JPH01313855A - 固体電解質型燃料電池の電極部材、その製造方法および固体電解質型燃料電池 - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野コ この発明は、固体電解質型燃料電池の電極部材、その製
造方法および固体電解質型燃料電池に関する。

［従来技術］ 燃料電池による発電は、従来の火力発電や原子力発電と
異なり、化石燃料の化学エネルギーを電気化学反応によ
り直接電気エネルギーに変換するものであり、発電効率
が高いとか設備規模の制約もない等の利点を有している
。このため第一世代のりん酸水溶液型燃料電池に始まり
、第二世代の溶融アルカリ炭酸塩型燃料電池、さらには
第三世代の固体電解質型燃料電池へとより効率的、より
経済的な燃料電池の開発が継続されている。

特に固体電解質型燃料電池は、燃料にとくに制約条件が
ない上に発電効率が高いとか、設備のコンパクト化が期
待できる等経済的な面から最も実用性に富んでいる。こ
の固体電解質型燃料電池の構造および作動原理は、第７
図に示すとおりである。その構造は、シート状固体電解
質２１の片面２２に燃料極２３を密着させるとともに、
他の片面２４に空気８ｉ２５を密着させている。そして
両電極間に外部回路２６が形成されており、負荷がかけ
られるようになっている。

このような構成において、燃料極２３に水素（Ｈ２）や
−酸化炭素（ＣＯ）等の燃料が供給される。水素の場合
でいうと、水素は燃料極２３で固体電解質２１中の酸素
イオンと（１）式のように反応して、電子（ｅ−）を奪
われ、水（Ｈ２Ｏ）となって排出される。

そして空気極２５では、空気中の酸素（０２）と外部回
路２６を経てきた電子（ｅ−）とが（２）式のように反
応し、酸素イオン（０−）となって固体電解質２１中を
燃料極２３へと移動する。

燃料極　Ｈ２＋０−−−−・Ｈ２０＋２　ｅ　−−・・
（１）空気極　０２＋２ｅ・・・〇−・・・（２）この
ような反応は、電解質と電極の境界面で起こるので、電
極は水素等のガスがこの境界面に到達できるよう多孔質
でなければならず、加えるに発生した電気を効率良く回
収するために導電性が良好であることが必須条件である
。

なお実際に燃料電池で発電するときには、上記のような
単電池の端子電圧は１１以内であるので、単電池を多数
直流接−統して集合電池とし、この集合電池をさらに集
めて群電池とするようにしている。

［発明が解決しようとする課！！］ しかしながら、上述した電極には、次のような問題点が
あった。

ガスが反応しやすいように電極の多孔の度合いを上げる
と、電極がもろくなる上に、電極の電気抵抗もおおきく
なり、導電性が悪くなる。また電極に電解質までとどく
貫通孔を多数確実に作成するのは、電極が１００ミクロ
ンと非常に薄い膜状のものであるため、この膜を作る条
件をいろいろ工夫してみても、予定した数の貫通孔を持
った多孔質の膜を、高い再現性をもって制作することは
困難であった。

この発明は、従来の電極の以上のような問題点を解消し
、多孔質の電極と同程度またはそれ以上の多孔性を持っ
た電極部材、その製造方法および前記電極部材を使用し
た固体電解質型燃料電池を提供するものである。

［課題を解決するための手段］ この発明に係わる固体電解質型燃料電池の電極部材、そ
の製造方法および固体電解質型燃料電池は、両面に凸状
の微細電極が規則的に多数形成された固体電解質シート
よりなる固体電解質型燃料電池の電極部材であり、この
電極部材において気体を通過させる孔が形成されている
電極部材であり、その製造方法が、 （ａ）固体電解質シートの両面に電極材を蒸着する工程
。

（ｂ）蒸着された電極材の不用部分をリソグラフィーに
より除去し、所用の電極パターンを形成する工程。

を順次行ってなる製造方法であり、この電極部材を使用
した固体電解質型燃料電池が、ｎ枚（ｎは自然数）の前
記記載の固体電解質シートと、（ｎ＋１）枚のインター
コネクターをガスシールを介して交互に積み重ねてなり
、前記微ｍ電極とインターコネクターの間には可撓性を
有する導電体が狭装され、前記ガスシールはガスが外部
に漏れず、かつ前記固体電解質シートの片面に燃料が、
他の面に酸化剤が接触するように配置されている固体電
解質型燃料電池である。

［作用コ この発明における固体電解質型燃料電池の電極部材は両
面に凸状の微細電極が規則的に多数形成された固体電解
質シートよりなっているので、燃料が固体電解質シート
と接触して効率良く電解反応を起こすことができるとと
もに、導電性も良い。またこの電極部材に気体を通過さ
せる孔を設けることにより、この孔を通じて燃料ガスが
供給できるので、多電極の固体電解質型燃料電池の電極
部材として使用することができる。この電極部材は、固
体電解質シートの両面に電極材を蒸着する工程と、蒸着
された電極材の不用部分をリソグラフィーにより除去し
、所用の電極パターンを形成する工程とからなる製造方
法で製造される。したがって、電極材の密着性が良好で
あるとともに、リソグラフィーにより思いのままの電極
パターンが形成でき、発電効率の良い電極ができる。ま
た本発明の固体電解質型燃料電池は、両面に凸状の微細
電極が規則的多数形成され、かつ気体を通過させる孔が
形成された固体電解質シート０枚と、（ｎ’＋１）枚の
インターコネクターをガスシールを介して交互に積み重
ね、前記微細電極とインターコネクターの間には可撓性
を有する導電°体が狭装されているとともに、ガスシー
ルはガスが外部に漏れず、かつ前記固体電解質シートの
片面にはガスが、他の面には空気が接触するように配置
されている。したがって、効率良く発電できるとともに
、高出力を得ることができる。

［実施例］ 本発明の１実施例を、第１図〜第６図により説明する。

本発明の１実施例の固体電解質型燃料電池の電極部材１
は、１図（ａ）〜（Ｃ）°のようにドクターブレード法
で制作・焼成した約１００ミクロンの厚さの電解質シー
ト２の表面に、約５ミクロンの厚さの電極３を複数平行
条状〈第１図（ａ）＞、格子状く第１図（ｂ）〉および
複数ドツト状〈第１図（’ｃ）−＞に密着形成している
。

これらの電極部材１の制作は、次のような工程で行なっ
ている。

■　ドクターブレード法にて、約１００ミクロンの厚さ
の電解質シート（材料はイツトリア安定化ジルコニア）
２を制作、焼成する。

■　第２図のように、電解質シート２の両面に電極材料
４を約５ミクロンの厚さに蒸着する。電極材料としては
、ガスが接触するカソード側がランタンコバルタイト、
空気が接触するアノード側が酸化ニッケル等とする。

■　この蒸着した電極材料４をリソグラフィーにより、
所用の電極パターンに形成する。このリソグラフィーは
、つぎの手順で行う。

ａ　第３図（ａ＞のように電極材料４の上にレジスト５
を塗布する。

ｂ　これを所用の電極パターンに露光させる。

Ｃ第３図（ｂ）のように、現像して電極パターンとネガ
ティブなレジストパターンを形成する。

ｄ　このレジストパターンの電極材料４が露出した部分
をエツチングして、その部分の電極材料４を取り除き、
第３図（ｃ）のように電極パターンを形成する。

ｅ　残留しているレジストを除去する。

このような電極パターンにおける条線の幅、あるいは点
の大きさは、約１０ミクロン、条線および点の間隔も１
０ミクロン程度とし、電極の厚さは約５ミクロンとした
。電極の条線や点は、単純な直線形や円形でもよいが、
電極と電解質が接する接線の長さを長くして電解反応を
促進させるため、条線の両側面を第４図（ａ）のように
ぎざぎざにしたり、点を第４図（ｂ）のように星型等に
するのが効果的である。

上述した電極部材１に、第５図のように気体を通過させ
る孔６を形成することにより、多電極の固体電解質型燃
料電池の電極部材として有効にその性能を発揮すること
ができる。この孔６を形成した電極部材１を使用して、
第６図（ａ）および（ｂ）のように固体電解質型燃料電
池７を形成する。第６図（ａ）および−（ｂ）は簡単の
ため、電極部材１が２枚の場合で説明しているが、実際
にはより多数の電極部材１を使用する。この固体電解質
型燃料電池７の構造について説明すると、電極部材１の
両側にインタコネクター８が配置されるように、インタ
コネクター８を一番外側（図では一番下側）に配置して
、インタコネクター８と！極部材１とを交互にガスシー
ル９を介して積み重ね、最後にインタコネクター８が一
番外側（図では一番上側）にくるように配置している。

また電極部材１の微細電極３とインタコネクター８間に
は、可撓性がありかつ導電性のある発泡金属、金属フェ
ルトまたは可視を持つように曲げ加工された金属成形体
１０を狭装している。したがって一番外側のインタコネ
クター８とおし間を配線することにより、外部回路１１
を形成することができるようになっている。そしてガス
シール９は、ガスが電極部材１の固体電解質シート２の
片面２ａ（第６図では上面）にのみ接触するように、固
体電解質シート２の下面２ｂとインターコネクター８間
はガス通過孔６および１２の周囲のみをシールし、固体
電解質シート２の上面２ａとインターコネクター８間は
固体電解質シート２の全面にわたってシールするように
している。また固体電解質シート２の下面側は、ガス通
過孔６および１２の周辺部を除き、空気と接触できるよ
うにしている。

このように構成しているので、ガスの通過孔から水素や
一酸化炭素等の燃料ガスを供給すると、ガスは電極部材
１の固体電解質シート２の上面２ａの微細電極３が存在
する部分で固体電解質シート２中の酸素イオンと反応し
、電子を奪われるとともに、水が生成される。そして電
子は、発泡金属、金属フェルトまたは可撓を持つように
曲げ加工された金属成形体１０、インターコネクター８
および固体電解質シート２を通して外部回路１１に取り
出し、電力として使用することができる。一方固体電解
質シート２の下面２ｂの微細電極３が存在する部分では
、空気中の酸素と外部回路１１を経てきな電子とが反応
して酸素イオンが生成される。そして酸素イオンは固体
電解質シート２中を上面２ａ側へと移動し、前記のよう
にガスと反応して、ガスから電子を奪うという反応が繰
り返えされる。このような反、応は、電極と固体電解質
シートとの接触する接線の長さが長ければ長いほど効率
よく行われるが、この燃料電池では微細電極を使用して
いるので、前記接線の長さを長くすることができ、高効
率の燃料電池を得ることができる。

なお電極部材の制作は、上述した方法に限定されること
はなく、他の常用の手段を用いて制作しても、何ら差し
支えない。

［発明の効果］ 本発明の固体電解質型燃料電池の電極部材においては、
所用の多孔性を持った電極が高い再現性をもって制作で
る。また電極材料を多孔質とする必要がなく、緻密に成
膜すればよいので、蒸着しやすく、膜自体の強度も強い
。さらには半導体製造プロセス等の自動化された設備を
利用すれば高品質の電極部材を安価に製造することがで
きる。

その電極部材を使用した固体電解質型燃料電池では、発
電効率を高めることができる。したがってその工業的効
果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施例の電極部材の
平面図、第２図は電極材を両面に蒸着した電解質シート
の側面図、第３図はリソグラフィーの手順を示す説明図
で、（ａ）はレジストの塗布状況を示す図、（ｂ）はレ
ジストパターンを示す図、（ｃ）は電極パターンを示す
図であり、第４図（ａ）および（ｂ）は線およびドツト
の形状を示す平面図、第５図はガス通過孔を有する電極
部材を示す図、第６図は本発明の一実施例の固体電解質
型燃料電池の構成を示す説明図で、（ａ）はその断面図
、（ｂ）はその斜視図、第７図は固体電解質型燃料電池
の構成を示す系統図である。 １・・・電極部材、２・・・電解質シート、２ａ・・・
電解質シートの上面、 ２ｂ・・・電解質シートの下−面、３・・・電極、４・
・・電極材料、５・・・レジスト、６・・・を極部材の
気体通過孔、７・・・固体電解質型燃料電池、８・・・
インターコネクター、９・・・ガスシール、１０・・・
発泡金属、金属フェルトまたは可撓性を持つように曲げ
加工された金属成形体、１１・・・インターコネクター
の気体通過孔、１２・・・外部回路、２１・・・シート
状固体電解質、２２・・・シート状固体電解質の片面、
２３・・・燃料極、２４・・・シート状固体電解質の他
の面、２５・・・空気極、２６・・・外部回路。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）両面に凸状の微細電極が規則的に多数形成された
   固体電解質シートよりなる固体電解質型燃料電池の電極
   部材。
2. （２）気体を通過させる孔が形成されている請求項１の
   固体電解質型燃料電池の電極部材。
3. （３）以下の工程を順次行ってなる請求項１の固体電解
   質型燃料電池の電極部材の製造方法。 （ａ）固体電解質シートの両面に電極材を蒸着する工程
   。 （ｂ）蒸着された電極材の不用部分をリソグラフィーに
   より除去し、所用の電極パターンを形成する工程。
4. （４）ｎ枚（ｎは自然数）の請求項１又は請求項２に記
   載の固体電解質シートと、（ｎ＋１）枚のインターコネ
   クターをガスシールを介して交互に積み重ねてなり、前
   記微細電極とインターコネクターの間には可撓性を有す
   る導電体が狭装され、前記ガスシールはガスが外部に漏
   れず、かつ前記固体電解質シートの片面に燃料が、他の
   面に酸化剤が接触するように配置されていることを特徴
   とする固体電解質型燃料電池。