JP2015164122A - 燃料電池及びその製造方法並びにその製造に用いられる塗布装置 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献3には、レーザ式変位センサ等の非接触の距離センサに代えて、接触式の安価な距離センサを用いて、接着剤の塗布を行うことが開示されている。
このような問題は、SOFCに限らず、回転している円筒部材の外周面に対して塗布材を塗布する場合に少なからず発生する問題であった。
セルスタック101は、円筒形状の基体管103と、基体管103の外周面に複数形成された燃料電池セル105と、隣り合う燃料電池セル105の間に形成されたインターコネクタ107とを有する。燃料電池セル105は、燃料極109と固体電解質膜111と空気極113とが積層して形成されている。また、セルスタック101は、基体管103の外周面に形成された複数の燃料電池セル105の内、基体管103の軸方向において最も端に形成された燃料電池セル105の空気極113に、インターコネクタ107を介して電気的に接続されたリード膜115を有する。燃料電池セル105、インターコネクタ107、リード膜115は、いずれも基体管103の外周面に周方向全周にわたり帯状に形成されている。
なお、空気極反応層を設ける場合は、空気極反応層と空気極との合計膜厚が、空気極中央部において上記範囲の膜厚が確保されている。
空気極113の中央部での膜厚をd0、インターコネクタ107と接触する部分での空気極113の膜厚をd1とすると、1.0<d1/d0≦1.5となるように空気極113が形成される。d1/d0>1.5であると、空気極のインターコネクタと接触する部分を含む端部が剥離しやすくなるので好ましくない。
(スラリーの印刷)
まず、基体管103を押出成形法により管状に成形し、乾燥させる(SA1)。基体管103の外径は、直径12mm〜37mmとすると良い。基体管103の全長は、例えば、約1m〜2mとされている。
燃料極用スラリー、固体電解質用スラリー、及びインターコネクタ用スラリーを印刷した基体管103を大気中で共焼成する(SA5)。例えば、基体管103を吊下げた状態で電気炉に入れ行われる。焼結温度は、具体的に1350℃〜1450℃とされる。理由として、1350℃未満の場合は電解質、インターコネクタが焼結されず、気密性が損なわれる可能性があり、1450℃を超える場合は燃料極、基体管の緻密化が進み、ガス透過性が損なわれ、発電性能が低下する可能性があるからである。これにより、基体管103上に燃料極109、固体電解質膜111、及びインターコネクタ107が形成される。
次に、焼結体の所定位置に空気極用スラリーを塗布する(SA6)。空気極用スラリーが、共焼結後の基体管103上(または、空気極反応層上)の所定位置に塗布される。空気極中央部での厚さが1000μm以上3000μm以下になるように塗布量が調整される。
なお、空気極用スラリーの塗布に関する詳細は後述する。空気極用スラリーは、例えばLaSrMnO3粉末にスキージオイルなどのビヒクルを添加したものを混合したものが用いられる。
空気極反応層を設ける場合は、空気極反応層の材料を含むスラリーが作製される。空気極反応層用スラリーが、共焼結後の基体管103上の所定位置にスクリーン印刷により塗布される。空気極反応層の厚さが10〜100μmになるように塗布量が調整される。なお、上述したように、空気極反応層を設ける場合は、中央部での空気極反応層及び空気極の合計膜厚が1000μm以上3000μm以下になるように塗布量が調整される。
空気極用スラリーを塗布した焼結体を、吊下げ大気中にて焼成する(SA7)。焼成は、例えば電気炉を用いて行われる。焼結温度は、具体的に1100℃〜1250℃である。ここでの焼結温度は、基体管〜インターコネクタを形成した後の共焼結温度よりも低温である。本実施形態では、焼結前後で空気極形状にほぼ変化はない。
上記の工程を経ることにより、図1に示したような円筒形のセルスタック101が製造される。
本実施形態の方法により、端部の傾斜が急峻(H/L=7)であり、d1/d0が1.1である空気極が形成されている。
比較例では、端部の傾斜がH/L=1.1であり、端部が緩やかな傾斜を有する空気極が形成されている。このような形状では、空気極の端部では膜厚が薄い部分の領域が多くなり、特に大電流で発電させた場合には、導電経路の抵抗増加を発生しやすい。
次に、上記空気極用スラリーの塗布工程(図3のステップSA6)で用いられる塗布装置について、図面を参照して詳しく説明する。
図6は、本発明の第1実施形態に係る塗布装置10の全体概略構成を示した図である。図6に示すように、塗布装置10は、長尺状(例えば、約1mから2m)の円筒部材である焼結体11を軸線周りに回転させる駆動部12、焼結体11の軸線方向において間隔をあけて設定されている塗布位置X1,X2,X3・・・Xnに対応してそれぞれ配置され、焼結体11の外周面に所定幅となるように空気極用スラリー(塗布材)を塗布するディスペンサ20−1〜20−n(以下、全てのディスペンサを示すときは単に符号「20」を付し、各ディスペンサを示すときは符号「20−1」、「20−2」等を付す。)を備えている。
焼結体11は中空部材であり、中空部分にシャフト13が挿入される。焼結体11はOリング等の固定部材14によりシャフト13に固定される。シャフト13が不図示のワークホルダに取り付けられ、駆動部12によってシャフト13が駆動されることにより、焼結体11はシャフト13とともにシャフト13の軸線周りに回転する。
ディスペンサ20において、加圧部によって容器23内に収容されている空気極用スラリーが押し出され、ノズル22の先端に設けられた開口部21から吐出されることにより、焼結体11の外周面に空気極用スラリーAが塗布される。なお、ディスペンサ20の構成はこの例に限定されず、開口部21から空気極用スラリーAを吐出して、焼結体11の外周面に塗布できる構成であればよい。例えば、図8に示すような形状とされていてもよい。
開口部21の長辺の長さは、空気極113の基体管103長手方向の幅と略同一である。なお、開口部21の開口形状は図9に示される形状に限定されない。
まず、燃料極109、固体電解質膜111、及びインターコネクタ107までが外周面に製膜された焼結体11の中空部分にシャフト13を挿入してワークフォルダ(不図示)に固定し、上記駆動部12による軸回転が可能な状態とする。このとき、基体管103は、長手方向が略水平となるようにワークホルダ(不図示)に取付けられる。
次に、駆動部12を駆動させることにより焼結体11を回転させ、各ディスペンサ20−1〜20−nに取り付けられた変位量取得部25によって各ディスペンサ20−1〜20−nにおける焼結体11の外周面の変位量を得る。変位量は、例えば、回転前の状態を基準とし、その基準面からの変位量を計測することが一例として挙げられる。
上記第1実施形態においては、各塗布位置X1〜Xnに対してそれぞれディスペンサ20を配置することとしたが、これに限られず、例えば、図13に示すように、1または複数のディスペンサ20を焼結体11の軸線方向にスライドさせることにより、それぞれの塗布位置に対して順次空気極用スラリーを塗布することとしてもよい。図13では、3台のディスペンサ20−1、20−2、20−3を軸線方向にスライドさせる場合を例示している。このように、ディスペンサ20の台数を少なくすることで、低コスト化を図ることが可能となる。
上記第1実施形態では、各ディスペンサ20に変位量取得部25を設けていたが、これに代えて、図14に示すように、1または複数の変位量取得部25をディスペンサ20とは別個に設け、ディスペンサ20による塗布を行う前に、変位量取得部25を各塗布位置X1〜Xnにスライドさせて配置させ、各塗布位置X1〜Xnにおける変位量を計測することとしてもよい。この場合、変位量取得部25の設置台数を削減することができ、低コスト化を図ることが可能となる。
11 焼結体
12 駆動部
13 シャフト
20(20−1、20−2、20−3、20−n) ディスペンサ
21 開口部
22 ノズル
23 容器
30 昇降装置
31 移動部材
32 ベース
35 昇降駆動装置
40 制御装置
101 セルスタック
103 基体管
105 燃料電池セル
107 インターコネクタ
109 燃料極
111 固体電解質膜
113 空気極
115 リード膜
A 空気極用スラリー
Claims (13)
- 基体管の外周面上に燃料極と固体電解質膜と空気極とを備えるセルが前記基体管の円周方向に形成され、複数の前記セルが前記基体管の長手方向に沿って配列され、隣接する前記セルの間に前記セル同士を電気的に直列に接続するインターコネクタが形成されているセルスタックを有する燃料電池であって、
前記空気極の前記長手方向の端部で前記インターコネクタに接触する部分の厚さが、前記空気極の前記長手方向の中央部における厚さよりも大きい燃料電池。 - 前記端部における前記空気極の厚さが、前記中央部における前記空気極の厚さの1倍より大きく1.5倍以下である請求項1に記載の燃料電池。
- 前記空気極の前記長手方向の端部が急峻な傾斜を有する請求項1に記載の燃料電池。
- 請求項1に記載の燃料電池の製造に用いられる塗布装置であって、
軸周りに回転可能に取り付けられた前記基体管の外周面と対向する位置に設けられた開口部を有し、前記開口部から空気極用スラリーを吐出して、前記燃料極、前記固体電解質膜、及び前記インターコネクタ上の所定の位置に空気極用スラリーを塗布するディスペンサを備え、
前記ディスペンサは、前記長手方向の端部で前記インターコネクタに接触する部分の厚さが、前記長手方向の中央部における厚さよりも大きくなるように、前記空気極用スラリーを塗布する塗布装置。 - 前記ディスペンサに対応して設けられ、前記開口部の位置を可変とする開口位置調整部と、
前記基体管の軸線方向における所定の塗布位置において、前記基体管を回転させたときの前記外周面の変位量を取得する変位量取得部と、
前記変位量と軸周りの回転角度とが関連付けられた調整情報を記憶する記憶部と、
前記空気極用スラリーを塗布するときに、前記記憶部に記憶されている調整情報に基づいて、前記基体管の外周面と前記開口部との距離が一定となるように、前記基体管の回転に連動して前記開口位置調整部を制御する制御部と
を具備する請求項4に記載の塗布装置。 - 前記基体管の軸線方向に沿って互いに間隔をあけて複数の前記塗布位置が設定され、
各前記塗布位置に対応して前記ディスペンサがそれぞれ配置され、
前記制御部は、前記塗布位置毎に用意された前記調整情報に基づいて、各前記ディスペンサに対応する前記開口位置調整部を制御する請求項5に記載の塗布装置。 - 前記基体管の軸線方向に沿って互いに間隔をあけてN個の前記塗布位置が設定され、
1またはM(M<N)個の前記ディスペンサが、前記基体管の軸線方向にスライドすることで、N個の前記塗布位置に順次配置され、
前記制御部は、前記塗布位置毎に用意された前記調整情報に基づいて、各前記ディスペンサに対応する前記開口位置調整部を制御する請求項5に記載の塗布装置。 - 基体管の外周面上に燃料極と固体電解質膜と空気極とを備えるセルが前記基体管の円周方向に形成され、複数の前記セルが前記基体管の長手方向に沿って配列され、隣接する前記セルの間に前記セル同士を電気的に直列に接続するインターコネクタが形成されているセルスタックを有する燃料電池の製造方法であって、
前記基体管を円周方向に回転させながら前記基体管の外周面上に前記空気極を構成する空気極用スラリーをディスペンサの開口部から吐出して、前記燃料極、前記固体電解質膜及び前記インターコネクタ上の所定位置に空気極用スラリーを塗布する塗布工程と、
前記空気極用スラリーが塗布された前記基体管を焼成する焼成工程と
を有し、
前記塗布工程は、前記長手方向の端部で前記インターコネクタに接触する部分の厚さが、前記長手方向の中央部における厚さよりも大きくなるように、前記空気極用スラリーを塗布する燃料電池の製造方法。 - 前記端部における厚さが、前記中央部における厚さの1倍より大きく1.5倍以下となるように、前記空気極用スラリーが吐出される請求項8に記載の燃料電池の製造方法。
- 前記長手方向の端部が急峻な傾斜を有するように、前記空気極用スラリーが塗布される請求項8に記載の燃料電池の製造方法。
- 前記塗布工程は、
前記基体管の軸線方向における所定の塗布位置において、前記基体管を回転させたときの前記基体管の外周面の変位量を取得する工程と、
前記変位量と軸周りの回転角度とが関連付けられた調整情報を作成する工程と、
前記空気極用スラリーを塗布するときに、前記調整情報に基づいて、前記基体管の外周面と前記開口部との距離が一定となるように、前記基体管の回転に連動して前記開口部の位置を調整する工程と
を有する請求項8に記載の燃料電池の製造方法。 - 前記基体管の軸線方向に沿って互いに間隔をあけて複数の前記塗布位置を設定する工程と、
各前記塗布位置に対応して前記ディスペンサをそれぞれ配置する工程と、
前記塗布位置毎に用意された前記調整情報に基づいて、各前記開口部と前記基体管の外周面との距離を調整する工程と
を有する請求項11に記載の燃料電池の製造方法。 - 前記基体管の軸線方向に沿って互いに間隔をあけてN個の前記塗布位置を設定する工程と、
1またはM(M<N)個の前記ディスペンサを、前記基体管の軸線方向にスライドすることで、N個の前記塗布位置に順次配置する工程と、
前記塗布位置毎に用意された前記調整情報に基づいて、各前記ディスペンサの開口部と前記基体管の外周面との距離を調整する工程と
を有する請求項11に記載の燃料電池の製造方法。
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