JPH03276565A - 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」 この発明は、燃料電池、特にいわゆる第３世代と称され
る固体電解質型燃料電池に関するものである。

「従来の技術」 燃料電池は、水素や一酸化炭素等の通常燃料として用い
られる化学物質を活物質として用いる電池である。すな
わち燃料の酸化反応を電気化学的に行なわせ、その酸化
過程における自由エネルギー変化を直接的に電気エネル
ギーに変換する装置であって、原理的に高いエネルギー
変換効率か期待てきることから、その実用化に向けて種
々の研究がなされている。

このような燃料電池は、使用する電解質および作動温度
によって、第一世代（リン酸塩型、低温型）、第二世代
（溶融炭酸塩型、中温型）および第三世代（固体電解質
型、高温型）に分類され、現在までは第一、第二世代を
中心に開発が進められてきた。

一方、より高い効率での発電か可能とされている第三世
代の固体電解質型燃料電池についても国内外で研究が進
められてきている。現在までのところ、この第三世代の
固体電解質型燃料電池の具体的なセル構造としては、チ
ューブ型と平板型か知られている。

これらのうち、平板型はチューブ型に比べ、無駄のない
構造とすることができ、小型化が可能である。

この平板型燃料電池の代表的なものとしては、第５図に
示すモノリシック型燃料電池か知られている。このモノ
リシック型燃料電池は、安定化ジルコニア等の酸化物イ
オン導電性材料を波板状に成形した固体電解質１の一面
にアノード２を形成し、他面にカソード３を形成してセ
ル４を構成し、このセル４を、インターコネクタ５を介
して多数積層して構成されている。また各セル４には、
燃料ガスを流す燃料室６と酸素含有ガスを流す酸素室７
とが交互に形成されている。

「発明が解決しようとする課題」 しかしながら、このモノリシック型燃料電池は、上述し
たように波板状に成形した固体電解質ｌを用いているこ
とから、セルの形成や多数のセルの積層が非常に難しく
、作製が困難であった。

またセル自体の機械的強度が低いために壊れ易く、実用
化か困難であった。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、製造が
容易であり、機械的強度にも優れた固体電解質型燃料電
池の提供を目的としている。

「課題を解決するｆ二めの手段− この発明の固体電解質型燃料電池は、固体電解質となる
薄板状ジルコニアセラミックスの両面に、板状の多孔質
導電物質が設けられ！ニセルユニットが、インターコネ
クタを介して複数個積層されてなり、それぞれのセルユ
ニットの一方の多孔質導電物質に燃料ガスを供給して燃
料室を形成し、他方の多孔質導電物質に酸素含有ガスを
供給して酸素室を形成して構成し、上記課題を解消した
。

「作用」 この発明の固体電解質型燃料電池は、各セルユニットの
薄板ジルコニアセラミックスの一方の面側の多孔質導電
物質に燃料ガスを供給して燃料室を形成し、他方の面側
の多孔質導電物質に酸素含有ガスを供給して酸素室を形
成することによって、これら多孔質導電物質の間あるい
は薄板状ジルコニアセラミックスの両面に形成された電
極の間に起電力が生じる。そしてこの発明の固体電解質
型燃料電池にあっては、各構成部材か全て平板状である
ので、各構成部材の加工が容易となる。

マに薄板状ジルコニアセラミックスを多孔質導電物質で
挾むことにより、薄く脆弱なジルコニアセラミックスが
補強され、全体を組み立てｆニ時に機械的強度か強く、
組み立て工程も簡単である。

さらに各層の厚みを変更することが容易であり、各層を
薄く形成すれば、従来の平板型燃料電池よりも薄型化、
小型化が可能となる。

「実施例」 箪１図および第２図は、本発明の一実施例を示す図であ
って、図中符号ＩＩは固体電解質型燃料電池（以下、燃
料電池という）である。

この燃料電池１１は、薄板状ジルコニアセラミックス（
以下、ジルコニア板という）１２の両面に、板状の多孔
質導電物質１３ａ、１３ｂが設けられたセルユニシト１
４が、インターコネクタ１５を介して複数個積層されて
構成されている。

それぞれのセルユニット１４の一方の多孔質導電物質＋
３ａには、Ｈ，ガスやＣＯガスなどの燃料ガスか供給さ
れて燃料室１６か形成され、他方の多孔質導電物質＋３
ｂには、空気なとの酸素含有ガスか供給されて酸素室１
７か形成されている。

」二記ンルコニア板１２は、固体電解質（酸化物イオン
導電体）として機能するもので、二酸化ノルコニウムを
母体としこれにイツトリアやカルノアなどの安定化剤を
添加した安定化ジルコニアの薄板材が好適に使用される
。このジルコニア板は、緻密に焼結されてガス透過性の
無い材料を使用することが望ましい。このジルコニア板
が緻密てないと、ガスが透過して燃料もしくは酸素が十
分イオン化されないことになる。緻密に焼結されたジル
コニア板は、高温（１０００°Ｃ程度）で比較的高い酸
化物イオン導電性を示し、安定で機械的強度も強く、ま
ｆコ比較的安価であり、燃料電池用固体電解質材料とし
て特に優れている。

また上記多孔質導電物質１３ａ、１３ｂは、通気性があ
り導電性が良好であるとともに、燃料カスが供給されて
燃料室１６となる側のものは、還元雰囲気で安定である
必要があり、空気などの酸素含有ガスか供給されて酸素
室１７となる側のものは、１０００℃の酸素の存在する
雰囲気に耐えうる耐酸化性が必要である。

これらの多孔質導電物質１３ａ、Ｉ３ｂとして好適な材
料を例示すれば、燃料室１６側の多孔質導電物質１３ａ
としては、ニッケルやコバルトの単体もしくは合金を、
粉末冶金などの手法によって多孔質に形成した金属多孔
質材料やニッケルとジルコニアのサーメットなどの材料
が好適に使用される。また酸素室１７側の多孔質導電物
質１３ｂとしてはＬａＭｎ０：＋、Ｌ　ａＳ　ｒＭ　ｎ
ｏ　３、Ｌ　ａＮ　Ｉ　０３、Ｌ　ａＣ００３などの導
電性セラミックスや、高価格であるが白金などの高融点
の貴金属などが使用される。

また上ε己インターコネクタ１５は、セルユニット１４
を多数個直列接続するために、前段のセルユニット１４
のアノードとなる酸素室１７側の多孔質導電物質１３ｂ
と、次段のセルユニット１４のカソードとなる燃料室１
６側の多孔質導電物質１３ａとを電気的に接続するとと
もに、燃料室１６と酸素室１７とを分離するためのもの
である。

このインターコネクタ１５には、良好な導電性を有し、
還元雰囲気および高温酸化雰囲気で安定でかつガス透過
性の無い板状材が使用され、特にＬ　ａＣｒｏ　３また
はこれにＳｒを加えたセラミックス薄板材が好適に使用
される。

このように構成されｆこ燃料電池１１は、各セルユニッ
ト１４のジルコニア板１２の一方の面側の多孔質導電物
質１３ａにＨ，ガス、ＣＯガスなどの燃料ガスを供給し
て燃料室１６を形成し、他方の面側の多孔質導電物質１
３ｂに空気なとの酸素含有カスを供給して酸素室１７を
形成することにより、これら多孔質導電物質１３ａ、１
３ｂかそれぞれカソードおよびアノードとなり、これら
の間に起電力が生じる。さらにこの燃料電池ＩＩでは、
多数のセルユニット１４がインターコネクタ１５によっ
て直列に接続されており、燃料電池１１の最外側の両面
に無気孔の電極を設け、これらを外部回路を通して接続
することにより、電力を取り出すことができる。

この燃料電池１１にあっては、各構成部材か全て平板状
であるので、各構成部材の加工か容易であり、ま１コ各
構成部材を多数積層して燃料電池ｌｌを形成する組み立
て工程も簡単であることがら、燃料電池の製造が容易と
なり、低コスト化を図ることがてきる。

また薄板状のジルコニア板１２の両面に板状の多孔質導
電物質を設けたことにより脆弱なジルコニア板１２が補
強され、燃料電池【ｌ全体の機械的強度が強くなるので
、実用性のある燃料電池を構成することができる。

さらに各層の厚みを変更することが容易であり、各層を
薄く形成すれば、従来の平板型燃料電池よりも薄型化、
小型化か可能となる。

第３図は、この発明の他の実施例を示すものであって、
符号１８は燃料電池である。この燃料電池１８はご先の
実施例での燃料電池１１とほぼ同様の構成要素を備えて
構成されている他、ジルコニア板Ｉ２の一方の面側にカ
ソード１９を形成し、他方の面側にアノード２０本弁２
爾１．ナー雷≦付・ソＩしフェア板２１を用いて構成さ
れている。

上記カソード１９およびアノ−１；’　２０は、高い電
子導電率をもち、ジルフェア板１２との接着性かよ（、
適当な気孔を有したものか使用される。

カソード１９としては還元雰囲気で安定な多孔質ニッケ
ルやニッケルとジルコニアのサーメツト材が好適に用い
られ、アノード２０としてはＬａＭｎＯ３、ＬａＳｒＭ
ｎＯ３か好適に使用される。

この燃料電池１８は、先の実施例での燃料電池１１と同
様に、各セルユニソ１−１４のジルコニア板１２の一方
の面側の多孔質導電物質＋　３　ａｌ、：Ｈｔガス、Ｃ
Ｏガスなどの燃料カスを供給して燃料室１６を形成し、
他方の面側の多孔質導電物質１３ｂに空気などの酸素含
有カスを供給して酸素室１７を形成することにより、ジ
ルコニア板１２を挾んで設けられたカソード１９とアノ
ード２０間に起電力が生じる。第４図に示すように燃料
ガスとしてＨ，、Ｃｏを用いた場合について、これを化
学式で示せば、 アノード：Ｏｔ　　−２０”−（１，）■　（ジルコニ
ア板） カソード：　Ｈ，＋ＣＯ−Ｈ，０士ＣＯ２（２）アノー
ド側て０２か解離して０２−が生じ、固体電解質中を通
過する。その結果としてｅ−の流れが生じて起電力とな
る。

さらにこの燃料電池１８では、多数のセルユニットがイ
ンターコネクタ１５によって直列に接続されており、第
４図に示すように、燃料電池１８の最外側の両面に無気
孔の電極２２を設け、これらを外部回路を通して接続す
ることにより、電力を取り出すことができる。

この燃料電池１８は、先の実施例での燃料電池１１と同
様の効果が得られる。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明の固体電解質型燃料電池に
あっては、各構成部材が全て平板状であるので、各構成
部材の加工が容易であり、また各構成部材を多数積層し
て燃料電池を形成する組み立て工程も簡単であることか
ら、燃料電池の製造が容易となり、低コスト化を図るこ
とができる。

また薄板状のジルコニア板の両面に板状の多孔質導電物
質を設けたことにより脆弱なジルコニア板が補強され、
燃料電池全体の機械的強度か強くなるので、実用性のあ
る燃料電池を構成することができる。

さらに各層の厚みを変更することが容易であり、各層を
薄く形成すれば、従来の平板型燃料電池よりも薄型化、
小型化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、本発明の一実施例を示すもので
あって、第１図は燃料電池の断面図、第２図は第１図の
Ａ部拡大図、第３図および第４図は本発明の他の実施例
を示すものであって、第３図は燃料電池の断面図、第４
図はこの燃料電池の作動原理を説明するための概略構成
図、第５図は従来の平板型燃料電池の一例を示す断面図
である。 １１．１８・・・・・・燃料電池（固体電解質型燃料電
池）１２・・・・・ジルコニア板 ３　・・−多孔質導電物質 ４・・・・セルユニット ５・・　インターコネクタ ６−　・・燃料室 ７・・・・・・酸素室 ９・・・・カソード（燃料極） ０・　・・アノード（酸素極）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 固体電解質となる薄板状ジルコニアセラミックスの両面
   に、板状の多孔質導電物質が設けられたセルユニットが
   、インターコネクタを介して複数個積層されてなり、そ
   れぞれのセルユニットの一方の多孔質導電物質に燃料ガ
   スを供給して燃料室を形成し、他方の多孔質導電物質に
   酸素含有ガスを供給して酸素室を形成したことを特徴と
   する固体電解質型燃料電池。