JP3336171B2 - Solid oxide fuel cell - Google Patents

Solid oxide fuel cell

Info

Publication number
JP3336171B2
JP3336171B2 JP28382795A JP28382795A JP3336171B2 JP 3336171 B2 JP3336171 B2 JP 3336171B2 JP 28382795 A JP28382795 A JP 28382795A JP 28382795 A JP28382795 A JP 28382795A JP 3336171 B2 JP3336171 B2 JP 3336171B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
solid electrolyte
metal
fuel electrode
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP28382795A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH09129244A (en
Inventor
高志 重久
祥二 山下
雅英 秋山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyocera Corp filed Critical Kyocera Corp
Priority to JP28382795A priority Critical patent/JP3336171B2/en
Publication of JPH09129244A publication Critical patent/JPH09129244A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3336171B2 publication Critical patent/JP3336171B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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、円筒型や平板型の
固体電解質型燃料電池セルに関するもので、特に金属繊
維を用いた燃料極を有する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 or flat solid electrolyte fuel cell, and more particularly to a solid electrolyte fuel cell having a fuel electrode using metal fibers.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、固体電解質型燃料電池はその
作動温度が1000〜1050℃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 Conventionally, a solid oxide fuel cell has a high power generation efficiency because its operating temperature is as high as 1000 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。平板型燃料電池セルは、
発電の単位体積当り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−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
という特長がある。両形状の固体電解質型燃料電池セル
とも、それぞれの特長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 solid oxide fuel cell is known to be a cylindrical type or a flat type. Flat fuel cells are
Although it has the feature that the power density per unit volume of power generation is high, there are problems such as incomplete gas seals and non-uniformity of the temperature distribution in the cell in practical use. On the other hand, the cylindrical fuel cell has the features that the output density is low, but the mechanical strength of the cell is high and the temperature uniformity in the cell can be maintained. Both types of solid oxide fuel cells are being actively researched and developed utilizing their respective features.

【0004】円筒型燃料電池の単セルは、図4に示した
ように開気孔率40%程度のCaO安定化ZrO2 を支
持管1とし、その上にLaMnO3 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 安定化Zr
2 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が設けられてい
る。燃料電池のモジュ−ルにおいては、各単セルはLa
CrO3 系の集電体(インタ−コネクタ)5を介して接
続される。
As shown in FIG. 4, a single cell of a cylindrical fuel cell has a support tube 1 made of CaO-stabilized ZrO 2 having an open porosity of about 40%, and a porous air made of a LaMnO 3 -based material thereon. A pole 2 is formed, and Y 2 O 3 stabilized Zr is formed on its surface.
A solid electrolyte 3 made of O 2 is covered, and a porous Ni-zirconia fuel electrode 4 is provided on this surface. In the fuel cell module, each single cell is La
It is connected via a CrO 3 -based current collector (inter-connector) 5.

【0005】このような燃料電池の発電は、各単セルを
1000〜1050℃の温度で保持するとともに、支持
管1内部に空気(酸素)6を、外部に燃料(水素)7を
供給することにより行われる。
In such fuel cell power generation, each unit cell is maintained at a temperature of 1000 to 1050 ° C., and air (oxygen) 6 is supplied to the inside of the support tube 1 and fuel (hydrogen) 7 is supplied to the outside. It is performed by

【0006】そして、近年、セル作製の工程においてプ
ロセスを単純化するため、空気極材料であるLaMnO
3 系材料を直接多孔性の支持管として使用する試みがな
されている。空気極としての機能を合わせ持つ支持管材
料としては、LaをCaあるいはSrで10〜20原子
%置換したLaMnO3 固溶体材料が用いられている。
In recent years, in order to simplify the process in the cell fabrication process, LaMnO, which is an air electrode material, has been used.
Attempts to use 3-based material as a direct porous support tube have been made. As a support tube material having a function as an air electrode, a LaMnO 3 solid solution material in which La is substituted with Ca or Sr by 10 to 20 atomic% is used.

【0007】また、上記のような燃料電池セルを製造す
る方法としては、例えばCaO安定化ZrO2 からなる
絶縁粉末を押出成形法などにより円筒状に成形後、これ
を焼成して円筒状支持体を作製し、その支持管の外周面
に空気極、固体電解質、燃料極、あるいは集電体のスラ
リ−を塗布してこれを順次焼成して積層することが行わ
れている。
As a method of manufacturing the above-described fuel cell, for example, an insulating powder composed of CaO-stabilized ZrO 2 is formed into a cylindrical shape by an extrusion molding method or the like, and then fired to form a cylindrical support. And a slurry of an air electrode, a solid electrolyte, a fuel electrode, or a current collector is applied to the outer peripheral surface of the support tube, and the resultant is sequentially fired and laminated.

【0008】一方、平板型燃料電池の単セルは、円筒型
と同じ材料系を用いて、図5に示したように固体電解質
8の上面に多孔性の空気極9を、下面に多孔性の燃料極
10を設けて構成されている。単セル間の接続には、セ
パレ−タ11と呼ばれるMgOやCaOを添加した緻密
質のLaCrO3 固溶体材料が用いられる。
On the other hand, the single cell of the flat fuel cell uses the same material system as that of the cylindrical type, and has a porous air electrode 9 on the upper surface of a solid electrolyte 8 and a porous air electrode on the lower surface as shown in FIG. The fuel electrode 10 is provided. For connection between the single cells, a dense LaCrO 3 solid solution material called MgO or CaO, called a separator 11, is used.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た円筒型と平板型の2種類の燃料電池セルとも、燃料極
4,10に金属(Ni)が用いられているため発電中に
金属が焼結し、体積収縮が起こるため、燃料極4,10
に微細なクラックが発生して電気伝導度が低下し、経時
的に発電の出力密度が低下し、その結果発電特性が劣化
するという問題があった。
However, in both of the above-described two types of fuel cells, the cylindrical type and the flat type, since the metal (Ni) is used for the fuel electrodes 4 and 10, the metal sinters during power generation. And the volume shrinkage occurs,
In addition, there is a problem that a minute crack is generated, electric conductivity is reduced, and an output density of power generation is reduced with time, and as a result, power generation characteristics are deteriorated.

【0010】本発明は、発電特性の劣化が極めて少ない
出力の安定した長寿命の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。
[0010] It is an object of the present invention to provide a stable and long-life solid oxide fuel cell having an output with very little deterioration in power generation characteristics.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明者等は鋭意検討した結果、燃料極に、Cr,
Feのうちの少なくとも一種からなる平均直径1〜30
0μmの金属繊維が存在する場合には、金属(Ni)の
焼結により微細なクラックが発生しても金属繊維により
電気伝導のパスを確保することができ、その結果発電特
性の劣化を抑制できることを見出し、本発明に至った。
Means for Solving the Problems In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have made intensive studies and as a result, have found that Cr,
Average diameter of 1 to 30 consisting of at least one of Fe
When a metal fiber of 0 μm is present, even if a fine crack occurs due to sintering of metal (Ni), a path for electric conduction can be secured by the metal fiber, and as a result, deterioration of power generation characteristics can be suppressed. And found the present invention.

【0012】即ち、本発明の固体電解質型燃料電池セル
は、固体電解質の片面に燃料極、他面に空気極が形成さ
れた固体電解質型燃料電池セルにおいて、前記燃料極
が、前記固体電解質表面に形成されるとともに、CeO
2、ZrO2またはこれらの固溶体からなるセラミック粒
子と、Ni、Co、Ti、Cr、Feのうちの少なくと
も一種からなる金属粒子により構成されたサーメット層
と、このサーメット層の上面に形成されるとともに、C
r、Feのうちの少なくとも一種からなる平均直径1〜
300μmの金属繊維層とからなるものである。
That is, a solid electrolyte fuel cell according to the present invention is a solid electrolyte fuel cell having a fuel electrode formed on one side of the solid electrolyte and an air electrode formed on the other side. And CeO
2 , a cermet layer composed of ceramic particles composed of ZrO 2 or a solid solution thereof, metal particles composed of at least one of Ni, Co, Ti, Cr, and Fe; and a cermet layer formed on an upper surface of the cermet layer. , C
average diameter 1 to at least one of r and Fe
And a metal fiber layer having a thickness of 300 μm.

【0013】[0013]

【0014】[0014]

【0015】[0015]

【作用】本発明においては、燃料極に、Cr,Feのう
ちの少なくとも一種からなる平均直径1〜300μmの
金属繊維が存在し、例えば、燃料極を、前記金属繊維
と、CeO2 ,ZrO2 またはこれらの固溶体からなる
セラミック粒子と、Ni,Co,Ti,Cr,Feのう
ちの少なくとも一種からなる金属粒子とにより構成する
ことにより、発電中に燃料極を構成するNi等の金属粒
子が焼結しても、体積収縮を起こして電気伝導パスが切
断されることを抑制することができ、経時的な発電の出
力密度の低下を抑制し、その結果発電性能を向上するこ
とが可能となる。
In the present invention, the fuel electrode includes metal fibers of at least one of Cr and Fe having an average diameter of 1 to 300 μm. For example, the fuel electrode is formed by combining the metal fibers with CeO 2 and ZrO 2. Alternatively, metal particles such as Ni constituting the fuel electrode are fired during power generation by forming ceramic particles made of these solid solutions and metal particles made of at least one of Ni, Co, Ti, Cr and Fe. Even if it is tied, it is possible to suppress the occurrence of volume shrinkage and disconnection of the electric conduction path, thereby suppressing a reduction in the output density of power generation over time, and as a result, improving the power generation performance. .

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】本発明の固体電解質型燃料電池セ
ルを図面を用いて詳細に説明する。本発明の円筒型の燃
料電池セルは、図1に示したように、円筒状の固体電解
質31の内面に空気極32、外面に燃料極33を形成し
て構成されており、空気極32には、この空気極32と
電気的に接続する集電体35を設けてなるものである。
尚、図4に示したように、電気抵抗の大きな材料からな
る支持管を形成し、この支持管の外面に空気極32,固
体電解質31,燃料極33を積層して構成しても良い。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A solid oxide fuel cell according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the cylindrical fuel cell of the present invention is configured by forming an air electrode 32 on an inner surface of a cylindrical solid electrolyte 31 and a fuel electrode 33 on an outer surface thereof. Is provided with a current collector 35 electrically connected to the air electrode 32.
As shown in FIG. 4, a support tube made of a material having a large electric resistance may be formed, and the air electrode 32, the solid electrolyte 31, and the fuel electrode 33 may be laminated on the outer surface of the support tube.

【0017】本発明に用いられる空気極32は、自己支
持管としての機能を有する円筒状の空気極成形体を押出
成形して作製される。この空気極32は、ペロブスカイ
ト型結晶相を主相とするLaをCa,Sr等で10〜2
0原子%置換したLaMnO3 系の材料で、その平均結
晶粒径は3〜20μm、特に5〜15μmであることが
望ましい。これは、主結晶相の平均結晶粒径が3μmよ
り小さいと強度は高いもののガス透過性が低く、20μ
m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32の開気孔率は20
〜45%、特に30〜40%が適当である。また、平均
細孔径は1.0〜5.0μmの範囲がガス透過性に優れ
る。
The air electrode 32 used in the present invention is manufactured by extruding a cylindrical air electrode having a function as a self-supporting tube. The air electrode 32 is formed by converting La having a perovskite type crystal phase as a main phase into Ca, Sr, or the like for 10 to 2 hours.
It is a LaMnO 3 -based material substituted with 0 atomic%, and its average crystal grain size is desirably 3 to 20 μm, particularly desirably 5 to 15 μm. This is because when the average crystal grain size of the main crystal phase is smaller than 3 μm, the strength is high but the gas permeability is low,
If it exceeds m, the gas permeability increases but the strength becomes insufficient. The open porosity of the air electrode 32 is 20
~ 45%, especially 30-40% is suitable. The average pore diameter in the range of 1.0 to 5.0 μm is excellent in gas permeability.

【0018】空気極32の表面に形成される固体電解質
31は、3〜20モル%のY2 3,Yb2 3 ,Sc
2 3 等を添加した部分安定化もしくは安定化Zr
2 、あるいは5〜30モル%のGd2 3 ,Y
2 3 ,Nd2 3 ,CaOを添加したCeO2 を用い
ることが好ましい。
The solid electrolyte 31 formed on the surface of the air electrode 32 contains 3 to 20 mol% of Y 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Sc.
Partially stabilized or stabilized Zr to which 2 O 3 or the like is added
O 2 , or 5-30 mol% of Gd 2 O 3 , Y
It is preferable to use CeO 2 to which 2 O 3 , Nd 2 O 3 and CaO are added.

【0019】そして、本発明においては、燃料極33に
は、Cr,Feのうちの少なくとも一種からなる平均直
径1〜300μmの金属繊維が存在している。即ち、燃
料極33は、Cr,Feのうちの少なくとも一種からな
る平均直径1〜300μmの金属繊維と、CeO2 ,Z
rO2 またはこれらの固溶体からなるセラミック粒子
と、Ni,Co,Ti,Cr,Feのうちの少なくとも
一種からなる金属粒子とにより構成されている。CeO
2 ,ZrO2 またはこれらの固溶体は、上記した固体電
解質31と同様に、3〜20モル%のY2 3 ,Yb2
3 ,Sc2 3等を添加したZrO2 、あるいは5〜
30モル%のGd2 3 ,Y2 3 ,Nd2 3 ,Ca
Oを添加したCeO2 を用いることが好ましい。
In the present invention, the fuel electrode 33 includes metal fibers of at least one of Cr and Fe having an average diameter of 1 to 300 μm. That is, the fuel electrode 33 is made of a metal fiber made of at least one of Cr and Fe and having an average diameter of 1 to 300 μm, CeO 2 , Z
It is composed of ceramic particles composed of rO 2 or a solid solution thereof and metal particles composed of at least one of Ni, Co, Ti, Cr and Fe. CeO
2 , ZrO 2, or a solid solution of these, as in the case of the solid electrolyte 31 described above, contains 3 to 20 mol% of Y 2 O 3 and Yb 2.
ZrO 2 to which O 3 , Sc 2 O 3, etc. are added;
30 mol% of Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Ca
It is preferable to use CeO 2 to which O is added.

【0020】本発明の燃料極33の構造は、図3に示す
ように、ZrO2からなるセラミック粒子37と、N
i,Co,Ti,Cr,Feのうちの少なくとも一種か
らなる金属粒子38により構成されたサーメット層39
の上面に、Cr,Feのうちの少なくとも一種の金属繊
維40からなる金属繊維層41を形成したものである。
金属繊維40量としては、燃料極33全体の30〜95
体積%が望ましい。
As shown in FIG. 3, the structure of the fuel electrode 33 of the present invention comprises ceramic particles 37 made of ZrO 2 and N
Cermet layer 39 composed of metal particles 38 of at least one of i, Co, Ti, Cr, Fe
A metal fiber layer 41 made of at least one metal fiber 40 of Cr and Fe is formed on the upper surface of the substrate.
The amount of the metal fibers 40 is 30 to 95 of the entire fuel electrode 33.
% By volume is desirable.

【0021】[0021]

【0022】また、サーメット層の厚みは10〜200
μm、特には電気伝導度とガス透過性の点から20〜1
00μmが望ましく、金属繊維層の厚みは50〜500
0μm、特には、上記と同様の理由から100〜100
0μmが望ましい。
The thickness of the cermet layer is 10 to 200.
μm , especially 20 to 1 in view of electric conductivity and gas permeability.
The thickness of the metal fiber layer is preferably 50 to 500 μm.
0 μm, especially 100 to 100 for the same reason as above.
0 μm is desirable.

【0023】使用する金属繊維はCrおよび/またはF
eを使用することができ、Cr,Feのそれぞれの単独
の金属繊維でも良いし、これらの混合でも良い。
The metal fibers used are Cr and / or F
e can be used, and a single metal fiber of each of Cr and Fe may be used, or a mixture of these may be used.

【0024】また、金属繊維の直径は1〜300μmで
あるが、これは金属繊維の直径が1μmより小さいと、
燃料極の収縮にともない金属繊維が破断して電気伝導度
が低下するからである。それに対して、金属繊維の直径
が300μmより大きいと燃料極の厚みが厚くなり、燃
料極中のガスの透過性が悪くなり、発電性能が低下する
からである。金属繊維の直径は、電気伝導性の観点から
特に10〜100μmが望ましい。
Further, the diameter of the metal fiber is 1 to 300 μm. This is because if the diameter of the metal fiber is smaller than 1 μm,
This is because the metal fibers break due to the shrinkage of the fuel electrode, and the electrical conductivity decreases. On the other hand, if the diameter of the metal fiber is larger than 300 μm, the thickness of the fuel electrode increases, the gas permeability in the fuel electrode deteriorates, and the power generation performance decreases. The diameter of the metal fiber is particularly preferably from 10 to 100 μm from the viewpoint of electric conductivity.

【0025】また、金属繊維のアスペクト比(長さ/直
径)が3〜10000の範囲が好ましいが、これは、ア
スペクト比が3より小さいと電気伝導度の低下を生じ易
くなるからであり、アスペクト比が10000より大き
いと繊維を均一に分散させることが困難となり発電時の
出力にバラツキが発生し易くなるからである。金属繊維
のアスペクト比は、電気伝導度と繊維の分散性の観点か
ら10〜1000が望ましい。
Further, the aspect ratio (length / diameter) of the metal fiber is preferably in the range of 3 to 10,000. This is because if the aspect ratio is smaller than 3, the electric conductivity is likely to decrease. If the ratio is greater than 10,000, it is difficult to uniformly disperse the fibers, and the output during power generation tends to vary. The aspect ratio of the metal fiber is desirably 10 to 1000 from the viewpoints of electric conductivity and fiber dispersibility.

【0026】さらに、金属繊維の純度としては、Cr,
Feのうちの少なくとも一種の含有量が70%以上、特
に95%以上であることが好ましい。金属繊維は多結晶
体の他、単結晶であっても良い。
Further, the purity of the metal fibers is Cr,
The content of at least one of Fe is preferably 70% or more, particularly preferably 95% or more. The metal fiber may be a single crystal in addition to a polycrystal.

【0027】上記例では、円筒型の固体電解質型燃料電
池セルについて説明したが、平板型についても上記と同
様の材料を用いることができる。
In the above example, a cylindrical solid oxide fuel cell has been described. However, the same material as described above can be used for a flat plate.

【0028】次に本発明の製法について述べる。本発明
の円筒型の燃料電池セルの製造方法は、例えば、円筒状
の空気極成形体の外周面に固体電解質成形体を積層した
ものを、酸化性雰囲気で1000〜1300℃の温度で
1〜3時間程度仮焼し、さらに、固体電解質仮焼体の表
面に集電体成形体を積層し、このようにして作製した空
気極/固体電解質/集電体積層体を、大気等の酸化性雰
囲気中、1300〜1600℃の温度で3〜15時間程
度同時焼成することにより焼結させる。その他、上記積
層体は、円筒状の固体電解質成形体を作製した後、その
内面および外面に空気極成形体および集電体の成形体を
積層して形成しても良い。
Next, the production method of the present invention will be described. The method for producing a cylindrical fuel cell of the present invention is, for example, a method in which a solid electrolyte molded body is laminated on the outer peripheral surface of a cylindrical air electrode molded body, and the solid electrolyte molded body is formed at a temperature of 1000 to 1300 ° C. Calcination is performed for about 3 hours, and a current collector molded body is further laminated on the surface of the solid electrolyte calcined body. The air electrode / solid electrolyte / current collector laminate thus produced is oxidized in the air or the like. Sintering is performed by simultaneous firing at a temperature of 1300 to 1600 ° C. for about 3 to 15 hours in an atmosphere. Alternatively, the laminate may be formed by forming a cylindrical solid electrolyte molded body, and then laminating a molded body of an air electrode molded body and a current collector on the inner and outer surfaces thereof.

【0029】[0029]

【0030】本発明の図3の固体電解質型燃料電池セル
では、例えば、ZrO2(Y23含有)粉末、Ni粉末
を用いて、サーメット層を形成した後、所定のCr,F
e繊維を有機溶媒に分散させたものを、上述と同様に円
筒型セルの場合はスラリーディップ法により、また平板
型セルの場合はスクリーン印刷により、上記サーメット
層の上面に塗布して、固体電解質表面に燃料極成形体を
積層する。
In the solid oxide fuel cell unit shown in FIG. 3 of the present invention , for example, after forming a cermet layer using ZrO 2 (containing Y 2 O 3 ) powder and Ni powder, predetermined Cr, F
e. A dispersion of the fibers in an organic solvent is applied to the upper surface of the cermet layer by a slurry dipping method in the case of a cylindrical cell, or by a screen printing in the case of a flat cell, as described above, and the solid electrolyte is formed. The fuel electrode compact is laminated on the surface.

【0031】この後、燃料極成形体は金属繊維が酸化し
ないような低温で熱処理しても良いし、塗布した状態の
ままでも良い。空気極/固体電解質/集電体積層成形体
を形成した後、さらに燃料極成形体を積層し、これらを
同時に焼成することもできる。
Thereafter, the fuel electrode molded body may be subjected to a heat treatment at a low temperature at which the metal fibers are not oxidized, or may be in an applied state. After the formation of the air electrode / solid electrolyte / current collector laminated body, the fuel electrode body can be further laminated and fired simultaneously.

【0032】図3の固体電解質型燃料電池セルの金属繊
維層41については、金属繊維として、単繊維を成形し
たものや長繊維を織った金属フェルトを巻き付けて形成
しても良い。尚、固体電解質の内面に燃料極を、外面に
空気極を形成することもできる。
The metal fiber layer 41 of the solid oxide fuel cell shown in FIG. 3 may be formed by winding a single fiber or a metal felt woven with long fibers as the metal fiber. Note that a fuel electrode may be formed on the inner surface of the solid electrolyte and an air electrode may be formed on the outer surface.

【0033】[0033]

【実施例】参考例1 市販の平均粒子径が0.7μmの10モル%Y23含有
のZrO2粉末を用いて、ドクターブレード法によりグ
リーンシートを作製した後、1500℃で3時間焼成し
て理論密度比98.2%、直径30mm、厚み200μ
mの円板状の固体電解質を作製した。この固体電解質の
片面に、市販の粒子径1μmのLa0.9Sr0.1MnO3
粉末と溶媒とを加えたスラリーを50μmの厚みに塗布
し、1200℃で2時間焼き付けて空気極を形成した。
また、平均粒子径が2μmの10モル%Y23含有のZ
rO2粉末または平均粒子径が3μmの5モル%Y23
含有のCeO2粉末、平均粒子径が2μmのNi,C
o,Ti,Cr,Fe粉末と溶媒とを混合して燃料極ス
ラリーを作製した。
Reference Example 1 A green sheet was prepared by a doctor blade method using a commercially available ZrO 2 powder containing 10 mol% of Y 2 O 3 having an average particle diameter of 0.7 μm and then fired at 1500 ° C. for 3 hours. And theoretical density ratio 98.2%, diameter 30mm, thickness 200μ
m of a disk-shaped solid electrolyte was prepared. On one side of this solid electrolyte, a commercially available La 0.9 Sr 0.1 MnO 3 having a particle diameter of 1 μm was applied.
A slurry containing the powder and the solvent was applied to a thickness of 50 μm and baked at 1200 ° C. for 2 hours to form an air electrode.
Further, Z containing 10 mol% of Y 2 O 3 having an average particle diameter of 2 μm is used.
rO 2 powder or 5 mol% Y 2 O 3 having an average particle diameter of 3 μm
Containing CeO 2 powder, Ni, C having an average particle size of 2 μm
A fuel electrode slurry was prepared by mixing o, Ti, Cr, Fe powder and a solvent.

【0034】一方、このZrO2 /金属粉末にアスペク
ト比が10で金属繊維の平均直径が表1に示すような
0.5μmから510μmのCr,Fe繊維と溶媒を加
えて燃料極スラリーを作製した。
On the other hand, a fuel electrode slurry was prepared by adding Cr and Fe fibers having an aspect ratio of 10 and metal fibers having an average diameter of 0.5 μm to 510 μm as shown in Table 1 and a solvent to the ZrO 2 / metal powder, and a solvent. .

【0035】この2種類の燃料極スラリーを表1に示す
ような厚み100〜3000μmになるように、固体電
解質の他面に塗布して燃料極を形成し、図2に示すよう
なサーメット層中に金属繊維が分散した燃料極を作成し
た(試料No.2〜16)。そして、空気極側に酸素、燃
料極側に水素を流しながら1000℃で500時間発電
を行い5時間後と500時間後で出力密度の低下率を求
めた。この結果を表1に示す。
The two types of fuel electrode slurries were applied to the other surface of the solid electrolyte so as to have a thickness of 100 to 3000 μm as shown in Table 1 to form a fuel electrode. A fuel electrode in which metal fibers were dispersed was prepared (Sample Nos. 2 to 16). Then, power was generated at 1000 ° C. for 500 hours while flowing oxygen on the air electrode side and hydrogen on the fuel electrode side, and the reduction rate of the output density was determined after 5 hours and 500 hours. Table 1 shows the results.

【0036】[0036]

【表1】 [Table 1]

【0037】この表1より、金属繊維の平均直径が1〜
300μmの金属繊維を含有する試料はいずれも金属繊
維を含有しない試料No.1に比べて出力密度の低下率
が小さく、また、金属繊維の平均直径が1μmより小さ
いNo.2では金属繊維含有の効果がなく、さらに、金
属繊維の平均直径が300μmより大きな試料No.
8,11,14では発電の出力密度が小さいことが判
る。
According to Table 1, the average diameter of the metal fibers is 1 to
Sample No. containing no metal fiber was sample No. 300 containing no metal fiber. No. 1, the rate of decrease in the output density was smaller, and the average diameter of the metal fibers was smaller than 1 μm. In Sample No. 2, there was no effect of containing metal fibers, and in Sample No. 2, the average diameter of which was larger than 300 μm.
8, 11, and 14, the output density of the power generation is small.

【0038】実施例1 平均粒子径が2μmの10モル%Y23含有のZrO2
粉末、平均粒子径が2μmのNi,Co,Ti,Cr,
Fe粉末と溶媒とを混合して作製したスラリーを、表2
に示すような厚みとなるように参考例1で作製した固体
電解質の表面に塗布しサーメット層を形成し、さらに、
このサーメット層の表面に、アスペクト比が5で表2に
示すような平均直径0.5μmから510μmのCr,
Fe繊維を溶媒に分散させたスラリーを、表2に示すよ
うな厚みとなるように塗布し、図3に示すように、サー
メット層の表面に金属繊維層を形成した燃料極を有する
固体電解質型燃料電池セルを作成した。この後、上記参
考例1と同様に発電を行い出力密度の低下率を測定し
た。その結果を表2に示す。
Example 1 ZrO 2 containing 10 mol% of Y 2 O 3 having an average particle diameter of 2 μm
Powder, Ni, Co, Ti, Cr having an average particle diameter of 2 μm,
Table 2 shows the slurry prepared by mixing the Fe powder and the solvent.
To form a cermet layer by applying to the surface of the solid electrolyte prepared in Reference Example 1 so as to have a thickness as shown in
On the surface of this cermet layer, Cr having an aspect ratio of 5 and an average diameter of 0.5 μm to 510 μm as shown in Table 2 was used.
A slurry in which Fe fibers are dispersed in a solvent is applied so as to have a thickness as shown in Table 2, and as shown in FIG. 3, a solid electrolyte type having a fuel electrode having a metal fiber layer formed on the surface of a cermet layer as shown in FIG. A fuel cell was made. Thereafter, power generation was performed in the same manner as in Reference Example 1, and the rate of decrease in output density was measured. Table 2 shows the results.

【0039】[0039]

【表2】 [Table 2]

【0040】この表2より、金属繊維層の金属繊維の平
均直径が1〜300μmの金属繊維を塗布した試料は、
いずれも金属繊維を塗布しない試料No.1に比べて出
力密度の低下率が小さいことが判る。金属繊維の平均直
径が1μmより小さいNo.17では繊維含有の効果が
認められなかった。また、金属繊維の平均直径が300
μmより大きなNo.24では出力密度の低下が大きい
ことが判る。
According to Table 2, the sample coated with the metal fiber having an average diameter of the metal fiber of the metal fiber layer of 1 to 300 μm is as follows:
In each of the sample Nos. It can be seen that the reduction rate of the output density is smaller than that of No. 1. The average diameter of the metal fibers was smaller than 1 μm. In No. 17, the effect of containing fiber was not recognized. The average diameter of the metal fibers is 300
No. larger than μm. In the case of No. 24, it can be seen that the decrease in the output density is large.

【0041】参考例2 実施例1と同様のZrO2粉末とNi粉末からなる燃料
極材料に、平均直径が5μmでアスペクト比が表3のよ
うに異なるCr,Fe繊維を加えて混合し燃料極材料を
作製した。これを参考例1に従い、表3に示すような厚
みとなるように固体電解質に塗布し、図2に示すような
固体電解質型燃料電池セルを作成した。
REFERENCE EXAMPLE 2 Cr and Fe fibers having an average diameter of 5 μm and different aspect ratios as shown in Table 3 were added to a fuel electrode material comprising ZrO 2 powder and Ni powder as in Example 1 and mixed. Materials were made. This was applied to a solid electrolyte so as to have a thickness as shown in Table 3 according to Reference Example 1, and a solid oxide fuel cell as shown in FIG. 2 was prepared.

【0042】この後、上記参考例1と同様に発電を行い
出力密度の低下率を測定した。その結果を表3に示す。
Thereafter, power generation was performed in the same manner as in Reference Example 1, and the rate of decrease in output density was measured. Table 3 shows the results.

【0043】[0043]

【表3】 [Table 3]

【0044】この表3より、金属繊維のアスペクト比が
3〜10000の範囲では出力密度の低下が小さいこと
が判る。
It can be seen from Table 3 that when the aspect ratio of the metal fiber is in the range of 3 to 10,000, the decrease in the output density is small.

【0045】[0045]

【発明の効果】本発明の固体電解質型燃料電池セルで
は、燃料極に、Cr,Feのうちの少なくとも一種から
なる直径が1〜300μmの金属繊維を含有させたの
で、発電中に燃料極を構成するNi等の金属粒子が焼結
しても、体積収縮を起こして電気伝導パスが切断される
ことを抑制することができ、経時的に発電の出力密度が
低下することを抑制することができ、その結果発電性能
を向上することができる。
According to the solid oxide fuel cell unit of the present invention, the fuel electrode contains metal fibers of at least one of Cr and Fe having a diameter of 1 to 300 μm. Even if the metal particles such as Ni constituting the sintered body are sintered, it is possible to prevent the volumetric shrinkage from breaking the electric conduction path, and to prevent the output density of power generation from decreasing over time. As a result, the power generation performance can be improved.

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

【図1】本発明の円筒型の固体電解質型燃料電池セルを
示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing a cylindrical solid oxide fuel cell according to the present invention.

【図2】固体電解質の上面にサーメット層中に金属繊維
が分散した燃料極を形成した状態を示す概念図である。
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a state in which a fuel electrode in which metal fibers are dispersed in a cermet layer is formed on the upper surface of a solid electrolyte.

【図3】固体電解質の上面にサーメット層を形成し、こ
のサーメット層の上面に金属繊維層を形成した状態を示
す概念図である。
FIG. 3 is a conceptual diagram showing a state in which a cermet layer is formed on an upper surface of a solid electrolyte and a metal fiber layer is formed on an upper surface of the cermet layer.

【図4】従来の円筒型の固体電解質型燃料電池セルを示
す斜視図である。
FIG. 4 is a perspective view showing a conventional cylindrical solid oxide fuel cell.

【図5】従来の平板型の固体電解質型燃料電池セルを示
す斜視図である。
FIG. 5 is a perspective view showing a conventional plate-type solid oxide fuel cell.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

31・・・固体電解質 32・・・空気極 33・・・燃料極 35・・・集電体 37・・・セラミック粒子 38・・・金属粒子 39・・・サーメット層 40・・・金属繊維 41・・・金属繊維層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 31 ... Solid electrolyte 32 ... Air electrode 33 ... Fuel electrode 35 ... Current collector 37 ... Ceramic particle 38 ... Metal particle 39 ... Cermet layer 40 ... Metal fiber 41 ... Metal fiber layers

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/86 H01M 8/12 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01M 4/86 H01M 8/12

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】固体電解質の片面に燃料極、他面に空気極
が形成された固体電解質型燃料電池セルにおいて、前記
燃料極が、前記固体電解質表面に形成されるとともに、
CeO2、ZrO2またはこれらの固溶体からなるセラミ
ック粒子と、Ni、Co、Ti、Cr、Feのうちの少
なくとも一種からなる金属粒子により構成されたサーメ
ット層と、このサーメット層の上面に形成されるととも
に、Cr、Feのうちの少なくとも一種からなる平均直
径1〜300μmの金属繊維層とからなることを特徴と
する固体電解質型燃料電池セル。
1. A solid electrolyte fuel cell having a fuel electrode on one surface and an air electrode on the other surface, wherein the fuel electrode is formed on the surface of the solid electrolyte.
A cermet layer composed of ceramic particles composed of CeO 2 , ZrO 2 or a solid solution thereof, metal particles composed of at least one of Ni, Co, Ti, Cr and Fe, and formed on the upper surface of the cermet layer And a metal fiber layer made of at least one of Cr and Fe and having an average diameter of 1 to 300 [mu] m.
JP28382795A 1995-10-31 1995-10-31 Solid oxide fuel cell Expired - Fee Related JP3336171B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP28382795A JP3336171B2 (en) 1995-10-31 1995-10-31 Solid oxide fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP28382795A JP3336171B2 (en) 1995-10-31 1995-10-31 Solid oxide fuel cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH09129244A JPH09129244A (en) 1997-05-16
JP3336171B2 true JP3336171B2 (en) 2002-10-21

Family

ID=17670676

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP28382795A Expired - Fee Related JP3336171B2 (en) 1995-10-31 1995-10-31 Solid oxide fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3336171B2 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4580681B2 (en) * 2004-05-12 2010-11-17 株式会社日本触媒 Anode support substrate for solid oxide fuel cell and process for producing the same
US20090130514A1 (en) * 2004-10-14 2009-05-21 Canon Kabushiki Kaisha Membrane electrode assembly for fuel cell, method of producing same, and fuel cell
DE102011084181A1 (en) * 2011-09-27 2013-03-28 Siemens Aktiengesellschaft Storage element for a solid electrolyte battery
JP6360980B2 (en) * 2017-01-11 2018-07-18 日本碍子株式会社 Fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
JPH09129244A (en) 1997-05-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6958196B2 (en) Porous electrode, solid oxide fuel cell, and method of producing the same
JP4018378B2 (en) Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof
JP2001307750A (en) Solid electrolyte fuel battery and its manufacturing method
JP2001351647A (en) Solid electrolyte fuel cell
JP4462727B2 (en) Solid electrolyte fuel cell
JP3347561B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP3339983B2 (en) Solid oxide fuel cell and method of manufacturing the same
JPH1021935A (en) Solid electrolyte fuel cell
JP2005216760A (en) Fuel cell and its manufacturing method
JP3350313B2 (en) Solid oxide fuel cell and method of manufacturing the same
JP4828104B2 (en) Fuel cell
JP3342610B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP2003045446A (en) Cell of solid electrolyte fuel cell, method for manufacturing it, and fuel cell
JP3336171B2 (en) Solid oxide fuel cell
JPH09180731A (en) Solid electrolyte fuel cell
JP3339998B2 (en) Cylindrical fuel cell
JP3730774B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP3342621B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP2006059611A (en) Ceria based solid electrolyte fuel cell and its manufacturing method
KR102109730B1 (en) Method for fabricating solid oxide fuel cell
JP2006059610A (en) Solid electrolyte fuel cell and its manufacturing method
JPH09129245A (en) Cell for solid electrolyte fuel cell
JP3339995B2 (en) Cylindrical fuel cell and method of manufacturing the same
RU2788864C1 (en) Method for producing a laminated material for an oxygen generator element
JP2002134132A (en) Solid electrolyte fuel cell and its manufacturing method

Legal Events

Date Code Title Description
LAPS Cancellation because of no payment of annual fees