JP3233807B2 - 固体電解質型燃料電池用基体材 - Google Patents
固体電解質型燃料電池用基体材Info
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- JP3233807B2 JP3233807B2 JP02639195A JP2639195A JP3233807B2 JP 3233807 B2 JP3233807 B2 JP 3233807B2 JP 02639195 A JP02639195 A JP 02639195A JP 2639195 A JP2639195 A JP 2639195A JP 3233807 B2 JP3233807 B2 JP 3233807B2
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- fuel cell
- solid electrolyte
- solid oxide
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、円筒型固体電解質燃料
電池用の基体材に関する。また、平板型固体電解質燃料
電池のマニホールド材質等に応用してもよい。
電池用の基体材に関する。また、平板型固体電解質燃料
電池のマニホールド材質等に応用してもよい。
【０００２】
【従来の技術】図１に従来の固体電解質型燃料電池の内
部改質用基体管の概略の一例を示す。同図に示すよう
に、例えば溶射型固体電解質（ＳＯＦＣ）は、ＣａＯで
完全に安定化したＺｒＯ2 （カルシア安定化ジルコニ
ア：ＣＳＺ）からなる多孔質円筒基体管１に、燃料極２
としてＮｉとイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）と
のサーメットをプラズマ溶射で成膜し、この上に電解質
３として酸素イオン伝導性のＹＳＺをプラズマ溶射で成
膜している。そして、この上に空気極４としてＬａＣｏ
Ｏ3 をアセチレンフレーム溶射で成膜して燃料電池を構
成しており、これらをＮｉＡｌとアルミナのサーメット
で成膜したインタコネクタ５で、燃料極２と空気極３と
を接続して直列に接続している。
部改質用基体管の概略の一例を示す。同図に示すよう
に、例えば溶射型固体電解質（ＳＯＦＣ）は、ＣａＯで
完全に安定化したＺｒＯ2 （カルシア安定化ジルコニ
ア：ＣＳＺ）からなる多孔質円筒基体管１に、燃料極２
としてＮｉとイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）と
のサーメットをプラズマ溶射で成膜し、この上に電解質
３として酸素イオン伝導性のＹＳＺをプラズマ溶射で成
膜している。そして、この上に空気極４としてＬａＣｏ
Ｏ3 をアセチレンフレーム溶射で成膜して燃料電池を構
成しており、これらをＮｉＡｌとアルミナのサーメット
で成膜したインタコネクタ５で、燃料極２と空気極３と
を接続して直列に接続している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、固体電解質
型燃料電池は、一般に約９００℃以上の高温で発電する
システムであるが、各構成膜が異種材料であることか
ら、熱膨張係数が異なり、例えば定期検査等で本システ
ムを常温まで降下させた際に、応力が発生し、この結果
割れ等が生じる、という問題がある。特に基体管１は電
池構成材のなかでも最も厚く、他の構成膜に及ぼす影響
は大きい。
型燃料電池は、一般に約９００℃以上の高温で発電する
システムであるが、各構成膜が異種材料であることか
ら、熱膨張係数が異なり、例えば定期検査等で本システ
ムを常温まで降下させた際に、応力が発生し、この結果
割れ等が生じる、という問題がある。特に基体管１は電
池構成材のなかでも最も厚く、他の構成膜に及ぼす影響
は大きい。
【０００４】また、燃料電池の膜構成において、最も重
要な膜はイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からな
る固体電解質３であり、この膜に応力を発生させないた
めには、基体管１の熱膨張係数が固体電解質３と一致し
ていればよい。
要な膜はイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からな
る固体電解質３であり、この膜に応力を発生させないた
めには、基体管１の熱膨張係数が固体電解質３と一致し
ていればよい。
【０００５】しかし、従来の多孔質円筒基体管１の材料
であるＣａＯで完全に安定化したＺｒＯ2 （カルシア安
定化ジルコニア：ＣＳＺ）は、その熱膨張係数が９．５
×１０-6／Ｋであり、固体電解質の熱膨張係数が１０．
５×１０-6／Ｋであるので、１．０×１０-6／Ｋもの熱
膨張率差があり、昇降温を繰り返すと、この結果熱応力
が発生する、という問題がある。
であるＣａＯで完全に安定化したＺｒＯ2 （カルシア安
定化ジルコニア：ＣＳＺ）は、その熱膨張係数が９．５
×１０-6／Ｋであり、固体電解質の熱膨張係数が１０．
５×１０-6／Ｋであるので、１．０×１０-6／Ｋもの熱
膨張率差があり、昇降温を繰り返すと、この結果熱応力
が発生する、という問題がある。
【０００６】本発明は上記問題に鑑み、昇降温後の劣化
率を著しく低減する固体電解質型燃料電池用基体材を提
供することを目的とする。
率を著しく低減する固体電解質型燃料電池用基体材を提
供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成する固体
電解質型燃料電池用基体材の構成は、Ｙ2 Ｏ3 で完全に
安定化されたＺｒＯ2 を固体電解質とする固体電解質型
燃料電池の電気化学セルの基体材であって、１５〜３５
ｖｏｌ％のＮｉＯを含むＭｇＡｌ2 Ｏ4 よりなることを
特徴とする。
電解質型燃料電池用基体材の構成は、Ｙ2 Ｏ3 で完全に
安定化されたＺｒＯ2 を固体電解質とする固体電解質型
燃料電池の電気化学セルの基体材であって、１５〜３５
ｖｏｌ％のＮｉＯを含むＭｇＡｌ2 Ｏ4 よりなることを
特徴とする。
【０００８】以下、本発明の内容を説明する。
【０００９】ここで、本発明に係る電気化学セルの基体
材は、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 に対して、１５〜３５ｖｏｌ％の
ＮｉＯを含有するものである。
材は、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 に対して、１５〜３５ｖｏｌ％の
ＮｉＯを含有するものである。
【００１０】上記基体材は、接触する他の構成材料と反
応性が低いＭｇＡｌ2 Ｏ4 とＮｉＯとを混合してなるも
のであるが、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 単体では熱膨張係数が９．
０×１０-6／Ｋと低く、熱膨張係数が高いＮｉＯを所定
量含有して調整するようにしている。
応性が低いＭｇＡｌ2 Ｏ4 とＮｉＯとを混合してなるも
のであるが、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 単体では熱膨張係数が９．
０×１０-6／Ｋと低く、熱膨張係数が高いＮｉＯを所定
量含有して調整するようにしている。
【００１１】上記配合量は、後述するようにＮｉＯの添
加量に応じて熱膨張係数が高くなっていくので、本発明
の好適な添加量の範囲内としては、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 に対
して、１５ｖｏｌ％〜３５ｖｏｌ％のＮｉＯを含有した
場合が好ましい。これは、上記配合量であると、その熱
膨張係数は後述の実施例に示すように、９．９×１０-6
／Ｋ〜１０．９×１０-6／Ｋとなり、固体電解質の膨張
係数である１０．５×１０-6／Ｋ近傍となり、昇降温後
の応力の発生が少なく、劣化が防止されるからである。
なお、本発明の添加の範囲外であるＭｇＡｌ2 Ｏ4 に対
して、１５ｖｏｌ％未満含有する場合、又は３５ｖｏｌ
％を超えて含有する場合においては、固体電解質の膨張
係数である１０．５×１０-6／Ｋからその係数が大幅に
外れてしまうので、降温後の割れ発生比率が増加して電
池性能の低下率も大きくなり、共に好ましくない。
加量に応じて熱膨張係数が高くなっていくので、本発明
の好適な添加量の範囲内としては、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 に対
して、１５ｖｏｌ％〜３５ｖｏｌ％のＮｉＯを含有した
場合が好ましい。これは、上記配合量であると、その熱
膨張係数は後述の実施例に示すように、９．９×１０-6
／Ｋ〜１０．９×１０-6／Ｋとなり、固体電解質の膨張
係数である１０．５×１０-6／Ｋ近傍となり、昇降温後
の応力の発生が少なく、劣化が防止されるからである。
なお、本発明の添加の範囲外であるＭｇＡｌ2 Ｏ4 に対
して、１５ｖｏｌ％未満含有する場合、又は３５ｖｏｌ
％を超えて含有する場合においては、固体電解質の膨張
係数である１０．５×１０-6／Ｋからその係数が大幅に
外れてしまうので、降温後の割れ発生比率が増加して電
池性能の低下率も大きくなり、共に好ましくない。
【００１２】ここで、本発明で用いる固体電解質は、従
来と同様に、Ｙ2 Ｏ3 で完全に安定化されたＺｒＯ
2 （イットリア安定化ジルコニア；ＹＳＺ）からなるも
ので、その熱膨張係数は、１０．５×１０-6／Ｋであ
り、上記本発明の構成に係る基体材はその熱膨張係数
が、９．９×１０-6／Ｋ〜１０．９×１０-6／Ｋであ
り、略一致するものとなる。
来と同様に、Ｙ2 Ｏ3 で完全に安定化されたＺｒＯ
2 （イットリア安定化ジルコニア；ＹＳＺ）からなるも
ので、その熱膨張係数は、１０．５×１０-6／Ｋであ
り、上記本発明の構成に係る基体材はその熱膨張係数
が、９．９×１０-6／Ｋ〜１０．９×１０-6／Ｋであ
り、略一致するものとなる。
【００１３】上記基体材とは、例えば、円筒型固体電解
質型燃料電池の基体管や、平板型固体電解質型燃料電池
のマニホールド等の材料として用いるものであるが、本
発明はこれらに限定されるものではない。
質型燃料電池の基体管や、平板型固体電解質型燃料電池
のマニホールド等の材料として用いるものであるが、本
発明はこれらに限定されるものではない。
【００１４】
【実施例】以下、本発明の好適な一実施例を説明する。
【００１５】基体管のセラミックス原料としては、平均
粒径が３０μｍのＭｇＡｌ2 Ｏ4 と平均粒径が０．８μ
ｍのＮｉＯとを用意した。上記基体管は押出成形法によ
り成形されるが、押出成形用助剤としてメチルセルロー
ス、グリセリン、水さらには、潤滑剤としてステアリン
酸エマルジョンを用いた。それぞれの助剤の添加量は、
セラミックス原料１０重量部に対してそれぞれ、４重量
部，５重量部，１０重量部，0.2 重量部である。また、
ステアリン酸エマルジョンは固形分濃度が１５ｗｔ％
で、ステアリン酸の平均粒径は５μｍであり、分散剤と
しては水を用いた。
粒径が３０μｍのＭｇＡｌ2 Ｏ4 と平均粒径が０．８μ
ｍのＮｉＯとを用意した。上記基体管は押出成形法によ
り成形されるが、押出成形用助剤としてメチルセルロー
ス、グリセリン、水さらには、潤滑剤としてステアリン
酸エマルジョンを用いた。それぞれの助剤の添加量は、
セラミックス原料１０重量部に対してそれぞれ、４重量
部，５重量部，１０重量部，0.2 重量部である。また、
ステアリン酸エマルジョンは固形分濃度が１５ｗｔ％
で、ステアリン酸の平均粒径は５μｍであり、分散剤と
しては水を用いた。
【００１６】次に成形の概略を説明する。 最初に、下記「表１」の所定配合となるような割合
で、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 とＮｉＯとを計量し、メチルセルロ
ースを添加して、高速ミキサーに入れ、３分間混合す
る。 次に、水、グリセリン、ステアリン酸エマルジョン
を計量・添加後、１分間混合する。 次に、二軸ニーダを用いて本混練を行い、押出成形
機を用いて円筒形状に成形する。 成形後、６０℃で２４時間乾燥し、ガラス炉を用い
て１６５０℃で４時間焼成し、焼成基体管を成形した。
で、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 とＮｉＯとを計量し、メチルセルロ
ースを添加して、高速ミキサーに入れ、３分間混合す
る。 次に、水、グリセリン、ステアリン酸エマルジョン
を計量・添加後、１分間混合する。 次に、二軸ニーダを用いて本混練を行い、押出成形
機を用いて円筒形状に成形する。 成形後、６０℃で２４時間乾燥し、ガラス炉を用い
て１６５０℃で４時間焼成し、焼成基体管を成形した。
【００１７】上記得られた焼成基体管は、熱膨張係数の
測定と溶射法により燃料電池を構成し、これらのセルに
ついて発電温度と室温との昇降温を５回繰り返して行
い、固体電解質燃料電池の昇降温後の劣化率を求め、セ
ル性能を調べた。なお、比較例として本発明の配合外に
ついても同様にして求めた。この結果を「表１」に示
す。
測定と溶射法により燃料電池を構成し、これらのセルに
ついて発電温度と室温との昇降温を５回繰り返して行
い、固体電解質燃料電池の昇降温後の劣化率を求め、セ
ル性能を調べた。なお、比較例として本発明の配合外に
ついても同様にして求めた。この結果を「表１」に示
す。
【００１８】
【表１】
【００１９】上記「表１」に示すように、基体管のＮｉ
Ｏの添加比率が高くなると熱膨張係数が大きくなる。こ
れに伴い、固体電解質型燃料電池の昇降温後の劣化率が
急速に改善された。しかし、基体管のＮｉＯ添加比率が
３５ｖｏｌ％を超えると固体電解質型燃料電池の昇降温
後の劣化率が急激に悪化した。
Ｏの添加比率が高くなると熱膨張係数が大きくなる。こ
れに伴い、固体電解質型燃料電池の昇降温後の劣化率が
急速に改善された。しかし、基体管のＮｉＯ添加比率が
３５ｖｏｌ％を超えると固体電解質型燃料電池の昇降温
後の劣化率が急激に悪化した。
【００２０】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、電
気化学セルの基体材を１５〜３５ｖｏｌ％のＮｉＯを含
むＭｇＡｌ2 Ｏ4 より構成することにより、基体管の材
質の熱膨張係数を固体電解質のそれに近づけられ、燃料
電池の昇降温時に電解質に発生する歪が低減でき、この
結果、固体電解質型燃料電池の昇降温後の劣化率を著し
く低減できた。
気化学セルの基体材を１５〜３５ｖｏｌ％のＮｉＯを含
むＭｇＡｌ2 Ｏ4 より構成することにより、基体管の材
質の熱膨張係数を固体電解質のそれに近づけられ、燃料
電池の昇降温時に電解質に発生する歪が低減でき、この
結果、固体電解質型燃料電池の昇降温後の劣化率を著し
く低減できた。
【００２１】また、従来の基体管のセラミックス原料は
高価なＺｒＯ2 系原料であったが、本発明により安価な
ＭｇＡｌ2 Ｏ4 原料にすることができるので、円筒型固
体電解質型燃料電池用の基体管又は平板型固体電解質型
燃料電池用のマニホールドを安価に製造することができ
る。
高価なＺｒＯ2 系原料であったが、本発明により安価な
ＭｇＡｌ2 Ｏ4 原料にすることができるので、円筒型固
体電解質型燃料電池用の基体管又は平板型固体電解質型
燃料電池用のマニホールドを安価に製造することができ
る。
【図１】従来例に係る基体管の概略図である。
１ 基体管 ２ 燃料極 ３ 電解質 ４ 空気極 ５ インタコネクタ
Claims (1)
- 【請求項１】 Ｙ2 Ｏ3 で完全に安定化されたＺｒＯ
2 を固体電解質とする固体電解質燃料電池の電気化学セ
ルの基体材であって、 １５〜３５ｖｏｌ％のＮｉＯを含むＭｇＡｌ2 Ｏ4 より
なることを特徴とする固体電解質型燃料電池用基体材。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02639195A JP3233807B2 (ja) | 1995-02-15 | 1995-02-15 | 固体電解質型燃料電池用基体材 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02639195A JP3233807B2 (ja) | 1995-02-15 | 1995-02-15 | 固体電解質型燃料電池用基体材 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08222246A JPH08222246A (ja) | 1996-08-30 |
| JP3233807B2 true JP3233807B2 (ja) | 2001-12-04 |
Family
ID=12192249
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02639195A Expired - Fee Related JP3233807B2 (ja) | 1995-02-15 | 1995-02-15 | 固体電解質型燃料電池用基体材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3233807B2 (ja) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6379832B1 (en) * | 1999-07-19 | 2002-04-30 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Base tube for fuel cell and material for base tube |
| US7566509B2 (en) | 2003-11-18 | 2009-07-28 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | Tubular fuel cell and method of producing the same |
| JP4776930B2 (ja) * | 2004-04-28 | 2011-09-21 | 東京瓦斯株式会社 | 固体酸化物形燃料電池の支持基体 |
| JP4593997B2 (ja) * | 2004-07-28 | 2010-12-08 | 京セラ株式会社 | 燃料電池セル用支持体及び燃料電池セル並びに燃料電池 |
| JP4690755B2 (ja) * | 2005-03-24 | 2011-06-01 | 京セラ株式会社 | 横縞形燃料電池セル、セルスタック、および、燃料電池 |
| JP5172207B2 (ja) * | 2006-10-24 | 2013-03-27 | 日本碍子株式会社 | 固体酸化物型燃料電池の単セル用の薄板体 |
| JP2012038701A (ja) * | 2010-07-15 | 2012-02-23 | Ngk Insulators Ltd | 燃料電池の構造体 |
-
1995
- 1995-02-15 JP JP02639195A patent/JP3233807B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08222246A (ja) | 1996-08-30 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20010814 |
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