JPH0340375A - 固体電解質燃料電池 - Google Patents

固体電解質燃料電池

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JPH0340375A
JPH0340375A JP1051511A JP5151189A JPH0340375A JP H0340375 A JPH0340375 A JP H0340375A JP 1051511 A JP1051511 A JP 1051511A JP 5151189 A JP5151189 A JP 5151189A JP H0340375 A JPH0340375 A JP H0340375A
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JP
Japan
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alumina
zirconia
substrate
solid
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Pending
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JP1051511A
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English (en)
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Kenji Marumoto
健二 丸本
Atsushi Aya
淳 綾
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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    • 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、固体電解質を用いた燃料電池に関し、特に
その電池要素等を構成する固体層間の熱応力を緩和して
48頼性を向上させたものに関する。
〔従来の技術〕
まず、固体電解質を用いた燃料電池C以下、5OFCと
いう)の動作原理iζついて説明する。第8図は、5O
FCm電池αOの動作原理図を示し、図1ζおいて、α
Dはイツトリア安定化ジルコニア(YSZ 1から成り
酸素イオン伝導性を有する固体電解質部、(42,a3
は電解質部(ロ)を挾む一対の電極反応部である。燃料
!極部(2)には燃料ガス(atが、酸素電極部Q31
ζは酸素ガス(b)がそれぞれ供給されて、電気化学反
応を起こす。αQは電気エネルギーを外部負荷(ロ)へ
取り出す電気回路である。矢印((+)は、電気化学反
応時に固体電解質中を移動する酸素イオンの流れを、矢
印(d)は5OFCの外部負荷α力へ取り出される電子
の流れを示している。
次に、動作について説明する。
酸素ガスは、酸素電極部υにおいて、電子の供給をうけ
、酸素イオンとなり(反応1)、固体電解質部(ロ)中
の酸素イオン空孔に取り込まれる。酸素イオンは固体電
解質0中を拡散し、燃料電極部0において、水素と反応
し、水蒸気と電子を生じる(反応2)。これらの各反応
は、次式で表される。
反応1:  0.+4a  −202−反応2 : 2
H,+20’−−2H20+46また、反応lと反応2
を合成すれば 2H,+O,−2H20 となり、これは水素の燃焼反応と同様なものである。こ
の場合、酸素イオンが伝導できるために、通常約100
0℃の高温で運転される。
次に、実際的な電池形態Eこついて説明する。
第9図および第10図は、例えば刊行物「電気学会論文
誌B、106巻、8@、昭61−8.PP、693〜7
00」に記載されている従来Q)円筒形横縞型5OFC
と呼ばれているものの概念図および断面図である。
第9図1こおいて、叫は円筒型の単電池、翰はこの単電
池QGを接続させる接続部である。このように、一つの
円筒に複数個の単電池を直列接続して燃料電池スタック
を形成している。この例では、燃料ガス(11は円筒管
内に、酸素ガス(b)は円筒外面に供給されている。
第10図は、第9図の部分拡大断面図であり、図におい
て、α力はイツトリア安定化ジルコニア(YSZ)から
成る固体ftM質部、(6)はNiとYSZのサーメッ
トから成る燃料Wl極部、(至)はLaeoO,から成
る酸素電極部、Q4はNiから成る中間接続子、(2)
はアルミナから成る多孔基体管である。この基体管α9
の表面に上記各電池要素等を構成する固体、1が、溶射
法等で薄膜形成されている。この例では、基体管c層)
を成すアルミナ及び固体電解質層を成すジルコニアの熱
膨張率は、20〜1000℃の間でそれぞれ平均8xl
O”/C,10xlO”/℃であり、20%程度の差が
ある。このため1通常、S OFCが運転される100
0℃という高温■ζおいては、熱応力が発生する要因I
どなる。
m11図は、例えば特開昭57−130381号公報に
記載されている縦縞型と呼ばれる円筒型5OFCの一形
態の断面を含む斜視図である。図中、のはイツトリア安
定化ジルコニアから成る固体電解質層、■はニッケルと
ジルコニアとのサーメットから成る燃料電極層、翰は例
えばストロンチウム等をドープしたLaMnO3などか
ら成る酸素型811m、鱒はカルシア安定化ジルコニア
から成る基体層で、この表面に電池要素等を構成する固
体層を薄膜形成している。伺はマグネシウム(Mg)な
どをドープしたLaCrO3から成る中間接続層、(至
)は燃料!極層と同一の物質から成る弓形層である。第
1O図は、一つの円筒で形成された上記単電池を、Ni
金属フェルト@を介して配列接続したスタックの一例を
示している。この例では、金属フェルトがNiであり、
還元雰囲気が望ましいので、円筒内を酸素カス(b)を
、円筒の外側に燃料ガス(alを供給している。
こい例では、基体層としてカルシア安定化ジルコニアを
用いることにより、電解質層であるイツトリア安定化ジ
ルコニアとの熱膨張率の差を少なくしている。さらに、
酸素¥を極層として用いられている材料の熱膨張率もジ
ルコニアのそれに近いものとしている。このように、熱
膨張に対してかなりの考慮が払われているが、そのため
基体層として非常に高価なジルコニアを用いなければな
らない。刊行物「セラミックス手帳」(素木洋−編著。
技報堂出版、 1982 、 P、4841によれば、
アルミナとジルコニアとでは、その価格の比が1:18
となっている。5OFCの実用化にあたり、このジルコ
ニア基体層の価格は大きな障害の要因の一つである。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来の固体電解質燃料電池は以上のように構成されてい
るので、安価な基体層などでは電池要素等を構成する固
体層に熱膨張率の差を生じ、固体層間に熱応力が発生す
る。従って、割れや剥がれの原因になり、信頼性が低下
するという問題点があった。
この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、電池要素等を構成する固体層の熱膨張率に差
があっても高温動作時の熱応力を緩和して信頼性を向上
させる固体電解質燃料電池を得ることを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
この発明に係る固体電解質燃料電池は、電気化学反応を
起こす一対の電極反応部と、このjti[極反応部で挾
まれた電解質部との少なくとも三層の固体層を備え、こ
れら固体層のいずれかの界面)ζ、この界面に接する該
両回体層を成す部材で組成した混合層を介在させたもの
である。
〔作用〕
この発明においては、電池要素等を構成する固体層間の
界面に介在させた混合層が、これら両回体層の熱膨張率
の差に基づく熱応力を緩和する。
〔実施例〕
第1図は、この発明の一実施例を示す横縞型固体電解質
燃料電池(5OFC)の部分拡大断面図である。図1こ
おいて、(2)〜Q利よ従来と同様のものである。(1
01)は基体層αθと電解質層0との間に介在し、ジル
コニアとアルミナ系セラミックスで組成された混合層で
あh、成分比は基体層(至)に接する部分ではアルミナ
系セラミックスが多く、順次W解質層(2)に近付くに
つれジルコニアの比率が高くなるように作られている。
f102)は基体層o撞と燃料電極層@との間1ζ介在
し、ニッケル・ジルコニアとアルミナ系セラミックスの
3成分で組成されtこ混合層であり1m中、アルミナ系
セラミックスの成分比は基体層0に近付くにつれ高くな
るように作られている。(103)は基体層(至)と中
間接続層α4との間に介在し、中間接続l 04の成分
とアルミナ系セラミックスで組成された混合層であり、
やはり層内部では傾斜的に混合組成されている。燃料ガ
ス(例えば、水素)は、図中矢印(a)いように、円筒
内部に供給され、酸化剤ガス(空気あるいは酸素)は、
図中矢印(b)のように円筒外部に供給されている。
第2図は、第1図の1−1断面の一部(アルミナ系セラ
ミックス基体層からイツトリア安定化ジルコニア(YS
Z)層まで1の成分割合を体積比で表した図である。図
中、実線はアルミナ系セラミックス、−点鎖線はysz
 、破線はニッケルを表している。この実施例では、燃
料電極層としてニッケルトYSzの体積化が1=1のサ
ーメットを用いた場合を示している。
アルミナ系セラミックス1ζは、電子導電性も酸素イオ
ン伝導性もないので、混合層(102)の内、アルミナ
系セラミックスの体積割合が概略100〜40%の領域
(図中1.)は、電気的には絶縁性を有する。それに対
し混合層の内、1□で示した部分は、ニッケルの比率が
概略30%を越えるので、電子導電性を帯びてくる。従
って、図中のC1□+13)の部分が燃料電極として機
能する。
固体電解質(YSZ 1層0と基体層ωの間に設けられ
り混合層(10111ζついてもやはり基体層Iζ近い
部分は完全な電気絶縁層であるが、固体電解質に近い部
分ではYSzの比率が高くなり固体電解質として機能す
る。中間接続層α4と基体層(至)の間Iζ設けられた
混合層(103)についても同様である。
さて、第2図に示すような傾斜的に組成した混合層を設
けることEζより、アルεす系基体層とその上に形成さ
れる電池要素等を構成する固体層の熱膨張率の差に基づ
く熱応力は緩和され、クラックや剥がれなどのトラブル
が発生しにくくなる。
第3図は、この発明の他の実施例を示す縦縞型5OFC
の断直図であり、図中のj〜(支)は従来と同様のもの
である。(1041はアルミナ系セラミックス基体層(
至)と酸素電極層ρの間に設けられ、両者の部材で組成
された混合層である、第4i−第6図は、基体層(ハ)
から混合層(104)を経て7酸素電極層のへ至る部分
におjりる基体層て列成分であるアルミナ系セラミック
スと酸素電極層部材の成分割合の一例をそれぞれ示す図
である。各図Iこおいて、実線がアルミナ系セラミック
スQ〕成分割合を、破線が電極層部材の成分割合を表し
ている。、第4図は直線的に傾斜組成した場合、第5図
は階段状Iこ傾斜組成した場合S第6図は半々に混合組
成した場合を示している。いずれの場合においても、混
合層がない場合1ζ比べて熱応力を緩和することができ
る。
第7図は、この発明のさらに他の実施例を示す5OFC
の断面図である。図において、6℃は固体電Wl質層、
□□□、Ωは両型極層である。この実施例は、モノリシ
ック型と呼ばれるもので、基体層がなく、中間接続層(
ハ)を介して積層されたものである。この種の5OFQ
ζおいても、電池要素等を構成する固体層間のいずれ力
口と、混合層(105a)〜(105d)のいずれかを
適宜介在させることによh、上記実施例と向様に熱応力
を緩和させることができる。
以上、各実施例では、主に基体層とそれjこ接して形成
される電池要素等を構成する固体層との間の界面lこ混
合層を介在させることを例にとり説明したが、上記界面
のみに限られることはなく、例えば、電解質層と電極層
の間の界面にも適用できることは言うまでもない。この
場合、電極部材の選択の際、電解質層との熱膨張率の差
よりもむしろ電子導電性や反応ガスに対する触媒能など
!極本来の機能で材料を選択でき、またより安価な材料
を選択し易くなる。さらに、混合層を組成するときの成
分割合は、上記各々例示した割合に限定されるものでは
ない。
〔発明の効果〕
この発明は以上説明したとおり、電気化学反応を起こす
一対の電極反応部と、この画電極反応部で挾まれた電解
質部との少なくとも三層の固体層を諦え、これら固体層
のいずれかの界面に、この界面iこ接する該両回体層を
成す部材で組成した混合層を介在させたので、熱膨張率
1こ差がある電池要素等で構成される固体層でも、高温
動作時の熱応力が緩和され信頼性を向上できる効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
笛1図はこの発明の一実施例を示す横縞型固体電解質燃
料電池(5OFC1の部分拡大断面図、第2図は11図
の断面の一部の成分割合を体積比で表した図、第3図は
この発明の他υ)実施例を示す縦縞型5OFCの断面図
、第4図〜第6図は混合層の成分割合の一例をそれぞれ
示す図、第7図はこの発明のさらに他の実施例を示す5
OFCの断面図、第8図は5OFCの動作原理図、第9
図及び第10図は従来の円筒型横縞型5OFCの概念図
及び断面図、第11図は従来の円筒型縦縞型5OFCo
〕〕視図である。 図において%(ロ)〜(2)、の〜(至)、6D〜(ロ
)は固体層、(1011,(1021,(1031,(
1041,(105)は混合層である。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 電気化学反応を起こす一対の電極反応部と、この両電極
    反応部で挾まれた電解質部との少なくとも三層の固体層
    を備え、これら固体層のいずれかの界面に、この界面に
    接する該両固体層を成す部材で組成した混合層を介在さ
    せたことを特徴とする固体電解質燃料電池。
JP1051511A 1989-03-02 1989-03-02 固体電解質燃料電池 Pending JPH0340375A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03134963A (ja) * 1989-10-19 1991-06-07 Fuji Electric Co Ltd 固体電解質型燃料電池
EP0962998A1 (en) * 1998-06-04 1999-12-08 Murata Manufacturing Co., Ltd. Solid electrolyte fuel cell
JP2012022856A (ja) * 2010-07-13 2012-02-02 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 固体酸化物型燃料電池及びその製造方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03134963A (ja) * 1989-10-19 1991-06-07 Fuji Electric Co Ltd 固体電解質型燃料電池
EP0962998A1 (en) * 1998-06-04 1999-12-08 Murata Manufacturing Co., Ltd. Solid electrolyte fuel cell
KR100317465B1 (ko) * 1998-06-04 2001-12-22 무라타 야스타카 고체 전해질형 연료 전지
JP2012022856A (ja) * 2010-07-13 2012-02-02 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 固体酸化物型燃料電池及びその製造方法

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