JPH0689727A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

固体電解質型燃料電池

Info

Publication number
JPH0689727A
JPH0689727A JP4238649A JP23864992A JPH0689727A JP H0689727 A JPH0689727 A JP H0689727A JP 4238649 A JP4238649 A JP 4238649A JP 23864992 A JP23864992 A JP 23864992A JP H0689727 A JPH0689727 A JP H0689727A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cell
electrode
power generation
gas inlet
reaction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP4238649A
Other languages
English (en)
Inventor
Toshio Matsushima
敏雄 松島
Isao Nemoto
勲 根本
Toshitaka Yumiba
利恭 弓場
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NTT Inc
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP4238649A priority Critical patent/JPH0689727A/ja
Publication of JPH0689727A publication Critical patent/JPH0689727A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は単セル内における発電反応の均一化
を図ることにより、面内での電流の密度の均一化とセル
面内の温度分布の抑制を達成し、熱反応に基づいたセル
の破損が無く、信頼性の高いSOFCを提供する。 【構成】 固体電解質、空気極、および燃料極からなる
固体電解質型燃料電池(SOFC)において、少なくと
も一方の電極において、ガス入口側の電極面積をガス出
口側に比較して減少させたことを特徴とする。すなわ
ち、本発明では、ガス入口部付近の電極面積を減少させ
ているので、この部分における発電量は減少し、この結
果、電流密度を小さくすることができる。 この時、ガ
ス入口部近傍では反応量が小さく抑えられる結果、ガス
入口側と出口側でのガスの濃度差が小さくなり、ガス出
口付近まで、発電反応を均一化することができる。従っ
て、面内での発電量の総和を変化させることなく、セル
面内全体での電流密度の均一化が図られる。この結果、
セル面内の温度の均一化が達成され、熱応力によるセル
の破損を効果的に防止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、固体電解質型燃料電池
に係り、特に単セル構造の改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】周知のように燃料電池は、化学反応エネ
ルギーを直接、電気エネルギーに変換する装置であり、
その中の1つである固体電解質型燃料電池(以下、SO
FC)は全ての構成物質にセラミック材料を使用した全
固体化燃料電池である。
【0003】上述のSOFCに用いる材料としては、具
体的に、電解質にはイットリア等を添加して結晶構造の
安定化を図った安定化ジルコニア(YSZ)、燃料極に
はニッケルジルコニアサーメット(Ni−YSZ)、そ
して空気極にはランタンマンガナイトが使用されてい
る。
【0004】このような材料で構成した単セルを、約10
00℃に加熱しておき、両電極に各々の反応ガスを供給す
ることで発電反応が進行し、電力の取り出しが行なえ
る。
【0005】SOFCの単セルの構造例を図5に示す。
図中1は固体電解質,2は燃料極,3は空気極である。
【0006】本図は、SOFCを構成する3つの層が全
て平板状であり、平板型と称されているものである。
【0007】このSOFCから得られる出力電圧は、セ
ル1個あたりで0.5 〜1V(発電電流による)なので、
所定の電圧を得るためには、このような単セルを積層す
ることが必要である。
【0008】単セルを積層したスタックの構造例を図6
に示した。図中5はインタコネクタである。
【0009】このようなスタックにおいては、2つのガ
スはセル間の供給口に流入されるが、その供給方法とし
ては、各ガスの流れが直交するものと並行するものの2
つがある。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
平板型SOFCにおいては、ガスの供給方法が2つのう
ちのいずれであっても、各ガスの入口側に近い方がガス
濃度が高いため、この部分から優先的に発電反応が進行
し電流密度が高くなることが指摘されている(「電気化
学」平野 Vol158,p842(1990) )。SOFCにおける発
電反応は水素と酸素から水を生成する反応であり、この
反応には発熱を伴う。
【0011】従って、発電反応が進行する部分の温度は
上昇し、その結果セルの面内において大きな温度分布が
生じるという問題があった。
【0012】また、セラミックスは熱伝導率が低いの
で、加熱されるとその部分の温度のみが上昇し、他の部
分との間での熱膨張率差が現れ易く、熱膨脹率差による
応力が材料の強度を上回れば材料の破壊に至る。
【0013】SOFCの単セルを構成する材料には3種
類もあり、材料が異なると、熱膨脹特性も異なるので、
単セル作製にあたっては、熱膨張率差を極力抑えるよう
に配慮して材料設計が行なわれている。
【0014】しかるに、膨脹率差が全く0という訳では
なく、大なり小なり差が生じている(例えば酸化イット
リウムを8モル%添加したYSZ;10×10−6)、Ni
−YSZ;12×10−6、ランタンマンガナイト;11〜12
×10−6)。
【0015】この結果、セル内に温度差が生じて、部分
的に高温部が発生するとこの部分ではセラミックス材料
の界面に熱膨張率に基づく内部応力が拡大され、これが
セラミックス板の機械的強度を上回った時にセルの破壊
に至る。
【0016】従って、発電反応の不均一化を抑制するこ
とが必要であった。
【0017】しかしながら、従来のSOFCにおいて
は、いかに出力密度の高いセルを作製するかといった点
に重点がおかれ、このような設計は行なわれていなかっ
た。
【0018】従来の平板型セルの形成にあたっては、ド
クターブレードシートの積層と共焼結による方法や、ド
クターブレード法等で作成したシート状電解質板へのス
ラリー塗布と焼結等によって電極膜が作成されている。
【0019】これらの方法は、いずれも平面上に均一な
厚みの電極を作成することを主目的とした方法である。
【0020】従来は、単セルの作製と性能向上を主な目
的として、薄膜化等の試みが行なわれていただけで、ス
タックを形成した際の発電反応の抑制に関する検討はほ
とんど行なわれていなかった。
【0021】わずかに、電極の形成法として溶射法を採
用した場合、反応の均一化のために、溶射条件のコント
ロールにより電極内に気孔率の分布を持たせることも検
討されているが(特開平3-222261)、溶射法において、
溶射条件をかえて部分的に気孔率を変えることは実行上
かなり困難であった。
【0022】なお、気孔率はセラミック材料の焼結度を
変えれば変化させることもでき、具体的には同一材料の
場合には焼結温度が同じであっても材料の粒径を変える
ことで対応できる。
【0023】しかし、均一に作成したシートを積層した
ものや、均一なスラリーを塗布して焼結させる方法で
は、部分的に焼結度を変えるような対策を施すことは不
可能であった。
【0024】そこで、本発明は、以上のような点に鑑み
てなされたもので、その目的とするところは、SOFC
の単セルにおける電極の配置構造に関わり、単セル内に
おける発電反応の均一化を図るため、電極反応部の面積
をガス導入口近傍では小さくし、これによって面内での
電流密度の均一化とセル面内の温度分布の抑制を達成
し、熱反応に基づいたセルの破損が無く、信頼性の高い
SOFCを提供することにある。
【0025】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は上記
課題を解決するために、固体電解質、空気極、および燃
料極からなる固体電解質型燃料電池において、少なくと
も一方の電極において、ガス入口側の電極面積をガス出
口側に比較して減少させたことを特徴とする。
【0026】
【作用】本発明は、以上のように固体電解質型燃料電池
において、少なくとも一方の電極において、ガス導入口
側の電極有効面積を減少させることを特徴としている。
すなわち、本発明では、ガス入口部付近の電極面積を減
少させているので、この部分における発電量は減少し、
この結果、電流密度を小さくすることができる。
【0027】このとき、ガス入口部近傍では反応量が小
さく抑えられる結果、ガス入口側と出口側でのガスの濃
度差が小さくなり、ガス出口付近まで、発電反応を均一
化することができる。
【0028】従って、面内での発電量の総和を変化させ
ることなく、セル面内全体での電流密度の均一化が図ら
れる。この結果、セル面内の温度の均一化が達成され、
熱応力によるセルの破損を効果的に防止することができ
る。
【0029】従来のSOFCは、このような対策をとっ
ておらず、全面に均一に電極を形成していたためガス導
入口近傍において発電反応が優先的に進行し、このため
にセル面内に大きな温度分布が生じ、熱膨脹差に基づく
セルの破損が生じるという重大な欠点があった。
【0030】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て説明する。
【0031】図1は、本発明の第1の実施例を示す単セ
ルの平面図である。図中、1は固体電解質、2は燃料
極、3は1の表面側に形成された空気極である。
【0032】本実施例は固体電解質1の薄板をセルの支
持体とする自己支持薄形単セルである。
【0033】本実施例は、空気極3について、ガス入口
側近傍の面積を減少させたものである。本セルの製造
は、(1) 固体電解質シートを1300〜1400℃で焼結後この
各面にそれぞれ電極スラリーを塗布して1200〜1300℃で
焼結させる方法と、(2) 固体電解質シートと燃料極シー
トを加熱・加圧積層して1300〜1400℃で共焼結したもの
に、空気極スラリーを塗布して1200〜1300℃で焼結させ
る方法によって行なった。
【0034】従って、セルを作製する際に、いずれの方
法とも空気極のスラリーの塗布にあたって、空気(又は
酸化剤ガス)の入口側に相当する部分における電極の塗
布面積をガス出口側に比較して減少させている。
【0035】従って、単セルの作製工程の中で、作製プ
ロセスそのものを全く変更させることなく、電極部の面
積を変えることができる。
【0036】なお、本実施例のセル作製方法において
は、燃料電極のみ、又は燃料電極と空気極の双方につい
て、電極部の面積を変化させることも可能である。
【0037】この場合、(1) の方法では燃料極の塗布面
積の制御、(2) の方法では積層する燃料極シートの大き
さ・形状と重ね方を工夫するだけで良い。
【0038】図2は、第2の実施例を示す単セルの平面
図である。
【0039】本実施例ではニッケルジルコニアサーメッ
トで作製した燃料電極をセルの支持体4とし、この上側
に電解質膜1と空気極3とを順次形成すると共に下側に
燃料極(図示せず)を形成した構成の支持膜型のセルで
ある。
【0040】上記支持体4は、NiOを30〜70wt%の比
でYSZと混合して、バインダ処理したNi−YSZ粉
末を1t/cmの圧力でプレス成形し、これを、1250〜
1300℃で焼結して作製し、電解質膜1はプラズマ溶射に
よって作製した。
【0041】そして、最後に空気極のスラリーを塗布
し、実施例1と同様の条件で焼結させた。
【0042】本実施例においても、やはり、空気極スラ
リーの塗布にあたって空気(又は酸化剤ガス)の導入口
側に位置する部分について塗布面積を調節することで反
応に関与する電極面積を減少させている。
【0043】なお、いずれの実施例とも空気極はスラリ
ー塗布・焼結で作製しており、ここではスラリー塗布時
のスクリーンマスクの型によって、塗布面積を変えた。
【0044】図3(a),(b),(c) はそれぞれ空気極電極部
の異なるパターンの例を示す。
【0045】ガスの入口側近傍において、塗布部分をま
ばらにすることによって、この部分における単位面積あ
たりの平均電流密度の低減が図られている。ガス入口近
傍の電極部の形状としては、本発明のように、まばらに
することに意義がある。単に塗布部を下流側にシフトさ
せただけでは、電流密度の高い部分が下流側にそのまま
移動するだけであり、本発明の効果を期待することがで
きなくなるためである。
【0046】従来例と本実施例でのセル面内における発
電電流密度の比較を図4に示す。
【0047】なお、本発明では、ガス入口部の電極は面
内で相互に接続されていないが、本発明の単セルにおい
ては、インタコネクタをセル全面に接触させて配置して
積層するので、電流はセルに垂直に流れ電極が互いに接
触した状態になくとも、実際の発電にあたっても全く支
障は無かった。
【0048】このように、第1および第2の実施例とも
ガス入口部付近の電極面積を減少させているので、この
部分における発電量は減少し、この結果、電流密度を小
さくすることができる。
【0049】この時、ガス入口部近傍では反応量が小さ
く抑えられる結果、ガス入口側と出口側でのガスの濃度
差が小さくなり、ガス出口付近まで、発電反応を均一化
することができる。
【0050】従って、面内での発電量の総和を変化させ
ることなく、セル面内全体での電流密度の均一化が図ら
れる。この結果、セル面内の温度の均一化が達成され、
熱応力によるセルの破損を効果的に防止することができ
る。
【0051】なお、本発明の実施例は空気極について、
スラリー塗布法の例で示したが、平板型SOFCは3種
のシートを積層して共焼結する方法でも作成可能であ
る。
【0052】この場合には、面積を減少させたい電極シ
ートを細切断して、これを積層して焼結することによっ
て実施することができる。
【0053】また、溶射法によって電極を形成する場合
にも有効であり、この場合、溶射ガンの走査位置や回数
を制御することで容易に実施することができる。
【0054】なお、以上の実施例では空気極3における
ガス入口側の電極面積をガス出口側に比較して減少させ
る場合について示したが、これは燃料極2側に同様の主
旨で適用することができる。
【0055】
【発明の効果】以上、述べたように、本発明では電極の
多孔度を極板の位置によって変えるというような難しい
プロセスをとることなく、ガスの入口側での電極の反応
面積を減少させるだけで多孔度を変化させたと同様の電
流密度の均一化効果を得ることができる。
【0056】しかも、本発明では電極の形成にあたって
スラリー塗布と焼結による方法を用いるのであれば、塗
布する際に予めスクリーン印刷機のマスクパターンを電
極のパターンにしておくだけで良く、通常のセル作製プ
ロセスをなんら変更する必要も無い。
【0057】また、シート形成体を積層して共焼結する
方法にもシートの大きさを変えるだけで、対応できる。
【0058】このように、本発明ではこれまでのセル作
製方法にのっとった方法で、単にマスクパターンを変更
するだけで、信頼性の高いSOFCセルを実現すること
ができ、産業上からも甚大な効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す図、
【図2】本発明の第2の実施例を示す図、
【図3】本発明を実施した電極パターンの例を示す図、
【図4】本発明を実施したセルの電流密度分布を従来と
の対比において示す図、
【図5】従来の平板型SOFC単セルの構造例を示す
図、
【図6】従来の平板型SOFCのスタック構造例を示す
図。
【符号の説明】
1…固体電解質、 2…燃料極、 3…空気極、 4…支持体。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固体電解質、空気極、および燃料極から
    なる固体電解質型燃料電池において、少なくとも一方の
    電極において、ガス入口側の電極面積をガス出口側に比
    較して減少させたことを特徴とする固体電解質型燃料電
    池。
JP4238649A 1992-09-07 1992-09-07 固体電解質型燃料電池 Pending JPH0689727A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP4238649A JPH0689727A (ja) 1992-09-07 1992-09-07 固体電解質型燃料電池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP4238649A JPH0689727A (ja) 1992-09-07 1992-09-07 固体電解質型燃料電池

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH0689727A true JPH0689727A (ja) 1994-03-29

Family

ID=17033273

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP4238649A Pending JPH0689727A (ja) 1992-09-07 1992-09-07 固体電解質型燃料電池

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH0689727A (ja)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005050814A (ja) * 2003-07-28 2005-02-24 Hewlett-Packard Development Co Lp ドープされた基材及びその製造方法
WO2008056615A1 (fr) * 2006-11-07 2008-05-15 Kabushiki Kaisha Toshiba Pile à combustible
JP2008226690A (ja) * 2007-03-14 2008-09-25 Nissan Motor Co Ltd 固体電解質型燃料電池セルユニット及びスタック構造体
JP2009301939A (ja) * 2008-06-16 2009-12-24 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 固体酸化物形燃料電池の製造方法およびこれを用いて製造された固体酸化物形燃料電池
JP2015195205A (ja) * 2014-03-28 2015-11-05 佐賀県 固体酸化物形燃料電池

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005050814A (ja) * 2003-07-28 2005-02-24 Hewlett-Packard Development Co Lp ドープされた基材及びその製造方法
WO2008056615A1 (fr) * 2006-11-07 2008-05-15 Kabushiki Kaisha Toshiba Pile à combustible
JP2008226690A (ja) * 2007-03-14 2008-09-25 Nissan Motor Co Ltd 固体電解質型燃料電池セルユニット及びスタック構造体
JP2009301939A (ja) * 2008-06-16 2009-12-24 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 固体酸化物形燃料電池の製造方法およびこれを用いて製造された固体酸化物形燃料電池
JP2015195205A (ja) * 2014-03-28 2015-11-05 佐賀県 固体酸化物形燃料電池

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1309108C (zh) 燃料电池
US20110003235A1 (en) Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof
JP5631625B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池
JPH07245120A (ja) 固体電解質型燃料電池
JP6378337B2 (ja) 平板型固体酸化物形燃料電池のスタック構造体及び固体酸化物形燃料電池システム
US8252366B2 (en) Method for making toughened electrode-supported ceramic fuel cells
JP6174608B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池及びその製造方法
KR102543307B1 (ko) 초음파 스프레이로 제작된 ysz 고체 전해질 기반 고성능 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법
KR102745793B1 (ko) 금속지지형 전기 화학 소자용의 전극층 부착 기판, 전기 화학 소자, 전기 화학 모듈, 고체 산화물형 연료 전지, 및 제조 방법
KR20220093053A (ko) 초음파 스프레이법을 이용 미세구조 제어를 통한 고활성 전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지
JPH0689727A (ja) 固体電解質型燃料電池
EP2157651B1 (en) Sheet body of solid oxide fuel cell, and solid oxide fuel cell
JP2009009738A (ja) 固体電解質形燃料電池及びその製造方法
JP2024058262A (ja) 電気化学反応単セル
JP2012142241A (ja) 固体酸化物形燃料電池用単セルの製造方法
KR102559723B1 (ko) 초음파 스프레이법을 이용한 고성능 lsgm 전해질 지지형 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법
JP4342267B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池用セル及びその製造方法
JP4165688B2 (ja) 電気化学装置
JP2771090B2 (ja) 固体電解質型燃料電池
JP7799737B2 (ja) 固体酸化物形電解セルおよびその利用
JP7799736B2 (ja) 固体酸化物形電解セルおよびその利用
JPH09190826A (ja) 固体電解質型燃料電池およびその製造方法
JP2020128324A (ja) セラミックスグリーンシート、セラミックス焼結体の製造方法、および、電気化学反応単セルの製造方法
JP6075924B2 (ja) 燃料電池単セルおよびその製造方法
JP7132982B2 (ja) 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック