JP3705485B2

JP3705485B2 - 燃料電池用単セル及び固体電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP3705485B2
Application number: JP2001307237A
Authority: JP
Inventors: 格柴田; 正治秦野; 達弘福沢; 直樹原; 東宋; 佳子菱谷; 文紀佐藤; 圭子櫛引; 誠内山; 貢山中
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-10-03
Filing date: 2001-10-03
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2021-10-03
Also published as: JP2003115301A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質を用い、電気化学反応により電気エネルギーを得る固体電解質型燃料電池用の単セル、セル板、固体電解質型燃料電池、及び単セルの製造方法に係り、更に詳細には、固体電解質を電極で挟持した電池要素と多孔質基体とから成る単セル、セル板、固体電解質型燃料電池、及び単セルの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高効率のエネルギー変換が可能で、地球環境に優しいクリーンエネルギー源として燃料電池が注目されている。
固体電解質型燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」と略す）としては、従来から、多種の形状が提案されており、例えば、円筒型、円筒型、平板型、波形及びハニカム型などの形状が知られている。
【０００３】
かかるＳＯＦＣは、固体電解質を２つの電極で挟持した積層体、即ち空気極、固体電解質及び燃料極を積層して電池要素を構成するが、この電池要素を支持基体上に設置してＳＯＦＣの機械強度を向上させることができる。
また、金属板などの電気良導体に予め設けた開口部に電池要素を支持し、この電池要素が発生する電力を外部に損失なく取り出すような構成のＳＯＦＣ用の単セルが知られている。この単セルは、空気極又は燃料極を板状にし、その上に電解質、燃料極又は空気極を積層した自立可能な構成をもつ。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる単セルでは、電池要素で発生した電力を集電して外部に取り出す際に、金属フェルトや波状金属シート等を電極面に機械的に押付けて集電している。そのため、電極−集電体間の接触は電気的にみて良好ではない。具体的には、集電できる個所が金属板と電極が接触する部分に限定されてしまうため効率的でないという問題点があった。
また、電池要素として自立するために電極を板状にするため、単セルを薄板化できない、即ち単セルを積層して得られるセルスタックが大型化してしまうという問題点があった。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、支持基体と電池要素（特に電極）との高い密着力により電気的接合が良好で、電池要素から電力を効率良く集電し、また、電池要素の薄膜化により小型化が可能な、単セル、セル板、固体電解質型燃料電池及び単セルの製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、電極（燃料極及び空気極）や固体電解質をガス透過性及び電気伝導性に優れた多孔質基体に埋設することにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
また、本発明者らは、グリーンシート、スラリ及びペーストなどを介して電極や固体電解質を形成することにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
即ち、本発明の固体電解質型燃料電池用単セルは、固体電解質を空気極及び燃料極で挟持して成る電池要素の表面及び／又は裏面に多孔質基体を設けた固体電解質型燃料電池用の単セルであって、
上記空気極の少なくとも一部及び／又は上記燃料極の少なくとも一部が、多孔質基体内に埋設されるように、上記電池要素と該多孔質基体とを着接し、
上記固体電解質界面に電気化学的な反応場を形成し、該空気極及び／又は燃料極が、該反応場に反応ガスを供給することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の他の固体電化質型燃料電池用単セルは、固体電解質を空気極及び燃料極で挟持して成る電池要素の表面及び／又は裏面に多孔質基体を設けた固体電解質型燃料電池用の単セルであって、
上記空気極の全部と上記固体電解質の少なくとも一部、及び／又は上記燃料極の全部と上記固体電解質の少なくとも一部が、多孔質基体内に埋設されるように、上記電池要素と該多孔質基体とを着接し、
上記固体電解質界面に電気化学的な反応場を形成し、該空気極及び／又は燃料極が、該反応場に反応ガスを供給することを特徴とする。
【０００９】
更に、本発明の固体電解質型燃料電池用単セルの好適形態は、上記多孔質基体が、５μｍ〜０．５ｍｍの空孔を有することを特徴とする。
【００１０】
更にまた、本発明の固体電解質型燃料電池用セル板は、上記固体電解質型燃料電池用単セルで用いられる電池要素を、２次元的に複数個多孔質基体上に形成したことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の固体電解質型燃料電池は、上記燃料電池用単セル又は上記燃料電池用セル板を用いて成ることを特徴とする。
【００１２】
更に、本発明の固体電解質型燃料電池用単セルの製造方法は、上記固体電解質型燃料電池用単セルを製造する方法であって、
上記固体電解質材料、空気極材料及び燃料極材料から成る群より選ばれた少なくとも１種の材料と有機ビヒクルとから成るグリーンシート、スラリ及びペーストから成る群より選ばれた少なくとも１種のものを含んで構成された電池要素部を多孔質基体に着接し、焼成することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の固体電解質型燃料電池用の単セル及びセル板について詳細に説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を示す。また、説明の便宜上、多孔質基体や電極などの一方の面を「上面、表面」、他の面を「下面、裏面」などと記載するが、これらは等価な要素であり、相互に置換した構成も本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。更に、セル板は、単セルの集積化を促進して、得られる燃料電池の高出力化を図るのに実用的な製品形態である。
【００１４】
上述のように、本発明の固体電解質型燃料電池用の単セルは、固体電解質を空気極（カソード）及び燃料極（アノード）で挟持して成る電池要素の表面及び／又は裏面に多孔質基体を設けて成る。
そして、上記空気極の少なくとも一部及び／又は上記燃料極の少なくとも一部が、多孔質基体内に埋設されるように、上記電池要素と該多孔質基体とを着接する。
このような構成より、電池要素と多孔質基体との密着性が高められ、良好な電気的接触が得られる。電極の埋設は、後述するグリーンシート、スラリ及びペーストなどの使用により、容易に行える。
【００１５】
本発明の単セルとしては、例えば、図１に示すように、多孔質基体（多孔質金属体）に電極２が積層方向に約半分埋設され、この電極２に固体電解質、電極１を順に積層した単セルを挙げることができる。また、図３に示すように、電極２の表面のみが多孔質基体から露出するように、多孔質基体に埋設しても良い。更に、図４に示すように、電極２の表面に積層する固体電解質は電極２の表面積より大きくても良い。更にまた、図７に示すように、電極２と同様に電極１の上方から多孔質基体を積層してこれに電極１を埋設させることができる。なお、電極１及び電極２は、どちらが空気極又は燃料極であっても良いことは言うまでもない。また、図９に多孔質基体に埋設された電極の概要を示す。
【００１６】
また、他の例としては、上記電池要素において、空気極の一部及び／又は燃料極の一部を上記固体電解質に埋設することができる。例えば、図２や図８に示すような単セルを挙げることができる。更に、上記電池要素において、固体電解質の一部を上記空気極及び／又は燃料極に埋設することができる。例えば、図５に示すような単セルを挙げることができる。
【００１７】
また、本発明の単セルで用いる多孔質基体は、集電体として機能するとともにガス流路としても機能するため、上記空気極及び燃料極の双方に設置することが望ましい。これより、単セルの耐久性を向上できるとともに、支持基体とガス流路が一体化しているので、スタック化し固体酸化物型燃料電池として小型化できる。但し、図１〜６に示す単セルのように、一方の電極のみに多孔質基体を設置する場合でも、当該単セルをスタック化することにより、双方の電極に多孔質基体を密着させることができる。
【００１８】
次に、本発明の他の固体電解質型燃料電池用単セルについて説明する。
かかる単セルは、上述した単セルとほぼ同様な構成を有するが、上記電池要素を多孔質基体により深く埋設した点で異なる。即ち、上記空気極の全部と上記固体電解質の少なくとも一部、及び／又は上記燃料極の全部と上記固体電解質の少なくとも一部が、多孔質基体内に埋設されるように、上記電池要素と該多孔質基体とを着接して成る。
この場合は、電池要素と多孔質基体の剥離がより防止されるので有効である。また、電極／固体電解質の反応面積が増大する。更に、スタック化するときに小型化できる。例えば、図６に示すように、電極２の全部とその上に積層されている固体電解質の一部までが埋設されて成る単セルを挙げることができる。なお、図１０に多孔質基体に埋設された電極及び固体電解質の概要を示す。
【００１９】
本発明の単セル（上述した２タイプ）は、上記固体電解質界面に電気化学的な反応場を形成することを特徴とする。即ち、固体電解質、電極及び多孔質基体の間に接着剤を用いなくても、優れた密着力を有し、多くの３相界面を保持するので有効である。
また、多孔質基体は、上記反応場に反応ガス（燃料ガス又は空気）を供給することができる。
【００２０】
以下、上述した単セルの構成材料等につき説明する。
まず、上記多孔質基体は、５μｍ〜０．５ｍｍの空孔を有することが、ガス流路及び集電体として機能させ、且つ電池要素を支持させる面から好ましい。５μｍ未満では電極面へのガス拡散が困難となり易く、０．５ｍｍを超えると電極材料や固体電解質材料の埋設が困難となることがある。
【００２１】
また、上記多孔質基体を形成する材料としては、例えば、ニッケル、ニッケル−クロム、ニッケル−クロム−鉄、ニッケル−クロム−タングステン−モリブデン、ニッケル−コバルト、ニッケル−銅、銀、銀−パラジウム、銀−白金、鉄−クロム−ニッケル又は鉄−クロム−アルミ、及びこれらの任意の組合せから成る合金を含むものが好適に使用できる。これより、高温下（８００℃程度）で還元性ガス又は酸化性ガスに晒される場合でも、十分な耐還元性及び耐酸化性を発揮するので有効である。
なお、かかる多孔質基体は電気伝導性を有するので、この部位で消費される電力を低減でき、この結果、発電効率を向上させることができるので、金属焼結体、発泡金属体及び金属繊維不織布などとして用いることが好適である。
【００２２】
更に、上記多孔質基体の表面を、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金−パラジウム（Ｐｔ−Ｐｄ）又は銅（Ｃｕ）、及びこれらの任意の組合せに係る金属でメッキできる。これより、多孔質基体の耐酸化性、耐食性及び電気伝導性を向上させ得る。また、Ｐｔ、Ｐｄなどの材料では電気触媒としての機能を発揮させることもできる。なお、メッキ層は、代表的にガスシール層の内層として設置できる。
【００２３】
更にまた、上記多孔質基体の表面をガスシール部材（ガス不透過膜）で被覆することが好適である。但し、多孔質基体から各電極へ反応ガスを供給する必要があるので、上記電極を埋設した部位への被覆は除かれる。かかるガスシール部材としては燃料ガス及び空気を透過させない性質を有すれば十分であるが、例えば、ニッケル、ニッケル−クロム、ニッケル−クロム−鉄、ニッケル−クロム−タングステン−モリブデン、ニッケル−コバルト及びニッケル−銅などを含有するシートや箔などを適宜使用することができる。なお、ガスシール部材を金属製とすることにより、上記電池要素以外は金属製となるので、発電効率を向上させ得る。
【００２４】
一方、上記電極を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、燃料極（アノード）には、ニッケル（Ｎｉ）及びニッケルサーメットなどを使用できる。また、空気極（カソード）には、ＬＳＭ、ＬＳＣ、銀（Ａｇ）及び白金（Ｐｔ）などを使用できる。
【００２５】
他方、上記固体電解質を構成する材料としては、イオン伝導性を有する従来公知の材料、例えば、ＹＳＺ、セリア（ＣｅＯ_２）系固溶体、及びランタンガレート（ＬａＧａＯ_３等）などを使用することができるが、これらに限定されるものではない。
【００２６】
なお、本発明の燃料電池用セル板は、上記固体電解質型燃料電池用単セルで用いられる電池要素が、２次元的に複数個多孔質基体上に形成されている。
【００２７】
次に、本発明の固体電解質型燃料電池について説明する。
かかる固体電解質型燃料電池は、上述の固体電解質型燃料電池用単セル又はセル板を用いて成る。この燃料電池による発電は、各電極（空気極又は燃料極）に対応する反応ガス（空気又は燃料ガス）を多孔質基体に流通して行われる。なお、上記単セル又はセル板は、必ずしも同一方向にスタック化する必要は無く、電極の被覆位置、単セル又はセル板の上下を適宜変更して連結してもよい。
【００２８】
次に、本発明の固体電解質型燃料電池用単セルの製造方法について説明する。かかる製造方法では、まず、上記固体電解質材料、空気極材料又は燃料極材料、及びこれらの任意の組合せに係る材料と有機ビヒクルとから、グリーンシート、スラリ又はペースト、及びこれらの任意の組合せに係るものを構成する。次いで、これらのいずれかを含んで成る電池要素部を多孔質基体に着接し、焼成して単セルを製造する。
このような方法であれば、電池要素全部（空気極、固体電解質及び燃料極）をグリーンシート、スラリ又はペースト、及びこれらの任意の組合せに係るものにより形成するのはもちろんのこと、電池要素の一部を上記グリーンシートなどにより形成しない場合でも、他の構成材料を印刷法、ＧＤＰ法及びスパッタ法などの成膜方法で任意に成膜することができ、電池構成に適した製造方法を実施できる。
【００２９】
なお、上記「グリーンシート」とは、代表的には、原料粉体を有機バインダ（ポリビニルブチラール及びエチルセルロースなど）に分散させた厚さ数百μｍのシートをいう。このグリーンシートを焼成することで、原料粉体の焼結体シートが得られる。原料粉体を有機バインダに分散するので印刷ペースト法と似ているが、バインダが異なり、バインダ分を比較的多く含むため自立したシートが得られるので取扱いが容易になる。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明を図面を参照して実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００３１】
（実施例１−１）
発泡金属より成る多孔質金属体上に電極２をグリーンシートで成膜し、更に電解質及び電極１をこの順に成膜法で成膜して、図１〜４に示す構成の単セルを得た。なお、このとき、多孔質金属上の電極２は、図９に示すように埋設されていた。
【００３２】
（実施例１−２）
実施例１−１と同様な操作を繰り返して、図５及び６に示す構成の単セルを得た。なお、このとき、多孔質金属上の電極２及び電解質は、図１０に示すように埋設されていた。
【００３３】
（実施例２）
電極２、電解質及び電極１の全てをグリーンシートで成膜し、その上から多孔疾金属体で被覆したサンドイッチ構造とした以外は、実施例１−１と同様な操作を繰り返して、図７及び８に示す単セルを得た。
【００３４】
（実施例３）
多孔質金属体を金属不織布とし、電極１及び電極２を印刷法、電解質をグリーンシートで成膜した以外は、実施例１−１と同様の操作を繰り返して、図１〜４に示す構成の単セルを得た。なお、このとき、多孔質金属上の電極２は、図９に示すように埋設されていた。
【００３５】
（実施例４）
多孔質金属体を金属不織布とし、電極１及び電極２を印刷法、電解質をグリーンシートで成膜した以外は、実施例１−２と同様の操作を繰り返して、図５及び６に示す構成の単セルを得た。なお、このとき、多孔質金属上の電極２は、図１０に示すように埋設されていた。
【００３６】
【表１】

【００３７】
表１より、実施例で得られた単セルは電池要素の反り、割れがなく、成膜性も良好であることがわかる。
【００３８】
以上、本発明を実施例により詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
例えば、本発明において、単セル及びセル板の形状等は任意に選択でき、目的の出力に応じた燃料電池を作製できる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、電極（燃料極及び空気極）や固体電解質を多孔質基体に埋設すること、グリーンシートを介して電極や固体電解質を形成することとしたため、電池要素と支持基体との密着力が高く、３相界面を多く取り得る構成の単セル、セル板、固体電解質型燃料電池及び単セルの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の単セルの一例を示す断面図である。
【図２】本発明の単セルの他の例を示す断面図である。
【図３】本発明の単セルの更に他の例を示す断面図である。
【図４】本発明の単セルの他の例を示す断面図である。
【図５】本発明の単セルの更に他の例を示す断面図である。
【図６】本発明の単セルの他の例を示す断面図である。
【図７】本発明の単セルの更に他の例を示す断面図である。
【図８】本発明の単セルの他の例を示す断面図である。
【図９】多孔質基体に埋設した電極材料の概要を示す断面図である。
【図１０】多孔質基体に埋設した電極材料及び固体電解質の概要を示す断面図である。

Claims

固体電解質を空気極及び燃料極で挟持して成る電池要素の表面及び／又は裏面に多孔質基体を設けた固体電解質型燃料電池用の単セルであって、
上記空気極の少なくとも一部及び／又は上記燃料極の少なくとも一部が、多孔質基体内に埋設されるように、上記電池要素と該多孔質基体とを着接し、
上記固体電解質界面に電気化学的な反応場を形成し、該空気極及び／又は燃料極が、該反応場に反応ガスを供給することを特徴とする固体電解質型燃料電池用単セル。
上記電池要素において、空気極の一部及び／又は燃料極の一部が上記固体電解質に埋設されて成ることを特徴とする請求項１に記載の固体電解質型燃料電池用単セル。
上記電池要素において、固体電解質の一部が上記空気極及び／又は燃料極に埋設されて成ることを特徴とする請求項１に記載の固体電解質型燃料電池用単セル。
固体電解質を空気極及び燃料極で挟持して成る電池要素の表面及び／又は裏面に多孔質基体を設けた固体電解質型燃料電池用の単セルであって、
上記空気極の全部と上記固体電解質の少なくとも一部、及び／又は上記燃料極の全部と上記固体電解質の少なくとも一部が、多孔質基体内に埋設されるように、上記電池要素と該多孔質基体とを着接し、
上記固体電解質界面に電気化学的な反応場を形成し、該空気極及び／又は燃料極が、該反応場に反応ガスを供給することを特徴とする固体電解質型燃料電池用単セル。
上記多孔質基体が、５μｍ〜０．５ｍｍの空孔を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の固体電解質型燃料電池用単セル。
上記多孔質基体が、ニッケル、ニッケル−クロム、ニッケル−クロム−鉄、ニッケル−クロム−タングステン−モリブデン、ニッケル−コバルト、ニッケル−銅、銀、銀−パラジウム、銀−白金、鉄−クロム−ニッケル及び鉄−クロム−アルミから成る群より選ばれた少なくとも１種の金属を含んで成ることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の固体電解質型燃料電池用単セル。
上記多孔質基体の表面を、白金、ニッケル、白金−パラジウム及び銅から成る群より選ばれた少なくとも１種の金属でメッキして成ることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の固体電解質型燃料電池用単セル。
電極と着接した部位を除く上記多孔質基体の表面がガスシール部材で被覆されて成ることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の固体電解質型燃料電池用単セル。
請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の固体電解質型燃料電池用単セルで用いられる電池要素を、２次元的に複数個多孔質基体上に形成したことを特徴とする固体電解質型燃料電池用セル板。
請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の固体電解質型燃料電池用単セル、又は請求項９記載の固体電解質型燃料電池用セル板を用いて成ることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の固体電解質型燃料電池用単セルを製造する方法であって、
上記固体電解質材料、空気極材料及び燃料極材料から成る群より選ばれた少なくとも１種の材料と有機ビヒクルとから成るグリーンシート、スラリ及びペーストから成る群より選ばれた少なくとも１種のものを含んで構成された電池要素部を多孔質基体に着接し、焼成することを特徴とする固体電解質型燃料電池用単セルの製造方法。