JPH087900A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents
固体電解質型燃料電池Info
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- JPH087900A JPH087900A JP6133211A JP13321194A JPH087900A JP H087900 A JPH087900 A JP H087900A JP 6133211 A JP6133211 A JP 6133211A JP 13321194 A JP13321194 A JP 13321194A JP H087900 A JPH087900 A JP H087900A
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- cell
- electrode
- electrolyte membrane
- solid electrolyte
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
(57)【要約】
【目的】 固体電解質型燃料電池において、高出力化の
ためには、電解質膜をより薄くしなければならないこと
と、大容量化のためには、セルの大面積化に伴い、セル
の厚みを増して機械的強度を上げなければならないこと
の相矛盾する課題を解決して、高出力化すると同時に大
容量化できる電池を提供する。 【構成】 空気極１、固体電解質膜２及び燃料極３から
なるセル４において、前記固体電解質膜２の両表面のう
ち少なくとも一方に梁９が面状に配置され、かつ、前記
表面に形成された梁９と梁９の空間に空気極１または燃
料極３が設けられている。そして、この面状に配置され
た梁９は、幾何学紋様の網状になっている。
ためには、電解質膜をより薄くしなければならないこと
と、大容量化のためには、セルの大面積化に伴い、セル
の厚みを増して機械的強度を上げなければならないこと
の相矛盾する課題を解決して、高出力化すると同時に大
容量化できる電池を提供する。 【構成】 空気極１、固体電解質膜２及び燃料極３から
なるセル４において、前記固体電解質膜２の両表面のう
ち少なくとも一方に梁９が面状に配置され、かつ、前記
表面に形成された梁９と梁９の空間に空気極１または燃
料極３が設けられている。そして、この面状に配置され
た梁９は、幾何学紋様の網状になっている。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、固体電解質型燃料電池
に関するものである。
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】固体電解質型燃料電池には、その表裏面
に燃料極及び空気極をそれぞれ設けた固体電解質からな
るセルとこのセル同士を仕切るセパレータを交互に積み
重ねた平板型構造のものがある。
に燃料極及び空気極をそれぞれ設けた固体電解質からな
るセルとこのセル同士を仕切るセパレータを交互に積み
重ねた平板型構造のものがある。
【０００３】図３はこのタイプの固体電解質型燃料電池
の基本構成を示す分解斜視図である。
の基本構成を示す分解斜視図である。
【０００４】空気極１及び燃料極３とともにセル４を構
成する固体電解質膜２には、８ｍｏｌ％のＹ2 Ｏ3 で安
定化したジルコニア（ＺｒＯ2 ）等が用いられている。
空気極１は、（ＬａＳｒ）ＭｎＯ3 等のペロブスカイト
型酸化物からなり、燃料極３はＮｉ−ＺｒＯ2 のサーメ
ット等からなる。セル４を挟んでいる上下両端のセパレ
ータ５はニッケルクロム合金等の耐熱性合金からなり、
燃料極３と対向する側に燃料ガスの供給溝６を、また、
空気極１に対向する側に酸化剤ガスの供給溝（図示せ
ず）をそれぞれ有している。
成する固体電解質膜２には、８ｍｏｌ％のＹ2 Ｏ3 で安
定化したジルコニア（ＺｒＯ2 ）等が用いられている。
空気極１は、（ＬａＳｒ）ＭｎＯ3 等のペロブスカイト
型酸化物からなり、燃料極３はＮｉ−ＺｒＯ2 のサーメ
ット等からなる。セル４を挟んでいる上下両端のセパレ
ータ５はニッケルクロム合金等の耐熱性合金からなり、
燃料極３と対向する側に燃料ガスの供給溝６を、また、
空気極１に対向する側に酸化剤ガスの供給溝（図示せ
ず）をそれぞれ有している。
【０００５】また、セパレータ５とセル４の間には集電
体７を設け、空気極１側のものには（ＬａＳｒ）ＭｎＯ
3 でできた多孔質体を、また、燃料極３側のものにはＮ
ｉメッシュを用いている。
体７を設け、空気極１側のものには（ＬａＳｒ）ＭｎＯ
3 でできた多孔質体を、また、燃料極３側のものにはＮ
ｉメッシュを用いている。
【０００６】そして、空気極１と燃料極３に供給される
ガスが混合しないように、セパレータ５とセル４の各端
部の間に、セラミックファイバーとガラスを複合したも
のをシール材８として挟んでいる。
ガスが混合しないように、セパレータ５とセル４の各端
部の間に、セラミックファイバーとガラスを複合したも
のをシール材８として挟んでいる。
【０００７】このタイプの燃料電池は、高出力化を図る
ためには、セル４の固体電解質膜２をできる限り薄膜化
する必要がある。一方、大容量化を図るためには、セル
４を大面積化する必要があり、これを大面積化すればす
るほど、セル４に加わる応力も大きくなるので、セル４
を厚くしてその機械的強度を上げなければならない。
ためには、セル４の固体電解質膜２をできる限り薄膜化
する必要がある。一方、大容量化を図るためには、セル
４を大面積化する必要があり、これを大面積化すればす
るほど、セル４に加わる応力も大きくなるので、セル４
を厚くしてその機械的強度を上げなければならない。
【０００８】したがって、このような固体電解質型燃料
電池を高出力化すると同時に大容量化することは、これ
らの厚みと強度の問題があるために困難であった。
電池を高出力化すると同時に大容量化することは、これ
らの厚みと強度の問題があるために困難であった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】この対策として、固体
電解質に部分安定化ジルコニアやアルミナ添加ジルコニ
アなどを用いることにより、固体電解質自体の機械的強
度を上げたり、また、電極に厚みを持たせて、セルの機
械的強度を高める工夫がなされている。
電解質に部分安定化ジルコニアやアルミナ添加ジルコニ
アなどを用いることにより、固体電解質自体の機械的強
度を上げたり、また、電極に厚みを持たせて、セルの機
械的強度を高める工夫がなされている。
【００１０】しかし、固体電解質自体の機械的強度を上
げても、導電率が低下する傾向にあり、導電率を上げよ
うとすると、その厚みを薄くしなければならないことに
なり、機械的強度を上げる効果が得られていない。ま
た、電極に厚みを持たせて強度を上げる場合には、電極
材料自体の強度の低さ、電極と電解質の熱膨張係数の不
整合及びガスの透過性の悪化等の問題により効果が上が
っていない。
げても、導電率が低下する傾向にあり、導電率を上げよ
うとすると、その厚みを薄くしなければならないことに
なり、機械的強度を上げる効果が得られていない。ま
た、電極に厚みを持たせて強度を上げる場合には、電極
材料自体の強度の低さ、電極と電解質の熱膨張係数の不
整合及びガスの透過性の悪化等の問題により効果が上が
っていない。
【００１１】そこで本発明の目的は、固体電解質型燃料
電池において、高出力化のためには電解質膜をより薄く
しなければならないことと、大容量化のためにはセルの
大面積化に伴い、セルの厚みを増して機械的強度を上げ
なければならないことの相矛盾する課題を解決して、高
出力化すると同時に大容量化できる電池を提供すること
にある。
電池において、高出力化のためには電解質膜をより薄く
しなければならないことと、大容量化のためにはセルの
大面積化に伴い、セルの厚みを増して機械的強度を上げ
なければならないことの相矛盾する課題を解決して、高
出力化すると同時に大容量化できる電池を提供すること
にある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、請求項１にお
いて、空気極、固体電解質膜及び燃料極からなるセルに
おいて、前記固体電解質膜の両表面のうち少なくとも一
方に梁が面状に配置され、かつ、固体電解質膜の表面に
形成された梁と梁の空間に空気極または燃料極が設けら
れていることを特徴とするものである。
いて、空気極、固体電解質膜及び燃料極からなるセルに
おいて、前記固体電解質膜の両表面のうち少なくとも一
方に梁が面状に配置され、かつ、固体電解質膜の表面に
形成された梁と梁の空間に空気極または燃料極が設けら
れていることを特徴とするものである。
【００１３】また、請求項２において、固体電解質膜の
両表面のうち少なくとも一方に面状に配置された梁は、
幾何学紋様の網状になっていることを特徴とするもので
ある。
両表面のうち少なくとも一方に面状に配置された梁は、
幾何学紋様の網状になっていることを特徴とするもので
ある。
【００１４】
【作用】本発明では、空気極、固体電解質膜及び燃料極
からなるセルにおいて、前記固体電解質膜の両表面のう
ち少なくとも一方に梁が面状に配置され、かつ、固体電
解質膜の表面に形成された梁と梁の空間に空気極または
燃料極が設けられていることにより、同じ材料でセルを
作製した場合、同じセルの厚みを有するものであれば、
梁を有するものの機械的強度が飛躍的に向上する。ま
た、強度が同じセルであれば、梁を有するものの電解質
膜の厚みを薄くできるため、電解質膜の抵抗が下がり発
電特性が向上する。
からなるセルにおいて、前記固体電解質膜の両表面のう
ち少なくとも一方に梁が面状に配置され、かつ、固体電
解質膜の表面に形成された梁と梁の空間に空気極または
燃料極が設けられていることにより、同じ材料でセルを
作製した場合、同じセルの厚みを有するものであれば、
梁を有するものの機械的強度が飛躍的に向上する。ま
た、強度が同じセルであれば、梁を有するものの電解質
膜の厚みを薄くできるため、電解質膜の抵抗が下がり発
電特性が向上する。
【００１５】また、従来、セルを大面積化した場合、電
解質膜と電極の間にある僅かの熱膨張係数差により、割
れや剥がれが生じていた。しかし、電解質膜表面を梁状
にすることにより、電解質の梁と梁の間に電極層が存在
するため、大面積の電極に比べて、電解質膜と電極の間
にある熱膨張係数差の影響を受けにくくなり、割れや剥
がれを抑えることができる。
解質膜と電極の間にある僅かの熱膨張係数差により、割
れや剥がれが生じていた。しかし、電解質膜表面を梁状
にすることにより、電解質の梁と梁の間に電極層が存在
するため、大面積の電極に比べて、電解質膜と電極の間
にある熱膨張係数差の影響を受けにくくなり、割れや剥
がれを抑えることができる。
【００１６】
【実施例】以下、本発明に係わる一実施例を図面を参照
して説明する。
して説明する。
【００１７】基本構成は従来例として示した図３と同様
であるが、本発明の特徴ある構成を図１に示す。図１
（ａ）及び（ｂ）は本発明の梁を有するセルの平面を示
すものである。
であるが、本発明の特徴ある構成を図１に示す。図１
（ａ）及び（ｂ）は本発明の梁を有するセルの平面を示
すものである。
【００１８】図１（ａ）は梁９の幾何学紋様形状が格子
状を成しており、また、（ｂ）は亀甲状を成している。
そして、いずれも固体電解質膜表面の梁９に囲まれた空
間には、空気極１または燃料極３が梁９の高さまで設け
られている。なお、図１（ａ）及び（ｂ）では、電極を
空気極１で代表させて図示している。
状を成しており、また、（ｂ）は亀甲状を成している。
そして、いずれも固体電解質膜表面の梁９に囲まれた空
間には、空気極１または燃料極３が梁９の高さまで設け
られている。なお、図１（ａ）及び（ｂ）では、電極を
空気極１で代表させて図示している。
【００１９】梁の幾何学紋様形状は、例えば、図１
（ａ）のように単に格子状のものより、図１（ｂ）のよ
うに亀甲状にしたもののほうが、斜め方向に対する機械
的強度が各段に向上することは実験でも明らかである。
（ａ）のように単に格子状のものより、図１（ｂ）のよ
うに亀甲状にしたもののほうが、斜め方向に対する機械
的強度が各段に向上することは実験でも明らかである。
【００２０】なお、電解質膜上の幾何学紋様形状の梁９
の形成には、例えば、型ロールで電解質シートを成形す
る方法、シート成形後に型を電解質膜に押し付ける方
法、網型の電解質シートを張り付ける方法、あるいはパ
ターン印刷版を用いて電解質材をパターニングする方法
等がある。
の形成には、例えば、型ロールで電解質シートを成形す
る方法、シート成形後に型を電解質膜に押し付ける方
法、網型の電解質シートを張り付ける方法、あるいはパ
ターン印刷版を用いて電解質材をパターニングする方法
等がある。
【００２１】図２は、図１（ａ）及び（ｂ）で示した本
発明の梁を有するセルの部分断面を示すものである。
発明の梁を有するセルの部分断面を示すものである。
【００２２】セル４の固体電解質膜２の両表面に梁９が
設けられ、電解質膜表面上の梁９と梁９の空間には、空
気極１と燃料極３がそれぞれ設けられている。
設けられ、電解質膜表面上の梁９と梁９の空間には、空
気極１と燃料極３がそれぞれ設けられている。
【００２３】そして、従来品と実施例品のセルについ
て、曲げ強度及び電力密度による発電特性の評価を行う
ため、次のａないしｅのセルの各試料を準備した。
て、曲げ強度及び電力密度による発電特性の評価を行う
ため、次のａないしｅのセルの各試料を準備した。
【００２４】図２を用いてこれらの試料の構造を説明す
る。
る。
【００２５】各試料とも、セル４の厚みＴはいずれも３
００μｍである。ａは梁９を有しない従来のセル４であ
り、固体電解質膜２の厚みｔ1 は２００μｍ、電極の厚
みｔ2 は５０μｍ、すなわち電解質膜２の両表面で１０
０μｍである。ｂは格子状の梁９を有するセルで、固体
電解質膜２の厚みｔ1 は１００μｍ、梁の高さｔ2 は１
００μｍ（電極の厚みも同じ）、すなわち電解質膜２の
両表面で２００μｍ（電極の厚みも同じ）である。ｃは
亀甲状の梁９を有するセルで、固体電解質膜２の厚みｔ
1 は１００μｍ、梁の高さｔ2 は１００μｍ（電極の厚
みも同じ）、すなわち電解質膜２の両表面で２００μｍ
（電極の厚みも同じ）である。ｄは同じく亀甲状の梁９
を有するセルで、固体電解質膜２の厚みｔ1 は１５０μ
ｍ、梁の高さｔ2 は７５μｍ（電極の厚みも同じ）、す
なわち電解質膜２の両表面で１５０μｍ（電極の厚みも
同じ）である。そしてｅは同じく亀甲状の梁９を有する
セルで、固体電解質膜２の厚みｔ1 は２００μｍ、梁の
高さｔ2 は５０μｍ（電極の厚みも同じ）、すなわち電
解質膜２の両表面で１００μｍ（電極の厚みも同じ）で
ある。
００μｍである。ａは梁９を有しない従来のセル４であ
り、固体電解質膜２の厚みｔ1 は２００μｍ、電極の厚
みｔ2 は５０μｍ、すなわち電解質膜２の両表面で１０
０μｍである。ｂは格子状の梁９を有するセルで、固体
電解質膜２の厚みｔ1 は１００μｍ、梁の高さｔ2 は１
００μｍ（電極の厚みも同じ）、すなわち電解質膜２の
両表面で２００μｍ（電極の厚みも同じ）である。ｃは
亀甲状の梁９を有するセルで、固体電解質膜２の厚みｔ
1 は１００μｍ、梁の高さｔ2 は１００μｍ（電極の厚
みも同じ）、すなわち電解質膜２の両表面で２００μｍ
（電極の厚みも同じ）である。ｄは同じく亀甲状の梁９
を有するセルで、固体電解質膜２の厚みｔ1 は１５０μ
ｍ、梁の高さｔ2 は７５μｍ（電極の厚みも同じ）、す
なわち電解質膜２の両表面で１５０μｍ（電極の厚みも
同じ）である。そしてｅは同じく亀甲状の梁９を有する
セルで、固体電解質膜２の厚みｔ1 は２００μｍ、梁の
高さｔ2 は５０μｍ（電極の厚みも同じ）、すなわち電
解質膜２の両表面で１００μｍ（電極の厚みも同じ）で
ある。
【００２６】これら試料のセル４の大きさはいずれも平
面が１２ｃｍ×１２ｃｍの正方形、有効電極面積は１０
０ｃｍ2 である。格子や亀甲状の各梁９は３ｍｍ間隔
で、０．５ｍｍ幅の梁９を電解質膜２の両表面で２００
μｍ・１５０μｍ・１００μｍの各高さに設け、電解質
膜表面の梁９に囲まれた空間はパターン印刷版により、
梁９と同じ高さに電極が印刷充填されている。
面が１２ｃｍ×１２ｃｍの正方形、有効電極面積は１０
０ｃｍ2 である。格子や亀甲状の各梁９は３ｍｍ間隔
で、０．５ｍｍ幅の梁９を電解質膜２の両表面で２００
μｍ・１５０μｍ・１００μｍの各高さに設け、電解質
膜表面の梁９に囲まれた空間はパターン印刷版により、
梁９と同じ高さに電極が印刷充填されている。
【００２７】曲げ強度に用いた試料は、前記セルよりダ
イヤモンドカッターで切り出して用いた。切り出す方向
は図１（ｂ）に示すようにＸ及びＸＹ方向の２種類と
し、ともに曲げ強度を評価した。
イヤモンドカッターで切り出して用いた。切り出す方向
は図１（ｂ）に示すようにＸ及びＸＹ方向の２種類と
し、ともに曲げ強度を評価した。
【００２８】発電特性は１０００℃まで昇温し、燃料ガ
スに加湿Ｈ2 、酸化ガスに空気を使用して測定した。な
お、ＯＣＶ（開回路電圧）はほぼ理論値どうり１．０４
Ｖを示した。
スに加湿Ｈ2 、酸化ガスに空気を使用して測定した。な
お、ＯＣＶ（開回路電圧）はほぼ理論値どうり１．０４
Ｖを示した。
【００２９】表１はこの実験で評価した各試料の曲げ強
度及び発電特性を示す電力密度の値である。
度及び発電特性を示す電力密度の値である。
【００３０】
【表１】
【００３１】これに示すように、同じ材料で梁を有する
セルと有しないセルを作製した場合、セルの厚みが同じ
であれば、梁を有するセルの機械的強度が飛躍的に向上
した。また、セルの機械的強度が同じであれば、梁を有
するセルは電解質膜の厚みをより薄くできるようになる
ため、電解質膜の抵抗が下がり、電力密度が上がって発
電特性が向上することが明らかになった。
セルと有しないセルを作製した場合、セルの厚みが同じ
であれば、梁を有するセルの機械的強度が飛躍的に向上
した。また、セルの機械的強度が同じであれば、梁を有
するセルは電解質膜の厚みをより薄くできるようになる
ため、電解質膜の抵抗が下がり、電力密度が上がって発
電特性が向上することが明らかになった。
【００３２】
【発明の効果】本発明によれば、空気極、固体電解質膜
及び燃料極からなるセルにおいて、前記固体電解質膜の
両表面のうち少なくとも一方に梁が面状に配置され、か
つ、固体電解質膜の表面に形成された梁と梁の空間に空
気極または燃料極が設けられていることにより、セルの
機械的強度が飛躍的に向上する。
及び燃料極からなるセルにおいて、前記固体電解質膜の
両表面のうち少なくとも一方に梁が面状に配置され、か
つ、固体電解質膜の表面に形成された梁と梁の空間に空
気極または燃料極が設けられていることにより、セルの
機械的強度が飛躍的に向上する。
【００３３】また、梁を設けることにより、電解質膜の
厚みを薄くできるため、電解質膜の抵抗が下がり、セル
の発電特性が向上する。
厚みを薄くできるため、電解質膜の抵抗が下がり、セル
の発電特性が向上する。
【００３４】そして、セルを大面積化した場合でも、電
解質膜と電極の間にある熱膨張係数差の影響を受けにく
く、割れや剥がれが生じるのを防ぐ。
解質膜と電極の間にある熱膨張係数差の影響を受けにく
く、割れや剥がれが生じるのを防ぐ。
【００３５】このように、従来、電池の高出力化と大容
量化の要請から生じていた、電解質膜の薄膜化と相矛盾
するセルの厚膜化の問題が、これにより大幅に解決さ
れ、高出力化と同時に大容量化できる固体電解質型燃料
電池の実用化に大きく貢献することができる。
量化の要請から生じていた、電解質膜の薄膜化と相矛盾
するセルの厚膜化の問題が、これにより大幅に解決さ
れ、高出力化と同時に大容量化できる固体電解質型燃料
電池の実用化に大きく貢献することができる。
【図１】（ａ）及び（ｂ）は本発明の梁を有するセルの
平面図。
平面図。
【図２】本発明の梁を有するセルの部分断面図。
【図３】固体電解質型燃料電池の分解斜視図。
１ 空気極 ２ 固体電解質膜 ３ 燃料極 ４ セル ５ セパレータ ６ ガス供給溝 ７ 集電体 ８ シール材 ９ 梁
Claims (2)
- 【請求項１】 空気極、固体電解質膜及び燃料極からな
るセルにおいて、前記固体電解質膜の両表面のうち少な
くとも一方に梁が面状に配置され、かつ、固体電解質膜
の表面に形成された梁と梁の空間に空気極または燃料極
が設けられていることを特徴とする固体電解質型燃料電
池。 - 【請求項２】 固体電解質膜の両表面のうち少なくとも
一方に面状に配置された梁は、幾何学紋様の網状になっ
ていることを特徴とする請求項１記載の固体電解質型燃
料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6133211A JPH087900A (ja) | 1994-06-15 | 1994-06-15 | 固体電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6133211A JPH087900A (ja) | 1994-06-15 | 1994-06-15 | 固体電解質型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH087900A true JPH087900A (ja) | 1996-01-12 |
Family
ID=15099332
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6133211A Pending JPH087900A (ja) | 1994-06-15 | 1994-06-15 | 固体電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH087900A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003068322A (ja) * | 2001-08-28 | 2003-03-07 | Kyocera Corp | 固体電解質型燃料電池セル及び燃料電池 |
| JP2004164866A (ja) * | 2002-11-08 | 2004-06-10 | Dainippon Printing Co Ltd | 燃料電池用触媒層形成シート、触媒層−電解質膜積層体及びこれらの製造方法 |
| JP2005322452A (ja) * | 2004-05-07 | 2005-11-17 | Nissan Motor Co Ltd | 固体酸化物形燃料電池用セル板及び固体酸化物形燃料電池 |
| JP2007026779A (ja) * | 2005-07-13 | 2007-02-01 | Shinko Electric Ind Co Ltd | 固体酸化物型燃料電池 |
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| JP2009009737A (ja) * | 2007-06-26 | 2009-01-15 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 固体電解質形燃料電池及びその製造方法 |
-
1994
- 1994-06-15 JP JP6133211A patent/JPH087900A/ja active Pending
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