JPH0388273A - 平板型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の構造に係わり、特に電極
にガス流路を形成するようにした平板型固体電解質燃料
電池に関するものである。

〔従来の技術〕

平板型固体電解質燃料電池は、空気極、電解質、燃料極
の３つの部材からなる単電池を複数個、インターコネク
タと呼ばれる層で直列に接続することにより構成される
。単電池の出力電圧は開放電圧でたかだか１ｖ程度、通
常は０．５〜０．８ｖ程度で運転されるため、これを１
００〜２００層程度直列に接続することにより実用的な
出力電圧を得るようにしている。インターコネクタは単
電池間と両端部に配置されるため、単電池をｎ層積層す
る場合にインターコネクタはｎ＋１層必要になる。

〔発明が解決しようとするｉ［） ところで、従来では平板電解質に平板状電極を保持させ
、これを溝付きインターコネクタによって直列接続する
ようにしていた。インターコネクタの材料には、現在主
に耐熱金属とランタンクロマイト系セラミックスが用い
られているが、前者は他の電池構成部材との熱膨張差が
大きすぎること、空気極側表面で生成する主としてクロ
ム系酸化物被膜の電気電導率が低いことや、非常に硬く
て加工が著しく困難であるといった欠点があり、また後
者は難焼結性で緻密体が得られにくいこと、電極部材に
比べると相対的に電気電導率が低いことや、脆いため加
工による破壊あるいは強度劣化の問題があるといった欠
点を有している。

このようなことからインターコネクタの加工を最小限に
抑えることができる構造が実用上不可欠である。また、
溝付は加工を施せる程度にインターコネクタを厚くする
ことは、電池の内部抵抗を増加させることになるため好
ましくない。これらの解決のためにはインターコネクタ
の形状を平板状にし、現在インターコネクタで行ってい
るガス流路の形成を電極または電解質部材に肩代わりさ
せることが考えられるが、電解質部材に溝をつけてガス
流路を形成させることは、インターコネクタと同様に電
池の内部抵抗を増大させることになり好ましくない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電極部材中
にガス流路を形成する構造により、製造が容易であり、
電池の内部抵抗を低減化することができる平板型固体電
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〕

固体電解質燃料電池の電極およびインターコネクタに要
求される機能特性および構造特性を考えると、電極部材
にはガス反応の触媒としての機能特性が、そしてインタ
ーコネクタには酸化および還元ガスを分離する構造特性
が要求される。その一方で集電を行う機能特性およびガ
ス流路を形成する構造特性は電極が行う方法とインター
コネクタが行う方法とが考えられる。従来、これらはイ
ンターコネクタ側で行うようにしていたが、本発明はそ
の役割を電極側に担わせたことを特徴としている。

第１図（ａ）、（ハ）は本発明の電解質板またはインタ
ーコネクタの構造を説明するための図、第２図は単位電
池の構造を説明するための図であり、図中、１１は電解
質板、１２は空気極グリーンシート、１３は燃料極グリ
ーンシート、１４はインターコネクタ板、１５は接着用
ガラスグリーンシート、１６は空気極、１６ａは空気流
路、１７は燃料極、１７ａは燃料流路、１８は電極保護
部材である。

本発明の燃料電池は、電解質板、電極、インターコネク
タ等全て未焼成成形体の状態で組み立てて互いに圧着し
、それから一体焼成して各部材間を接合して緻密化する
方法、或いは電解質板、電極、インターコネクタは焼結
体を使用し、それらの間をスラリー、グリーンシート、
ペースト等で接着する方法のどちらで製作してもよいが
、以下では比較的製作の容易な後者を例にして説明する
。

第１図（ａ）、（ロ）において、焼成したジルコニアか
らなる電解質板１１、またはランタンクロマイト系セラ
ミックスからなるインターコネクタ板１４の両面に空気
極グリーンシート１２、燃料極グリーンシート１３を熱
圧着し、各グリーンシートの両側に接着用ガラスシー）
１５を熱圧着してグリーンシートが酸化あるいは還元雰
囲気に触れないようにして電解質部材、インターコネク
タ部材を構成する。この場合、電極と電解質間、または
電極とインターコネクタ間は、それぞれ電極または電解
質、或いはインターコネクタと同一成分、あるいはこれ
らの混合物のスラリーもしくはグリーンシートで接着す
るようにする。

次に、第２図に示すように、グリーンシートを両面に形
成し、グリーンシートの両側にガラスシートを接着した
電解質板の両面を空気極１６、燃料極１７で挟み、さら
に電極の両側に電極保護部材１８を配置して接着する。

空気極１６はカルシウムあるいはストロンチウムをドー
プしたランタンマンガナイトまたはランタンコバルタイ
トＬａ１＋＋＋　Ｃａ、ＭＯＳ　、Ｌａｔ−＋＋　Ｓｒ
、ＭＯｓ　　（Ｍ＝Ｍｎ、Ｃｏ、；　ｘ＝０．０１〜０
．６）　、燃料極１７はニッケルあるいはコバルト金属
とシルコニγ系あるいはセリア系セラミックスのサーメ
ット（金属は体積比１０〜９９％）からなり、それぞれ
焼結して所定の厚みとし、図示するように面に平行に複
数の貫通孔１５ａ、１７ａを設けて空気または燃料のガ
ス流路を形成している。電極保護部材１８はジルコニア
からなり、平板電極のガス流路が開口している面と直交
する２面は、保護するものがなにもないと空気極にあっ
ては還元雰囲気、燃料極にあっては酸化雰囲気にさらさ
れてしまうので、雰囲気から保護するために設けられて
いる。なお、電極保護部材と電解質間および電極像［Ｂ
材とインターコネクタ間はシール剤ペーストあるいはシ
ール剤グリーンシートで接合する。

こうして形成された単位電池間は、第１１！Ｉに示した
方法で両面にグリーンシートを設けたインターコネクタ
を同様な方法で接合して必要段数積層される。

かかる構成の電池においては、インターコネクタよりも
１桁程度抵抗の小さい電極を貫通孔が形成できる程度に
厚くしても抵抗値は余り大きくならず、この電極と接す
る電解質板、インターコネクタは薄い平板にすることが
できるので、抵抗値を小さくすることができる。そして
電極と電解質板、インターコネクタ間は全面にわたる面
接触であるため接触抵抗を小さくすることができ、その
結果、電池としての内部抵抗を低減化することができる
。

第３図は単位電池を３段積層して直列接続した例を示す
図で、２０は電池、２１ａ〜２１ｃは単位セル、２２ａ
〜２２ｄはインターコネクタであり、上端、及び下端の
インターコネクタは、電極側にはグリーンシートを設け
ているが、外面側は電極グリーンシートは設ける必要が
なく、容器等に封入する場合には、容器との間のシール
を行うためにガラスシートを接着する。

第４図は第３図に示す積層電池を円筒状マニホールドに
収納した例を示す図である。図中、３０は円筒状マニホ
ールド、３１は蓋、３２は燃料供給管、３３は燃料排気
管、３４は空気供給管、３５は空気排気管である。

電池２０を円筒状マニホールド３０に収納したとき矩形
電池の四隅み縦辺がマニホールド壁面に接するようにす
る。この４辺と壁面とで形成される密閉空間がそれぞれ
ガス流路を形成するのて、４辺と壁面との間はガラスシ
ールする。また、電池の上端、及び下端のインターコネ
クタにはガラスシートを接着してマニホールド３０及び
蓋３１との間をシールする。こうして、空気入口より空
気を、また燃料入口から燃料を供給することにより燃料
ガスと空気を反応させ、図示しない出力リード線より出
力を取り出すことができる。

第５図は電極４０の片面に複数の溝４１を設け、ここを
ガス流路とする例を示しており、溝を設ける面は電解質
板側、インターコネクタ側のどちらでもよく、或いはそ
の両方に設けてもよい。但し、この例の場合は電解質板
、或いはインターコネクタと電極との接触が全面でなく
なるので貫通孔をガス流路とする場合に比して内部抵抗
が大きくなることは避けられない。

〔作用〕

本発明はガス流路を電極板に形成してインターコネクタ
は特に加工せずに平板にしたので、その厚みを薄くする
ことができ、抵抗値を小さくすることができる。また、
電極板はインターコネクタに対して抵抗値が１桁程度低
いのでガス流路を形成するために電極板を多少厚くして
も抵抗値が大きくなることはなく、また、電極と電解質
板、あるいはインターコネクタとの接触面積も大きくと
れるので接触抵抗を小さくすることができ、その結果、
内部抵抗を低減化することができる。また、電極板、電
解質板、インターコネクタは焼結体を使用し、これらを
グリーンシートやガラスシート、スラリー等で接着する
ことにより、製作も容易となる。

〔実施例〕

以下、実施例を説明する。

〔実施例１〕 電解質板として５０ｗＸ５０ｍｘ厚さ０．２ｇのイツト
リア安定化ジルコニア（以下ＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ　５
ｔａｂｉｌｉｚｅｄ　Ｚｉｒｃｏｎｉａ）と省略）板を
３枚、インターコネクタ板として５０ｕ＋Ｘ５０ｍｍｘ
厚さ０．５閣のカルシア添加ランタンクロマイト　（以
下単にランタンクロマイトと略称する）板を４枚、電極
保護部材として５０ＭＸ５１１Ｘ１１ｍのＹＳＺ板を１
２本、空気極および燃料極としてそれぞれ５０ａＸ４０
閣×厚さｌｌ１ｌＩの板に０．５Ｎφ×５０＋ｗの貫通
孔を３０本有したストロンチウム添加ランタンマンガナ
イト（以下単にランタンマンガナイトと略称する）板と
Ｎｉ／ＹＳＺサーメット板を各々３枚準備した。

また、ランタンマンガナイト、Ｎｉ／ＹＳＺサーメット
、ソーダ石灰ガラスの厚さ０．１ｍのグリーンシートを
ドクターブレード法により作製した。

まず、第１図に示すようにＹＳＺ電解質板１１およびイ
ンターコネクタ板１４の両面に、５０細Ｘ４０ｍＸ厚さ
０．１■のランタンマンガナイトおよびＮｉ／ＹＳＺグ
リーンシートと、５０鴫×５ＩＩ１１×厚さ０．１目の
ガラスグリーンシートを熱圧着した。

次に、電解質板、インターコネクタ、電極、電極保護部
材を第２図、第３図のように組立てた後に、第４図のよ
うなマニホールドに組み込み３投置列接続型燃料電池を
作製した。組み込みに際しては高温時における封着を目
的として、上下両面に５０ＢＸ５（１＋ａＸ厚さ０．５
ｍのガラスシートを挟み、４隅はガラスペースト塗布を
行った。

これをｌＯ°Ｃ／ｓｉｎ、にて１０００°Ｃまで昇温し
、空気極側に純酸素を、燃料極側に純水素を流したとこ
ろ、開放電圧は３．９Ｖでクロスリークがほとんどない
良好な結果を得た。また、５Ａ定電流時の出力電圧は１
．ＩＶで、この値は本構造の効果を示すものである。

〔実施例２〕 電極板として第４１！ｌに示すような５０ａＸ４０ｎｘ
１．５−の板の片面に輻１ｎＸ深さ１ｕＸ長さ５０ｍの
溝を２０本付けたものをランタンマンガナイト、Ｎｉ／
ＹＳＺサーメット各々について各３枚準備した。以下実
施例１と同ｍな手法により３＆直列接続燃料電池を作製
した。開放電圧は３．９■、５Ａ定電流時の出力電圧０
．９５Ｖの性能を得、本構造も有効性があることが示さ
れた。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、ガス流路を電極板に形成
し、インターコネクタは完全に平板にしたので薄くして
抵抗値を小さくすることができ、また電極は抵抗値がイ
ンターコネクタに比して１桁程度低いのでガス流路を形
成するために電極板を多少厚くしても抵抗をそれほど大
きくすることにはならず、また、電極と電解質板、ある
いはインターコネクタとの接触面積も大きくとれるので
接触抵抗を小さくすることができ、全体として内部抵抗
を低減化することができる。また、電極板、電解質板、
インターコネクタは焼結体を使用し、これらをグリーン
シートやガラスシート、スラリ等で接着することにより
、容易に製造することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１１！ｌは本発明の電解質板またはインターコネクタ
の構造を説明するための図、第２図は単位電池の構造を
説明するための図、第３図は積層した電池を示す図、第
４図は電池をマニホールドに組み込んだ様子を示す図、
第５図は電極に溝を設けた例を示す図である。 １１・・・電解質板、１２・・・空気極グリーンシート
、１３・・・燃料極グリーンシート、１４・・・インタ
ーコネクタ板、１５・・・接着用ガラスシート、１６・
・・空気極、１６ａ・・・空気流路、１７・・・燃料極
、１７ａ・・・燃料流路、１８・・・電極保護部材。 出　　願　　人　　東　燃　株式会社

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）電解質板を挟んで空気極及び燃料極電極板を積層
   して単位セルを形成し、インターコネクタ板を介して単
   位セルを複数段積層した平板型固体電解質燃料電池であ
   って、電極板にガス流路を設けたことを特徴とする平板
   型固体電解質燃料電池。
2. （２）電極板の両側に雰囲気から電極をシールする電極
   保護部材を設けた請求項１記載の平板型固体電解質燃料
   電池。
3. （３）ガス流路は電極板中に設けた貫通流路からなる請
   求項１または２記載の平板型固体電解質燃料電池。
4. （４）ガス流路は電極板の電解質側およびまたはインタ
   ーコネクタ側に付けた溝からなる請求項１または２記載
   の平板型固体電解質燃料電池。
5. （５）電極と電解質間は電極または電解質と同一成分、
   両者の混合物のスラリーもしくはグリーンシートからな
   る接合層により接合した請求項１または２記載の平板型
   固体電解質燃料電池。
6. （６）電極とインターコネクタ間は電極またはインター
   コネクタと同一成分、両者の混合物のスラリーもしくは
   グリーンシートからなる接合層により接合した請求項１
   または２記載の平板型固体電解質燃料電池。
7. （７）電極保護部材と電解質間および電極保護部材とイ
   ンターコネクタ間はシール剤ペーストあるいはシール剤
   グリーンシートからなる接合層により接合した請求項１
   または２記載の平板型固体電解質燃料電池。
8. （８）電解質板、電極、インターコネクタ等燃料電池の
   各部材を未焼成の段階で圧着し、一体焼成することによ
   り各部材間を接合した請求項１または２記載の平板型固
   体電解質燃料電池。