JPH02207456A - 固体電解質燃料電池 - Google Patents

固体電解質燃料電池

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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] 本発明は固体電解質燃料電池の電極膜、酸素極側及び燃
料極側の通路構成材膜及びインタコネクター膜の構造お
よび強度に関する。
[従来の技術] 第9図に従来の薄膜型固体電解質燃料電池を示す。第9
図に示すように従来の酸素極側通路構成材4 (LaS
rMnO3またはLaMgCr0z ) 、燃料極側通
路構成材5 (N10+YSZまたはLaMgCr0a
 )および酸素極側、燃料極側インタコネクター6.7
(LaMgCrO3)は各々単独材料にて薄膜を構成す
ることを考えていた。そして、第9図に示すように電池
を形成する固体電解質膜1、酸素側電極膜2、燃料側電
極膜3はグリーンシート状態の3枚の薄膜を積層しその
他の構成材(4〜7)と同時に焼成することで全体を構
成している。
[発明が解決しようとする課題] 固体電解質燃料電池を構成する各材料は強度のない機能
性材料であり、強度のある実用的な薄膜型固体電解質燃
料電池を構成することが困難であった。そして第10図
に示す従来の3層積層を焼成し、常温まで降温する場合
、線膨張係数の差により各層に熱応力が発生するため各
々の層にクラックが発生しやすく、固体電解質1にクラ
ックが発生した場合には燃料電池としての機能を生じな
くなる。そのため熱応力と強度を検討する。第11図に
各層に生じる熱応力の計算値の1例を示す。計算に使っ
た各材料の線膨張係数αと膜厚δを以下に示す。
・固体電解’li (YSZ)  a −10,8x 
10−’ [1/’C]δパラメータ ・燃料側電極膜 α−16X 10−’(NIO十YS
z)   、−1oo [am]・酸素側電極膜 α−
12,3X 1G=(LaSrMnO3)   δ、1
00[/Jml固体電解質膜(YSZ)の許容応力はσ
−10〜20 kg / m■2である。また、電池と
しての性能を満足するためには固体電解質膜の膜厚は5
00[μm]以下とする必要がある。従って前記計算結
果より従来構造では3層の同時焼成が非常に困難である
事がわかり、実験でもこの事が確認されてきた。
本発明はこれらの問題を解決した燃料電池を提供するこ
とを目的とする。
[課題を解決するための手段] (1)本発明に係る第1の燃料電池は固体電解質膜と燃
料側電極膜と酸素側電極膜を積層して発電層を構成し、
前記発電層に燃料極側波形状支持薄膜と酸素極側波形状
支持薄膜を介してインタコネクターを設け、酸素極側お
よび燃料極側通路構成材を強度のあるセラミックス薄膜
に電気伝導性のある物質を帯状に埋め込んだ複合薄膜で
構成し、酸素極側および燃料極側インタコネクターを強
度と緻密性のあるセラミックス薄膜に電気伝導性のある
物質を帯状に埋め込んだ複合薄膜で構成したことを特徴
とする。
(2)本発明に係る第2の燃料電池は前記(1)に記載
した燃料電池の電極膜に切り込みを設けたことを特徴と
する。
[作用] 前記のとおり、薄膜の強度を受持つ構成部材の中に電気
伝導性を受は持つ機能部材を埋め込むので強固な複合薄
膜が製作できる。そして(1)燃料電池部(固体電解質
1、酸素側電極膜2、燃料側電極膜3)で発生した電圧
、電流は、酸素極側通路構成材4の導電部4b、燃料極
側通路構成材5の導電部5b、酸素極側インタコネクタ
ー6の導電部6b、燃料極側インタコネクター7の導電
部7bを通じて外部へ電流が取り出せる。
(2)固体電解質1、各通路構成材の強度用膜4a、5
aおよび各インタコネクターの強度用膜6a、7aが強
固に接着されているため、また全ての材料をYSZ、 
PSZに統一可能のため、熱膨張に対しても強固であり
、大型の燃料電池を構成してもクラック等の発生が無く
なる。
(3)各電極膜の厚さと各層の熱応力計算値は第8図に
示すようになるので各電極膜の残存厚さが各2δNIO
+YSZ ’″10umゝδLaSrMnO3−30μ
mの時には固体電解質膜の膜厚をδYSZ ”50〜2
00μmにすることによりσ  ≦20SZ kg / c−以下に収めることができ、3層を同時に
焼成した燃料電池の製作が可能になる。なお各々の膜厚
が前述の条件の場合に対しては実験によっても固体電解
質膜にクラックを生じないことが確認されている。
[実施例] 本発明の第1実施例を第1図〜第6図に示す。
先ず本発明の概要として、本発明の電極膜の切込み設置
効果について述べる。
固体電解質燃料電池膜の基本的考え方は、電解質膜(Y
SZ)が気密(クラックの無い状態)で、電極膜(Nl
o、 LaSrMn03)はポーラスで気体を通すこと
(クラック可)である。
したがって、電極膜はクラックがあっても良く、YSZ
膜よりも強度が弱く、熱応力が発生した時、電極膜に初
期クラックを発生し、YSZ Hの熱応力を解放するこ
とが望まれる。しかし、電極膜(Nio、 LaSrM
n03)は、電気的特性を満足するためには50μm以
上の膜厚が必要である。
したがって、電気的特性を満足しく膜厚100μm)、
YSZ膜よりも強度を下げる一手段として、電極膜に切
込みを入れ、電極膜に初期クラックを発生させるように
したのが本発明である。
第1図〜第6図において固体電解質1は薄膜平板でYS
Zにより構成する。酸素極側通路構成膜4は第2図に示
すよう強度を持つ薄膜(YSZ 、 PSZまたはAn
  O、8102等で構成)4aとその中に埋め込まれ
た導電性物質4 b (LaSrMnO3またはPtA
u)により複合化した平板を作製後金体を波形に加工し
第1図に示すよう固体電解質膜1とYSZスラリーにて
直接接着する。
同様に燃料極側通路構成膜5も第3図に示すよう強度を
持つ薄膜(YSZ、PSZまたはAN 203゜SIO
□等で構成)5aと導電性物質5b(NiO+YSZま
たは旧PtAu)により複合化し、固体電解質1に直接
接着する。酸素側電極膜2および燃料側電極膜3は各々
の通路構成膜4.5の導電性物質4b、5bを包み込む
形で固体電解質膜1に接着する。酸素極側インタコネク
ター6と燃料極側インタコネクター7は第4図、第5図
に示す構造にする。インタコネクター6.7も第2図、
第3図と同様に複合化する。ここで、酸素極側インタコ
ネクター6の強度用薄膜6 a (YSZ、PSZまた
はAN  O、SIO□等)は気密性を保つため緻密に
形成し、導電性物質6bとしては、LaMgCr0a 
Pt、 Au等を使用する。燃料極側インタコネクター
7も6と同様気密性強度用薄膜7 a (YSZ、PS
Z 。
AN  O、5IO7)と導電性物質7b(LaMgC
rO3,N1. Pt、 Au)にて構成する。
そして、各インタコネクター6.7は第1図に示すよう
に各通路構成材4.5の各々の導電性物質(6aと4a
、5aと7a)が電気的に接続する位置で接着する。
セラミックス系導電物質のうちLaSrMnO3。
NIO、NIO+YSZをドクターブレード法にて薄膜
化、焼成し、強度をあげることは難かしい。(特にLa
SrMnO3が困難)。
しかし、YSZ 、 PSZ 、  AN  O、5I
O2(7)薄膜は、それほど困難ではない。これらは導
電性に関しては全体を導電性物質にて構成する場合より
も悪くなるが、上記の溝巾とピッチ程度の電気通路があ
れば、十分な電気特性の保持が可能である。
そして、これらのセラミックは一般の強度メンバーとし
ても使用されていることかられかるように導電物質数倍
の強度を持っている。
複合化薄膜は次のようにして製作する。
ドクターブレード法にて平板強度用薄11 (YSZ。
PSZ、  All0  、 5inz材にテ)ノグリ
ーンシ一トを構成する。ここでグリーンシートとは未乾
燥の軟かいセラミックスをいう。
前記グリーンシートに巾2〜5mmの溝をピッチ4〜1
0關で加工する。
前記溝に導電性物質(LaSrMnO3,Pt、 Au
NIO+YSZ 、 NIO、N1等)を塗り込み、第
6図に示すよう全体を波板状に曲げる。
本発明の第2実施例を第7図〜第8図に示す。
第7図において固体電解質1、酸素側電極膜2及び燃料
側電極膜3をグリーンシート状態の3枚の薄膜を積層す
る。この後、カッタ等の機械的手段で、酸素側電極膜2
a及び燃料側電極膜3aに夫4δ LaSrMnO3N
10 +YSZ ’膜厚を残した、δ 切込み2b、及び3bを互いに直交するように入れる。
この積層薄膜の一面に前記燃料側通路構成材膜5を切込
み溝3bが波形の谷間にくるように、又、他面には酸素
側通路構成材膜4を切込み溝2bが波形の谷にくるよう
配置し、全体を同時に焼成して薄膜型固体電解質燃料電
池を構成している。
上記のように構成された燃料電池において、3層積層を
焼成し常温まで降温した場合、この切込み部によって電
極〜の強度が低下し、初期クラックは電極側に生じるた
め、固体電解質1のクラック発生を防止できる。
第8図は本発明による切込みを入れた3層電極膜に生じ
る焼成時の膜応力を示す。
[発明の効果] 本発明は前述のように構成されているので、次に記載さ
れるような効果を奏する。
(1)強度が不足し電池を構成することが困難であった
酸素極側通路構成膜4、燃料極側通路構成膜5およびイ
ンタコネクター6.7を強度を受は持つ強度用薄膜(4
a、5a、6a、7a)と導電性を受は持つ機能用薄膜
(4b、5b、6b。
7b)の複合化薄膜とすることで薄膜一体型(モノリシ
ック型)固体電解質燃料電池の製作が可能になる。
(2)固体電解質膜の熱応力を許容応力内に収め燃料電
池として十分な電気出力が可能な薄膜型固体電解質燃料
電池の製作が可能になる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1実施例を示す図、第2図は第1実
施例の複合酸素極側通路構成膜の図、第3図は第1実施
例の複合燃料極側通路構成膜の図、第4図は第1実施例
の複合酸素極側インタコネクター膜の図、第5図は第1
実施例の複合燃料極側インタコネクター膜の図、第6図
は第1実施例の複合化薄膜の製法を示す図、第7図は本
発明の第2実施例を示す図、第8図は第2実施例による
切込みを入れた第3層電池膜に生じる燃焼時の膜応力図
、第9図は従来の薄膜型固体電解質燃料電池を示す図、
第10図は従来の薄膜型固体電解質燃料電池の鳥跪図、
第11図は従来の燃料電池の3層電極膜に生じる焼成時
の膜応力を示す図である。 1・・・固体電解質膜、2・・・酸素側電極膜、3・・
・燃料側電極膜、4・・・酸素極側通路構成膜、4a・
・・4の強度用膜、4b・・・4の導電性物質膜、5・
・・燃料極側通路構成膜、5a・・・5の強度用膜、5
b・・・5の導電性物質膜、6・・・酸素極側インタコ
ネクター膜、6a・・・6の強度用膜、6b・・・6の
導電性物質膜、7・・・燃料極側インタコネクター膜、
7a・・・7の強度用膜、7b・・・7の導電性物質膜
、8・・・酸化剤ガス、9・・・燃料ガス。 出願人代理人 弁理士 鈴江武彦 D 第 図 枢矢 −E 第 図 第 図 第 図 第8図 第10図 第11図

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)固体電解質膜と燃料側電極膜と酸素側電極膜を積
    層して発電層を構成し、前記発電層に燃料極側波形状支
    持薄膜と酸素極側波形状支持薄膜を介してインタコネク
    ターを設け、 酸素極側および燃料極側通路構成材を強度のあるセラミ
    ックス薄膜に電気伝導性のある物質を帯状に埋め込んだ
    複合薄膜で構成し、酸素極側および燃料極側インタコネ
    クターを強度と緻密性のあるセラミックス薄膜に電気伝
    導性のある物質を帯状に埋め込んだ複合薄膜で構成した
    ことを特徴とする固体電解質燃料電池。
  2. (2)電極膜に切り込みを設けたことを特徴とする請求
    項(1)記載の固体電解質燃料電池。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5270131A (en) * 1990-12-11 1993-12-14 Sulzer Brothers Limited Module for a fuel cell battery
WO2009001739A1 (ja) * 2007-06-22 2008-12-31 Murata Manufacturing Co., Ltd. 高温構造材料と固体電解質形燃料電池用セパレータ

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JPWO2009001739A1 (ja) * 2007-06-22 2010-08-26 株式会社村田製作所 高温構造材料と固体電解質形燃料電池用セパレータ

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