JPH076776A

JPH076776A - 固体電解質型燃料電池のスタック

Info

Publication number: JPH076776A
Application number: JP5144731A
Authority: JP
Inventors: Toshio Matsushima; 敏雄松島; Isao Nemoto; 勲根本; Toshitaka Yumiba; 利恭弓場
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1993-06-16
Filing date: 1993-06-16
Publication date: 1995-01-10

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】固体電解質型燃料電池のスタックの発電効率の
向上と、燃料消費量の低減、および出力密度の向上をは
かる。【構成】第１の電極材料により作製した一端にのみ開口
部を持ち内部に第１の電極として使用されるガスがＵタ
ーンして通過する流路を形成した有底の中空状基板１１
と、中空状基板上に、固体電解質層と、第１の電極材料
とは異なる第２の電極材料によって作製された第２の電
極を積層して構成した単セルを、弾性のある多孔質導電
体１８を介して複数個重ね合わせて固体電解質型燃料電
池のスタックとなし、燃料電池のスタックには、第１の
電極に使用されるガスが上記中空状基板内の流路に沿っ
て強制的に流れ、かつ中空状基板内の流路に導入するガ
スと、中空状基板内の流路を通過して排出されるガスと
の混合を防止する仕切り板を配設する。

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の
スタックの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、
電極、固体電解質をはじめとする単セルのすべてがセラ
ミックス材料によって構成された燃料電池であり、電解
質としてはイットリアの添加によって結晶構造の安定化
をはかったジルコニア（ＹＳＺ）が使用されている。こ
の材料は、高い酸素イオン導電性を有するが、その温度
依存性を見ると温度が低いと導電性は低く、９００〜１
０００℃という温度にすることで燃料電池を構成するた
めに必要とする充分な導電率が得られるようになる。し
たがって、ＳＯＦＣの運転温度は９００〜１０００℃と
いう高温に設定されている。しかし、上記のＹＳＺ電解
質の導電率は、１０００℃においても高々０．１Ｓ／ｃ
ｍ程度であるので、単セルを構成するに際してＹＳＺの
薄膜化が必要となる。従来のＳＯＦＣにおいて、例えば
図５（ａ）に示すように、ＹＳＺで作製した固体電解質
層１の表面に、空気極３と燃料極２の２つの電極を形成
した平板型の単セルの検討が進められてきた。しかし、
この方式のようにＹＳＺを電極の支持体とするためには
充分な機械的強度を必要とするものであるが、イットリ
アを添加したＹＳＺの中でも高い導電率を持つ、イット
リアを８モル％添加したＹＳＺは機械的強度が弱いとい
う欠点があった。そのため、ＹＳＺからなる支持体の厚
さを増加する必要性が生じ、このＹＳＺの厚さを増すと
導電性の高い材料を用いているにもかかわらず固体電解
質部でのｉＲ損による電圧降下が増大し、充分に満足の
いく発電特性が得られないという問題があった。そこ
で、平板型単セルの機械的強度の不足を補うため、図５
（ｂ）に示されるような円筒型と呼ばれる方式が検討さ
れている。これは図に示すように、不活性なカルシア安
定化ジルコニア等からなる多孔体を支持体１０とし、こ
の上に燃料極２、固体電解質層１、空気極３、インタコ
ネクタ４の順に各材料を積層して単位発電セルを構成す
るものである。このＳＯＦＣにおいては、燃料ガスと酸
化剤ガスを発電セルの外側と内側に流すことにより発電
が行われる。このような構成の単セルとすると、もはや
固体電解質層は単セルの支持体としての役割から解放さ
れ、緻密な膜でありさえすれば限りなく薄くしても良い
ことになり、単セルの発電性能を飛躍的に向上させるこ
とが可能となる。しかし、ＳＯＦＣは単セル１枚だけで
使用されることはなく、単セルを直列に、また必要によ
っては並列に接続して所定の出力をもった発電スタック
を構成している。例えば、この方式のセルを多数接続し
て所定の出力を得るためには、図５（ｃ）に示されるよ
うに、通常、単セルはインタコネクタ４と金属製フェル
ト７によって電気的に接続され縦に積み重ねられて使用
される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記図５
（ｃ）に示されるような従来の円筒型の発電セルの場合
は、（１）発電電流が矢印のように電極面に沿って流れ
るため電流の通路が長くなり、単セル全体としての内部
抵抗が大きくなる。また、（１）円筒型の構造で出力を
大きくするためには支持体の長さを増すことが必要とな
るが、製造上の制約から長さと管径の細さに限度があ
る。さらに、（３）円筒状の管の内外に空間が生じ、こ
れが死容積となり出力密度には限界が生じる。などの問
題があった。

【０００４】本発明は、電極材料により作製された一端
にのみ開口部を有する有底で中空状の基板の片側表面
に、発電部を形成した構造の単セルを使用すると共に、
単セルの組合せ方法をも具体的に示すものであり、その
目的とするところは、酸化剤ガスと燃料ガスの分離を完
全に行うと共に、各単セルのガスシール部の数を低減
し、上記２つのガスの混合の防止と、ガスのリサイクル
使用を可能とするものである。さらに、従来の円筒型の
発電セルにおける発電電流の横流れ現象の防止と、全体
としての電気抵抗を減少させるために、部分的に支柱部
を設けた中空状基板を使用し、これに電極を形成して単
セルとする固体電解質型燃料電池のスタック構造を提供
することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、第１の電極材料により作製され、一端に
のみ開口部を有し、内部に第１の電極に使用されるガス
がＵターンして通過する流路を形成した有底の中空状基
板の表面に、固体電解質層と、上記第１の電極材料とは
異なる第２の電極材料によって作製された第２の電極を
積層して構成した単セルを、弾性のある多孔質導電体を
介して複数個重ね合わせて発電スタックとする固体電解
質型燃料電池のスタックにおいて、上記燃料電池のスタ
ックには、第１の電極に使用されるガスが上記中空状基
板内の流路に沿って流れ、かつ中空状基板内の流路に導
入するガスと、上記流路内を通過して排出されるガスと
が混合しないように隔離する仕切り板を配設するもので
ある。従来の固体電解質型燃料電池のスタックを構成す
る単セルは、上述したごとく平板型と円筒型の２方式し
か存在せず、本発明のように、一端にのみ開口部を有
し、内部に第１の電極に使用されるガスがＵターンして
通過する流路を形成した有底の中空状基板を単セルとす
る構造の発電スタックは従来技術において提案されてい
なかった。本発明のＳＯＦＣにおける単セルの構成は、
一端にのみ開口部を有し、部分的に支柱部によって上下
の薄板を接合しガスの流路が形成された有底の中空状の
平板基板を作製し、この中空状基板の片側表面に、固体
電解質層と、もう一つの電極層を形成し、これを単セル
としている。そして、このような単セルの組み合わせに
よって所定の出力が得られる発電スタックを構成するも
のであるが、発電スタックの組み立てに当って、仕切り
板によりガスが基板内を強制的に流れるようにし、かつ
単セル間には伸縮性に富んだ金属製フェルトを配置して
いる。このような中空状基板を使用することによって単
セルの強度が確保され、また、発電反応により発生した
電流は、支柱部を通って基板の厚み方向に流れるので、
従来の円筒型の単セルで生じていた支持体の表面に沿っ
て流れる電流の電圧降下も防止され、優れた単セルの発
電性能を得ることができる。また、各ガスの分離は、単
セルによって確実に行われるので、各単セル間には、従
来の平板型で見られたような厚いインタコネクタ板は不
要となり、従来の平板型において生じていたインタコネ
クタ部での電圧降下も生じない高性能の発電スタックを
得ることができる。そして、上記の優れた発電性能を持
った各単セルは、充分な導電率を有する金属製フェルト
によって電気的に接続されているので、インタコネクタ
板の電気抵抗による電圧降下や支持体表面に沿って流れ
る電流の電圧降下もなく、従来の方式に比べ、優れた発
電性能を持つ単セルそのままの性能を持つＳＯＦＣスタ
ックを実現することができる。具体的には、発電効率の
向上と、燃料消費量の低減および出力密度の向上と、こ
れによる必要体積の減少といった優れた効果を得ること
ができ、産業上において甚大な効果を発揮することがで
きる。

【０００６】

【実施例】以下に本発明の実施例を挙げ、図面を用いて
さらに詳細に説明する。図１（ａ）、（ｂ）に本実施例
で作製した単セルの一例を示す。なお、図１（ｂ）は、
図１（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。単セルは、第１の電
極材料で作製した一端にのみ開口部を有する有底の中空
状基板１１の片側表面に、固体電解質層１と、上記の第
１の電極材料とは異なる第２の電極材料よりなる燃料極
２を積層して形成し、上記中空状基板１１の反対側の面
には単セル間の電気接続用のインタコネクタ４を形成す
る。残りの部分には、ガスの透過を防止するためにガス
不透過性層９が形成されている。なお、中空状基板１１
の上下の薄板の間には、中空状基板１１の補強と電流確
保のための支柱部１２が形成されている。本実施例で使
用する単セルの作製例として、空気極材料を中空状基板
１１に用いた単セルを例に挙げ、以下に説明する。空気
極材料としては、一般的に広く使用されているペロブス
カイト構造を持つ（Ｌａ_1-XＳｒ_X)_YＭｎＯ₃（０≦Ｘ≦
０．６、０≦Ｙ≦０．２）の中から、組成；Ｌａ_0.8Ｓ
ｒ_0.2ＭｎＯ₃およびＬａ_0.9Ｓｒ_0.1ＭｎＯ₃を選択し、
平均粒径が１〜３μｍの原料粉末を使用した。そして、
一端にのみ開口部をもつ有底の中空状基板１１は、シー
ト状に成形したセラミックスを加熱圧着し、これを焼結
する方法により作製した。セラミックスシートは、ドク
ターブレード法によって作製し、これに必要なスラリ
は、以下に示す混合比で調製した。原料粉末１００重量部結合剤１０〜１５重量部可塑剤５〜１０重量部溶媒２００重量部結合剤として、ポリビニルブチラール、可塑剤として、
フタル酸ブチルを、そして溶媒としてはイソブチルアル
コールを使用した。結合剤と可塑剤の量は、原料粉末の
粒径が異なると表面積も変わり、同一の使用量ではスラ
リの性状に差が生じてくるので、これを適切に調節する
ために、上記の範囲で使用した。また、上記の他に、ス
ラリの性状に応じて分散剤と消泡剤を少量添加した。こ
のような混合物を、約２４〜４８時間ボールミルによっ
て混合撹拌した後、減圧下で脱気して溶媒を除去し粘度
の調整を行い、この後に、ドクターブレード装置によっ
てシート成形体を作製した。次に、このシート成形体か
ら、一端にのみ開口部を有し支柱部を持つ有底の中空状
基板１１を得るために、所定の大きさのシートを切り出
し、これを加熱・加圧し、中空状のシート融着体を作製
した。シート融着体の作製の方法を図２に示す。すなわ
ち、シート融着体は上部と下部の平板シート２６の間
に、支柱部１２となるシートと、周辺部を塞ぐコの字状
シート２７とを加熱圧着して作製した。なお、この時の
加熱・加圧条件は、シートの軟らかさによって変える必
要があるが、おおむね７０〜８０℃、３０〜７０ｋｇ／
ｃｍ²の条件内で行った。なお、中空状基板１１の形状
は、各層に重ねるシートの形状、大きさ、および厚みを
選択することで任意の形とすることができる。また、こ
の際、焼結時におけるシート成形体の収縮率を考慮する
必要があり、空気極材料の収縮率１５〜２０％を見込ん
で融着体を作製した。次に、作製した中空状基板１１を
約４００℃において脱脂し、この後１２００〜１４００
℃で加熱し焼結体を得た。作製した中空状基板１１の大
きさは、幅および奥行きが１００×１５０ｍｍ、厚みは
約５ｍｍとした。なお、焼結の進行は、使用した原料粉
末の粒径と、結合剤や可塑剤の添加量によって影響され
るので、使用原料に応じて温度と時間を適宜選定した。
例えば、粒径が小さい原料は表面積が大きく低温領域か
ら焼結が始まるので、低温・短時間の焼成条件とした
（具体的に例えば、１２５０℃で２時間加熱）。このよ
うに、焼成条件を原料粉末や結合剤等の添加量に応じて
適宜選定して焼成することで、原料粉末が変わっても多
孔度が３０％前後の焼結体が得られるようにした。な
お、作製した空気極の導電率は約１００Ｓ／ｃｍ（１０
００℃）であった。次に、作製した中空状基板１１の片
側表面上に、固体電解質層１と燃料極２の薄膜を形成し
た。本実施例では、プラズマ溶射法を用いた。用いた溶
射機は大気溶射法によるものであり、固体電解質材料に
は８モル安定化ＹＳＺ（粒径：１０〜５０μｍ）を使用
した。作製した電解質の厚みは、約１５０μｍであり、
ガス透過率は１〜５×１０~⁶〔ｃｃ・ｃｍ／ｓｅｃ・
（ｇ／ｃｍ²）ｃｍ²〕であった。また、燃料極として
は、酸化ニッケル粉末（粒径：１０〜５０μｍ）と、８
モル安定化ＹＳＺを使用した。燃料極は、多孔質体が望
ましいので、固体電解質の場合よりも膜形成は容易に行
うことができた。２００〜３００μｍ程度の厚みで作製
した、膜のガス透過率は１０~⁴〔ｃｃ・ｃｍ／ｓｅｃ・
（ｇ／ｃｍ²）ｃｍ²〕オーダであり、電極として適切な
ものが得られた。なお、インタコネクタ４とガス不透過
性層９も溶射法で作製し、材料には、それぞれＮｉ−Ａ
ｌ₂Ｏ₃やＬａＣｒＯ₃、およびＡｌ₂Ｏ₃を使用した。本
実施例では、上記のごとく固体電解質層１やインタコネ
クタ４等の各層を形成した中空状基板１１を用い電気的
に接続して発電スタックを構成した。図３に、本実施例
で作製した発電スタックの構成の一例を示す。図３は、
側面部から見た断面構造を示し、図４は、図３に示すＡ
−Ａ断面を示している。なお、図４におけるＢ−Ｂ断面
は図３に相当する。本実施例では、容器１３内に、基板
固定用の固定板１４が設けられ、各中空状基板１１は、
固定板１４に設けられた固定用溝１５と、容器１３の天
井部に設けられた溝１６によって位置が固定され、固定
用溝１５内には、ガスシール用としてガラス材を主成分
とするシール材１７が充填されている。そして、各中空
状基板間には、各中空状基板を電気的に接続するための
多孔質導電体１８が配置される。多孔質導電体１８とし
ては、Ｎｉ等の金属をフェルト状に加工した弾性に富ん
だものを使用した。なお、中空状基板１１の構造は、図
１（ａ）、（ｂ）に示したように、一方の面にのみ開口
部を有している。そして、スタック化にあたっては中空
状基板１１の内部を流れるガスが、基板の内部を強制的
に流れるように中空状基板１１の下部に、仕切り板２５
を配置して発電スタックの組み立てを行った。この状態
を図４に示す。すなわち、酸化材ガス導入口１９から導
入された空気等の酸化剤ガスは、中空状基板１１の内部
に流入し、中空状基板１１の内部で折返しＵターンした
後、酸化剤ガス排出口２０から容器１３の外部に排出さ
れる。本発明のスタックによって発電を行うためには、
スタックを１０００℃程度の温度条件下に設置し、酸化
剤ガスと燃料ガスを供給するだけでよい。この時、酸化
剤ガスは、上述したように、酸化剤ガス導入口１９から
供給され、各中空状基板１１の内部に達して発電反応を
行った後、残ガスが酸化剤ガス排出口２０から外部に排
気される。一方、燃料ガスは燃料ガス導入口２１から供
給され、基板表面において発電反応を起こした後、外部
に排出される。なお、燃料ガス導入口２１については、
ガスと燃料極との接触を向上させる観点から、ガスの流
れが中空状基板１１の厚み方向となるような位置であれ
ば特に問題は生じない。また、酸化剤ガス導入口１９と
酸化剤ガス排出口２０は、図４に示すような位置に取り
付けていれば良い。このとき、各中空状基板１１の間に
は、燃料ガスの電極表面への拡散の妨げにならない多孔
質導電体１８が配置されているだけであるので、各中空
状基板１１の表面への燃料ガスの供給は支障無く行われ
る。そして、本実施例では、中間部に支柱部１２を有す
る中空構造の中空状基板１１を用いているために、従来
の円筒型の単セルのように発電電流が流れた際に生じる
電圧降下が極めて少なく、発電によって得られた電力を
低損失で単セルから取り出すことができる。そして、各
単セルは、多孔質導電体１８によって電気的に接触され
ているので、発電された電力の損失なく外部に取り出す
ことができる。

【０００７】

【発明の効果】以上詳細に説明したごとく、本発明のＳ
ＯＦＣにおいては、第１の電極材料によって一端にのみ
開口部を有し、部分的に支柱部により上下の薄板が接合
された有底の中空状基板を作製し、この基板の片側の面
に固体電解質層と、第１の電極材料とは異なる第２の電
極材料により第２の電極を形成して単セルとしており、
この単セルを組み合わせて所定の出力が得られる発電ス
タックを構成し、しかも第１の電極に使用されるガスが
上記中空状基板内の流路に沿って流れ、かつ中空状基板
内の流路に導入するガスと、上記流路内を通過して排出
されるガスとが混合しないように隔離する仕切り板を配
設し、ガスが中空状基板内を強制的に流れるように構成
し、かつ単セル間には伸縮性に富んだ金属製フェルトを
配設しているので発電性能が極めて高いスタックを実現
することができる。また、中空状基板の使用によって単
セルの機械的強度が確保され、発電反応で発生した電流
は支柱部を通って基板の厚み方向に流れるので、従来の
円筒型の単セルにおける支持体の表面に沿って流れる電
流の電圧降下も生じることなく、優れた単セル性能を得
ることができる。さらに、各ガスの分離は単セルによっ
て確実に行われ、各単セル間には従来の平板型で見られ
るような厚いインタコネクタ板は不要となり、従来の平
板型の単セルで生じていたインタコネクタ部での電圧降
下のないスタックが得られる。さらに、優れた発電性能
を持った各セルは、充分な導電率を持つ金属製フェルト
により電気的に接続されているので、インタコネクタ板
の電気抵抗による電圧降下や、支持体表面に沿って流れ
る電流の電圧降下もなく、従来の方式に比べ、優れた発
電性能をもつ単セル性能がそのまま得られるＳＯＦＣス
タックが実現できる。具体的には、発電効率の向上と燃
料消費量の低減、および出力密度の向上と、これによる
必要体積の減少などの優れた効果があり、産業上甚大な
効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例で作製した単セルの外観図
（ａ）および図１（ａ）のＡ−Ａ断面構造を示す模式図
（ｂ）。

【図２】本発明の実施例で作製した単セルに用いる中空
状基板の構成を示す模式図。

【図３】本発明の実施例で作製した固体電解質型燃料電
池のスタックの構成の一例を示す模式図。

【図４】図３のＡ−Ａ断面図。

【図５】従来の平板型燃料電池の単セルの構成を示す分
解図（ａ）、従来の円筒型燃料電池の単セルの構造示す
模式図（ｂ）、従来の円筒型燃料電池の単セルを用いた
発電スタックの構成を示す模式図（ｃ）。

【符号の説明】

１…固体電解質層２…燃料極３…空気極４…インタコネクタ５…燃料ガス流路６…酸化剤ガス流路７…金属製フェルト８…集電板９…ガス不透過性層１０…支持体１１…中空状基板１２…支柱部１３…容器１４…固定板１５…固定用溝１６…溝１７…シール材１８…多孔質導電体１９…酸化剤ガス導入口２０…酸化剤ガス排出口２１…燃料ガス導入口２２…燃料ガス排出口２３…端末板２４…導線２５…仕切り板２６…平板シート２７…コの字状シート

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の電極材料により作製され、一端にの
み開口部を有し、内部に第１の電極に使用されるガスが
Ｕターンして通過する流路を形成した有底の中空状基板
の表面に、固体電解質層と、上記第１の電極材料とは異
なる第２の電極材料によって作製された第２の電極を積
層して構成した単セルを、弾性のある多孔質導電体を介
して複数個重ね合わせて発電スタックとする固体電解質
型燃料電池のスタックにおいて、上記燃料電池のスタッ
クには、第１の電極に使用されるガスが上記中空状基板
内の流路に沿って流れ、かつ中空状基板内の流路に導入
するガスと、上記流路内を通過して排出されるガスとが
混合しないように隔離する仕切り板を配設してなること
を特徴とする固体電解質型燃料電池のスタック。