JPH0395859A - 固体電解質型燃料電池 - 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 この発明は、固体電解質型燃料電池に関し、特に固体電
解質の表面から剥離しにくい燃料電極を備えた燃料電池
に関するものである。

従来の技術 周知のように燃料電池は、酸素イオンの選択透過性を有
する固体電解質と、その固体電解質を挟んで配置した酸
素電極および燃料電極と、燃料電池を直列に接続するた
めに一方の電極に導通させて設けた中間接続子とを基本
要素として構成されており、例えば酸素電極側に酸素ガ
スを流し、燃料電極側に水素ガスを流すことにより、酸
素イオンが固体電解質を通過して水素ガスと反応し、そ
れに伴なって発生する電流を各電極から取り出すもので
ある。燃料電池の基本要素のうち固体電解質は、酸素イ
オンの透過性に優れている外に、中性ガスが透過するの
を防ぐために緻密な構造であることが必要である。

一方、固体電解質の外側に形成される燃料電極は、燃料
の水素ガスが固体電解質層の表面に接触できるように多
孔質に形成する必要があり、燃料電極としては、例えば
、ニッケル（Ｎ１）や酸化ニッケル（Ｎｉ　Ｏ）が用い
られていた。

ところがニッケルや酸化ニッケルは、固体電解質を形成
しているイットリア安定化ジルコニア（ＹＳｚ）との熱
膨張率の違いが大きく、固体電解質の表面にニッケルま
たは酸化ニッケルの燃料電極を形成した場合には、高温
となる電池作動時に熱膨張し、膨張と収縮とが繰返され
ることにより固体電解質から剥離し易いという問題があ
った。

そこで、剥離しにくい燃料電極として、ニッケルまたは
酸化ニッケルとジルコニアとの複合材料が開発され、従
来より採用されている。

この従来より用いられているニッケルまたは酸化ニッケ
ルとジルコニアとの複合材料の燃料電極は、スラリー法
やプラズマ溶射法等により形成されている。

例えば、前記スラリー法においは、所定の比率で配合し
たニッケル粉末とジルコニア粉末とに溶媒を加え、混練
してスラリーを調製し、このスラリーを、固体電解質層
の表面に付着させた後加熱屹燥するプロセスを繰返し行
って所定の厚さに形成し、その後に焼戊してサーメット
の燃料電極としていた。

発明が解決しようとする課題 前述した従来のスラリー法によるサーメット電極の形成
方法においては、ニッケルとジルコニアとを所定の比率
に配合したスラリーを、固体電解質層の表面に付着させ
、加熱乾燥させた後、焼成してサーメット化させて燃料
電極を形威している。

しかし、このようにして形成された燃料電極においても
イットリア安定化ジルコニアからなる固体電解質の熱膨
張率との間にまだ差があり、長期間に亘って熱膨張と収
縮とが繰返し行われると、やはり燃料電極の剥離が生じ
、電池性能が低下するという問題点があった。

この発明は上記事情に鑑みなされたもので、固体電解質
から剥離しにくい燃料電極を提供することを目的として
いる。

課題を解決するための手段 上記の目的を違戒するためにこの発明は、イッドリア安
定化ジルコニアにて形成された固体電解質の表面に燃料
電極を形成した固体電解質型燃料電池において、前記燃
料電極が、ニッケルまたは酸化ニッケルとイットリア安
定化ジルコニアとの複合材料によって形成されるととも
に、その複合材料の成分比率が、燃料電極の前記固体電
解質側においてはイットリア安定化ジルコニアの比率が
高く、かつニッケルまたは酸化ニッケルの比率が低くな
るよう設定されるとともに、固体電解質の表面から離れ
るにしたがって、イットリア安定化ジルコニアの比率が
徐々に低下し、かつニッケルまたは酸化ニッケルの比率
が徐々に高くなるよう設定されていることを特徴として
いる。

作　　　用 上記のように構或することにより、燃料電極の原料の一
部として、固体電解質の原料であるイットリア安定化ジ
ルコニアを共通の金属として用いる。そして、燃料電極
をイットリア安定化ジルコニアと、ニッケルまたは酸化
ニッケルとの複合材料で形成するとともに、この複合材
料の組成を、最も固体電解質に近い部分、すなわち固体
電解質の表面と接する部分には、固体電解質の原料であ
るイットリア安定化ジルコニアの割合を多くし、固体電
解質から離れるに従ってイットリア安定化ジルコニアの
割合を段階的に減少させて、代りにニッケルまたは酸化
ニッケルの割合を段階的に増加させてある。

したがって、燃料電極の固体電解質に接する最も内側の
部分が、固体電解質と同じイットリア安定化ジルコニア
の割合が多いため、固体電解質への接着力が強いととも
に、熱膨張率の差が小さく、したがって膨張時の、熱膨
張率の差による燃料電極の剥離は生じない。

そして、燃料電極の内側から外側となるにしたがって、
イットリア安定化ジルコニアを含む割合が徐々に減少し
、代りにニッケルまたは酸化ニッケルの割合が徐々に増
加し、最も外側の部分においては、ニッケルまたは酸化
ニッケルを含む割合いが最も高く、したがって、電気抵
抗が小さくなる。

実　　施　　例 以下、この発明の固体電解質型燃料電池の実施例を第１
図ないし第３図を参照して説明する。

第１図は、円筒状に形成された固体電解質の外側に、ス
ラリー法によって燃料電極を形成する第１実施例を示す
もので、イットリア安定化ジルコニアからなる円筒状の
固体電解質１の外周には、それぞれ等しい厚さの５つの
層からなる燃料電極２が形威されている。

この燃料電極２は、スラリー法によって形威されたもの
で、先ず、固体電解質１の燃料と同じイットリア安定化
ジルコニアの粉末を溶媒で解いたスラリー中に固体電解
質１を浸漬してその外側に付着させて、イットリア安定
化ジルコニアが１００％の第１層３が形成される。

次に、この第１層３を乾燥させた後、イットリア安定化
ジルコニア粉末を７０重量％と、ニッケル粉末を３０重
量％とに溶媒を加え、混練して調製したスラリー中に前
記固体電解質１を浸漬して前記第１層３の外側に第２層
４が形威される。

同様にして、第２層４の外側には、イットリア安定化ジ
ルコニア粉末を５０重量％と、ニッケル粉末を５０重量
％とに溶媒を加え、混練して調製したスラリー中に前記
固体電解質１を浸漬して前記第２層４の外側に第３層５
が形成される。

さらに、第３層５の外側には、イットリア安定化ジルコ
ニア粉末を３０重量％と、ニッケル粉末を７０重量％と
に溶媒を加え、混練して調製したスラリー中に前記固体
電解質１を浸漬して前記第３層５の外側に第４層６が形
成される。

そして、第４層６の外側には、ニッケル粉末を溶媒で解
いたスラリー中に浸漬してその外周に付着させて、ニッ
ケルが１００％の第５層７が形成される。

次に、上記のようにして５層に形成された燃料電極２は
、加熱乾燥させた後、固体電解質１とともに一体に焼結
させて、固体電解質１の外周にサーメット電極として形
成される。

したがって、燃料電極２は、イットリア安定化ジルコニ
アからなる固体電解質１の表面に、同じくイットリア安
定化ジルコニア１００％の層が第１層３として形威され
るため、同じイットリア安定化ジルコニア同士のため固
体電解質１への接着性に優れるとともに、固体電解質工
との熱膨張率に差がないため、電池作動時に高温となっ
ても、この第ｌ層３と固体電解質ｌとの間で剥離するこ
とはない。

また燃料電極２の第２層４は、７０重量％のイットリア
安定化ジルコニアに、３０重量％のニッケルを含むサー
メットであるため、イットリア安定化ジルコニア１００
％の第ｌ層３との接着性に優れるとともに、熱膨張率の
差も小さいことから電池作動時に高温となって膨張して
も、この第２層４と第ｌ層３との間で剥離することはな
い。

同様に、燃料電極２の前記第２層４と第３層５、第３層
５と第４層６および第４層６と第５層７のそれぞれの眉
間においても優れた接着性を示し、剥離しにくく、また
、隣接する各層相互間の組成の変化が段階的であり、熱
膨張率の差も小さいことから、電池作動時に高温となっ
て膨張しても、これら各層間で剥離することはない。

さらに、燃料電極２の表面となる第５層７は、ニッケル
が１００％の層であるため電導性に優れ、電池全体の内
部抵抗の低減が図られる。

また第２図は、この発明の第２実施例を示すもので、円
筒伏に形成された固体電解質１の外側に、スラリー法に
よって５層の燃料電極１２を形成する。

その際に、第１層１３から第５層１７までの各層は、そ
れぞれ第１実施例の燃料電極の場合と同一の組戊に形成
されている。そして、前記第１実施例では５つの層を全
て同じ厚さに形威したが、この第２実施例における燃料
電極１２においては、第１層ｌ３、第２層ｌ４、第３層
１５および第４層１６の合計４つの層を薄く形成し、電
極表面となる第５層１７のみを厚く形成してある。

したがって、第１層１３から第５層１７までの各層の組
成が、第１実施例のそれぞれ対応する第１層３〜第５層
７とそれぞれ同一であるため、各眉間の接着性に優れて
、眉間で剥離する虞れはない。

そして、燃料電極１２の表面となるニッケルが１００％
の第５層ｌ７を他１の層より厚く形成みすることによっ
て、電池全体の内部抵抗をより低減することができる。

また、第３図は円筒状に形成された固体電解質の外側に
、プラズマ溶射法によって燃料電極を形するこの発明の
第３実施例を示すもので、イットリア安定化ジルコニア
からなる円筒状の固体電解質１の外周に燃料電極２２が
形威されている。

この燃料電極２２は、プラズマ溶射法によって形成され
たもので、ニッケル粉末または酸化ニッケル粉末と、イ
ットリア安定化ジルコニア粉末とを別々に、プラズマ溶
射装置のノズルから噴出するプラズマジェット中に供給
し、固体電解質１の表面に溶射してサーメット電極とし
たものである。

そして、溶射する際に、ニッケル粉末または酸化ニッケ
ル粉末と、イットリア安定化ジルコニア粉末の各供給量
をそれぞれ連続的に変化させて、燃料電極２２の組成を
連続的に変化させている。

すなわち、プラズマ溶射法により形成された燃料電極２
２は、溶射開始直後においてはプラズマ溶射装置にイッ
トリア安定化ジルコニア粉末のみを供給して、固体電解
質１の表面にイットリア安定化ジルコニアが１００％の
部分２３を形成した後、イットリア安定化ジルコニア粉
末の供給を継続したままで、ニッケル粉末または酸化ニ
ッケル粉末の供給を開始する。このときのニッケル粉末
または酸化ニッケル粉末の供給量は、供給開始時は微量
として徐々に増加させるとともに、ニッケル粉末または
酸化ニッケル粉末の供給量が増加した分と同じ量だけイ
ットリア安定化ジルコニア粉末の供給量を徐々に減少さ
せて、固体電解質ｌから離れるにしたがってニッケルま
たは酸化ニッケルの割合が増加するようにし、燃料電極
２２の表面となる部分においては、イットリア安定化ジ
ルコニア粉末の供給を停止してニッケル粉末または酸化
ニッケル粉末のみを供給して、ニッケルまたは酸化ニッ
ケルが１００％の部分２４が形成されている。

したがって、燃料電極２２は、イットリア安定化ジルコ
ニアからなる固体電解質１の表面に、同じくイットリア
安定化ジルコニア１００％の部分２３が形成されるため
、同じイットリア安定化ジルコニア同士のため固体電解
質１への接着性に優れるとともに、固体電解質１との熱
膨張率に差がないため、電池作動時に高温となっても固
体電解質１から剥離することはない。

また燃料電極２２の表面には、ニッケルまたは酸化ニッ
ケルが１００％の部分２４が形成されるため、電池全体
の内部抵抗の低減が図られる。

なお、前記第１実施例および第２実施例において燃料電
極２．１２のそれぞれイットリア安定化ジルコニアが１
００％の第１層３，１３は、実質的に固体電解質２，１
２と同質であるので、この第１層３，１３を省略し、ニ
ッケルを３０％含んだ層を第１層として形成することも
できる。また前記第３実施例において燃料電極２２のイ
ットリア安定化ジルコニアが１００％の部分２３も同様
の理由からこれを形成せずに、固体電解質１の表面に形
成される部分から、微量のニッケル粉末を含むように形
成することもできる。

発明の効果 以上説明したようにこの発明の固体電解質型燃料電池は
、イットリア安定化ジルコニアにて形成された固体電解
質の表面に形成した燃料電極が、ニッケルまたは酸化ニ
ッケルとイットリア安定化ジルコニアとの複合材料によ
って形成されるとともに、その復合材料の成分比率が、
燃料電極の前記固体電解質側においてはイットリア安定
化ジルコニアの比率が高く、かつニッケルまたは酸化ニ
ッケルの比率が低くなるよう設定されるとともに、固体
電解質の表面から離れるにしたがって、イットリア安定
化ジルコニアの比率が徐々に低下し、かつニッケルまた
は酸化ニッケルの比率が徐々に高くなるよう設定されて
いるので、固体電解質への燃料電極の接着性が高くなり
、熱膨張等による剥離が防止され、剥離による電池性能
の低下を防止することができる。また、燃料電極の表面
倒に高ニッケル層が形威されて、電池全体の内部抵抗が
低減される等の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第ｌ図はこの発明の第工実施例の燃料電池を示す断面図
、第２図は第２実施例の燃料電池を示す断面図、第３図
は第３実施例の燃料電池を示す断面図である。 １・・・固体電解質、　２．１２．２２・・・燃料電極
、３．１３・・・第１層、　４，１４・・・第２層，　
　５、工５・・・第３層、　６，■６・・・第４層、　
７．１７・・・第５層、　２３・・・イットリア安定化
ジルコニアが１００％の部分、　２４・・・ニッケルが
１００％の部分である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. イットリア安定化ジルコニアにて形成された固体電解質
   の表面に燃料電極を形成した固体電解質型燃料電池にお
   いて、前記燃料電極が、ニッケルまたは酸化ニッケルと
   イットリア安定化ジルコニアとの複合材料によって形成
   されるとともに、その複合材料の成分比率が、燃料電極
   の前記固体電解質側においてはイットリア安定化ジルコ
   ニアの比率が高く、かつニッケルまたは酸化ニッケルの
   比率が低くなるよう設定されるとともに、固体電解質の
   表面から離れるにしたがって、イットリア安定化ジルコ
   ニアの比率が徐々に低下し、かつニッケルまたは酸化ニ
   ッケルの比率が徐々に高くなるよう設定されていること
   を特徴とする固体電解質型燃料電池。