JPH07254418A - 固体電解質燃料電池及びその製造方法 - Google Patents
固体電解質燃料電池及びその製造方法Info
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Abstract
低く発電効率の高い固体電解質燃料電池を提供する。 【構成】 本発明の固体電解質燃料電池は、Y2 O3 安
定化ZrO2 (YSZ)からなる固体電解質層2と;こ
の上に形成された、x(mol%)TiO2 及び/又はy(m
ol%)CeO2 を含むYSZ(ただし0<x、y≦1
0)からなる中間層3と;この上に形成された、金属N
i及び/又は酸化Niと上記中間層3を構成する物質と
の混合物からなる燃料極層4と;を含む。中間層3中の
TiO2 やCeO2 等の電子導電性材料の働きにより、
固体電解質層2と燃料極層4との界面の接触抵抗を下げ
ることができる。
Description
びその製造方法に関する。特には、固体電解質層と燃料
極層との間の接触抵抗が低く発電効率の高い固体電解質
燃料電池及びその製造方法に関する。
従来技術を説明する。円筒型セルタイプSOFC(以下
CCSOFCと言う)は、特公平1−59705等によ
って公知である。CCSOFCは、電極支持管−空気電
極−固体電解質−燃料電極−インターコネクターで構成
される円筒型セルを有する。空気電極側に酸素(空気)
を流し、燃料電極側にガス燃料(H2 、CO等)を流し
てやると、このセル内でO2 -イオンが移動して化学的燃
焼が起り、空気電極と燃料電極の間に電位が生じ発電が
行われる。
ル自身の内部抵抗を下げる必要がある。セルの内部抵抗
には、固体電解質膜の抵抗や電極表面におけるイオン化
反応に伴う抵抗、電極材・インタコネクタ等のオーム抵
抗、及び、各膜間の接触抵抗が含まれる。このうち、各
膜間の接触抵抗を低くするには、各膜間のミクロ的密着
性を上げる必要がある。SOFCセルの各膜は、セラミ
ックスや金属の薄膜(厚さ数μm 〜数百μm )であり、
各種材質の膜を、基体上に順次形成していく方法によっ
てセルが製造される。
としては、溶射法(特開昭61−198570)、CV
D・EVD法(特開昭61−153280)、スラリー
コート法等がある。
はあるが、従来の固体電解質燃料電池においては、固体
電解質層上に直接燃料極層を形成していた。そのため、
両相界面での接触抵抗が大きくなっていた。というの
は、燃料極は電子導電性、電解質はイオン導電性である
ため、両者の接触界面のみで電流が流れるようになって
いるが、固体電解質上に直接燃料極を形成すると、両者
の接触は点接触状態となり、そのため接触抵抗が増大し
ていたのである。
の接触抵抗が低く発電効率の高い固体電解質燃料電池及
びその製造方法を提供することを目的とする。
め、本願発明の固体電解質燃料電池は、Y2 O3 安定化
ZrO2 (YSZ)からなる固体電解質層と;この固体
電解質層上に形成された、x(mol%)TiO2 及び/又
はy(mol%)CeO2 を含むYSZ(ただし0<x、y
≦10)からなる中間層と;この中間層上に形成され
た、金属Ni及び/又は酸化Niと上記中間層を構成す
る物質との混合物からなる燃料極層と;を含むことを特
徴とする。なお、ここで、上記中間層のYSZが、Ti
O2 及び/又はCeO2 に替えて、電子導電性材料を含
むこととしてもよい。
電性材料の働きにより、固体電解質層と燃料極層との界
面の接触抵抗を下げることができる。すなわち、中間層
に電子導電性を持たせることにより、電解質層と燃料極
との電流パスを多くすることができる(図1参照)。つ
まり、電流の流れる道を多くすることができるため接触
抵抗が減らすことができるのである。中間層の主成分を
YSZとしたのは、固体電解質燃料電池は1000℃と
いう高温で作動するので、ヒートサイクルなどによる熱
応力を少なくするため、線膨張係数を電解質層の同係数
と近づける必要があるからである。
%)が0<x、y≦10に制限される理由は、ある程度
以上、TiO2 、CeO2 が多くなると、イオン導電性
が著しく低下し、中間層、固体電解質間の抵抗が増すと
考えられるからである。
一態様は、上記中間層をスラリーコート・乾燥する中間
層塗膜工程と;上記燃料極層をスラリーコート・乾燥す
る燃料極層塗膜工程と;両塗膜を共焼成する焼成工程
と;を含むことを特徴とする。
り上下に塗膜した後に両塗膜を共焼成することにより、
密着性を向上し、接触抵抗を下げることができる。
他の一態様は、上記中間層をスラリーコート・乾燥する
中間層塗膜工程と;この中間層塗膜を焼成する工程と;
上記燃料極層を、金属Ni及び/又は酸化Ni粉末をス
ラリーコートし、乾燥・焼成し、つづいて、上記中間層
構成物質層をCVD・EVD法により形成する複合燃料
極層形成工程と;を含むことを特徴とする。
ーコートして、TiO2 やCeO2等の中間層構成物質
をCVD・EVD法により形成すると、EVD法により
中間層であるYSZ(+TiO2 、+CeO2 )が、金
属Ni粒子のまわりに成長していく。このため、燃料極
と電解質の接触面積が著しく増大する。
中間層の厚さは、0.5〜50μm、さらには1〜10
μm 、であることが好ましい。その理由は、0.5μm
未満だと中間層効果が小さく、50μm を超えると接触
抵抗及び集電抵抗が大となり電池性能が低下するからで
ある。1〜10μm の範囲では、安定して効果が得られ
る。
は、本願発明の一実施例に係る固体電解質燃料電池の一
部構造を模した実験用試料の構成を示す図である。固体
電解質層12の上面には、後に詳述する中間層13、燃
料極層14が膜上に重なるように形成されている。固体
電解質層12の下面には、Pt電極15が形成されてい
る。燃料極層14とPt電極15には、リード線17、
18が取付けられており、この試料の過電圧特性を測定
できるようになっている。
固体電解質基板(プレス成形法により、厚1000μm
に形成されたもの、焼成済)を準備した。
2 +8 mol%Y2 O3 の粉末(粒度0.1〜5μm )を
用い、さらに、有機溶剤(α・テルピネオール、エチル
アルコール)20重量部、バインダー(PVB)1重量
部、分散剤(ポリオキシエタレンアルキルリン酸エステ
ル)1重量部、消泡剤(ソルビタンセスキオレエート)
1重量部とを混合した後、十分攪拌して中間膜塗膜用ス
ラリーを調整した。このスラリーの粘度は500cps で
あった。
粉末(粒径0.2〜10μm )、上記中間層構成物質
(粉末)10重量部と、有機溶剤(α・テルピネオー
ル、エチルアルコール)20重量部、バインダー(PV
B)2重量部、分散剤(ポリオキシエタレンアルキルリ
ン酸エステル)1重量部、消泡剤(ソルビタンセスキオ
レエート)1重量部とを混合した後、十分攪拌して中間
層塗膜用スラリーを調整した。このスラリーの粘度は7
00cps であった。
塗膜用スラリーを、固体電解質基板表面上に、スクリー
ン印刷法により塗布した。塗膜厚は10μm であった。
この中間膜塗膜を乾燥した後、さらにその上に、上記の
ように調整した燃料極塗膜用スラリーを、スクリーン印
刷法により塗布し、その後乾燥した。この燃料電極塗膜
厚は100μm であった。なお、燃料電池(電極)用塗
膜の厚さは、用途によって任意の厚さとできる。
を、1100℃、2hrで焼成した。 (6)過電圧測定:上記のように作成した試料を用いて
過電圧測定を行った。その方法は、両リード線間に電流
(1A/cm2)を流し、この電流を遮断した時の電圧変化か
ら過電圧を求めた。なお電流密度(A/cm2)計算の対象と
なる面積は、燃料極の面積とした。得られた過電圧測定
結果を表1に示す。
CeO2 を0.1 mol%でもYSZ中に添加したのみ
で、顕著な過電圧低下効果が得られる。特に効果が高い
(過電圧140mV未満)のは、CeO2 を0.1〜10
mol%、TiO2 を10 mol%以下添加した場合であ
る。最も効果が高い(過電圧120mV以下)のは、Ce
Oを5〜7 mol%、TiO2 を0.1〜7 mol%添加し
た場合である。
示したグラフである。CeO添加量が10 mol%を越え
ると、過電圧が上昇することを示している。
示したグラフである。TiO2 添加量が10 mol%を越
えると、過電圧が上昇することを示している。
は以下の効果を発揮する。 固体電解質層と燃料極層との間に、固体電解質に電
子導電性材料を添加した中間層を含むので、固体電解質
層と燃料極層との間の界面抵抗(接触抵抗)を低くで
き、発電効率の高い固体電解質燃料電池を提供できる。 本願発明の製造方法においては、使用する設備が安
価であり、作業も容易なスラリーコート法を用いること
もできるため、量産性が高く、製品のコストが安くする
ことができる。
る。
の一部構造を模した実験用試料の構成を示す図である。
である。
である。
etc) 3 中間層 4 燃料極 12 固体電解質層 13 中間層 14 燃料極層 15 Pt電極 17、18 リード線
Claims (5)
- 【請求項1】 Y2 O3 安定化ZrO2 (YSZ)から
なる固体電解質層と;この固体電解質層上に形成され
た、x(mol%)TiO2 、及び/又は、y(mol%)Ce
O2 を含むYSZ(ただし0<x、y≦10)からなる
中間層と;この中間層上に形成された、金属Ni及び/
又は酸化Niと上記中間層を構成する物質との混合物か
らなる燃料極層と;を含むことを特徴とする固体電解質
燃料電池。 - 【請求項2】 上記中間層をスラリーコート・乾燥する
中間層塗膜工程と;上記燃料極層をスラリーコート・乾
燥する燃料極層塗膜工程と;両塗膜を共焼成する焼成工
程と;を含む請求項1記載の固体電解質燃料電池の製造
方法。 - 【請求項3】 上記中間層をスラリーコート・乾燥する
中間層塗膜工程と;この中間層塗膜を焼成する工程と;
上記燃料極層を、金属Ni及び/又は酸化Ni粉末をス
ラリーコートし、乾燥・焼成し、つづいて、上記中間層
構成物質層をCVD・EVD法により形成する複合燃料
極層形成工程と;を含む請求項1記載の固体電解質燃料
電池の製造方法。 - 【請求項4】 上記中間層の厚さが0.5〜50μm で
ある請求項1〜3いずれか1項記載の固体電解質燃料電
池又はその製造方法。 - 【請求項5】 上記中間層のYSZが、TiO2 及び/
又はCeO2 に替えて、電子導電性材料を含む請求項1
〜4いずれか1項記載の固体電解質燃料電池又はその製
造方法。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP07017594A JP3319136B2 (ja) | 1994-03-16 | 1994-03-16 | 固体電解質燃料電池 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JPH07254418A true JPH07254418A (ja) | 1995-10-03 |
JP3319136B2 JP3319136B2 (ja) | 2002-08-26 |
Family
ID=13423940
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP07017594A Expired - Lifetime JP3319136B2 (ja) | 1994-03-16 | 1994-03-16 | 固体電解質燃料電池 |
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- 1994-03-16 JP JP07017594A patent/JP3319136B2/ja not_active Expired - Lifetime
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