JPH03134963A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

固体電解質型燃料電池

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JPH03134963A
JPH03134963A JP1272159A JP27215989A JPH03134963A JP H03134963 A JPH03134963 A JP H03134963A JP 1272159 A JP1272159 A JP 1272159A JP 27215989 A JP27215989 A JP 27215989A JP H03134963 A JPH03134963 A JP H03134963A
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JP
Japan
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layer
electrode
lamno3
slurry
mixed
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JP1272159A
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English (en)
Inventor
Yoshinori Nishihara
啓徳 西原
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • H01M4/9016Oxides, hydroxides or oxygenated metallic salts
    • H01M4/9025Oxides specially used in fuel cell operating at high temperature, e.g. SOFC
    • H01M4/9033Complex oxides, optionally doped, of the type M1MeO3, M1 being an alkaline earth metal or a rare earth, Me being a metal, e.g. perovskites
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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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〕 この発明は固体t%負型燃料電池の構造に係り、特に大
きな面積の反応部位を有する固体電解質型燃料電池lこ
関する。
〔従来の技術〕
固体電解質型燃料電池の単セルは一般に、ランタンマン
カナイト(LaMn03)系の側斜から成るカソードと
ニッケルージルコニア(N1−Zr02)系の材料から
成るアノードの間に寛解質層を設けた構造をしている。
水素を燃料として用いた場合にはアノードおよびカソー
ドにおいてそれぞれ仄の反応が起こる。
アノード:H2十〇  −+HzO+2e      
(11カソード:%02+2e→0”       +
21つまり、アノードに2いては、系の外部より供給さ
れた水素かt解質層より供給された酸素イオンと反応し
、水蒸気と電子を生成する。生成した電子は外部回路を
通ってカソードに到達する。
方、カソードにおいては、外部回路を通って移動してき
た電子が系外部より供給された酸素と反応し酸素イオン
を生成する。生成した酸素イオンは電解質層を移動して
アノードに到達する。
〔発明か解決しようとする課題〕
ところで、この反応を経済的な速度で行わせるためには
、アノード3よびカソードにおいて、十分をこ経済的な
速度で反応を進行させる必要がある。
例えばりん酸を電解質として用いるりん酸型燃料電池に
おいては、電解質は液体であるために電極の内部にまで
入り込み、電極反応に必要ないわゆる三相界面(固体で
ある電極、液体である電解質、気体である反応物質が集
合する場所)か電極の電解質層と接触している面のみな
らず′WL極の内部においても形成されるように配慮さ
れている。ところが、固体X解質型燃料電池の場合には
、約1000℃という高温で運転されるために、約20
0℃で運転されるりん酸型燃料電池の場合と比較しで、
本質的に電極での反応速度そのものが速く、を極反応に
よる分極(いわゆる活性化分極)が非常に小さくなるこ
とが予想されることや、電解質が固体であり、りん酸型
燃料電池の場合のように自然に電解質か[極の内部にま
で入り込むことかないことなどから、これまでは特に反
応を起こす部分の面積を積極8″Jに大さくしよっとす
る試&はほとんどなされていなかった。しかしなから、
より経済的な速度あるいは大きざで電気出力を連続して
外部に取り出すためには、電極内により大きな反応部位
か存在している万か有利であり、たとえ反応部位そのも
のでの反応はかなり速いとしても、反応部位の広さある
いは数が十分でないとすると、単位反応部位にかかる負
荷が大きくなり、セル全体としての特性は低下する。
また、アノードにおいては、一般にニッケルあるいは酸
化二、ケル(この場合にはセルに組み込んだ後に燃料カ
スでニッケルに還元して用いる)にイツトリア(Y20
3 )で安定化したジルコニア(ZrO2)(以下YS
Zと呼ぶ)を添加したサーメットか用いられているか、
この層はニッケルの含有開会により、熱膨張係数や焼結
時の収縮が大きく変化し、組成によっては、電解質であ
るYSZと熱的な性質か会わす、焼成時に割れたり、剥
離を起こしたりしてセルを構成することが困難であった
0 この発明は上述の点に鑑みてなされ、その目的は電極と
固体/wL解質層の積層構造あるいは界面構造の改良に
より、反応部位面積か大きい上に!@8゜の剥離のない
同体電解質型燃料電池を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上述の目的はこの発明によればtaであるアノード5お
よびカソード1と、固体電解質体3と、混合1fIII
bとを有し、 混合層は電極と固体を解質体の両材料の混合されたもの
であり、を極と固体寛′Is質体との中間に設けられる
ものであることおよび ′tTrI!!、であるアノード5ぢよびカソード1と
、固体を解質体3とを有し、 電極と固体[解質体との界面は所定のパターンの凹凸7
が形成されるものであるとすることにより達成される。
界面の凹凸には島状、ストライブ、格子状等のパターン
が用いられる。
〔作用〕
混合層は混合により電極と固体電解質の接触面積を大き
くする。熱的性質は電極と電解質の中間になる。
(5) 界面の凹凸は電極と固体電解質の接触面積を大きくする
。界面の凹凸はアンカー効果により電極の剥離を防止す
る。
〔実施例〕
次にこの発明の実施例を図面に基いて説明する。
(実施例1) LaMnOA21末とバインダーを混合してスラ11−
を形成する。ごのスラ1j−をドクターブレード法によ
りンート状に展開しLaMn(J3の層を得る。次にL
aMnO3粉末と8モルのY2O3で安定化させたZr
02(Y S Z )  をM量比で1対1になるよう
に混合し、バインダーを添刀口しスラリーを得る。次い
でこのスラリーを先に用意したLaMn0a 1−の上
に展開しこの混合層を形成する。この後、YSZのスラ
リを混合層の上に塗布して3層のグリーンシートを得る
。このクリーンシートを所定の温度で焼成して3 rf
lから成る膜を得た。この3層の膜の模式断面図を第1
図に示す。カソード1はLaMn O3からなり、混合
fgjI2はLa M n (J aとYSZからなり
、固体@解質体3はYSZ力)らなる。
(6) 出来上がった膜の特性を評価するために、電極有効面積
1001fの小型セルを製作した。このセルを用いて得
られた特性を第2図の曲tgluに示す。比較のために
従来の方法により作製したカソードを用いたセルの特性
を曲線12に示す。第2図より明らかなよつに、不実施
例を用いて作製したカソードを用いたセルの特性は、従
来法により作製したカソードを通用したセルの特性と比
較して分極が小さいことが分かる。ナ旧、これらのセル
は特性の比較をすることを目的として組みS二でたので
、アノードには1司−の製法のものを適用した。
(実施例2) 実施例ICごぢい゛C作判したLaMn0:+層の上に
格子状のマスクを設け、マスクの上よりLaMnO3の
スラリーを塗布した。次にマスクを取り除いた俊で、こ
の膜の上に実施例1に2いて用いたYSZのスラ11を
塗布してクリーンシー[・を得、所定のtiL夏にて焼
成した。この膜の断面を第3図に示す。
凹凸7が界面に形成される。特性は第2図の曲線11に
近似する。
(実施例3) 酸化ニッケル粉末とYSZ粉末を重量比で2/1になる
ように秤量しこれを十分に混合した後船こバインダーを
添加してスラ1j−を形成する。このスラ11−をドク
ターブレード法によりシート状に展開しこれらの混合物
の層を得る。次に酸化ニッケル粉末とYSZを重量比で
1/1になるように秤量し、これを十分に混合した後に
バインダーを添加しスラリーを形成し先に形成した層の
上に塗布する。さらにYSZのt解質層を設けて所定の
条件にて焼成してアノードとした。
第4図に不実施例により得られる膜の断面図を示す。ア
ノード5は酸化ニッケルとYSZの割合が重量比で27
1の層を表し、混合層6は酸化ニッケルとYSZの割合
がTL重量比1/1の層を表す。
本実施例で得られる膜の剥離性および割れ性を調べるた
めに、不実施例の方法により加枚、また従来の方法によ
るものを加枚作製し、水素雰囲気にて焼成を行う実験を
行った。その結果本実施例を適用したものは加枚の内2
枚に部分的な剥離が発生した。これに対して従来法によ
るものは20枚の内8枚に剥離が発生し、4枚に割れが
発生した。
さらに、本実施例による方法により作製したアノードの
有効性を確認するために、電極有効面積が10dである
小型セルを組みVてた。また、比較のために従来の方法
により製作したアノードを用いたセルも組み二てた。こ
れらのセルにおいてはカソードは同一のものを用いた。
第5図にこれらのセルの特性を示す。第5図において曲
線13は本実施例に係るセルの特性を、曲線14は従来
法ζこより作製したセルの特性を示す。
不方法は特性的にも優れていることがわかる。なお不ア
ノードζこつき実施例2と同様構造としたときも電極の
剥離は生じない。
〔発明の効果〕
この発明によれば電極であるアノードおよびカソードと
、固体電解質体と、混合層とを有し、混合層は電極と固
体電解質体の両材料の混合されたものであり、1!極と
固体電解質体との中間に設けられるものであり、 (9) 電極であるアノードおよびカソードと、固体電解質体と
を有し、 電極と固体電解質体との界面は所定のパターンの凹凸が
形成されるものであるので混合層は電極と電解質との接
触面積を増大させて反応部位が増大し、電池の’KN電
圧特性を向上させる。また混合層は電極と電解質の中間
的な熱的性質を示し、%L′#IAの固体1!解質体か
らの剥離を防止する。また界面の凹凸は電極と固体を解
質体との接触面積を増大させて反応部位が増大し′(池
の電流電圧特性を向上させる。ざらに界面の凹凸はアン
カー効果により′成極の剥離を防止する。このようにし
て特性と信頼性に優れる固体電解質屋燃料電池が得られ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は、311求項1の発明の実施例に係る燃料電池
を示す断面図、第2図は請求項1の発明の実施例に係る
燃料電池の特性を従来の電池の特性と比較して示す嶽図
、第3図は請求項2の発明の実施例に係る燃料電池を示
す断面図、第4図は請求項(10) 1の発明の異なる実施例に係る燃料電池を示す断面図、
第5図は請求項2の発明の異なる実施例に係る燃料電池
の特性を従来の電池の特性と比較して示す線図である。 にカソード、3:固体電解質体、5ニアノー(11)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)電極であるアノードおよびカソードと、固体電解質
    体と、混合層とを有し、 混合層は電極と固体電解質体の両材料の混合されたもの
    であり、電極と固体電解質体との中間に設けられるもの
    であることを特徴とする固体電解質型燃料電池。 2)電極であるアノードおよびカソードと、固体電解質
    体とを有し、 電極と固体電解質体との界面は所定のパターンの凹凸が
    形成されるものであることを特徴とする固体電解質型燃
    料電池。
JP1272159A 1989-10-19 1989-10-19 固体電解質型燃料電池 Pending JPH03134963A (ja)

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