JP3185359B2 - 固体電解質型燃料電池のディストリビュータ及びその製造方法 - Google Patents

固体電解質型燃料電池のディストリビュータ及びその製造方法

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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
の構成部品であるディストリビュータに関する。
【0002】
【従来の技術と課題】固体電解質型燃料電池には、表裏
面に燃料極と空気極とを設けた固体電解質と、この固体
電解質の燃料極側及び空気極側に配設した導電性ディス
トリビュータとを積み重ねた単セルを、インターコネク
タを介して積層したものがある。この燃料電池におい
て、ディストリビュータはインターコネクタと燃料極
(又は空気極)とを電気的に接続し、かつ、燃料ガスや
空気が通過できる構造でなければならない。
【0003】このため、従来のディストリビュータには
導電体の表面に燃料ガスや空気が通過するための複数本
の溝を設けてスリット構造とするものがあった。しか
し、スリット構造のディストリビュータは、燃料ガスや
空気の通過性においては非常に優れているが、燃料電池
の有効電極面積が狭いという欠点があった。また、発電
時に生じる熱応力に対して弱いためディストリビュータ
が破損する心配があった。
【0004】これとは別に、多孔質体の表面に導電材層
を設けた多孔質体構造のディストリビュータもあった。
このディストリビュータは燃料電池の有効電極面積を広
くとれ、また、多孔質体の弾性によってディストリビュ
ータ自身に生じる熱応力が緩和されるという利点があ
る。しかし、十分な導電性を確保し、かつ、燃料ガスや
空気の通過性を優れたものにするために多孔質体の気孔
率をある程度大きくしなければならないが、気孔率を大
きくすると、多孔質体の機械的強度が弱くなり、ディス
トリビュータの耐久性に問題が生じた。
【0005】そこで、本発明の課題は、燃料電池の有効
電極面積を広くとれ、かつ、機械的強度が強く、優れた
導電性を有する多孔質体構造のディストリビュータを提
供することにある。
【0006】
【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のディス
トリビュータは、補強材が分散している多孔質体と、こ
の多孔質体の表面に設けた導電材層とを備え、補強材の
材料の機械的強度が多孔質体のベース材料の機械的強度
より大きいことを特徴とする。多孔質体に補強材を分散
させたため、多孔質体の気孔率を大きくしても、多孔質
体に分散した補強材によってディストリビュータの機械
的強度が確保される。また、ディストリビュータの導電
性は、多孔質体の表面に設けた導電材層によって確保さ
れる。
【0007】多孔質体のベース材料には、例えば軟質ウ
レタンフォーム等が使用される。そして、補強材の材料
には、例えばイットリア安定化ジルコニア(YSZ)等
が使用され、導電材層の材料には、例えば(La,Sr)MnO3
系又は(La,Sr)(Mn,Cr)O3系の材料等が使用される。ま
た、ディストリビュータの製造方法としては、 (a)多孔質体のベース材料より機械的強度が大きい材
料からなる補強材が分散している多孔質体を形成する工
程と、 (b)補強材が分散している多孔質体にスラリー状導電
材を含浸させた後、このスラリー状導電材の余剰分を除
去して前記多孔質体の表面に導電材層を形成する工程
と、を備えたことを特徴とする。この方法は含浸法であ
るため、作業が簡単で大量生産に適しているからであ
る。しかも、ディストリビュータの導電性を優れたもの
にするためには気孔率を抑制し、ディストリビュータと
インターコネクタが直接接触する面積、あるいは、ディ
ストリビュータと電極が直接接触する面積を広くする必
要がある。すなわち、多孔質体の気孔径は寸法制限を受
け、気孔径は比較的小さい寸法となる。この場合、多孔
質体の表面に形成する層は一種類の層ですむため、スラ
リー状材料を多孔質体に含浸する際に目詰まりを起こし
て燃料ガスや空気の透過性が悪くなる心配がない。
【0008】
【実施例】以下、本発明に係る固体電解質型燃料電池の
ディストリビュータ及びその製造方法の一実施例を添付
図面を参照して説明する。図1は固体電解質型燃料電池
の構成を示す断面図である。固体電解質1は盤形状をし
ており、その材料としてはイットリアを8mol%添加
されたイットリア安定化ジルコニア(以下、YSZとす
る)等が用いられている。空気極2は固体電解質1の上
面に形成され、燃料極3は固体電解質1の下面に形成さ
れている。空気極2は例えば(La0.7Sr0.3)MnO3等の酸化
物導電材料からなり、燃料極3は例えばNi・YSZサ
ーメット材料からなる。
【0009】空気極2側及び燃料極3側には、それぞれ
空気極側導電性ディストリビュータ4及び燃料極側導電
性ディストリビュータ5が配設されている。ディストリ
ビュータ4,5はそれぞれ空気極2及び燃料極3に空気
(酸素)及び燃料ガスを均等に供給すると共に電極2,
3に発生した電荷の経路となる機能を有する。空気極側
ディストリビュータ4は、図2に示すように、補強材が
分散されている多孔質体25の表面に、導電材層26を
設けた材料からなる。燃料極側ディストリビュータ5は
Niフェルト等からなる。
【0010】固体電解質1の上下にディストリビュータ
4,5が積層され、さらにこの上下にインターコネクタ
6,7が積層されている。インターコネクタ6には空気
の流路の一部を構成する空気供給用孔6aと空気排出用
孔6bを設けている。インターコネクタ7には燃料ガス
の流路の一部を構成する燃料ガス供給用孔7aと燃料ガ
ス排出用孔7bを設けている。インターコネクタ6,7
の外側表面には、それぞれ孔6a,6b、孔7a,7b
を残して引き出し電極12,13が形成されている。
【0011】以上の構成からなる積層体外周側面に、シ
ールド材15が形成されている。シールド材15は絶縁
性材料からなり、空気や燃料ガスを外気から遮蔽してい
る。次に、この構成の固体電解質型燃料電池の動作につ
いて説明する。空気20がインターコネクタ6の孔6a
を通って空気極側ディストリビュータ4に導かれる。空
気極側ディストリビュータ4は空気20を空気極2に均
等に供給する働きをする。
【0012】一方、燃料ガス21はインターコネクタ7
の孔7aを通って燃料極側ディストリビュータ5に導か
れる。この燃料電池内は高温(800〜1000℃)に
保持されており、ディストリビュータ5によって燃料極
3に均等に供給された燃料ガス21と前記空気極2に供
給された空気20とが固体電解質1を介して電極反応を
起こし、燃料電池の積層方向(図1中矢印aで示す方
向)に電流が流れる。この電流はディストリビュータ
4,5を介して上下両側に備わっているインターコネク
タ6,7の引出し電極12,13に接続された白金線1
7,18から取り出される。反応後の燃料ガス21は、
インターコネクタ6の孔6bから排出され、反応後の空
気20はインターコネクタ7の孔7bから排出される。
【0013】次に、燃料電池の一部品であるディストリ
ビュータ4の製造方法を説明する。図3は製造工程順に
示したフローチャートである。まず、工程1で補強材の
原料(例えば、固体電解質材料であるYSZ)と、有機
物多孔質体のベース原料(例えば、軟質ウレタンフォー
ム)を、溶剤(トルエン、エタノール等)と共にボール
ミルに投入して湿式粉砕する。各原料が十分に粉砕され
ると、工程2で周知の多孔質体製造技術を用いて補強材
が分散されている有機物多孔質体25を形成する。この
とき、多孔質体25の厚さが5mm、気孔径が0.5〜
2.0mmになるようにする。
【0014】次に、工程3で導電材の原料[例えば、(L
a,Sr)MnO3系、(La,Sr)(Mn,Cr)O3系の1100℃仮焼粉
末]を、溶剤(トルエン、エタノール等)と共にボール
ミルに投入して湿式粉砕する。導電材の原料が粉砕され
ると、バインダ(たとえば、ポリビニルブチラール樹
脂)をボールミルに投入して湿式混練し、導電性スラリ
ーを調合する。
【0015】次に、工程4で補強材が分散されている多
孔質体25に導電材スラリーを含浸し、工程5で導電材
スラリーの余剰分を多孔質体25から除去して導電材層
26を形成する。この導電材層26の形成作業は、所望
の厚みに達するまで繰り返される。この後、工程6で4
00℃の温度で脱脂し、1300℃の温度で本焼成す
る。
【0016】得られたディストリビュータ4は、気孔率
が約90%であり、柱構造であるため燃料ガスや空気の
流動抵抗が小さく、圧力損失も少なくてすむ。また、機
械的強度、導電性、耐熱応力等において優れたディスト
リビュータであった。こうして得られた空気極側ディス
トリビュータ4を備えた固体電解質型燃料電池の特性を
評価した結果を表1に示す。評価した燃料電池は、固体
電解質1として厚さが200μmで、かつ、イットリア
が8mol%添加されたYSZ、空気極2として厚さが
50μmの(La0.7Sr0.3)MnO3、燃料極3として厚さが5
0μmのNi・YSZサーメット、燃料極側ディストリ
ビュータ5として厚さが5mmのNiフェルトを用い
た。電極2,3の面積は10cm2に設定した。そし
て、供給するガスとしては、利用率を40%に設定した
30%の加湿水素ガスを用い、利用率を20%に設定し
た空気を用いた。
【0017】表1には比較のため、補強材を含まない多
孔質体にスラリー状補強材を含浸させた後、このスラリ
ー状補強材の余剰分を除去して多孔質体の表面に補強材
層を形成する工程と、前記補強材層を表面に形成した多
孔質体にスラリー状導電材を含浸させた後、このスラリ
ー状補強材の余剰分を除去して前記補強材層の表面に導
電材層を形成する工程とを備えた製造方法によって製造
した固体電解質型燃料電池(比較例1、比較例2)を評
価した結果も合わせて記載している。
【0018】
【表1】
【0019】本実施例の燃料電池は端子電流が増加して
も端子電圧の低下量は小さい。ところが、比較例1の燃
料電池は、端子電流が増加するにつれて端子電圧が急速
に低下している。比較例1の燃料電池は、2種類のスラ
リー状材料を含浸させる工程において、気孔がスラリー
状材料によって目詰まりし、燃料ガスや空気の通過性が
悪くなっているからである。また、比較例2の燃料電池
は、気孔径を2.0mmと大きくしているため、スラリ
ー状材料による気孔の目詰まりは発生しないが、気孔径
を大きくした分だけディストリビュータとインターコネ
クタが直接接触する面積、あるいは、ディストリビュー
タと電極が直接接触する面積が狭くなって導電性能が悪
くなり、本実施例の燃料電池と比較すると、端子電圧が
低い。
【0020】なお、本発明に係る固体電解質型燃料電池
のディストリビュータ及びその製造方法は、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。特に、ディストリビュータの形状
は単セルの形状に合わせて円盤状又は矩形盤状等任意の
形状が選択される。
【0021】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、補強材
が分散している多孔質体の表面に導電材層を設けたの
で、燃料電池の有効電極面積を広くとれ、かつ、機械的
強度が強く、優れた導電性を有する多孔質体構造のディ
ストリビュータが得られる。また、補強材が分散してい
る多孔質体を形成し、かつ、含浸法によりこの多孔質体
の表面に導電層を設けたので、ディストリビュータの生
産性が向上する。しかも、補強材を予め多孔質体に分散
しているのでスラリーの含浸は導電材だけでよく、ディ
ストリビュータの導電性をよくするために多孔質体の気
孔形径が寸法制限を受けて比較的小さい寸法になっても
目詰まりが生じない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るディストリビュータを備えた固体
電解質型燃料電池の垂直断面図。
【図2】本発明に係るディストリビュータの一部拡大断
面図。
【図3】本発明に係るディストリビュータの製造方法を
示すフローチャート。
【符号の説明】
1…固体電解質 2…空気極 3…燃料極 4…空気極側ディストリビュータ 5…燃料極側ディストリビュータ 6,7…インターコネクタ 25…多孔質体 26…導電材層

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 補強材が分散している多孔質体と、前記
    多孔質体の表面に設けた導電材層とを備え、前記補強材
    の材料の機械的強度が前記多孔質体のベース材料の機械
    的強度より大きいことを特徴とする固体電解質型燃料電
    池のディストリビュータ。
  2. 【請求項2】 補強材が分散している多孔質体と、前記
    多孔質体の表面に設けた導電材層とを備え、前記補強材
    の材料がイットリア安定化ジルコニアであることを特徴
    とする固体電解質型燃料電池のディストリビュータ。
  3. 【請求項3】 多孔質体のベース材料より機械的強度が
    大きい材料からなる補強材が分散している多孔質体を形
    成する工程と、 前記補強材が分散している多孔質体にスラリー状導電材
    を含浸させた後、前記スラリー状導電材の余剰分を除去
    して前記多孔質体の表面に導電材層を形成する工程とを備えたことを特徴とする固体電解質型燃料電池のディ
    ストリビュータの製造方法。
  4. 【請求項4】 補強材が分散している多孔質体を形成す
    る工程と、 前記補強材が分散している多孔質体にスラリー状導電材
    を含浸させた後、前記スラリー状導電材の余剰分を除去
    して前記多孔質体の表面に導電材層を形成する工程とを
    備え、 前記補強材の材料がイットリア安定化ジルコニアである
    こと、 を特徴とする固体電解質型燃料電池のディストリビュー
    タの製造方法。
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