JPH03112059A - 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］ 本発明は固体電解質燃料電池（以下、５ＯＦＣという。

）の多孔質カソードの改良に関する。

〔従来の技術］ 第１図は、直並列接続が容易にできる公知の５ＯＦＣセ
ルの構造（特開昭５７−１３０３８１号公報参照。）を
示す。

この５ＯＦＣセル１０は、円筒状の多孔質支持体１１の
外周面に、多孔質カソード１２、緻密質固体電解質層１
３及び多孔質アノード１４を順次積層して構成したもの
である。ただし、多孔質カソード１２上の固体電解質層
１３は周方向に閉じずに長手方向の帯状空隙を形成して
おり、この空隙位置に多孔質カソード１２の外部接続の
ための緻密質インターコネクタ１５が形成される。固体
電解質層１３上の多孔質アノード１４も周方向に閉じず
、周方向両端部がそれぞれインターコネクタ■５から距
離を隔てて位置する。

多孔質支持体１１の構成材料は、酸化カルシウム（Ｃａ
ｂ）を添加して安定化させた酸化ジルコニウム（Ｚ　ｒ
　Ｏ２）すなわちカルシア安定化ジルコニア（Ｃａ　Ｓ
　Ｚ）である。緻密質の固体電解質層１３は、希土類酸
化物である酸化イツトリウム（Ｙ２Ｏ２）を添加して安
定化させた酸化ジルコニウムすなわちイツトリア安定化
ジルコニア（ＹＳＺ）で構成される。この固体電解質層
構成材料に適合するように多孔質カソード１２は酸化ラ
ンタンマンガン（Ｌ　ａ　Ｍ　ｎ　Ｏａ　）に酸化スト
ロンチウム（ＳｒＯ）を添加した導電材料（組成式：Ｌ
ａ　　　Ｓｒ　　　ＭｎＯ，８５０，１５１，１０３） で構成され、多孔質アノード１４はニッケルジルコニア
サーメット（Ｚ　ｒ　Ｏ２Ｎ　ｔ　）やコバルトジルコ
ニアサーメット（Ｚ　ｒ　０２　　Ｃｏ　）等の複合導
電材料で構成される。緻密質インターコネクタ１５の構
成材料は、酸化ランタンクロム（Ｌ　ａ　Ｃｒ　Ｏａ　
）に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を添加したものである
。カソード１２、電解質層１３、アノード１４及びイン
ターコネクタ１５の厚みは、それぞれ０．７ｍｍ５０．
０４ｍｍ５０゜１ｍｍ、０．０４ｍｍである。

以上に説明した５ＯＦＣセルＩＯは、アノード１４とイ
ンターコネクタ１５との間に負荷を外部接続した上で、
例えば空気を酸化剤として多孔質支持体１１の内側空孔
に流し、天然ガス等の反応剤を燃料として多孔質アノー
ド１４の外側に流して使用する。セルＩＯの温度は約１
０００℃とする。多孔質支持体１１中に導入された空気
中の酸素ガス（０□）は、この支持体１１及び多孔質カ
ソード１２中を拡散して緻密質固体電解質層１３の内面
に達する。一方、この緻密質固体電解質層１３の外面に
は燃料ガスが多孔質アノード１４中を拡散して到達する
。この際、カソード１２で生成した酸素イオン（０２″
″）がカソード１２から固体電解質層１３中を通ってア
ノード１４に達し、燃料ガスとの間で酸化・還元反応を
起こす。この酸化・還元反応の際に生じる電子がアノー
ド１４から外部負荷を通ってカソード１２に達し、酸素
ガスを酸素イオンに変える。すなわち、固体電解質層１
３が酸素イオンの導電体としてはたらき、多孔質カソー
ド１２は空気極として、多孔質アノード１４は燃料極と
してそれぞれガスを通しながら電極としての機能を果た
す。以上のようにして５ＯＦＣセル１０から電気エネル
ギを取出すことができる。ただし、単一の５ＯＦＣセル
１０では、アノード争カソード間に発生する電圧が約１
■である。そこで、アノード１４とインターコネクタ１
５とを利用して複数の５ＯＦＣセル１０を互いに直並列
接続することにより、所要出力の５ＯＦＣを構成する。

［発明が解決しようとする課題］ さて、多孔質カソード１２の構成材料に求められる要件
は、■電池使用温度の１０００℃でも固体電解質層１３
と固相反応しないこと、■酸化雰囲気中１０００℃でも
安定であること、■電極触媒活性が良いこと、■固体電
解質層１３と熱膨張率がほぼ等しいこと、■固体電解質
層１３への酸素ガスの供給に障害にならないこと、■電
気抵抗が低いこと等である。

固体電解質層１３を前記のようにイツトリア安定化ジル
コニアで構成する場合には、多孔質カソード１２の従来
の構成材料すなわち式”　ａＯ，８５゜、１５　　１．
１０３の組成を有する多孔質環Ｓｒ　　　　　Ｍｎ 型材料が上記■〜■の５要件をほぼ満足する。

ところが、この材料の電気伝導率が小さいためにカソー
ド抵抗が電池抵抗全体の過半を占める問題があって（要
件■）、発電効率向上の障害になっていた。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであって、緻
密質の固体電解質層を多孔質アノードと多孔質カソード
とで挾み、アノード側に燃料として天然ガス等の反応剤
を、カソード側に空気等の酸化剤をそれぞれ供給する５
ＯＦＣにおいて、複合多孔質導電材料の採用によりカソ
ード抵抗を低減して上記■〜■の６要件を同時に満足す
る多孔質カソードを実現し、これにより電池発電効率を
向上させることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る５ＯＦＣでは、前記の目的を達成するため
に、多孔質導電母材中に次の３条件を満足する導電繊維
を分散させた多孔質カソードを採用する。すなわち、導
電繊維構成材料の条件は、■電池使用温度で母材と固相
反応しないこと、■電池使用温度において酸化雰囲気中
で安定であること、■母材より電気伝導率が高いことで
ある。母材として、アルカリ土類金属酸化物を添加した
酸化ランタンマンガンからなるペロブスカイト型構造の
多孔質導電材料を使用することができる。これに対する
分散材としては、白金（Ｐｔ）又は炭化ケイ素（Ｓ　ｉ
　Ｃ）からなる導電繊維の使用が可能である。白金又は
炭化ケイ素を被覆した炭素（Ｃ）繊維等の導電繊維でも
良い。

［作　用］ 本発明に係る５ＯＦＣでは、多孔質カソード中に母材よ
り電気伝導率が高い導電繊維を分散させているので、カ
ソード全体の電気伝導率が母材より高くなる。すなわち
、多孔質カソード中の電流は電気伝導率が高い分散材中
を主として流れ、カソード抵抗が低下する。

例えば酸化ランタンマンガンにアルカリ土類金属酸化物
である酸化ストロンチウムを添加した前記の多孔質導電
材料を母材とする場合には、上記３条件を満足する材料
である白金又は炭化ケイ素からなる導電繊維を分散材と
して採用するのが適当である。

例えば炭素繊維は、電気伝導率の高い材料として知られ
ているが、酸化のために本多孔質カソードの分散材とし
て単独使用することができない。ところが、この炭素繊
維に白金又は炭化ケイ素の被覆を施すと酸化が防止され
て、炭素繊維の低抵抗性を活用することができる。

［実施例］ 本発明の実施例に係る５ＯＦＣについて説明する。ただ
し、第１図に基づいて説明したちのと多孔質カソード１
２の内部構造が異なるだけであるので、他の部分すなわ
ち多孔質支持体１１、固体電解質層■３、多孔質アノー
ド１４及びインターコネクタ１５に関する説明は省略す
る。

本発明の実施例に係る多孔質カソード１２は、母材を構
成する多孔質導電材料が酸化ランタンマンガンに酸化ス
トロンチウムを添加した焼結体（Ｌ：ａ　　　Ｓｒ　　
　Ｍｎ　　　Ｏ）であり、（１，９０，１１，１３ 多孔度は０．１５である。分散材は径０．３ｍｍ１長さ
１ｍｍの白金繊維であり、この分散材を母材中に３重量
％の割合で混入しである。

この多孔質カソード１２の電気伝導率は１０５〜１３５
Ｓ−Ｃｍ−１であり、白金繊維を分散させない場合の値
５Ｓ−ｃｍ−’の２０倍以上の高い電気伝導率が得られ
る。しかも、この多孔質カソード１２は、電池使用温度
の１０００℃でもＹＳｚで構成される固体電解質層１３
と固相反応せず、酸化雰囲気中１０００℃でも安定であ
り、電極触媒活性が良く、固体電解質層重３と熱膨張率
がほぼ等しく、シかも固体電解質層１３への酸素ガスの
供給に障害にならない。

母材については、酸化ランタンマンガンに酸化ストロン
チウムを添加した多孔質導電材料に代えて、酸化ランタ
ンマンガンに酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の他
のアルカリ土類金属酸化物を添加したものを使用しても
良い。分散材としては、白金繊維に代えてコストの低い
炭化ケイ素からなる導電繊維を使用しても良い。

炭素繊維に白金又は炭化ケイ素を被覆したものも使用可
能である。特に炭化ケイ素で被覆した炭素繊維を分散材
として使用する場合は、酸化のために単独使用できない
炭素繊維の低抵抗性を十分に活用することができるばか
りでなく、白金繊維を使用する場合に比べて多孔質カソ
ード１２のコスト低減をはかることができる。

なお、５ＯＦＣセルにおいて多孔質支持体１１を別個に
設けずに、多孔質カソード１２で支持体を兼ねても良い
。セル形状は任意であって、平板構造のセルを採用して
も良い。第１図と同様の円筒状セル１０を採用する場合
であっても、固体電解質層１３の外側に多孔質カソード
１２を形成し、この固体電解質層１３の内側に多孔質ア
ノード１４を形成しても良い。ただし、この場合には内
側空孔に燃料を流し、外側に空気を流す必要がある。

［発明の効果］ 以上に説明したように本発明に係る５ＯＦＣでは、電気
伝導率の高い繊維を多孔質導電母材に分散させた複合多
孔質導電材料を多孔質カソードに採用しているので、従
来に比べてカソード抵抗を低減することができる。しか
も、分散材は、電池使用温度で母材と固相反応せず、し
かも同温度において酸化雰囲気中で安定である。

したがって、本発明によれば耐久性に優れた低抵抗カソ
ードを実現することができ、電池発電効率の向上や単位
面積あたりの発電量の増大を実現することができる。こ
れにより、５ＯＦＣのイニシャルコストの低減やコンパ
クト化がはかれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、公知の５ＯＦＣセルの構造を示す斜視図であ
る。 符号の説明 ｌＯ・・・５ＯＦＣセル、１１・・・多孔質支持体、１
２・・・多孔質カソード、１３・・・固体電解質層、１
４・・・多孔質アノード、１５・・・インターコネクタ
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、緻密質の固体電解質層を多孔質アノードと多孔質カ
   ソードとで挾み、アノード側に燃料として天然ガス等の
   反応剤を、カソード側に空気等の酸化剤をそれぞれ供給
   する固体電解質燃料電池において、多孔質導電材料を母
   材とし、電池使用温度で母材と固相反応せずかつ同温度
   において酸化雰囲気中で安定であり、しかも母材より電
   気伝導率の高い材料からなる導電繊維を分散材とした多
   孔質カソードを備える固体電解質燃料電池。 ２、母材がアルカリ土類金属酸化物を添加した酸化ラン
   タンマンガンからなる請求項１記載の固体電解質燃料電
   池。 ３、分散材が白金又は炭化ケイ素からなる導電繊維であ
   る請求項１又は２記載の固体電解質燃料電池。 ４、分散材が白金又は炭化ケイ素を被覆した導電繊維で
   ある請求項１又は２記載の固体電解質燃料電池。