(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極、固体電解質膜及び空気極からなる三層膜の発電部の前記各極が５μｍ以下の気孔径を有し、かつ、前記気孔径の均一度が高い多孔質構造を有することを特徴とする平板型の固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
燃料極、固体電解質膜及び空気極からなる三層膜の発電部の前記各極とインターコネクタの接合部が５μｍ以下の気孔径を有し、かつ、前記気孔径の均一度が高い多孔質構造を有することを特徴とする平板型の固体電解質型燃料電池。
【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関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質型燃料電池は、燃料に含有される化学エネルギーを、燃焼による熱エネルギーの形態を経由することなく、電気化学的手段を利用して連続的に電気エネルギーへ直接変換する装置であり、高いエネルギー変換効率を有するものである。
【０００３】
平板型の固体電解質型燃料電池は、例えば第１図の分解斜視図に示すような基本構造からなる。すなわち、燃料極１、固体電解質膜２、及び空気極３の各層を重ねて、三層膜を構成する発電部４があり、これが燃料電池の最小単位となって、外部から供給される水素と空気（酸素）と反応を起こし、電気を発生する。この発電部４を直列に接続、積層して大きな電圧を得るために、発電部４を積層する際、インターコネクタ５を用いて発電部と発電部を仕切っている。
【０００４】
このインターコネクタ５の両面には、互いに直角方向に一連の溝６が設けられ、燃料極側には水素が、また、空気極側には空気（酸素）が入る流路になっている。そして、インターコネクタ５は燃料極１に入る水素と空気極３に入る空気（酸素）とが混じるのを防ぐとともに、二つの発電部を直列に繋ぐための電子伝導体の役目も果たす。燃料極１、空気極３、及びこれら各極とインターコネクタ５との接合部６ａには、電気伝導性を有する多孔質体（図示せず）が用いられている。なお、水素と空気（酸素）が混じるのを防ぐため、発電部４とインターコネクタ５の各端部のガスシールを必要とする接合部７には、ガラス系シール材（図示せず）が用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来、燃料極１、空気極３、及びこれら各極とインターコネクタ５との接合部６ａで用いられる電気伝導性を有する多孔質体は、その微細構造を観察すると、局所的に気孔率（一定の体積中に占める気孔の体積の割合）がばらついた構造になっている。
【０００６】
一般に、多孔質体の気孔率χとヤング率εとの関係式として、
ε＝ε0 ｅｘｐ（−Ｂχ）    ε0 ：χ＝０のときのε    Ｂ：定数
が知られている。
【０００７】
従来の多孔質体の場合、局所的な気孔率のばらつきが大きいため、前記関係式により、局所的なヤング率のばらつきも大きくなる。このため、同じ量の歪みが発生しても、多孔質体の局所では発生する応力のばらつきが大きくなる。そして、所々で破壊応力を超える応力に達して、多孔質体自体が破壊されたり、多孔質体と接合している発電部４（三層膜）やインターコネクタ５が破壊される原因となっていた。また、大きく破壊されるまでに至らない場合でも、部分的な破壊により、燃料極１や空気極３で分極が大きくなったり、接合部６ａでは電気伝導が不良になったりして、燃料電池の性能が悪くなる原因となっていた。
【０００８】
そこで本発明の目的は、燃料極、空気極及び前記各極とインターコネクタの接合部を構成している多孔質体の局所的な気孔率のばらつきを抑えて、前記各極の分極を小さくし、また、前記接合部の電気伝導を良好に保って、電池の性能を向上させることができる固体電解質型燃料電池を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、請求項１において、燃料極、固体電解質膜及び空気極からなる三層膜の発電部の前記各極が５μｍ以下の気孔径を有し、かつ、前記気孔径の均一度が高い多孔質構造を有することを特徴とするものである。
【００１０】
また、請求項２において、燃料極、固体電解質膜及び空気極からなる三層膜の発電部の前記各極とインターコネクタの接合部が５μｍ以下の気孔径を有し、かつ、前記気孔径の均一度が高い多孔質構造を有することを特徴とするものである。
【００１１】
なお、気孔径を５μｍ以下としたのは、本発明者らが実験によって、気孔径と気孔率の各ばらつきの関係を調べた結果、気孔径が５μｍを超えると、そのばらつきを抑えても局所的な気孔率のばらつきは小さくならないことを見出だしているためである。そして同じく、気孔径のばらつきの下限値としては、０．０５μｍ、好ましくは０．１μｍにあることが望ましいことも確認している。
【００１２】
【作用】
本発明によれば、発電部の燃料極と空気極、及び前記各極とインターコネクタの接合部が５μｍ以下の気孔径を有し、かつ、気孔径の均一度が高い多孔質構造を有することにより、気孔径のばらつきが小さくなり、局所的な気孔率のばらつきも小さく押さえることができるようになる。
【００１３】
そして、局所的な気孔率のばらつきが小さいため、局所的なヤング率のばらつきも小さくできる。そのため、仮に歪みが発生しても、多孔質体の局所で発生する応力のばらつきが小さくなり、応力の大きなところでも、破壊応力を超えるような場合をなくすことができる。そして、多孔質体自体が破壊されたり、多孔質体と接合している発電部（三層膜）やインターコネクタが破壊されることも防げる。
【００１４】
これにより、燃料極や空気極では分極が大きくなることがなく、また、燃料極、空気極の各極とインターコネクタの接合部では電気伝導が不良になることもない。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明の実施例及び比較例につき、図面を参照して説明する。
【００１６】
（実施例１）
まず、本発明を平板型の固体電解質型燃料電池の空気極に実施した。
【００１７】
空気極材である粒径約０．５μｍのＬａＭｎＯ3 （ランタンマンガナイト）粉末に、ポリビニルブチラール系の結合剤とエタノールとトルエンとを混合した溶剤、及び気孔を作るための有機高分子で、分級により粒径を約１μｍに揃えた球状セルロース粉末を加えて、空気極ペーストとした。
【００１８】
これを固体電解質膜であるＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）基板の一方の面に塗布して、１２００℃で焼き付けた。そして、この基板の反対側の面には、多孔質性のＰｔ（白金）ペーストを塗布し、１０００℃で焼き付けて燃料極とし、発電部となる三層膜を得た。
【００１９】
（比較例１）
さらに、実施例１と比較を行うべく、空気極材である粒径約０．５μｍのＬａＭｎＯ3 粉末に、ポリビニルブチラール系の結合剤とエタノールとトルエンとを混合した溶剤を加えて、空気極ペーストとした。これをＹＳＺ基板に塗布して１２００℃で焼き付け、この基板の反対側の面には燃料極として、実施例１と同様に多孔質性のＰｔペーストを塗布して１０００℃で焼き付け、発電部となる三層膜を得た。
【００２０】
図２は、実施例１と比較例１を水銀ポロシメータで測定して、空気極の気孔率（空気極の体積に対して気孔体積の占める割合）が３０％であるものの気孔径分布を示している。なお、３０％の気孔率は多孔質体の最良特性を示す状態として知られているものである。横軸に気孔径、縦軸に任意の気孔体積を採り、分布状況を見たが、比較例１は気孔径分布が広くばらついているのに対して、実施例１によれば、気孔径が５μｍ以下であり、その分布がより狭い気孔径の範囲に集中し、均一度が高い多孔質構造になっていることがわかる。
【００２１】
図３は、実施例１と比較例１について、各試料の電流密度と端子電圧を測定した装置の回路図である。燃料極１と空気極３が固体電解質膜２を挟んで発電部４を構成し、前記各極から燃料電池の運転温度に耐えるＰｔ線８を引き出して、電圧計９及び可変抵抗器１０を接続した電流計１１に、それぞれ接続した。Ｐｔ線８と発電部４の各極が接続されている箇所は、運転温度で耐熱気密性に優れたアルミナ管１２で覆っている。
【００２２】
次に図４は、これらの実施例１と比較例１について１０００℃で発電を行い、図３に示す測定装置を用いて電流密度と端子電圧を測定、比較したものである。この比較から、本発明により空気極の電流・電圧特性が改善されたことがわかる。
【００２３】
（実施例２）
次に、本発明を平板型の固体電解質型燃料電池の燃料極に実施した。
【００２４】
燃料極材である粒径約０．５μｍのＮｉＯ（酸化ニッケル）粉末及び粒径約０．５μｍのＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）粉末に、ポリビニルブチラール系の結合剤とエタノールとトルエンとを混合した溶剤、及び気孔を作るための有機高分子で、分級により粒径を約１μｍに揃えた球状セルロース粉末を加えて、燃料極ペーストとした。
【００２５】
これを固体電解質膜であるＹＳＺ基板の一方の面に塗布して、１４００℃で焼き付けた。そして、この基板の反対側の面には、多孔質性のＰｔペーストを塗布し、１０００℃で焼き付けて空気極とし、発電部となる三層膜を得た。
【００２６】
（比較例２）
さらに、実施例２との比較を行うべく、燃料極材である粒径約０．５μｍのＮｉＯ粉末及び粒径約０．５μｍのＹＳＺ粉末に、ポリビニルブチラール系の結合剤とエタノールとトルエンとを混合した溶剤を加えて、燃料極ペーストとした。これをＹＳＺ基板に塗布して１４００℃で焼き付け、この基板の反対側の面には空気極として、実施例品と同様に多孔質性のＰｔペーストを塗布して１０００℃で焼き付け、発電部となる三層膜を得た。
【００２７】
図５は、実施例２と比較例２を水銀ポロシメータで測定して、燃料極の気孔率（燃料極の体積に対して気孔体積の占める割合）が３０％であるものの気孔径分布を示している。横軸に気孔径、縦軸に任意の気孔体積を採り、分布状況を見たが、比較例２は分布が広くばらついているのに対して、実施例２によれば、気孔径が５μｍ以下であり、その分布がより狭い気孔径の範囲に集中し、均一度が高い多孔質構造になっていることがわかる。
【００２８】
図６は、これらの実施例２と比較例２について１０００℃で発電を行い、図３に示す測定装置を用いて電流密度と端子電圧を測定、比較したものである。この比較から、本発明により燃料極の電流・電圧特性が改善されたことがわかる。
【００２９】
（実施例３）
次に、本発明を平板型の固体電解質型燃料電池の発電部（三層膜）の空気極とインターコネクタの接合部に実施した。
【００３０】
接合部材である粒径約０．５μｍのＬａＣｏＯ3 （ランタンコバルタイト）粉末に、ポリビニルブチラール系の結合剤とエタノールとトルエンとを混合した溶剤、及び気孔を作るための有機高分子で、分級により粒径を約１μｍに揃えた球状セルロース粉末を加えて、接合部用ペーストとした。
【００３１】
これを発電部（三層膜）の空気極面に塗布して、インターコネクタをのせて接着し、１２００℃で焼き付けた。
【００３２】
（比較例３）
さらに、実施例３との比較を行うべく、接合部材である粒径約０．５μｍのＬａＣｏＯ3 粉末に、ポリビニルブチラール系の結合剤とエタノールとトルエンとを混合した溶剤を加えて、接合部用ペーストとした。これを実施例３と同様に発電部（三層膜）の空気極面に塗布し、インターコネクタをのせて接着し、１２００℃で焼き付けた。
【００３３】
図７は、実施例３と比較例３を水銀ポロシメータで測定して、接合部の気孔率（接合部の体積に対して気孔体積の占める割合）が３０％であるものの気孔径分布を示している。横軸に気孔径、縦軸に任意の気孔体積を採り、分布状況を見たが、比較例３は分布が広くばらついているのに対して、実施例３によれば、気孔径が５μｍ以下であり、その分布がより狭い気孔径の範囲に集中し、均一度が高い多孔質構造になっていることがわかる。
【００３４】
これらの実施例３と比較例３について１０００℃で発電を行い、発電部（三層膜）の燃料極側は水素雰囲気、空気極側は空気雰囲気にして、空気極とインターコネクタ間の抵抗を測定した。その結果を表１に示す。
【００３５】
【表１】
0003548772.tif 000002
【００３６】
この比較から、本発明により空気極とインタ−コネクタの接合部の抵抗値が従来より減少し、電気伝導特性が改善されたことがわかる。
【００３７】
（実施例４）
次に、本発明を平板型の固体電解質型燃料電池の発電部（三層膜）の燃料極とインターコネクタの接合部に実施した。
【００３８】
接合部材である粒径約０．５μｍのＮｉＯ粉末に、ポリビニルブチラール系の結合剤とエタノールとトルエンとを混合した溶剤、及び気孔を作るための有機高分子で、分級により粒径を約１μｍに揃えた球状セルロース粉末を加えて、接合部用ペーストとした。
【００３９】
これを発電部（三層膜）の燃料極面に塗布して、インターコネクタをのせて接着し、１２００℃で焼き付けた。
【００４０】
（比較例４）
さらに、実施例４との比較を行うべく、接合部材である粒径約０．５μｍのＮｉＯ粉末に、ポリビニルブチラール系の結合剤とエタノールとトルエンとを混合した溶剤を加えて、接合部用ペーストとした。これを実施例４と同様に発電部（三層膜）の燃料極面に塗布し、インターコネクタをのせて接着し、１２００℃で焼き付けた。
【００４１】
図８は、実施例４と比較例４を水銀ポロシメータで測定して、接合部の気孔率が３０％であるものの気孔径分布を示している。横軸に気孔径、縦軸に任意の気孔体積を採り、分布状況を見たが、比較例４は分布が広くばらついているのに対して、実施例４によれば、気孔径が５μｍ以下であり、その分布がより狭い気孔径の範囲（分布の上限は実施例１〜４の中では最も値の大きい５μｍである）に集中し、均一度が高い多孔質構造になっていることがわかる。
【００４２】
これらの実施例４と比較例４について１０００℃で発電を行い、発電部（三層膜）の燃料極側は水素雰囲気、空気極側は空気雰囲気にして、燃料極とインターコネクタ間の抵抗を測定した。その結果を表２に示す。
【００４３】
【表２】
0003548772.tif 000003
【００４４】
この比較から、本発明により燃料極とインターコネクタの接合部の抵抗値が従来より減少し、接合部の電気伝導特性が改善されたことがわかる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明のように、固体電解質型燃料電池の燃料極、空気極及び前記各極とインターコネクタの接合部の気孔径を５μｍ以下にして、気孔径のばらつきを従来より抑え、均一度が高い多孔質構造としたため、局所的な気孔率のばらつきを小さくすることができる。このため、同じ量の歪みが発生しても、多孔質体の局所で発生する応力のばらつきを抑えられるようになり、部分的な破壊の減少で燃料極や空気極では分極が小さくなる。また同様に、各極とインターコネクタの接合部では電気伝導がよくなるなど、発電部に係る多孔質体構造を改善することにより、固体電解質型燃料電池の性能が向上するという効果を奏するものである
【図面の簡単な説明】
【図１】固体電解質型燃料電池の基本構造を示す分解斜視図。
【図２】本発明の実施例１及び比較例１の各試料の空気極の気孔径分布図。
【図３】本発明の実施例１及び２の電流密度と端子電圧の測定装置の回路図。
【図４】本発明の実施例１及び比較例１の電流密度と端子電圧の特性図。
【図５】本発明の実施例２及び比較例２の各試料の燃料極の気孔径分布図。
【図６】本発明の実施例２及び比較例２の電流密度と端子電圧の特性図。
【図７】本発明の実施例３及び比較例３の空気極とインターコネクタの接合部の気孔径分布図。
【図８】本発明の実施例４及び比較例４の燃料極とインターコネクタの接合部の気孔径分布図。
【符号の説明】
１  燃料極
２  固体電解質膜
３  空気極
４  発電部
５  インターコネクタ
６ａ  発電部の各極とインターコネクタの接合部
【図１】
0003548772.tif 000004
【図２】
0003548772.tif 000005
【図３】
0003548772.tif 000006
【図４】
0003548772.tif 000007
【図５】
0003548772.tif 000008
【図６】
0003548772.tif 000009
【図７】
0003548772.tif 000010
【図８】
0003548772.tif 000011