JP3151872B2 - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

固体電解質型燃料電池

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    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
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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
に関する。
【0002】
【従来の技術と課題】固体電解質型燃料電池の一種類と
して平板タイプのものが知られている。このタイプの燃
料電池は、燃料極及び空気極を表裏面に設けた固体電解
質と、燃料極及び空気極に燃料ガス及び空気(酸素)を
均等に供給すると共に電極に発生した電荷の経路となる
ディストリビュータと、インターコネクタとで構成され
た積層体構造を有している。そして、この平板タイプの
燃料電池の製造方法として、電池を構成するそれぞれの
部分をグリーンシート状にして組み立てた後、共焼結
(同時に焼成すること)する方法がある。この製造方法
によって得られる電池は、使用するガス(燃料ガス、空
気)に対する気密性や稼働時の昇降温に対する信頼性・
耐久性に優れている。
【0003】ところで、インターコネクタは高温におい
て充分な電導率を有し、かつ、酸化・還元雰囲気に対し
て安定でなければならない。このため、インターコネク
タの材料としては、通常、ランタンクロマイトを主成分
とする材料が用いられる。しかし、焼成時において、ラ
ンタンクロマイトの収縮率は燃料電池を構成している別
部品(例えば、固体電解質等)の収縮率と大きく異なる
ため、別部品との共焼結が難しかった。
【0004】そこで、本発明の課題は、ランタンクロマ
イトを含まないインターコネクタを使用することによ
り、共焼結が可能な固体電解質型燃料電池を提供するこ
とにある。
【0005】
【課題を解決するための手段と作用】以上の課題を解決
するため、本発明に係る固体電解質型燃料電池は、イン
ターコネクタが、ジルコニアを主成分とする材料からな
る貫通穴を設けたベース板と、前記ベース板の表面又は
内部に設けた非イオン導電性材料層と、前記非イオン導
電性材料層を設けたベース板の表裏面に被覆され、か
つ、前記貫通穴に充填された導電体とで構成されている
ことを特徴とする。
【0006】以上の構成において、インターコネクタの
主たる構成部分であるベース板がジルコニアを主成分と
しているため、インターコネクタは別部品(例えば、固
体電解質やディストリビュータ等)と略等しい収縮率を
呈し、これらの別部品と剥がれやそり等を発生させるこ
となく共焼結される。そして、ジルコニアを主成分とす
る材料からなるベース板は絶縁体であるため、インター
コネクタの表裏の電気的導通は、ベース板の表裏面に被
覆され、かつ、貫通穴に充填された導電体を介して行わ
れる。さらに、ベース板はイオン導電体であるため、ベ
ース板の表裏間に逆起電力が発生し、燃料電池の性能を
低下させる心配がある。そこで、ベース板の表裏又は内
部に非イオン導電性材料層を設けた。これによりベース
板のイオン導電性が阻止され、インターコネクタの表裏
間に逆起電力が発生しなくなる。
【0007】そして、非イオン導電性材料にイオン導電
性が低いLa2Mn27を用いれば、発電の効率がよく
なる。
【0008】
【実施例】以下、本発明に係る固体電解質型燃料電池の
一実施例を添付図面を参照して説明する。図1は固体電
解質型燃料電池の一部を切り欠いた斜視図である。固体
電解質1は円板形状をしており、その材料としては8モ
ル%のイットリアを含むジルコニア粉末に有機バインダ
ーを加えてドクターブレード法でグリーンシート状にし
たものを用いた。燃料極2は酸化ニッケルとイットリア
安定化ジルコニア(以下、YSZという)を重量比1:
1で混合したNiOサーメットの粉末にワニスを加えて
ペースト状にしたものをスクリーン印刷等の手段にて固
体電解質1の上面に塗布して形成されている。空気極3
はランタンマンガナイトの粉末にワニスを加えてペース
ト状にしたものをスクリーン印刷等の手段にて固体電解
質1の下面に塗布して形成されている。
【0009】ディストリビュータ5,8は燃料極2や空
気極3に均等に燃料ガスや空気がゆきわたるように、ま
たそれぞれの電極2,3と後述のインターコネクタ12
を電気的に接続するために電極材料と同じ材料を多孔質
化して形成される。すなわち、ディストリビュータ5
は、酸化ニッケルとYSZを重量比1:1で混合したN
iOサーメットの粉末にワニスを加えてペースト状にし
たものを軟質ウレタンフォームに含浸させた後、乾燥し
て成型される。同様にして、ディストリビュータ8は、
ランタンマンガナイトの粉末にワニスを加えてペースト
状にしたものを軟質ウレタンフォームに含浸させた後、
乾燥して成型される。
【0010】環状の枠体6,9は、それぞれ空気や燃料
ガスを外気から遮断する機能を有している。枠体6,9
の材料としては、8モル%イットリアを含むジルコニア
粉末に有機バインダーを加えてグリーンシート状にした
ものを用いる。このグリーンシートをリング状に切り出
した後、複数枚重ねて厚みのある環状の枠体6,9にす
るべくプレス成型する。成型された枠体6,9は、それ
ぞれ燃料極2、空気極3の表面にYSZペーストにて接
着されている。この枠体6,9の内側に前記ディストリ
ビュータ5,8が挿入され、ディストリビュータ5はN
iOサーメットのペーストにて燃料極2に接着され、デ
ィストリビュータ8はランタンマンガナイトのペースト
にて空気極3に接着されている。
【0011】このようにして作製した未焼結状態の燃料
電池単セルをインターコネクタ12を間に挟んで複数個
積層し、共焼結することにより固体電解質型燃料電池積
層体となる。インターコネクタ12は、図2に示すよう
に、ベース板21と非イオン導電性材料層22と導電体
24a,24bとで構成されている。ベース板21は多
数の貫通穴21aが設けられている。ベース板21の材
料としては、YSZ粉末にバインダーを加えてドクター
ブレード法でグリーンシート状にしたものを使用した。
ベース板21の上面(即ち、空気極3側の面)には非イ
オン導電性材料層22が設けられている。非イオン導電
性材料層22には、イオン導電性が低い、例えば、La
2Mn27が採用されている。
【0012】 さらに、導電体24a,24bがそれぞ
れベース板21の上下面に貫通穴21aを充填するよう
に設けられている。導電体24aは、酸素元素に対して
非活性な材料で、かつ、空気極3及びディストリビュー
タ8の材料と等しい材料(即ち、ペースト状のランタン
マンガナイト)をスクリーン印刷等の手段にてベース板
21の上面に塗布して形成されている。同様にして、導
電体24bは水素元素に対して非活性な材料で、かつ、
燃料極2及びディストリビュータ5の材料と等しい材料
(即ち、ペースト状のNiOサーメット)をスクリーン
印刷等の手段にてベース板21の下面(即ち、燃料極2
側の面)に塗布して形成されている。これにより、導電
体24aと24bは貫通穴21a内部で接触し、インタ
ーコネクタ12の表裏の電気的導通が確保される。
【0013】以上の構成からなる固体電解質型燃料電池
を試作し、評価した結果を表1に示す。
【0014】
【表1】
【0015】ここに、試作例1の燃料電池のインターコ
ネクタ12はグリーンシート状のYSZベース板21の
上面にペースト状のLaMnO3をスクリーン印刷等の
手段にて塗布した後、ベース板21に直径0.5mmの
貫通穴21aを多数個設け、さらに、ベース板21の上
下面にそれぞれペースト状のランタンマンガナイト及び
NiOサーメットを一様にかつ貫通穴21aを充填する
ように塗布して作製したものである。焼成時に、ペース
ト状のLaMnO3はベース板21と化学反応を起こ
し、La2Mn27層に変化して非イオン導電性材料層
22になる。ペースト状のランタンマンガナイト及びN
iOサーメットはそれぞれ導電体24a,24bにな
る。
【0016】試作例2の燃料電池のインターコネクタ1
2はグリーンシート状のYSZベース板21に直径0.
5mmの貫通穴21aを多数個設けた後、ドクターブレ
ード法により作製したLaMnO3のグリーンシート
(このグリーンシートはベース板21に設けた貫通穴2
1aに連通する直径0.5mmの貫通穴が既に多数設け
られている)を貼り合わせ、さらに、ベース板21の上
下面にそれぞれペースト状のランタンマンガナイト及び
NiOサーメットを一様にかつ貫通穴21aを充填する
ように塗布して作製したものである。焼成時に、グリー
ンシート状のLaMnO3はベース板21と化学反応を
起こし、La2Mn27層に変化して非イオン導電性材
料層22になる。
【0017】比較例1の燃料電池のインターコネクタは
グリーンシート状のYSZベース板に直径0.5mmの
貫通穴を多数設けた後、ベース板の上下面にそれぞれペ
ースト状のランタンマンガナイト及びNiOサーメット
を一様にかつ貫通穴を充填するように塗布して作製した
ものである。従って、比較例1のインターコネクタは、
試作例1及び2におけるインターコネクタ12の非イオ
ン導電性材料層22を具備しないものである。
【0018】比較例2の燃料電池のインターコネクタは
従来のランタンクロマイトからなるものである。表1に
示されるように、試作例1及び2と比較例1の燃料電池
は、焼成時にインターコネクタ12と他の部品(例え
ば、固体電解質1やディストリビュータ5,8等)が略
等しい収縮挙動をするため、インターコネクタ12の剥
がれやそり等の不良が発生しにくくなっており、良品率
が向上している。また、比較例1の燃料電池はインター
コネクタの表裏間に発生する逆起電力のため、燃料電池
の起電力が低い。これに対して、YSZベース板21の
上面に非イオン導電性材料層22を設けた試作例1及び
2の燃料電池は起電力が高い。
【0019】なお、本発明に係る固体電解質型燃料電池
は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲
内で種々に変形することができる。図3に示すようにイ
ンターコネクタ12のベース板21に設ける非イオン導
電性材料層22は、ベース板21の表面に必ずしも設け
る必要はなく、ベース板21の内部に設けてもよい。ま
た、非イオン導電性材料層22は一層に限定するもので
はなく、2層以上からなる多層構造となっていてもよ
い。
【0020】また、前記実施例では、ベース板21にL
aMnO3のペーストを塗布、あるいはLaMnO3のシ
ートを貼り合わせた後、焼成することによりLa2Mn2
7層を形成したが、例えば、La2Mn27にバインダ
ーを加えドクターブレード法によりシートを作製し、こ
のシートをベース板21に貼り合わせる方法であっても
よい。
【0021】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
係る固体電解質型燃料電池は、インターコネクタのベー
ス板の材料としてジルコニアを主成分とする材料を使用
したので、インターコネクタは、焼成時に燃料電池の別
部品(例えば、固体電解質やディストリビュータ等)と
略等しい収縮挙動をし、剥がれやそり等を発生させるこ
となく別部品と共焼結できる。この結果、共焼結により
一体焼成した、ガスシール性が高く、稼働時の熱ストレ
スに対して安定性の高い固体電解質型燃料電池が得られ
る。
【0022】また、ベース板にジルコニアを主成分とす
る材料を使用したためにベース板の表裏間に発生するお
それがあった逆起電力は、ベース板の表面又は内部に非
イオン導電性材料層を設けたので発生しない。従って、
起電力の高いものが得られる。さらに、非イオン導電性
材料にイオン電導性が低いLa2Mn27を用いれば、
優れた発電効率の燃料電池が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る固体電解質型燃料電池の一実施例
を示す一部を切り欠いた斜視図。
【図2】図1に示した固体電解質型燃料電池のインター
コネクタを示す垂直断面図。
【図3】固体電解質型燃料電池のインターコネクタの他
の実施例を示す垂直断面図。
【符号の説明】
1…固体電解質 2…燃料極 3…空気極 5,8…ディストリビュータ 12…インターコネクタ 21…ベース板 21a…貫通穴 22…非イオン導電性材料層 24a,24b…導電体

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 表裏面に燃料極及び空気極を設けたジル
    コニアを主成分とする固体電解質と、ディストリビュー
    タと、インターコネクタとを積み重ねた固体電解質型燃
    料電池において、 前記インターコネクタが、ジルコニアを主成分とする材
    料からなる貫通穴を設けたベース板と、前記ベース板の
    表面又は内部に設けた非イオン導電性材料層と、前記非
    イオン導電性材料層を設けたベース板の表裏面に被覆さ
    れ、かつ、前記貫通穴に充填された導電体とで構成され
    ていることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
  2. 【請求項2】 非イオン導電性材料がLa2Mn27
    あることを特徴とする請求項1記載の固体電解質型燃料
    電池。
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