JPH04121968A - 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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JPH04121968A
JPH04121968A JP2240730A JP24073090A JPH04121968A JP H04121968 A JPH04121968 A JP H04121968A JP 2240730 A JP2240730 A JP 2240730A JP 24073090 A JP24073090 A JP 24073090A JP H04121968 A JPH04121968 A JP H04121968A
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JP
Japan
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electrode
fuel
oxygen electrode
fuel electrode
oxygen
Prior art date
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Pending
Application number
JP2240730A
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English (en)
Inventor
Masakazu Kubo
久保 昌和
Makoto Ono
大野 允
Akio Hosaka
保坂 明夫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IHI Corp
Original Assignee
IHI Corp
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Publication date
Application filed by IHI Corp filed Critical IHI Corp
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Publication of JPH04121968A publication Critical patent/JPH04121968A/ja
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • 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

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】 [産業上の利用分野コ 本発明は燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネル
ギーに変換させるエネルギ一部門で用いる燃料電池、特
に固体電解質型燃料電池に関するものである。
[従来の技術] 固体電解質型燃料電池は、第一世代のリン酸型燃料電池
、第二世代の溶融炭酸塩型燃料電池に代る第三世代の燃
料電池として、その開発に向は検討が進められている。
現在検討が進められている固体電解質型燃料電池には、
平板型と円筒型等があるが、そのうち、平板型の固体電
解質型燃料電池は、第4図に一例を示す如く、たとえば
、イツトリア安定化ジルコニア系イオン導電体を適用し
た電解質板lの両面側に、片面に凹凸によるガス通路4
を形成した酸素極2と、同じくガス通路5を形成した燃
料極3とを各々ガス通路4.5側が電解質板1を挟んで
対向するように重ねて配置し、酸素極2のガス通路4に
は空気(0□ガス)を、又、燃料極3のガス通路5には
燃料ガス(H2ガス)をそれぞれ流すようにして、酸素
極2側での反応により生じた酸素イオンO−を電解質板
1を通して燃料極3側へ到達させるようにし、一方、燃
料極3側では、上記燃料ガスH2と上記酸素イオン0−
が反応し、水H20として出されるようにしたものを1
セルCとし、かかるセルCをセパレータ6を介して多層
に積層した構成のものがある。
上記の如き平板型の固体電解質型燃料電池は、狭い容積
で大電力が取り出せ、且つセルCの厚さを薄くすればす
るほど積層したときにコンパクトにできて、その上大電
力が得られるという特徴があり、特に、電解質板1は薄
いほど酸素イオンO−の通りがよくなり、性能をアップ
させることができる。
又、従来の固体電解質型燃料電池には、上述した如き酸
素極2及び燃料極3の各片面に凹凸によるガス通路4及
び5を設ける型式のほかに、セパレータ6の両面側に凹
凸を設けてガス通路を形成するようにした型式のものも
ある。
上記従来のいずれの型式の固体電解質型燃料電池でも、
酸素極2、燃料極3の画電極が多孔質体としてあり、酸
素極2側のガス通路4に導入された空気(02ガス)は
該ガス通路4を流れる間に反応により酸素を減少して排
出され、この間に多孔質体としである酸素極2内を通っ
て電解質板1に達した空気(02ガス)から反応により
生成された酸素イオン〇−は、電解質板1を通して燃料
極3へと到達させられる。
方、燃料極3側では、燃料ガス(H2ガス)がガス通路
5に導入されて流される間に酸素イオンO−と反応させ
られた後、水(一部未反応水素を含む)として排出させ
られるようにしである。
[発明が解決しようとする課題] ところが、従来の固体電解質型燃料電池では、酸素極2
及び燃料極3が多孔質体としであるが、微細構造を厚さ
方向に一定にしたものしか提案されていない。
そこで、本発明者等は、酸素極及び燃料極の微細構造を
変化させることと発電性能の向上について研究を重ねた
結果、微細構造を段階的又は無段階的に変化させること
により発電性能を向上できることを見い出し、本発明を
なした。
したがって、本発明は、発電性能を向上することができ
る電極を有する固体電解質型燃料電池を提供しようとす
るものである。
[課題を解決するための手段] 本発明は、上記課題を解決するために、電解質板を酸素
極と燃料極で両面から挟み、酸素極側に空気を、燃料極
側には燃料ガスをそれぞれ供給するようにしてあるもの
を1セルとし、各セルをセパレータを介して多層に積層
するようにしてある構成において、多孔質体とした酸素
極と燃料極の一方又は双方の各微細構造を、電解質板と
の接触面付近が密となっていて、セパレータと接する側
のガス通路付近が粗となるように厚さ方向に変化させて
なる構成とする。
上記酸素極及び燃料極の一方又は双方の微細構造を厚さ
方向へ変化させる場合、微細構造の異なる複数枚の電極
を、電解質板から離れる方向へ順次重のものから粗のも
のへと重合させて微細構造を段階的に変化させることが
できる。
又、電極を1層として、微細構造を厚さ方向へ無段階的
に変化させるようにすることもできる。
又、微細構造の異なる複数の電極を層状に重ねるとき、
スクリーン印刷法で一層ごとに塗り重ねて行くとよい。
[作   用] 酸素極と燃料極の一方又は双方を、微細構造が厚さ方向
に変化するような組成として、孔径が小さ(て孔数が多
い密の部分を、電解質板への接触面付近に配置すると共
に、孔径が大きくて孔数が少ない粗の部分をガス通路付
近に配置するようにすると、電解質板との接触面付近で
は、表面積の大きな電極となって反応活性部位を多くす
ることができて、多くの電流を流すことが可能となり、
又、ガス通路付近では空気又は燃料ガスの拡散抵抗を小
さくすることが可能となり、これにより発電効率を向上
させることが可能となる。微細構造の異なる電極をスク
リーン印刷法により順次重ねて行くようにすれば、電極
を比較的簡単に取り付けることができる。
[実 施 例] 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
第1図及び第2図は本発明の一実施例を示すもので、第
4図に示した場合と同様に、電解質板1を酸素極2と燃
料極3で両面から挟み、酸素極2側へ空気(02ガス)
を供給するようにすると共に燃料極3側に燃料ガス(H
2ガス)を供給するようにしてあるものを1セルCとし
、各セルCをセパレータ6を介して多層に積層するよう
にしてある構成において、酸素極2と燃料極3を、各々
多孔質体きして、その微細構造を異にした3種の酸素極
膜2a、 2b、 2cと3種の燃料極膜3a、 3b
、 3cから構成し、且つ微細構造が段階的に変化する
ように、酸素極側では電解質板lに接触する方からセパ
レータ6の方へ密がら粗の順序で酸素極膜2a、 2b
、 2Cを積層させ、燃料極側でも同様に電解質板1に
接触する側が密で段階的に粗となるように燃料極膜3t
 3b、 3cを積層させ、酸素極膜2cとセパレータ
6との間にガス通路形成用のガス通路構造体7を配置し
てガス通路4を形成すると共に、燃料極膜3Cとセパレ
ータ6との間にガス通路形成用のガス通路構造体8を配
置してガス通路5を形成する。
すなわち、本発明の固体電解質型燃料電池は、酸素極と
して、微細構造が電極厚さ方向に段階的に変化するよう
に孔径と孔数の異なる3種の酸素極膜2a、 2b、 
2cを積層させた構成とし、酸素極膜の孔径を2a>2
b>2cとし、孔数を2a< 2b<2Cとして、電解
質板lとの接触面付近に、孔径が小さく孔数の多い酸素
極膜2!を配置し、ガス通路4付近に、孔径が大きく孔
数の少ない酸素極膜2Cを配置するようにする。同様に
、燃料極側でも、孔径と孔数の異なる3種の燃料極膜3
m。
3b、3cを積層して燃料極とし、3種の燃料極膜の孔
径を3a>3b>3cとし、孔数を31< 3b< 3
cとして、電解質板lとの接触面付近に、孔径が小さく
孔数の多い酸素極膜3aを配置し、ガス通路5付近に、
孔径が大きく孔数が少ない燃料極膜3cを配置するよう
にする。
上記酸素極膜2a、 2b、 2c及び燃料極膜3a、
3b3cの配置の仕方としては、上述のように微細構造
の異なる各酸素極膜2a、 2b、 2cを電解質板1
の片面に、又、各燃料極膜3a、 3b、 3cを電解
質板lの反対面にそれぞれ重ねて配置してもよく、又、
酸素極側及び燃料極側ともにスクリーン印刷法により積
層配置させるようにしてもよい。
上記スクリーン印刷法による場合、酸素極側では、先ず
、スラリー状にした微細構造が密な電極をマスク上より
電解質板1上に塗り付けて乾燥させ、たとえば、10〜
100μmの厚さの酸素極膜21を電解質板1上に配置
する。次に、微細構造が異なる別のスラリー状とした電
極を第1層の酸素極膜2R上に塗り付けて乾燥させ、厚
さ10〜100μmの酸素極膜2bを配置させる。更に
、その上に微細構造が異なるスラリー状の電極を塗り付
けて乾燥させることにより、電極厚さ方向に段階的に微
細構造が変化する酸素極とすることができる。燃料極側
でも同様にスクリーン印刷法で積層させることができる
。この方法によると、10〜100μmの電極膜を簡単
に取り付けることができる。なお、スクリーン印刷法の
ほかに、CVD法、レーザ法等によることもできる。
本発明の固体電解質型燃料電池では、酸素極2側も燃料
極3側も厚さ方向に微細構造が段階的に変化していて、
電解質板1との接触面付近に孔径が小さく孔数の多い比
較的密な酸素極膜2a、燃料極膜3aを配置しているの
で、反応活性部位を多くすることができて沢山の電流を
流すことが可能となり、又、ガス通路4.5付近に孔径
が太き(孔数の少ない酸素極膜2c、燃料極膜3cを配
置しているので、この部分ではガスの拡散抵抗を小さく
することが可能となる。したがって、比較的簡単な構成
で発電性能を向上させることができる。
次に、第3図は本発明の他の実施例を示すもので、前記
実施例において酸素極2側及び燃料極3側ともに電極厚
さ方向に微細構造が段階的に変化させるために各々3種
の酸素極膜2a、 2b2C及び燃料極膜3a、 3b
、 3cを層状に配置するようにした方式に代え、1層
の酸素極2及び燃料極3で各々電極厚さ方向に微細構造
が無段階的に変化するようにしたものを用いるようにし
たものである。すなわち、酸素極側では、電解質板1と
の接触面付近で孔径が小さく孔数を多くして、ガス通路
4付近で孔径が大きく孔数が少なくなるよう無段階的に
微細構造を変化させた構成の酸素極2を用いるようにし
、燃料極側でも、上記酸素極2と同様に微細構造を変化
させた燃料極3を用いるようにする。
この実施例でも前記実施例と同様の作用効果を有する。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではな
く、たとえば、上記各実施例では、酸素極と燃料極の双
方を、微細構造を電極厚さ方向へ変化させた場合を示し
たが、いずれか−方のみの微細構造を電極厚さ方向へ変
化させた構成としてもよく、又、ガス通路4.5を形成
するためのガス通路構造体7.8を示したか、セパレー
タ6側に凹凸を設けるようにしてもよい。
[発明の効果] 以上述べた如く本発明の固体電解質型燃料電池によれば
、電解質板を挟むようにしてその両面に配置する酸素極
と燃料極のいずれか一方又は双方の微細構造を電極厚さ
方向に段階的又は無段階的に変化させ、電解質板との接
触面付近に密の部分を、又、ガス通路付近に粗の部分を
配置するようにした構成としであるので、電解質板接触
面付近では反応部位を多くすることができると共に、ガ
ス通路付近ではガスの拡散抵抗を小さくすることができ
て、発電等の性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の固体電解質型燃料電池の一実施例を示
す断面図、第2図は第1図の■矢視図、第3図は本発明
の他の実施例を示す断面図、第4図は従来の固体電解質
型燃料電池の一例を示す概略斜視図である。 l・・・電解質板、2・・・酸素極、2a、 2b、 
2c・・・酸素極膜、3・・・燃料極、3a、 3b、
 3c・・・燃料極膜、4,5・・・ガス通路、6・・
・セパレータ、C・・・セル、02・・・空気、H2・
・・燃料ガス。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)電解質板を酸素極と燃料極で両面から挟み、酸素
    極側に空気を供給すると共に燃料極側に燃料ガスを供給
    するようにしてあるものを1セルとし、各セルをセパレ
    ータを介して多層に積層するようにしてある固体電解質
    型燃料電池において、多孔質体とした酸素極と燃料極の
    いずれか一方又は双方を、微細構造が電極厚さ方向に逐
    次変化している構成とし、且つ電解質板との接触面付近
    に微細構造の密の部分を配置すると共にガス通路付近に
    微細構造の粗の部分を配置してなることを特徴とする固
    体電解質型燃料電池。
JP2240730A 1990-09-11 1990-09-11 固体電解質型燃料電池 Pending JPH04121968A (ja)

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Cited By (5)

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