JPH0237669A - 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〕 本発明は固定電解質型燃料電池に係り、より詳しくはプ
ラナ−型構造を有する固体電解質型燃料電池に関する。

〔従来の技術〕

固体電解質型燃料電池は酸素イオン導電性を有する固体
を電解質とし、燃料ガスとして水素、酸化炭素、ナフサ
ガス、ナフサ改質ガス、液化天然ガス（ＬＮＧ）など、
酸化剤として酸累（空気）を用い、約１０００℃で作動
させる燃料電池である。この型の燃料電池の構造として
は、ウェスチングハウス社及び電子技術総合研究所から
第６図に示す円筒型の構造が提案されている。同図にお
いて、管状体ｌの内部に燃料ガスが送られるとともに、
外部を酸化剤ガスが通る。同図中の管壁部分の拡大図に
見られるように、管壁部分に主要構造が形成され、支持
管をなす多孔性アルミナ壁２上に、多孔性Ｎｉ　アノー
ド３、インターコネクタ４、電解質５、複合酸化物カソ
ード６、アルミナ気密被膜７からなるセルの集積構造が
形成されている。

そのほか、ウェスチングハウス社から別の円筒型構造及
びその連結構造が開発され、またアルゴンヌ国立研究所
からモノシリツク型の構造が開発されている（後者を第
７図に示す）。

〔発明が解決しようとする課題〕

第６図に示した円筒型構造では、円筒の半径方向にカソ
ード−固体電解質−アノード間で電流が流れるが、集積
構造体としては、単位セルで発生した電流はカソード−
インターコネクターアノードと円筒の長さ方向に流れる
ため、シート抵抗の大きいカソード、アノード中の長い
電流路を流れる必要があり、その間のオーム損が大きい
という問題がある。固体電解質型燃料電池では高温で作
動されるため電極の腐食の問題が激しく、電極材料とし
て面積抵抗の大きい材料を使わざるを得ないからである
。ウェスチングハウス社の別の円筒型構造タイプの固体
電解質型燃料電池でも、面積抵抗の大きいカソード、ア
ノードの長い電流路によるオーム損の問題は解決されて
いない。

一方、アルインタ国立研究所のモノシリツク型燃料電池
では、円筒型では達成されない高い集積度と短かい電流
路を実現しているが、構造が複雑で高度な構成技術を要
するものであるため、信頼性に問題があり、実用化には
ほど遠い。

そこで、本発明は高抵抗部分の電流路が短かく、集積度
が高く、しかも信頼性の高い固体電解質型燃料電池の構
造を提供することを目的とする。

〔課題を達成するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するために、１面に多孔性カ
ソード層、他面に多孔性アノード層を付着した平板状固
体電解質板を、両面にガス通路を構成する溝をそれぞれ
形成した導電性インターコネクタ板を介して複数個積層
し、それらの溝を通してカソード側に酸化剤ガス、アノ
ード側に燃料ガスを供給し、そして積層セルの上下端の
アノードとカソードより電流を取り出す構造を有する固
体電解質型燃料電池を提供する。

このようなプラナ−型構造の燃料電池は、炭酸塩型燃料
電池などでは知られているが、固体電解質型燃料電池で
は知られていない。その理由は次のように考えられる。

従来インターコネクタとしては、クロマイト系の複合酸
化物（例えば：Ｌａ＋　ＪＪｇｘＣｒＯｓ又はしａ、　
、Ａ１．Ｃｒ０３）等を用いているが、これらはち密な
焼結が難しく、またきわめて脆い為、本発明で主張する
様な構造を制作する事ができなかった。又、インターコ
ネクタに金属を用いようとすると、酸化剤側での１００
０℃における金属の酸化の為、インターコネクタと電極
間の接触抵抗が増大してしまい、セル特性を著しく悪化
する。

そこで、本発明者は前記目的を達成するために鋭意検討
する過程で、耐熱性耐食性のインターコネクタ用の材質
を開発するなどの工夫をすることによって固体電解質型
燃料電池においてもプラナ−型構造が実現可能であるこ
と、またこのようなプラナ−型構造によれば高抵抗部分
の電流路が短かく、集積度が高く、かつ信頼性の高い固
体電解質型燃料電池を提供することが可能であることを
見い出し、そして本発明を完成した。

〔実施例〕

第１図に３段室列セルの集合様式を展開して示す。各セ
ルにおいて平板状固体電解質板１１は両面にそれぞれカ
ソード１２及びアノード１３が形成されている。固体電
解質板１１は酸素伝導性のある固体電解質、例えば、部
分安定化ジルコニア（イントリアを２〜５　ｍｏｆ％含
有するジルコニア）安定化ジルコニアなど公知の固体電
解質で作った板状物からなり、厚さは０．０５〜０．３
　ｍｍ程度、より好ましくは０．０８〜０．２５ｍｍ程
度が適当である。０．０５ｍｍよりも薄いと強度上問題
があり、０．３　ｍｍを越えると電流路が長くなり好ま
しくない。カソード１２は酸素通路側なので高温下で酸
素に対して耐食性のある導電性材料を用い、多孔状に形
成する。

例えば、しａイＳｒ＋−Ｊ００３などの導電性複合酸化
物粉末を塗布する。塗布の手法としてははけ塗り法、ス
クリーン印刷法がある。その他、多孔状膜の作製方法と
してはＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法、溶射
法等が可能である。カソード１２はガス透過性となる程
度に多孔性に形成する。アノード１３は水素通路側で、
高温下で水素に対して耐食性のある導電性材料（例えば
、Ｎｉ／２ｒＯ２サーメツトなど）を多孔状に形成する
。例えば、す−ノット粉末混合物を塗布して形成する。

アノード１３もガス透過性に形成する。また、カソード
、アノードは多孔性の板状化が可能であれば、それを固
体電解質と付着させて使用することも可能である。

各セルの両面にカソード１２とアノード１３を形成され
た固体電解質板１１はインターコネクタ１４を介して集
積し、両端には外部端子１５．１６をそれぞれ設ける。

第１図に見られる如く、インターコネクタ１４は隣接す
るセルの電極間を電気的に接続するとともに、両面に溝
１４ａ、１４ｂが形成されて隣接するセルのカソード側
及びアノード側のそれぞれのガス通路を形成するもので
ある。インターコネクタ１４は高温下で使用するガスに
耐食性を有しかつ導電性の良好な材料で形成する。

このインターコネクタ１４は本出願人が先に開示した導
電性耐熱部品で構成することができる（特願昭６２−２
５７２７４号及び同６２−２５８３２０号及びその国内
優先権主張出願明細書）。この耐熱部品はクロム、コバ
ルト、ニッケル、鉄又はマンガンヲ含ム耐熱合金基材を
用いて表面にＬａ＋−ｘＭ’、Ｍ２０ｚ　（式中、Ｍｌ
はアルカリ土類金属、Ｍ２はクロム、コバルト、ニッケ
ル、鉄、マンガン等、０≦ｘ〈１である）の複合酸化物
を形成したものである。また、耐熱合金の表面に耐食性
があり、高融点の被膜、例えば白金などの貴金属の被膜
を施したものも好ましく用いることができる。これらの
耐熱部品であれば使用温度が１０００℃を越えても熱膨
張による変形が小さく、またその表面には複合酸化物や
耐食性被膜を有するので、電極間の接触抵抗が堆犬せず
、セル特性を低下させることがない。

インターコネクタ１４と固体電解質板１１とは、ガスシ
ール性や寸法設計上、熱膨張率の差ができるだけ小さい
ことが有利である。そこで、固体電解質としてジルコニ
ア電解質を用いる場合に、これと熱膨張率の近い導電性
材料として金属クロムが好ましいことが見い出された。

ジルコニア電解質の熱膨張率は約１０ＸＩＯ−６／にで
あり、一方金属クロムのそれは約９．４　Ｘｌ０−６／
にである。因みに、酸化クロムのそれは９．６　ＸＩＯ
’／　Ｋ、　Ｎｉ　基耐熱合金やＣＯ基耐熱合金のそれ
は約１３〜１７　Ｘ　１０−６／にである。また、金属
クロムの腐食（酸化）を防止するためには、Ｌａ＋−ｘ
Ｌｃｒ０３（式中、Ｍはアルカリ土類金属）をコーティ
ングする。この材料の熱膨張率もジルコニア電解質のそ
れに近く、代表例を示すと下記の通りである。

ｌａ　ｌ−Ｘ　！ＩＩ　Ｘ　Ｃｒ　Ｏ３の熱膨張率（２
５〜１０００℃間）しａ。、９ｃａＱ、＋ＣｒＯ３９，
２ ＬａＯ，８ＳｃａＯ，ｌ５ＣｒＬ　　　　　　　　　　
　　　　　　９，３ＬａＯ−ａｃａａ、　２ＣｒＯ＊　
　　　　　　　　　９．７ＬａＯ，８４ｓｒＯ，＋ＢＩ
ＪＯ３９゜６しａｏ、７５ＳＩ’０．ｚｓｃｒｏ３　　
　　　　　　　　　　　１０．４１、ａｏ、　７ｏｓｒ
ｏ、３ｃｒＱ３　　　　　　　　１０．６Ｎ１基合金や
Ｃｏ基合金を使用したインターコネクタの場合、ジルコ
ニア電解質との熱膨張率の大きい相違点を吸収するため
にガラスなどの溶融タイプの接着剤を使う必要があるが
、それに対し、金属クロム系のインターコネクタの場合
には、ジルコニアと熱膨張差がないのでさらに接着剤の
熱膨張率をこれに合わせれば剥がれることがなくなるの
で、有利である。こうして、金属クロムでインターコネ
クタを作り、Ｌａ＋−ｘＭｘｃｒ０３（Ｍはアルカリ土
類金属）をスパッタリング等で緻密にコーティングした
ものは、ジルコニア固体電解質との適合性に浸れ、耐酸
化性も良好であり、シール性、高信頼性である。

インター　コネクタ１４は両面に溝１４ａ・１４ｂを形
成してそれぞれガス通路を構成している。溝１４ａ、１
４ｂはそれぞれの溝に燃料ガスと酸化剤ガスをそれぞれ
供給できれば、溝の形状、配置は問わないが、最も簡単
で合理的な構成は、第１図及び第２図に示す如く、それ
ぞれの溝１４ａ、１４ｂを平行溝とし、それらを直角方
向に配置することである。このようにすれば、セルを集
積後、燃料ガスの入口及び出口、酸化剤ガスの入口及び
出口をそれぞれ同じ面上に配置することができ、集積セ
ルとしてのガス供給・排出系の構成が容易である。

第２図において（ア）は平面図、（イ）は正面図、（つ
）は左側面図である。このようなインターコネクタ１４
を介して両面に電極１２．１３を形成した固体電解質板
を集積すると、電流路は基本的に外部端子１５−カソー
ド１２一固体電解質板１１−アノード１３→インターコ
ネクタ１４→カソード１２→固体電解質板１１−アノー
ド１３→固体電解質板１１→アノード１３→外部端子１
６の最短距離、すなわち、セルの集積方向に形成される
ので、電気抵抗の大きいカソード１２、アノード１３を
面方向に流れる成分が最小限化されることができる。し
かしながら、インターコネクタ１４の溝１４ａ、１４ｂ
、外部端子１５．１６の溝１５ｂ。

１６ａの部分では、カソード１２、アノード１３とイン
ターコネクタ１４又は外部端子１５，１６とは直接に接
触していないので、電流はカソード１２、アノード１３
の面方向に流れることが避けられない。そこで、溝１．
４ａ　、１４ｂ　、１５ｂ　、１６ａの形状、寸法と溝
の間隔を適当に選択することによって、ガスの圧力損失
を防ぎながら、電流路の長さが最短になるようにする。

また、溝Ｌ４ａ　＝　１４ｂ　、Ｌ５ｂ。

１６ａの幅が大きくなる場合に、第３図に示すように、
インターコネクタ１４とカソード１２及びアノード１３
の間に導電性の高いメツシュ板１７を挿入することによ
って高抵抗のカソード１２やアノード１３中の電流路の
長さを短かくしてもよい。

メツシュ板の材質とじ−では白金、ニッケル、ニクロム
などが使用できるが、特に白金が好ましい。

また、溝１４ａ　、１４ｂ　、１５ｂ、　１６ａの断面
形状も矩形である必要はなく、三角形などでもよい。

第４図に外部端子の形状を示す。同図中、（ア）は平面
図、（イ）は正面図である。溝の形状はインターコネク
タ１４の片面と同じである。

固体電解質板１１、インターコネクタ１４、外部端子１
５・１６を集積して組立てるときには、固体電解質板１
１　（正確には電極１２．１３）とインターコネクタ１
４又は外部端子１５．１６の間でガスの漏れがないよう
に封止する必要がある。これは例えば軟化点が約８００
℃のガラスペーストで封止すればよい。このガラスペー
ストは電池の作動温度（９００〜１０００℃）では十分
に軟化してガスを封止するが、インターコネクタ１４又
は外部端子１５．１６と電極１２．１３との接触を妨げ
ない。

こうして組立てた電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを併結
するためには、電池の多溝１４ａ、１４ｂの両端がそれ
ぞれ同一面に来るように配置されているので、それらの
面にマニホールドを取付ける。

第５図に、マニホールドの取付例を示す。上記の如く組
立てた集積型電池本体２１を円筒状マニホールド２２の
管内に挿入し、溝１４ａ・１４ｂの出口が管壁に面する
ように配置する。電池本体２１とマニホールド２２の接
触箇所（４ケ所）をガス封止すれば、溝１４ａ、１４ｂ
のそれぞれの両端がそれぞれマニホールド２２の円筒壁
と電池本体２１で形成された４つのガス通路２３〜２６
と対応する。

実施例１ 第１図の集合様式に従い３段直列セルの固定電解質型燃
料電池を製作した。インターコネクタ１４、外部端子１
５．１６にはヘインズ合金Ｎｏ、２５（ヘインズ社の商
品Ｌ　　６０５　　；　Ｎ１１０．０％、Ｃ０５０，９
％、Ｃｒ２Ｏ，０％、Ｗ１５．０％、その他の合金）を
用い、表面の腐食を抑えるために表面を約６声の白金ス
パッタ膜で被覆した。インターコネクタ１４及び外部端
子１５．１６の形状は第２図及び第４図に示した通りで
あるが、どちらも５０　Ｘ５０　Ｘ　５　ｍｍの正方形
の板に溝幅７．５ｍｍ、溝深さ２ｔｎｍの平行溝１４ａ
　＝　１４ｂ　−１５ｂ　−１６ａを溝間隔３ｍｍ（ピ
ンチ１０．５ｍｍ）で４本形成した。これらの寸法は、
機成的強度やガスの流通条件などにより適宜設定される
。例えば、同じ正方形の板であれば、溝幅４〜３ｍｍ、
溝深さ１〜３証、溝間隔０．５　％　５　ｍｍの範囲と
するとよい。インターコネクタ１４では両面に形成する
溝１４ａ＝１４ｂの方向を直交させた。

固体電解質板１１にはイツトリアを３モルパーセント添
加したジルコニアである部分安定化ジルコニアからなる
寸法は５０　Ｘ５０　Ｘ　Ｏ，２ｍｍの板状物を用いた
。そして、酸素通路側にＬａｏ、　ｇｓｒ。、　１！、
ＩｎＯ３’ｔ’９末（平均粒径約５廁）をはけ塗り法で
厚さ０．０５ｍｍに塗布してカソード１２とし、水素通
路側にＮｉ／Ｚｒ０２（９／１重量比）のサーメット混
合扮末をはけ塗り法で厚さ０，０１〜０．０５　ｍ＋＋
＋に塗布してアノード１３とした。

この固体電解質板１１とインターコネクタ１４、外部端
子１５・１６を第１図の如く集積し、固体電解質板１１
とインターコネクタ１４の側面まわりに軟化点が約８０
０℃のガラスペーストを塗布してガス封止用とした。前
記の如く、このガラスペーストは電池の作動温度で軟化
してガス封止する。

こうして集積した電池を第５図に示し、円筒状アルミナ
製マニホールド２２に納めた。マニホールド２２と電池
本体２１との接触部分はセラミ・ツクペースを塗布乾燥
して接合した後、さらにガラスペーストを塗布してガス
封止した。

外部端子１５．１６に穴をあけ、白金リード端子２７゜
２８を挿入し、電気的接続を行なった。

このようにして作製した燃料電池を加熱した。

室温から１５０℃までは１℃／ｍ　ｉ　ｎで加熱し、ガ
ラスペーストの溶媒を蒸発させた。１５０℃〜３００℃
までは５℃／　ｍ　ｉ　ｎで昇温した。３００℃以上で
は水素通路側には、アノードの酸化を防止する為、窒素
ガスを流し、１０℃／　ｍ　ｉ　ｎで１０００℃まで昇
温した。その後、１０００℃に保持してナノード側に水
素、カソード側に酸素を流し、発電を開始した。開放電
圧は３．　ＯＶであった。放電特性を下記表に示す。

ガスクロスリークは水素の約１０％であった。

なお、被覆しないヘインズ合金をインターコネクタとし
て用いた以外は全く同様にして構成した固体電解質型燃
料電池を製作した。この場合、放電特性は１．５Ｖで０
．２１Ａであった。

実施例２ インターコネクタとして、金属クロムの表面にＬａｏ、
　９ｃａ（１，１Ｃｒ０３を約５声スパツタにより被覆
したものを用いて、他は実施例１と全く同様にして燃料
電池を作製した。

実施例１と同一の条件で発電を開始したところ開放電圧
は、３．２Ｖであった。また、放電特性は下表のとおり
で、ガスクロスリークは水素の約１％であった。

〔発明の効果〕

本発明により、・プレーナ型集積構造の固体電解質型燃
料電池が提供され、電気抵抗の高いカソード、アノード
中を通る電流路の長さを最小限化してオーム損失を大幅
に低減し、また電池の集積度が高く、しかも構造及び製
造が簡単で高信頼性の固体電解質型燃料電池である。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の固体電解質型燃料電池の集合様式を示
す模式展開図、第２図はインターコネクタを示す三面図
、第３図は第１図の集合様式の変形例を示す側面図、第
４図は外部端子を示す２面図、第５図は電池をマニホー
ルドに取付だ様子を示す模式図、第６図及び第７図は従
来例の固体電解質型燃料電池の構造を示す図である。 １１・・・固体電解質板、　　１２・・・カソード、１
３・・・アノード、 １４・・・インターコネクタ、 １４ａ　、　１４ｂ・・・溝、　　　１５　、１６・・
・外部端子、１５ｂ、１６ａ・・・溝、　　　　１７・
・・メツシュ板、２１・・・電池本体、　　　２２・・
・マニホールド、２３〜２６・・・ガス通路、　　２７
．２８・・・リード端子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、１面に多孔性カソード層、他面に多孔性アノード層
   を付着した平板状のジルコニア質固体電解質板を、両面
   にガス通路を構成する溝をそれぞれ形成した導電性耐熱
   部品であるインターコネクタ板を介して複数個積層し、
   それらの溝を通してカソード側に酸化剤ガス、アノード
   側に燃料ガスを供給し、そして積層セルの上下端のアノ
   ードとカソードより電流を取り出す構造を有する固体電
   解質型燃料電池。