JPH0955215A - 固体電解質型燃料電池セル - Google Patents
固体電解質型燃料電池セルInfo
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- JPH0955215A JPH0955215A JP7204205A JP20420595A JPH0955215A JP H0955215 A JPH0955215 A JP H0955215A JP 7204205 A JP7204205 A JP 7204205A JP 20420595 A JP20420595 A JP 20420595A JP H0955215 A JPH0955215 A JP H0955215A
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- fuel cell
- electrode
- fuel
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【課題】固体電解質と空気極または燃料極との界面にお
ける分極抵抗が大きく、また、インタ−コネクタとＮｉ
フェルトあるいはセパレ−タと空気極または燃料極との
界面における接触抵抗が大きいため、固体電解質型燃料
電池セルにおける電圧低下が大きく、発電効率が低かっ
た。 【解決手段】固体電解質の片面に空気極が、他面に燃料
極が形成された燃料電池セル本体の外面に、前記空気極
または前記燃料極と電気的に接続する集電体を設けてな
る固体電解質型燃料電池セルにおいて、固体電解質また
は集電体の少なくとも一方の表面の表面粗さＲａが３〜
２００μｍである固体電解質型燃料電池セル。
ける分極抵抗が大きく、また、インタ−コネクタとＮｉ
フェルトあるいはセパレ−タと空気極または燃料極との
界面における接触抵抗が大きいため、固体電解質型燃料
電池セルにおける電圧低下が大きく、発電効率が低かっ
た。 【解決手段】固体電解質の片面に空気極が、他面に燃料
極が形成された燃料電池セル本体の外面に、前記空気極
または前記燃料極と電気的に接続する集電体を設けてな
る固体電解質型燃料電池セルにおいて、固体電解質また
は集電体の少なくとも一方の表面の表面粗さＲａが３〜
２００μｍである固体電解質型燃料電池セル。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質と、こ
の固体電解質の一側面に形成された空気極と、他側面に
形成された燃料極と、集電するためのインタ−コネクタ
あるいはセパレ−タの集電体とを備えた固体電解質型燃
料電池セルに関する。
の固体電解質の一側面に形成された空気極と、他側面に
形成された燃料極と、集電するためのインタ−コネクタ
あるいはセパレ−タの集電体とを備えた固体電解質型燃
料電池セルに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、固体電解質型燃料電池において
は、円筒型と平板型の２種類の燃料電池について研究開
発が行われている。平板型燃料電池セルは、発電の単位
体積当りの出力密度が高いという特長を有するが、実用
化に関してはガスシ−ル不完全性やセル内の温度分布の
不均一性などの問題がある。それに対して、円筒型燃料
電池セルでは、出力密度は低いもののセルの機械的強度
が高く、またセル内の温度の均一性が保てるという特長
がある。両形状の固体電解質型燃料電池セルとも、それ
ぞれの特長を生かして積極的に研究開発が進められてい
る。
は、円筒型と平板型の２種類の燃料電池について研究開
発が行われている。平板型燃料電池セルは、発電の単位
体積当りの出力密度が高いという特長を有するが、実用
化に関してはガスシ−ル不完全性やセル内の温度分布の
不均一性などの問題がある。それに対して、円筒型燃料
電池セルでは、出力密度は低いもののセルの機械的強度
が高く、またセル内の温度の均一性が保てるという特長
がある。両形状の固体電解質型燃料電池セルとも、それ
ぞれの特長を生かして積極的に研究開発が進められてい
る。
【０００３】円筒型燃料電池の単セルは、図２に示した
ように開気孔率４０％程度のＣａＯ安定化ＺｒＯ2 を支
持管１とし、その上にスラリ−ディップ法により多孔性
の空気極２としてＬａＭｎＯ3 系材料を塗布し、その表
面に気相合成法（ＥＶＤ）や、あるいは溶射法により固
体電解質３であるＹ2 Ｏ3 安定化ＺｒＯ2 膜を被覆し、
さらにこの表面に多孔性のＮｉ−ジルコニアの燃料極４
を設けて構成されている。燃料電池のモジュ−ルにおい
ては、各単セルは、ＬａＣｒＯ3 系のインタ−コネクタ
５を介して接続される。集電はこのインタ−コネクタに
ＮｉフェルトあるいはＮｉ板を接触させて行われる。ま
た、発電は支持管内部６に空気（酸素）を、外部７に燃
料（水素）を流し、１０００〜１０５０℃の温度で行わ
れる。近年、このセル作製の工程においてプロセスを単
純化するため、空気極材料であるＬａＭｎＯ3 系材料を
直接多孔性の支持管として使用する試みがなされてい
る。
ように開気孔率４０％程度のＣａＯ安定化ＺｒＯ2 を支
持管１とし、その上にスラリ−ディップ法により多孔性
の空気極２としてＬａＭｎＯ3 系材料を塗布し、その表
面に気相合成法（ＥＶＤ）や、あるいは溶射法により固
体電解質３であるＹ2 Ｏ3 安定化ＺｒＯ2 膜を被覆し、
さらにこの表面に多孔性のＮｉ−ジルコニアの燃料極４
を設けて構成されている。燃料電池のモジュ−ルにおい
ては、各単セルは、ＬａＣｒＯ3 系のインタ−コネクタ
５を介して接続される。集電はこのインタ−コネクタに
ＮｉフェルトあるいはＮｉ板を接触させて行われる。ま
た、発電は支持管内部６に空気（酸素）を、外部７に燃
料（水素）を流し、１０００〜１０５０℃の温度で行わ
れる。近年、このセル作製の工程においてプロセスを単
純化するため、空気極材料であるＬａＭｎＯ3 系材料を
直接多孔性の支持管として使用する試みがなされてい
る。
【０００４】空気極としての機能を合せ持つ支持管材料
としては、Ｌａを１０〜２０原子％のＣａあるいはＳｒ
で置換したＬａＭｎＯ3 固溶体材料が用いられている。
としては、Ｌａを１０〜２０原子％のＣａあるいはＳｒ
で置換したＬａＭｎＯ3 固溶体材料が用いられている。
【０００５】また、平板型燃料電池の単セルは、円筒型
と同じ材料系を用いて、図３に示したように固体電解質
８の上面に多孔性の空気極９を、下面に多孔性の燃料極
１０を設けて構成されている。単セル間の接続には、セ
パレ−タ１１と呼ばれるＭｇＯやＣａＯを添加した緻密
質のＬａＣｒＯ3 固溶体材料が用いられる。発電はセル
の空気極側に空気（酸素）、燃料極側に燃料（水素）を
供給して１０００〜１０５０℃の温度で行われる。
と同じ材料系を用いて、図３に示したように固体電解質
８の上面に多孔性の空気極９を、下面に多孔性の燃料極
１０を設けて構成されている。単セル間の接続には、セ
パレ−タ１１と呼ばれるＭｇＯやＣａＯを添加した緻密
質のＬａＣｒＯ3 固溶体材料が用いられる。発電はセル
の空気極側に空気（酸素）、燃料極側に燃料（水素）を
供給して１０００〜１０５０℃の温度で行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の円筒型燃料電池セルおよび平板型燃料電池セルと
も、固体電解質と空気極または燃料極との界面における
分極抵抗が大きいため、燃料電池セルにおける電圧低下
が大きく、発電効率が低いという問題があった。
来の円筒型燃料電池セルおよび平板型燃料電池セルと
も、固体電解質と空気極または燃料極との界面における
分極抵抗が大きいため、燃料電池セルにおける電圧低下
が大きく、発電効率が低いという問題があった。
【０００７】また、円筒型燃料電池セルにおいてはイン
タ−コネクタとＮｉフェルト（あるいはＮｉ板）との間
の接触抵抗が、平板型燃料電池セルにおいてはセパレ−
タと空気極または燃料極との界面における接触抵抗が大
きいため、燃料電池セルにおける電圧低下が大きく、発
電効率が低いという問題があった。
タ−コネクタとＮｉフェルト（あるいはＮｉ板）との間
の接触抵抗が、平板型燃料電池セルにおいてはセパレ−
タと空気極または燃料極との界面における接触抵抗が大
きいため、燃料電池セルにおける電圧低下が大きく、発
電効率が低いという問題があった。
【０００８】このような問題から従来の固体電解質型燃
料電池セルにおいては、本来の性能を十分に発揮できな
いという問題があった。
料電池セルにおいては、本来の性能を十分に発揮できな
いという問題があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明者等は上記問題に
対し検討を重ねた結果、固体電解質と空気極または燃料
極との接触界面、およびインタ−コネクタとＮｉフェル
ト（Ｎｉ板）あるいはセパレ−タと空気極または燃料極
との接触界面の面積を増大させることにより、上記分極
抵抗および接触抵抗を低減させることができることを見
出し、本発明に至った。
対し検討を重ねた結果、固体電解質と空気極または燃料
極との接触界面、およびインタ−コネクタとＮｉフェル
ト（Ｎｉ板）あるいはセパレ−タと空気極または燃料極
との接触界面の面積を増大させることにより、上記分極
抵抗および接触抵抗を低減させることができることを見
出し、本発明に至った。
【００１０】即ち、本発明の固体電解質型燃料電池セル
は、固体電解質の片面に空気極が、他面に燃料極が形成
された燃料電池セル本体の外面に、前記空気極または前
記燃料極と電気的に接続する集電体を設けてなる固体電
解質型燃料電池セルにおいて、前記固体電解質の少なく
とも一方の表面の表面粗さＲａが３〜２００μｍを満足
するものである。固体電解質の少なくとも一方の表面に
は周期的に凹部が形成されていることが望ましい。
は、固体電解質の片面に空気極が、他面に燃料極が形成
された燃料電池セル本体の外面に、前記空気極または前
記燃料極と電気的に接続する集電体を設けてなる固体電
解質型燃料電池セルにおいて、前記固体電解質の少なく
とも一方の表面の表面粗さＲａが３〜２００μｍを満足
するものである。固体電解質の少なくとも一方の表面に
は周期的に凹部が形成されていることが望ましい。
【００１１】また、本発明の固体電解質型燃料電池セル
は、固体電解質の片面に空気極が、他面に燃料極が形成
された燃料電池セル本体の外面に、前記空気極または前
記燃料極と電気的に接続する集電体を設けてなる固体電
解質型燃料電池セルにおいて、前記集電体の少なくとも
一方の表面の表面粗さＲａが３〜２００μｍを満足する
ものである。集電体の少なくとも一方の表面には周期的
に凹部が形成されていることが望ましい。
は、固体電解質の片面に空気極が、他面に燃料極が形成
された燃料電池セル本体の外面に、前記空気極または前
記燃料極と電気的に接続する集電体を設けてなる固体電
解質型燃料電池セルにおいて、前記集電体の少なくとも
一方の表面の表面粗さＲａが３〜２００μｍを満足する
ものである。集電体の少なくとも一方の表面には周期的
に凹部が形成されていることが望ましい。
【００１２】本発明においては固体電解質の表面の表面
粗さＲａを３〜２００μｍとした理由は、Ｒａが３μｍ
より小さいと、固体電解質と空気極または燃料極との界
面において分極抵抗の低減という効果が小さいからであ
る。また、Ｒａが２００μｍより大きいと固体電解質中
の酸素イオンの拡散断面積が小さくなり、電気伝導度が
低下して、その結果発電出力が悪くなるためである。特
に、固体電解質の表面の表面粗さＲａは、分極抵抗と酸
素イオンの拡散断面積の観点から５０〜１００μｍが望
ましい。
粗さＲａを３〜２００μｍとした理由は、Ｒａが３μｍ
より小さいと、固体電解質と空気極または燃料極との界
面において分極抵抗の低減という効果が小さいからであ
る。また、Ｒａが２００μｍより大きいと固体電解質中
の酸素イオンの拡散断面積が小さくなり、電気伝導度が
低下して、その結果発電出力が悪くなるためである。特
に、固体電解質の表面の表面粗さＲａは、分極抵抗と酸
素イオンの拡散断面積の観点から５０〜１００μｍが望
ましい。
【００１３】また、インタ−コネクタあるいはセパレ−
タなどの集電体の少なくとも一方の表面の表面粗さＲａ
を３〜２００μｍとしたのは、表面粗さＲａが３μｍよ
りも小さい場合にはインタ−コネクタとＮｉフェルト
（Ｎｉ板）あるいはセパレ−タと空気極または燃料極と
の界面における接触抵抗の低減という効果が小さいから
である。また、Ｒａが２００μｍを越えると、逆にイン
ターコネクタとＮｉフェルト（Ｎｉ板）あるいはセパレ
−タと空気極および燃料極との接触面積が低下して、集
電が悪くなる。特に、集電体の少なくとも一方の表面の
表面粗さＲａは、接触面積の観点から２０〜１００μｍ
が望ましい。
タなどの集電体の少なくとも一方の表面の表面粗さＲａ
を３〜２００μｍとしたのは、表面粗さＲａが３μｍよ
りも小さい場合にはインタ−コネクタとＮｉフェルト
（Ｎｉ板）あるいはセパレ−タと空気極または燃料極と
の界面における接触抵抗の低減という効果が小さいから
である。また、Ｒａが２００μｍを越えると、逆にイン
ターコネクタとＮｉフェルト（Ｎｉ板）あるいはセパレ
−タと空気極および燃料極との接触面積が低下して、集
電が悪くなる。特に、集電体の少なくとも一方の表面の
表面粗さＲａは、接触面積の観点から２０〜１００μｍ
が望ましい。
【００１４】固体電解質, インタ−コネクタあるいはセ
パレ−タの表面の表面粗さＲａを３〜２００μｍとする
には、例えば、ドクタ−ブレ−ド法により作製した固体
電解質, インタ−コネクタあるいはセパレ−タ用のグリ
−ンシ−ト表面に金属メッシュを押し当てる方法、また
グリ−ンシ−トを表面に凹凸がある金属等の表面に押し
当てる方法により形成し、これを所定の温度で焼成して
作製することができる。グリ−ンシ−ト表面に金属メッ
シュを押し当てる方法、またグリ−ンシ−トを表面に凹
凸がある金属等の表面に押し当てる方法により形成する
と、固体電解質，集電体の表面に周期的に凹部が形成さ
れることになり、固体電解質，集電体の表面の全体に亘
って均一な発電が得られる。
パレ−タの表面の表面粗さＲａを３〜２００μｍとする
には、例えば、ドクタ−ブレ−ド法により作製した固体
電解質, インタ−コネクタあるいはセパレ−タ用のグリ
−ンシ−ト表面に金属メッシュを押し当てる方法、また
グリ−ンシ−トを表面に凹凸がある金属等の表面に押し
当てる方法により形成し、これを所定の温度で焼成して
作製することができる。グリ−ンシ−ト表面に金属メッ
シュを押し当てる方法、またグリ−ンシ−トを表面に凹
凸がある金属等の表面に押し当てる方法により形成する
と、固体電解質，集電体の表面に周期的に凹部が形成さ
れることになり、固体電解質，集電体の表面の全体に亘
って均一な発電が得られる。
【００１５】尚、グリ−ンシ−トを所定の方法により焼
結した後、サンドブラスト機によりブラストして表面処
理しても良い。この場合、周期的に孔が形成された型を
用い、この型の上からサンドブラストすることにより、
周期的に凹部を形成することができる。
結した後、サンドブラスト機によりブラストして表面処
理しても良い。この場合、周期的に孔が形成された型を
用い、この型の上からサンドブラストすることにより、
周期的に凹部を形成することができる。
【００１６】
【作用】平板型燃料電池セルを例に説明すると、発電は
セルの空気極側に空気（酸素）、燃料極側に燃料（水
素）を供給して１０００〜１０５０℃の温度で行われる
が、この発電においてセルの電圧低下の原因としては、
セルの抵抗、燃料極および空気極と固体電解質界面にお
ける分極抵抗、燃料極および空気極とセパレ−タ界面に
おける接触抵抗がある。形状によりいくらかの違いはあ
るものの、上述の抵抗の電圧低下への寄与はそれぞれ１
／３程度づつである。円筒型燃料電池セルの場合につい
ても同様である。
セルの空気極側に空気（酸素）、燃料極側に燃料（水
素）を供給して１０００〜１０５０℃の温度で行われる
が、この発電においてセルの電圧低下の原因としては、
セルの抵抗、燃料極および空気極と固体電解質界面にお
ける分極抵抗、燃料極および空気極とセパレ−タ界面に
おける接触抵抗がある。形状によりいくらかの違いはあ
るものの、上述の抵抗の電圧低下への寄与はそれぞれ１
／３程度づつである。円筒型燃料電池セルの場合につい
ても同様である。
【００１７】本発明においては、固体電解質の少なくと
も一方の表面の表面粗さＲａを３〜２００μｍとしたの
で、固体電解質と空気極または燃料極との界面において
分極抵抗を小さくすることができ、セルの電圧低下を抑
制して発電効率を向上することができる。
も一方の表面の表面粗さＲａを３〜２００μｍとしたの
で、固体電解質と空気極または燃料極との界面において
分極抵抗を小さくすることができ、セルの電圧低下を抑
制して発電効率を向上することができる。
【００１８】また、本発明では、インタ−コネクタある
いはセパレ−タ等の集電体の少なくとも一方の表面の表
面粗さＲａを３〜２００μｍとし、インタ−コネクタと
Ｎｉフェルト（Ｎｉ板）との接触面積あるいはセパレ−
タと燃料極または空気極との接触面積を増大させた結
果、界面における接触抵抗を小さくすることができ、セ
ルの電圧低下を抑制して発電効率を向上することができ
る。
いはセパレ−タ等の集電体の少なくとも一方の表面の表
面粗さＲａを３〜２００μｍとし、インタ−コネクタと
Ｎｉフェルト（Ｎｉ板）との接触面積あるいはセパレ−
タと燃料極または空気極との接触面積を増大させた結
果、界面における接触抵抗を小さくすることができ、セ
ルの電圧低下を抑制して発電効率を向上することができ
る。
【００１９】即ち、本発明では、固体電解質の少なくと
も一方の表面、集電体の少なくとも一方の表面に凹凸を
形成することにより各界面の面積を増大させ、発電出力
を向上することができるのである。
も一方の表面、集電体の少なくとも一方の表面に凹凸を
形成することにより各界面の面積を増大させ、発電出力
を向上することができるのである。
【００２０】さらに、本発明では、固体電解質および／
または集電体の少なくとも一方の表面に、周期的に凹部
を形成し、表面粗さＲａを３〜２００μｍとすることに
より、燃料電池セル全体に亘って均一な発電が得られ
る。
または集電体の少なくとも一方の表面に、周期的に凹部
を形成し、表面粗さＲａを３〜２００μｍとすることに
より、燃料電池セル全体に亘って均一な発電が得られ
る。
【００２１】本発明では、固体電解質および集電体の表
面粗さＲａを３〜２００μｍとすることにより、燃料極
および空気極と固体電解質界面における分極抵抗、およ
び平板型燃料電池セルの場合には燃料極および空気極と
セパレータ界面における接触抵抗を低減することがで
き、セルの電圧低下を抑制して発電効率をさらに向上す
ることができる。
面粗さＲａを３〜２００μｍとすることにより、燃料極
および空気極と固体電解質界面における分極抵抗、およ
び平板型燃料電池セルの場合には燃料極および空気極と
セパレータ界面における接触抵抗を低減することがで
き、セルの電圧低下を抑制して発電効率をさらに向上す
ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】本発明の固体電解質型燃料電池セ
ルを図面を用いて詳細に説明する。本発明の典型的な燃
料電池セルの構造で平板型燃料電池セルと呼ばれるもの
は、図３に示したようにＹ2 Ｏ3 やＹｂ2 Ｏ3 を３〜１
５モル％添加した部分安定化ＺｒＯ2 および安定化Ｚｒ
Ｏ2 、あるいはＹ2 Ｏ3 ，Ｙｂ2 Ｏ3 ，Ｓｍ2 Ｏ3、Ｇ
ｄ2 Ｏ3 を添加したＣｅＯ2 固溶体よりなる板状の固体
電解質８の上面には、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ3 や（Ｌ
ａ，Ｃａ）ＭｎＯ3 などからなる多孔性の空気極９を、
下面の面にＮｉとＺｒＯ2 （Ｙ2 Ｏ3 安定化）のサ−メ
ットなどからなる多孔性の燃料極１０が形成され、燃料
電池セル本体１２が構成されている。そして、これを単
セルとしてセル間を接続する部材として、セパレータ１
１が一方のセルの空気極と隣接する他方のセルの燃料極
とを接続する位置、即ち、燃料電池セル本体１２に配置
されている。このセパレータ１１は、ＭｇやＣａをド−
プした緻密質のＬａＣｒＯ3 固溶体から構成されてい
る。
ルを図面を用いて詳細に説明する。本発明の典型的な燃
料電池セルの構造で平板型燃料電池セルと呼ばれるもの
は、図３に示したようにＹ2 Ｏ3 やＹｂ2 Ｏ3 を３〜１
５モル％添加した部分安定化ＺｒＯ2 および安定化Ｚｒ
Ｏ2 、あるいはＹ2 Ｏ3 ，Ｙｂ2 Ｏ3 ，Ｓｍ2 Ｏ3、Ｇ
ｄ2 Ｏ3 を添加したＣｅＯ2 固溶体よりなる板状の固体
電解質８の上面には、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ3 や（Ｌ
ａ，Ｃａ）ＭｎＯ3 などからなる多孔性の空気極９を、
下面の面にＮｉとＺｒＯ2 （Ｙ2 Ｏ3 安定化）のサ−メ
ットなどからなる多孔性の燃料極１０が形成され、燃料
電池セル本体１２が構成されている。そして、これを単
セルとしてセル間を接続する部材として、セパレータ１
１が一方のセルの空気極と隣接する他方のセルの燃料極
とを接続する位置、即ち、燃料電池セル本体１２に配置
されている。このセパレータ１１は、ＭｇやＣａをド−
プした緻密質のＬａＣｒＯ3 固溶体から構成されてい
る。
【００２３】そして、本発明は、固体電解質の燃料極側
の面には、その表面積を大きくするため、図１に示すよ
うに、周期的な凹部１３、例えば大きなうねりまたは細
穴が設けられており、表面粗さＲａが３〜２００μｍと
されている。そして、この面に、多孔質からなる空気極
あるいは燃料極が接している。この空気極あるいは燃料
極は、ガス透化性をよくするため、開気孔率として１０
〜７０％程度にする必要がある。また、燃料極は、固体
電解質表面に固体電解質材料（例えばＺｒＯ2）からな
る骨格を形成し、該骨格中にＮｉを充填するとさらに効
果的である。
の面には、その表面積を大きくするため、図１に示すよ
うに、周期的な凹部１３、例えば大きなうねりまたは細
穴が設けられており、表面粗さＲａが３〜２００μｍと
されている。そして、この面に、多孔質からなる空気極
あるいは燃料極が接している。この空気極あるいは燃料
極は、ガス透化性をよくするため、開気孔率として１０
〜７０％程度にする必要がある。また、燃料極は、固体
電解質表面に固体電解質材料（例えばＺｒＯ2）からな
る骨格を形成し、該骨格中にＮｉを充填するとさらに効
果的である。
【００２４】このような表面構造を有する固体電解質は
ドクタ−ブレ−ド法により作製したグリ−ンシ−ト表面
に金属メッシュを押し当てる方法、またグリ−ンシ−ト
を表面に凹凸がある金属等の表面に押し当てる方法によ
り形成し、これを所定の温度で焼成して作製することが
できる。あるいはグリ−ンシ−トを所定の方法により焼
結した後、サンドブラスト機を用いて、ブラストして表
面構造を形成してもよい。また、セパレ−タにおいても
同様な方法により表面粗さを３〜２００μｍとすること
ができる。また、図２に示した円筒型燃料電池セルの固
体電解質およびインタ−コネクタについても、同様な方
法により表面粗さを３〜２００μｍとすることができ
る。
ドクタ−ブレ−ド法により作製したグリ−ンシ−ト表面
に金属メッシュを押し当てる方法、またグリ−ンシ−ト
を表面に凹凸がある金属等の表面に押し当てる方法によ
り形成し、これを所定の温度で焼成して作製することが
できる。あるいはグリ−ンシ−トを所定の方法により焼
結した後、サンドブラスト機を用いて、ブラストして表
面構造を形成してもよい。また、セパレ−タにおいても
同様な方法により表面粗さを３〜２００μｍとすること
ができる。また、図２に示した円筒型燃料電池セルの固
体電解質およびインタ−コネクタについても、同様な方
法により表面粗さを３〜２００μｍとすることができ
る。
【００２５】
実施例１ ドクタ−ブレ−ド法により粒子径０．６μｍのＺｒＯ2
（８モル％Ｙ2 Ｏ3 含有）を含有する４００μｍのグリ
−ンシ−トを作製し、焼結体の寸法が５ｃｍ×５ｃｍに
なるようにシ−トを切り出し、１５００℃で４時間焼成
して理論密度比が９８％の平板状の固体電解質を作製し
た。得られた平板状の固体電解質表面の表面粗さ（中心
線平均粗さ）Ｒａを表面粗計で測定した。この固体電解
質の一方の面に、粒子径が１μｍの市販のＬａ0.9 Ｓｒ
0.1 ＭｎＯ3 を含有する空気極用のスラリーを５０μｍ
の厚みにスクリーン印刷により塗布し、固体電解質の他
方の面には７０重量％ＮｉＯを含むＺｒＯ2 （８モル％
Ｙ2 Ｏ3 含有）を含有する燃料極用のスラリーを５０μ
ｍの厚みにスクリーン印刷により塗布し、これを大気中
１２００℃で一時間焼鈍して、固体電解質の一方の面に
空気極、他方の面に燃料極を形成し、セル本体を作製し
た。このセル本体を、厚み３５０μｍのＬａ0.8 Ｃａ
0.22ＣｒＯ3 焼結体からなるセパレータで挟持して、平
板型燃料電池セルを作製し、これを試料Ｎo.１とした。
（８モル％Ｙ2 Ｏ3 含有）を含有する４００μｍのグリ
−ンシ−トを作製し、焼結体の寸法が５ｃｍ×５ｃｍに
なるようにシ−トを切り出し、１５００℃で４時間焼成
して理論密度比が９８％の平板状の固体電解質を作製し
た。得られた平板状の固体電解質表面の表面粗さ（中心
線平均粗さ）Ｒａを表面粗計で測定した。この固体電解
質の一方の面に、粒子径が１μｍの市販のＬａ0.9 Ｓｒ
0.1 ＭｎＯ3 を含有する空気極用のスラリーを５０μｍ
の厚みにスクリーン印刷により塗布し、固体電解質の他
方の面には７０重量％ＮｉＯを含むＺｒＯ2 （８モル％
Ｙ2 Ｏ3 含有）を含有する燃料極用のスラリーを５０μ
ｍの厚みにスクリーン印刷により塗布し、これを大気中
１２００℃で一時間焼鈍して、固体電解質の一方の面に
空気極、他方の面に燃料極を形成し、セル本体を作製し
た。このセル本体を、厚み３５０μｍのＬａ0.8 Ｃａ
0.22ＣｒＯ3 焼結体からなるセパレータで挟持して、平
板型燃料電池セルを作製し、これを試料Ｎo.１とした。
【００２６】また、上記固体電解質用のグリーンシート
と同様のグリーンシートを用いて、該シートの一面ある
いは両面に４０〜３３０メッシュのステンレスメッシュ
を押し当ててグリ−ンシ−トに周期的に凹凸を作製した
後、１５００℃で４時間焼成して理論密度比が９９．６
％の平板状の固体電解質を作製した。得られた平板状の
固体電解質表面の表面粗さＲａを表面粗計で測定した。
平板状の固体電解質への燃料極および空気極の形成は上
記と同様な方法により作製し、セル本体を作製した。こ
のセル本体を、厚み３５０μｍのＬａ0.8 Ｃａ0.22Ｃｒ
Ｏ3 焼結体からなるセパレータで挟持して、平板型燃料
電池セルを作製した。
と同様のグリーンシートを用いて、該シートの一面ある
いは両面に４０〜３３０メッシュのステンレスメッシュ
を押し当ててグリ−ンシ−トに周期的に凹凸を作製した
後、１５００℃で４時間焼成して理論密度比が９９．６
％の平板状の固体電解質を作製した。得られた平板状の
固体電解質表面の表面粗さＲａを表面粗計で測定した。
平板状の固体電解質への燃料極および空気極の形成は上
記と同様な方法により作製し、セル本体を作製した。こ
のセル本体を、厚み３５０μｍのＬａ0.8 Ｃａ0.22Ｃｒ
Ｏ3 焼結体からなるセパレータで挟持して、平板型燃料
電池セルを作製した。
【００２７】そして、空気極側に酸素を燃料極側に水素
を供給して１０００℃で１０００時間連続発電し、発電
時の出力密度を測定した。その結果を表１に示す。
を供給して１０００℃で１０００時間連続発電し、発電
時の出力密度を測定した。その結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】
【００２９】表１より、固体電解質の表面粗さＲａが試
料Ｎｏ．１のように３μｍより小さいと効果がなく、ま
た試料Ｎｏ．７，１０のように２００μｍを越えると出
力密度が低下することが分かる。この表面構造の改善に
関しては、空気極側を表面処理した場合も燃料極側を表
面処理した場合と同様に性能の向上をもたらすことが分
かる。また、試料Ｎｏ．１１，１２より空気極および燃
料極に接する両面について表面処理を行うとより発電性
能が向上することが分かる。
料Ｎｏ．１のように３μｍより小さいと効果がなく、ま
た試料Ｎｏ．７，１０のように２００μｍを越えると出
力密度が低下することが分かる。この表面構造の改善に
関しては、空気極側を表面処理した場合も燃料極側を表
面処理した場合と同様に性能の向上をもたらすことが分
かる。また、試料Ｎｏ．１１，１２より空気極および燃
料極に接する両面について表面処理を行うとより発電性
能が向上することが分かる。
【００３０】さらに、周期的に凹凸を形成しない例とし
て、固体電解質の焼結体表面に直接サンドブラストで表
面処理し、その表面粗さＲａを測定した。そして、固体
電解質に燃料極および空気極を上記と同様な方法により
作製し、セル本体を作製した。このセル本体を上記と同
様なセパレータで挟持して燃料電池セルを作製し、上記
と同様にして発電し、発電時の出力密度を測定した。そ
の結果、固体電解質の表面粗さＲａが２５μｍおよび６
３μｍであり、初期性能として出力密度はそれぞれ０．
２９Ｗ／ｃｍ2 および０．３０Ｗ／ｃｍ2 であり、優れ
た性能を示した。しかしながら、発電開始後３０時間後
と２２時間後にセルが破壊した。これは、セル内の出力
密度のバラツキに伴いセル内に温度分布が形成され、そ
の結果熱応力によりセルが破壊したものと考えられる。
一方、固体電解質の表面に上記した周期的な凹凸を作製
した場合には、１０００時間の発明においても破壊は見
られなかった。
て、固体電解質の焼結体表面に直接サンドブラストで表
面処理し、その表面粗さＲａを測定した。そして、固体
電解質に燃料極および空気極を上記と同様な方法により
作製し、セル本体を作製した。このセル本体を上記と同
様なセパレータで挟持して燃料電池セルを作製し、上記
と同様にして発電し、発電時の出力密度を測定した。そ
の結果、固体電解質の表面粗さＲａが２５μｍおよび６
３μｍであり、初期性能として出力密度はそれぞれ０．
２９Ｗ／ｃｍ2 および０．３０Ｗ／ｃｍ2 であり、優れ
た性能を示した。しかしながら、発電開始後３０時間後
と２２時間後にセルが破壊した。これは、セル内の出力
密度のバラツキに伴いセル内に温度分布が形成され、そ
の結果熱応力によりセルが破壊したものと考えられる。
一方、固体電解質の表面に上記した周期的な凹凸を作製
した場合には、１０００時間の発明においても破壊は見
られなかった。
【００３１】実施例２ 実施例１と同様な方法により厚みは約２５０μｍと２０
〜２００μｍの固体電解質用のグリ−ンシ−トを作製し
た。この２０〜２００μｍのグリ−ンシ−トをマルチパ
ンチングシステム（ＭＰＳ）を用いて直径３０〜５０μ
ｍの穴を３０〜１００μｍ間隔で開け、これを２５０μ
ｍのシ−ト表面に張り合わせてグリ−ンシ−ト表面に凹
凸を形成した後、１５００℃で４時間大気中で焼成して
理論密度比が９８％の平板状の固体電解質を作製した。
この固体電解質の表面粗さＲａを上記実施例１と同様に
して測定するとともに、その後実施例１と同様な方法に
より空気極および燃料極を形成して発電を行ない、発電
時の出力密度を測定した。
〜２００μｍの固体電解質用のグリ−ンシ−トを作製し
た。この２０〜２００μｍのグリ−ンシ−トをマルチパ
ンチングシステム（ＭＰＳ）を用いて直径３０〜５０μ
ｍの穴を３０〜１００μｍ間隔で開け、これを２５０μ
ｍのシ−ト表面に張り合わせてグリ−ンシ−ト表面に凹
凸を形成した後、１５００℃で４時間大気中で焼成して
理論密度比が９８％の平板状の固体電解質を作製した。
この固体電解質の表面粗さＲａを上記実施例１と同様に
して測定するとともに、その後実施例１と同様な方法に
より空気極および燃料極を形成して発電を行ない、発電
時の出力密度を測定した。
【００３２】その結果を表２に示した。
【００３３】
【表２】
【００３４】この表２より、いずれの試料とも表１の表
面処理をしていない試料Ｎｏ．１より大きな出力密度を
示した。
面処理をしていない試料Ｎｏ．１より大きな出力密度を
示した。
【００３５】実施例３ ドクタ−ブレ−ド法により粒子径１μｍのＬａ0.8 Ｃａ
0.22ＣｒＯ3 を含有する４００μｍのグリ−ンシ−トを
作製し、焼結体の寸法が５ｃｍ×５ｃｍになるようにシ
−トを切り出し、１５００℃で８時間大気中で焼成して
理論密度比が９８％以上の平板状のセパレ−タを作製し
た。
0.22ＣｒＯ3 を含有する４００μｍのグリ−ンシ−トを
作製し、焼結体の寸法が５ｃｍ×５ｃｍになるようにシ
−トを切り出し、１５００℃で８時間大気中で焼成して
理論密度比が９８％以上の平板状のセパレ−タを作製し
た。
【００３６】また、上記セパレータ用のグリーンシート
と同様のグリーンシートを用いて、該シートの一面ある
いは両面に４０〜３３０メッシュのステンレスメッシュ
を押し当ててグリ−ンシ−トに凹凸を作製した後、１５
００℃で４時間大気中で焼成して理論密度比が９８％以
上の平板状のセパレ−タを作製した。得られた平板状の
セパレ−タの表面粗さＲａを表面粗計で測定し、その結
果を表３に示した。
と同様のグリーンシートを用いて、該シートの一面ある
いは両面に４０〜３３０メッシュのステンレスメッシュ
を押し当ててグリ−ンシ−トに凹凸を作製した後、１５
００℃で４時間大気中で焼成して理論密度比が９８％以
上の平板状のセパレ−タを作製した。得られた平板状の
セパレ−タの表面粗さＲａを表面粗計で測定し、その結
果を表３に示した。
【００３７】そして、このセパレータにより、実施例１
の表１における試料Ｎo.１とＮo.３のセル本体を挟持
し、空気極側に酸素を燃料極側に水素を供給して１００
０℃で１０００時間連続発電し、集電を上記セパレ−タ
を介して行い、発電時の出力密度を測定した。その結果
を表３に示した。
の表１における試料Ｎo.１とＮo.３のセル本体を挟持
し、空気極側に酸素を燃料極側に水素を供給して１００
０℃で１０００時間連続発電し、集電を上記セパレ−タ
を介して行い、発電時の出力密度を測定した。その結果
を表３に示した。
【００３８】
【表３】
【００３９】この表３より、燃料極と接する表面に表面
処理を行ったセパレ−タの表面粗さが小さな試料Ｎｏ．
１９は表面処理をしなった試料Ｎｏ．１８と同程度で出
力密度が小さかった。また、セパレ−タ表面の表面粗さ
が２００μｍよりも大きな試料Ｎｏ．２４においても発
電性能が低下した。空気極と接する表面に表面処理を行
ったセパレ−タも同様に性能の向上が認められる。試料
Ｎo.２５〜Ｎo.２８については固体電解質およびセパレ
ータの両方を表面処理した場合である。
処理を行ったセパレ−タの表面粗さが小さな試料Ｎｏ．
１９は表面処理をしなった試料Ｎｏ．１８と同程度で出
力密度が小さかった。また、セパレ−タ表面の表面粗さ
が２００μｍよりも大きな試料Ｎｏ．２４においても発
電性能が低下した。空気極と接する表面に表面処理を行
ったセパレ−タも同様に性能の向上が認められる。試料
Ｎo.２５〜Ｎo.２８については固体電解質およびセパレ
ータの両方を表面処理した場合である。
【００４０】
【発明の効果】本発明の固体電解質型燃料電池セルで
は、固体電解質の少なくとも一方の表面の表面粗さＲａ
を３〜２００μｍとすることにより、固体電解質と空気
極または燃料極との界面において分極抵抗を小さくする
ことができ、セルの電圧低下を抑制して発電効率を向上
することができる。また、インタ−コネクタあるいはセ
パレ−タ等の集電体の少なくとも一方の表面の表面粗さ
Ｒａを３〜２００μｍとすることにより、インタ−コネ
クタとＮｉフェルト（Ｎｉ板）またはセパレ−タと燃料
極あるいは空気極との接触面積を増大させた結果、それ
ぞれの界面における接触抵抗を小さくすることができ、
セルの電圧低下を抑制して発電効率を向上することがで
きる。
は、固体電解質の少なくとも一方の表面の表面粗さＲａ
を３〜２００μｍとすることにより、固体電解質と空気
極または燃料極との界面において分極抵抗を小さくする
ことができ、セルの電圧低下を抑制して発電効率を向上
することができる。また、インタ−コネクタあるいはセ
パレ−タ等の集電体の少なくとも一方の表面の表面粗さ
Ｒａを３〜２００μｍとすることにより、インタ−コネ
クタとＮｉフェルト（Ｎｉ板）またはセパレ−タと燃料
極あるいは空気極との接触面積を増大させた結果、それ
ぞれの界面における接触抵抗を小さくすることができ、
セルの電圧低下を抑制して発電効率を向上することがで
きる。
【００４１】さらに、本発明では、固体電解質および／
または集電体の少なくとも一方の表面に、周期的に凹部
を形成し、表面粗さＲａを３〜２００μｍとすることに
より、燃料電池セル全体に亘って均一な発電が得られ
る。
または集電体の少なくとも一方の表面に、周期的に凹部
を形成し、表面粗さＲａを３〜２００μｍとすることに
より、燃料電池セル全体に亘って均一な発電が得られ
る。
【００４２】よって、本発明の燃料電池セルは円筒型お
よび平板型とも従来のセルに比べて発電性能が飛躍的に
向上し、長期安定性のあるセルを提供できる。
よび平板型とも従来のセルに比べて発電性能が飛躍的に
向上し、長期安定性のあるセルを提供できる。
【図１】本発明の平板型固体電解質型燃料電池セルの固
体電解質の表面状態を示す縦断面図である。
体電解質の表面状態を示す縦断面図である。
【図２】従来の円筒型の固体電解質型燃料電池セルを示
す斜視図である。
す斜視図である。
【図３】平板型の固体電解質型燃料電池セルを示す斜視
図である。
図である。
８・・・固体電解質 ９・・・空気極 １０・・・燃料極 １１・・・セパレータ １２・・・燃料電池セル本体 １３・・・凹部
Claims (4)
- 【請求項１】固体電解質の片面に空気極が、他面に燃料
極が形成された燃料電池セル本体の外面に、前記空気極
または前記燃料極と電気的に接続する集電体を設けてな
る固体電解質型燃料電池セルにおいて、前記固体電解質
の少なくとも一方の表面の表面粗さＲａが３〜２００μ
ｍであることを特徴とする固体電解質型燃料電池セル。 - 【請求項２】固体電解質の少なくとも一方の表面には周
期的に凹部が形成されている請求項１記載の固体電解質
型燃料電池セル。 - 【請求項３】固体電解質の片面に空気極が、他面に燃料
極が形成された燃料電池セル本体の外面に、前記空気極
または前記燃料極と電気的に接続する集電体を設けてな
る固体電解質型燃料電池セルにおいて、前記集電体の少
なくとも一方の表面の表面粗さＲａが３〜２００μｍで
あることを特徴とする固体電解質型燃料電池セル。 - 【請求項４】集電体の少なくとも一方の表面には周期的
に凹部が形成されている請求項３記載の固体電解質型燃
料電池セル。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20420595A JP3323038B2 (ja) | 1995-08-10 | 1995-08-10 | 固体電解質型燃料電池セル |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20420595A JP3323038B2 (ja) | 1995-08-10 | 1995-08-10 | 固体電解質型燃料電池セル |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0955215A true JPH0955215A (ja) | 1997-02-25 |
| JP3323038B2 JP3323038B2 (ja) | 2002-09-09 |
Family
ID=16486580
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20420595A Expired - Fee Related JP3323038B2 (ja) | 1995-08-10 | 1995-08-10 | 固体電解質型燃料電池セル |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3323038B2 (ja) |
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| WO2000026981A3 (en) * | 1998-10-29 | 2001-10-25 | 3M Innovative Properties Co | Microstructured flow fields |
| JP2002042831A (ja) * | 2000-07-24 | 2002-02-08 | Mitsubishi Polyester Film Copp | 離型フィルム |
| WO2004034492A1 (ja) * | 2002-10-11 | 2004-04-22 | Nippon Shokubai Co., Ltd. | 固体酸化物形燃料電池用電解質シート及びその製法 |
| JP2005149815A (ja) * | 2003-11-12 | 2005-06-09 | Dainippon Printing Co Ltd | 非隔膜式固体酸化物形燃料電池 |
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| JP2009126095A (ja) * | 2007-11-26 | 2009-06-11 | Nippon Shokubai Co Ltd | 表面粗化セラミックグリーンシートの製造方法 |
| WO2010110395A1 (ja) | 2009-03-25 | 2010-09-30 | 株式会社日本触媒 | 固体酸化物形燃料電池用電解質シートおよびその製造方法ならびに固体酸化物形燃料電池用セル |
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| EP2879217A4 (en) * | 2012-07-27 | 2016-03-23 | Ngk Spark Plug Co | FUEL CELL AND FUEL CELL STACK |
-
1995
- 1995-08-10 JP JP20420595A patent/JP3323038B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
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|---|---|
| JP3323038B2 (ja) | 2002-09-09 |
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