JPH0462757A - 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】 ［産業上の利用分野コ この発明は、固体電解質型燃料電池、特にその電極板の
構造に特徴を有する固体電解質型燃料電池に関するもの
である。

［従来の技術］ 平板形の固体電解質型燃料電池（以下、５ＯＦＣと略称
する：　５ｏｌｉｄ　０ｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅ１ｌ
の略称基）は、よく知られているように、平板状の固体
電解質の一面に燃料電極を、他の面に酸化剤電極（空気
極ともいう）を形成した電池三層膜と呼ばれる電池部材
を積層し、各電池部材間に平板状のセパレータ（インタ
ーコネクタとも呼ばれる）を配備して電気回路を構成し
た燃料電池発電設備である。

したがって、上述の平板形の５ＯＦＣのセパレータは、
燃料ガス（還元剤）と空気（酸化剤）の仕切り壁である
とともに、燃料ガス及び空気をそれぞれ燃料電極（負極
となるもの）及び酸化剤電極（正極となるもの）の表面
に供給する通路を形成したガス流通手段を有し、さらに
各電極表面と通電用接触を行わせ、発生した電流の集電
を行う集電板として機能するものである。

なお、上記のような構成のものでは、集電板という観点
からはセパレータをガス流通手段を有するバイポーラ板
ということもできる。

ガス流通手段を設けたセバーレタを有する５ＯＦＣの従
来例としては、５ＯＦＣ名古屋シンポジウム予稿集、１
１月１３〜１４日、　１９８９　；　（Ｐｒｏｃｅｅｄ
ｌｎｇｓｏｆ　５ＯＦＣ−ＮＡＧＯＹＡ　；　Ｉｎｔｅ
ｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　Ｓｏ
ｌｉｓ　　０ｘｉｄｅ　　Ｆｕｅｌ　　Ｃｅ１ｌ　：　
　Ｊａｐａｎ　　Ｆｉｎｅ　　Ｃｅｒａｍｉｃｓ　　Ｃ
ｅ１ｔｅｒ）に開示されたものがある。

第２図はこの文献の８５頁に記載された従来のガス流通
手段を有するセパレータを使用した５ＯＦＣのセル部分
を原理的に示す模式斜視図である。

図において、１はＹＯで安定化したＺ　ｒ　Ｏ２（ジル
コニア）からなる平板状の固体電解質、２はＮ　ｉ　　
Ｚ　ｒ　０２サーメツトからなる燃料電極（正極）、３
はＬ　ａ　Ｍ　ｎ　Ｏ又はＩｎ２Ｏ３Ｓ　ｒ　Ｏ２から
なる酸化剤電極（負極）であり、固体電解質１とこれを
サンドイッチする燃料電極２及び酸化剤電極３によって
電池三層膜１０を一体的に形成している。４．５は導電
性酸化物又はＮｉ−Ｃｒ合金からなるセパレータ（集電
板）であり、セパレータ４のように電池の端板として用
いられるとともに、電池三層膜１０を積層するに当って
はセパレータ４，５を背中合せにしたバイポーラセパレ
ータ９として使用される。セパレータ４，５には燃料ガ
ス７、空気８をガスの進行方向に流通させる多数のそれ
ぞれ溝６，６ａが設けられて溝６．６ａの開放部がそれ
ぞれ燃料電極２、酸化剤電極３の電極表面にそれぞれの
ガスを供給する通路を確保するようになっている。

実際には、例えばセパレータ４は、第３図の平面図にみ
られるように全体を積層するためのフレーム１１内に組
込まれており、フレーム１１の燃料ガスの進行方向側に
はガス流入口１２とガス流出口１３が設けられて溝６と
ともにガス流通手段を構成している。これはセパレータ
５についても同様になっている。なお、溝６，６ａの外
側平坦部は積層時相対する電極面に当接するように形成
されている。

以上のように構成された固体電解質型燃料電池の動作・
原理はよく知られているのでその説明は省略する。

現在までに、電池本体部を構成する上記の電池三層膜は
種々の構造のものが提案又は使用されている。以下その
構成と形成方法の概略を項目別に説明する。

（イ）固体電解質を基板とし、この基板の両面に燃料電
極、空気電極をスラリーコートしたのち焼成するもので
、これまで広く実用されている。

（ロ）燃料電極、固体電解質、空気電極のグリーンシー
トを３枚積層したのち全体を焼成する方法もあり、（イ
）と同様に広く行われている。

（ハ）本願と同一出願人による実開昭６３−５３２５４
号公報に開示されたもので、燃料電極として用いるニッ
ケル（Ｎｉ）多孔質焼結体を成膜用基板とし、この基板
上に固体電解質、空気電極を成膜した構造を有するもの
。

（ニ）本願と同一出願人による特願昭８４−８９３００
号に記載されたもので、ニッケルファイバー積層体を燃
料電極兼成膜用基板とし、この基板上に固体電解質、空
気電極を成膜したもの。

（ホ）本願と同一出願人による実開昭６３−１４８７８
７号公報に開示されたもので、金属セパレータを成膜用
基板とし、この片面に燃料電極、固体電解質、空気電極
を成膜したもの。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような従来の５ＯＦＣで用いられる電池三層膜は
、下記のような実用上の課題が指摘されており、その解
決が要望されている。

まず、５ＯＦＣの実用化に対して大面積の電極構成を得
る必要があるが、前記（イ）、（ロ）項で示したような
電池三層膜を燃料電極、固体電解質、空気電極のみで構
成するものは、いずれもセラミック薄膜で形成されるた
め脆く、大型化への適応性が乏しい。

また、燃料電極としては、電気化学反応を効率よくする
ために、微細な多孔質とする必要があるが、前記（ハ）
、（ニ）項に示すような燃料電極と成膜用基板を兼用す
る構成では不都合であり、電極構造の最適化が困難であ
る。

さらに、前記（ホ）項で示したような金属セパレータを
基板とする構成では基板と電池三層膜の熱膨張率を近く
して、かつ耐酸化性、還元性に優れた金属セパレータを
得ることが難しい。したがって、熱応力により電池三層
膜が破壊されやすいので、結論として電池三層膜と基板
の熱応力緩和かやりにくい。

この発明は上記の課題を解決するためになされたもので
、特に上述の熱応力が緩和され、かつ大面積の電池とし
て好適な構成を有する５ＯＦＣを提供することを目的と
するものである。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る５ＯＦＣは、金属ファイバー積層体から
なる成膜用基板の片面に燃料電極、固体電解質、空気電
極の順に成膜した複合電極板と、燃料及び空気をそれぞ
れ燃料電極、空気電極に供給する流通通路を有する導電
性セパレータ板とを交互に積層してなる組立て体（アセ
ンブリー）を電池本体としたものである。なお、上記の
金属ファイバー積層体は金属ファイバーを多数積層した
後に焼成して形成した板状体であってもよい。

［作　用コ この発明においては、複合電極板を構成する成膜用基板
に用いた金属ファイバー積層体はそれ自体が自立できる
強度をもち、かつ導電性とガス透過性（通気性）とを兼
備しているので、直接燃料電極側と接合すると、電極表
面への燃料ガスの供給が支障なく行われるとともに、電
池反応で発生した電気の取り出しすなわち集電板として
機能する導電性セパレータとの電気的接触性が強くなる
。

また、金属ファイバー積層体は前記のような強度をもつ
から大面積の基板として形成でき、かつその表面に電極
を溶射法等によって形成できるため、大面積の電極によ
る大型化が達成され、その上溶射条件の設定法によって
電極としての最適化すなわち微細多孔質が可能となるか
ら電極の反応表面積が増大し電池反応の効率が向上する
。さらに、金属ファイバー自身と電池三層膜を構成する
セラミック膜とは熱膨張率に差があっても、個々のファ
イバーは剛性が低いため、電極セラミックに過大な応力
をかけないし、さらに、金属ファイバー積層体と導電性
セパレータの間に過大な熱応力が発生しないようになる
。

［実施例コ 第１図はこの発明による５ＯＦＣの単電池構成分の一実
施例を示す模式断面図である。また、第４図は第１図の
実施例を構成する複合電極板を（ａ）　、（ｂ）工程断
面図により示す製造工程図である。

図において、第２図及び第３図の従来例と同−又は相当
部分には同じ符号を付し、説明を省略する。

まず、第１図において、電池電極本体を構成する複合電
極板は電池三層膜１０を金属ファイバー積層体基板１５
上に成膜形成したものである。すなわち、金属ファイバ
ー積層体基板１５の片側面に燃料電極２．固体電解質１
．空気電極３をこの順に成膜して、これらの膜が構成す
る電池三層膜１０と金属ファイバー積層体基板１５とか
らなるアセンブリを複合電極板として形成した。

ここで複合電極板の形成方法を第４図によって説明する
。まず、第４図（ａ）に示すように、太さ約ｌＯ−のＳ
　Ｕ　Ｓ　３０４フアイバーを多数積層したのち焼成を
行って厚さ０．６＋ｕの金属ファイバー積層体基板１５
を形成する。この場合、Ｓ　Ｕ　Ｓ　３０４フアイバー
の代りにＮｉ又はＮｉ合金のファイバーを用いてもよい
。ついで第４図（ｂ）に示すように、金属ファイバー積
層体基板１５の片面にニッケルジルコニアサーメットを
約１００．の厚さに溶射により成膜し、燃料電極２を形
成する。なお、燃料電極２は、上記のようなニッケルジ
ルコニアサーメットの均質構成の代りに、ニッケルとジ
ルコニアの混合比率を途中で厚さ方向に変化させた傾斜
機能材としてもよい。そして、燃料電極２の上にプラズ
マ溶射法によりｙｓｚ（イツトリア安定化ジルコニア）
を約１００四の厚さに成膜して固体電解質１を形成する
。この場合も、プラズマ溶射において、レーザー蒸着法
や低圧プラズマ溶射法と併用しても同様の固体電解質１
を成膜することもできる。さらに、固体電解質１の上に
Ｌａ、Ｓｒ。

Ｍｎを含む酸化物を溶射して約１０〇−厚さの空気電極
３を成膜する。以上の工程により金属ファイバー積層体
基板１５と電池三層膜１０とからなる複合電極板が形成
される。

第１図の実施例に示した単電池骨の５ＯＦＣは、上記の
形成方法によって得られた複合電極板を第２図の従来例
と同じ要領で端板型のセパレータ４゜５によりサンドイ
ッチして構成したもので、この発明による５ＯＦＣの基
準構成を示すものである。

この発明による以上の構成において、複合電極板の金属
ファイバー積層体基板１５は適切な強度を有しながら、
個々のファイバーは大きな剛性をもたないから、電池三
層膜１０に過大な熱応力を発生させることがなくなり、
例えば電池のスタート・停止時のような急激な温度変化
に対しても電池三層膜が破壊されなくなる。しかも、金
属ファイバー積層体基板は良好な通気性を有するから燃
料ガスの燃料電極２面への供給も申し分なく行われ、電
池三層膜１０はいずれも溶射法によって形成されるので
、電極材質として最適な条件が得られる、つまり微細多
孔質化が達成されるので、大幅な電池の性能向上が得ら
れる。

第５図はこの発明による５ＯＦＣの他の実施例と電池機
能を説明するための模式説明図である。

本実施例ではバイポーラセパレータ９を介して例えば複
合電極板２個を積層した５ＯＦＣを示している。（実際
の５ＯＦＣはもっと多数の複合電極板を積層して使用さ
れる）。第２図の従来例と同様に操作を行い端板型のセ
パレータ４，５間に発生した起電力を外部回路１６によ
り取り出し、負荷１７が仕事を行うようになっている。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、従来の燃料電極、固体
電解質、空気電極からなる電池三層膜の代りに、この電
池三層膜を金属ファイバー積層体からなる基板上に形成
した複合電極板とし、この複合電極板をセパレータを介
して積層して５ＯＦＣを構成したので、以下に列挙する
効果が得られ５ＯＦＣの大幅な性能向上が達成される。

１）金属ファイバーの成膜用基板上に溶射法などのドラ
イプロセスのみで電池三層膜を成膜するため、焼成炉を
必要としないので工程が減るとともに、大面積化が容易
となり５ＯＦＣが本来目標としてきた大型化が達成でき
る。

２）金属ファイバー積層体基板が機械的な緩衝材として
働くため、電池三層膜に過大な熱応力を発生させないよ
うになり、電池のスタート・停止による温度変化にも破
壊されることのない熱応力緩和に効果かある。

３）溶射法により形成される電池三層膜は電池反応に対
して最適な条件すなわち微細多孔質構造が得られるので
電池性能が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の５ＯＦＣの単電池構成分の一実施例
を示す模式断面図、第２図は従来の５ＯＦＣのセル部分
を原理的に示す模式斜視図、第３図は第２図のうちのセ
パレータを組込むフレームの模式平面図、第４図はこの
発明の複合電極板の製造工程図、第５図はこの発明の５
ＯＦＣの他の実施例と電池機能を説明する模式説明図で
ある。 図において、１は固体電解質、２は燃料電極、３は空気
電極、４，５は端板型のセパレータ、９はバイポーラセ
パレータ、１０は電池三層膜、１５は金属ファイバー積
層体基板である。 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　金属ファイバー積層体からなる基板の片面に燃料電極
   、固体電解質、空気電極の順に成膜した複合電極板と、 上記燃料電極及び空気電極の表面にそれぞれ燃料及び空
   気を供給する通路を備えた導電性のセパレータとを交互
   に積層してなることを特徴とする固体電解質型燃料電池
   。