｉｎ
−ＦｉｌｍＳＯＦＣｆｏｒＲｅｄｕｃｅｄＯｐ
ｅｒａｔｉｎｇＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ”，Ｆｕｅｌ
ｌＣｅｌｌｓＢｕｌｌｅｔｉｎ，ｐｐ５９７−６０
０，２０００）、かかるＤＬＲセルが高出力密度と８０
０℃以下の作動温度を示すことが報告されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のＤＬＲセルにあっては、多孔質金属基体自体
の機械的強度が未だ十分とは言えず、この基体上に形成
される電池要素層が振動や該基体の熱変形などによって
破壊されることがあり、更には、電池要素層の形成時や
セル板のスタッキング時の取扱も困難であるという課題
がある。

【０００６】本発明は、このような従来技術の有する課
題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところ
は、機械的強度に優れ通常の金属基板と同等の支持性及
び取扱性を有し、しかも耐熱変形性にも優れた電池要素
層支持体及びこれを用いたＳＯＦＣ用セル板を提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、多孔質金属基体を
特定の補強材で適切に補強することなどにより、上記課
題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至っ
た。

【０００８】即ち、本発明の電池要素層支持体は、固体
電解質層に燃料極層と空気極層を挟着した電池要素層を
支持する固体電解質型燃料電池用の電池要素層支持体に
おいて、上記電池要素層と接合した多孔質金属体と、耐
酸化性及び耐還元性を持つ耐酸化還元材料から成る補強
材を有することを特徴とする。

【０００９】また、本発明の電池要素層支持体の好適形
態は、上記電池要素層との接合面に平滑化処理を施して
成ることを特徴とする。

【００１０】また、本発明の電池要素層支持体の他の好
適形態は、上記補強材が、上記電池要素層と多孔質金属
体との接合面の裏面側に配設されるか、上記多孔質金属
体の内部に配設されるか又は上記電池要素層と上記多孔
質金属体との接合面の裏面から該多孔質金属体の内部に
延在している断面形状を有することを特徴とする。

【００１１】更に、本発明の電池要素層支持体の他の好
適形態は、上記補強材の平面形状が、網状をなすことを
特徴とする。

【００１２】更にまた、本発明の電池要素層支持体の更
に他の好適形態は、上記耐酸化還元材料が、少なくとも
８００℃以下でも耐酸化性及び耐還元性を発揮すること
を特徴とし、この場合、更に耐硫化性を有することが望
ましい。

【００１３】また、本発明の固体電解質型燃料電池用セ
ル板は、上述の如き電池要素支持体を用いた固体電解質
型燃料電池用セル板であって、上記電池要素層支持体
と、上記電池要素層の燃料極層又は空気極層とを接合し
て成ることを特徴とする。

【００１４】

【作用】本発明においては、多孔質金属体を特定の補強
材で適切に補強することにしたため、機械的強度が向上
した電池要素層支持体が得られる。かかる機械的強度の
向上により、本発明の電池要素層支持体は、優れた耐変
形性や耐熱変形性を発揮し得るばかりか、薄層化しても
十分な強度が保持でき、更には、電池要素層との接合面
につき平滑化処理を行うことができるようになる。よっ
て、支持すべき電池要素層を薄層化することが可能であ
り、得られるＳＯＦＣの発電出力密度を向上させること
ができる。また、補強材として電気伝導性を有する材料
を用いれば、この導電性補強材を電気接続用のリードと
して使用することも可能であり、ＳＯＦＣの部品数を低
減でき、その製造を容易且つ低コストで行うことができ
るようになる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。上述の如く、本発明の電池要素層支持体は、固体
電解質層を燃料極層と空気極層で挟持した電池要素層を
支持するＳＯＦＣの電池要素層支持体である。また、多
孔質金属体と、耐酸化性及び耐還元性を有する耐酸化還
元材料から成る補強材を備えた電池要素支持体であっ
て、この多孔質金属体は、かかる電池要素層と接合す
る。

【００１６】ここで、多孔質金属体としては、ＳＯＦＣ
で使用される燃料ガスや空気を透過する程度の多孔性を
有すれば特に限定されるものではないが、各種の金属焼
結体、発泡金属体及び金属繊維不織布などを例示するこ
とができる。なお、ＳＯＦＣに使用され、４００〜１０
００℃程度の高温下で還元性ガスや酸化性ガスに曝され
ることを考慮すると、耐熱性、高温下での耐酸化性や耐
還元性、更には炭化水素系、化石燃料を使用する際に
は、それら燃料ガス中に一定量含有されるイオウ成分の
点から耐硫化性を有することが好ましく、具体的は、ニ
ッケル、銀、ニッケルクロム、ニッケルクロム鉄、ニッ
ケルクロムタングステンモリブデン、ニッケルコバル
ト、ニッケル銅、銀パラジウム、銀白金、鉄クロムニッ
ケル又は鉄クロムアルミニウムなどの金属又は合金を用
いた焼結体、発泡体及び不織布を好適に用いることがで
きる。

【００１７】次に、補強材は、耐酸化性及び耐還元性を
有する耐酸化還元材料から構成されるが、かかる耐酸化
還元材料も上述の多孔質金属体と同様に、耐熱性、高温
下での耐酸化性、耐還元性及び耐硫化性を有することが
望ましく、ニッケル、銀、ニッケルクロム、ニッケルク
ロム鉄、ニッケルクロムタングステンモリブデン、ニッ
ケルコバルト、ニッケル銅、銀パラジウム、銀白金、鉄
クロムニッケル又は鉄クロムアルミニウムなどの金属又
は合金を好適に用いることができるが、後述するような
補強材の形状や構造によっては、ニッケルと銀、上記合
金を組み合わせて、即ち異種の金属や合金から成る線や
棒を組み合わせて網状物や梁状物を形成して使用するこ
とができる。なお、上述のような金属種や合金種は、高
温下でも靱性が良好であり、この結果、得られるＳＯＦ
Ｃの耐振動性が大幅に向上する。

【００１８】以下、上記補強材の配設態様、形状及び構
造などにつき説明する。まず、第１の配設態様を図１に
示す。同図に示すように、本発明の電池要素層支持体７
は、多孔質金属体４と補強材５を備え、その上面で、固
体電解質層２に電極層１と電極層３を挟着した電池要素
層６と接合し、これを支持している。この第１配設態様
では、補強材５は多孔質金属体４の電池要素層６との接
合面（本例では上面）の裏面側（本例では下面側）に配
設されている。従って、接合面、即ち電池要素層６が形
成される面の平滑性を損なうことがなく、薄膜化した電
池要素層に割れ等が発生するのを確実に回避することが
できる。なお、本配設態様においては、補強材５が電気
伝導性を有する場合には、この補強材５をＳＯＦＣ用の
スタックやセル板を構成する電気リードとして用いるこ
とも可能であり、これにより、ＳＯＦＣの構成部品数を
低減でき、その製造工程を簡略化することができる。

【００１９】図２は、補強材の第２の配設態様を示す断
面図である。同図に示すように、この配設態様では、補
強材５は多孔質金属体４の内部に配設、即ち埋設されて
いる。従って、第１配設態様と同様に、電池要素層６が
形成される多孔質金属体４の上面の平滑性を損なうこと
がなく、薄膜化した電池要素層に割れ等が発生するのを
確実に回避することができる。また、多孔質金属体５に
埋設されていることから、多孔質金属体５の厚さが低減
されており、この結果、得られるＳＯＦＣを薄板化でき
る。なお、補強材５が電気伝導性を有する場合には、こ
の補強材５を上述の如き電気リードとして用いることも
可能であり、上記同様の効果が得られる。

【００２０】図３は、補強材の第３の配設態様を示す断
面図である。同図に示すように、この配設態様では、補
強材５は多孔質金属体４における接合面たる上面の裏面
側、即ち下面側から内部に延在している。従って、第１
及び第２配設態様と同様に、電池要素層６が形成される
多孔質金属体４の上面の平滑性を損なうことがなく、薄
膜化した電池要素層に割れ等が発生するのを確実に回避
することができる。また、多孔質金属体５に部分的に埋
設されていることから、多孔質金属体５の厚さが低減さ
れており、得られるＳＯＦＣを薄板化できる。なお、補
強材５が電気伝導性を有する場合には、この補強材５を
上述の如き電気リードとして用いることも可能であり、
上記同様の効果が得られる。

【００２１】次に、補強材の形状等につき説明する。補
強材の形状等については、多孔質金属体のガス透過性を
過度に損なうことなくその機械的強度を向上し得るよう
な形状であれば特に限定されるものではないが、例え
ば、線状ないし棒状に形成した少なくとも１本の補強材
を同一方向に配向させて、その平面形状が梁状や桟状に
なるように配置したり、異なる方向に複数本配向させて
各種格子状に配置することができる。また、補強材の平
面形状を網状に形成することも可能であり、この場合、
網目の形状は、三角形や多角形状にすることができる
し、網目の大きさが同一である必要もない。更には、補
強材を曲線状に形成して、その複数本を適切に組み合わ
せてもよい。更にまた、補強材の平面形状を渦巻き状に
してもよい。なお、種々の方向に外力や応力が作用する
ことを想定すると、網状に形成するのが望ましい。

【００２２】このような補強材の形状は、上述した第１
〜第３の配設態様のいずれにも適用できるが、特に第３
の配設態様においては、印刷ペーストを用いて補強材の
パターンを描画することができ、各種の形状を容易に形
成することができので、好適である。その他、母体とな
る多孔質金属体をレーザー等で溶融して補強材パターン
を描画してもよく、更には金属テープや金属線を所望の
パターンに配置して溶融させてもよい。なお、上述の如
く、多孔質金属体と補強材の材質を同一にすることも可
能であり、この場合には、補強材部位の密度を多孔質金
属体部位よりも高くすることにより、補強材パターンを
形成することができる。

【００２３】上述のような補強材の材質や配設態様、形
状の採用により、本発明における多孔質金属体の機械的
強度は有意に向上され、通常の金属基板などと同等に取
り扱うことが可能になる。そして、かかる良好な機械的
強度に起因して、本発明の電池要素層支持体では、多孔
質金属体の電池要素層との接合面を各種研磨作業などに
よって平滑化処理することが可能であり、従って、従来
に比し薄膜化した電池要素層を形成することが可能にな
る。よって、得られるＳＯＦＣの電力密度を向上できる
とともに、その作動温度を引き下げることが可能にな
る。

【００２４】次に、本発明のＳＯＦＣ用セル板について
説明する。上述の如く、本発明のＳＯＦＣ用セル板は、
以上に説明した本発明の電池要素層支持体上に、燃料極
層／固体電解質層／空気極層の積層構造を有する電池要
素層を積層した構造を有するが（図１〜図３参照）、こ
の場合、電池要素層支持体と電池要素層との接合は、燃
料極層及び空気極層のいずれで行われていてもよいのは
言うまでもない。

【００２５】ここで、固体電解質層を構成する固体電解
質としては、従来公知の材料、例えば、部分安定化ジル
コニア（ＹＳＺ）、セリア及びランタンガレートなどを
用いることができる。また、燃料極層を構成する材料と
しては、ニッケル、ニッケルサーメット及び白金などを
使用することができる。一方、空気極層を構成する材料
としては、ランタンストロンチウムマンガン酸化物（Ｌ
ａ_１−ＸＳｒ_ＸＭｎＯ_３：ＬＳＭ）やランタンストロン
チウムコバルト（Ｌａ_１−ＸＳｒ_ＸＣｏＯ_３：ＬＳＣ）
などのペロブスカイト型酸化物を使用することができ、
なお、場合によっては、両電極層を同一材料で形成する
ことも可能である。

【００２６】

【実施例】以下、本発明を実施例により更に詳細に説明
するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではな
い。

【００２７】（実施例１）補強材として１ｍｍ径で目開
き５ｍｍのインコネル合金ネット、多孔質金属体として
２ｍｍ厚で気孔率９０％のインコネル合金製の発泡金属
体を用いた。また、電池要素としては、ＹＳＺ（固体電
解質：３０μｍ厚）をＮｉ−ＹＳＺ（燃料極：３０μｍ
厚）とＬＳＭ（空気極：３０μｍ厚）で挟持したものを
用いた。インコネル合金ネットを多孔質金属体の裏面に
設置し、焼結・アニールして電池要素層支持体を作成し
た。次いで、得られた電池要素層支持体の表面をＲａ＜
５μｍの条件で研磨し、しかる後、印刷法により電池要
素を形成し、図１に示す構造を有する本例のＳＯＦＣ用
セル板を作成した。多孔質金属体や補強部分などの構成
や操作内容を表１に示す。得られたセル板につき、平坦
度や平滑度を目視で観察し、また、８５０℃で４８時間
の耐熱試験を行い、得られた結果を表１に併記した。

【００２８】（実施例２）補強材として１ｍｍ径で目開
き５ｍｍのＦｅ−２０％Ｃｒ−５％Ａｌ合金ネット、多
孔質金属体として０．５ｍｍ厚で気孔率４０％のＦｅ−
２０％Ｃｒ−５％Ａｌ製不織布を用い、電池要素として
は、実施例１と層厚さ及び製膜法の異なるものを用い
た。即ち、補強材であるＦｅ−２０％Ｃｒ−５％Ａｌ合
金ネットをＦｅ−２０％Ｃｒ−５％Ａｌ製不織布で挟み
込み、焼結・アニールを行い、電池要素層支持体を作成
した。次いで、燃料極層を製膜した後、その燃料極層を
Ｒａ＜１μｍの条件で表面研磨し、更に固体電解質層及
び空気極層を製膜して、図２に示す構造を有する本例の
ＳＯＦＣ用セル板を作成した。表１に、部材の構成や性
能試験結果などを示す。

【００２９】（実施例３）多孔質金属体として実施例１
と同様のインコネル合金製発泡体を用い、補強材は、こ
の多孔質金属体内部に１ｍｍ幅で５ｍｍ間隔の網状のＮ
ｉ印刷を施して高密度部分を形成することにより作成し
た。また、電池要素としては、実施例１と層厚さ及び製
膜法の異なるものを用いた。即ち、Ｎｉペーストで描画
した後、焼結・アニールを行って補強材（補強部分）を
形成して電池要素層支持体を得た。次いで、この電極要
素層支持体に燃料極層を製膜した後、Ｒａ＜１μｍの条
件で表面研磨し、更に固体電解質層及び空気極層を製膜
して、図３に示す構造を有する本例のＳＯＦＣ用セル板
を作成した。表１に、部材の構成や性能試験結果などを
示す。

【００３０】

【表１】

【００３１】（比較例１）補強材を設置しなかった以外
は実施例１と同様の操作を繰り返し、図４に示す構造を
有する本例のセル板を得た。多孔質金属体や電池要素の
構成などを表２に示す。また、上記同様の性能評価を行
い、得られた結果を表２に併記した。

【００３２】（比較例２）補強材を設置しなかった以外
は実施例２と同様の操作を繰り返し、図５に示す構造を
有する本例のセル板を得た。多孔質金属体や電池要素の
構成などを表２に示す。また、上記同様の性能評価を行
い、得られた結果を表２に併記した。

【００３３】

【表２】

【００３４】表１及び表２より、本発明の範囲に属する
実施例１〜３のセル板が、比較例１及び２に比し優れた
耐熱強度を有することが明らかである。なお、実施例中
では、板厚を薄くでき、ＳＯＦＣ小型化の観点から、現
時点においては実施例２が最も良好と言える。

【００３５】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、多孔質金属基体を特定の補強材で適切に補強するこ
となどとしたため、機械的強度に優れ通常の金属基板と
同等の支持性及び取扱性を有し、しかも耐熱変形性にも
優れた電池要素層支持体及びこれを用いたＳＯＦＣ用セ
ル板を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電池要素層支持体及びセル板の一例を
示す断面図である。

【図２】本発明の電池要素層支持体及びセル板の他の例
を示す断面図である。

【図３】本発明の電池要素層支持体及びセル板の更に他
の例を示す断面図である。

【図４】本発明の範囲外のセル板の一例を示す断面図で
ある。

【図５】本発明の範囲外のセル板の他の例を示す断面図
である。

【符号の説明】

１電極層２固体電解質層３電極層４多孔質金属体５補強材６電池要素層７電池要素層支持体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤文紀神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者秦野正治神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者櫛引圭子神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者原直樹神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者福沢達弘神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者内山誠神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB00 CX01 EE02 EE08 HH05 HH08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体電解質層に燃料極層と空気極層を挟
着した電池要素層を支持する固体電解質型燃料電池用の
電池要素層支持体において、上記電池要素層と接合する多孔質金属体と、耐酸化性及
び耐還元性を持つ耐酸化還元材料から成る補強材を有す
ることを特徴とする電池要素層支持体。
【請求項２】上記電池要素層との接合面に平滑化処理
を施して成ることを特徴とする請求項１に記載の電池要
素層支持体。
【請求項３】上記補強材が、上記電池要素層と多孔質
金属体との接合面の裏面側に配設されていることを特徴
とする請求項１又は２に記載の電池要素層支持体。
【請求項４】上記補強材が、上記多孔質金属体の内部
に配設されていることを特徴とする請求項１又は２に記
載の電池要素層支持体。
【請求項５】上記補強材が、上記電池要素層と上記多
孔質金属体との接合面の裏面から該多孔質金属体の内部
に延在している断面形状を有することを特徴とする請求
項１又は２に記載の電池要素層支持体。
【請求項６】上記補強材は、耐酸化還元材料が上記多
孔質金属体を構成する金属と同種又は異種の金属から成
り、該多孔質基金属体よりも高密度であることを特徴と
する請求項４又は５に記載の電池要素層支持体。
【請求項７】上記補強材の平面形状が、網状をなすこ
とを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載
の電池要素層支持体。
【請求項８】上記耐酸化還元材料が、少なくとも８０
０℃以下でも耐酸化性及び耐還元性を発揮することを特
徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の電池
要素層支持体。
【請求項９】上記耐酸化還元材料が、更に耐硫化性を
有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つの
項に記載の電池要素層支持体。
【請求項１０】上記耐酸化還元材料が、ニッケルクロ
ム、ニッケルクロム鉄、ニッケルクロムタングステンモ
リブデン、ニッケルコバルト、ニッケル銅、銀パラジウ
ム、銀白金、鉄クロムニッケル及び鉄クロムアルミニウ
ムから成る群より選ばれた少なくとも１種の合金である
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つの項に記
載の電池要素層支持体。
【請求項１１】上記多孔質金属体が、ニッケル、銀、
ニッケルクロム、ニッケルクロム鉄、ニッケルクロムタ
ングステンモリブデン、ニッケルコバルト、ニッケル
銅、銀パラジウム、銀白金、鉄クロムニッケル又は鉄ク
ロムアルミニウムを含有することを特徴とする請求項１
〜１０のいずれか１つの項に記載の電池要素層支持体。
【請求項１２】請求項１〜１１のいずれか１つの項に
記載の電池要素支持体を用いた固体電解質型燃料電池用
セル板であって、上記電池要素層支持体と、上記電池要素層の燃料極層又
は空気極層とを接合して成ることを特徴とする固体電解
質型燃料電池用セル板。