JPH09259902A - 固体電解質型燃料電池の空気極作製方法 - Google Patents

固体電解質型燃料電池の空気極作製方法

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JPH09259902A
JPH09259902A JP8094658A JP9465896A JPH09259902A JP H09259902 A JPH09259902 A JP H09259902A JP 8094658 A JP8094658 A JP 8094658A JP 9465896 A JP9465896 A JP 9465896A JP H09259902 A JPH09259902 A JP H09259902A
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JP
Japan
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air electrode
electrode
electrolyte
electrolyte plate
particles
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JP8094658A
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Hiroyuki Kamata
博之 鎌田
Katsumi Takahashi
克巳 高橋
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IHI Corp
Original Assignee
IHI Corp
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 空気極の過電圧を低く抑え、電極の性能を高
める。 【解決手段】 電解質板1上に空気極2を重ねて取り付
けて一体化させる際、電解質板1上に電解質粒子1aの
スラリーを塗布して焼成し、電解質板1の表面を電解質
粒子1aにより粗面化する。電解質板の粗面化された表
面に電極粒子2aを塗布し焼成して一体化させる。電解
質板1と電極粒子2a及び空気O2 が接する3相界面S
を、電解質板1の表面の凹凸により長くする。3相界面
Sを通して進行する空気極2の電極反応が、長い3相界
面Sのため良好に行われ、過電圧を低く抑えられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】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するエネルギー部
門で用いる燃料電池のうち、固体電解質型燃料電池の空
気極の作製方法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は、エネルギーの
変換効率が高く、高品位な排熱を得ることができる第3
世代の燃料電池として研究開発が進められている。これ
には、平板型、円筒型があり、そのうち、たとえば、平
板型の固体電解質型燃料電池は、図5に一例を示す如
く、電解質として高温で酸素イオン伝導性を示す安定化
ジルコニア等のセラミックスを用いた電解質板1の両面
側に、空気極2と燃料極3を重ね合わせるように配置
し、且つ空気極2側と燃料極3側にそれぞれガス流路4
と5を形成するために、空気極2に該空気極2と同じ材
料か又は後述するセパレータ8と同じ材料のガス通路構
造体6を、又、燃料極3側に該燃料極3と同じ材料か又
はセパレータ8と同じ材料のガス通路構造体7をそれぞ
れ配置し、空気極2側のガス流路4には空気等の酸化剤
を、又、燃料極3側のガス流路5にはH2 等の還元ガス
である燃料ガスをそれぞれ流すようにして、空気極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O--を反応
させて、水H2 Oとして出させ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8を介して多層に
積層するようにした構成としてある。
【0003】かかる構成を有する固体電解質型燃料電池
に用いられている空気極2には、従来、ペロブスカイト
型の結晶構造をもつLa 1-x x Mn O3 (A=Sr 、
Ca等のアルカリ金属)を使用することが進められて来
た。特に、Sr を用いたLa1-x Sr x Mn O3 は電極
活性、電子導電性、化学安定性に優れているため、空気
極2の材料として最も有力なものである。
【0004】従来の空気極2の作製方法としては、テー
プ成形法等の方法で電解質板を製造して、この緻密な電
解質板上に、空気極(La 1-x Sr x Mn O3 )の粒子
をスラリーとして塗布した後、1100〜1200℃程
度の温度で焼成する方法が最も一般的であるが、別の方
法として、溶射等により電解質板上に空気極を直接形成
する方法もあり、空気極を電解質体に重ねて一体的に取
り付けて多孔質体の空気極を作製するようにしている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】固体電解質型燃料電池
の性能を決定する要因の1つに、空気極の性能がある。
空気極の性能は、一般に電流密度とそのときの過電圧の
関係により評価することができる。すなわち、任意の電
流密度を電池から取り出したとき、電極での反応による
電圧のロス分が小さいほど良い電極となる。したがっ
て、電池の性能を向上させるためには、電極反応による
電圧ロス分、すなわち、発電中に空気極で生じる過電圧
を低く抑えることが必要である。
【0006】空気極での電極反応は、図6に示す如く、
電解質板1と空気極の電極粒子2a及び空気O2 が接す
る3相界面Sを介して進行するものである。したがっ
て、上記過電圧を低く抑えるためには、電極の単位面積
当りの3相界面Sを長くとることが必要となる。
【0007】しかし、従来の固体電解質型燃料電池の空
気極の作製方法は、緻密な電解質板の上に空気極のスラ
リーを塗布した後、焼成して電解質板と一体に作製する
ものであるため、図7に拡大して示す如く、電解質板1
の表面は平坦であり、この平坦な電解質板1の表面に一
体化されている電極粒子2aの界面が形成され、この界
面のうち空気O2 が接する3相界面Sは、平坦な電解質
板1の表面にのみ形成されるので、3相界面Sの長さは
制限されてしまい、良好な空気極特性を得ることが難し
く、後述するが、運転温度1000℃で電池を作動させ
たときや、運転温度800℃という低温で電池を作動さ
せたときに、空気極の過電圧が高い電極性能を示し、電
池性能が低下するという問題がある。
【0008】そこで、本発明者等は、空気極の性能は電
極と電解質板の界面の形状に強く依存することに着目し
て、簡便な方法で良好な界面を形成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、発電中に空
気極で生じる過電圧を低く抑えることで電池性能を向上
させ、エネルギー効率を高めることができるような固体
電解質型燃料電池の空気極を作製しようとするものであ
る。
【0009】
【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、電解質板上に重ねて取り付けて電解質板
と一体の多孔質の空気極を作製する固体電解質型燃料電
池の空気極作製方法において、電解質板上に、電解質粒
子を含むスラリーを薄く塗布した後、焼成して、電解質
板上を電解質粒子により粗面化し、次いで、粗面化した
電解質板の表面に、空気極粒子を含むスラリーを塗布し
た後、焼成して界面を形成するようにする。
【0010】電解質板の表面を粗面化して凹凸を形成す
ることから、電解質板と電極粒子の接触数が増加し、単
位面積当りの界面を長くすることができ、有効な3相界
面をより多く形成することができることになる。これに
より空気極での電極反応が長い3相界面を経由して進行
するので、過電圧を低く抑えることができ、空気極の性
能を高めることができる。
【0011】又、電解質板上に重ねて取り付けて電解質
板と一体の多孔質の空気極を作製する固体電解質型燃料
電池の空気極作製方法において、電解質板を製造する過
程のグリーンシート上に、電解質粒子を含むスラリーを
薄く塗布した後、焼成して、表面が電解質粒子で粗面化
した電解質板を作り、次いで、該電解質板の粗面化した
表面に、電極粒子を含むスラリーを塗布した後、焼成し
て界面を形成するようにしても、電解質板と空気極及び
空気が接する3相界面を長くすることができ、空気極の
電極反応が長い3相界面を通して進行するので、過電圧
を低く抑えることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。
【0013】図1は本発明の方法により作製した空気極
と電解質板の界面を示すもので、電解質板1上に空気極
2を取り付ける側の電解質板1の表面に、電解質粒子1
aを一体化させることにより凹凸を形成して粗面化し、
該粗面化した電解質板1の表面に電極粒子2aを一体に
して空気極2とするものである。
【0014】詳述すると、本発明の固体電解質型燃料電
池の空気極の作製方法は、電解質板1の表面を粗面化し
た後、その表面に空気極2のスラリーを塗布して焼成
し、多くの界面を形成させるようにするものである。
【0015】図2は本発明の空気極作製方法の一形態を
示すもので、予め焼成して作られた緻密な電解質板1上
に、電解質と同成分の電解質粒子1aを含むスラリーを
薄く塗布する塗布工程Iを経た後、次の焼成工程IIで1
100〜1400℃の高温で焼成し、電解質粒子1aを
電解質板1の表面に一体化させることにより、電解質板
表面を粗面化10させる。すなわち、電解質粒子1aの
スラリーを薄く塗布して焼成すると、電解質板1の表面
には多数の電解質粒子1aによる突部が多数形成される
ので、電解質粒子1aの大きさが異なることによって大
小異なる電解質粒子1aによる突部が出来ることにより
電解質板1の表面が粗面化10される。
【0016】上記において、電解質粒子1aをスラリー
として緻密な電解質板1上に塗布させるので、電解質粒
子1aを電解質板上に一様に載せることができ、全面に
わたり粗面化させることができる。
【0017】次に、電解質板1の粗面化された表面に、
電極粒子2aを含むスラリーを塗布する塗布工程III を
経た後、焼成工程IVで1100〜1300℃の温度で焼
成して、電解質板1に空気極2を重ねて一体的に取り付
け、多くの界面を形成した空気極2とするようにする。
【0018】上記のようにして作られた空気極2は、図
1に示す如く、電極粒子2aと電解質板1の平坦面の接
する界面のみならず、電解質粒子1aによる突部と電極
粒子2aの接する界面も形成されるため、3相界面Sを
図7に示す従来の空気極に比して長くすることができ
る。
【0019】空気極2の性能は、電極と電解質板の界面
の形状に強く依存しているが、本発明の方法により作製
した空気極2は、上記のように電解質板1の表面の凹凸
を利用することから、電極粒子2aと電解質板1の接触
数が増加し、単位面積当りの界面を長くすることができ
るので、3相界面を通して進行する空気極での電極反応
が長い3相界面を通して進行することになり、過電圧を
低く抑え、電流密度を多くして電極性能を高めることが
できる。
【0020】図3は本発明の空気極と従来の空気極の特
性の一例を示すもので、一般的な運転温度1000℃で
電池を作動させたときと、比較的低温の800℃で電池
を作動させたときにおけるもので、A,Bは本発明の空
気極で、Aは運転温度が1000℃の場合、Bは運転温
度が800℃の場合である。又、a,bは図7に示す従
来の空気極で、aは運転温度が1000℃の場合、bは
運転温度が800℃の場合である。
【0021】図3から明らかなように、同じ電流密度の
ときに本発明の空気極は従来の空気極より過電圧を何割
か低くでき、特に、800℃と比較的低温を作動させた
ときにその差をより大きくでき、電極の作動温度を下げ
るに従いその効果は顕著であることがわかる。これによ
り電極性能は高めることができて電池性能を高めること
ができる。
【0022】次に、図4は本発明の空気極作製方法の他
の形態を示すもので、電解質板1をテープ成形法で成形
する過程における焼成前のグリーンシート11上に、電
解質粒子1aを含むスラリーを薄く塗布する塗布工程I
を経た後、焼成工程IIで1300〜1500℃の高温で
焼成させ、表面を電解質粒子1aにより粗面化10した
電解質板1を作るようにする。上記焼成工程IIでの焼成
温度は、電解質膜の焼結温度(電極の焼成温度1100
〜1300℃と同じか又は低い温度)以上とするため、
1300〜1500℃とした。
【0023】次に、上記電解質板1の粗面化された表面
に、電極粒子2aを含むスラリーを塗布する塗布工程II
I を経た後、焼成工程IVで1100〜1300℃の温度
で焼成し、電解質板1に空気極2を重ねて一体的に取り
付け、多くの界面を形成した空気極2とするようにす
る。
【0024】このようにして得られた空気極2も、図1
に示す如く、電極粒子2aが電解質板1の表面の凹凸面
に一体化して長い3相界面Sを形成することができ、前
記した場合と同様に図3に示す如き従来の空気極に比し
て性能を高めることができる。
【0025】
【発明の効果】以上述べた如く、本発明の固体電解質型
燃料電池の空気極作製方法によれば、製造された電解質
板上あるいは電解質板製造過程のグリーンシート上に、
電解質粒子を含むスラリーを薄く塗布して焼成すること
により電解質板の表面を電解質粒子により粗面化するよ
うにし、この粗面化した電解質板の表面に空気極を重ね
て一体的に取り付けるようにして空気極を作製するよう
にするので、電解質板と空気極粒子と空気が接する3相
界面を従来の空気極に比して大幅に長くすることがで
き、空気極の電極反応が長い3相界面を経由して進行す
るため過電圧を従来の電極より低く抑えることができ、
空気極の性能を高めることができて電池性能を高めるこ
とができる、という優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法により作製された電解質板と空気
極の電極粒子の界面を示す拡大図である。
【図2】本発明の固体電解質型燃料電池の空気極の作製
方法の一例を示す工程図である。
【図3】本発明による空気極と従来の空気極の電極性能
の比較を示す図である。
【図4】本発明の固体電解質型燃料電池の空気極の作製
方法の他の例を示す工程図である。
【図5】平板型の固体電解質型燃料電池の一例を示す断
面図である。
【図6】固体電解質型燃料電池の空気極の反応模式図で
ある。
【図7】従来の固体電解質型燃料電池の空気極粒子と電
解質板の界面を示す拡大図である。
【符号の説明】
I 塗布工程 II 焼成工程 III 塗布工程 IV 焼成工程 1 電解質板 1a 電解質粒子 2 空気極 2a 電極粒子

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電解質板上に重ねて取り付けて電解質板
    と一体の多孔質の空気極を作製する固体電解質型燃料電
    池の空気極作製方法において、電解質板上に、電解質粒
    子を含むスラリーを薄く塗布した後、焼成して、電解質
    板上を電解質粒子により粗面化し、次いで、粗面化した
    電解質板の表面に、空気極粒子を含むスラリーを塗布し
    た後、焼成して界面を形成することを特徴とする固体電
    解質型燃料電池の空気極作製方法。
  2. 【請求項2】 電解質粒子を含むスラリーの焼成温度を
    1100〜1400℃とし、電極の焼成温度を1100
    〜1300℃とする請求項1記載の固体電解質型燃料電
    池の空気極作製方法。
  3. 【請求項3】 電解質板上に重ねて取り付けて電解質板
    と一体の多孔質の空気極を作製する固体電解質型燃料電
    池の空気極作製方法において、電解質板を製造する過程
    のグリーンシート上に、電解質粒子を含むスラリーを薄
    く塗布した後、焼成して、表面が電解質粒子で粗面化し
    た電解質板を作り、次いで、該電解質板の粗面化した表
    面に、電極粒子を含むスラリーを塗布した後、焼成して
    界面を形成することを特徴とする固体電解質型燃料電池
    の空気極作製方法。
  4. 【請求項4】 電解質板の焼成温度を1300〜150
    0℃とし、電極の焼成温度を1100〜1300℃とす
    る請求項3記載の固体電解質型燃料電池の空気極作製方
    法。
JP8094658A 1996-03-26 1996-03-26 固体電解質型燃料電池の空気極作製方法 Pending JPH09259902A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004507862A (ja) * 2000-05-18 2004-03-11 コーニング インコーポレイテッド 固体酸化物燃料電池用粗雑化電解質界面層

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004507862A (ja) * 2000-05-18 2004-03-11 コーニング インコーポレイテッド 固体酸化物燃料電池用粗雑化電解質界面層

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