JP2766756B2

JP2766756B2 - 導電性中空平板

Info

Publication number: JP2766756B2
Application number: JP4313470A
Authority: JP
Inventors: 敏雄松島; 勲根本; 利恭弓場
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1992-11-24
Filing date: 1992-11-24
Publication date: 1998-06-18
Anticipated expiration: 2013-06-18
Also published as: JPH06163062A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、導電性物質から構成さ
れ、内部にガスや冷却水等の流体を流すための流路とな
る貫通口を有する平板に関するもので、平板の一方の面
から他の面に電流を流す導電性中空平板に関するもので
ある。具体的な応用分野としては、固体電解質燃料電池
が挙げられ、内部にガス供給路を有する自己支持型燃料
電池の基板としての応用がある。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、酸化剤ガスと燃料ガスの２
種類を使用し、これを酸化剤極と燃料極に供給すること
で発電を行なうものの総称であり、これを構成する材料
によっていくつかの種類が存在している。ここで述べる
固体電解質型燃料電池（以下、ＳＯＦＣと略称する）
は、それを構成する材料が全て固体物質から構成された
もので、具体的には以下のような物質から成る粉末を種
々の方法で成形し、これを焼結させたセラミックスが主
材料となっている。

【０００３】電解質イットリア安定化ジルコニア
（以下、ＹＳＺと略称する）燃料極ニッケルジルコニアサーメット（以下、Ｎ
ｉ−ＹＳＺと略称する）酸化剤極ランタンマンガナイト（以下、ＬＳＭと略
称する）基本的には、１個のセルは電解質の両面に２つの電極を
配置して形成されるが、このセルの出力電圧は開路電圧
でも１Ｖ足らずである。従って、実用的な出力を得るた
めには、このようなセルを多層積み重ねた構造とする必
要がある。複数のセルを積層させて構成するＳＯＦＣの
構造の例を、図４に示す。図４において、１は固体電解
質、２は燃料極、３は酸化剤極、４はインターコネクタ
ー、５は燃料ガス流路、６は酸化剤ガス流路、７は単位
セルである。このような構造のＳＯＦＣに、各ガスを供
給することで、所定の電圧・電流の電気出力を取り出す
ことができる。このような構造のＳＯＦＣにおいて、所
定の発電を行わせるためには、供給された各ガスが各々
の反応面に有効に行き渡り、未反応ガスは排出口から流
出する以外には電極の端部等から周辺部へのリークが全
く無いように積層する必要がある。このような点から見
ると、図４に示したような構造のＳＯＦＣは設計概念上
は有効と考えられるが、実際に積層を行なおうとすると
各単位セル７とインターコネクター４部の間の気密性の
確保が極めて難しいという問題がおきる。これは、先に
述べたように全ての材料が固体のセラミックスで構成さ
れているためであり、セラミックス同士の接合面ではガ
ス気密性を得ることは不可能である。これは、部材の平
坦性を極めて向上させたとしても難しいことであるのに
対し、実際にＳＯＦＣの単セルを焼結させて作製した場
合には、ある程度の反り等が発生することを考慮すると
全くと言って良いほど実現不可能となっている。

【０００４】そこで、このようなガス気密性の問題を解
決する一つの方法として、図５に示すように予めどちら
か一方の電極材料例えば酸化剤極３で内部に酸化剤ガス
流路６を備えた基体を作製し、これに単位セル７を形成
させることが考えられる（特願平３−１１４２６１
号）。図５において、１は固体電解質、２は燃料極、４
はインターコネクター、８は緻密膜である。このように
すると、基体の材料となったガスは基体内のガス流路６
を流れることになるので、基体の両端においてガスの気
密性を確保しておくことによってガスの気密性を大幅に
改善することができる。しかし、この場合には、電極の
基体は単位セル７を支える強度を有することと併せて、
複数のセルを直列接続した際の圧迫力にも耐える必要が
あり、ある程度の機械的な強度が必要となる。一方、こ
のような強度の確保だけでなく、基体は、内部にガスを
通し、基体の厚さの方向には電流を流す必要があるの
で、そのようなガスの通過抵抗の増加を抑え、基体その
ものの電気抵抗も極力抑えるような基体設計を行なう必
要があった。このような設計を行なわない限り、中空基
体を使用したとしても、反応に必要となるガスが充分供
給しきれなくなったり、またはガスの送入のために入口
圧力が高くなりガスシール性に支障が生じたり、あるい
は基体の電気抵抗が大きくなってしまい、単位セル１個
あたりの出力電圧が小さくなるといった問題があった。
それにも拘らず、従来の中空基体では、ガス流路の適切
な設計が行われていなかったため、中空基体を使用した
にも関わらず単位セルの特性を充分に発揮できないとい
う重大な欠点があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、内部にガ
ス等の流体を流すための流路を設けた導電性物質からな
る平板の応用例としては、ＳＯＦＣ単位セルが想定さ
れ、ガス気密性を向上させる点で、電極材料からなる中
空状の基体を使用し、この基体の片面にセルを形成する
ことが有効と考えられるが、これまでこのような中空形
状が適切に設計されていなかった。従って、セル性能が
充分に発揮しきれないという問題があった。

【０００６】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
で、流路の配置法を明らかにし、それによって、平板の
電気抵抗を減少させる導電性中空平板を提供することを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明は上記課
題を解決するために、導電性の材料から構成され、内部
に複数の貫通口がほぼ平行に配置された中空構造の平板
において、貫通口の位置を平板の一方の面から平板全体
の厚みの１／１０未満の距離を隔たって設けることを特
徴としている。このような中空構造の平板の応用例の１
つとしてはＳＯＦＣが考えられるが、従来、導電性の中
空板の使用例が少なかったため、内部の貫通口の配置法
に関する検討が全く行われていなかった。

【０００８】

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に
説明する。

【０００９】図１に本発明の一実施例の構造を示し、
（ａ）は中空平板断面図、（ｂ）は中空平板の構成要素
となる角柱体、（ｃ）は中空平板の全体斜視図を示す。
本実施例は、導電性の材料からなり、内部に複数の貫通
口２０がほぼ平行に配置された中空構造の平板２１であ
って、前記貫通口２０が平板２１の一方の面２２を基準
として形成される。前記貫通口２０の設置位置を中空平
板２１の一方の面２２を基準とし、この面２２から距離
ｔ_u未満の間隔をへだてた部位としている。ここで、距
離ｔ_uは、中空平板２１の全体厚をｔとした時、ｔ_u≦
１／１０ｔを満たす値である。平板の電気抵抗は内部に
貫通口等の中空部を設けると増加するが、このような位
置に設けることによって、電気抵抗の増加量の抑制を図
ることができた。図２は、中空平板２１の構成要素とな
る、中空状角柱体（図１（ｂ））の上下面間（中空平板
２１においては対向する面間に相当）の電気抵抗を内部
の貫通口２０の位置をパラメータとして求めたものであ
る。算出にあたっては、回路解析用ソフト“ＳＰＩＣ
Ｅ”を用いた。そして、具体的な計算にあたっては、図
２に示した中空平板２１の構成要素である中空状角柱体
の断面を、図３の例のように複数の格子状単位４０に分
割し、貫通口２０はこの格子状単位４０が存在しないも
のとして計算した。計算時には、中空平板２１の奥行き
は任意でよいが、標準的に１ｃｍとした。また、ＳＰＩ
ＣＥによる解析においては、サブサーキットを設定し、
全体をこのサブサーキットの組み合わせとして解析する
が、ここでは先程述べた格子状単位４０をサブサーキッ
トとし、サブサーキット１個の面の抵抗を、４辺に直流
抵抗を配置した抵抗体に近似して求めた。そして、この
サブサーキットの電気的な接続状態を種々変更すること
で、貫通口２０の位置を様々に変更した際の抵抗変化を
計算した。この結果、角柱の電気抵抗は、貫通口２０を
設けることによって、しかも、貫通口２０の開口面積す
なわち開口幅ｔｓが大きくなるほど増加するが、その位
置を一方の面に接近させて配置する方が増加量は抑制さ
れることがわかる。そして、この図より角柱体の電気抵
抗は、貫通口２０の大きさがどのようなものであって
も、一方の面から、板厚ｔの１／１０の距離まで近づけ
ることで小さくすることが可能であることがわかる。図
１（ａ）の中空平板２１は、図１（ｂ）の構成要素とな
る角柱体の集合体と見なせるので、図１（ｂ）において
抵抗の小さい形状が最も有利となる。従って、一方の面
２２に少なくとも板全体厚ｔの１／１０の距離まで近づ
ける配置法が中空平板２１においても好ましいと言え
る。なお、板全体厚ｔの１／１０以下の距離についてで
あるが、中空平板２１の厚み方向に向かって電流を流す
使用法を考えると、板全体厚ｔはたかだか５〜１５ｍｍ
程度であり、その１／１０は０．５〜１．５ｍｍとなる
ので、実用的には板全体厚ｔの１／１０程度の間隔で充
分と考えられる。

【００１０】次に、このような中空状の平板を作製した
具体的な例について述べる。本発明では、電極材料によ
ってこのような板を作製し、この片側の面に電解質とも
う一方の電極を形成するＳＯＦＣセルを想定し、電極材
料によって中空状平板を作製した。ＳＯＦＣの電極材料
としては酸化剤極と燃料極があるが、以下の実施例に示
すようにいずれの材料によっても作製が可能であった。

【００１１】（１）酸化剤極材料ＳＯＦＣの酸化剤極材料としては、一般的にペロブスカ
イト構造を持つ（Ｌａ_1-xＳｒ_x）_YＭｎＯ₃が広く使
用されている。そこで、この材料を取り上げ、組成；Ｌ
ａ_0.8Ｓｒ_0.2ＭｎＯ₃およびＬａ_0.9Ｓｒ_0.1ＭｎＯ
₃、粒径１〜３μｍの原料粉末を使用した。そして、中
空平板の作製には、シート成形体を熱融着させる方法を
用い、熱融着させたグリーン体を焼結させることによっ
て中空状の物体を得た。シート成形体はドクターブレー
ド法によって作製し、これに必要なスラリーは以下の混
合比（重量）で調合した。

【００１２】原料粉末１００結合剤１０〜１５可塑剤５〜１０溶媒２００結合剤としては、ポリビニルブチラール、可塑剤として
はフタル酸ブチルを、そして溶媒としてはイソブチルア
ルコールを使用した。溶媒は、イソブチルアルコール単
独でも可能であるが必要に応じてトルエンを添加した混
合物としても使用した。結合剤と可塑剤の量に範囲があ
るのは、使用する量が異なると、例えば粒径が異なり表
面積も変わってくるためスラリーの性状に差が生じてく
るので、量を適切に調節するためである。また、この他
にやはりスラリー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
ミルによって攪拌した後、減圧下で脱気して溶媒を除去
し粘度を調整し、この後ドクターブレード装置によって
シート成形体を得た。このようなシート成形体を、所定
の大きさに切断した後、加熱・加圧しシートの融着体を
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、概ね７０〜８０
℃、３０〜７０kg/cm ²の条件内で行なった。中空体の
中空部の形状は、この段階で、各層に重ねるシートの枚
数を変えることで任意の形とすることができ、片側の面
のみ積層するシート枚数を少なくするだけで、目的とし
た、片側に全体厚の１／１０の厚みの面を有する中空平
板を得ることができた。なお、この時考慮するべきこと
は、シート成形体の収縮率である。収縮はシートの成形
時と焼成時において生じるが、今回の実施例の中では、
成形時の収縮は主に厚み方向でのみ観測され、おおよそ
６０％、また焼成時にはおおよそ１０％であった。従っ
て、このような収縮を見込んで焼成後の焼結体が所定の
大きさになるように融着体のシート枚数と大きさを選定
した。このように融着した中空平板を約４００℃におい
て脱脂し、この後１２５０〜１３５０℃で５〜１０時間
焼成することで酸化剤極中空平板を作製した。中空平板
の大きさとしては、寸法で１００〜１５０ｍｍ角、厚み
は５〜１０ｍｍ程度のものが作製できた。なお、焼結の
進行は、使用した原料粉末の粒径と結合剤と可塑剤の添
加量によって影響される。そこで、これらの影響を考慮
し使用原料に応じて温度と時間を適宜選定した。粒径が
小さい原料は、表面積が大きいので低温領域から焼結が
開始するので低温・短時間の条件で焼成した（例えば、
１２５０℃、２時間）。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２０〜３０％の焼結
体を得ることができた。なお、酸化剤極の導電率は多孔
度によってもある程度左右されるが、この焼結体の正味
の導電率は１０００℃において、約１００Ｓ／ｃｍであ
った。

【００１３】（２）燃料極材料燃料極材料については、ニッケルを体積％で４０〜５０
％含むＮｉ−ＹＳＺを出発原料に使用した。この粉末
は、酸化ニッケル（＃２００メッシュ以下）とＹＳＺ
（トーソー製、ＴＺ−８Ｙ）から作製し、ニッケルが所
定の体積％となるよう各粉末を秤量した後混合し、これ
にエタノールを加えボールミルで２４〜４８時間混合し
た。中空平板の作製には酸化剤極材料の場合と同様に、
シート成形体を熱融着させ、これを焼結させる方法によ
った。中空平板の材料となるシート成形体はここでもド
クターブレード法により作製し、これに必要なスラリー
は以下の混合比（重量）とした。

【００１４】原料粉末１００結合剤１０〜１５可塑剤５〜１０溶媒２００シート成形体および中空平板の作製法は酸化剤極材料に
よるものと同一である。そして、やはり加熱・加圧時に
積層するシートの枚数や大きさを適宜選定することで任
意の寸法の中空平板の融着体が得られた。このように作
製した中空状の融着体を約４００℃で脱脂し、この後１
２５０〜１４００℃の温度で５〜１０時間焼成し燃料極
材料からなる中空平板の焼結体が作製できた。ここで
も、焼成条件は使用した原料粉末の粒径に応じて選定し
たが、高温・長時間にすることで還元後の導電率は高く
なる反面、多孔度は減少する。従って、還元後の導電率
が１０００℃において約１０００Ｓ／ｃｍとなることを
目標に焼成を行なった。

【００１５】なお、成形体の作製にあたってシート成形
体の収縮率を考慮すべきことは酸化剤極材料の場合と同
様である。ただし、この燃料極材料の場合には、成形時
の収縮は約６０％と酸化剤極材料とほぼ等しかったが、
焼成時の値はおおよそ２０％であったので、この収縮率
を見込んで融着体のシート枚数と大きさを選定した。

【００１６】

【発明の効果】以上述べたように本発明では、内部にガ
ス等の流体を流すような貫通口を複数設けた平板におい
て、その貫通口の配置法を具体的に明らかにしたもので
ある。本発明に示すような中空平板の具体的な応用例と
しては、電極材料でこのような平板を作製し、この片面
に電解質と他の電極を形成するＳＯＦＣが考えられる
が、このようなＳＯＦＣの構成にあたっては、平板の電
気抵抗を減少させ得るという具体的な効果が有り、これ
はＳＯＦＣの内部抵抗の減少を図りうるものであり、畢
竟、高性能なＳＯＦＣを実現するうえで大きな効果があ
る。また、発明の具体的な内容で示したように、このよ
うな中空状の平板はシート成形体の熱圧着法で非常に容
易に作製でき、製造コストもかからず経済性の面でも優
れたものである。

【００１７】なお、本発明についてはＳＯＦＣを例とし
て説明したが、平板の一方の面から他の面に向けて電流
を流し、平板内に冷却用の媒体を流すような用途におい
ても、板の電気抵抗を極力抑制しつつ所定の目的を達成
することができ、広く種々の用途への応用が可能であ
る。このように、広く産業界一般への応用も可能であり
多くの利点を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構造図である。

【図２】本発明に係る中空平板の構成要素となる角柱体
の抵抗特性の一例を示す特性図である。

【図３】本発明に係る中空平板を構成する角柱体の抵抗
解析時の断面分割状況を示す説明図である。

【図４】従来の平板型燃料電池の組立状態の分解斜視図
である。

【図５】従来の内部にガス流路を有する基体を用いた燃
料電池の斜視図である。

【符号の説明】

１…固体電解質、２…燃料極、３…酸化剤極、４…イン
ターコネクター、５…燃料ガス流路、６…酸化剤ガス流
路、７…単位セル、８…緻密膜、２０…貫通口、２１…
中空平板、２２…中空平板の一方の面、４０…格子状単
位。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−68562（ＪＰ，Ａ) 特開平４−230954（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01M 4/86 H01M 8/00 - 8/24

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性の材料からなり、内部に複数の貫
通口がほぼ平行に配置された中空構造の平板であって、
前記貫通口が平板のどちらか一方の面を基準として形成
され、その位置が、基準となる面から板厚全体の１／１
０未満の距離を隔たって配置されたことを特徴とする導
電性中空平板。