JP3447541B2 - 円筒状固体電解質型燃料電池セル及び燃料電池 - Google Patents
円筒状固体電解質型燃料電池セル及び燃料電池Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、円筒状固体電解質
型燃料電池セル及び燃料電池に関するものである。
型燃料電池セル及び燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来技術】従来より、固体電解質型燃料電池セルは、
その作動温度が１０００〜１０５０℃前後と高温である
ため発電効率が高く、第３世代の燃料電池として期待さ
れている。一般に、固体電解質型燃料電池セルには、円
筒型と平板型の２種類のものが知られている。
その作動温度が１０００〜１０５０℃前後と高温である
ため発電効率が高く、第３世代の燃料電池として期待さ
れている。一般に、固体電解質型燃料電池セルには、円
筒型と平板型の２種類のものが知られている。
【０００３】平板型燃料電池セルは、発電の単位体積当
り出力密度が高いという特長を有するが、実用化に際し
てはガスシール不完全性やセル内の温度分布の不均一性
などの問題がある。それに対して、円筒型燃料電池セル
では、出力密度は低いものの、セルの機械的強度が高
く、またセル内の温度の均一性が保てるという特長があ
る。両形状の固体電解質燃料電池セルとも、それぞれの
特長を生かして積極的に研究開発が進められている。
り出力密度が高いという特長を有するが、実用化に際し
てはガスシール不完全性やセル内の温度分布の不均一性
などの問題がある。それに対して、円筒型燃料電池セル
では、出力密度は低いものの、セルの機械的強度が高
く、またセル内の温度の均一性が保てるという特長があ
る。両形状の固体電解質燃料電池セルとも、それぞれの
特長を生かして積極的に研究開発が進められている。
【０００４】円筒型燃料電池の単セルは、図４に示すよ
うにＬａＭｎＯ3 系材料からなる多孔性の空気極層１の
表面に、例えば、Ｙ2 Ｏ3 含有の安定化ＺｒＯ2 からな
る固体電解質層２が形成され、さらに固体電解質層２の
表面に多孔性のＮｉ−ジルコニアなどからなる燃料極層
３が設けられている。
うにＬａＭｎＯ3 系材料からなる多孔性の空気極層１の
表面に、例えば、Ｙ2 Ｏ3 含有の安定化ＺｒＯ2 からな
る固体電解質層２が形成され、さらに固体電解質層２の
表面に多孔性のＮｉ−ジルコニアなどからなる燃料極層
３が設けられている。
【０００５】そして、各セル間を接続するためのＬａＣ
ｒＯ3 系材料などからなる集電体（インターコネクタ）
４が固体電解質層２を貫通し、空気極層１と電気的に接
続しており、燃料極層３とは非接触の状態でセルの表面
に露出している。
ｒＯ3 系材料などからなる集電体（インターコネクタ）
４が固体電解質層２を貫通し、空気極層１と電気的に接
続しており、燃料極層３とは非接触の状態でセルの表面
に露出している。
【０００６】燃料電池モジュールは、上記構成からなる
セルの集電体４と、他のセルの燃料極層が、金属ペース
ト層、金属フェルト、金属ペースト層を介して接続され
ている。即ち、集電体４表面および他のセルの燃料極層
表面に金属ペースト層を形成し、これらの金属ペースト
層の間に金属フェルトを介装することにより、セル同士
が接続されている。
セルの集電体４と、他のセルの燃料極層が、金属ペース
ト層、金属フェルト、金属ペースト層を介して接続され
ている。即ち、集電体４表面および他のセルの燃料極層
表面に金属ペースト層を形成し、これらの金属ペースト
層の間に金属フェルトを介装することにより、セル同士
が接続されている。
【０００７】発電は、空気極層１の内部に空気（酸素）
６を、外部に燃料（水素）７を流し、１０００〜１０５
０℃の温度で行われる。発電と同時に、金属ペースト
層、金属フェルトが、集電体４と他のセルの燃料極層と
の間で焼き付けられる。
６を、外部に燃料（水素）７を流し、１０００〜１０５
０℃の温度で行われる。発電と同時に、金属ペースト
層、金属フェルトが、集電体４と他のセルの燃料極層と
の間で焼き付けられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、セル同
士を金属ペースト層および金属フェルトを介して接続す
る場合、金属ペースト層に対してセラミックスからなる
集電体４は導電性がはるかに小さいため、金属ペースト
層と集電体４界面の接触が不十分となる場合があり、通
電性が低下するという問題があった。また、金属ペース
ト層と集電体４の界面は接着が脆弱であり、剥離が発生
し易いという問題があった。
士を金属ペースト層および金属フェルトを介して接続す
る場合、金属ペースト層に対してセラミックスからなる
集電体４は導電性がはるかに小さいため、金属ペースト
層と集電体４界面の接触が不十分となる場合があり、通
電性が低下するという問題があった。また、金属ペース
ト層と集電体４の界面は接着が脆弱であり、剥離が発生
し易いという問題があった。
【０００９】即ち、従来、例えば、燃料電池セルの集電
体４と、他の燃料電池セルの燃料極層を金属ペースト
層、金属フェルト、金属ペースト層を介して接続する場
合には、集電体４の表面、および他のセルの燃料極層の
表面に金属ペーストを塗布した後、これらの金属ペース
トの間に金属フェルトを介装し、発電時の加熱により集
電体４と他のセルの燃料極層が電気的に接続されるが、
集電体４の表面に金属ペーストを塗布すると、この塗布
面と集電体４との間に気泡が入ったり、また、金属ペー
スト中に含有されるバインダーを脱脂した際に形成され
る気泡等により、集電体４と金属ペースト層の界面に非
接触部分ができ、これにより集電体４と他のセルの燃料
極層の間で剥離が生じたり、非接触部分の存在により界
面間の通電性が低下し、燃料電池の内部抵抗が増加し、
発電性能を低下させるという問題があった。
体４と、他の燃料電池セルの燃料極層を金属ペースト
層、金属フェルト、金属ペースト層を介して接続する場
合には、集電体４の表面、および他のセルの燃料極層の
表面に金属ペーストを塗布した後、これらの金属ペース
トの間に金属フェルトを介装し、発電時の加熱により集
電体４と他のセルの燃料極層が電気的に接続されるが、
集電体４の表面に金属ペーストを塗布すると、この塗布
面と集電体４との間に気泡が入ったり、また、金属ペー
スト中に含有されるバインダーを脱脂した際に形成され
る気泡等により、集電体４と金属ペースト層の界面に非
接触部分ができ、これにより集電体４と他のセルの燃料
極層の間で剥離が生じたり、非接触部分の存在により界
面間の通電性が低下し、燃料電池の内部抵抗が増加し、
発電性能を低下させるという問題があった。
【００１０】ところで、金属ペースト層に対してセラミ
ックスからなる集電体４は導電性がはるかに小さいた
め、金属ペースト層と集電体との導通抵抗が大きい。そ
こで、この導通抵抗を小さくするために、集電体表面に
凹部を形成して表面積を大きくすることが行なわれる
が、この場合、集電体表面に金属ペーストを塗布する
と、この金属ペーストが集電体表面の凹部の隅まで充填
されず、集電体と金属ペースト層の界面に非接触部分が
でき易いという問題があった。
ックスからなる集電体４は導電性がはるかに小さいた
め、金属ペースト層と集電体との導通抵抗が大きい。そ
こで、この導通抵抗を小さくするために、集電体表面に
凹部を形成して表面積を大きくすることが行なわれる
が、この場合、集電体表面に金属ペーストを塗布する
と、この金属ペーストが集電体表面の凹部の隅まで充填
されず、集電体と金属ペースト層の界面に非接触部分が
でき易いという問題があった。
【００１１】本発明は、一方のセルの集電体と他方のセ
ルの燃料極層との機械的および電気的接続を向上できる
円筒状固体電解質型燃料電池セル及び燃料電池を提供す
ることを目的とする。
ルの燃料極層との機械的および電気的接続を向上できる
円筒状固体電解質型燃料電池セル及び燃料電池を提供す
ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決させるための手段】本発明者は上記課題に
つき鋭意検討した結果、集電体の表面に凹部を形成する
とともに、この集電体の表面に所定の膜厚の金属メッキ
膜を形成すると、この金属メッキ膜が集電体の凹部の隅
まで充填され、この金属メッキ膜の表面に金属ペースト
を塗布し、他のセルの燃料極に金属ペーストを塗布し、
その間に金属フェルトを介装することにより、セル相互
間の接合強度および通電性を向上できることを知見し、
本発明に至った。
つき鋭意検討した結果、集電体の表面に凹部を形成する
とともに、この集電体の表面に所定の膜厚の金属メッキ
膜を形成すると、この金属メッキ膜が集電体の凹部の隅
まで充填され、この金属メッキ膜の表面に金属ペースト
を塗布し、他のセルの燃料極に金属ペーストを塗布し、
その間に金属フェルトを介装することにより、セル相互
間の接合強度および通電性を向上できることを知見し、
本発明に至った。
【００１３】即ち、本発明の円筒状固体電解質型燃料電
池セルは、円筒状の固体電解質の内面に空気極層、外面
に燃料極層を形成してなり、前記空気極に電気的に接続
され、外面に露出する集電体を有する円筒状固体電解質
型燃料電池セルにおいて、前記集電体の外面に深さ１０
〜３０μｍの凹部を形成するとともに、この集電体の外
面に厚み０．３〜１５μｍの金属メッキ膜を形成し、該
金属メッキ膜の外面に金属ペースト層を送電部材ととも
に焼き付けてなるものである。また、本発明の燃料電池
は、円筒状の固体電解質の内面に空気極層、外面に燃料
極層を形成してなり、前記空気極に電気的に接続され、
外面に露出する集電体を有するとともに、前記集電体の
外面に深さ１０〜３０μｍの凹部が形成され、かつ該凹
部が形成された集電体の外面に厚み０．３〜１５μｍの
金属メッキ膜が形成され、さらに該金属メッキ膜の外面
に金属ペースト層が形成された複数の円筒状固体電解質
型燃料電池セルを、一方の前記円筒状固体電解質型燃料
電池セルの金属メッキ膜に形成された金属ペースト層
と、他方の前記円筒状固体電解質型燃料電池セルの燃料
極層に形成された金属ペースト層との間に送電部材を介
装し、前記金属ペースト層を前記送電部材とともに前記
円筒状固体電解質型燃料電池セルに焼き付けることによ
り電気的に接続してなるものである。
池セルは、円筒状の固体電解質の内面に空気極層、外面
に燃料極層を形成してなり、前記空気極に電気的に接続
され、外面に露出する集電体を有する円筒状固体電解質
型燃料電池セルにおいて、前記集電体の外面に深さ１０
〜３０μｍの凹部を形成するとともに、この集電体の外
面に厚み０．３〜１５μｍの金属メッキ膜を形成し、該
金属メッキ膜の外面に金属ペースト層を送電部材ととも
に焼き付けてなるものである。また、本発明の燃料電池
は、円筒状の固体電解質の内面に空気極層、外面に燃料
極層を形成してなり、前記空気極に電気的に接続され、
外面に露出する集電体を有するとともに、前記集電体の
外面に深さ１０〜３０μｍの凹部が形成され、かつ該凹
部が形成された集電体の外面に厚み０．３〜１５μｍの
金属メッキ膜が形成され、さらに該金属メッキ膜の外面
に金属ペースト層が形成された複数の円筒状固体電解質
型燃料電池セルを、一方の前記円筒状固体電解質型燃料
電池セルの金属メッキ膜に形成された金属ペースト層
と、他方の前記円筒状固体電解質型燃料電池セルの燃料
極層に形成された金属ペースト層との間に送電部材を介
装し、前記金属ペースト層を前記送電部材とともに前記
円筒状固体電解質型燃料電池セルに焼き付けることによ
り電気的に接続してなるものである。
【００１４】また、集電体の表面に形成される金属メッ
キ膜の円周方向の両端面は、集電体の円周方向における
両端面よりも０．５ｍｍ以上内側に形成されていること
が望ましい。
キ膜の円周方向の両端面は、集電体の円周方向における
両端面よりも０．５ｍｍ以上内側に形成されていること
が望ましい。
【００１５】そして、本発明の円筒状固体電解質型燃料
電池セルを用いて作製された燃料電池は、円筒状の固体
電解質層の内面に空気極層、外面に燃料極層が形成して
なり、前記空気極に電気的に接続され、外面に露出する
集電体を有する円筒状固体電解質型燃料電池セルと、円
筒状固体電解質型燃料電池セルの集電体と他の円筒状固
体電解質型燃料電池セルの前記燃料極とを電気的に接続
する送電部材を具備してなる燃料電池において、前記円
筒状固体電解質型燃料電池セルの集電体外面に凹部を形
成するとともに、この集電体外面に厚み０．３〜１５μ
ｍの金属メッキ膜を形成し、この金属メッキ膜の表面に
金属ペースト層を形成し、該円筒状固体電解質型燃料電
池セルの金属ペースト層と他の燃料極層に形成された金
属ペースト層との間に、金属を主成分とする金属繊維の
集合体からなる送電部材を介装してなるものである。
電池セルを用いて作製された燃料電池は、円筒状の固体
電解質層の内面に空気極層、外面に燃料極層が形成して
なり、前記空気極に電気的に接続され、外面に露出する
集電体を有する円筒状固体電解質型燃料電池セルと、円
筒状固体電解質型燃料電池セルの集電体と他の円筒状固
体電解質型燃料電池セルの前記燃料極とを電気的に接続
する送電部材を具備してなる燃料電池において、前記円
筒状固体電解質型燃料電池セルの集電体外面に凹部を形
成するとともに、この集電体外面に厚み０．３〜１５μ
ｍの金属メッキ膜を形成し、この金属メッキ膜の表面に
金属ペースト層を形成し、該円筒状固体電解質型燃料電
池セルの金属ペースト層と他の燃料極層に形成された金
属ペースト層との間に、金属を主成分とする金属繊維の
集合体からなる送電部材を介装してなるものである。
【００１６】
【作用】一般に、セラミックスからなる集電体の表面は
ミクロンオーダーの結晶粒による凸凹が形成されている
ため、金属ペーストを塗布しても気泡等をかみ込んで非
接触部分ができてしまう。また、金属ペースト自身も気
泡を内包しやすい。特に、集電体の表面積をさらに増や
そうとして数十μｍから数百μｍ程度の凹凸を人為的に
形成した場合、凹部の角などに金属ペーストとの非接触
部分を生じ易くなる。さらに、金属ペーストには粘度調
整のために樹脂成分を含有しているため、脱バイ時に空
孔が生じ易い。
ミクロンオーダーの結晶粒による凸凹が形成されている
ため、金属ペーストを塗布しても気泡等をかみ込んで非
接触部分ができてしまう。また、金属ペースト自身も気
泡を内包しやすい。特に、集電体の表面積をさらに増や
そうとして数十μｍから数百μｍ程度の凹凸を人為的に
形成した場合、凹部の角などに金属ペーストとの非接触
部分を生じ易くなる。さらに、金属ペーストには粘度調
整のために樹脂成分を含有しているため、脱バイ時に空
孔が生じ易い。
【００１７】金属ペーストと集電体の界面では、こうい
った非接触部分を開始点として剥離が成長するおそれが
あり、また、この非接触部分の存在により通電性が低下
する。集電体と金属の接触を向上させるには、上記のよ
うな集電体の凹部の内部にまで金属成分を浸入させなく
てはならない。そのためには金属ペーストの様な粘度が
高い物ではなく、粘度の低い液体（メッキ液）を用いる
必要がある。
った非接触部分を開始点として剥離が成長するおそれが
あり、また、この非接触部分の存在により通電性が低下
する。集電体と金属の接触を向上させるには、上記のよ
うな集電体の凹部の内部にまで金属成分を浸入させなく
てはならない。そのためには金属ペーストの様な粘度が
高い物ではなく、粘度の低い液体（メッキ液）を用いる
必要がある。
【００１８】本発明の円筒状固体電解質型燃料電池セル
では、集電体の表面に深さ１０〜３０μｍの凹部を形成
するとともに、メッキによる０．３〜１５μｍの緻密な
金属メッキ膜を形成したため、集電体の表面の凹部の隅
々まで金属メッキ膜を充填することができ、セラミック
スからなる集電体と金属の間の気泡のかみ込みを防ぐこ
とができる。
では、集電体の表面に深さ１０〜３０μｍの凹部を形成
するとともに、メッキによる０．３〜１５μｍの緻密な
金属メッキ膜を形成したため、集電体の表面の凹部の隅
々まで金属メッキ膜を充填することができ、セラミック
スからなる集電体と金属の間の気泡のかみ込みを防ぐこ
とができる。
【００１９】メッキによる金属層の形成は、低粘度のメ
ッキ液を用いるため、人為的に集電体の表面に凸凹を形
成してもその内部まで容易にメッキ液が浸入して金属メ
ッキ膜を形成できる。よって、この金属メッキ膜の上面
に金属ペーストを塗布し、他のセルの燃料極層にも金属
ペーストを塗布し、これらの間に金属フェルトを介装
し、加熱して燃料電池モジュールを構成すると、集電体
の表面に、接触効率の高い金属メッキ膜と金属ペースト
塗布膜による金属層を形成できるため、この金属層と集
電体間の非接触部分を低減し、金属層と集電体間の機械
的および電気的接続を向上させ、これにより、燃料電池
セル間の剥離を防止し、内部抵抗を低減させ、セル間の
通電性を向上させ、発電性能を向上させることができ
る。
ッキ液を用いるため、人為的に集電体の表面に凸凹を形
成してもその内部まで容易にメッキ液が浸入して金属メ
ッキ膜を形成できる。よって、この金属メッキ膜の上面
に金属ペーストを塗布し、他のセルの燃料極層にも金属
ペーストを塗布し、これらの間に金属フェルトを介装
し、加熱して燃料電池モジュールを構成すると、集電体
の表面に、接触効率の高い金属メッキ膜と金属ペースト
塗布膜による金属層を形成できるため、この金属層と集
電体間の非接触部分を低減し、金属層と集電体間の機械
的および電気的接続を向上させ、これにより、燃料電池
セル間の剥離を防止し、内部抵抗を低減させ、セル間の
通電性を向上させ、発電性能を向上させることができ
る。
【００２０】また、集電体の外面に深さ１０〜３０μｍ
の凹部を形成したため、集電体の外面の表面積が拡大
し、セラミックスからなる集電体と金属層との抵抗が小
さくなり導通性を向上できる。
の凹部を形成したため、集電体の外面の表面積が拡大
し、セラミックスからなる集電体と金属層との抵抗が小
さくなり導通性を向上できる。
【００２１】さらに、凹部を有する集電体の表面に金属
メッキ膜を一様な厚みで形成することにより、金属メッ
キ膜表面にも１０〜３０μｍの凹部が形成され、これに
より、金属メッキ膜と金属ペースト層の界面が噛み合わ
せの状態になり、強固に接合することができる。
メッキ膜を一様な厚みで形成することにより、金属メッ
キ膜表面にも１０〜３０μｍの凹部が形成され、これに
より、金属メッキ膜と金属ペースト層の界面が噛み合わ
せの状態になり、強固に接合することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】本発明の円筒状固体電解質型燃料
電池セルは、例えば、図１に示すように、ＬａＭｎＯ3
系材料からなる多孔性の空気極層１の表面に固体電解質
層２が形成され、さらに固体電解質層２の表面に燃料極
層３が設けられている。
電池セルは、例えば、図１に示すように、ＬａＭｎＯ3
系材料からなる多孔性の空気極層１の表面に固体電解質
層２が形成され、さらに固体電解質層２の表面に燃料極
層３が設けられている。
【００２３】そして、各セル間を接続するためのＬａＣ
ｒＯ3 系材料などからなる集電体４が固体電解質層２を
貫通し、空気極層１と電気的に接続しており、燃料極層
３とは非接触の状態でセルの表面に露出している。
ｒＯ3 系材料などからなる集電体４が固体電解質層２を
貫通し、空気極層１と電気的に接続しており、燃料極層
３とは非接触の状態でセルの表面に露出している。
【００２４】そして集電体４の外面には、深さ１０〜３
０μｍの凹部９が形成され、この集電体４の外面に、厚
み０．３〜１５μｍの金属メッキ膜１１が均一に形成さ
れている。この金属メッキ膜１１の外面にも凹部が形成
されており、この凹部は、集電体４の外表面に形成され
た凹部９が、金属メッキ膜１１表面に反映されたもので
ある。金属メッキ膜１１に形成された凹部により、この
上に塗布される金属ペースト層との接触面積が増加し、
接着強度が向上する。金属メッキ膜１１としては、Ｎｉ
からなる金属メッキ膜が最も望ましい。
０μｍの凹部９が形成され、この集電体４の外面に、厚
み０．３〜１５μｍの金属メッキ膜１１が均一に形成さ
れている。この金属メッキ膜１１の外面にも凹部が形成
されており、この凹部は、集電体４の外表面に形成され
た凹部９が、金属メッキ膜１１表面に反映されたもので
ある。金属メッキ膜１１に形成された凹部により、この
上に塗布される金属ペースト層との接触面積が増加し、
接着強度が向上する。金属メッキ膜１１としては、Ｎｉ
からなる金属メッキ膜が最も望ましい。
【００２５】集電体４の凹部９の深さを１０〜３０μｍ
としたのは、凹部９の深さが１０μｍよりも小さい場合
には金属ペースト層との接合強度向上効果が小さく、剥
離が生じやすいからであり、３０μｍよりも大きくなる
と、焼成等において凹部９を起点として集電体４にクラ
ックが生じ易くなるからである。凹部９の幅は２０〜８
０μｍが望ましい。
としたのは、凹部９の深さが１０μｍよりも小さい場合
には金属ペースト層との接合強度向上効果が小さく、剥
離が生じやすいからであり、３０μｍよりも大きくなる
と、焼成等において凹部９を起点として集電体４にクラ
ックが生じ易くなるからである。凹部９の幅は２０〜８
０μｍが望ましい。
【００２６】また、金属メッキ膜１１の厚みを０．３〜
１５μｍとしたのは、金属メッキ膜１１が０．３μｍよ
りも薄い場合には、高温で長時間運転することにより金
属が凝縮し、一部集電体の表面が露出し、接触面積が低
下し、発電特性が劣化するからである。また、１５μｍ
よりも厚い場合には、金属メッキ膜１１が剥離し、発電
特性が劣化するからである。この金属メッキ膜１１の厚
みは、上記理由から特に、１〜１０μｍが望ましい。
１５μｍとしたのは、金属メッキ膜１１が０．３μｍよ
りも薄い場合には、高温で長時間運転することにより金
属が凝縮し、一部集電体の表面が露出し、接触面積が低
下し、発電特性が劣化するからである。また、１５μｍ
よりも厚い場合には、金属メッキ膜１１が剥離し、発電
特性が劣化するからである。この金属メッキ膜１１の厚
みは、上記理由から特に、１〜１０μｍが望ましい。
【００２７】金属メッキ膜１１は、例えば、ほう酸ニッ
ケル系無電解メッキやワット浴などの電解メッキにより
一定の厚みで集電体４の表面に一様に形成する。金属メ
ッキ膜１１を、凹部９が形成された集電体４表面に一様
に形成することにより、金属メッキ膜自体も凹部を有す
るようになる。
ケル系無電解メッキやワット浴などの電解メッキにより
一定の厚みで集電体４の表面に一様に形成する。金属メ
ッキ膜１１を、凹部９が形成された集電体４表面に一様
に形成することにより、金属メッキ膜自体も凹部を有す
るようになる。
【００２８】電解メッキ膜を一様に形成するためには、
無電解メッキを形成した面上にメッキ電極を点接触させ
て金属メッキ膜を成長させる。その場合、金属メッキ膜
の長さ、および、面積が大きい場合、電極からの距離が
大きい箇所では電流が十分に流れず、金属メッキ膜の厚
みの成長が不十分になるので、その場合は金属メッキ膜
の電極数を複数とし、メッキ電極の間隔は１０ｃｍ以下
とする。
無電解メッキを形成した面上にメッキ電極を点接触させ
て金属メッキ膜を成長させる。その場合、金属メッキ膜
の長さ、および、面積が大きい場合、電極からの距離が
大きい箇所では電流が十分に流れず、金属メッキ膜の厚
みの成長が不十分になるので、その場合は金属メッキ膜
の電極数を複数とし、メッキ電極の間隔は１０ｃｍ以下
とする。
【００２９】また、集電体４に形成される金属メッキ膜
１１は、集電体４以外の固体電解質層２、燃料極層３に
接触しないように形成されなくてはならない。接触した
場合、燃料電池単体内で短絡が発生し、外部への電流の
導出の効率が低下する。これを防止するために、集電体
４の表面に形成される金属メッキ膜１１の円周方向の両
端面は、集電体４の円周方向における両端面よりも０．
５ｍｍ以上内側に形成されていることが望ましい。この
間隔は１ｍｍ以上設けることが望ましい。即ち、図１に
示すように、集電体４の円周方向の端面と金属メッキ膜
１１の円周方向の端面との距離ｄが０．５ｍｍ以上であ
ることが望ましい。
１１は、集電体４以外の固体電解質層２、燃料極層３に
接触しないように形成されなくてはならない。接触した
場合、燃料電池単体内で短絡が発生し、外部への電流の
導出の効率が低下する。これを防止するために、集電体
４の表面に形成される金属メッキ膜１１の円周方向の両
端面は、集電体４の円周方向における両端面よりも０．
５ｍｍ以上内側に形成されていることが望ましい。この
間隔は１ｍｍ以上設けることが望ましい。即ち、図１に
示すように、集電体４の円周方向の端面と金属メッキ膜
１１の円周方向の端面との距離ｄが０．５ｍｍ以上であ
ることが望ましい。
【００３０】空気極層１を形成する原料としてはＬａＭ
ｎＯ3 系組成物からなり、具体的にはＬａを１５〜２０
原子％のＣａ、ＳｒあるいはＢａで置換した平均粒子径
が３〜２０μｍのＬａＭｎＯ3 系組成物や、Ｌａを４原
子％以下のＹ、Ｙｂ、ＳｃあるいはＥｒで置換し、さら
に、２５〜５０原子％のＣａ、ＳｒあるいはＢａで置換
するとともに、Ｍｎを０〜５０原子％のＣｏ、Ｎｉ、Ｚ
ｒ、ＣｅあるいはＦｅで置換したＬａＭｎＯ3 系組成物
が挙げられる。
ｎＯ3 系組成物からなり、具体的にはＬａを１５〜２０
原子％のＣａ、ＳｒあるいはＢａで置換した平均粒子径
が３〜２０μｍのＬａＭｎＯ3 系組成物や、Ｌａを４原
子％以下のＹ、Ｙｂ、ＳｃあるいはＥｒで置換し、さら
に、２５〜５０原子％のＣａ、ＳｒあるいはＢａで置換
するとともに、Ｍｎを０〜５０原子％のＣｏ、Ｎｉ、Ｚ
ｒ、ＣｅあるいはＦｅで置換したＬａＭｎＯ3 系組成物
が挙げられる。
【００３１】固体電解質層２を形成する原料としては、
８〜２０モル％のＣａＯ、Ｙ2 Ｏ3、Ｙｂ2 Ｏ3 含有の
ＺｒＯ2 系組成物を用いることができ、集電体４を形成
する原料としては、Ｌａの一部をＣａあるいはＳｒで置
換したＬａＣｒＯ3 、またはＣｒの一部をＭｇで置換し
たＬａＣｒＯ3 系組成物を用いることができるが、固体
電解質層２および集電体４を形成する原料は、これらに
限定されるものではない。
８〜２０モル％のＣａＯ、Ｙ2 Ｏ3、Ｙｂ2 Ｏ3 含有の
ＺｒＯ2 系組成物を用いることができ、集電体４を形成
する原料としては、Ｌａの一部をＣａあるいはＳｒで置
換したＬａＣｒＯ3 、またはＣｒの一部をＭｇで置換し
たＬａＣｒＯ3 系組成物を用いることができるが、固体
電解質層２および集電体４を形成する原料は、これらに
限定されるものではない。
【００３２】本発明の円筒状固体電解質型燃料電池セル
を用いたモジュールは、図３に示すように、上記のよう
にして構成された本発明の燃料電池セルの金属メッキ膜
１１の表面、および接続する他のセルの燃料極層３の表
面に、例えばＮｉペーストを塗布し、これらのＮｉペー
スト層１５の間にＮｉフェルト１７を介装し、発電する
際の発熱によりセル同士が接続されて構成される。
を用いたモジュールは、図３に示すように、上記のよう
にして構成された本発明の燃料電池セルの金属メッキ膜
１１の表面、および接続する他のセルの燃料極層３の表
面に、例えばＮｉペーストを塗布し、これらのＮｉペー
スト層１５の間にＮｉフェルト１７を介装し、発電する
際の発熱によりセル同士が接続されて構成される。
【００３３】
【実施例】固体電解質層として８モル％Ｙ2 Ｏ3 を含有
したＺｒＯ2 、空気極としてＬａ0.9 Ｓｒ0.1 Ｍｎ
Ｏ3 、燃料極として８０重量％のＮｉＯと２０重量％の
１０モル％Ｙ2 Ｏ3 を含有したＺｒＯ2 、集電体として
Ｌａ0.8 Ｃａ0.21ＣｒＯ3 の粉末を用いて、図１に示す
ような円筒状固体電解質型燃料電池セルを作製した。
したＺｒＯ2 、空気極としてＬａ0.9 Ｓｒ0.1 Ｍｎ
Ｏ3 、燃料極として８０重量％のＮｉＯと２０重量％の
１０モル％Ｙ2 Ｏ3 を含有したＺｒＯ2 、集電体として
Ｌａ0.8 Ｃａ0.21ＣｒＯ3 の粉末を用いて、図１に示す
ような円筒状固体電解質型燃料電池セルを作製した。
【００３４】先ず、Ｌａ0.9 Ｓｒ0.1 ＭｎＯ3 粉末と有
機系粘結剤を混合し、チューブ状に成形し、空気極成形
体を作製する。この空気極成形体を１０００℃で１Ｈｒ
脱脂を行ったものに、８モル％Ｙ2 Ｏ3 を含有したＺｒ
Ｏ2 のグリーンシートを巻き付けて１１００℃で一体仮
焼させ、空気極仮焼体の表面に固定電解質仮焼体を形成
する。
機系粘結剤を混合し、チューブ状に成形し、空気極成形
体を作製する。この空気極成形体を１０００℃で１Ｈｒ
脱脂を行ったものに、８モル％Ｙ2 Ｏ3 を含有したＺｒ
Ｏ2 のグリーンシートを巻き付けて１１００℃で一体仮
焼させ、空気極仮焼体の表面に固定電解質仮焼体を形成
する。
【００３５】さらに、この固定電解質仮焼体の一部を削
り込み、空気極仮焼体の層を露出させ、露出部分上にＬ
ａ0.8 Ｃａ0.21ＣｒＯ3 の厚み１２０μｍのグリーンシ
ート（集電体用）を貼り付けて１５００℃で６時間一体
焼結させ、空気極層の外面に固体電解質層を形成し、空
気極層に接続する集電体を形成した。尚、上記集電体用
のグリーンシートの表面には、＃３８０のナイロンメッ
シュを０．２ｔｏｎ／ｃｍ2 の圧力で押し付けてメッシ
ュ状の溝（凹部）を形成したものと、凹部を形成しない
ものを作製した。また、凹部を形成するものについて
は、グリーンシートへのナイロンメッシュへの押し付け
力を調整して、表１に示すように凹部の深さを調整し
た。
り込み、空気極仮焼体の層を露出させ、露出部分上にＬ
ａ0.8 Ｃａ0.21ＣｒＯ3 の厚み１２０μｍのグリーンシ
ート（集電体用）を貼り付けて１５００℃で６時間一体
焼結させ、空気極層の外面に固体電解質層を形成し、空
気極層に接続する集電体を形成した。尚、上記集電体用
のグリーンシートの表面には、＃３８０のナイロンメッ
シュを０．２ｔｏｎ／ｃｍ2 の圧力で押し付けてメッシ
ュ状の溝（凹部）を形成したものと、凹部を形成しない
ものを作製した。また、凹部を形成するものについて
は、グリーンシートへのナイロンメッシュへの押し付け
力を調整して、表１に示すように凹部の深さを調整し
た。
【００３６】次に、固体電解質層表面に８０重量％のＮ
ｉＯと２０重量％の１０モル％Ｙ2Ｏ3 を含有したＺｒ
Ｏ2 からなるスラリーを塗布し１４００℃で２Ｈｒ焼き
付け、燃料極用焼結体を形成した。尚、凹部の幅は３０
μｍであった。
ｉＯと２０重量％の１０モル％Ｙ2Ｏ3 を含有したＺｒ
Ｏ2 からなるスラリーを塗布し１４００℃で２Ｈｒ焼き
付け、燃料極用焼結体を形成した。尚、凹部の幅は３０
μｍであった。
【００３７】そして、集電体の外表面に、Ｎｉメッキ膜
を表１に示す厚みに形成し、この後外表面部を還元処理
した。この還元により、固体電解質層表面にニッケルと
ジルコニアのサーメットからなる燃料極層を形成し、図
１に示したような円筒状固体電解質型燃料電池セルを作
製した。
を表１に示す厚みに形成し、この後外表面部を還元処理
した。この還元により、固体電解質層表面にニッケルと
ジルコニアのサーメットからなる燃料極層を形成し、図
１に示したような円筒状固体電解質型燃料電池セルを作
製した。
【００３８】尚、Ｎｉメッキ膜は、ほう酸ニッケル系無
電解メッキにより０．３μｍの厚みで全面に一様にＮｉ
メッキ膜を薄く形成する。Ｎｉメッキ膜に５ｃｍ間隔で
金属Ｎｉ電極を接触させ、２Ａ／ｃｍ2 の電流を流しな
がらワット浴中にてＮｉメッキ膜を成長させ、表１に示
すような厚みのＮｉメッキ膜を作製した。集電体部の外
縁部とメッキの外縁部の間隔ｄを表１に示すように作製
した。
電解メッキにより０．３μｍの厚みで全面に一様にＮｉ
メッキ膜を薄く形成する。Ｎｉメッキ膜に５ｃｍ間隔で
金属Ｎｉ電極を接触させ、２Ａ／ｃｍ2 の電流を流しな
がらワット浴中にてＮｉメッキ膜を成長させ、表１に示
すような厚みのＮｉメッキ膜を作製した。集電体部の外
縁部とメッキの外縁部の間隔ｄを表１に示すように作製
した。
【００３９】こうして作製した試料の燃料極表面に、Ｎ
ｉペーストを塗布し、また、集電体のＮｉメッキ膜の表
面にもＮｉペーストを塗布し、外表面を１０００℃の還
元雰囲気で焼き付けた。この部分にＮｉ導線を接続し、
集電体とＮｉメッキ膜間に、０．５Ａ／ｃｍ2 の電流密
度で通電させ、集電体とＮｉメッキ膜界面の電圧降下を
測定し、その経時変化を調べた。
ｉペーストを塗布し、また、集電体のＮｉメッキ膜の表
面にもＮｉペーストを塗布し、外表面を１０００℃の還
元雰囲気で焼き付けた。この部分にＮｉ導線を接続し、
集電体とＮｉメッキ膜間に、０．５Ａ／ｃｍ2 の電流密
度で通電させ、集電体とＮｉメッキ膜界面の電圧降下を
測定し、その経時変化を調べた。
【００４０】比較として、メッキの厚みを無電解メッキ
により０．２μｍ、２０μｍで形成したもの、さらにメ
ッキ処理を行わなかったものについても測定した。結果
を表１に示す。
により０．２μｍ、２０μｍで形成したもの、さらにメ
ッキ処理を行わなかったものについても測定した。結果
を表１に示す。
【００４１】
【表１】
【００４２】メッキ膜厚みが０．２μｍの試料は初期的
には電圧降下が小さいが１０００時間処理を行うと電圧
降下が大きくなった。そこで、集電体の表面に０．２μ
ｍの厚みでＮｉメッキ膜を形成し、そのまま還元雰囲気
下で１０００℃で１０００Ｈｒ熱処理したところ、Ｎｉ
が凝集してところどころＬａとＣｒの酸化物が露出し、
メッキの有効面積が小さくなっていた。メッキとセラミ
ックスの界面の接触面積の減少が電圧降下の増大を引き
起こしたと考えられる。
には電圧降下が小さいが１０００時間処理を行うと電圧
降下が大きくなった。そこで、集電体の表面に０．２μ
ｍの厚みでＮｉメッキ膜を形成し、そのまま還元雰囲気
下で１０００℃で１０００Ｈｒ熱処理したところ、Ｎｉ
が凝集してところどころＬａとＣｒの酸化物が露出し、
メッキの有効面積が小さくなっていた。メッキとセラミ
ックスの界面の接触面積の減少が電圧降下の増大を引き
起こしたと考えられる。
【００４３】２０μｍのメッキ膜を設けた試料は初期的
には電圧降下が小さいが１００時間処理を行うと電圧低
下が大きくなった。この試料のメッキ膜と集電体表面の
界面を断面観察したところ、メッキ膜が剥離をおこして
おり、この剥離が電圧降下の増大を引き起こしたと考え
られる。
には電圧降下が小さいが１００時間処理を行うと電圧低
下が大きくなった。この試料のメッキ膜と集電体表面の
界面を断面観察したところ、メッキ膜が剥離をおこして
おり、この剥離が電圧降下の増大を引き起こしたと考え
られる。
【００４４】集電体に凹部を形成しなかった試料では初
期的な電圧降下が高く、１００時間処理を行うとさらに
電圧低下が大きくなった。この試料のメッキ膜と集電体
表面の界面を断面観察したところ、メッキ膜が剥離をお
こしており、この剥離が電圧降下の増大を引き起こした
と考えられる。また、Ｎｉペーストの焼き付け後に、ペ
ースト端部に若干の剥離が見られた。
期的な電圧降下が高く、１００時間処理を行うとさらに
電圧低下が大きくなった。この試料のメッキ膜と集電体
表面の界面を断面観察したところ、メッキ膜が剥離をお
こしており、この剥離が電圧降下の増大を引き起こした
と考えられる。また、Ｎｉペーストの焼き付け後に、ペ
ースト端部に若干の剥離が見られた。
【００４５】また、集電体の凹部の深さが４０μｍの場
合には、焼成後に集電体にクラックが生じていた。
合には、焼成後に集電体にクラックが生じていた。
【００４６】これに対して、本発明の円筒状固体電解質
型燃料電池セルでは、１０００時間処理した場合でも電
圧降下は起こらないことが判る。
型燃料電池セルでは、１０００時間処理した場合でも電
圧降下は起こらないことが判る。
【００４７】以上のことから、表面に凹部を有する集電
体に、一様な金属メッキ膜を形成してメッキ膜表面にも
凹部を形成し、そこにさらにＮｉペーストを塗布してＮ
ｉフェルトとともに焼き付けることによって、より高い
通電性と機械的強度が得られることが判る。メッキ層
は、集電体端部から間隔を設けて形成することにより、
燃料電池セル単体内での短絡を防止できる。
体に、一様な金属メッキ膜を形成してメッキ膜表面にも
凹部を形成し、そこにさらにＮｉペーストを塗布してＮ
ｉフェルトとともに焼き付けることによって、より高い
通電性と機械的強度が得られることが判る。メッキ層
は、集電体端部から間隔を設けて形成することにより、
燃料電池セル単体内での短絡を防止できる。
【００４８】
【発明の効果】本発明の円筒状固体電解質型燃料電池セ
ルでは、深さ１０〜３０μｍの凹部を有する集電体の表
面に厚み０．３〜１５μｍの金属メッキ膜を形成したた
め、集電体表面の凹部の内部まで金属メッキ膜が進入し
て気泡のかみ込みを防ぐことができ、さらに、凹部を有
するメッキ膜と他のセルの燃料極の間に金属ペーストな
らびに金属繊維の集合体を介してセル同士を接続する場
合において、セル個体間の接着を向上させ、これらの間
の通電性および機械的強度を向上させることができ、発
電特性を向上できる。
ルでは、深さ１０〜３０μｍの凹部を有する集電体の表
面に厚み０．３〜１５μｍの金属メッキ膜を形成したた
め、集電体表面の凹部の内部まで金属メッキ膜が進入し
て気泡のかみ込みを防ぐことができ、さらに、凹部を有
するメッキ膜と他のセルの燃料極の間に金属ペーストな
らびに金属繊維の集合体を介してセル同士を接続する場
合において、セル個体間の接着を向上させ、これらの間
の通電性および機械的強度を向上させることができ、発
電特性を向上できる。
【図１】本発明の円筒状固体電解質型燃料電池セルを示
す断面図である。
す断面図である。
【図２】集電体近傍を示す断面図である。
【図３】２個のセルを接続したモジュールを示す断面図
である。
である。
【図４】従来の円筒状固体電解質型燃料電池セルを示す
斜視図である。
斜視図である。
１・・・空気極層
２・・・固体電解質層
３・・・燃料極層
４・・・集電体
９・・・凹部
１１・・・金属メッキ膜
１５・・・金属ペースト層
１７・・・金属フェルト
Claims (2)
- 【請求項１】円筒状の固体電解質の内面に空気極層、外
面に燃料極層を形成してなり、前記空気極に電気的に接
続され、外面に露出する集電体を有する円筒状固体電解
質型燃料電池セルにおいて、前記集電体の外面に深さ１
０〜３０μｍの凹部を形成するとともに、この集電体の
外面に厚み０．３〜１５μｍの金属メッキ膜を形成し、
該金属メッキ膜の外面に金属ペースト層が送電部材とと
もに焼き付けられていることを特徴とする円筒状固体電
解質型燃料電池セル。 - 【請求項２】円筒状の固体電解質の内面に空気極層、外
面に燃料極層を形成してなり、前記空気極に電気的に接
続され、外面に露出する集電体を有するとともに、前記
集電体の外面に深さ１０〜３０μｍの凹部が形成され、
かつ該凹部が形成された集電体の外面に厚み０．３〜１
５μｍの金属メッキ膜が形成され、さらに該金属メッキ
膜の外面に金属ペースト層が形成された複数の円筒状固
体電解質型燃料電池セルを、一方の前記円筒状固体電解
質型燃料電池セルの金属メッキ膜に形成された金属ペー
スト層と、他方の前記円筒状固体電解質型燃料電池セル
の燃料極層に形成された金属ペースト層との間に送電部
材を介装し、前記金属ペースト層を前記送電部材ととも
に前記円筒状固体電解質型燃料電池セルに焼き付けるこ
とにより電気的に接続してなることを特徴とする燃料電
池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35693297A JP3447541B2 (ja) | 1997-12-25 | 1997-12-25 | 円筒状固体電解質型燃料電池セル及び燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35693297A JP3447541B2 (ja) | 1997-12-25 | 1997-12-25 | 円筒状固体電解質型燃料電池セル及び燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11185780A JPH11185780A (ja) | 1999-07-09 |
| JP3447541B2 true JP3447541B2 (ja) | 2003-09-16 |
Family
ID=18451502
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP35693297A Expired - Fee Related JP3447541B2 (ja) | 1997-12-25 | 1997-12-25 | 円筒状固体電解質型燃料電池セル及び燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3447541B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4859279B2 (ja) * | 2001-04-20 | 2012-01-25 | 京セラ株式会社 | 固体電解質形燃料電池セル及び燃料電池 |
| US7157172B2 (en) * | 2003-05-23 | 2007-01-02 | Siemens Power Generation, Inc. | Combination nickel foam expanded nickel screen electrical connection supports for solid oxide fuel cells |
| KR101188997B1 (ko) | 2010-06-17 | 2012-10-08 | 삼성에스디아이 주식회사 | 고체산화물 연료전지 |
| JP5618849B2 (ja) * | 2011-01-27 | 2014-11-05 | 京セラ株式会社 | セルスタックおよび燃料電池モジュール |
| JP5705634B2 (ja) * | 2011-04-22 | 2015-04-22 | 京セラ株式会社 | 燃料電池セル装置 |
| JP2018045936A (ja) * | 2016-09-16 | 2018-03-22 | Toto株式会社 | 燃料電池セルスタック |
-
1997
- 1997-12-25 JP JP35693297A patent/JP3447541B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11185780A (ja) | 1999-07-09 |
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