JP2003297388A

JP2003297388A - 燃料電池セル及びセルスタック並びに燃料電池

Info

Publication number: JP2003297388A
Application number: JP2002099357A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Okamoto; 和弘岡本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-04-01
Filing date: 2002-04-01
Publication date: 2003-10-17
Anticipated expiration: 2022-04-01
Also published as: JP3898551B2

Abstract

(57)【要約】【課題】内側電極における電子伝導度を高くできるとと
もに、内側電極の貫通孔を通過するガスを有効利用でき
る燃料電池セル及びセルスタック並びに燃料電池を提供
する。【解決手段】燃料側電極２１の外面に、固体電解質２
３、酸素側電極２５を順次形成してなるとともに、燃料
側電極２１が、緻密な耐還元性セラミックスからなる導
電性芯材２１ａの周囲に、軸長方向にガス通過可能な多
孔質導電体２１ｂを形成してなるもので、多孔質導電体
２１ｂは、多数の貫通孔２１ｂ１が軸長方向に形成され
たハニカム状である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発電性能が良好な
燃料電池セル及びセルスタック並びに燃料電池に関する
ものである。

【０００２】

【従来技術】次世代エネルギーとして、近年、燃料電池
セルのスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々
提案されている。

【０００３】図４は、従来の固体電解質型燃料電池のセ
ルスタックを示すもので、このセルスタックは、複数の
燃料電池セル１（１ａ、１ｂ）を集合させ、一方の燃料
電池セル１ａと他方の燃料電池セル１ｂとの間に金属フ
ェルトからなる集電部材５を介在させ、一方の燃料電池
セル１ａの燃料側電極７と他方の燃料電池セル１ｂの酸
素側電極１１とを電気的に接続して構成されていた。

【０００４】燃料電池セル１（１ａ、１ｂ）は、円筒状
の金属からなる燃料側電極７の外周面に、固体電解質
９、導電性セラミックスからなる酸素側電極１１を順次
設けて構成されており、固体電解質９、酸素側電極１１
から露出した燃料側電極７には、酸素側電極１１に接続
しないようにインターコネクタ１３が設けられている。

【０００５】このインターコネクタ１３は、燃料側電極
７のガス通過孔１５を流れる燃料ガス（水素）と、酸素
側電極１１の外側を流れる酸素含有ガス（空気）とを確
実に遮断するため、また、燃料ガス及び酸素含有ガスに
曝されても変質しにくい緻密な導電性セラミックスが用
いられている。

【０００６】一方の燃料電池セル１ａと他方の燃料電池
セル１ｂとの電気的接続は、一方の燃料電極１ａの燃料
側電極７を、該燃料側電極７に設けられたインターコネ
クタ１３、集電部材５を介して、他方の燃料電池セル１
ｂの酸素側電極１１に接続することにより行われてい
た。

【０００７】燃料電池は、上記セルスタックを収納容器
内に収容して構成され、燃料側電極７内部に燃料（水
素）を流し、酸素側電極１１に酸素含有ガス（空気）を
流して６００〜１０００℃で発電される。

【０００８】燃料電池セル１で発電された電流は、他方
の燃料電池セル１ｂの酸素側電極１１から一方の燃料電
池セル１ａの燃料側電極７に流れる。

【０００９】また、従来、図５に示すように、燃料電池
セル２１を、複数の貫通孔２３を有する電極基体２４の
外面に、固体電解質２６、外側電極２８を形成して構成
することが知られている（特開平５−３６４１７号公報
等参照）。貫通孔２３は、平板状の電極基体２４の幅方
向に所定間隔を置いて形成されている。尚、符号２９は
インターコネクタである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記した図４の燃料電
池セル１では、円筒状の燃料側電極７の内部には一つの
ガス通過孔１５が形成されており、その内部を燃料ガス
が流れるが、ガス通過孔１５内の燃料ガスは、流体力学
上、燃料側電極７の内面での流通量はガス通過孔１５中
央部よりも少なく、固体電解質９への燃料ガス供給量が
未だ低く、燃料ガスを有効に利用していないという問題
があった。

【００１１】また、上記した図５の燃料電池セル２１で
も、図４の燃料電池セル１の場合と同様、燃料ガスは、
貫通孔２３中心部を通過し、上記と同様、固体電解質２
６への燃料ガス供給量が未だ低く、燃料ガスを有効に利
用していないという問題があった。

【００１２】さらに図５の燃料電池セル２１では、電極
基体２４が水素等が流れる燃料側電極である場合、金属
酸化物で電極基体２４を作製し、後で還元して金属化さ
れるが、貫通孔２３間、または貫通孔２３と固体電解質
２６との間の距離が長く、即ち、電極厚みが厚いため、
また、上記したように燃料ガスが貫通孔２３の中央部を
流通するため、電極基体２４が還元され難く、電子伝導
度が低くなる傾向があり、発電性能を十分に発揮できな
いという問題があった。

【００１３】本発明は、内側電極における電子伝導度を
高くできるとともに、内側電極を通過するガスを有効利
用できる燃料電池セル及びセルスタック並びに燃料電池
を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池セル
は、内側電極の外面に、固体電解質、外側電極を順次形
成してなるとともに、前記内側電極が、耐還元性セラミ
ックスからなる導電性芯材の周囲に、軸長方向にガス通
過可能な多孔質導電体を形成してなることを特徴とす
る。

【００１５】このような燃料電池セルでは、内側電極
が、耐還元性セラミックスからなる導電性芯材の周囲
に、軸長方向にガス通過可能な多孔質導電体を形成して
なるため、例えば導電性芯材として緻密質の耐還元性セ
ラミックスを用いることにより、ガスは内側電極の中心
部においては流れず、固体電解質により近い外周部の多
孔質導電体を流れ、固体電解質表面へのガス供給量を増
加でき、内側電極に供給されるガスを有効利用でき、発
電性能を向上できる。

【００１６】また、発電電流は内側電極の多孔質導電
体、導電性芯材を流れることができるため、電流経路を
短くでき、内部抵抗を小さくでき、電圧勾配を小さくす
ることができる。

【００１７】さらに、内側電極が水素等が流れる側に形
成された燃料側電極である場合、内側電極の多孔質導電
体に還元ガスを流通させ、多孔質導電体を還元させて金
属化させるが、上記したように、内側電極を通過する還
元ガスを拡散して流すことができるため、内側電極の多
孔質導電体の還元が確実にかつ短時間になされ、内側電
極の電子伝導度を短時間でかつ確実に向上でき、発電性
能を十分に発揮することができる。また、内側電極の中
心部の導電性芯材は耐還元性セラミックスからなるた
め、多孔質導電体の還元処理時にも還元することなく優
れた導電性を有することができる。

【００１８】さらに、内側電極の中央部を、例えば緻密
な導電性芯材により形成することにより、発電に寄与し
ない内側電極の中央部ではガスが流れず、内側電極の外
周部、即ち固体電解質側をガスが流れ、内側電極から固
体電解質表面へのガス供給量を増加でき、内側電極内部
に供給されるガスを有効利用でき、発電性能をさらに向
上できる。

【００１９】また、本発明の燃料電池セルでは、多孔質
導電体は、多数の貫通孔が軸長方向に形成されたハニカ
ム状であることを特徴とする。内側電極の外周部、即ち
固体電解質側をハニカム状の多孔質導電体で構成するこ
とにより、多孔質導電体を流れるガスを均一に拡散し
て、固体電解質へのガス供給量をさらに増加でき、内側
電極内部に供給されるガスを有効利用できる。

【００２０】さらに、本発明の燃料電池セルでは、固体
電解質及び外側電極が形成されていない内側電極の表面
にインターコネクタが形成されていることを特徴とす
る。このような場合には、上記したように、電流が内側
電極の多孔質導電体、導電性芯材を流れ、外側電極、イ
ンターコネクタ間を直線的に流れることができるため、
電流経路を短くして燃料電池セルにおける内部抵抗を小
さくできる。

【００２１】また、本発明の燃料電池セルでは、導電性
芯材は、インターコネクタと同一材料、又はＬａＣｒＯ
₃系材料により形成できる。インターコネクタは、上記
したように水素等の還元性ガス（燃料ガス）と、空気等
の酸素含有ガスに曝されても変質しにくい材料で形成さ
れているため、還元性ガスや酸素含有ガスが流通する電
極材料として用いても優れた導電性を有することができ
る。また、ＬａＣｒＯ ₃系材料も、同様に還元性ガスや
酸素含有ガスが流通する雰囲気でも電極材料として優れ
た導電性を有する。

【００２２】本発明の燃料電池セルは内側電極が扁平状
であることを特徴とする。内側電極が扁平状である場合
には、電極の周方向の距離が長いため、内側電極の対向
する部分間の電流経路が長くなる傾向にあるため、本発
明を好適に用いることができる。

【００２３】本発明のセルスタックは、上記燃料電池セ
ルが複数集合してなるものである。また、本発明の燃料
電池は、上記燃料電池セルを収納容器内に複数収容して
なるものである。このような燃料電池では、燃料電池セ
ルが、電極における内部抵抗を小さくできるとともに、
内側電極を通過するガスを有効利用できるため、発電量
を大きくすることができるとともに、燃料使用量を低減
できる。

【００２４】

【発明の実施の形態】図１は本発明の燃料電池セルの斜
視図を示すもので、燃料電池セルは扁平状とされてい
る。この燃料電池セルは、扁平状の燃料側電極２１（内
側電極）の一方側の外面に、緻密質な固体電解質２３、
多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極２５
（外側電極）を順次積層し、燃料側電極２１の他方側の
外面にインターコネクタ２７を積層して構成されてお
り、燃料側電極２１が支持体となっている。

【００２５】燃料電池セルは断面が扁平で、全体的に見
て楕円柱状であり、緻密な耐還元性セラミックスからな
る扁平状の導電性芯材２１ａの周囲（側面）に、軸長方
向にガス通過可能な多孔質導電体２１ｂを形成して構成
されている。多孔質導電体２１ｂは、多数の貫通孔２１
ｂ１が軸長方向（長さ方向）に形成されたハニカム状と
されている。

【００２６】尚、図１は多数の貫通孔２１ｂ１を環状に
形成したが、貫通孔２１ｂ１を導電性芯材２１ａと固体
電解質２３との間であればランダムに形成しても良い。
また、燃料側電極２１の中央部に扁平状の導電性芯材２
１ａを形成したが、扁平状でなく円柱状等であっても良
く芯材となれば良いが、固体電解質２３へのガス供給量
を増加するという点から燃料側電極２１の形状に相似す
る形状、図１の場合には扁平状であることが望ましい。

【００２７】導電性芯材２１ａは、インターコネクタ２
７と同一材料により形成されている。インターコネクタ
２７と同一材料で形成することにより、燃料電池セルを
作製するための材料で対応でき、別個に導電性芯材２１
ａを形成する材料を準備する必要がない。尚、導電性芯
材２１ａは、緻密な耐還元性セラミックスであればどの
ような材料を用いても良いが、一般に用いられているＬ
ａＣｒＯ₃系材料を好適に用いることができる。インタ
ーコネクタ２７と組成は異なるが、成分が同一のものを
用いても良い。

【００２８】燃料電池セルは、断面形状が、幅方向両端
に設けられた弧状部と、これらの弧状部を連結する一対
の平坦部とから構成されており、一対の平坦部は平坦で
あり、ほぼ平行に形成されている。これらの一対の平坦
部は、燃料側電極２１の平坦部にインターコネクタ２
７、又は固体電解質２３、酸素側電極２５を形成して構
成されている。

【００２９】尚、燃料側電極２１は扁平状である必要は
なく、円柱状、楕円柱状であっても良く、四角柱状であ
っても良いが、扁平状である場合には発電する面積を増
加させることができ、所定容積当たりの発電量を向上で
きる。

【００３０】燃料側電極２１の多孔質導電体２１ｂに形
成された貫通孔２１ｂ１の孔径は１ｍｍ以下とされてい
る。このように孔径が小さいため、燃料側電極２１の多
孔質導電体２１ｂを流れるガスを十分に拡散できる。特
に、貫通孔２１ｂ１の孔径は、２０〜５００μｍである
ことが望ましい。また、燃料側電極２１の多孔質導電体
２１ｂに形成された貫通孔２１ｂ１の断面形状は円形だ
けでなく、楕円形、四角形等何れでも良い。

【００３１】燃料側電極２１の多孔質導電体２１ｂは、
Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｒｕのうちいずれか一種の金属又は
金属酸化物、もしくはこれらの合金又は合金酸化物を主
成分とするものであり、これら以外に、外面の固体電解
質２３への接合強度を向上し、固体電解質２３の熱膨張
係数に近似させるため、固体電解質材料を含有すること
が望ましい。金属又は金属酸化物としては、コストの観
点からＮｉ又はＮｉＯが望ましい。

【００３２】燃料側電極２１の外面に設けられた固体電
解質２３は、３〜１５モル％のＹ、希土類元素を含有し
た部分安定化あるいは安定化ＺｒＯ₂からなる緻密質な
セラミックスが用いられている。燃料側電極２１と固体
電解質２３との間には、燃料側電極２１との接合強度を
向上するため、緻密層からなる接合層を介在させても良
い。この固体電解質２３の厚みは、ガス透過を防止する
という点から１０〜１００μｍであることが望ましい。

【００３３】また、酸素側電極２５は、ＬａＭｎＯ₃系
材料、ＬａＦｅＯ₃系材料、ＬａＣｏＯ₃系材料の少なく
とも一種の多孔質の導電性セラミックスから構成されて
いる。酸素側電極２５は、６００〜１０００℃程度の比
較的低温での電気伝導性が高いという点からＬａＦｅＯ
₃系材料が望ましい。酸素側電極２５の厚みは、集電性
という点から３０〜１００μｍであることが望ましい。

【００３４】燃料側電極２１外面の一部には、その軸長
方向に固体電解質２３及び酸素側電極２５が形成されて
いない部分を有しており、この露出した燃料側電極２１
の外面には、導電性セラミックスからなるインターコネ
クタ２７が形成されている。

【００３５】このインターコネクタ２７の厚みは、緻密
性と電気抵抗という点から３０〜２００μｍであること
が望ましい。インターコネクタ２７は、ＬａＣｒＯ₃系
材料の導電性セラミックスから構成されている。インタ
ーコネクタ２７は、燃料側電極２１の内外の燃料ガス、
酸素含有ガスの漏出を防止するため緻密質とされてお
り、また、インターコネクタ２７の内外面は、燃料ガ
ス、酸素含有ガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性
を有している。インターコネクタ２７の端面と固体電解
質２３の端面との間には、シール性を向上すべく接合層
を介在させても良い。

【００３６】以上のような燃料電池セルの製造方法につ
いて説明する。先ず、インターコネクタ２７を形成する
ＬａＣｒＯ₃系材料と、有機バインダー及び有機溶媒と
を混合した、インターコネクタ材料を用いて扁平状の導
電性芯材成形体を作製する。

【００３７】また、例えば、ＮｉＯ粉末と、Ｙを含有し
たＺｒＯ₂（ＹＳＺ）粉末と、有機バインダー及び有機
溶媒とを混合した燃料側電極材料を押出成形して、貫通
孔が軸長方向に形成された多数のチューブ状成形体を作
製する。

【００３８】この後、多数のチューブ状成形体を、導電
性芯材成形体の周囲に、その側面同士が当接するように
束ねて加圧成形し、導電性芯材成形体の側面に多孔質導
電体の成形体が形成された扁平状の燃料側電極成形体を
作製する。

【００３９】次に、例えば、ＹＳＺ粉末と、有機バイン
ダーと、溶媒とを混合した、固体電解質材料を用いてシ
ート状成形体を作製し、このシート状成形体を、燃料側
電極成形体上に、その両端間が所定間隔をおいて離間す
るように巻き付け、乾燥する。

【００４０】この後、上記インターコネクタ材料を用い
てシート状成形体を作製し、このシート状成形体を、露
出した燃料側電極成形体の外面に積層し、燃料側電極成
形体の外面に固体電解質のシート状成形体、インターコ
ネクタのシート状成形体が積層された積層成形体を作製
する。

【００４１】次に、この積層成形体を脱バインダ処理
し、酸素含有雰囲気中で１３００〜１６００℃で同時焼
成し、この積層体を、例えば、ＬａＦｅＯ₃系材料と、
溶媒を含有するペースト中に浸漬し、固体電解質の表面
に酸素側電極成形体をディッピングにより形成し、１０
００〜１３００℃で焼き付けることにより、図１の燃料
電池セルを作製できる。尚、ＮｉＯを主成分とする燃料
側電極２１は、発電前に還元したり、或いは発電中に還
元される。

【００４２】尚、上記方法では、一旦、導電性芯材成形
体、チューブ状成形体を作製し、燃料側電極成形体を作
製した後、この燃料側電極成形体の外面にシート状成形
体を積層したが、例えば、サーキュライダ、マルチマニ
ホールドダイ、フィードブロックダイを用いた押出成形
機によって、導電性芯材成形体、チューブ状成形体、燃
料側電極成形体の作製、シート状成形体の積層を一度に
行うこともできる。

【００４３】また、上記形態では、焼結体上に酸素側電
極２５をディップ法により形成し、焼き付けて形成した
が、酸素側電極２５を形成するためのシート状成形体
を、固体電解質２３を形成するためのシート状成形体上
に積層し、同時焼成して形成することもできる。

【００４４】さらに、燃料側電極成形体の上面にシート
状成形体を積層した例について説明したが、ディップ法
により固体電解質２３、酸素側電極２５、インターコネ
クタ２７を形成しても良い。

【００４５】尚、上記形態では、燃料側電極２１にイン
ターコネクタ２７を形成したが、インターコネクタを形
成せず、固体電解質２３、酸素側電極２５を全周面に形
成しても良い。また、上記形態では、燃料側電極２１を
内側電極としたが、酸素側電極２５を内側電極としても
良い。

【００４６】以上のように構成された燃料電池セルで
は、貫通孔２１ｂ１内に、例えば水素からなる燃料ガス
を供給し、酸素側電極２５側に、例えば空気を供給する
ことにより、発電することになる。

【００４７】そして、本発明の燃料電池セルでは、燃料
側電極２１が、緻密な耐還元性セラミックスからなる導
電性芯材２１ａの周囲に、軸長方向にガス通過可能な多
孔質導電体２１ｂを形成して構成したため、ガスは発電
に寄与しない燃料側電極２１の中心部においては流れ
ず、固体電解質２３により近い外周部の多孔質導電体２
１ｂを流れ、固体電解質２３表面へのガス供給量を増加
でき、燃料側電極２１に供給されるガスを有効利用で
き、発電性能を向上できる。

【００４８】また、発電電流は、インターコネクタ２
７、燃料側電極２１の多孔質導電体２１ｂ、導電性芯材
２１ａ、インターコネクタ２７に対向して形成された酸
素側電極２５を流れるため、電流が対向する電極間を直
線的に流れて電流経路を短くでき、燃料電池セルにおけ
る内部抵抗を小さくでき、電圧勾配を小さくすることが
できる。

【００４９】さらに、燃料側電極２１の多孔質導電体２
１ｂに形成された貫通孔２１ｂ１に水素等の還元ガスを
分散させて流すことができるため、燃料側電極２１の多
孔質導電体２１ｂの還元が確実にかつ短時間になされ、
燃料側電極２１の電子伝導度を短時間でかつ確実に向上
でき、発電性能を十分に発揮することができる。また、
燃料側電極２１の中心部の導電性芯材２１ａは耐還元性
セラミックスからなるため、多孔質導電体２１ｂの還元
処理時に還元することなく優れた導電性を有することが
できる。

【００５０】また、燃料側電極２１が、導電性芯材２１
ａの周囲に多孔質導電体２１ｂを形成して構成されるた
め、燃料側電極２１の強度を向上できる。

【００５１】本発明のセルスタックは、図３に示すよう
に、上記した燃料電池セル３３が複数集合してなり、一
方の燃料電池セル３３と他方の燃料電池セル３３との間
に、金属フェルト及び／又は金属板からなる集電部材３
５を介在させ、一方の燃料電池セル３３の燃料側電極２
１を、該燃料側電極２１に設けられたインターコネクタ
２７、集電部材３５を介して他方の燃料電池セル３３の
酸素側電極２５に電気的に接続して構成されている。集
電部材３５は、耐熱性、耐酸化性、電気伝導性という点
から、Ｐｔ、Ａｇ、Ｎｉ基合金、Ｆｅ−Ｃｒ鋼合金の少
なくとも一種からなることが望ましい。

【００５２】セルスタックは、複数の燃料電池セル３３
を３列に整列させ、隣設した２列の最外部の燃料電池セ
ル３３の電極同士が導電部材４１で接続され、これによ
り３列に整列した複数の燃料電池セル３３が電気的に直
列に接続している。

【００５３】本発明の燃料電池は、図３のセルスタック
を収納容器内に収容して構成されている。

【００５４】尚、本発明は上記形態に限定されるもので
はなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可
能である。

【００５５】

【発明の効果】本発明の燃料電池は、内側電極が、緻密
な耐還元性セラミックスからなる導電性芯材の周囲に、
軸長方向にガス通過可能な多孔質導電体を形成してなる
ため、ガスは内側電極の中心部においては流れず、固体
電解質により近い外周部の多孔質導電体を流れ、固体電
解質表面へのガス供給量を増加でき、内側電極に供給さ
れるガスを有効利用でき、発電性能を向上できるととも
に、発電電流は内側電極の多孔質導電体、導電性芯材を
流れることができるため、電流経路を短くでき、内部抵
抗を小さくでき、電圧勾配を小さくすることができる。

【００５６】また、内側電極が水素等が流れる側に形成
された燃料側電極である場合、内側電極の多孔質導電体
の還元が確実にかつ短時間になされ、内側電極の電子伝
導度を短時間でかつ確実に向上でき、発電性能を十分に
発揮することができるとともに、内側電極の中心部の導
電性芯材は耐還元性セラミックスからなるため、多孔質
導電体を還元処理しても還元することなく優れた導電性
を有することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池セルを示す斜視図である。

【図２】図１を拡大して示す断面図である。

【図３】本発明のセルスタックを示す横断面図である。

【図４】従来のセルスタックを示す横断面図である。

【図５】従来の固体電解質型燃料電池セルを示す斜視図
である。

【符号の説明】２１・・・燃料側電極（内側電極）２１ａ・・・導電性芯材２１ｂ・・・多孔質導電体２１ｂ１・・・貫通孔２３・・・固体電解質２５・・・酸素側電極（外側電極）２７・・・インターコネクタ３３・・・燃料電池セル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内側電極の外面に、固体電解質、外側電極
を順次形成してなるとともに、前記内側電極が、耐還元
性セラミックスからなる導電性芯材の周囲に、軸長方向
にガス通過可能な多孔質導電体を形成してなることを特
徴とする燃料電池セル。
【請求項２】多孔質導電体は、多数の貫通孔が軸長方向
に形成されたハニカム状であることを特徴とする請求項
１記載の燃料電池セル。
【請求項３】固体電解質及び外側電極が形成されていな
い内側電極の表面にインターコネクタが形成されている
ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池セル。
【請求項４】導電性芯材がインターコネクタと同一材料
からなることを特徴とする請求項３記載の燃料電池セ
ル。
【請求項５】導電性芯材がＬａＣｒＯ₃系材料からなる
ことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載
の燃料電池セル。
【請求項６】内側電極が扁平状であることを特徴とする
請求項１乃至５のうちいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項７】請求項１乃至６のうちいずれかに記載の燃
料電池セルが複数集合してなることを特徴とするセルス
タック。
【請求項８】請求項１乃至６のうちいずれかに記載の燃
料電池セルを複数収納容器内に収容してなることを特徴
とする燃料電池。