JP2001102068A - Cylindrical solid electrolyte fuel cell - Google Patents

Cylindrical solid electrolyte fuel cell

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JP2001102068A
JP2001102068A JP27959799A JP27959799A JP2001102068A JP 2001102068 A JP2001102068 A JP 2001102068A JP 27959799 A JP27959799 A JP 27959799A JP 27959799 A JP27959799 A JP 27959799A JP 2001102068 A JP2001102068 A JP 2001102068A
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solid electrolyte
fuel cell
thickness
cylindrical
power generation
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Japanese (ja)
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Yuji Tateishi
勇二 立石
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Kyocera Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cylindrical solid electrolyte fuel cell which can prohibit cracking in the solid electrolyte by heat stress and enhance a power generation efficiency by reducing a maximum air hole diameter within the solid electrolyte and a thickness scattering. SOLUTION: In a cylindrical solid electrolyte fuel cell constituted by forming a porous of air pole 32 in one surface of the solid electrolyte 31 and a porous of fuel electrode 33 in other surface of it and synchronous burning the solid electrolyte 31 and the air electrode 32, the maximum air hole diameter within the solid electrolyte 31 is less than 15 μm and the thickness scattering of the solid electrolyte 31 is also less than 20 μm.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は円筒状固体電解質型
燃料電池セルに関し、特に、固体電解質の片面に多孔性
の空気極を、他面に多孔性の燃料極を形成してなり、固
体電解質と空気極とが同時焼成して形成された円筒状固
体電解質型燃料電池セルに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cylindrical solid electrolyte fuel cell, and more particularly, to a solid electrolyte comprising a porous air electrode formed on one side and a porous fuel electrode formed on the other side. The present invention relates to a cylindrical solid oxide fuel cell formed by co-firing a fuel cell and an air electrode.

【0002】[0002]

【従来技術】固体電解質型燃料電池セルはその作動温度
が900〜1050℃と高温であるため発電効率が高
く、第3世代の発電システムとして期待されている。
2. Description of the Related Art A solid oxide fuel cell has a high power generation efficiency because its operating temperature is as high as 900 to 1050 ° C., and is expected as a third generation power generation system.

【0003】一般に固体電解質型燃料電池セルには、円
筒型と平板型が知られている。平板型の固体電解質型燃
料電池セルは、発電の単位体積当たり出力密度が高いと
いう特徴を有するが、実用化に関してはガスシール不完
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、円筒型の固体電解質型燃料電池セルで
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徴がある。
両形状の固体電解質型燃料電池セルとも、それぞれの特
徴を生かして積極的に研究開発が進められている。
[0003] In general, a cylindrical type and a flat type are known as solid oxide fuel cells. Plate-type solid oxide fuel cells have the feature of high power density per unit volume of power generation, but there are problems with practical use, such as incomplete gas seals and non-uniform temperature distribution in the cell. .
In contrast, a cylindrical solid oxide fuel cell has a low output density but a high mechanical strength of the cell,
Another feature is that uniformity of the temperature inside the cell can be maintained.
Both types of solid oxide fuel cells are being actively researched and developed utilizing their respective characteristics.

【0004】円筒型の固体電解質型燃料電池セルは、図
2に示すように開気孔率30〜40%程度のLaMnO
3 系材料からなる多孔性の空気極2を形成し、その表面
にY2 3 含有のZrO2 からなる固体電解質3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を設けている。燃料電池のモジュールにおいては、
各単セルはLaCrO3 系の集電体(インターコネク
タ)5を介して接続される。発電は、空気極2内部に空
気6(酸素)を、外部に燃料7(水素)を流し、100
0〜1050℃の温度で行われる。
As shown in FIG. 2, a cylindrical solid oxide fuel cell has a LaMnO having an open porosity of about 30 to 40%.
A porous air electrode 2 made of a tertiary material is formed, the surface thereof is coated with a solid electrolyte 3 made of ZrO 2 containing Y 2 O 3 , and a porous Ni-zirconia fuel electrode 4 is further formed on this surface. Provided. In the fuel cell module,
Each single cell is connected via a LaCrO 3 -based current collector (interconnector) 5. Power generation is performed by flowing air 6 (oxygen) inside the air electrode 2 and fuel 7 (hydrogen) outside,
It is performed at a temperature of 0 to 1050 ° C.

【0005】上記のような円筒型の固体電解質型燃料電
池セルを製造する方法としては、近年、製造工程を簡略
化し、且つ製造コストを低減するために、各構成材料の
うち少なくとも2つを同時焼成する、いわゆる共焼結法
が提案されている。この共焼結法は、例えば、円筒型の
空気極成形体に、固体電解質成形体および集電体成形体
をロール状に巻き付けて同時焼成を行い、その後、固体
電解質表面に燃料極を形成する方法である。
[0005] In recent years, as a method for manufacturing a cylindrical solid oxide fuel cell as described above, in order to simplify the manufacturing process and reduce the manufacturing cost, at least two of the constituent materials are simultaneously used. A so-called co-sintering method for firing has been proposed. In this co-sintering method, for example, a solid electrolyte molded body and a current collector molded body are wound around a cylindrical air electrode molded body in a roll shape and simultaneously fired, and thereafter, a fuel electrode is formed on the solid electrolyte surface. Is the way.

【0006】例えば、特開平9−129245号公報に
は、円筒型の空気極成形体の表面に固体電解質のシート
状成形体を巻き付けた後、固体電解質のシート状成形体
の端部が開口した部分(切欠部)を研摩して平坦状とな
した後、集電体のシート状成形体を積層圧着し、焼成
し、この後、金属を含有するスラリーを固体電解質表面
に塗布して燃料極を形成した円筒型の固体電解質型燃料
電池セルが開示されている。
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-129245 discloses that a solid electrolyte sheet-like molded body is wound around the surface of a cylindrical air electrode molded body, and then the end of the solid electrolyte sheet-like molded body is opened. After the portion (notch portion) is polished to a flat shape, a sheet-like formed body of the current collector is laminated and pressed, and baked. Then, a slurry containing a metal is applied to the surface of the solid electrolyte to form a fuel electrode. Discloses a solid oxide fuel cell having a cylindrical shape.

【0007】ところで、固体電解質型燃料電池セルで
は、発電する際、固体電解質はポーラスな空気極を介し
て酸化雰囲気に、ポーラスな燃料極を介して水素などの
還元雰囲気に晒されている。そのため、固体電解質材料
は酸化・還元の両雰囲気に対して化学的に安定で、か
つ、両雰囲気を遮断するために緻密であることが要求さ
れる。
In a solid oxide fuel cell, when power is generated, the solid electrolyte is exposed to an oxidizing atmosphere via a porous air electrode and to a reducing atmosphere such as hydrogen via a porous fuel electrode. Therefore, the solid electrolyte material is required to be chemically stable to both the oxidation and reduction atmospheres and to be dense in order to shut off both atmospheres.

【0008】また、固体電解質の厚みが大きいと酸素イ
オンの透過性が低くなるため、固体電解質は薄く形成す
ることが必要である。
Further, when the thickness of the solid electrolyte is large, the permeability of oxygen ions becomes low. Therefore, it is necessary to form the solid electrolyte thin.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】固体電解質は、上記し
たように、イオンを効率的に通過させるために薄く形成
する必要があるが、一方で還元雰囲気と酸化雰囲気を完
全に遮断する必要がある。しかしながら、従来の固体電
解質型燃料電池セルでは、発電中に固体電解質にクラッ
クが発生し、還元雰囲気と酸化雰囲気を完全に遮断する
ことができず、発電特性が劣化するという問題があっ
た。
As described above, the solid electrolyte needs to be formed thin in order to allow ions to pass efficiently, but it is necessary to completely shut off the reducing atmosphere and the oxidizing atmosphere. . However, the conventional solid oxide fuel cell has a problem that cracks occur in the solid electrolyte during power generation, so that the reducing atmosphere and the oxidizing atmosphere cannot be completely shut off, and the power generation characteristics deteriorate.

【0010】これは、固体電解質型燃料電池セルの製造
工程で、固体電解質成形体中に繊維等の有機物が混入
し、焼成後に固体電解質中に大きな気孔が生成すること
に起因し、このように大きな気孔が発生した固体電解質
に、発電等による熱応力が作用し、クラックが発生する
という現象を引き起こしていた。このため、熱応力によ
るクラックの発生を防止するため、その厚みを200〜
300μmと厚くせざるを得ず、その結果、酸素イオン
の透過性が劣化し、発電特性が劣化するという問題があ
った。
[0010] This is due to the fact that in the manufacturing process of the solid oxide fuel cell, organic substances such as fibers are mixed in the solid electrolyte molded article, and large pores are formed in the solid electrolyte after firing. Thermal stress due to power generation or the like acts on the solid electrolyte in which large pores have been generated, causing a phenomenon in which cracks are generated. Therefore, in order to prevent the occurrence of cracks due to thermal stress, the thickness is set to 200 to
The thickness must be as thick as 300 μm. As a result, there is a problem that oxygen ion permeability is deteriorated and power generation characteristics are deteriorated.

【0011】また、固体電解質の厚みが不均一である
と、この不均一な部分に応力が集中してクラック発生の
原因となるだけでなく、固体電解質中を通過するイオン
量も場所によって不均一となり、発電性能が低下すると
いう問題があった。
When the thickness of the solid electrolyte is non-uniform, not only the stress is concentrated on the non-uniform portion, causing cracks, but also the amount of ions passing through the solid electrolyte varies depending on the location. Therefore, there is a problem that power generation performance is reduced.

【0012】従来、固体電解質を形成するためにCVD
法やスラリーディップ法などの方法が用いられていた
が、CVD法は薄層化は容易だが、逆に十分な雰囲気の
遮断能力を有する厚みを形成するには、コストが非常に
高いという欠点があった。また、スラリーディップ法は
低コストだが、クラックのない緻密で均一な固体電解質
の形成が困難であった。特に、円筒状の固体電解質型燃
料電池セルの場合には厚みが不均一になり、熱応力が発
生し易いという問題があった。
Conventionally, CVD has been used to form a solid electrolyte.
Although methods such as the slurry method and the slurry dipping method have been used, the CVD method has the disadvantage that it is easy to make the layer thinner, but conversely the cost is very high in order to form a thickness with sufficient atmosphere blocking ability. there were. Further, although the slurry dipping method is low cost, it is difficult to form a dense and uniform solid electrolyte without cracks. In particular, in the case of a cylindrical solid oxide fuel cell, there is a problem that the thickness becomes uneven and thermal stress is easily generated.

【0013】本発明は、固体電解質中の最大気孔径を小
さくし、かつ固体電解質の厚みバラツキを小さくするこ
とにより、固体電解質における熱応力等によるクラック
の発生を防止でき、発電効率を向上できる円筒状固体電
解質型燃料電池セルを提供することを目的とする。
The present invention reduces the maximum pore diameter in the solid electrolyte and reduces the variation in the thickness of the solid electrolyte, thereby preventing the occurrence of cracks due to thermal stress or the like in the solid electrolyte and improving the power generation efficiency. It is an object of the present invention to provide a solid electrolyte fuel cell.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明の円筒状固体電解
質型燃料電池セルは、固体電解質の片面に多孔性の空気
極を、他面に多孔性の燃料極を形成してなり、前記固体
電解質と前記空気極とが同時焼成して形成された円筒状
固体電解質型燃料電池セルにおいて、前記固体電解質中
の最大気孔径が15μm以下であり、かつ、前記固体電
解質の厚みバラツキが20μm以下のものである。
According to the present invention, there is provided a cylindrical solid oxide fuel cell comprising a solid electrolyte having a porous air electrode formed on one surface and a porous fuel electrode formed on the other surface. In a cylindrical solid oxide fuel cell formed by simultaneously firing an electrolyte and the air electrode, the maximum pore size in the solid electrolyte is 15 μm or less, and the thickness variation of the solid electrolyte is 20 μm or less. Things.

【0015】このような構成を採用することにより、気
孔を起因とする熱応力によるクラックの発生を防止でき
るとともに、熱応力が発生し難いため、固体電解質の厚
みを薄くすることができ、その結果、酸素イオンの透過
性を向上し、発電特性を向上できる。また、固体電解質
の厚みが均一となるので応力集中が生じ難くなり、固体
電解質中を通過するイオン量も均一となり、発電性能を
向上することができる。
By adopting such a configuration, it is possible to prevent the occurrence of cracks due to thermal stress caused by pores, and to reduce the thickness of the solid electrolyte because thermal stress is unlikely to occur. In addition, oxygen ion permeability can be improved, and power generation characteristics can be improved. In addition, since the thickness of the solid electrolyte becomes uniform, stress concentration hardly occurs, the amount of ions passing through the solid electrolyte becomes uniform, and power generation performance can be improved.

【0016】また、本発明の固体電解質型燃料電池セル
では、固体電解質の平均厚みを80〜120μmとする
ことが望ましい。これは、上記したように、固体電解質
の厚みを薄くしてもクラック等が発生しないため、固体
電解質の平均厚みを80〜120μmとすることが可能
となり、このように厚みを薄くすることにより、酸素イ
オンの伝導性をさらに向上し、発電特性を向上すること
ができる。
In the solid oxide fuel cell of the present invention, it is desirable that the average thickness of the solid electrolyte is 80 to 120 μm. This is because, as described above, cracks and the like do not occur even if the thickness of the solid electrolyte is reduced, so that the average thickness of the solid electrolyte can be set to 80 to 120 μm, and by thus reducing the thickness, The conductivity of oxygen ions can be further improved, and the power generation characteristics can be improved.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】本発明の円筒状固体電解質型燃料
電池セルは、図1に示すように、円筒状の固体電解質3
1の内面に空気極32、外面に燃料極33を形成してセ
ル本体34が構成されており、このセル本体34の外面
に、空気極32と電気的に接続する集電体35が形成さ
れている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A cylindrical solid electrolyte fuel cell according to the present invention has a cylindrical solid electrolyte 3 as shown in FIG.
A cell body 34 is formed by forming an air electrode 32 on the inner surface and a fuel electrode 33 on the outer surface. A current collector 35 electrically connected to the air electrode 32 is formed on the outer surface of the cell body 34. ing.

【0018】即ち、固体電解質31の一部に切欠部36
が形成され、固体電解質31の内面に形成されている空
気極32の一部が露出しており、この露出面37および
切欠部36近傍の固体電解質31の両端部表面が集電体
35により被覆され、集電体35が、固体電解質31の
両端部表面、および固体電解質31の切欠部36から露
出した空気極32の表面に接合されている。
That is, the notch 36 is formed in a part of the solid electrolyte 31.
Is formed, and a part of the air electrode 32 formed on the inner surface of the solid electrolyte 31 is exposed, and both ends of the solid electrolyte 31 near the exposed surface 37 and the notch 36 are covered with the current collector 35. The current collector 35 is joined to the surfaces of both ends of the solid electrolyte 31 and the surface of the air electrode 32 exposed from the notch 36 of the solid electrolyte 31.

【0019】空気極32と電気的に接続する集電体35
はセル本体34の外面に形成され、ほぼ段差のない連続
同一面39を覆うように形成されており、燃料極33と
は電気的に接続されていない。この集電体35は、セル
同士を接続する際に、他のセルの燃料極にNiフェルト
を介して電気的に接続され、これにより燃料電池モジュ
ールが構成される。連続同一面39は、固体電解質成形
体の両端部と空気極成形体の一部とが連続したほぼ同一
面となるまで、固体電解質成形体の両端部間を研摩する
ことにより形成される。
Current collector 35 electrically connected to air electrode 32
Is formed on the outer surface of the cell body 34 so as to cover the continuous same surface 39 having almost no level difference, and is not electrically connected to the fuel electrode 33. When connecting the cells, the current collector 35 is electrically connected to the fuel electrode of another cell via Ni felt, thereby forming a fuel cell module. The continuous same surface 39 is formed by polishing between both ends of the solid electrolyte molded body until both end portions of the solid electrolyte molded body and a part of the air electrode molded body become substantially the same continuous surface.

【0020】固体電解質31は、例えば3〜20モル%
のY2 3 あるいはYb2 3 を含有した部分安定化あ
るいは安定化ZrO2 が用いられ、空気極32は、例え
ば、LaおよびMnを含有するペロブスカイト型複合酸
化物を主成分とするもので、Caを酸化物換算で8〜1
0重量%、希土類元素のうち少なくとも一種を酸化物換
算で10〜20重量%含有しても良い。希土類元素とし
ては、Y、Nd、Dy、Er、Yb等があり、このうち
でもYが望ましい。燃料極33としては、例えば、50
〜80重量%Niを含むZrO2 (Y2 3 含有)が用
いられる。
The solid electrolyte 31 is, for example, 3 to 20 mol%
A partially stabilized or stabilized ZrO 2 containing Y 2 O 3 or Yb 2 O 3 is used, and the air electrode 32 is made of a perovskite-type composite oxide containing La and Mn as a main component. , Ca is 8 to 1 in terms of oxide.
0% by weight and at least one of the rare earth elements may be contained in an amount of 10 to 20% by weight in terms of oxide. Rare earth elements include Y, Nd, Dy, Er, Yb and the like, and among them, Y is desirable. As the fuel electrode 33, for example, 50
ZrO 2 (Y 2 O 3 content) containing 80 wt% Ni are used.

【0021】集電体35は、金属元素としてLa、Cr
およびMgを含有するぺロブスカイト型結晶を主結晶と
するものであり、希土類元素やアルカリ土類金属元素を
含有するものであっても良い。集電体35には、さらに
MgO結晶を含有することが、集電体35の熱膨張係数
を高くして、固体電解質31や空気極32のそれと一致
させることができるため望ましい。
The current collector 35 is composed of La and Cr as metal elements.
And a perovskite-type crystal containing Mg as a main crystal, and may contain a rare earth element or an alkaline earth metal element. It is desirable that the current collector 35 further contain MgO crystals since the thermal expansion coefficient of the current collector 35 can be increased to match that of the solid electrolyte 31 and the air electrode 32.

【0022】固体電解質31、空気極32、燃料極33
としては、上記例に限定されるものではなく、公知材料
を用いても良い。
Solid electrolyte 31, air electrode 32, fuel electrode 33
Is not limited to the above example, and a known material may be used.

【0023】そして、本発明の円筒状固体電解質型燃料
電池セルでは、固体電解質中に存在する最大気孔径が1
5μm以下であり、かつ、固体電解質の厚みバラツキが
20μm以下とされている。このように、固体電解質の
内部に発生する最大の気孔径を15μm以下としたの
は、最大気孔径が15μmよりも大きくなると、この気
孔が起点となってクラックが発生するからである。最大
気孔径は、特に、10μm以下であることが望ましい。
In the cylindrical solid oxide fuel cell according to the present invention, the maximum pore diameter present in the solid electrolyte is 1
The thickness is 5 μm or less, and the thickness variation of the solid electrolyte is 20 μm or less. The reason why the maximum pore diameter generated inside the solid electrolyte is set to 15 μm or less is that if the maximum pore diameter is larger than 15 μm, the pores serve as starting points to cause cracks. It is particularly desirable that the maximum pore diameter is 10 μm or less.

【0024】また、固体電解質の厚みバラツキが20μ
m以下としたのは、20μmよりも大きい場合には、厚
みが不均一な部分に応力が集中してクラック発生の原因
となるだけでなく、固体電解質中を通過するイオン量も
不均一となり、発電性能が低下するからである。固体電
解質の厚みバラツキは、特に、15μm以下であること
が望ましい。
The thickness variation of the solid electrolyte is 20 μm.
When it is larger than 20 μm, the stress is concentrated on a portion having a non-uniform thickness to cause cracks, and the amount of ions passing through the solid electrolyte becomes non-uniform. This is because the power generation performance is reduced. It is particularly desirable that the thickness variation of the solid electrolyte is 15 μm or less.

【0025】さらに、固体電解質の厚みは80〜120
μmであることが望ましい。このように固体電解質の厚
みを薄くすることにより、イオン伝導性が向上し、発電
特性を向上することができる。一方、固体電解質の厚み
が80μmよりも薄くなると熱応力によるクラックが生
成し易くなり、120μmよりも厚くなると、酸素イオ
ン透過性が低下し易くなる。
Further, the thickness of the solid electrolyte is 80 to 120.
μm is desirable. By thus reducing the thickness of the solid electrolyte, ionic conductivity is improved, and power generation characteristics can be improved. On the other hand, when the thickness of the solid electrolyte is less than 80 μm, cracks are easily generated due to thermal stress, and when the thickness is more than 120 μm, oxygen ion permeability tends to decrease.

【0026】以上のように構成された固体電解質型燃料
電池セルは、以下のようにして作製できる。例えば、円
筒状の空気極成形体(または空気極仮焼体)の外表面
に、ドクターブレード法により作製した固体電解質シー
トを、その両端が離間するように(開口部が形成される
ように)貼り付け、仮焼した後、固体電解質仮焼体の両
端間が同一平面となるまで研摩し、この部分に集電体シ
ートを貼り付け、さらに固体電解質シートの表面に燃料
極シートを貼り付け、その後1400〜1600℃の温
度で2〜10時間大気中で焼成して作製される。この場
合、燃料極の形成はスラリーを塗布して、共焼結時に焼
成しても良いし、空気極、固体電解質、集電体の共焼結
後に焼成しても良い。スラリーを塗布しただけでも良
い。この場合には、発電中に焼成されることになる。
The solid oxide fuel cell constructed as described above can be manufactured as follows. For example, a solid electrolyte sheet produced by a doctor blade method is placed on the outer surface of a cylindrical air electrode molded body (or calcined air electrode body) so that both ends thereof are separated (so that an opening is formed). After sticking and calcining, the solid electrolyte calcined body is polished until both ends are flush with each other, a current collector sheet is attached to this portion, and a fuel electrode sheet is further attached to the surface of the solid electrolyte sheet, Thereafter, it is fired in the air at a temperature of 1400 to 1600 ° C. for 2 to 10 hours to produce. In this case, the fuel electrode may be formed by applying a slurry and firing at the time of co-sintering, or firing after co-sintering the air electrode, the solid electrolyte, and the current collector. The slurry may be simply applied. In this case, firing is performed during power generation.

【0027】そして、固体電解質中に存在する最大気孔
径を15μm以下とするには、以下のような製法を採用
する必要がある。
In order to reduce the maximum pore size in the solid electrolyte to 15 μm or less, it is necessary to adopt the following production method.

【0028】固体電解質層の粗大気孔の発生を防止し、
安定した発電性能を有する固体電解質型燃料電池を作製
するするには、固体電解質シートの内部に気孔の発生源
となる異物や混合不均一部分、粗大粒などを除去しなく
てはならない。
Preventing generation of coarse pores in the solid electrolyte layer,
In order to manufacture a solid oxide fuel cell having stable power generation performance, it is necessary to remove foreign matter, a non-uniform mixture portion, coarse particles, and the like, which are sources of pores, in the solid electrolyte sheet.

【0029】固体電解質シートを均一な組織に形成する
には、スラリーの混合性を高くする必要がある。スラリ
ーの混合性を高くするには、スラリー作製の初期にはバ
インダー総添加量の一部のみを添加し、低粘度の状態で
混合する。これにより、粉体成分間で十分な混合状態が
得られる。そして、その後は、段階的にバインダーを添
加する。これにより、粉体とバインダー間でさらに高い
混合状態が得られる。また、初期混合の時間を十分に確
保することにより、全体の十分に高い混合状態が得られ
る。
In order to form the solid electrolyte sheet into a uniform structure, it is necessary to increase the mixing property of the slurry. In order to improve the mixing property of the slurry, only a part of the total amount of the binder is added in the initial stage of slurry preparation, and the slurry is mixed in a low viscosity state. Thereby, a sufficient mixing state between the powder components can be obtained. Thereafter, the binder is added stepwise. Thereby, a higher mixing state between the powder and the binder can be obtained. In addition, by ensuring a sufficient time for the initial mixing, a sufficiently high mixing state of the whole can be obtained.

【0030】さらに、スラリーを混合する前に、セラミ
ック粉体が焼結しない程度の温度で粉体を空焼きし、繊
維などの有機物の異物を除去したり、スラリーをグリー
ンシートに成形する前に、金属メッシュおよび樹脂繊維
フィルターをパスさせることにより、凝集粒や焼結後の
気孔の発生源となりうる繊維等の異物を除去することが
できる。これにより、最大気孔径を15μm以下とする
ことができ、固体電解質におけるクラック等の不良の発
生を防止することができる。
Further, before mixing the slurry, the powder is baked at a temperature at which the ceramic powder does not sinter to remove organic foreign substances such as fibers, and before the slurry is formed into green sheets. By passing through the metal mesh and the resin fiber filter, foreign substances such as fibers that can be a source of aggregated particles and pores after sintering can be removed. Thereby, the maximum pore diameter can be set to 15 μm or less, and occurrence of defects such as cracks in the solid electrolyte can be prevented.

【0031】また、固体電解質の厚みバラツキを20μ
m以下とするためには、焼結前に固体電解質シートを平
滑な樹脂シートに挟んで静水圧プレスすることにより、
均一な厚みの固体電解質シートを得ることができ、この
ような固体電解質シートを用いることにより、固体電解
質の厚みバラツキを20μm以下とすることができる。
このようなシートを複数積層することにより、さらに均
一な厚みの固体電解質シートを得ることができる。
The thickness variation of the solid electrolyte is reduced by 20 μm.
m or less, by sintering the solid electrolyte sheet between smooth resin sheets and isostatic pressing before sintering,
A solid electrolyte sheet having a uniform thickness can be obtained, and by using such a solid electrolyte sheet, the thickness variation of the solid electrolyte can be reduced to 20 μm or less.
By laminating a plurality of such sheets, a solid electrolyte sheet having a more uniform thickness can be obtained.

【0032】以上のように構成された固体電解質型燃料
電池セルでは、固体電解質に存在する最大気孔径を15
μm以下とし、固体電解質の厚みバラツキを20μm以
下としたので、気孔に起因するクラックの発生を防止で
きるとともに、熱応力が発生し難いため、固体電解質の
厚みを薄くすることができ、その結果、酸素イオンの透
過性を向上し、発電特性を向上することができる。ま
た、固体電解質の厚みが均一となるので応力集中がさら
に生じ難くなり、固体電解質中を通過するイオン量も均
一となり、発電性能をさらに向上することができる。
In the solid oxide fuel cell configured as described above, the maximum pore size existing in the solid
μm or less, and the thickness variation of the solid electrolyte is set to 20 μm or less, so that cracks due to pores can be prevented, and thermal stress does not easily occur, so that the thickness of the solid electrolyte can be reduced, and Oxygen ion permeability can be improved, and power generation characteristics can be improved. In addition, since the thickness of the solid electrolyte becomes uniform, stress concentration hardly occurs, the amount of ions passing through the solid electrolyte becomes uniform, and the power generation performance can be further improved.

【0033】そして、気孔によるクラックの発生を防止
できるため、固体電解質の厚みを薄くすることができ、
固体電解質の厚みを80〜120μmとすることがで
き、これにより、固体電解質中を通過するイオン量が増
加し、発電性能をさらに向上することができる。
Since the occurrence of cracks due to pores can be prevented, the thickness of the solid electrolyte can be reduced.
The thickness of the solid electrolyte can be set to 80 to 120 μm, whereby the amount of ions passing through the solid electrolyte increases, and the power generation performance can be further improved.

【0034】[0034]

【実施例】空気極を形成する粉末として、市販の平均結
晶粒径8μmのLa0.8 Sr0.2MnO3 粉末を用い、
焼結時の収縮率を制御するためにポア形成剤であるアビ
セル(商品名)を添加し、押出成形により外径18m
m、内径12mmの中空の円筒状空気極成形体を作製し
た。
EXAMPLE As a powder for forming an air electrode, a commercially available La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 powder having an average crystal grain size of 8 μm was used.
Avicel (trade name) as a pore-forming agent was added to control the shrinkage during sintering, and the outer diameter was 18 m by extrusion molding.
m, a hollow cylindrical air electrode molded body having an inner diameter of 12 mm was produced.

【0035】また、市販の純度99.9%以上、平均結
晶粒径1〜2μmのLa2 CO3 、Cr2 3 、MgO
の粉末を調合し、ジルコニアボールを用いた回転ミルに
て10時間混合後、1200℃で2時間仮焼し、La
(Mg0.3 Cr0.7 0.973+10重量%MgO組成
の仮焼粉末を作製し、この粉末を用いてドクターブレー
ド法により130μmの厚さの集電体シートを作製し
た。
A commercially available La 2 CO 3 , Cr 2 O 3 , MgO having a purity of 99.9% or more and an average crystal grain size of 1 to 2 μm.
Were mixed in a rotary mill using zirconia balls for 10 hours, and then calcined at 1200 ° C. for 2 hours to obtain La.
A calcined powder having a composition of (Mg 0.3 Cr 0.7 ) 0.97 O 3 +10 wt% MgO was prepared, and a current collector sheet having a thickness of 130 μm was prepared using the powder by a doctor blade method.

【0036】さらに、市販の純度99.9%以上、平均
結晶粒径0.5〜0.8μmのY23 を8mol%固
溶した部分安定化ZrO2 粉末を用意した。
Further, a commercially available partially stabilized ZrO 2 powder having a solid solution of 8 mol% of Y 2 O 3 having a purity of 99.9% or more and an average crystal grain size of 0.5 to 0.8 μm was prepared.

【0037】この粉体を大気中500℃で1時間、空焼
きした。この粉末に対して5重量%のバインダーを添加
して2日間、混合させた。さらにこの粉体に対して20
重量%のバインダーを添加して2日間、混合してスラリ
ーを作製した。このスラリーを#400のステンレスメ
ッシュをパスし、さらに、20μmの濾別能力を有する
フィルターでパスした。このスラリーをドクターブレー
ド法により厚み40〜100μmの固体電解質用のグリ
ーンシートを成形した。
The powder was calcined in air at 500 ° C. for 1 hour. 5% by weight of a binder was added to the powder and mixed for 2 days. In addition, 20
The slurry was prepared by adding 2 wt% of the binder and mixing for 2 days. This slurry was passed through a # 400 stainless steel mesh, and further passed through a filter having a filtering ability of 20 μm. This slurry was formed into a green sheet for a solid electrolyte having a thickness of 40 to 100 μm by a doctor blade method.

【0038】また、#400のステンレスメッシュには
パスさせたが、20μmの濾別能力を有するフィルター
にはパスさせていないスラリーを用いた固体電解質用の
グリーンシートも作製した。さらに#200のステンレ
スメッシュにはパスさせたが、#400のステンレスメ
ッシュと20μmの濾別能力を有するフィルターにはパ
スさせていないスラリーを用いた固体電解質用のグリー
ンシートも作製した。また、ステンレスメッシュ及びフ
ィルターともにパスさせていないスラリーを用いた固体
電解質用のグリーンシートも作製した。
Further, a green sheet for a solid electrolyte was prepared using a slurry which was passed through a stainless steel mesh of # 400 but was not passed through a filter having a filtering ability of 20 μm. Further, a green sheet for a solid electrolyte was prepared using a slurry which was passed through a stainless steel mesh of # 200 but was not passed through a filter having a filtering ability of 20 μm with a stainless steel mesh of # 400. In addition, a green sheet for a solid electrolyte was prepared using a slurry in which neither the stainless mesh nor the filter was passed.

【0039】上記固体電解質用のシートを複数枚積層
し、樹脂シートにはさんで静水圧プレスによって100
〜130μmの固体電解質シートにした。
A plurality of the above-mentioned sheets for solid electrolyte are laminated, sandwiched between resin sheets, and pressed by a hydrostatic press.
A solid electrolyte sheet having a thickness of about 130 μm was formed.

【0040】この後、円筒状空気極成形体の表面に、上
記固体電解質シートを巻き付けた後、仮焼し、固体電解
質仮焼体の両端部間を研摩して空気極仮焼体および固体
電解質仮焼体により平坦部を形成し、この平坦部に集電
体シートを貼り付け、1500℃で3時間焼成し、表1
に示すような厚み80〜120μmの固体固体電解質を
有する円筒状固体電解質型燃料電池セルを得た。
Thereafter, the solid electrolyte sheet is wound around the surface of the cylindrical air electrode molded body, then calcined, and the both ends of the calcined solid electrolyte body are polished to polish the air electrode calcined body and the solid electrolyte. A flat portion was formed from the calcined body, a current collector sheet was attached to the flat portion, and baked at 1500 ° C. for 3 hours.
As a result, a cylindrical solid oxide fuel cell having a solid electrolyte having a thickness of 80 to 120 μm as shown in FIG.

【0041】そして、80重量%NiO/20重量%Y
2 3 含有する部分安定化ZrO2の混合粉体を、固体
電解質表面に50μmの厚みに塗布し、1400℃大気
中1時間の熱処理を行い、図1に示す固体電解質型燃料
電池セルを作製した。
Then, 80% by weight NiO / 20% by weight Y
A mixed powder of partially stabilized ZrO 2 containing 2 O 3 was applied to the surface of the solid electrolyte to a thickness of 50 μm, and heat-treated at 1400 ° C. in the air for 1 hour to produce a solid oxide fuel cell shown in FIG. did.

【0042】この後、セルの一端を封止し、内部を大気
で1kgf/cm2 に加圧した状態で水没させ、ガスリ
ークの発生を確認することでクラックの発生状況を調査
した。クラックの発生状況は、円筒状固体電解質型燃料
電池セル50cmあたりの固体電解質のクラックの発生
数を求めることにより算出した。また、セルの断面を5
ヵ所鏡面研磨して固体電解質の走査電子顕微鏡(SE
M)観察を行い、最も大きい気孔の直径を測定し、最大
気孔径とした。また、その固体電解質の厚みの最大の部
分と最小の部分の差を測定し、厚みバラツキとした。そ
の結果を表1に示す。
Thereafter, one end of the cell was sealed, and the cell was immersed in water with the inside pressurized to 1 kgf / cm 2 with air, and the occurrence of cracks was investigated by confirming the occurrence of gas leak. The occurrence of cracks was calculated by determining the number of cracks generated in the solid electrolyte per 50 cm of the cylindrical solid oxide fuel cell. The cross section of the cell is 5
Scanning Electron Microscope (SE)
M) Observation was performed, the diameter of the largest pore was measured, and the measured diameter was defined as the maximum pore diameter. In addition, the difference between the maximum part and the minimum part of the thickness of the solid electrolyte was measured to determine the thickness variation. Table 1 shows the results.

【0043】[0043]

【表1】 [Table 1]

【0044】この表1より、固体電解質中の最大気孔径
が15μm以下であり、かつ、固体電解質の厚みバラツ
キが20μm以下である本発明の試料No.5〜9では、
クラックの発生がないことが判る。一方、粉体の空焼
き、メッシュパス、フィルターパスの処理をしない試料
No.1〜3では、クラックが2カ所以上発生しているこ
とが判る。
As shown in Table 1, the samples Nos. 5 to 9 of the present invention in which the maximum pore size in the solid electrolyte is 15 μm or less and the thickness variation of the solid electrolyte is 20 μm or less,
It can be seen that no cracks occurred. On the other hand, in Samples Nos. 1 to 3 which were not subjected to the powder baking, the mesh pass, and the filter pass, it was found that cracks occurred at two or more places.

【0045】また、本発明者は、クラックの発生がない
試料No.4、5について、燃料極面の電流密度が0.4
A/cm2 となるように調節し、発電状態のまま固体電
解質部分の電位降下の経時変化を測定した。その結果を
表2に示す。
The inventors of the present invention have found that the current density on the fuel electrode surface of Sample Nos.
A / cm 2 was adjusted, and the change over time in the potential drop of the solid electrolyte portion was measured while the power generation state was maintained. Table 2 shows the results.

【0046】[0046]

【表2】 [Table 2]

【0047】この表2より、表1の試料No.4を用いた
場合、電位降下が著しく、100時間後に破損すること
が判る。一方、本発明の試料No.5を用いた場合、電位
降下が小さく、発電運転中の固体電解質の導電性が安定
化し、破損を防止できることが判る。
As can be seen from Table 2, when the sample No. 4 in Table 1 was used, the potential drop was remarkable, and the sample was damaged after 100 hours. On the other hand, when the sample No. 5 of the present invention was used, it was found that the potential drop was small, the conductivity of the solid electrolyte during power generation operation was stabilized, and breakage could be prevented.

【0048】[0048]

【発明の効果】本発明の固体電解質型燃料電池セルで
は、固体電解質中の最大気孔径を15μm以下とし、固
体電解質の厚みバラツキを20μm以下としたので、熱
応力によるクラックの発生を防止できるとともに、熱応
力が発生し難いため、固体電解質の厚みを薄くすること
ができ、その結果、酸素イオンの透過性を向上し、発電
特性が向上することができるとともに、固体電解質の厚
みが均一となるので応力集中が生じ難くなり、固体電解
質中を通過するイオン量も均一となり、良好な発電性能
を長期間維持することができる。
According to the solid oxide fuel cell of the present invention, the maximum pore diameter in the solid electrolyte is set to 15 μm or less, and the thickness variation of the solid electrolyte is set to 20 μm or less. Since the thermal stress is not easily generated, the thickness of the solid electrolyte can be reduced, and as a result, the permeability of oxygen ions can be improved, the power generation characteristics can be improved, and the thickness of the solid electrolyte becomes uniform. Therefore, stress concentration hardly occurs, the amount of ions passing through the solid electrolyte becomes uniform, and good power generation performance can be maintained for a long time.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の円筒状固体電解質型燃料電池セルを示
す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing a cylindrical solid oxide fuel cell according to the present invention.

【図2】従来の固体電解質型燃料電池セルを示す斜視図
である。
FIG. 2 is a perspective view showing a conventional solid oxide fuel cell.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

32・・・空気極 31・・・固体電解質 33・・・燃料極 35・・・集電体 32 ... air electrode 31 ... solid electrolyte 33 ... fuel electrode 35 ... current collector

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】固体電解質の片面に多孔性の空気極を、他
面に多孔性の燃料極を形成してなり、前記固体電解質と
前記空気極とが同時焼成して形成された円筒状固体電解
質型燃料電池セルにおいて、前記固体電解質中の最大気
孔径が15μm以下であり、かつ、前記固体電解質の厚
みバラツキが20μm以下であることを特徴とする円筒
状固体電解質型燃料電池セル。
1. A cylindrical solid formed by forming a porous air electrode on one side of a solid electrolyte and a porous fuel electrode on the other side, and simultaneously firing the solid electrolyte and the air electrode. A cylindrical solid electrolyte fuel cell, wherein the maximum pore size in the solid electrolyte is 15 μm or less, and the thickness variation of the solid electrolyte is 20 μm or less.
【請求項2】固体電解質の厚みが80〜120μmであ
ることを特徴とする請求項1記載の円筒状固体電解質型
燃料電池セル。
2. The cylindrical solid electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the thickness of the solid electrolyte is 80 to 120 μm.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Cited By (3)

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