JP2004296277A - 燃料電池セルの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の貫通孔34が軸長方向に形成された板状の導電性支持体成形体43aを作製し、該導電性支持体成形体43aを厚み方向に荷重をかけて乾燥する工程と、該導電性支持体成形体43aの一方側主面に、少なくとも内側電極成形体43b、固体電解質成形体43cを順次設けた積層成形体を作製する工程と、該積層成形体を焼成する工程を具備することを特徴とする。
【選択図】図3
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、寸法精度の高い燃料電池セルの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来技術】
近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収納した燃料電池が種々提案されている。
【0003】
図7は、従来の固体電解質型燃料電池の燃料電池セル1を示すもので、燃料電池セル1は、軸長方向に複数のガス流路3を有する多孔質の支持体を兼ねた扁平な内側電極1a上の外周面に緻密質な固体電解質1b、多孔質な導電性セラミックスからなる外側電極1cを順次設けて構成されており、固体電解質1b、外側電極1cから露出した内側電極1aには、外側電極1cに接続しないようにインターコネクタ1dが設けられ、内側電極1aと電気的に接続している。
【0004】
このような燃料電池セル1では、燃料電池セル1の形状を扁平状とすることにより、燃料電池セル1当たりの発電部の面積を増加させることができ、発電量を増加させることができる。
【0005】
燃料電池は、上記燃料電池セル1を収納容器内に複数収納して構成され、例えば、内側電極1a内部に酸素ガス注入管5を通じて酸素含有ガスを供給し、外側電極1cに燃料ガス(水素)を供給して約1000℃で発電される。
【0006】
この燃料電池セル1の内側電極1aと固体電解質1b、外側電極1cが重なり合っている部分が発電部であり、この発電部で発生した電流は内側電極1aを電流経路とし、インターコネクタ1dを介して他の燃料電池セル1へと接続される(特許文献1参照)。
【0007】
【特許文献1】
特開昭63−261678号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような燃料電池セル1では、燃料電池セル1当たりの発電量をさらに増加させるため、燃料電池セル1の厚みを薄くしたり、燃料電池セル1の幅を広げた場合、支持体を兼ねた内側電極1aの乾燥工程において、内側電極1aが厚み方向あるいは幅方向に変形し、組み立て性が非常に悪いという問題があった。
【0009】
このような問題に鑑み、本発明は、寸法精度の高い燃料電池セルの製造方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池セルの製造方法は、板状の導電性支持体成形体を作製し、該導電性支持体成形体を厚み方向と幅方向に荷重をかけて乾燥する工程と、該導電性支持体成形体の一方側主面に、少なくとも内側電極成形体、固体電解質成形体を順次設けた積層成形体を作製する工程と、該積層成形体を焼成する工程とを具備することを特徴とする。
【0011】
このような燃料電池セルの製造方法では、導電性支持体成形体の乾燥工程において、厚み方向と幅方向に荷重をかけることで、導電性支持体成形体の反りなどの変形を抑制でき、寸法精度の高い燃料電池セルを作製することができる。
【0012】
また、本発明の燃料電池セルの製造方法は、板状の支持体を兼ねる内側電極成形体を作製し、該内側電極成形体を厚み方向と幅方向に荷重をかけて乾燥する工程と、該内側電極成形体の一方側主面に、少なくとも固体電解質成形体を設けた積層成形体を作製する製工程と、該積層成形体を焼成する工程を具備することを特徴とする。
【0013】
このような燃料電池セルの製造方法では、支持体を兼ねる内側電極成形体の乾燥工程において、厚み方向と幅方向に荷重をかけることで、支持体を兼ねる内側電極成形体の反りなどの変形を抑制でき、寸法精度の高い燃料電池セルを作製することができる。
【0014】
また、本発明の燃料電池セルの製造方法は、略平坦な面を有する板部材を用いて荷重が印加されることを特徴とする。
【0015】
このような燃料電池セルの製造方法では、略平坦な面を有する板部材を用いて荷重を印加することで、導電性支持体成形体へ均一に荷重を印加することができ、導電性支持体成形体の変形を抑制することができ、寸法精度の高い燃料電池セルを作製することができる。
【0016】
また、本発明の燃料電池セルの製造方法は、板部材が多孔体であることを特徴とする。このような多孔体の板部材を用いて、成形体に荷重を印加することで、乾燥時において成形体からの溶剤の揮発を妨げることがないため、乾燥時間の短縮が図れる。
【0017】
また、本発明の燃料電池セルの製造方法は、荷重が2.5g/cm2以上であることを特徴とする。このように、荷重を2.5g/cm2以上とすることで、荷重をかける効果が十分に大きくなり、反りの発生を防止することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池セルの製造方法により、作製される燃料電池セルは、図1に示すように、断面が板状で、全体的に見て柱状の多孔質な導電性支持体33aを具備するもので、この導電性支持体33aの一方側平坦面と両端の弧状面に、多孔質な燃料側電極33b、緻密質な固体電解質33c、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極33dが順次積層されている。また、前記酸素側電極33dと反対側の導電性支持体33aの平坦面に中間膜33e、ランタン−クロム系酸化物材料からなるインターコネクタ33f、P型半導体材料からなる集電膜33gが形成されている。また、前記導電性支持体33aには、ガス流路32が複数、軸長方向に形成されている。
【0019】
このような燃料電池セル33を例にして、本発明の燃料電池セル33の製造方法を説明する。
【0020】
本発明の燃料電池セル33の製造方法によれば、先ず、図2に示すような貫通孔34を有する板状の導電性支持体成形体43aを作製する。この導電性支持体成形体43aは、例えば、Y、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm及びPrから選ばれた1種以上からなる希土類元素酸化物、Ni及び/又はNiO、有機成分からなる組成物を押し出し成形や射出成形などして作製される。
【0021】
次に、導電性支持体成形体43aを図3に示すように、例えば、導電性支持体成形体43aの厚み方向から略平坦な荷重板(板部材)45で挟み、さらに、その上に重し47を乗せ、導電性支持体成形体43aに荷重をかけるとともに、略平坦な押圧板(板部材)49で左右からから挟み、バネなどを用いて荷重をかけて乾燥する。
【0022】
なお、荷重板45、押圧板49は、荷重板45、押圧板49の成分が導電性支持体成形体43aに付着したとしても影響が少ないようにセラミックスからなることが望ましく、特に、ZrO2や、Y2O3を固溶したZrO2からなる荷重板45、押圧板49を用いることが望ましい。また、さらに、導電性支持体成形体43aに含まれる材料から構成されることが望ましい。
【0023】
また、乾燥時に導電性支持体成形体43aの溶剤や、バインダーの揮発を阻害しないために、荷重板45、押圧板49は気体を流通可能な多孔体であることが望ましい。
【0024】
以上記載した効果を十分に発揮するために、導電性支持体成形体43aにかける荷重は1g/cm2以上とすることが望ましく、さらに2.5g/cm2以上とすることが望ましい。なお、荷重板45のみで十分な荷重が印加できる場合には、別途重し47を設ける必要はない。
【0025】
また、乾燥条件は、80℃〜150℃の温度範囲で、2時間以上乾燥することが望ましい。さらに、乾燥後に、800〜1100℃の温度域で仮焼する。
【0026】
次に、図4に示すような導電性支持体成形体43aに、燃料側電極成形体43b、固体電解質成形体43c、中間膜成形体43e、インターコネクタ成形体43fを設けた積層成形体を作製する。
【0027】
具体的には、先ず、例えば、希土類酸化物を固溶したZrO2等の固体電解質材料、有機バインダー、溶剤を混合したスラリーを用いて、ドクターブレード法によりシート状の固体電解質成形体43cを作製する。
【0028】
次に、Ni及び/又はNiO粉末と希土類元素が固溶したZrO2粉末、有機バインダー、溶媒とを混合し作製した燃料側電極成形体43bとなるスラリーを作製する。
【0029】
次に、前記導電性支持体成形体43aの一方側平坦部の表面に前記燃料側電極成形体43bとなるスラリーをメッシュ製版を用いて2〜10μm厚みになるように塗布し、80〜150℃の温度で乾燥する。
【0030】
次に、前記固体電解質成形体43cの一方側に前記燃料側電極43bとなるスラリーを、焼成後5〜15μmの厚みになるように塗布し、前記導電性支持体成形体43aの一方側平坦面の表面に前記スラリーを塗布した面が当接するように、かつ、固体電解質成形体43cの両端面が、他方側平坦面で所定間隔をおいて離間するように覆い巻き付け、80〜150℃の温度で乾燥する。
【0031】
次に、ランタン−クロム系酸化物粉末と、有機バインダーと、溶媒を混合したインターコネクタ材料を用いてシート状のインターコネクタ成形体43fを作製する。
【0032】
次に、Ni及び/又はNiO粉末、希土類元素が固溶したZrO2粉末、有機バインダー、溶媒を混合した中間膜成形体43eとなるスラリーを作製し、前記インターコネクタ成形体43fの片方の面に塗布する。
【0033】
次に、このシート状のインターコネクタ成形体43fにスラリーを塗布した面が、露出した導電性支持体成形体43aに当接するよう積層する。
【0034】
これにより、導電性支持体成形体43aの一方の平坦面の表面に、燃料側電極成形体43b、固体電解質成形体43cを順次積層するとともに、他方の平坦面に中間膜成形体43e、インターコネクタ成形体43fが積層された積層成形体を作製する。なお、各成形体はドクターブレードによるシート成形や印刷、スラリーディップ、スプレーによる吹き付けなどにより作製することができ、または、これらの組み合わせにより作製してもよい。
【0035】
また、上記の導電性支持体成形体43aの乾燥工程以外の工程においても、荷重板45、押圧板49を用いて、各積層成形体に荷重をかけ、乾燥させてもかまわない。
【0036】
次に、この積層成形体を脱脂処理し、酸素含有雰囲気中で1300〜1600℃で同時焼成する。
【0037】
次に、図5に示すように、P型半導体である遷移金属ペロブスカイト型酸化物粉末、溶媒を混合して、ペーストを作製し、前記積層体をこのペースト中に浸漬し、固体電解質33b、インターコネクタ33fの表面に、それぞれ酸素側電極成形体43d、集電膜成形体43gをディッピングにより形成するか、または、直接スプレー塗布し、乾燥した後、1000〜1300℃で焼成することにより、図1に示した本発明の燃料電池セル33を作製できる。
【0038】
なお、燃料電池セル33は、酸素含有雰囲気での焼成により、導電性支持体33a、燃料側電極33b、中間膜33e中のNi成分が、NiOとなっているため、その後、導電性支持体33a側から還元性の燃料ガスを流し、NiOを800〜1000℃で還元処理する。また、この還元処理は発電時に行ってもよい。
【0039】
なお、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、内側電極を酸素側電極から形成してもよい。また、酸素側電極33dと固体電解質33cとの間に、反応防止層を形成してもよい。
【0040】
また、導電性支持体33aと内側電極33bを同じ組成で形成してもよく、例えば、NiとY2O3を固溶したZrO2を用いてもよい。この場合には、導電性支持体33aと内側電極33bとが、支持体を兼ねる内側電極に置き換えられることになる。
【0041】
また、酸素側電極33d、集電膜33gの成形法も種々の方法を用いてもよいことは勿論である。また、図では、貫通孔34は、導電性支持体成形体43aの厚み方向に細長い形状としているが、本発明は貫通孔34の形状によらず有効であり、例えば、幅方向に細長くてもよく、また、円状であってもよい。
【0042】
【実施例】
先ず、NiO粉末をNi金属換算で48体積%、Y2O3粉末を52体積%となるよう混合し、この混合物に、ポアー剤と、セルロース系バインダーからなる有機バインダーと、水からなる溶媒とを加え、混合した導電性支持体材料を押出成形して、板状の導電性支持体成形体43aを作製した。
【0043】
なお、導電性支持体成形体43aを押し出し成形する際の金型の形状は、厚み4.2mm、幅36mm、軸長方向の長さ130mm、貫通孔34の直径は1.5mmとした。また、貫通孔34は導電性支持体成形体43aの平坦部に等間隔に5個設けた。
【0044】
この導電性支持体成形体43aを、Y2O3を固溶したZrO2からなる多孔体の荷重板45、押圧板49で挟み、表1に示す範囲の荷重をかけ、130℃の条件で、48時間乾燥した。なお、荷重が0g/cm2の試料No.1では、荷重板45、重し47、押圧板49は用いていない。
【0045】
乾燥後の導電性支持体成形体43aの厚み方向の変形量と、幅方向の変形量とを測定した。図6(a)に示すように、導電性支持体成形体43aを平坦な板51にのせ、さらにその上から平坦な板53を導電性支持体43aに当接させ、平坦な板53が平坦な板51と平行になるようにして、その間の距離と、導電性支持体成形体43aの厚み方向の断面厚さとの差を厚み方向の変形量とした。
【0046】
また、図6(b)に示すように、導電性支持体成形体43aを平坦な板54にのせ、さらに左右から平坦な板55を導電性支持体43aに当接させ、平坦な板55aが平坦な板55bと平行になるようにして、その間の距離と、導電性支持体成形体43aの幅方向の断面幅との差を幅方向の変形量とした。なお、それぞれの条件で40個のサンプルについて評価した。
【0047】
また、さらにこれらの試料を以下に示す工程に進めた。
【0048】
先ず、この導電性支持体成形体43aを1000℃で仮焼した。
【0049】
次に、8YSZ粉末(Y2O3を8モル含有するZrO2)にアクリル系バインダーとトルエンを加え、固体電解質成形体43cとなるスラリーを作製し、ドクターブレード法にてシート状の固体電解質成形体43cを作製した。
【0050】
次に、NiO粉末を金属Ni換算量で48体積%、8YSZ粉末(Y2O3を8モル含有するZrO2)を52体積%となるように混合し、アクリル系バインダーとトルエンを加え、燃料側電極成形体43bとなるスラリーを作製した。
【0051】
この燃料側電極成形体43bとなるスラリーを、前記導電性支持体成形体43aの一方側平坦面の表面にメッシュ製版を用いて、厚みが5μmとなるよう塗布し、130℃の温度で乾燥した。
【0052】
また、上記燃料側電極成形体43bとなるスラリーを、厚みが焼成後10μmとなるよう前記固体電解質成形体にスクリーン印刷し、130℃の温度で乾燥した。
【0053】
次に、燃料側電極成形体43bを形成した導電性支持体成形体43aの一方側の平坦面に、燃料側電極成形体43bとなるスラリーが塗布された固体電解質成形体43cのスラリーが塗布された側の面が当接し、その両端間が他方側平坦面で所定間隔をおいて離間するように巻き付け、乾燥した。
【0054】
次に、ランタン−クロム系酸化物粉末と、有機バインダーと、溶媒を混合したインターコネクタ材料を用いてシート状のインターコネクタ成形体43fを作製した。
【0055】
次に、Ni及び/又はNiO粉末、希土類元素が固溶したZrO2粉末、有機バインダー、溶媒を混合した中間膜成形体43eとなるスラリーを作製し、前記インターコネクタ成形体43fの片方の面に塗布した。
【0056】
次に、このシート状のインターコネクタ成形体43fにスラリーを塗布した面が、露出した導電性支持体成形体43aに当接するよう積層した。
【0057】
次に、大気中で、この積層体を脱バインダ処理し、1500℃で同時焼成した。
【0058】
次に、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3粉末と、ノルマルパラフィンからなる溶媒とから、酸素側電極成形体43dとなるスラリーを作製し、このスラリーを焼成した固体電解質成形体43c(33c)の表面に吹き付け、酸素側電極成形体43dを形成し、また、上記スラリーを焼成したインターコネクタ成形体43f(33f)の外面に塗布し、1150℃で焼成し、酸素側電極33dを形成するとともに、インターコネクタ33fの外面にP型半導体である集電膜33gを形成し、図1に示すような本発明の燃料電池セル33を作製した。この工程の後にも、導電性支持体成形体43aの場合と同様の方法で、燃料電池セル33の厚み方向、幅方向の変形量を確認し、表1に記載した。
【0059】
なお、導電性支持体33aの長径(m−m間距離)は26mm、短径は3.5mm(a−a間距離)、燃料側電極33bと酸素側電極33dの間に形成された固体電解質33cの厚みは40μm、酸素側電極33dの厚みは50μm、燃料側電極33bの厚みは10μm、インターコネクタ33fの厚みは50μm、集電膜33gの厚みは50μmであった。また、それぞれの燃料電池セル33の両端部にはそれぞれ15mmの非発電部を形成した。
【0060】
【表1】
【0061】
本発明の範囲外である荷重をかけずに導電性支持体成形体43aを乾燥した試料No.1では、乾燥後の厚み方向変形量が1.3mm、幅方向変形量が2.0mmであり、焼成後の厚み方向変形量が1.5mm、幅方向変形量が2.4mmとなり、大きく変形していることがわかる。一方、本発明の導電性支持体成形体43aに、厚み方向、幅方向から荷重をかけて乾燥した試料No.2〜16では、いずれの試料においても、厚み方向、幅方向の変形量が半減しており、その傾向は焼成後の燃料電池セル33においても同様であった。特に、厚み方向及び幅方向に1g/cm2以上の荷重をかけた試料No.3〜6、8〜10、12〜14においては、乾燥後、焼成後ともに厚み方向変形量、幅方向変形量ともに0.3mm以下となり、優れた寸法精度を有することがわかる。また、さらに厚み方向及び幅方向に2.5g/cm2以上の荷重をかけた試料No.13、14においては、乾燥後、焼成後ともに厚み方向変形量、幅方向変形量ともに0.1mm以下となり、特に優れた寸法精度を有することがわかる。
【0062】
【発明の効果】
本発明の製造方法によれば、内側電極成形体あるいは導電性支持体成形体を厚み方向及び幅方向から荷重をかけて乾燥することで、内側電極成形体あるいは導電性支持体成形体の乾燥時の変形を抑制することができ、寸法精度の高い燃料電池セルを製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の製造方法で作製される燃料電池セルを示す断面斜視図である。
【図2】導電性支持体成形体を示す断面斜視図である。
【図3】本発明の導電性支持体成形体の乾燥方法を示す横断面図である。
【図4】本発明の積層体の乾燥方法を示す横断面図である。
【図5】本発明の他の形態の積層体を示す横断面図である。
【図6】本発明の導電性支持体の変形量の測定方法を示す模式図であり、(a)は、厚み方向の変形量の測定方法を示しており、(b)は、幅方向の変形量の測定方法を示している。
【図7】従来の燃料電池セルを示す断面図である。
【符号の説明】
33・・・燃料電池セル
43a・・・導電性支持体成形体
43b・・・内側電極成形体(燃料側電極成形体)
43c・・・固体電解質成形体
45・・・荷重板(板部材)
49・・・押圧板(板部材)
Claims (5)
- 板状の導電性支持体成形体を作製し、該導電性支持体成形体を厚み方向と幅方向に荷重をかけて乾燥する工程と、該導電性支持体成形体の一方側主面に、少なくとも内側電極成形体、固体電解質成形体を順次設けた積層成形体を作製する工程と、該積層成形体を焼成する工程とを具備することを特徴とする燃料電池セルの製造方法。
- 板状の支持体を兼ねる内側電極成形体を作製し、該内側電極成形体を厚み方向と幅方向に荷重をかけて乾燥する工程と、該内側電極成形体の一方側主面に、少なくとも固体電解質成形体を設けた積層成形体を作製する工程と、該積層成形体を焼成する工程とを具備することを特徴とする燃料電池セルの製造方法。
- 略平坦な面を有する板部材を用いて荷重が印加されることを特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池セルの製造方法。
- 板部材が多孔体であることを特徴とする請求項3記載の燃料電池セルの製造方法。
- 荷重が2.5g/cm2以上であることを特徴とする請求項1乃至4のうちいずれかに記載の燃料電池セルの製造方法。
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