JPH0294366A - 固体電解質燃料電池 - 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］ 本発明はセパレータをセラミック材料製とし、セパレー
タと固体電解質板との熱膨張率差を小さくしてガス封止
を容易に行えるようにした固体電解質燃料電池に関する
。

ｒ従来の技術〕 高温型固体電解質燃料電池は、電解質による周辺材料の
腐食、電解質自体の分解、蒸発、逸散等がなく、液体物
質を使用しないために電池構造が簡素化でき、８５０　
”Ｃ〜１０００°Ｃ程度で動作するため燃料として天然
ガスや石炭ガスを改質することなくそのまま使用可能で
あり、内部抵抗が小さく、大出力を得ることが可能でエ
ネルギー利用率の高い燃料電池として期待されている。

第６図はこのような従来の燃料電池において、集積度の
高い平板型の例を示す図で、図中、３１．３２は外部端
子、３３．３４は外部端子ガス通路、３秒、３６は３層
構造板、３７はインターコネクタ、３８．３９はガス通
路である。

図において、３層構造板３５．３６は、例えばジルコニ
ア（ＺｒＯｚ）からなる薄い固体電解質板で、その両面
には空気極（カソード）、燃料極（アノード）を形成す
る多孔性電極材料が塗布してあり、外部端子３１．３２
とインターコネクタ３７がこれをサンドイッチする形で
積層されており、外部端子３１．３Ｎ構造板３５、イン
ターコネクタ３７で単位セルを構成し、同様にインター
コネクタ３７．３層構造板３６、外部端子３４で単位セ
ルを構成し、これらが２段直列となっている。勿論、同
様に単位セルの積層数を増やすことによりＮ段底列構成
とすることができる。

このような構成において、ガス通路３３．３９に酸素ま
たは空気を、ガス通路３４．３８に、例えば水素を流し
、外部端子３１．３２を図示しない外部回路を通して接
続すると、酸素は燃料と反応しようとしてイオン化して
固体電解質板３５．３６を通して流れ、このとき、空気
極では酸素が電子を取り込んで酸素イオンとなり、燃料
極側ではこのイオンと燃料が反応して電子を放出するの
で、外部回路には空気極を（＋）極、燃料極を（−）極
として外部端子３１から外部端子３２へ電流が流れる。

これを化学式で示すと次のようになる。

空気極：ｌ／２０□＋２ｅ−→０茸 燃料極：　Ｈ，＋Ｏ”−→Ｈｚ　Ｏ＋２　ｅ全体的な電
極反応は、 １／２　０ｆ　　＋Ｈｚ　　→Ｈｔ　　Ｏとなる。また
、燃料として一酸化炭素を用いた場合には、 燃料極：ＣＯ＋○”−→ｃ　Ｏ，＋２　ｅとなり、全体
的な電極反応は、 ＣＯ＋１／２０□　→ＣＯア となる。

〔発明が解決すべき課題〕

このような従来の平板型固体電解質燃料電池において、
集電作用を行うと共に、ガス通路を形成しているインタ
ーコネクタは金属からなっており、一方、固体電解質の
ジルコニアＺｒＯ，はセラミックであるので、それらの
熱膨張係数間には、約１０ＸＩＯ−’１／’Ｃの差があ
る。このように熱膨張係数に差があると、固体電解質燃
料電池の動作温度８５０°Ｃ〜１０００°Ｃでは、３層
構造板とインターコネクタ間に隙間が発生してしまい、
燃料と空気がクロスリークして電池活性物質として十分
機能しなくなり、電池としての燃料利用率が低下してし
まうという問題があった。このクロスリークが、従来の
燃料電池設計上、最も大きな問題であり、これが平板型
固体電解質燃料電池の研究を大きく遅らせる原因となっ
ていた。

本発明は上記問題点を解決するためのもので、固体電解
質板とインターコネクタとの熱膨張率差を無くシてクロ
スリークを防止し得るようにした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〕

第１図は本発明の固体電解質燃料電池の構成を示す図で
、３段直列セルの集合様式の例を展開して示したもので
ある。図中、１１は固体電解質板、１２はカソード、１
３はアノード、１４はセパレータ、１４ａ、１４ｂは溝
、１５は端子板、１５ａは溝、１６は端子板、１６ａは
溝である。

図において、固体電解質板、セパレータ、或いは端子板
で単位セルを形成しており、各セルにおいて、平板状固
体電解質板１１は両面にそれぞれカソード１２、アノー
ド１３が形成されている。

固体電解質板１１は酸素伝導性のある固体電解質で作っ
た板状物からなり、厚さは０．０５−０゜３０程度、よ
り好ましくは０．０Ｂ−０，２５圏程度が適当である。

０．０５ｍｍよりも薄いと強度の問題があり、０．３膿
を越えると電流路が長くなり好ましくない。カソード１
２は酸素通路側なので、高温下で酸素に対して耐蝕性の
ある伝導材料を用い、ガス透過性となる程度に多孔状に
形成し、例えば、Ｌａｗ　Ｓ　ｒｌ−＋＋　ＭｎＯｓ等
の伝導性複合酸化物粉末を塗布する。塗布の手法として
は、刷毛塗り法、スクリーン印刷等がある。その他多孔
状膜の作成方法としてはＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、
スパッター法、溶射法等が可能である。

アノード１３は水素通路側で、高温下で水素に対して耐
蝕性のある導電性材料、例えば、Ｎ　ｉ　／　Ｚｒｏｔ
サーメント等をガス透過性となる程度に多孔状に形成す
る。また、カソード、アノードは多孔性の板状化が可能
であれば、それに固体電解質を付着させて使用すること
も可能である。

各セルの両面にカソード１２とアノード１３が形成され
た固体電解質板１１はセパレータ１４を介して集積し、
セパレータ１４は隣接するセルの電極間を電気的に接続
すると共に、両面に溝１４ａ、１４ｂが形成されて隣接
するセルのカソード側およびアノード側のそれぞれのガ
ス通路を形成している。

このセパレータ１４はアルミナ、部分安定化ジルコニア
、安定化ジルコニア等のセラミックス材料で形成し、こ
れにより、電池の作動温度での固体電解質板とセパレー
タ間のガスの封止を容易にすることができる。

なお、上記説明では３段積層の例について説明したが、
本発明は任意段数積層してもよいことは言うまでもない
。

第２図（ア）はセパレータの平面図、（イ）は正面図、
（つ）は左側面図で、図中、１７は金属線である。

第２図に示すように、各セル間の電気的接続はセパレー
タに埋め込まれた金属線１７により行われる。この金属
線１７は固体電解質板とセパレータ間を封止することに
より外気と遮断されるため、雲囲気の影響を受けない。

そのため、必ずしも耐酸化性、或いは耐還元性を有する
金属または合金を使用する必要がなく、クロム、コバル
ト、ニッケル、鉄、銅、白金等を用いることができる。

また、銀、錫、インジウム等の電池の作動温度で溶融状
態にある金属、或いは合金を用いれば、電極間の接触抵
抗を低減させることも可能であり、セル特性を向上させ
ることができる。

セパレータ１４は両面に溝１４ａ、１４ｂを形成してそ
れぞれガス通路を構成している。溝１４３．１４ｂはそ
れぞれの溝に燃料ガスと酸化剤ガスを供給できれば、溝
の形状、配置は問わないが、最も簡単な構成は、第１図
および第２図に示すように、溝１４ａ、１４ｂを直交す
る方向に配置することであり、集積セルとしてのガス供
給・排出系の構成が容易となる。

第３図は本発明の他の実施例を示す図で、　同図（ア）
は平面図、同図（イ）は正面図、同図（つ）は左側面図
である。なお、１８は集電極である。

第１図、第２図に示した実施例におけるセパレータ１４
を介して両面に電極１２．１３を形成した固体電解質板
を集積すると、電気抵抗の大きいカソード１２、アノー
ド１３を面方向に流れる電２ｉ！路が長くなり、セル全
体の抵抗の増大によりセル特性が低下する可能性がある
。

そこで、本実施例では第３図に示すように電極上に一定
間隔で集電極１８を設置することにより、カソード１２
、アノード１３を面方向に流れる電流路を短くして、抵
抗を小さくしている。この場合、集電極１８は耐熱性の
高い金属または合金の線、網、多孔質体等にし、材質と
しては白金、ニッケル、クロム、コバルトまたはこれら
の合金を用いることができる。

集電極の設置法としては、カソード１２、アノード１３
上におく方法だけでなく、固体電解質板上に金属ペース
トの塗布あるいはスパッター、溶射等で直接形成するこ
とも可能である。この場合、集＄Ｐｉを一定間隔で設け
た固体電解質板上にカソード１２、アノード１３を形成
すればよい。

第４図は外部端子の形状を示す図で、同図中、（ア）は
平面図、（イ）は正面図である。

外部端子板もセパレータと同様の材料で形成し、溝の形
状はセパレータ１４の片面と同じである。

そして外部端子からの出力の取り出しは埋め込まれた金
属線から行うようにし、図示の例では外部端子板のエツ
ジ部の中央に埋め込んだ金属線１７にセパレータに埋め
込んだ金属線を接続するようにするが、その位置は工ン
ジ中央に限らずエツジ部の任意の位置でもよい。

次に、固体電解質板１１、セパレータ１４、外部端子１
５．１６を集積して組み立てる時には、固体電解質板１
１、正確にはカソード１２．アノード１３、セパレータ
１４または外部端子１５１６の間でガスの漏れないよう
に封止する必要がある。これは例えば軟化点が約８００
＠Ｃのガラスペーストで封止すればよい。このガラスペ
ーストは電池の作動温度、９００−１０００°Ｃでは十
分に軟化してガスを封止する。

第５図は本発明の固体電解質燃料電池へのマニホールド
の取り付は例を示す図で、図中、２１は集積型電池本体
、２２はマニホールド、２３は水素入口、２４は未反応
水素出口、２５は酸素入口、２６は未反応酸素出口、２
７．２８は出力取り出し用リード線である。

前述したように組み立てた電池に燃料ガス、及び酸化剤
ガスを供給するためには、電池の谷溝１４ａ、１４ｂの
両端がそれぞれ同一面にくるように配置されているので
、それらの面に図示するようにマニホールド２２を取り
付ける。即ち、上記のように組み立てた集積型電池本体
２１を円筒状マニホールド２２の管内に挿入し、溝１４
ａ、１４ｂの出口が管壁に面するように配置する。電池
本体２１とマニホールド２２の４ケ所の接触箇所をガス
封止すれば、溝１４ａ、１４ｂのそれぞれの両端がマニ
ホールド２２の円筒壁と電池本体２１で形成された４つ
のガス通路２３〜２６と対応する。そして、入口２３か
ら水素を供給して反対側の面の出口２４より未反応水素
を流出させ、また入口２５より酸素を供給してその反対
側の出口２６より未反応酸素を流出させる。こうして燃
料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、出力をリード線２７
．２８により外部回路へ取り出すことができる。

〔作用］ 本発明の固体電解質燃料電池は、ガス通路を形成すると
共に、単位セルを直列接続させる機能を有するセパレー
タをセラミック材料製とすることにより、セパレータと
固体電解質板間の熱膨張率の差を無くしてガス封止を容
易に行い、燃料ガスと酸化剤ガスとのクロスリークを無
くして燃料利用率を向上させることができる。

［実施例］ 第１図の集合様式に従い、３段直列の固体電解質型燃料
電池を製作した。セパレータ１４、外部端子１５．１６
の形状は第２図および第４図に示した通りであるが、ど
ちらも５０Ｘ５０Ｘ５ｍｍの正方形の板に溝幅４４閣、
溝深さ２胴の溝１４ａ１４ｂ、１５ｂ、１６ａを形成し
た。セパレータ１４では両面に形成する溝１４ａ、１４
ｂの方向を直交させた。

固体電解を仮１１にはイツトリアを３モル％添加したジ
ルコニアである部分安定化ジルコニアからなる５０ｘ５
０ｘ０．２ｍｍの板状物を用いた。

そして、酸素通路側にＬａｅ、ｑ　Ｓｒｅ、＋　ＭｎＯ
ｓ粉末（平均粒径約５μｍ）を刷毛塗り法で厚さ０゜０
５１１ＩＩＭに塗布してカソード１２とし、水素通路側
にＮ　ｉ　／　Ｚ　ｒ　Ｏ！　　（９／　１重量比）の
サーメット混合粉末を刷毛塗り法で厚さ０．０１−０．
０５１ｎｆｆｌ塗布してアノード１３とした。

この固体電解質板１１とセパレータ１４、外部端子１５
．１６を第１図に示すように集積し、固体電解質板１１
とセパレータ１４の側面まわりに軟化点が約８００°Ｃ
のガラスペーストを塗布してガス封止用とした。前述し
たように、このガラスペーストは電池の作動温度で軟化
してガスを封止する。

こうして集積した電池を第５図に示した円筒状アルミナ
製マニホールド２２に納めた。マニホールド２２と電池
本体２１との接触部分はセラミックペーストを塗布乾燥
して接合した後、さらにガラスペーストを塗布してガス
封止した。

外部端子１５．１６には白金リード線２７．２８を挿入
し、電気的接続を行った。

このようにして作製した燃料電池の加熱に際し、室温か
ら１５０°ＣまではビＣ／Ｉｗｉｎで加熱し、ガラスペ
ーストの溶媒を蒸発させた。１５０°Ｃ−３００°Ｃま
では５°（：／ｗｉｎで昇温した。３００°Ｃ以上では
水素通路側には、アノードの酸化を防止するために窒素
ガスを流し、５°（：／ｓｉｎで１０００°Ｃまで昇温
した。その後、１０００°Ｃに保持してアノード側に水
素、カソード側に酸素を流し、発電を開始した。解放電
圧は３．３■、放電特性は下記の表に示す通りであり、
ガスクロスリークは水素の１．０％以下であった。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、単位セルを直列接続する
セパレータをセラミック材料製のセパレータとすること
により、固体電解質板とセパレータ間の熱膨張率の差を
無くすか極めて小さくしてガス封止を極めて容易に行い
、クロスリークラ防止することができる。またカソード
、アノード部分に集電極を設け、その膨張が問題となる
方向をガス流路方向とすることによりガス封止に影響を
与えず、カソードまたはアノードにおける抵抗値を減少
させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の固体電解質燃料電池の構成を示す図、
第２図（ア）はセパレータの平面図、第２図（イ）は正
面図、第２図（つ）は左側面図、第３図は本発明の他の
実施例を示す図で、　同図（ア）は平面図、同図（イ）
は正面図、同図（つ）は左側面図、第４図は外部端子の
形状を示す図で、同図（ア）は平面図、同図（イ）は正
面図、第５図はマニホールドの取り付は例を示す図、第
６図は従来の平板型固体電解質燃料電池の例を示す図で
ある。 １１・・・固体電解質板、１２・・・カソード、１３・
・・アノード、１４・・・セパレータ、１４ａ、１４ｂ
・・・溝、１５・・・外部端子、１５ａ・・・溝、１６
・・・外部端子、１６ａ・・・溝、１７・・・金属線、
１８・・・集電極、２１・・・集積型電池本体、２２・
・・マニホールド、２３・・・水素入口、２４・・・未
反応水素出口、２５・・・酸素入口、２６・・・未反応
酸素出口、２７．２８・・・出力取り出し用リード線。 出　　願　　人　　東亜燃料工業株式会社代理人　弁理
士　　蛭　川　昌　信（外４名）第２図 （ア） （つ） Ｗ〒〒＝＝う （イ） 第 図 未々友１は口

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）多孔性電極を両面に形成した固体電解質板を、両
   面にガス通路用の溝を形成したセパレータにより挟んで
   単位セルを形成し、該単位セルをマニホールド中に直列
   積層配置することにより直列接続構造燃料電池を構成す
   るようにした固体電解質燃料電池において、セパレータ
   をセラミック材料製とすると共に、セパレータ中に多孔
   性電極と接する金属線を埋め込む事により電気的接触を
   とったことを特徴とする固体電解質燃料電池。
2. （２）固体電解質板に集電極を設けた請求項１記載の固
   体電解質燃料電池。