JP2948441B2 - 平板型固体電解質燃料電池 - Google Patents

平板型固体電解質燃料電池

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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は平板型固体電解質燃料電
池に関し、詳しくはそのカソード側集電体の改良に関す
る。
【0002】
【従来の技術】燃料電池は供給されるガスの化学エネル
ギーを直接電気エネルギーに変換するので、高い発電効
率が期待できる。特に固体電解質燃料電池(SOFC)
は、リン酸型燃料電池(PAFC),溶融炭酸塩型燃料
電池(MCFC)に次ぐ第三世代の燃料電池として注目
されている。
【0003】一般に、SOFCは完全固体化した燃料電
池といわれるように、電解質として主に(ZrO2
0.9 (Y2 3 0.1 等の2価又は3価の金属酸化物を
固溶した酸化ジルコニウム(安定化ジルコニア)を使用
するため、電解質(液)損失の問題がないという利点が
ある。また、これら電解質の電荷担体は酸素イオンであ
るが、この酸素イオンの導電率は常温では極めて低く、
通常約1000℃という高温でSOFCを作動させてい
るので、高品質な排熱が得られる,廃熱の利用を含める
と前記PAFCやMCFCに比べてエネルギー効率を向
上させることができる,燃料ガスの選択の巾が増える,
高電流密度で作動させることができる等の利点もある。
【0004】一方、カソード材料としては十分な導電
性,電極活性,酸素解離能及び高温酸化雰囲気において
安定であること等が要求されるため、マンガナイト系ペ
ロブスカイト型酸化物が注目され、主にLa1-X SrX
MnO3 (0≦x≦1)〔特に、La0.9 Sr0.1 Mn
3 〕等が注目されている。しかしながら、マンガナイ
ト系ペロブスカイト型酸化物は一般に焼結しやすいた
め、8%イットリウム安定化ジルコニア(8YSZ)を
混合することによりその焼結を防止し、ガス拡散に必要
な微細構造を保持している。この場合、8YSZの重量
混合比は30wt%程度であることがセル特性より好ま
しいことが分かっている。このようなSOFCの開発
は、これまで円筒型が先行していたが、現在では体積当
りの発電効率の増加が見込まれる平板型SOFCの開発
が脚光を浴びている。特に平板型SOFCの電流経路は
主に電極の厚さ方向に通るため、電流経路が円筒型に比
べて短くでき、オーミックロスの点から有利とされてい
る。
【0005】従来、平板型SOFCのカソード側集電体
としては、1000℃、酸化雰囲気で、十分な導電性が
得られ、劣化の少ない白金網が使用されているが、SO
FCの高出力化を図るためにはセルを大型化する必要が
あり、それに伴って高価な白金が多量に必要になるの
で、コストの増大を招くという問題があった。そこで、
白金網よりもコストが安く、高温酸化雰囲気において安
定な材料を用いて集電する方法が提案されている。具体
的には、カソード側セパレータにリブを形成する代わり
に、マンガナイト系ペロブスカイト型酸化物から成るリ
ブを、これと同材質から成るカソードに一体成型させた
リブ付カソードを使用する方法が提案されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記方法で
はセパレータ自身にはカソードガスのガス流量を均一化
するためのリブが全く形成されていないので、リブ付カ
ソードのリブの高さを確保することにより、カソードガ
スの流量を均一化する必要がある。したがって、通常の
カソードを使用する場合に比べてオーミックロスが増大
するという課題がある。また、形状の複雑さのため、製
造時歩留まりの向上も課題である。
【0007】本発明は上記課題を解決するため、オーミ
ックロスが小さく、且つ、大型化を図る上でもコストが
安い非常に優れた平板型固体電解質燃料電池を提供する
ことを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題に鑑
み、以下のことを特徴とする。 固体電解質板の両面にアノードとカソードとを配し
たセルと,少なくとも片面にリブを有するセパレータと
を積層させた構造の平板型固体電解質燃料電池におい
て、前記カソードのセパレータ側積層表面にはカソード
側リブと交叉して複数の集電体層の列が略等間隔に設け
られ、且つ、各集電体層はカソードよりも低量のイット
リウム安定化ジルコニアを含有するペロブスカイト型酸
化物から成ることを特徴とする。 前記ペロブスカイト型酸化物は、ランタンマンガナ
イト系或いはランタンコバルタイト系であることを特徴
とする。 前記集電体層は、10wt%以下のイットリウム安
定化ジルコニアを含有するペロブスカイト型酸化物から
成ることを特徴とする。
【0009】
【作用】上記の構成によれば、各集電体層はカソード
と同様にペロブスカイト型酸化物で構成されていると共
に、焼結防止材であるYSZの含有量がカソードのそれ
よりも低量であるので、YSZの含有量が少ない分だけ
カソードよりも焼結しやすくなる。即ち、1000℃の
高温において、リジッドであるカソード及びセパレータ
表面の粗さ,形状に応じて変形し良好な状態が得られる
ため、中間材として良好に機能する。その結果、接触抵
抗の低減を図ることができるため、オーミックロスの増
大を抑制することができる。また、従来のように高価な
白金網を使用する場合に比べてコストが安く、特にセル
の大型化を図る場合にはコストを大幅に削減することが
できる。
【0010】加えて、上記の如くYSZの重量混合比
が10%以下であれば、図2に示すように、導電率が5
0Scm-1以上となるので、オーミックロスを従来の白金
網を使用した場合と略同程度に抑制することができる。
【0011】
【実施例】
〔実施例1〕図1は本発明の一実施例に係る平板型固体
電解質燃料電池の要部を示す断面斜視図であり、3%イ
ットリア部分安定化ジルコニア(3YSZ)の焼成体か
ら成る電解質層1(大きさ:100mm×100mm,厚
さ:0.2mm)の両面に、ニッケルジルコニアサーメット
から成るアノード2及び8YSZの重量混合比が30%
であるLa0.9 Sr0.1 MnO3 から成るカソード3を
夫々塗布したセル4を、リブ5・6を片面に形成した耐
熱合金から成るセパレータ7・8(例えばインコネル6
00)で挟持した構造であり、アノード2とセパレータ
8との間には集電材9としてのニッケルフェルトが介挿
されている。また、カソード3のセパレータ側表面3a
には8YSZの重量混合比が10%であるLa0.9 Sr
0.1 MnO 3 から成る複数の列状の集電体層10が前記
セパレータ7のリブ5と略直交して略等間隔に配列され
ている。尚、前記セル4とセパレータ7・8との間の気
密は、パイレックスガラス等の非導電性高粘度融体から
成るシール材(図示せず)を用いた。
【0012】ここで、前記集電体層10を以下のように
して作製した。先ず、8YSZの重量混合比が10%と
なるように8YSZとLa0.9 Sr0. 1 MnO3 とを混
合し、この混合粉末にテレピン油を重量比10:3で混
入してスラリーを作製した。そして、このスラリーをス
クリーン印刷法によってカソード表面3a上に略等間隔
となるように塗布し、1100℃で焼き付けて、カソー
ド側リブ5と略直交して複数の列状の集電体層10(厚
さ40±10μm,幅1mm)を形成した。
【0013】このような構成の電池を、以下(A)電池
と称する。 〔実施例2〕ランタンマンガナイト系ペロブスカイト型
酸化物を使用する代わりに、ランタンコバルタイト系ペ
ロブスカイト型酸化物を使用すると共に、8YSZの重
量混合比を10wt%から0wt%にした。即ち、8Y
SZを含有しないLa0.9 Sr0.1 CoO3 粉末を用い
て上記実施例1と同様にしてスラリーを作製し、105
0℃にて焼成して集電体層10を作製する他は、上記実
施例1に準じて電池を作製した。
【0014】このような構成の電池を、以下(B)電池
と称する。 〔実施例3〕スラリーを塗布して集電体層10の厚みを
70±10μmとする他は、上記実施例1に準じて電池
を作製した。このような構成の電池を、以下(C)電池
と称する。 〔比較例1〕カソード3側の集電材として白金網を使用
する他は、上記実施例1に準じて電池を作製した。
【0015】このような構成の電池を、以下(X)電池
と称する。 〔実験1〕上記本発明の(A)電池,(B)電池,及び
比較例の(X)電池を用いて、抵抗を測定したので、そ
の結果を表1に示す。尚、実験は各電池を1000℃に
昇温し、開回路状態にて、交流4端子法により1kHz に
おける抵抗を測定するという条件である。
【0016】
【表1】
【0017】上記表1から明らかなように、本発明の
(A)電池及び(B)電池における抵抗は、比較例の
(X)電池のそれと比較して略同等或いはそれ以下に低
減した。したがって、本発明によれば従来のように白金
網を使用した場合と略同等のオーミックロスに抑えるこ
とができる。これは、本発明の(A)電池及び(B)電
池では、焼結防止材である8YSZの含有量が10wt
%,0wt%と非常に低量であるため焼結しやすく、リ
ジッドであるカソードとセパレータとの接触を得るため
の中間材として良好に機能するためである。尚、ランタ
ンコバルタイト系ペロブスカイト型酸化物の1000℃
付近での使用は、電解質としてのジルコニアとの反応が
問題となるが、本実施例においてはその影響は殆どな
い。 〔実験2〕上記本発明の(A)電池,(B)電池及び
(C)電池を使用して、カソード側集電体層の厚みと電
流密度及びセル電圧との関係について調べたので、その
結果を図3に示す。尚、実験は燃料ガスとして室温加湿
した水素を、酸化剤ガスとして空気を使用し、各電池を
1000℃に昇温するという条件である。
【0018】図3から明らかなように、(A)電池及び
(B)電池はいずれも良好な特性を示すのに対して、
(C)電池は電流密度の増大に伴ってセル電圧が低下す
ることが確認された。この理由は、(A)電池及び
(B)電池はカソード側集電体層の厚みがいずれも40
±10μmと薄いのに対して、(C)電池のそれは70
±10μmであり前記(A)電池及び(B)電池に比べ
て厚いため、カソード内への酸化剤ガスの拡散が十分で
ないためである。以上のことから、カソード側集電体層
の厚みの上限は50μm以下が好ましいと思われる。
尚、集電体層の厚みの下限は加工精度等の制約から20
μm程度である。
【0019】尚、上記実施例によれば、各集電体層はカ
ソード側リブと交叉して設けられているため、リブ下面
とカソードとの間には集電体層が介在する。したがっ
て、リブ下面に集電体層の厚みに相当するカソードガス
の流路を確保することができるので、リブ下面にもカソ
ードガスを十分に供給して、セル面内でのカソードガス
の均一化を図ることができる。 〔その他の事項〕 上記実施例においては各集電体層の幅を1mmとした
が、幅が1mm程度であればこの集電体層と対向する位置
にある電解質の界面にも酸化剤ガスを十分拡散させるこ
とができるため好ましい。 また、集電体層の焼結防
止剤として8YSZを使用したが、本発明は何らこれに
限定されるものではない。
【0020】
【発明の効果】以上の本発明によれば、各集電体層はカ
ソードと同様にペロブスカイト型酸化物で構成されてい
ると共に、焼結防止材であるYSZの含有量がカソード
のそれよりも低量であるので、YSZの含有量が少ない
分だけカソードよりも焼結しやすくなる。即ち、100
0℃の高温において、リジッドであるカソード及びセパ
レータ表面の粗さ,形状に応じて変形し良好な状態が得
られるため、中間材として良好に機能する。その結果、
接触抵抗の低減を図ることができるため、オーミックロ
スの増大を抑制することができる。また、従来のように
高価な白金網を使用する場合に比べてコストが安く、特
にセルの大型化を図る場合にはコストを大幅に削減する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る平板型固体電解質燃料
電池の要部を示す断面斜視図である。
【図2】YSZの混合比と導電率との関係を示すグラフ
である。
【図3】本発明の(A)電池,(B)電池及び(C)電
池を使用した場合における、カソード側集電体層の厚み
と電流密度及びセル電圧との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1 固体電解質板 2 アノード 3 カソード 4 セル 5・6 リブ 7・8 セパレータ 10 集電体層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 秋山 幸徳 守口市京阪本通2丁目18番地 三洋電機 株式会社内 (72)発明者 齋藤 俊彦 守口市京阪本通2丁目18番地 三洋電機 株式会社内 (56)参考文献 特開 平2−197055(JP,A) 特開 平4−12456(JP,A) 特開 平4−14762(JP,A) 特開 平5−62688(JP,A) 特開 平5−151979(JP,A) 特開 昭64−9358(JP,A) 特開 平3−201369(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01M 8/02 H01M 8/12

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固体電解質板の両面にアノードとカソー
    ドとを配したセルと,少なくとも片面にリブを有するセ
    パレータとを積層させた構造の平板型固体電解質燃料電
    池において、 前記カソードのセパレータ側積層表面にはカソード側リ
    ブと交叉して複数の集電体層の列が略等間隔に設けら
    れ、且つ、各集電体層はカソードよりも低量のイットリ
    ウム安定化ジルコニアを含有するペロブスカイト型酸化
    物から成ることを特徴とする平板型固体電解質燃料電
    池。
  2. 【請求項2】 前記ペロブスカイト型酸化物は、ランタ
    ンマンガナイト系或いはランタンコバルタイト系である
    ことを特徴とする請求項1記載の平板型固体電解質燃料
    電池。
  3. 【請求項3】 前記集電体層は、10wt%以下のイッ
    トリウム安定化ジルコニアを含有するペロブスカイト型
    酸化物から成ることを特徴とする請求項1又は請求項2
    記載の平板型固体電解質燃料電池。
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