JPH01206567A

JPH01206567A - 平板型固体電解質燃料電池

Info

Publication number: JPH01206567A
Application number: JP63030443A
Authority: JP
Inventors: Nobuyoshi Tomita; 信義冨田; Akihiro Isato; 伊里　昭寛; Hideo Nishikawa; 西川　日出男
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1988-02-12
Filing date: 1988-02-12
Publication date: 1989-08-18

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［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、電流を流す
ことにより水電解、ＣＯ２電解等の電解セルにも使用可
能なものである。

［従来の技術と課題］周知の如く、固体電解質燃料電池（以下、５ＯＦＣと呼
ぶ）はイツトリア安定化ジルコニア（以下、Ｙ＃・ＳＺ
と呼ぶ）などを電解質とし、その両側に電極を設け、約
１０００℃に加熱した状態で燃料及び酸化剤（通常は空
気）を供給すると、電気化学反応により直接発電するも
ので、高効率、無公害等の特徴を何し、次世代の発電方
式として期待されている。

従来、電池構造としては、円筒型５ＯＦＣ及び平板型５
ＯＦＣが考えられている。前者の代表例としては第４図
（Ａ）、（Ｂ）に示す特開昭５４−７３２４６号（以下
、従来例１と呼ぶ）及び第５図に示す特開昭５７−１３
０３８１号（以下、従来例２と呼ぶ）がある。一方、後
者としては、第６図（Ａ）。

（Ｂ）及び第７図に示す波形状薄膜と平板状薄膜を積層
した平板型５ＯＦＣ（以下、夫々従来例３゜４と呼ぶ）
がある。以下に、従来例４の平板型５ＯＦＣについて説
明する。

第７図において、１は単位セルである。この単位セル１
は、酸素電極２．固体電解質膜３．燃料電画４でｌｉｌ
成される積層膜５と、燃料電極６．インタコネクタ膜７
．酸素電極８で構成される積層１漠９と、燃料と酸化剤
の流路を作り出す波形の燃料側支持膜１０及び酸化剤側
支持膜１１とから成立ち、単セル１か複数個直列に接続
したものがモジュール（集合電池）１２である。なお、
各構成層の膜厚は５０〜１０００４程度である。

材質的には、前記酸素電極２．８及び酸化剤側支持膜１
１は高温酸化雰囲気で高い導電性を有するＬａＳｒＭｎ
Ｏ３などの通称酸素電極材料を使用する。同様に、燃料
電極４，６は高温還元雰囲気で高い導電性を何する（Ｎ
ｉ　Ｏ十ＹＳＺ）などの通称燃料電極材料を使用する。

また、固体電解質膜３にはイオン導電性を何するＹＳＺ
などを、インタコネクタ膜７には高温酸化・還元の両雰
囲気に耐えるＬａ　Ｍｇ　Ｃｒ　０３の材料を使用する
。

製作方法としては、以上全ての電池構成要素はテープキ
ャスティングと呼ばれる薄膜製造法で、焼成前のグリー
ンな状態で成形される。それらを用いて、積層膜５．９
は各々３種類のテープキャスティング膜を積層し、波状
支持膜である燃料側支持膜１０及び酸化剤側支持膜１１
はテープキャスティング膜を波状に成形し、これらを所
定の順番で重ねた後−括焼成する。

ところで、円筒型５ＯＦＧと甲板！２ＳＯＦＣを比較す
ると、円筒型５ＯＦＧは試作が比較的容易で、現在すで
にかなり研究が進んでいるが、発電性能（電流密度、出
力密度等）はさほど良くなく、そのためＱｉ位出力当り
の製造コストも高くなることが予想される。

一方、従来例３，４の燃料電池は薄膜のみで構成され、
しかも１セルの間隔を１〜２ｆｆ１ｇｌと小さくしてい
るため、発電郡単位面積当りの電流密度。

出力密度が高く、しかも薄膜のみで１１が成されｍｍが
軽い為、セル容積１重二当りの出力は従来例１゜２と比
べ飛蹟１的に向−トする。しかしながら、平板型５ＯＦ
Ｃは製作が難しく製作技術の確立が最も重要な課題であ
る。以下、第５図、第６図の平板型５ＯＦＣの問題点に
ついて説明する。

■燃料側支持膜１０の＋４料としては（Ｎ　ｉ　Ｏ＋ＹＳ　Ｚ）等、また酸化剤側支持膜１１
としではＬａＳｒＭｎ０ｔ等が使用されているが、これ
らの材料は主に約１０００℃での導電率、熱膨張率を考
慮して選定された材料で、強度は比較的小さい。しかも
、電極と同じ方法で作られているため、ポーラスにでき
ており、強度は非常に低くなる。特に、燃料側では材料
の（Ｎ　ｉＯ＋ＹｓＺ）は燃料により還元されて（Ｎｉ
＋ＹＳＺ）となるが、Ｎｉの融点は１４００℃であり、
５ＯＦＧの運転温度では強度をほとんど有しない。従っ
て、製作時、運転時等に前記燃料側支持膜１０が破損し
易い。

（ｇ′）前記燃料側支持膜］０．酸化剤側支持膜１１と
前記積層膜５，９は燃料電極材料同志又は酸素電極材料
同志で接合されるが、これらの材料は上記■で説明した
通り強度が低い。従って、製作時、運転時に前記支持膜
５．９と積層膜の接合部が剥離しｂい。　、本発明は上記′１！情に鑑みてなされたもので、棒状の
支持材又はセラミックファイバーで強化した支持材を用
いるとともに、固体電解質膜、インタコネクタ膜と支持
材の接合をセラミックスを主成分とする接合材を用いる
ことにより、電池の強戊が訝しく大きい平板型固体電解
質燃料電池を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］本発明は、燃料電極、固体電解質膜、ｆｊ！素電極及び
インタコネクタ膜を薄膜で形成し、これらを積層した平
板型固体電解質燃料電池において、前記固体電解質膜と
インタコネクタ膜を棒状の支持材又はセラミックファイ
バーで強化した支持子オで支持するとともに、この支持
材と前記固体電解質膜、インタコネクタ膜相互間をセラ
ミックを主成分とする接合材で接合したことを要旨とす
る。

本発明において、上記セラミックファイバーとしては、
（イ）熱膨張率（ＳＯＦＣの構成材料は最も重要なＹＳ
Ｚの熱膨張を考慮して材料選定を行っている）、（ロ）
ＳＯＦＣ構成材料との相互反応の有無、及び（ハ）強度
等を考慮すると、イツトリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ
）、　　カルシア安定化ジルコニア（ＣＳ　Ｚ）が適し
ている。また、前記セラミックファイバーの形状は、厚
さ約１００ｐの薄膜中に分散するので、フィバ−の径は
数−１長さは数ｍｍ程度が望ましい。

Ｃ作用］本発明によれば、 ■棒状の支持材又はセラミックファイバーなどで強化し
た支持材を用いることにより、電池の強度が向−ｌニす
る。

■また、固体電解質膜、インタコネクタ膜と支持材との
接合をセラミックを主成分とする接合剤（接着剤）を用
いることにより、電池の強度が更に向、にする。

■固体電解質膜、インタコネクタ膜、支持材は各々多少
の歪をａしているが、接着剤が各構成要素間の隙間を埋
めるスペーサの働きをする。

以上のように、機械的接合は接着剤が受持つ一方で、５
ＯＦＣとしての電気的接合は燃料電極又は酸素電極スラ
リーが受持つという役割分担となっており、要求使用に
合せて最適設計が可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図を参照して説明する。

図中の２１はモジュールであり、複数の単位セル２２を
積層して構成きれる。この単位セル２２は、固体電解質
膜２３、インタコネクタ膜２４、燃料電極２５、酸素電
極２６、前記固体電解質膜２３とインタコネクタ膜２４
とを支持する棒状の支持材２７、及び前記固体電解質膜
２３．インタコネクタ膜２４と支持材２７とを接合する
接着剤２８とから構成されている。ここで、前記固体電
解質膜２３の材質はイツトリア安定化ジルコニア（ＹＳ
Ｚ）など、インタコネクタ膜２４の材質はＬａ　Ｍｇ　
Ｃｒ　０３などである。また、支持材２７の材質は高温
での強度が高く、熱膨張率の他の構成材料と略同じでし
かも他の構成材料と反応しない材料、例えばＹＳＺ、Ｌ
ａ　Ｍｇ　Ｃｒ　０３の混合物等を使用する。前記接着
剤２８の材質は、Ｚｒ　０２　、　Ａ、ｉ’　２０３　
、　　Ｓ　１０２のセラミックスを主成分とした接合剤
を使用する。更に、前記燃料電極２５の材質は（Ｎｌ　
Ｏ＋ＹＳＺ）等を、酸素電極２６の材質はＬａ　Ｓｒ　
Ｍｎ　０３等を使用する。なお、図中の２９は燃料通路
を、３０は酸化剤通路を示す。ここで、燃料通路２９と
酸化剤通路３０は直交している方かへダー構造が簡単と
なる。

次に、本発明に係る平板型５ＯＦＣの製“作方法につい
て、第２図を参照して説明する。

■まず、固体電解質２３は、ＹＳＺ３１からドクターブ
レード法でグリーン状態の膜を！Ｒ乾燥機３２を経て作
り、カッター３３で切断した後、焼成機３４に送給して
１４００〜１７００℃で焼成する。一方、インタコネク
タ膜２４は、Ｌａ　ＭｇＣｒ　０３３５からドクターブ
レード法でグリーン状態の膜をＩＲ乾燥機３２を経て作
り、カッター３３で切断した後、焼成機３５に送給して
１３００〜１Ｉｌｉ５０℃で焼成する。また、支持材２
７は、Ｌａ　Ｍｇ　Ｃｒ　０３３６の粉末から圧縮・焼
成により焼結体３７を得た後、切断、研磨を行って支持
材を得る。

■次に、以上の工程で得られた固体電解質膜２３、イン
タコネクタ膜２４及び支持材２７に無機接着剤２８を塗
布・組合わせた後、焼成機３８で焼成する。この際、ホ
ットプレス的な方法て高温下で圧力をかけると、接着剤
を用いなくても接着する。また、ホットプレス法と接着
剤を組合わせると、更に強度は向」ニする。

■次いで、別途用意した燃料電極スラリー３９を塗布（
流し込みによる）し、焼成［４０にて１４００〜１６０
０℃で焼成する。

■この後、酸素電極スラリー４１を塗布し、焼成機４２
にて１２００〜１４００°Ｃで焼成して目的とする平板
型５ＯＦＣを得る。なお、燃料電極スラリー３９及び酸
素電極スラリー４１は交互に配置されているので、支持
材２７を直交させておくと、縦方向からスラリーを流し
込めば酸素電極、横方向から流し込めば燃料電極のみと
簡単にスラリーを塗布することができる。

電池完成後、約１０００℃に保持した状態で燃料及び酸
化剤を供給すると、電気化学反応により直接電気が得ら
れる。

しかして、上記実施例に係る平板型５ＯＦＣによれば、
単セル２２を、固体電解質膜２３、インタコネクタ膜２
４、燃料電極２５、酸素電極２６、前記固体電解質＠２
３とインタコネクタ膜Ｉｆ！！２４とを支持する棒状の
支持材２７、及び前記固体電解質膜２３．インタコネク
タ膜２４と支持材２７とを接合し、ＺｒＯ２を含む接着
剤２８とから構成した構成となっているため、従来と比
べＴ仮型５ＯＦＣの強度が著しく向上する。また、前記
接着剤２８が固体電解質膜２３．インタコネクタ膜２４
等の間の隙間を埋めるスペーサの働きもする。

なお、本発明に係る平板型５ＯＦＣは上記実施例の構造
のものに限らず、第３図に示す構造のものでもよい。同
図において、５１は波形状のポーラスな支ｔ！ｊ材であ
り、その池の使用材料、製作方法等は上記実施例と全く
同様でる。

［発明の効果コ以上詳述した如く本発明によれば、棒状の支持１寸又は
セラミックファイバーで強化した支持材を用いるととも
に、同体電解質膜、インタコネクタ膜と支持材の接合を
セラミックスを主成分とする接合材を用いることにより
、従来と比べ強度が著しく大きい平成型固体電解質燃料
電池を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る平板型５ＯＦＣの要部
の断面図、第２図は同平板型５ＯＦＣの製作フローを示
す説明図、第３図は本発明のその他の実施例に係る平板
型５ＯＦＣの要部の断面図、第４図（Ａ）は従来例１に
係る円筒型５ＯＦｃ（７）斜１見図、第４　図ハ（Ｂ　
）　ハ１ｉｉｌ　（Ａ　）の部分断面図、第５図は従来
例２に係る円筒型５ＯＦＣの斜視図、第６図（Ａ）は従
来例３に係る平板型５ＯＦＣ電池の概略図、同図（Ｂ）
は同図（Ａ）の部分断面図、第７図は従来例４に係る平
板型５ＯＦＣの断面図である。２１・・・モジュール、２２・・・単セル、２３・・・
固体電解質膜、２４・・・インタコネクタ膜、２５・・
・燃料電極、２６・・・酸素電極、２７・・・支持材、
２８・・・接着剤、２９・・・燃料通路、３０・・・酸
化剤通路。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 □０引ぴ１７）又商互蒋予免台闘才第５図（Ａ）　　　　　　　　　　　　　（Ｂ）第６図第７図

Claims

【特許請求の範囲】

燃料電極、固体電解質膜、酸素電極及びインタコネクタ
膜を薄膜で形成し、これらを積層した平板型固体電解質
燃料電池において、前記固体電解質膜とインタコネクタ
膜を棒状の支持材又はセラミックファイバーで強化した
支持材で支持するとともに、この支持材と前記固体電解
質膜、インタコネクタ膜相互間をセラミックスを主成分
とする接合材で接合したことを特徴とする平板型固体電
解質燃料電池。