JP3238087B2 - 固体電解質型燃料電池セル - Google Patents
固体電解質型燃料電池セルInfo
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- H01M8/1231—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte with both reactants being gaseous or vaporised
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/50—Fuel cells
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、有底筒状の固体電
解質型燃料電池セルに関するものである。
解質型燃料電池セルに関するものである。
【０００２】
【従来技術】従来より、固体電解質型燃料電池はその作
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。
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。
【０００３】一般に、固体電解質型燃料電池セル（以下
セルと略す）には、円筒型と平板型が知られている。平
板型セルは、発電の単位体積当りの出力密度が高いとい
う特長を有するが、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
保てるという特長がある。両形状のセルとも、それぞれ
の特長を生かして積極的に研究開発が進められている。
セルと略す）には、円筒型と平板型が知られている。平
板型セルは、発電の単位体積当りの出力密度が高いとい
う特長を有するが、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
保てるという特長がある。両形状のセルとも、それぞれ
の特長を生かして積極的に研究開発が進められている。
【０００４】図２、図３は従来の円筒型セルＣの構成を
示すもので、図３は一端に封止部材６、他端にガス導入
管３及び接合治具２をそれぞれ設けた円筒型セルＣの斜
視図、図２は図３の円筒型セルＣの中心軸を横切るＡ−
Ａ線における封止部材６付近の断面図である。
示すもので、図３は一端に封止部材６、他端にガス導入
管３及び接合治具２をそれぞれ設けた円筒型セルＣの斜
視図、図２は図３の円筒型セルＣの中心軸を横切るＡ−
Ａ線における封止部材６付近の断面図である。
【０００５】図２に示すように、円筒型セルＣのセル本
体１は、開気孔率４０％程度のＣａＯ安定化ＺｒＯ2か
ら成る支持管１ａの外表面にＬａＭｎＯ3系材料からな
る多孔性の空気極１ｂを形成し、その外表面にＹ2Ｏ3安
定化ＺｒＯ2からなる固体電解質１ｃを被覆し、さらに
この外表面に多孔性のＮｉ−ジルコニアの燃料極１ｄが
設けられている。燃料電池のモジュールの場合、複数の
円筒型セルＣが、燃料極１ｄの一部を切り欠き、その切
り欠き部に空気極１ｂ及び固体電解質１ｃに接するよう
に設けられた、ＬａＣｒＯ3系の集電体（インターコネ
クタ、図示せず）を介して接続される。発電は、支持管
１ａ内部に空気（酸素）を、セルの外部に燃料（水素）
を流し、１０００〜１０５０℃の温度で行なわれる。
体１は、開気孔率４０％程度のＣａＯ安定化ＺｒＯ2か
ら成る支持管１ａの外表面にＬａＭｎＯ3系材料からな
る多孔性の空気極１ｂを形成し、その外表面にＹ2Ｏ3安
定化ＺｒＯ2からなる固体電解質１ｃを被覆し、さらに
この外表面に多孔性のＮｉ−ジルコニアの燃料極１ｄが
設けられている。燃料電池のモジュールの場合、複数の
円筒型セルＣが、燃料極１ｄの一部を切り欠き、その切
り欠き部に空気極１ｂ及び固体電解質１ｃに接するよう
に設けられた、ＬａＣｒＯ3系の集電体（インターコネ
クタ、図示せず）を介して接続される。発電は、支持管
１ａ内部に空気（酸素）を、セルの外部に燃料（水素）
を流し、１０００〜１０５０℃の温度で行なわれる。
【０００６】そして、円筒型セルＣの一端の封止は、図
２に示すように、焼結して得られた円筒状のセル本体１
を、発電用の炉内の封止部材６に予め形成されたガラス
層４をセル本体１の一端に当接し、発電を行う際の昇温
時に前記ガラス層４を軟化溶融させ、セル本体１の一端
を前記封止部材６により封止していた。
２に示すように、焼結して得られた円筒状のセル本体１
を、発電用の炉内の封止部材６に予め形成されたガラス
層４をセル本体１の一端に当接し、発電を行う際の昇温
時に前記ガラス層４を軟化溶融させ、セル本体１の一端
を前記封止部材６により封止していた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、セル本
体１の一端及び他端をガラス材を用いて封止する従来の
方法では、実際に発電を行う際に封止することになるた
め完全に封止されているか否かの確認が困難であり、シ
ール不良によるセル出力の低下が生じ易い。特に、セル
をスタック化した場合には封止箇所の増加によるシール
不良が発生し易く、結果として出力が低下するという問
題点があった。
体１の一端及び他端をガラス材を用いて封止する従来の
方法では、実際に発電を行う際に封止することになるた
め完全に封止されているか否かの確認が困難であり、シ
ール不良によるセル出力の低下が生じ易い。特に、セル
をスタック化した場合には封止箇所の増加によるシール
不良が発生し易く、結果として出力が低下するという問
題点があった。
【０００８】また、一般的に、燃料電池は約１０００℃
という高温で数万時間も動作する耐久性が要求される。
従来のガラスシールでは、ガラスを約１０００℃で軟化
溶融させることによりガスシールを行っているが、長時
間運転すると溶融成分が滲み出しガスシールができなく
なるといった問題、更には溶融成分がセル本体１の周り
の部品等にまで広がりガラスシールそのものができなく
なるといった問題があった。加えて、ガラス材を軟化溶
融することにより揮発成分が生じ、それがセル本体１内
に付着したり、セル本体１内の酸素と反応して、セルの
性能を劣化させるという問題もあった。
という高温で数万時間も動作する耐久性が要求される。
従来のガラスシールでは、ガラスを約１０００℃で軟化
溶融させることによりガスシールを行っているが、長時
間運転すると溶融成分が滲み出しガスシールができなく
なるといった問題、更には溶融成分がセル本体１の周り
の部品等にまで広がりガラスシールそのものができなく
なるといった問題があった。加えて、ガラス材を軟化溶
融することにより揮発成分が生じ、それがセル本体１内
に付着したり、セル本体１内の酸素と反応して、セルの
性能を劣化させるという問題もあった。
【０００９】このようなガラスシールには、もう一つ大
きな問題点がある。それは、１回の熱サイクルにしか確
実に対応できないことである。つまり、燃料電池の運転
中に、様々なトラブルにより動作温度の約１０００℃か
ら室温まで降温しなければならないときに、ガラスシー
ルの降温時にガラス層の内部残留応力と表面応力が緩和
されにくく、セルの封止部が破壊されることがあった。
きな問題点がある。それは、１回の熱サイクルにしか確
実に対応できないことである。つまり、燃料電池の運転
中に、様々なトラブルにより動作温度の約１０００℃か
ら室温まで降温しなければならないときに、ガラスシー
ルの降温時にガラス層の内部残留応力と表面応力が緩和
されにくく、セルの封止部が破壊されることがあった。
【００１０】本発明は、上記事情に鑑みて完成されたも
のであり、その目的は円筒型セルのガスシールの確認が
容易で、ガスシールを容易かつ確実に行うことができる
とともに、ガスシール不良やガラスの揮発成分による出
力低下及び性能劣化を防止し、更には、動作温度から室
温までの降温時にシールされた封止部が破壊されること
のない円筒型セルを提供することを目的とする。
のであり、その目的は円筒型セルのガスシールの確認が
容易で、ガスシールを容易かつ確実に行うことができる
とともに、ガスシール不良やガラスの揮発成分による出
力低下及び性能劣化を防止し、更には、動作温度から室
温までの降温時にシールされた封止部が破壊されること
のない円筒型セルを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明の固体電解質型燃
料電池セルは、円筒状の固体電解質型燃料電池セル本体
の一端を、有底円筒状の封止部材に挿入してその底部に
当接させ、前記封止部材内側面と固体電解質型燃料電池
セル本体外周面との隙間を２ｍｍ以下とし、該隙間にセ
ラミック粉末及び／又は金属粒子から成り、平均粒径が
０．１〜１０μｍの粉体を介装して成ることを特徴とす
る。
料電池セルは、円筒状の固体電解質型燃料電池セル本体
の一端を、有底円筒状の封止部材に挿入してその底部に
当接させ、前記封止部材内側面と固体電解質型燃料電池
セル本体外周面との隙間を２ｍｍ以下とし、該隙間にセ
ラミック粉末及び／又は金属粒子から成り、平均粒径が
０．１〜１０μｍの粉体を介装して成ることを特徴とす
る。
【００１２】上記の発明において、前記封止部材の熱膨
張率が固体電解質型燃料電池セル本体の熱膨張率より小
さいか、及び／又は、前記粉体の熱膨張率が固体電解質
型燃料電池セル本体及び封止部材の熱膨張率よりも大き
いことが、固体電解質型燃料電池セル本体と封止部材の
ガスシールを確実にするうえで好適である。
張率が固体電解質型燃料電池セル本体の熱膨張率より小
さいか、及び／又は、前記粉体の熱膨張率が固体電解質
型燃料電池セル本体及び封止部材の熱膨張率よりも大き
いことが、固体電解質型燃料電池セル本体と封止部材の
ガスシールを確実にするうえで好適である。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明のセルの構成を、図１に示
す。図１は図３のＡ−Ａ線に相当する封止部材６ａ付近
の断面図である。尚、図１において、図２と同じ箇所に
は同一の符号を付している。
す。図１は図３のＡ−Ａ線に相当する封止部材６ａ付近
の断面図である。尚、図１において、図２と同じ箇所に
は同一の符号を付している。
【００１４】図１において、円筒状のセル本体１の一端
を有底円筒状の封止部材６ａに挿入してその底部に当接
させ、封止部材６ａ内側面とセル本体１外周面との隙間
にセラミック粉末又は金属粒子からなる粉体５を介装さ
せ封止している。
を有底円筒状の封止部材６ａに挿入してその底部に当接
させ、封止部材６ａ内側面とセル本体１外周面との隙間
にセラミック粉末又は金属粒子からなる粉体５を介装さ
せ封止している。
【００１５】本発明のセルは、少なくとも前記構成の封
止部材６ａを備えていればよい。
止部材６ａを備えていればよい。
【００１６】本発明において、前記封止部材６ａはガス
リークを防止するため緻密質セラミックからなるのがよ
く、例えば、Ａｌ2Ｏ3、部分安定化ＺｒＯ2、安定化Ｚ
ｒＯ2、ＬａＣｒＯ3系等のＡｌ、Ｚｒ等を主成分とする
セラミックから成る。また、その開気孔率は１０％以下
であることが好ましい。前記の緻密質セラミック以外の
セラミックは動作温度の雰囲気中で還元されやすく、開
気孔率が１０％超の場合ガスリークが生じ、セルの性能
劣化やセルの破壊につながる。より好ましくは、開気孔
率を５％以下とするのがよい。
リークを防止するため緻密質セラミックからなるのがよ
く、例えば、Ａｌ2Ｏ3、部分安定化ＺｒＯ2、安定化Ｚ
ｒＯ2、ＬａＣｒＯ3系等のＡｌ、Ｚｒ等を主成分とする
セラミックから成る。また、その開気孔率は１０％以下
であることが好ましい。前記の緻密質セラミック以外の
セラミックは動作温度の雰囲気中で還元されやすく、開
気孔率が１０％超の場合ガスリークが生じ、セルの性能
劣化やセルの破壊につながる。より好ましくは、開気孔
率を５％以下とするのがよい。
【００１７】前記粉体５は、Ａｌ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｙ、Ｃ
ｒ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｆｅ又は希土類元素（Ｓｃ、
Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇ
ｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ又はＬｕ）の
１種以上を主成分とし、その平均粒径が０．１〜１０μ
ｍであることが重要である。前記以外の元素が主成分の
場合、動作温度の約１０００℃でセル本体１と封止部材
６ａの成分が溶融し合って封止部が脆くなり、セルが破
壊され易い。また、平均粒径が０．１μｍ未満の場合、
隙間に介装しても粒子が飛散したり落下し、１０μｍ超
の場合粒子の隙間からガスがリークする。
ｒ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｆｅ又は希土類元素（Ｓｃ、
Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇ
ｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ又はＬｕ）の
１種以上を主成分とし、その平均粒径が０．１〜１０μ
ｍであることが重要である。前記以外の元素が主成分の
場合、動作温度の約１０００℃でセル本体１と封止部材
６ａの成分が溶融し合って封止部が脆くなり、セルが破
壊され易い。また、平均粒径が０．１μｍ未満の場合、
隙間に介装しても粒子が飛散したり落下し、１０μｍ超
の場合粒子の隙間からガスがリークする。
【００１８】本発明のガスシールは、セル本体１と封止
部材６ａとの熱膨張率の差を利用した機械的な締めつけ
により行うのが、確実なシールができ好ましい。セル本
体１は、室温から動作温度の約１０００℃までの昇温に
より、熱膨張する。このとき、封止部材６ａの熱膨張率
がセル本体１のそれより小さいと、封止部分及び接合部
分が機械的に締めつけられる。
部材６ａとの熱膨張率の差を利用した機械的な締めつけ
により行うのが、確実なシールができ好ましい。セル本
体１は、室温から動作温度の約１０００℃までの昇温に
より、熱膨張する。このとき、封止部材６ａの熱膨張率
がセル本体１のそれより小さいと、封止部分及び接合部
分が機械的に締めつけられる。
【００１９】また、封止部材６ａの熱膨張率がセル本体
１の熱膨張率よりも小さくてもその差が僅かな場合や、
逆に封止部材６ａの熱膨張率がセル本体１の熱膨張率よ
りも大きい場合には、粉体５の熱膨張率が、セル本体
１、封止部材６ａの熱膨張率のいずれよりも大きいこと
が好適である。
１の熱膨張率よりも小さくてもその差が僅かな場合や、
逆に封止部材６ａの熱膨張率がセル本体１の熱膨張率よ
りも大きい場合には、粉体５の熱膨張率が、セル本体
１、封止部材６ａの熱膨張率のいずれよりも大きいこと
が好適である。
【００２０】更に、構造的には、セル本体１と封止部材
６ａとの隙間が、ガスの流速方向に平行なこと、つま
り、セル本体１の外周面と封止部材６ａの内側面との隙
間に粉体５を介装することが好ましい。この場合、隙間
にかかるガス圧を最小限にできる。
６ａとの隙間が、ガスの流速方向に平行なこと、つま
り、セル本体１の外周面と封止部材６ａの内側面との隙
間に粉体５を介装することが好ましい。この場合、隙間
にかかるガス圧を最小限にできる。
【００２１】本発明のセル本体１の具体的構成及び製造
方法について以下に詳述する。まず、支持管１ａを兼ね
た円筒状の空気極成形体を押出成形法により作製する。
この空気極成形体は、ペロブスカイト型結晶相を主相と
するＬａＭｎＯ3系の材料で、その主結晶相の平均粒径
は３〜２０μｍ、特に５〜１５μｍであることが好まし
い。これは、主結晶相の粒径が３μｍより小さいと強度
は高いもののガス透過性が低く、２０μｍを越えるとガ
ス透過性は高くなるものの強度が不十分となるためであ
る。なお、空気極１ｂの開気孔率は２０〜４５％がよ
く、特に３０〜４０％が好適である。また、その平均細
孔径は、１．０〜５．０μｍの範囲がガス透過性に優れ
る。
方法について以下に詳述する。まず、支持管１ａを兼ね
た円筒状の空気極成形体を押出成形法により作製する。
この空気極成形体は、ペロブスカイト型結晶相を主相と
するＬａＭｎＯ3系の材料で、その主結晶相の平均粒径
は３〜２０μｍ、特に５〜１５μｍであることが好まし
い。これは、主結晶相の粒径が３μｍより小さいと強度
は高いもののガス透過性が低く、２０μｍを越えるとガ
ス透過性は高くなるものの強度が不十分となるためであ
る。なお、空気極１ｂの開気孔率は２０〜４５％がよ
く、特に３０〜４０％が好適である。また、その平均細
孔径は、１．０〜５．０μｍの範囲がガス透過性に優れ
る。
【００２２】次に、空気極成形体の表面に固体電解質１
ｃの成形体層を形成する。この固体電解質成形体層は、
平均粒径が０．５〜３μｍのＹ2Ｏ3等の公知の安定化剤
により安定化されたＺｒＯ2からなる粉体のスラリーを
調製し、その後ドクターブレード法等により前記スラリ
ーから作製されたグリーンシートを、空気極成形体の外
表面に巻き付けて形成する。
ｃの成形体層を形成する。この固体電解質成形体層は、
平均粒径が０．５〜３μｍのＹ2Ｏ3等の公知の安定化剤
により安定化されたＺｒＯ2からなる粉体のスラリーを
調製し、その後ドクターブレード法等により前記スラリ
ーから作製されたグリーンシートを、空気極成形体の外
表面に巻き付けて形成する。
【００２３】そして、空気極成形体／固体電解質成形体
を１０００〜１３００℃の温度で１〜３時間程度仮焼
し、その後、集電体の積層箇所となる固体電解質１ｃ及
び空気極１ｂの表面の一部を平滑に研磨し、集電体成形
体を積層する。集電体用成形体はＬａＣｒＯ3系の材料
を使用し、固体電解質成形体と同様にグリーンシートを
積層して形成する。
を１０００〜１３００℃の温度で１〜３時間程度仮焼
し、その後、集電体の積層箇所となる固体電解質１ｃ及
び空気極１ｂの表面の一部を平滑に研磨し、集電体成形
体を積層する。集電体用成形体はＬａＣｒＯ3系の材料
を使用し、固体電解質成形体と同様にグリーンシートを
積層して形成する。
【００２４】このようにして作製した空気極１ｂ／固体
電解質１ｃ／集電体成形体は、大気等の酸化性雰囲気中
で、１３００〜１６００℃の温度で３〜１５時間程度同
時焼成することにより共焼結させる。そして、燃料極１
ｄは、Ｎｉを３０〜８０重量％含有し、その残部がＹ2
Ｏ3等の安定化剤で安定化されたＺｒＯ2からなる多孔質
のサーメット材料を使用し、前記空気極１ｂ／固体電解
質１ｃ／集電体成形体の所定箇所に燃料極成形体層を形
成して焼結させ、円筒状のセル本体１を作製する。又
は、空気極成形体／固体電解質成形体／集電体成形体を
作製した後、更に燃料極成形体を積層し、これらを同時
焼成してセル本体１を作製することもできる。
電解質１ｃ／集電体成形体は、大気等の酸化性雰囲気中
で、１３００〜１６００℃の温度で３〜１５時間程度同
時焼成することにより共焼結させる。そして、燃料極１
ｄは、Ｎｉを３０〜８０重量％含有し、その残部がＹ2
Ｏ3等の安定化剤で安定化されたＺｒＯ2からなる多孔質
のサーメット材料を使用し、前記空気極１ｂ／固体電解
質１ｃ／集電体成形体の所定箇所に燃料極成形体層を形
成して焼結させ、円筒状のセル本体１を作製する。又
は、空気極成形体／固体電解質成形体／集電体成形体を
作製した後、更に燃料極成形体を積層し、これらを同時
焼成してセル本体１を作製することもできる。
【００２５】次に、緻密質セラミックの焼結体からなる
封止部材６ａを作製する。この封止部材６ａは、発電時
のガスシール性が要求されるため、例えば、結晶相の平
均粒径が０．５〜３μｍ程度のＡｌ2Ｏ3、部分安定化Ｚ
ｒＯ2、安定化ＺｒＯ2、ＬａＣｒＯ3等を主成分とす
る、ＺｒＯ2系、ＬａＣｒＯ3系酸化物の形成粉末を、押
出成形法や静水圧成形法（ラバープレス法）等により成
形し、各々所定の形状に切削加工を行う。この後、大気
等の酸化性雰囲気中で、１３００〜１６００℃の温度で
３〜５時間程度焼成して作製する。
封止部材６ａを作製する。この封止部材６ａは、発電時
のガスシール性が要求されるため、例えば、結晶相の平
均粒径が０．５〜３μｍ程度のＡｌ2Ｏ3、部分安定化Ｚ
ｒＯ2、安定化ＺｒＯ2、ＬａＣｒＯ3等を主成分とす
る、ＺｒＯ2系、ＬａＣｒＯ3系酸化物の形成粉末を、押
出成形法や静水圧成形法（ラバープレス法）等により成
形し、各々所定の形状に切削加工を行う。この後、大気
等の酸化性雰囲気中で、１３００〜１６００℃の温度で
３〜５時間程度焼成して作製する。
【００２６】最後に、以下のようにして、セル本体１と
封止部材６ａとの隙間に粉体５を介装し、ガスシールを
行う。まず、封止部材６ａにセル本体１を挿入する。
封止部材６ａとの隙間に粉体５を介装し、ガスシールを
行う。まず、封止部材６ａにセル本体１を挿入する。
【００２７】次に、前記隙間に粉体５を介装する場合、
粉体５を隙間に充填して圧力を加え固めたり、粉体５を
スラリー状にして隙間に注入し、圧力を加えながら乾燥
させ固めてもよい。そして、隙間に介装された粉体５
は、発電前の室温では固められた状態であり、発電可能
な約１０００℃では固められた状態で熱膨張した状態、
あるいは少なくとも部分的に焼結した状態となり、強固
に固着しているものと考えられる。
粉体５を隙間に充填して圧力を加え固めたり、粉体５を
スラリー状にして隙間に注入し、圧力を加えながら乾燥
させ固めてもよい。そして、隙間に介装された粉体５
は、発電前の室温では固められた状態であり、発電可能
な約１０００℃では固められた状態で熱膨張した状態、
あるいは少なくとも部分的に焼結した状態となり、強固
に固着しているものと考えられる。
【００２８】かくして、本発明は、ガスシールの確認が
容易で、ガスシールを容易かつ確実に行うことができ、
ガスシール不良やガラスの揮発成分による出力低下及び
性能劣化を防止し、また動作温度から室温までの降温時
に封止部が破壊されることがなく、その結果、何回もの
熱サイクルで使用可能になるという作用効果を有する。
容易で、ガスシールを容易かつ確実に行うことができ、
ガスシール不良やガラスの揮発成分による出力低下及び
性能劣化を防止し、また動作温度から室温までの降温時
に封止部が破壊されることがなく、その結果、何回もの
熱サイクルで使用可能になるという作用効果を有する。
【００２９】尚、本発明は上記の実施形態に限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の
変更は差し支えない。
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の
変更は差し支えない。
【００３０】
【実施例】（実施例）本発明の実施例を以下に示す。ま
ず、図１の構成を有する円筒状のセル本体１を以下のよ
うな共焼結により作製した。
ず、図１の構成を有する円筒状のセル本体１を以下のよ
うな共焼結により作製した。
【００３１】純度９９．９％以上のＬａ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、
ＣａＣＯ3、Ｍｎ2Ｏ3を出発原料として、これをＬａ
0.56Ｙ0.14Ｃａ0.3ＭｎＯ3の組成になるように秤量混合
した後、１５００℃で３時間仮焼して粉砕し、平均粒径
が約５μｍの固溶体粉末を得た。この固溶体粉末にバイ
ンダーを添加し、押出成形法で円筒状の空気極成形体を
作製した。
ＣａＣＯ3、Ｍｎ2Ｏ3を出発原料として、これをＬａ
0.56Ｙ0.14Ｃａ0.3ＭｎＯ3の組成になるように秤量混合
した後、１５００℃で３時間仮焼して粉砕し、平均粒径
が約５μｍの固溶体粉末を得た。この固溶体粉末にバイ
ンダーを添加し、押出成形法で円筒状の空気極成形体を
作製した。
【００３２】次に、共沈法により得られたＹ2Ｏ3を８ｍ
ｏｌ％の割合で含有する平均粒径が約１μｍのＺｒＯ2
粉末に、トルエンとバインダーを添加してスラリーを調
製し、ドクターブレード法により前記スラリーから厚み
約１３０μｍのシート状の固体電解質成形体を作製し
た。
ｏｌ％の割合で含有する平均粒径が約１μｍのＺｒＯ2
粉末に、トルエンとバインダーを添加してスラリーを調
製し、ドクターブレード法により前記スラリーから厚み
約１３０μｍのシート状の固体電解質成形体を作製し
た。
【００３３】そして、純度９９．９％以上のＬａ2Ｏ3、
Ｃｒ2Ｏ3、ＭｇＯを出発原料として、これをＬａ（Ｍｇ
0.3Ｃｒ0.7）0.97Ｏ3の組成になるように秤量混合した
後、１５００℃で３時間仮焼し粉砕して、平均粒径が約
２μｍの固溶体粉末を得た。この固溶体粉末にトルエン
とバインダーを添加してスラリーを調製し、ドクターブ
レード法によりスラリーから厚み約１４０μｍのシート
状の集電体用成形体を作製した。
Ｃｒ2Ｏ3、ＭｇＯを出発原料として、これをＬａ（Ｍｇ
0.3Ｃｒ0.7）0.97Ｏ3の組成になるように秤量混合した
後、１５００℃で３時間仮焼し粉砕して、平均粒径が約
２μｍの固溶体粉末を得た。この固溶体粉末にトルエン
とバインダーを添加してスラリーを調製し、ドクターブ
レード法によりスラリーから厚み約１４０μｍのシート
状の集電体用成形体を作製した。
【００３４】この後、空気極成形体に固体電解質成形体
をロール状に巻き付け、１１００℃で１時間の仮焼を行
なった。仮焼後、集電体の積層箇所となる空気極仮焼体
及び固体電解質仮焼体のそれぞれの表面の一部を平面研
磨し、前記集電体用成形体を研磨部に帯状に設置した。
その後、大気中において１５００℃で６時間の条件で共
焼結した。焼結後、ＮｉＯ粉末に１０ｍｏｌ％Ｙ2Ｏ3を
含むＺｒＯ2粉末を、（ＮｉＯ粉末）：（ＺｒＯ2粉末）
＝８０：２０重量比の割合で混合した混合粉末に、水を
溶媒として加えて作製した燃料極スラリーを、焼結体表
面に塗布し乾燥した。その後、大気中において１４００
℃で２時間焼結を行うことにより、厚み５０μｍの燃料
極１ｄを作製し、円筒状のセル本体１を作製した。
をロール状に巻き付け、１１００℃で１時間の仮焼を行
なった。仮焼後、集電体の積層箇所となる空気極仮焼体
及び固体電解質仮焼体のそれぞれの表面の一部を平面研
磨し、前記集電体用成形体を研磨部に帯状に設置した。
その後、大気中において１５００℃で６時間の条件で共
焼結した。焼結後、ＮｉＯ粉末に１０ｍｏｌ％Ｙ2Ｏ3を
含むＺｒＯ2粉末を、（ＮｉＯ粉末）：（ＺｒＯ2粉末）
＝８０：２０重量比の割合で混合した混合粉末に、水を
溶媒として加えて作製した燃料極スラリーを、焼結体表
面に塗布し乾燥した。その後、大気中において１４００
℃で２時間焼結を行うことにより、厚み５０μｍの燃料
極１ｄを作製し、円筒状のセル本体１を作製した。
【００３５】次に、図１封止部材６ａを以下のように作
製した。平均粒径が約１μｍのＡｌ2Ｏ3、平均粒径が約
１μｍのＺｒＯ2粉末、３ｍｏｌ％のＹ2Ｏ3を含む平均
粒径が約２μｍのＺｒＯ2粉末（3mol Yttrium Stabiliz
ed Zirconium ：３ＹＳＺ）、８ｍｏｌ％のＹ2Ｏ3を含
む平均粒径が約２μｍのＺｒＯ2粉末（８ＹＳＺ）、１
ｍｏｌ％のＣａＯを含む平均粒径が約２μｍのＺｒＯ2
粉末（Calcium Stabilized Zirconium；ＣＳＺ）のいず
れかを、静水圧成形法（ラバープレス法）により成形
し、所定の形状に切削加工して、セラミック成形体を作
製した。この封止部材６ａ用セラミック成形体を、大気
中において１４００℃で２時間の条件で焼成した。
製した。平均粒径が約１μｍのＡｌ2Ｏ3、平均粒径が約
１μｍのＺｒＯ2粉末、３ｍｏｌ％のＹ2Ｏ3を含む平均
粒径が約２μｍのＺｒＯ2粉末（3mol Yttrium Stabiliz
ed Zirconium ：３ＹＳＺ）、８ｍｏｌ％のＹ2Ｏ3を含
む平均粒径が約２μｍのＺｒＯ2粉末（８ＹＳＺ）、１
ｍｏｌ％のＣａＯを含む平均粒径が約２μｍのＺｒＯ2
粉末（Calcium Stabilized Zirconium；ＣＳＺ）のいず
れかを、静水圧成形法（ラバープレス法）により成形
し、所定の形状に切削加工して、セラミック成形体を作
製した。この封止部材６ａ用セラミック成形体を、大気
中において１４００℃で２時間の条件で焼成した。
【００３６】このとき、封止部材６ａの熱膨張率がセル
本体１のそれよりも小さくなるように各々の部品を組み
合わせて、室温でセル本体１と封止部材６ａ間の隙間が
０．２〜２．０ｍｍになるようにした。例えば、上記の
ように作製したセル本体１の熱膨張率は１０．８×１０
-6／Ｋで、Ａｌ2Ｏ3の封止部材６ａは８．０×１０-6／
Ｋで、Ｎｉ粒子から成る粉体５は１６．７８×１０-6／
Ｋである。
本体１のそれよりも小さくなるように各々の部品を組み
合わせて、室温でセル本体１と封止部材６ａ間の隙間が
０．２〜２．０ｍｍになるようにした。例えば、上記の
ように作製したセル本体１の熱膨張率は１０．８×１０
-6／Ｋで、Ａｌ2Ｏ3の封止部材６ａは８．０×１０-6／
Ｋで、Ｎｉ粒子から成る粉体５は１６．７８×１０-6／
Ｋである。
【００３７】セル本体１と封止部材６ａ間の隙間に、表
１に示すような、平均粒径が０．１μｍ〜１０μｍの８
ＹＳＺ、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2、Ｎｉ等の粉体５をスラリ
ー状にし、介装する。スラリー状の粉体５が乾燥するま
で圧力を加え続け、固化するようにする。そして、約１
０００℃まで昇温して、セル内に空気、セル外に水素を
流し、開放起電力を測定することにより、ガスのシール
性を判定した。このとき、開放起電力が０．８Ｖ以上の
ものをガスのシール性が良好と判断した。
１に示すような、平均粒径が０．１μｍ〜１０μｍの８
ＹＳＺ、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2、Ｎｉ等の粉体５をスラリ
ー状にし、介装する。スラリー状の粉体５が乾燥するま
で圧力を加え続け、固化するようにする。そして、約１
０００℃まで昇温して、セル内に空気、セル外に水素を
流し、開放起電力を測定することにより、ガスのシール
性を判定した。このとき、開放起電力が０．８Ｖ以上の
ものをガスのシール性が良好と判断した。
【００３８】
【表１】
【００３９】表１に示すように、隙間が２ｍｍ以下、開
気孔率が１０％未満、粉体５の平均粒径が０．１〜１０
μｍで、開放起電力が０．８Ｖ以上であった。また、前
記の条件を満足するものは、室温と約１０００℃間の昇
温及び降温の熱サイクルを５回行った後でも、０．８Ｖ
以上の開放起電力を保持した。
気孔率が１０％未満、粉体５の平均粒径が０．１〜１０
μｍで、開放起電力が０．８Ｖ以上であった。また、前
記の条件を満足するものは、室温と約１０００℃間の昇
温及び降温の熱サイクルを５回行った後でも、０．８Ｖ
以上の開放起電力を保持した。
【００４０】（比較例１）封止部材６ａの組成をＡｌ2
Ｏ3、その開気孔率を１％、隙間の距離を３．０ｍｍ、
粉体５の組成を８ＹＳＺ、その平均粒径を１μｍとした
以外は、実施例と同様にセル本体１，封止部材６ａを作
製した。
Ｏ3、その開気孔率を１％、隙間の距離を３．０ｍｍ、
粉体５の組成を８ＹＳＺ、その平均粒径を１μｍとした
以外は、実施例と同様にセル本体１，封止部材６ａを作
製した。
【００４１】この場合の開放起電力は、熱サイクル前で
０．８Ｖ、５回の熱サイクル後で０．７Ｖであった。
０．８Ｖ、５回の熱サイクル後で０．７Ｖであった。
【００４２】（比較例２）封止部材６ａの組成をＡｌ2
Ｏ3、その開気孔率を１％、隙間の距離を０．５ｍｍ、
粉体５の組成をＺｒＯ2、その平均粒径を０．０１μｍ
とした以外は、実施例と同様にセル本体１、封止部材６
ａを作製した。
Ｏ3、その開気孔率を１％、隙間の距離を０．５ｍｍ、
粉体５の組成をＺｒＯ2、その平均粒径を０．０１μｍ
とした以外は、実施例と同様にセル本体１、封止部材６
ａを作製した。
【００４３】この場合の開放起電力は、熱サイクル前で
０Ｖ、５回の熱サイクル後で０Ｖであった。
０Ｖ、５回の熱サイクル後で０Ｖであった。
【００４４】（比較例３）封止部材６ａの組成をＡｌ2
Ｏ3、その開気効率を１％、隙間の距離を０．５ｍｍ、
粉体５の組成をＺｒＯ2、その平均粒径を２０μｍとし
た以外は、実施例と同様にセル本体１、封止部材６ａを
作製した。
Ｏ3、その開気効率を１％、隙間の距離を０．５ｍｍ、
粉体５の組成をＺｒＯ2、その平均粒径を２０μｍとし
た以外は、実施例と同様にセル本体１、封止部材６ａを
作製した。
【００４５】この場合の開放起電力は、熱サイクル前で
０Ｖ、５回の熱サイクル後で０Ｖであった。
０Ｖ、５回の熱サイクル後で０Ｖであった。
【００４６】
【発明の効果】本発明は、円筒状のセル本体の一端を有
底円筒状の封止部材に挿入し、封止部材内側面とセル本
体外周面との隙間にセラミック粉末又は金属粒子から成
る粉体を介装することにより、発電の際のガスシール性
を完全にかつ容易に行うことができるとともに、封止状
態の確認も容易であり、その結果、セル性能を安定させ
ることができ、発電性能を向上させることができる。ま
た、動作温度から室温までの降温時に、封止部に従来使
用されていたガラスの熱応力により破壊されることがな
く、これにより、何回もの熱サイクルで使用可能にな
る。
底円筒状の封止部材に挿入し、封止部材内側面とセル本
体外周面との隙間にセラミック粉末又は金属粒子から成
る粉体を介装することにより、発電の際のガスシール性
を完全にかつ容易に行うことができるとともに、封止状
態の確認も容易であり、その結果、セル性能を安定させ
ることができ、発電性能を向上させることができる。ま
た、動作温度から室温までの降温時に、封止部に従来使
用されていたガラスの熱応力により破壊されることがな
く、これにより、何回もの熱サイクルで使用可能にな
る。
【図１】本発明の円筒状セルの封止部付近の構造を示
し、図３のＡ−Ａ線における断面図である。
し、図３のＡ−Ａ線における断面図である。
【図２】従来の円筒状セルの封止部付近の断面図であ
る。
る。
【図３】円筒状セルの基本構成の部分斜視図である。
１：セル本体 １ａ：支持管 １ｂ：空気極 １ｃ：固体電解質 １ｄ：燃料極 ２：接合治具 ３：ガス導入管 ５：粉体 ６、６ａ：封止部材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−170359（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−104475（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−162847（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/02 H01M 8/12
Claims (2)
- 【請求項１】円筒状の固体電解質型燃料電池セル本体の
一端を、有底円筒状の封止部材に挿入してその底部に当
接させ、前記封止部材内側面と固体電解質型燃料電池セ
ル本体外周面との隙間を２ｍｍ以下とし、該隙間にセラ
ミック粉末及び／又は金属粒子から成り、平均粒径が
０．１〜１０μｍの粉体を介装して成ることを特徴とす
る固体電解質型燃料電池セル。 - 【請求項２】前記封止部材の熱膨張率が固体電解質型燃
料電池セル本体の熱膨張率より小さいか、及び／又は、
前記粉体の熱膨張率が固体電解質型燃料電池セル本体及
び封止部材の熱膨張率よりも大きいことを特徴とする請
求項１記載の固体電解質型燃料電池セル。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35007396A JP3238087B2 (ja) | 1996-12-27 | 1996-12-27 | 固体電解質型燃料電池セル |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35007396A JP3238087B2 (ja) | 1996-12-27 | 1996-12-27 | 固体電解質型燃料電池セル |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001206065A Division JP3285856B2 (ja) | 2001-07-06 | 2001-07-06 | 固体電解質型燃料電池セル |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10189016A JPH10189016A (ja) | 1998-07-21 |
| JP3238087B2 true JP3238087B2 (ja) | 2001-12-10 |
Family
ID=18408052
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP35007396A Expired - Fee Related JP3238087B2 (ja) | 1996-12-27 | 1996-12-27 | 固体電解質型燃料電池セル |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3238087B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| JP4537031B2 (ja) * | 2003-09-30 | 2010-09-01 | 京セラ株式会社 | 電気化学セラミック素子ユニットおよび電気化学セラミック素子ユニットの製造方法 |
| JP2005322452A (ja) * | 2004-05-07 | 2005-11-17 | Nissan Motor Co Ltd | 固体酸化物形燃料電池用セル板及び固体酸化物形燃料電池 |
| JP4240530B2 (ja) | 2006-09-15 | 2009-03-18 | Ｔｏｔｏ株式会社 | 燃料電池セル体、燃料電池セルユニット、燃料電池セルスタック及びそれらを含む燃料電池 |
| JP5390148B2 (ja) * | 2008-09-16 | 2014-01-15 | 一般財団法人ファインセラミックスセンター | 熱サイクル耐久性に優れるガスシール部位を有するガスシール構造体及びその製造方法 |
| US8993195B2 (en) * | 2010-05-19 | 2015-03-31 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Fuel cell and method of manufacturing the same |
| JP6072104B2 (ja) * | 2015-02-06 | 2017-02-01 | 三菱重工業株式会社 | セルスタックこれを有する燃料電池モジュール及びセルスタック製造方法 |
-
1996
- 1996-12-27 JP JP35007396A patent/JP3238087B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH10189016A (ja) | 1998-07-21 |
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