JPH05151981A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents
固体電解質型燃料電池Info
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- JPH05151981A JPH05151981A JP3310740A JP31074091A JPH05151981A JP H05151981 A JPH05151981 A JP H05151981A JP 3310740 A JP3310740 A JP 3310740A JP 31074091 A JP31074091 A JP 31074091A JP H05151981 A JPH05151981 A JP H05151981A
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- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
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- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 オーム損を小さくすると共に、電極の反応性
を向上させ、耐久性に富む高い強度をもった固体電解質
型燃料電池を提供することを目的とする。 【構成】 固体電解質膜２を介し、空気極３４と燃料極
５６を対向して配した固体電解質型燃料電池１におい
て、前記空気極３４と燃料極５６の少なくとも一方の電
極構造を多層構造となす一方、各電極３４、５６の内容
組成を電子導電性材料に対し、少なくとも前記固体電解
質膜２の形成成分である固体電解質材料を含む混合組成
となし、更に、前記固体電解質材料の粒径を、該固体電
解質膜２の近傍位置から遠ざかる方向に小径から大径へ
と段階的に変化するように調整したことを特徴としてい
る。
を向上させ、耐久性に富む高い強度をもった固体電解質
型燃料電池を提供することを目的とする。 【構成】 固体電解質膜２を介し、空気極３４と燃料極
５６を対向して配した固体電解質型燃料電池１におい
て、前記空気極３４と燃料極５６の少なくとも一方の電
極構造を多層構造となす一方、各電極３４、５６の内容
組成を電子導電性材料に対し、少なくとも前記固体電解
質膜２の形成成分である固体電解質材料を含む混合組成
となし、更に、前記固体電解質材料の粒径を、該固体電
解質膜２の近傍位置から遠ざかる方向に小径から大径へ
と段階的に変化するように調整したことを特徴としてい
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、イオン導電性セラミッ
クスを電解質とする固体電解質型燃料電池に関する。
クスを電解質とする固体電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】イオン導電性セラミックスを固体電解質
として利用する燃料電池では、電解質損失の問題が完全
に解消されると共に、作動温度が約１０００℃と高温で
あるために、その発電効率も従来型燃料電池に比べて高
いという利点があり、注目されている。この種の燃料電
池として、（ＺｒＯ2 ）0.9 （Ｙ2 Ｏ3 ）0.1 （Ｙ2 Ｏ
3 で安定化されたＺｒＯ2 であって安定化ジルコニアと
呼ばれる）などの酸素イオン導電体を用いたもの、或い
はＳｒＣｅ0.95Ｙｂ0.05Ｏ3-α（αは酸素欠損数）等の
水素イオン導電体を用いたものが挙げられる。
として利用する燃料電池では、電解質損失の問題が完全
に解消されると共に、作動温度が約１０００℃と高温で
あるために、その発電効率も従来型燃料電池に比べて高
いという利点があり、注目されている。この種の燃料電
池として、（ＺｒＯ2 ）0.9 （Ｙ2 Ｏ3 ）0.1 （Ｙ2 Ｏ
3 で安定化されたＺｒＯ2 であって安定化ジルコニアと
呼ばれる）などの酸素イオン導電体を用いたもの、或い
はＳｒＣｅ0.95Ｙｂ0.05Ｏ3-α（αは酸素欠損数）等の
水素イオン導電体を用いたものが挙げられる。
【０００３】図４は、従来の固体電解質型燃料電池（以
下ＳＯＦＣとする）の単電池の断面構造を示す模式図で
ある。図面からも明らかなように、この単電池１１は、
固体電解質膜１２を挟んで、多孔性の空気極１３と同じ
く多孔性の燃料極１４が対向して配された構造となって
いる。また、空気極１３は固体電解質材料１２０（図
中、斜線を施して示す）と、電子導電性材料１３０の混
合組成からなり、燃料極１４は同じく固体電解質材料１
２１（同じく、図中、斜線を施して示す）と、電子導電
性材料１４０（図中、斑点を施して示す）の混合組成か
らなる。
下ＳＯＦＣとする）の単電池の断面構造を示す模式図で
ある。図面からも明らかなように、この単電池１１は、
固体電解質膜１２を挟んで、多孔性の空気極１３と同じ
く多孔性の燃料極１４が対向して配された構造となって
いる。また、空気極１３は固体電解質材料１２０（図
中、斜線を施して示す）と、電子導電性材料１３０の混
合組成からなり、燃料極１４は同じく固体電解質材料１
２１（同じく、図中、斜線を施して示す）と、電子導電
性材料１４０（図中、斑点を施して示す）の混合組成か
らなる。
【０００４】ここで、燃料極１４に対しては燃料ガス
（Ｈ2 、ＣＯ等）が供給され、燃料極１４内の気孔１５
を通過して固体電解質膜１２との界面Ａの近傍に達す
る。また、空気極１３に対しては空気が供給され、空気
極１３内の気孔１６を通過して固体電解質膜１との界面
Ｂの近傍に達する。そして、この界面Ｂ近傍部分にて、
空気に含まれている酸素が酸素イオンとなり、更に、こ
の酸素イオンが固体電解質膜１２内を拡散移動して、界
面Ａ近傍に達する。この時、界面Ａ近傍では、燃料ガス
と酸素イオンが反応して反応生成物（Ｈ2 Ｏ、ＣＯ
2 等）が生成される。ここで、固体電解質膜１２は、酸
素イオンを燃料極１４まで移動させる媒体となっている
と共に、燃料ガスと空気（酸化剤ガス）とが直接接触し
ないようにするための隔壁にもなっている。
（Ｈ2 、ＣＯ等）が供給され、燃料極１４内の気孔１５
を通過して固体電解質膜１２との界面Ａの近傍に達す
る。また、空気極１３に対しては空気が供給され、空気
極１３内の気孔１６を通過して固体電解質膜１との界面
Ｂの近傍に達する。そして、この界面Ｂ近傍部分にて、
空気に含まれている酸素が酸素イオンとなり、更に、こ
の酸素イオンが固体電解質膜１２内を拡散移動して、界
面Ａ近傍に達する。この時、界面Ａ近傍では、燃料ガス
と酸素イオンが反応して反応生成物（Ｈ2 Ｏ、ＣＯ
2 等）が生成される。ここで、固体電解質膜１２は、酸
素イオンを燃料極１４まで移動させる媒体となっている
と共に、燃料ガスと空気（酸化剤ガス）とが直接接触し
ないようにするための隔壁にもなっている。
【０００５】以上の電極反応を化学反応式で示すと、下
記のようになる。 空気極２ １／２Ｏ2 ＋２ｅ- ＝Ｏ2- 燃料極３ Ｏ2-＝１／２Ｏ2 ＋２ｅ- 総括の反応 Ｈ2 ＋１／２Ｏ2 ＝Ｈ2 Ｏ （或いはＣＯ＋１／２Ｏ2 ＝ＣＯ2 ） このような電極反応は、燃料と空気が供給される限り半
永久的に継続される筈であるが、高温での長期にわたる
運転によって、各電極１３、１４を構成する電子導電性
材料１３０、１４０が焼結するため、電極内における構
成材料間の剥離現象を招くと共に、気孔１５、１６の減
少を招くことにもなりかねない。その結果、電極反応が
円滑に進行しなくなってしまうのである。図５は、その
ような状態を示すものであり、従来のＳＯＦＣを長期運
転した後の単電池の断面状態を示す模式図である。
記のようになる。 空気極２ １／２Ｏ2 ＋２ｅ- ＝Ｏ2- 燃料極３ Ｏ2-＝１／２Ｏ2 ＋２ｅ- 総括の反応 Ｈ2 ＋１／２Ｏ2 ＝Ｈ2 Ｏ （或いはＣＯ＋１／２Ｏ2 ＝ＣＯ2 ） このような電極反応は、燃料と空気が供給される限り半
永久的に継続される筈であるが、高温での長期にわたる
運転によって、各電極１３、１４を構成する電子導電性
材料１３０、１４０が焼結するため、電極内における構
成材料間の剥離現象を招くと共に、気孔１５、１６の減
少を招くことにもなりかねない。その結果、電極反応が
円滑に進行しなくなってしまうのである。図５は、その
ような状態を示すものであり、従来のＳＯＦＣを長期運
転した後の単電池の断面状態を示す模式図である。
【０００６】このように、上記した注目すべき燃料電池
技術においても、高温で長期にわたって安定な構成材料
を選定することが大変重要になってくる。また、その他
にも、ガスシールの方法や、スタックの構成方法（スタ
ックとは、セルにガス分離板等を付設して起電力を取り
出せる構造にしたものである）等についても数多くの問
題をかかえている。
技術においても、高温で長期にわたって安定な構成材料
を選定することが大変重要になってくる。また、その他
にも、ガスシールの方法や、スタックの構成方法（スタ
ックとは、セルにガス分離板等を付設して起電力を取り
出せる構造にしたものである）等についても数多くの問
題をかかえている。
【０００７】次に、燃料極材料としては、一般にＮｉ−
ＺｒＯ2 混合粉体が使用されている。ここで、Ｎｉは電
子導電性材料１４０であり、ＺｒＯ2 は固体電解質膜１
２の形成材料と同じ固体電解質材料１２１である。Ｚｒ
Ｏ2 粉体を混合する理由については、次のような効果を
期待している。即ち、〔燃料極１４／固体電解質膜１
２〕界面Ａにおいては、固体電解質膜１２側の界面膜と
燃料極１４側の界面膜の夫々の熱膨張性が適合されるた
め、それら相互間の密着性を向上させるという効果があ
る。
ＺｒＯ2 混合粉体が使用されている。ここで、Ｎｉは電
子導電性材料１４０であり、ＺｒＯ2 は固体電解質膜１
２の形成材料と同じ固体電解質材料１２１である。Ｚｒ
Ｏ2 粉体を混合する理由については、次のような効果を
期待している。即ち、〔燃料極１４／固体電解質膜１
２〕界面Ａにおいては、固体電解質膜１２側の界面膜と
燃料極１４側の界面膜の夫々の熱膨張性が適合されるた
め、それら相互間の密着性を向上させるという効果があ
る。
【０００８】また、界面Ａ近傍においては、固体電解質
膜１２側の界面膜とかかるＺｒＯ2 粉体とが結合される
ことから、燃料極１４側の界面Ａ近傍内においては、三
相界面が増加するという効果がある。更に、燃料極１４
の内部においては、Ｎｉが焼結することによって気孔数
が減少するためにおこる三相界面の減少を防止するとい
う効果もある。
膜１２側の界面膜とかかるＺｒＯ2 粉体とが結合される
ことから、燃料極１４側の界面Ａ近傍内においては、三
相界面が増加するという効果がある。更に、燃料極１４
の内部においては、Ｎｉが焼結することによって気孔数
が減少するためにおこる三相界面の減少を防止するとい
う効果もある。
【０００９】なお、ＺｒＯ2 粉体を混合することにより
得られる上記効果については、固体電解質膜１２と接す
る界面部分と、固体電解質膜１２からやや離れた電極の
内部部分とではその効果の程度は異なっている。
得られる上記効果については、固体電解質膜１２と接す
る界面部分と、固体電解質膜１２からやや離れた電極の
内部部分とではその効果の程度は異なっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】ところが、実際は、燃
料極材料であるＮｉ−ＺｒＯ2 混合粉体におけるＮｉ及
びＺｒＯ2 粉体については、夫々が部分的に凝集する傾
向にあって、上述したような効果を十分に生しきれな
い。即ち、電極反応を良好に行うためには、固体電解質
膜１２と両電極１３、１４の密着性を良好とし、複雑な
三相界面を多く形成する必要があるが、その効果として
は十分ではない。
料極材料であるＮｉ−ＺｒＯ2 混合粉体におけるＮｉ及
びＺｒＯ2 粉体については、夫々が部分的に凝集する傾
向にあって、上述したような効果を十分に生しきれな
い。即ち、電極反応を良好に行うためには、固体電解質
膜１２と両電極１３、１４の密着性を良好とし、複雑な
三相界面を多く形成する必要があるが、その効果として
は十分ではない。
【００１１】また、電極の構成材料として固体電解質
（ＺｒＯ2 ）を混合したものを使用しているため、隔壁
としての固体電解質膜と電極中の固体電解質部分とが合
わさった酸素イオン導電部分の距離が長くなり、オーム
損が大きくなるという問題が残る。かかるオーム損を小
さくするためには、固体電解質膜１２の厚みをできるだ
け小さくする必要があるのだが、あまりに小さくし過ぎ
てしまうと、ガスリークが生じて電池電圧の低下を招
き、更には電池強度を小さくして電池の破壊を招くこと
にもなってしまう。
（ＺｒＯ2 ）を混合したものを使用しているため、隔壁
としての固体電解質膜と電極中の固体電解質部分とが合
わさった酸素イオン導電部分の距離が長くなり、オーム
損が大きくなるという問題が残る。かかるオーム損を小
さくするためには、固体電解質膜１２の厚みをできるだ
け小さくする必要があるのだが、あまりに小さくし過ぎ
てしまうと、ガスリークが生じて電池電圧の低下を招
き、更には電池強度を小さくして電池の破壊を招くこと
にもなってしまう。
【００１２】また、空気極１３については、その構成材
料としてランタン系ペロブスカイト酸化物（例えばＬａ
0.9 Ｓｒ0.1 ＭｎＯ3 ）が一般的に使用されているが、
やはりこの場合においてもＺｒＯ2 を混合することによ
って生じる効果や問題点については、上述した燃料極１
４の場合とほぼ同様なことが言える。一方、〔電子導電
性粉体−固体電解質粉体〕混合物を電極構成材料として
使用する場合においては、混合すべき固体電解質粉体が
有する粒径の如何についても十分考慮する必要がある。
例えば、その平均粒径を一定としたものを使用する場合
には、固体電解質粉体個々の粒径の違いによる効果の現
れ方にバラツキが生じるため、固体電解質粉体を混合し
たことにより得られる効果を有効に活用することができ
なくなってしまう。
料としてランタン系ペロブスカイト酸化物（例えばＬａ
0.9 Ｓｒ0.1 ＭｎＯ3 ）が一般的に使用されているが、
やはりこの場合においてもＺｒＯ2 を混合することによ
って生じる効果や問題点については、上述した燃料極１
４の場合とほぼ同様なことが言える。一方、〔電子導電
性粉体−固体電解質粉体〕混合物を電極構成材料として
使用する場合においては、混合すべき固体電解質粉体が
有する粒径の如何についても十分考慮する必要がある。
例えば、その平均粒径を一定としたものを使用する場合
には、固体電解質粉体個々の粒径の違いによる効果の現
れ方にバラツキが生じるため、固体電解質粉体を混合し
たことにより得られる効果を有効に活用することができ
なくなってしまう。
【００１３】具体的には、粒径の大きい固体電解質粉体
を使用した場合には、焼結を防止する効果が大きくなっ
て、電極内部の形状保持にとっては有効となり、その長
期安定性を期待することができる反面、固体電解質膜１
２と近接する部分においては電極との接触性が悪くなっ
てしまい、複雑な三相界面が形成し難く、分極の低減を
期待することができなくなってしまうのである。これに
対し、粒径の小さい固体電解質粉体を使用した場合に
は、三相界面が広がることから、分極の低減には効果が
あるものの、焼結を防止しにくくなってしまうのであ
る。このように、固体電解質粉体の平均粒径を一定にし
た電極については一長一短があり、低分極で長期安定性
を有する電極を形成することについては問題があると言
わざるを得ない。
を使用した場合には、焼結を防止する効果が大きくなっ
て、電極内部の形状保持にとっては有効となり、その長
期安定性を期待することができる反面、固体電解質膜１
２と近接する部分においては電極との接触性が悪くなっ
てしまい、複雑な三相界面が形成し難く、分極の低減を
期待することができなくなってしまうのである。これに
対し、粒径の小さい固体電解質粉体を使用した場合に
は、三相界面が広がることから、分極の低減には効果が
あるものの、焼結を防止しにくくなってしまうのであ
る。このように、固体電解質粉体の平均粒径を一定にし
た電極については一長一短があり、低分極で長期安定性
を有する電極を形成することについては問題があると言
わざるを得ない。
【００１４】本発明は、かかる現状を鑑みてなされたも
のであり、オーム損を小さくすると共に、電極の反応性
を向上させ、耐久性に富む高い強度をもった固体電解質
型燃料電池を提供することを目的とする。
のであり、オーム損を小さくすると共に、電極の反応性
を向上させ、耐久性に富む高い強度をもった固体電解質
型燃料電池を提供することを目的とする。
【００１５】
【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、固体電解質膜を介し、空気極と燃料極を
対向して配した固体電解質型燃料電池において、前記空
気極及び燃料極の少なくとも一方の電極構造を多層構造
となす一方、各電極の内容組成を、電子導電性材料に対
し、少なくとも前記固体電解質膜の形成成分である固体
電解質材料を含む混合組成となし、更に、前記固体電解
質材料の粒径を、該固体電解質膜の近傍位置から遠ざか
る方向に小径から大径へと段階的に変化するように調整
したことを特徴としている。
に、本発明は、固体電解質膜を介し、空気極と燃料極を
対向して配した固体電解質型燃料電池において、前記空
気極及び燃料極の少なくとも一方の電極構造を多層構造
となす一方、各電極の内容組成を、電子導電性材料に対
し、少なくとも前記固体電解質膜の形成成分である固体
電解質材料を含む混合組成となし、更に、前記固体電解
質材料の粒径を、該固体電解質膜の近傍位置から遠ざか
る方向に小径から大径へと段階的に変化するように調整
したことを特徴としている。
【００１６】例えば、燃料極を二層構造となす場合、そ
の具体的構造としては次のように構成される。固体電解
質膜上に形成する第１電極層の厚みを５０μｍとし、そ
の部分の内容組成を平均粒子径が０．０５〜１．００μ
ｍの小径の固体電解質粉体を含む混合組成とする。な
お、この場合の固体電解質の混合比率については、電極
と固体電解質膜との接触効果を重視して５０〜９５％と
多めに設定する方が好ましい。
の具体的構造としては次のように構成される。固体電解
質膜上に形成する第１電極層の厚みを５０μｍとし、そ
の部分の内容組成を平均粒子径が０．０５〜１．００μ
ｍの小径の固体電解質粉体を含む混合組成とする。な
お、この場合の固体電解質の混合比率については、電極
と固体電解質膜との接触効果を重視して５０〜９５％と
多めに設定する方が好ましい。
【００１７】また、上記第１電極層の上部に形成される
第２電極層の厚みを２００μｍとし、その部分の内容組
成を平均粒子径が１．００〜５０．００μｍの大きい粒
径をもつ固体電解質粉体を含む混合組成とする。なお、
この場合の固体電解質の混合比率については、電極の導
電性を重視して５〜５０％と少なめに設定する方が好ま
しい。
第２電極層の厚みを２００μｍとし、その部分の内容組
成を平均粒子径が１．００〜５０．００μｍの大きい粒
径をもつ固体電解質粉体を含む混合組成とする。なお、
この場合の固体電解質の混合比率については、電極の導
電性を重視して５〜５０％と少なめに設定する方が好ま
しい。
【００１８】更に、第１及び第２の各電極層の間に一層
以上の電極層を形成する場合にあっては、混合すべき固
体電解質粉体の平均粒子径並びにその混合比率を第１及
び第２の両電極層における各値の中間の値となるように
調整すればよい。燃料極材料として使用される固体電解
質材料（粉体）としては、例えば、（ＺｒＯ2 ）
0.9 （Ｙ2 Ｏ3 ）0.1 等の固体電解質膜と同じ材料が使
用される。しかし、特にこれに限定されるものではな
く、酸素イオン導電性を有し、固体電解質膜と熱膨張性
が適合する物質であれば他の材料を使用してもかまわな
い。
以上の電極層を形成する場合にあっては、混合すべき固
体電解質粉体の平均粒子径並びにその混合比率を第１及
び第２の両電極層における各値の中間の値となるように
調整すればよい。燃料極材料として使用される固体電解
質材料（粉体）としては、例えば、（ＺｒＯ2 ）
0.9 （Ｙ2 Ｏ3 ）0.1 等の固体電解質膜と同じ材料が使
用される。しかし、特にこれに限定されるものではな
く、酸素イオン導電性を有し、固体電解質膜と熱膨張性
が適合する物質であれば他の材料を使用してもかまわな
い。
【００１９】燃料極材料としては、例えば、還元雰囲気
中で安定なＣｅＯ2とＬａ2 Ｏ3 の固溶体やＴｈＯ2 と
Ｙ2 Ｏ3 の固溶体等、酸化セリウム又は酸化トリウムと
２価又は３価の金属酸化物との固溶体の他にも、Ｂｉ2
Ｏ3 とＥｒ2 Ｏ3 の固溶体やＳｍ2 Ｏ3 とＳｒＯの固溶
体等、酸化ビスマス又は酸化サマリウムと２価、３価、
５価若しくは６価の金属酸化物との固溶体が使用され
る。
中で安定なＣｅＯ2とＬａ2 Ｏ3 の固溶体やＴｈＯ2 と
Ｙ2 Ｏ3 の固溶体等、酸化セリウム又は酸化トリウムと
２価又は３価の金属酸化物との固溶体の他にも、Ｂｉ2
Ｏ3 とＥｒ2 Ｏ3 の固溶体やＳｍ2 Ｏ3 とＳｒＯの固溶
体等、酸化ビスマス又は酸化サマリウムと２価、３価、
５価若しくは６価の金属酸化物との固溶体が使用され
る。
【００２０】空気極材料としては、酸化雰囲気中で安定
なＳｒＴｉＯ3 やＣａＴｉ0.7 Ａｌ 0.3 Ｏ3 のようなペ
ロブスカイト型酸化物固溶体や、Ｃｄ2 Ｎｂ2 Ｏ7 のよ
うなパイロクロア型酸化物固溶体等が使用される。な
お、上記電極の作製方法としては、スラリーコーティン
グ法、めっき法、各種溶射法等が使用され、他にも粒径
を制御できる製膜方法であればいずれの方法を使用する
ことも可能である。
なＳｒＴｉＯ3 やＣａＴｉ0.7 Ａｌ 0.3 Ｏ3 のようなペ
ロブスカイト型酸化物固溶体や、Ｃｄ2 Ｎｂ2 Ｏ7 のよ
うなパイロクロア型酸化物固溶体等が使用される。な
お、上記電極の作製方法としては、スラリーコーティン
グ法、めっき法、各種溶射法等が使用され、他にも粒径
を制御できる製膜方法であればいずれの方法を使用する
ことも可能である。
【００２１】
【作用】上記構成によれば、固体電解質膜を介して、空
気極と燃料極が対向して配され、固体電解質型燃料電池
が形成される。また、空気極、燃料極の少なくとも一方
の電極構造は、多層構造をなすように形成される。
気極と燃料極が対向して配され、固体電解質型燃料電池
が形成される。また、空気極、燃料極の少なくとも一方
の電極構造は、多層構造をなすように形成される。
【００２２】更に、各電極は、少なくとも固体電解質膜
の形成成分と同じ成分である固体電解質を混合成分とし
て含んで形成される。この場合、混合される固体電解質
の粒径は、固体電解質膜の近傍位置から遠ざかる方向
に、小径から大径へと段階的に変化するように調整され
る。なお、かかる固体電解質型燃料電池を運転するに
は、空気極に空気を、燃料極に燃料ガスを夫々供給して
行われる。
の形成成分と同じ成分である固体電解質を混合成分とし
て含んで形成される。この場合、混合される固体電解質
の粒径は、固体電解質膜の近傍位置から遠ざかる方向
に、小径から大径へと段階的に変化するように調整され
る。なお、かかる固体電解質型燃料電池を運転するに
は、空気極に空気を、燃料極に燃料ガスを夫々供給して
行われる。
【００２３】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に従って具体
的に説明する。図１は、本発明にかかる固体電解質型燃
料電池（ＳＯＦＣ）の単電池の断面構成を示す説明図で
ある。このＳＯＦＣ１は全体形状が平板状をなすもので
あり、その具体的構成については、固体電解質膜２と、
それを挟持するように、空気極第一層３及び燃料極第一
層５が配され、更に、空気極第一層３に接するように空
気極第二層４が、燃料極第一層５に接するように燃料極
第二層６が夫々配されている。
的に説明する。図１は、本発明にかかる固体電解質型燃
料電池（ＳＯＦＣ）の単電池の断面構成を示す説明図で
ある。このＳＯＦＣ１は全体形状が平板状をなすもので
あり、その具体的構成については、固体電解質膜２と、
それを挟持するように、空気極第一層３及び燃料極第一
層５が配され、更に、空気極第一層３に接するように空
気極第二層４が、燃料極第一層５に接するように燃料極
第二層６が夫々配されている。
【００２４】ここで、固体電解質膜２は、（ＺｒＯ2 ）
0.9 （Ｙ2 Ｏ3 ）0.1 を焼成することによって得られた
ペレットを密に配し、厚さ２００μｍの膜状に形成した
ものであって、気体を通さない膜となっている。また、
空気極第一層３と空気極第二層４とは両者を以てＳＯＦ
Ｃ１の空気極３４となすものであって、その作製は次の
ようにして行われる。先ず、平均粒径２μｍのペロブス
カイト型酸化物、例えばＬａ0.9 Ｓｒ0.1 ＭｎＯ3 の粉
末と平均粒径０．５μｍの（ＺｒＯ2 ）0.9 （Ｙ
2 Ｏ3 ）0.1 の粉末とを重量比１：１の割合で混合した
ものにテレピン油を重量比１０：３の割合で混合してペ
ースト状となし、これを固体電解質膜２の片側面２３に
塗布して厚み２０μｍの空気極第一層３を形成する。続
いて、その上面３０に平均粒径２μｍＬａ0.9 Ｓｒ0.1
ＭｎＯ3 の粉末と平均粒径１０μｍの（ＺｒＯ2 ）0.9
（Ｙ2 Ｏ3 ）0.1 の粉末とを重量比９：１の割合で混合
したものに同じくテレピン油を重量比１０：３の割合で
混合してペースト状としたものを塗布し、厚み８０μｍ
の空気極第二層４を形成する。その後、空気中にて１１
００℃で４時間処理して固体電解質膜２に焼き付けて合
計厚み約１００μｍの空気極３４となす。
0.9 （Ｙ2 Ｏ3 ）0.1 を焼成することによって得られた
ペレットを密に配し、厚さ２００μｍの膜状に形成した
ものであって、気体を通さない膜となっている。また、
空気極第一層３と空気極第二層４とは両者を以てＳＯＦ
Ｃ１の空気極３４となすものであって、その作製は次の
ようにして行われる。先ず、平均粒径２μｍのペロブス
カイト型酸化物、例えばＬａ0.9 Ｓｒ0.1 ＭｎＯ3 の粉
末と平均粒径０．５μｍの（ＺｒＯ2 ）0.9 （Ｙ
2 Ｏ3 ）0.1 の粉末とを重量比１：１の割合で混合した
ものにテレピン油を重量比１０：３の割合で混合してペ
ースト状となし、これを固体電解質膜２の片側面２３に
塗布して厚み２０μｍの空気極第一層３を形成する。続
いて、その上面３０に平均粒径２μｍＬａ0.9 Ｓｒ0.1
ＭｎＯ3 の粉末と平均粒径１０μｍの（ＺｒＯ2 ）0.9
（Ｙ2 Ｏ3 ）0.1 の粉末とを重量比９：１の割合で混合
したものに同じくテレピン油を重量比１０：３の割合で
混合してペースト状としたものを塗布し、厚み８０μｍ
の空気極第二層４を形成する。その後、空気中にて１１
００℃で４時間処理して固体電解質膜２に焼き付けて合
計厚み約１００μｍの空気極３４となす。
【００２５】燃料極第一層５と燃料極第二層６とは両者
を以てＳＯＦＣ１の燃料極５６となすものであり、その
作製は、次のようにして行われる。先ず、平均粒径３μ
ｍのＮｉ粉末と平均粒径０．５μｍの（ＺｒＯ2 ）0.9
（Ｙ2 Ｏ3 ）0.1 の粉末とを重量比１：２の割合で混合
したものにテレピン油を重量比１０：３の割合で混合し
てペースト状となし、これを固体電解質膜２のもう一方
の面２５に塗布して厚み２０μｍの燃料極第一層５を形
成する。続いてその上面５０（図面では下面）に、平均
粒径３μｍのＮｉ粉末と、平均粒径１０μｍの（ＺｒＯ
2 ）0.9（Ｙ2 Ｏ3 ）0.1 の粉末とを重量比１：１の割
合で混合したものに同じくテレピン油を重量比１０：３
の割合で混合してペースト状としたものを塗布し、厚み
８０μｍの燃料極第二層６を形成する。その後、これら
の燃料極第一層５並びに燃料極第二層６を乾燥させて合
計厚み１００μｍの燃料極５６とし、単電池として組み
立て、所定の条件にて１０００℃迄昇温して固体電解質
膜２に焼き付けられる。
を以てＳＯＦＣ１の燃料極５６となすものであり、その
作製は、次のようにして行われる。先ず、平均粒径３μ
ｍのＮｉ粉末と平均粒径０．５μｍの（ＺｒＯ2 ）0.9
（Ｙ2 Ｏ3 ）0.1 の粉末とを重量比１：２の割合で混合
したものにテレピン油を重量比１０：３の割合で混合し
てペースト状となし、これを固体電解質膜２のもう一方
の面２５に塗布して厚み２０μｍの燃料極第一層５を形
成する。続いてその上面５０（図面では下面）に、平均
粒径３μｍのＮｉ粉末と、平均粒径１０μｍの（ＺｒＯ
2 ）0.9（Ｙ2 Ｏ3 ）0.1 の粉末とを重量比１：１の割
合で混合したものに同じくテレピン油を重量比１０：３
の割合で混合してペースト状としたものを塗布し、厚み
８０μｍの燃料極第二層６を形成する。その後、これら
の燃料極第一層５並びに燃料極第二層６を乾燥させて合
計厚み１００μｍの燃料極５６とし、単電池として組み
立て、所定の条件にて１０００℃迄昇温して固体電解質
膜２に焼き付けられる。
【００２６】図２は、本発明にかかる固体電解質型燃料
電池の単電池の電極部分の断面構造を示す拡大模式図で
ある。電極１０１は、固体電解質膜１００に接するよう
に形成された第一層１０２と、第一層１０２に接するよ
うに形成された第二層１０３とから構成されている。ま
た、第一層１０２については、粒径の小さい固体電解質
粉体１０４（図中、斜線を施して示す）が電子導電性材
料１０６（図中、斑点を施して示す）と共に混合されて
おり、第二層１０３については、粒径の大きい固体電解
質粉体１０５（図中、同じく斜線を施して示す）が同じ
く電子導電性材料１０６と共に混合されている。
電池の単電池の電極部分の断面構造を示す拡大模式図で
ある。電極１０１は、固体電解質膜１００に接するよう
に形成された第一層１０２と、第一層１０２に接するよ
うに形成された第二層１０３とから構成されている。ま
た、第一層１０２については、粒径の小さい固体電解質
粉体１０４（図中、斜線を施して示す）が電子導電性材
料１０６（図中、斑点を施して示す）と共に混合されて
おり、第二層１０３については、粒径の大きい固体電解
質粉体１０５（図中、同じく斜線を施して示す）が同じ
く電子導電性材料１０６と共に混合されている。
【００２７】そして、粒径の小さい固体電解質粉体１０
４が第一層１０２に混合されたことにより、電極１０１
の固体電解質膜１００との密着性が増大し、その結果、
熱膨張による剥離が防止される。また、電極反応が起こ
る三相界面１０７（図中、電極１０１の固体電解質膜１
００との界面近傍において、太線で描いて示す部分）が
大きくなって、分極を小さくする。
４が第一層１０２に混合されたことにより、電極１０１
の固体電解質膜１００との密着性が増大し、その結果、
熱膨張による剥離が防止される。また、電極反応が起こ
る三相界面１０７（図中、電極１０１の固体電解質膜１
００との界面近傍において、太線で描いて示す部分）が
大きくなって、分極を小さくする。
【００２８】一方、第二層１０３では、粒径の大きい固
体電解質粉体１０５が混合されたことにより、焼結によ
る体積収縮が防止され、長期にわたって気孔１０８を保
持する。従って、このような電極を燃料極及び空気極の
両者に適用することにより、電極反応を長期にわたって
円滑に且つ、安定に進行させることが可能となる。ま
た、第一層１０２と第二層１０３との間に、更に第三の
層を形成し、固体電解質粉体の粒径を段階的に変化させ
ても、上記と同様な結果が得られる。
体電解質粉体１０５が混合されたことにより、焼結によ
る体積収縮が防止され、長期にわたって気孔１０８を保
持する。従って、このような電極を燃料極及び空気極の
両者に適用することにより、電極反応を長期にわたって
円滑に且つ、安定に進行させることが可能となる。ま
た、第一層１０２と第二層１０３との間に、更に第三の
層を形成し、固体電解質粉体の粒径を段階的に変化させ
ても、上記と同様な結果が得られる。
【００２９】図３は、図１における固体電解質型燃料電
池の、放電試験による出力電圧の経時変化を示すグラフ
である。なお、図は電流密度を３００ｍＡ／ｃｍ2 とし
て定電流放電を行った場合の、単電池当たりの電圧Ｖと
時間（ｈｒ）との関係を示しており、放電特性即ち、電
池の寿命特性を示している。グラフからも明らかなよう
に、本発明にかかる電池では、その出力電圧変化（実線
で示す）が従来の電池における出力電圧変化（破線で示
す）と比較して、濃度過電圧及び活性化過電圧が低減し
た分だけ、初期の出力電圧において向上されていること
が確認できる。また、電極の焼結が抑制されることか
ら、本発明にかかる電池では、全体に、従来のものと比
較して経時変化が少ないことが確認できる。
池の、放電試験による出力電圧の経時変化を示すグラフ
である。なお、図は電流密度を３００ｍＡ／ｃｍ2 とし
て定電流放電を行った場合の、単電池当たりの電圧Ｖと
時間（ｈｒ）との関係を示しており、放電特性即ち、電
池の寿命特性を示している。グラフからも明らかなよう
に、本発明にかかる電池では、その出力電圧変化（実線
で示す）が従来の電池における出力電圧変化（破線で示
す）と比較して、濃度過電圧及び活性化過電圧が低減し
た分だけ、初期の出力電圧において向上されていること
が確認できる。また、電極の焼結が抑制されることか
ら、本発明にかかる電池では、全体に、従来のものと比
較して経時変化が少ないことが確認できる。
【００３０】なお、以上の実施例においては、燃料極、
及び空気極の両電極共に、本発明にかかる電極構成をと
ったものを示したが、もちろん一方の電極のみをかかる
構成にした場合にも同様な効果を期待できるものであ
る。また、電極性能の劣化を防止するために、電極構成
材料としてセラミックス粉体の表面を電子導電性物質で
被覆した複合粉体を使用し、更に、かかる複合粉体と固
体電解質粉体とを混合使用することも大変有効な手段で
ある。図６は電極部分の断面構造の他の実施例を示す模
式図であって、固体電解質膜６０に接する電極６１が、
セラミックス粉体６２を核とし、これを電子導電性物質
６３で被覆した複合粉体６４と、固体電解質粉体６５と
が混合されて形成されている状態が示されている。
及び空気極の両電極共に、本発明にかかる電極構成をと
ったものを示したが、もちろん一方の電極のみをかかる
構成にした場合にも同様な効果を期待できるものであ
る。また、電極性能の劣化を防止するために、電極構成
材料としてセラミックス粉体の表面を電子導電性物質で
被覆した複合粉体を使用し、更に、かかる複合粉体と固
体電解質粉体とを混合使用することも大変有効な手段で
ある。図６は電極部分の断面構造の他の実施例を示す模
式図であって、固体電解質膜６０に接する電極６１が、
セラミックス粉体６２を核とし、これを電子導電性物質
６３で被覆した複合粉体６４と、固体電解質粉体６５と
が混合されて形成されている状態が示されている。
【００３１】ここで、核となるセラミックス粉体６２に
ついては、固体電解質の他に、固体電解質膜６０と熱膨
張性が適合し、焼結しにくい物質であればイオン導電性
の有無に関わらず使用することができる。また、複合粉
体６４の作製については、無電解メッキ法、化学蒸着
法、微粒子コーティング法、真空蒸着法、スパッタリン
グ法等の方法を使用することができる。
ついては、固体電解質の他に、固体電解質膜６０と熱膨
張性が適合し、焼結しにくい物質であればイオン導電性
の有無に関わらず使用することができる。また、複合粉
体６４の作製については、無電解メッキ法、化学蒸着
法、微粒子コーティング法、真空蒸着法、スパッタリン
グ法等の方法を使用することができる。
【００３２】このようにして形成された電極６１によれ
ば、焼結による体積収縮が防止され、気孔が保持される
ため、電極反応が起こる三相界面を長期にわたって保持
することが可能となる。また、固体電解質粉体６５を混
合しているため、三相界面が三次元的に拡大して反応が
起こり易くなっている。更に、固体電解質膜６０と電極
６１との熱膨張性適合効果は良好となっている。そし
て、このような電極６１を使用したＳＯＦＣに対して放
電試験を行った結果については、図３に示したと略同様
な結果が得られている。従って、セラミックス粉体を電
子導電性物質で被覆してなる複合粉体を電極材料として
使用することにより、電極反応を円滑に進行させ、しか
も、その長期安定性に富む電極を得ることができるよう
になる。
ば、焼結による体積収縮が防止され、気孔が保持される
ため、電極反応が起こる三相界面を長期にわたって保持
することが可能となる。また、固体電解質粉体６５を混
合しているため、三相界面が三次元的に拡大して反応が
起こり易くなっている。更に、固体電解質膜６０と電極
６１との熱膨張性適合効果は良好となっている。そし
て、このような電極６１を使用したＳＯＦＣに対して放
電試験を行った結果については、図３に示したと略同様
な結果が得られている。従って、セラミックス粉体を電
子導電性物質で被覆してなる複合粉体を電極材料として
使用することにより、電極反応を円滑に進行させ、しか
も、その長期安定性に富む電極を得ることができるよう
になる。
【００３３】次に、電池性能を向上させるために、固体
電解質型燃料電池の隔壁部となる固体電解質膜として、
金属と固体電解質を混合してなるサーメットを使用する
こともできる。この場合、サーメットを構成する金属と
しては、電極反応の触媒性に優れたニッケル、コバル
ト、鉄、銅、白金、或いはパラジウムが使用される。そ
して、サーメットを構成する固体電解質については、酸
素イオン導電性を有するものとして、例えば、ＺｒＯ2
とＹ2 Ｏ3との固溶体等、酸化ジルコニウムと２価また
は３価の金属酸化物とからなる固溶体、ＣｅＯ2 とＬａ
2 Ｏ3 との固溶体や、ＴｈＯ2 とＹ2 Ｏ3 の固溶体等、
酸化セリウムまたは酸化トリウムと２価または３価の金
属酸化物とからなる固溶体、Ｂｉ2 Ｏ3 とＥｒ2 Ｏ3 と
の固溶体やＳｍ2 Ｏ3 とＳｒＯとの固溶体等、酸化ビス
マスまたは酸化サマリウムと２価、３価、５価もしくは
６価の金属酸化物とからなる固溶体、ＳｒＴｉＯ3 やＣ
ａＴｉ0.7 Ａｌ0.3 Ｏ3 等のペロブスカイト型酸化物固
溶体、Ｃｄ2 Ｎｂ2 Ｏ7 のようなパイロクロア型酸化物
固溶体などが使用される。
電解質型燃料電池の隔壁部となる固体電解質膜として、
金属と固体電解質を混合してなるサーメットを使用する
こともできる。この場合、サーメットを構成する金属と
しては、電極反応の触媒性に優れたニッケル、コバル
ト、鉄、銅、白金、或いはパラジウムが使用される。そ
して、サーメットを構成する固体電解質については、酸
素イオン導電性を有するものとして、例えば、ＺｒＯ2
とＹ2 Ｏ3との固溶体等、酸化ジルコニウムと２価また
は３価の金属酸化物とからなる固溶体、ＣｅＯ2 とＬａ
2 Ｏ3 との固溶体や、ＴｈＯ2 とＹ2 Ｏ3 の固溶体等、
酸化セリウムまたは酸化トリウムと２価または３価の金
属酸化物とからなる固溶体、Ｂｉ2 Ｏ3 とＥｒ2 Ｏ3 と
の固溶体やＳｍ2 Ｏ3 とＳｒＯとの固溶体等、酸化ビス
マスまたは酸化サマリウムと２価、３価、５価もしくは
６価の金属酸化物とからなる固溶体、ＳｒＴｉＯ3 やＣ
ａＴｉ0.7 Ａｌ0.3 Ｏ3 等のペロブスカイト型酸化物固
溶体、Ｃｄ2 Ｎｂ2 Ｏ7 のようなパイロクロア型酸化物
固溶体などが使用される。
【００３４】また、水素イオン導電性を有するものとし
ては、例えば、ＳｒＣｅ0.95Ｙｂ0. 05Ｏ3-α（αは酸素
欠損数）やＳｒＣｅ0.9 Ｓｃ0.1 Ｏ3-αなどのＳｒＣｅ
Ｏ3 系ペロブスカイト型酸化物固溶体、ＢａＣｅ0.9 Ｎ
ｂ0.1 Ｏ3-αやＢａＣｅ0.9 Ｌａ0.1 Ｏ3-αなどのＢａ
ＣｅＯ3 系ペロブスカイト型酸化物固溶体などが使用さ
れるが、これらに限定されるものではない。
ては、例えば、ＳｒＣｅ0.95Ｙｂ0. 05Ｏ3-α（αは酸素
欠損数）やＳｒＣｅ0.9 Ｓｃ0.1 Ｏ3-αなどのＳｒＣｅ
Ｏ3 系ペロブスカイト型酸化物固溶体、ＢａＣｅ0.9 Ｎ
ｂ0.1 Ｏ3-αやＢａＣｅ0.9 Ｌａ0.1 Ｏ3-αなどのＢａ
ＣｅＯ3 系ペロブスカイト型酸化物固溶体などが使用さ
れるが、これらに限定されるものではない。
【００３５】隔壁部の作製については、スラリーコーテ
ィング法、メッキ法、各種溶射法、ＰＶＤ、ＣＶＤ等が
使用できるが、その他の製膜方法を使用しても差し支え
ない。また、固体電解質の緻密化のために、必要に応じ
て高温処理することが好ましい。更に、サーメット中に
おける固体電解質の含有量については、７０％以上とす
ることが好ましい。このようにすることによって、金属
成分の短絡が防止され、電池電圧の低下を招くことがな
くなるのである。
ィング法、メッキ法、各種溶射法、ＰＶＤ、ＣＶＤ等が
使用できるが、その他の製膜方法を使用しても差し支え
ない。また、固体電解質の緻密化のために、必要に応じ
て高温処理することが好ましい。更に、サーメット中に
おける固体電解質の含有量については、７０％以上とす
ることが好ましい。このようにすることによって、金属
成分の短絡が防止され、電池電圧の低下を招くことがな
くなるのである。
【００３６】以上のようなサーメットを隔壁として使用
すれば、固体電解質が複雑に連結し、電極・固体電解質
界面の反応有効面積を大きくすることが可能である。特
に、サーメット中の金属として白金などの酸化されにく
い金属を用いた場合には、これが燃料極、空気極におけ
る反応触媒として働くため、電池性能を一層向上させる
ことができる。また、ニッケルなどの空気極側で酸化さ
れるような金属を用いた場合においても、これが燃料極
に対しては反応触媒として働き、空気極に対してはその
酸化物が固体電解質の強度を保つ支持体として働くの
で、電池性能及び強度を一段と向上させることができ
る。しかも、隔壁部全体の厚みに対して占める平均的な
固体電解質の厚みを小さくすることができるため、電池
のオーム損を小さくすることも可能である。
すれば、固体電解質が複雑に連結し、電極・固体電解質
界面の反応有効面積を大きくすることが可能である。特
に、サーメット中の金属として白金などの酸化されにく
い金属を用いた場合には、これが燃料極、空気極におけ
る反応触媒として働くため、電池性能を一層向上させる
ことができる。また、ニッケルなどの空気極側で酸化さ
れるような金属を用いた場合においても、これが燃料極
に対しては反応触媒として働き、空気極に対してはその
酸化物が固体電解質の強度を保つ支持体として働くの
で、電池性能及び強度を一段と向上させることができ
る。しかも、隔壁部全体の厚みに対して占める平均的な
固体電解質の厚みを小さくすることができるため、電池
のオーム損を小さくすることも可能である。
【００３７】図７は、隔壁部に上述したような特徴をも
つ固体電解質型燃料電池の単電池の断面構造を示す模式
図である。この燃料電池の隔壁部７０はサーメットとし
て形成されている。即ち、酸素イオン導電体である（Ｚ
ｒＯ2 ）0.9 （Ｙ2 Ｏ3 ）0. 1 の粉末とＮｉ粉末を９：
１の重量比で混合したものを用い、空気中における焼成
によって厚さ２００μｍの気体を通さない緻密なペレッ
トを作製する。このとき、Ｎｉ部分は酸化されてＮｉＯ
（図中、番号７３で示す黒く塗り潰した粒子のこと）と
なっており、固体電解質部分７２（図中、斜線を施して
示す）の支持体として働くが、単電池に組み立てた後１
０００℃まで昇温し燃料ガスを供給することによって燃
料極側のＮｉＯは還元されてＮｉ（図中、番号７１で示
す斑点を施した粒子のこと）となり、反応触媒として働
く。
つ固体電解質型燃料電池の単電池の断面構造を示す模式
図である。この燃料電池の隔壁部７０はサーメットとし
て形成されている。即ち、酸素イオン導電体である（Ｚ
ｒＯ2 ）0.9 （Ｙ2 Ｏ3 ）0. 1 の粉末とＮｉ粉末を９：
１の重量比で混合したものを用い、空気中における焼成
によって厚さ２００μｍの気体を通さない緻密なペレッ
トを作製する。このとき、Ｎｉ部分は酸化されてＮｉＯ
（図中、番号７３で示す黒く塗り潰した粒子のこと）と
なっており、固体電解質部分７２（図中、斜線を施して
示す）の支持体として働くが、単電池に組み立てた後１
０００℃まで昇温し燃料ガスを供給することによって燃
料極側のＮｉＯは還元されてＮｉ（図中、番号７１で示
す斑点を施した粒子のこと）となり、反応触媒として働
く。
【００３８】次に、この隔壁部７０の片面にペロブスカ
イト型酸化物であるＬａ0.9 Ｓｒ0. 1 ＭｎＯ3 粉末と
（ＺｒＯ2 ）0.9 （Ｙ2 Ｏ3 ）0.1 粉末を重量比４：１
で混合し、更に、この混合物にテレピン油を重量比１
０：３で混入したペーストを塗布し、空気中にて１１０
０℃で４時間焼き付けて空気極７４とした。続いて、Ｎ
ｉ粉末と（ＺｒＯ2 ）0.9 （Ｙ2 Ｏ3 ）0.1 粉末を重量
比２：１で混合し、更に、この混合物にテレピン油を重
量比１０：３で混入したペーストを、隔壁部７０のもう
一方の面に塗布し、空気中で１０００℃まで昇温して焼
き付け、燃料極７５とした。
イト型酸化物であるＬａ0.9 Ｓｒ0. 1 ＭｎＯ3 粉末と
（ＺｒＯ2 ）0.9 （Ｙ2 Ｏ3 ）0.1 粉末を重量比４：１
で混合し、更に、この混合物にテレピン油を重量比１
０：３で混入したペーストを塗布し、空気中にて１１０
０℃で４時間焼き付けて空気極７４とした。続いて、Ｎ
ｉ粉末と（ＺｒＯ2 ）0.9 （Ｙ2 Ｏ3 ）0.1 粉末を重量
比２：１で混合し、更に、この混合物にテレピン油を重
量比１０：３で混入したペーストを、隔壁部７０のもう
一方の面に塗布し、空気中で１０００℃まで昇温して焼
き付け、燃料極７５とした。
【００３９】図８は、図７に示す固体電解質型燃料電池
の単電池における、放電試験による電流−電圧の関係を
示すグラフである。従来の電池（その特性を破線でもっ
て示す）と比較して、隔壁部を改良した本電池（その特
性を実線でもって示す）は、活性化過電圧及びオーム損
が低減した分、その特性の向上が計れたものと考えられ
る。また、測定の結果から、起電力が略理論値であった
ことから、隔壁部におけるＮｉの短絡は起こらなかった
ものと考えられる。
の単電池における、放電試験による電流−電圧の関係を
示すグラフである。従来の電池（その特性を破線でもっ
て示す）と比較して、隔壁部を改良した本電池（その特
性を実線でもって示す）は、活性化過電圧及びオーム損
が低減した分、その特性の向上が計れたものと考えられ
る。また、測定の結果から、起電力が略理論値であった
ことから、隔壁部におけるＮｉの短絡は起こらなかった
ものと考えられる。
【００４０】図９は、隔壁部構造の他の実施例を示す模
式図である。図で示すように、この隔壁部９０は、燃料
極９４側にサーメット膜９１が、空気極９３側に固体電
解質膜９２が配されるように各膜９１、９２が積重され
て形成されている。サーメット膜９１としては、酸素イ
オン導電体である（ＺｒＯ2 ）0.9 （Ｙ2 Ｏ3 ）0.1 粉
末とＮｉ粉末を9:１の重量比で混合したものが使用さ
れ、空気中における焼成よって厚さ１５０μｍの気体を
通さない緻密なペレットを形成した。
式図である。図で示すように、この隔壁部９０は、燃料
極９４側にサーメット膜９１が、空気極９３側に固体電
解質膜９２が配されるように各膜９１、９２が積重され
て形成されている。サーメット膜９１としては、酸素イ
オン導電体である（ＺｒＯ2 ）0.9 （Ｙ2 Ｏ3 ）0.1 粉
末とＮｉ粉末を9:１の重量比で混合したものが使用さ
れ、空気中における焼成よって厚さ１５０μｍの気体を
通さない緻密なペレットを形成した。
【００４１】次に、このサーメット膜９１の片面に（Ｚ
ｒＯ2 ）0.9 （Ｙ2 Ｏ3 ）0.1 粉末をプラズマ溶射し、
厚さ５０μｍの固体電解質膜９２を形成し、サーメット
膜９１と積重して隔壁部９０とした。そして、隔壁部９
０の両面に図７で示したと同様にして空気極９３と燃料
極９４を形成して単電池となした。この単電池に対しも
図８と同様に、放電試験を行ったところ、略同様な結果
が得られた。
ｒＯ2 ）0.9 （Ｙ2 Ｏ3 ）0.1 粉末をプラズマ溶射し、
厚さ５０μｍの固体電解質膜９２を形成し、サーメット
膜９１と積重して隔壁部９０とした。そして、隔壁部９
０の両面に図７で示したと同様にして空気極９３と燃料
極９４を形成して単電池となした。この単電池に対しも
図８と同様に、放電試験を行ったところ、略同様な結果
が得られた。
【００４２】なお、各膜の積重方法として、固体電解質
膜９２の両面にサーメット膜９１を配置しても差し支え
ない。但し、この場合の固体電解質膜９２の厚みについ
ては、固体電解質膜のみを隔壁としていた従来の場合よ
りも小さく形成される。そして、そのために生じる強度
の低下及びガスリークの問題については、隣接するサー
メット膜９１によってカバーすることができる。また、
サーメット膜９１中における固体電解質部分について
は、緻密な膜を形成し、金属成分の短絡を防止する必要
があるため、その含有量を７０％以上にするのが好まし
い。
膜９２の両面にサーメット膜９１を配置しても差し支え
ない。但し、この場合の固体電解質膜９２の厚みについ
ては、固体電解質膜のみを隔壁としていた従来の場合よ
りも小さく形成される。そして、そのために生じる強度
の低下及びガスリークの問題については、隣接するサー
メット膜９１によってカバーすることができる。また、
サーメット膜９１中における固体電解質部分について
は、緻密な膜を形成し、金属成分の短絡を防止する必要
があるため、その含有量を７０％以上にするのが好まし
い。
【００４３】以上のような隔壁部の構造をとる場合、強
度の高い、ガスリークの起こらない隔壁が得られ、しか
も電池抵抗を小さくすることができる。また、先に説明
したように金属と固体電解質が混合されたサーメット膜
においては、固体電解質部分が複雑に連結し、電極・固
体電解質界面の反応有効面積が大きくなり、特にサーメ
ット中の金属として白金などの酸化されにくい金属を使
用した場合においては燃料極、空気極の両極の反応触媒
として働くため、より電池性能を向上させる。また、ニ
ッケルなどの様に空気極側で酸化されるような金属を用
いた場合においては、燃料側の反応触媒として働くた
め、電池性能を向上すると同時に電池の強度を向上させ
ることも可能である。
度の高い、ガスリークの起こらない隔壁が得られ、しか
も電池抵抗を小さくすることができる。また、先に説明
したように金属と固体電解質が混合されたサーメット膜
においては、固体電解質部分が複雑に連結し、電極・固
体電解質界面の反応有効面積が大きくなり、特にサーメ
ット中の金属として白金などの酸化されにくい金属を使
用した場合においては燃料極、空気極の両極の反応触媒
として働くため、より電池性能を向上させる。また、ニ
ッケルなどの様に空気極側で酸化されるような金属を用
いた場合においては、燃料側の反応触媒として働くた
め、電池性能を向上すると同時に電池の強度を向上させ
ることも可能である。
【００４４】
【発明の効果】以上の本発明によれば、固体電解質型燃
料電池の高温での長期運転に際し、電極と固体電解質膜
との良好な密着性が保持され、更に、電極中の気孔を減
少させずに保持することが可能となる。また、電極の組
成成分の凝集が抑制されることから、電池を運転するこ
とによって、そのオーム損を増大させることもなくな
る。
料電池の高温での長期運転に際し、電極と固体電解質膜
との良好な密着性が保持され、更に、電極中の気孔を減
少させずに保持することが可能となる。また、電極の組
成成分の凝集が抑制されることから、電池を運転するこ
とによって、そのオーム損を増大させることもなくな
る。
【００４５】従って、電極反応性を格段に向上させ、高
温長期運転に対しても極めて安定であり、且つ、強度的
にも十分満足のゆく固体電解質型燃料電池を得ることが
可能となる。
温長期運転に対しても極めて安定であり、且つ、強度的
にも十分満足のゆく固体電解質型燃料電池を得ることが
可能となる。
【図１】本発明にかかる固体電解質型燃料電池の単電池
の断面構成を示す説明図である。
の断面構成を示す説明図である。
【図２】同じく、本発明にかかる固体電解質型燃料電池
の単電池の電極部分の断面構造を示す拡大模式図であ
る。
の単電池の電極部分の断面構造を示す拡大模式図であ
る。
【図３】図１における固体電解質型燃料電池の放電試験
による出力電圧の経時変化を示すグラフである。
による出力電圧の経時変化を示すグラフである。
【図４】従来の固体電解質型燃料電池の単電池の断面構
造を示す模式図である。
造を示す模式図である。
【図５】同じく、従来の固体電解質型燃料電池を長期運
転した後の単電池の断面状態を示す模式図である。
転した後の単電池の断面状態を示す模式図である。
【図６】電極部分の断面構造の他の実施例を示す模式図
である。
である。
【図７】隔壁部に特徴をもつ固体電解質型燃料電池の単
電池の断面構造を示す模式図である。
電池の断面構造を示す模式図である。
【図８】図７に示す固体電解質型燃料電池の単電池にお
ける放電試験による電流−電圧の関係を示すグラフであ
る。
ける放電試験による電流−電圧の関係を示すグラフであ
る。
【図９】隔壁部の構造の他の実施例を示す模式図であ
る。
る。
１ 固体電解質型燃料電池 ２ 固体電解質膜 ３ 空気極第一層 ４ 空気極第二層 ５ 燃料極第一層 ６ 燃料極第二層
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成４年１月２３日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００４】 ここで、燃料極１４に対しては燃料ガス
（Ｈ2 、ＣＯ等）が供給され、燃料極１４内の気孔１５
を通過して固体電解質膜１２との界面Ａの近傍に達す
る。また、空気極１３に対しては空気が供給され、空気
極１３内の気孔１６を通過して固体電解質膜１２との界
面Ｂの近傍に達する。そして、この界面Ｂ近傍部分に
て、空気に含まれている酸素が酸素イオンとなり、更
に、この酸素イオンが固体電解質膜１２内を拡散移動し
て、界面Ａ近傍に達する。この時、界面Ａ近傍では、燃
料ガスと酸素イオンが反応して反応生成物（Ｈ2 Ｏ、Ｃ
Ｏ2 等）が生成される。ここで、固体電解質膜１２は、
酸素イオンを燃料極１４まで移動させる媒体となってい
ると共に、燃料ガスと空気（酸化剤ガス）とが直接接触
しないようにするための隔壁にもなっている。
（Ｈ2 、ＣＯ等）が供給され、燃料極１４内の気孔１５
を通過して固体電解質膜１２との界面Ａの近傍に達す
る。また、空気極１３に対しては空気が供給され、空気
極１３内の気孔１６を通過して固体電解質膜１２との界
面Ｂの近傍に達する。そして、この界面Ｂ近傍部分に
て、空気に含まれている酸素が酸素イオンとなり、更
に、この酸素イオンが固体電解質膜１２内を拡散移動し
て、界面Ａ近傍に達する。この時、界面Ａ近傍では、燃
料ガスと酸素イオンが反応して反応生成物（Ｈ2 Ｏ、Ｃ
Ｏ2 等）が生成される。ここで、固体電解質膜１２は、
酸素イオンを燃料極１４まで移動させる媒体となってい
ると共に、燃料ガスと空気（酸化剤ガス）とが直接接触
しないようにするための隔壁にもなっている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００５】 以上の電極反応を化学反応式で示すと、
下記のようになる。 空気極１３ １／２Ｏ2 ＋２ｅ- ＝Ｏ2- 燃料極１４ Ｏ2-＝１／２Ｏ2 ＋２ｅ- 総括の反応 Ｈ2 ＋１／２Ｏ2 ＝Ｈ2 Ｏ （或いはＣＯ＋１／２Ｏ2 ＝ＣＯ2 ） このような電極反応は、燃料と空気が供給される限り半
永久的に継続される筈であるが、高温での長期にわたる
運転によって、各電極１３、１４を構成する電子導電性
材料１３０、１４０が焼結するため、電極内における構
成材料間の剥離現象を招くと共に、気孔１５、１６の減
少を招くことにもなりかねない。その結果、電極反応が
円滑に進行しなくなってしまうのである。図５は、その
ような状態を示すものであり、従来のＳＯＦＣを長期運
転した後の単電池の断面状態を示す模式図である。 ─────────────────────────────────────────────────────
下記のようになる。 空気極１３ １／２Ｏ2 ＋２ｅ- ＝Ｏ2- 燃料極１４ Ｏ2-＝１／２Ｏ2 ＋２ｅ- 総括の反応 Ｈ2 ＋１／２Ｏ2 ＝Ｈ2 Ｏ （或いはＣＯ＋１／２Ｏ2 ＝ＣＯ2 ） このような電極反応は、燃料と空気が供給される限り半
永久的に継続される筈であるが、高温での長期にわたる
運転によって、各電極１３、１４を構成する電子導電性
材料１３０、１４０が焼結するため、電極内における構
成材料間の剥離現象を招くと共に、気孔１５、１６の減
少を招くことにもなりかねない。その結果、電極反応が
円滑に進行しなくなってしまうのである。図５は、その
ような状態を示すものであり、従来のＳＯＦＣを長期運
転した後の単電池の断面状態を示す模式図である。 ─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成４年１月２３日
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正内容】
【図６】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 秋山 幸徳 守口市京阪本通２丁目18番地 三洋電機株 式会社内 (72)発明者 村上 修三 守口市京阪本通２丁目18番地 三洋電機株 式会社内 (72)発明者 齋藤 俊彦 守口市京阪本通２丁目18番地 三洋電機株 式会社内 (72)発明者 古川 修弘 守口市京阪本通２丁目18番地 三洋電機株 式会社内
Claims (1)
- 【請求項１】 固体電解質膜を介し、空気極と燃料極を
対向して配した固体電解質型燃料電池において、 前記空気極及び燃料極の少なくとも一方の電極構造を多
層構造となす一方、 各電極の内容組成を、電子導電性材料に対し、少なくと
も前記固体電解質膜の形成成分である固体電解質材料を
含む混合組成となし、 更に、前記固体電解質材料の粒径を、該固体電解質膜の
近傍位置から遠ざかる方向に小径から大径へと段階的に
変化するように調整したことを特徴とする固体電解質型
燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3310740A JPH05151981A (ja) | 1991-11-26 | 1991-11-26 | 固体電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3310740A JPH05151981A (ja) | 1991-11-26 | 1991-11-26 | 固体電解質型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05151981A true JPH05151981A (ja) | 1993-06-18 |
Family
ID=18008920
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3310740A Pending JPH05151981A (ja) | 1991-11-26 | 1991-11-26 | 固体電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05151981A (ja) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0888008A (ja) * | 1994-09-19 | 1996-04-02 | Toyota Motor Corp | 燃料電池とその製造方法 |
| EP1225648A2 (en) * | 2001-01-17 | 2002-07-24 | Nissan Motor Co., Ltd. | Solid oxide fuel cell |
| JP2002260677A (ja) * | 2001-02-28 | 2002-09-13 | Kyocera Corp | 固体電解質型燃料電池セルおよび燃料電池 |
| JP2004531857A (ja) * | 2001-04-10 | 2004-10-14 | ハネウェル インターナショナル，インコーポレーテッド | 固体酸化物燃料電池の高性能陰極 |
| WO2004109827A1 (ja) * | 2003-06-03 | 2004-12-16 | Ngk Insulator5S Ltd. | 電気化学セル用基板および電気化学セル |
| 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 |
| US7201993B2 (en) * | 2000-08-04 | 2007-04-10 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Polymer electrolyte fuel cell |
| JP2011514644A (ja) * | 2008-03-18 | 2011-05-06 | テクニカル ユニヴァーシティー オブ デンマーク | 全セラミックス固体酸化物形電池 |
| JP2013511795A (ja) * | 2009-11-18 | 2013-04-04 | フォルシュングスツェントルム・ユーリッヒ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング | 高温燃料電池のためのアノードならびにその製造 |
| US9496576B2 (en) | 2006-11-23 | 2016-11-15 | Technical University Of Denmark | Thin solid oxide cell |
| JP2021018901A (ja) * | 2019-07-19 | 2021-02-15 | 森村Ｓｏｆｃテクノロジー株式会社 | 電気化学反応単セル、および、電気化学反応セルスタック |
-
1991
- 1991-11-26 JP JP3310740A patent/JPH05151981A/ja active Pending
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0888008A (ja) * | 1994-09-19 | 1996-04-02 | Toyota Motor Corp | 燃料電池とその製造方法 |
| US7201993B2 (en) * | 2000-08-04 | 2007-04-10 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Polymer electrolyte fuel cell |
| US7326484B2 (en) | 2001-01-17 | 2008-02-05 | Nissan Motor Co., Ltd. | Solid oxide fuel cell |
| US6893760B2 (en) | 2001-01-17 | 2005-05-17 | Nissan Motor Co., Ltd. | Solid oxide fuel cell |
| EP1225648A3 (en) * | 2001-01-17 | 2007-09-05 | Nissan Motor Co., Ltd. | Solid oxide fuel cell |
| EP1225648A2 (en) * | 2001-01-17 | 2002-07-24 | Nissan Motor Co., Ltd. | Solid oxide fuel cell |
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| JP2004531857A (ja) * | 2001-04-10 | 2004-10-14 | ハネウェル インターナショナル，インコーポレーテッド | 固体酸化物燃料電池の高性能陰極 |
| WO2004109827A1 (ja) * | 2003-06-03 | 2004-12-16 | Ngk Insulator5S Ltd. | 電気化学セル用基板および電気化学セル |
| 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 |
| US9496576B2 (en) | 2006-11-23 | 2016-11-15 | Technical University Of Denmark | Thin solid oxide cell |
| JP2011514644A (ja) * | 2008-03-18 | 2011-05-06 | テクニカル ユニヴァーシティー オブ デンマーク | 全セラミックス固体酸化物形電池 |
| US8741425B2 (en) | 2008-03-18 | 2014-06-03 | Technical University Of Denmark | All ceramics solid oxide fuel cell |
| JP2013511795A (ja) * | 2009-11-18 | 2013-04-04 | フォルシュングスツェントルム・ユーリッヒ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング | 高温燃料電池のためのアノードならびにその製造 |
| JP2021018901A (ja) * | 2019-07-19 | 2021-02-15 | 森村Ｓｏｆｃテクノロジー株式会社 | 電気化学反応単セル、および、電気化学反応セルスタック |
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