JP3342610B2 - Solid oxide fuel cell - Google Patents

Solid oxide fuel cell

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JP3342610B2
JP3342610B2 JP22311395A JP22311395A JP3342610B2 JP 3342610 B2 JP3342610 B2 JP 3342610B2 JP 22311395 A JP22311395 A JP 22311395A JP 22311395 A JP22311395 A JP 22311395A JP 3342610 B2 JP3342610 B2 JP 3342610B2
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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、Ni,
Co,Tiのうちの少なくとも一種からなる平均直径1
〜300μmの金属繊維が存在する場合には、金属(N
i)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, Ni,
Average diameter 1 consisting of at least one of Co and Ti
When metal fibers of ~ 300 μm are present, the metal (N
It has been found that even if a fine crack is generated by the sintering of i), 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 the present invention has been achieved.

【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
に、Ni,Co,Tiのうちの少なくとも一種からなる
平均直径1〜300μmの金属繊維が存在するものであ
る。燃料極は、Ni,Co,Ti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、Ce
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ることが望ましい。
That is, a solid oxide fuel cell according to the present invention comprises a solid electrolyte fuel cell having a fuel electrode formed on one surface and an air electrode formed on the other surface. Metal fibers having an average diameter of 1 to 300 μm, which are made of at least one of Ti, are present. The fuel electrode is made of a metal fiber having an average diameter of 1 to 300 μm and made of at least one of Ni, Co, and Ti;
It is desirable to be composed of ceramic particles made of O 2 , ZrO 2 or a solid solution thereof, and metal particles made of at least one of Ni, Co, and Ti.

【0013】また、燃料極は、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,C
o,Tiのうちの少なくとも一種の金属粒子からなるサ
ーメット層中に、Ni,Co,Tiのうちの少なくとも
一種からなる平均直径1〜300μmの金属繊維が分散
していることが望ましい。
The fuel electrode comprises ceramic particles made of CeO 2 , ZrO 2 or a solid solution thereof, Ni, C
It is desirable that metal fibers made of at least one of Ni, Co and Ti and having an average diameter of 1 to 300 μm are dispersed in a cermet layer made of at least one kind of metal particles of o and Ti.

【0014】さらに、燃料極は、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、50〜50
00μmの厚みで形成されるとともに、Ni,Co,T
iのうちの少なくとも一種からなる平均直径1〜300
μmの金属繊維層とからなることが望ましい。
Further, the fuel electrode is formed on the surface of the solid electrolyte, and is composed of ceramic particles made of CeO 2 , ZrO 2 or a solid solution thereof, and metal particles made of at least one of Ni, Co, and Ti. Cermet layer, and 50 to 50
It is formed with a thickness of 00 μm, and Ni, Co, T
average diameter of 1 to 300, which is at least one of i
It is desirable that it be composed of a metal fiber layer of μm.

【0015】[0015]

【作用】本発明においては、燃料極に、Ni,Co,T
iのうちの少なくとも一種からなる平均直径1〜300
μm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でき
る。
According to the present invention, Ni, Co, T
average diameter of 1 to 300, which is at least one of i
For example, the fuel electrode is formed by the metal fiber, ceramic particles made of CeO 2 , ZrO 2 or a solid solution thereof, and metal particles made of at least one of Ni, Co, and Ti. By configuring, even if metal particles such as Ni constituting the fuel electrode sinter during power generation, volume contraction can be suppressed and the electric conduction path can be prevented from being cut. It is possible to suppress a decrease in output density, and as a result, to improve 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、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 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、Ni,Co,Ti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、Ni,Co,Ti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 ,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。Ce
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 ,Yb
2 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 ,C
aO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 contains metal fibers of at least one of Ni, Co and Ti and having an average diameter of 1 to 300 μm. That is, the fuel electrode 33 is made of a metal fiber having an average diameter of 1 to 300 μm made of at least one of Ni, Co, and Ti;
It is composed of ceramic particles made of CeO 2 , ZrO 2 or a solid solution thereof, and metal particles made of at least one of Ni, Co, and Ti. Ce
O 2 , ZrO 2 or a solid solution thereof contains 3 to 20 mol% of Y 2 O 3 and Yb in the same manner as the solid electrolyte 31 described above.
ZrO 2 added with 2 O 3 , Sc 2 O 3, etc., or 5
Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , Nd 2 O 3 , C
It is preferable to use CeO 2 to which aO has been added.

【0020】この燃料極33の構造は、図2に示すよう
に、例えばZrO2 からなるセラミック粒子37と、N
i,Co,Tiのうちの少なくとも一種の金属粒子38
からなるサーメット層39中に、Ni,Co,Tiのう
ちの少なくとも一種からなる金属繊維40を分散させて
も良い。また、図3に示すように、ZrO2 からなるセ
ラミック粒子37と、Ni,Co,Ti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、Ni,Co,Ti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
しても良い。
As shown in FIG. 2, the structure of the fuel electrode 33 includes ceramic particles 37 made of, for example, ZrO 2 ,
at least one metal particle 38 of i, Co, Ti
Metal fibers 40 made of at least one of Ni, Co, and Ti may be dispersed in the cermet layer 39 made of. As shown in FIG. 3, a ceramic particle 37 made of ZrO 2 and a cermet layer 39 composed of metal particles 38 made of at least one of Ni, Co and Ti are formed on the upper surface of a cermet layer 39 made of Ni, Co and Ti. The metal fiber layer 41 made of at least one of the metal fibers 40 may be formed.

【0021】サーメット層中に金属繊維を分散させた場
合の燃料極の厚みは20〜3000μm、特には、電気
伝導度とガスの透過性の観点から50〜1000μmで
あることが望ましい。サーメット層中に金属繊維を分散
させた場合の金属繊維量は30〜95体積%が望まし
い。また、サーメット層の上面に金属繊維層を形成した
場合の金属繊維量としては、燃料極全体の30〜95体
積%が望ましい。
When the metal fibers are dispersed in the cermet layer, the thickness of the fuel electrode is preferably 20 to 3000 μm, and more preferably 50 to 1000 μm from the viewpoint of electric conductivity and gas permeability. When the metal fibers are dispersed in the cermet layer, the amount of the metal fibers is desirably 30 to 95% by volume. Further, when the metal fiber layer is formed on the upper surface of the cermet layer, the amount of the metal fiber is desirably 30 to 95% by volume of the whole fuel electrode.

【0022】また、サーメット層の上面に金属繊維層を
形成した場合のサーメット層の厚みは、10〜200μ
m、特には電気伝導度とガス透過性の点から20〜10
0μmが望ましく、金属繊維層の厚みは50〜5000
μm、特には、上記と同様の理由から100〜1000
μmが望ましい。
When the metal fiber layer is formed on the upper surface of the cermet layer, the thickness of the cermet layer is 10 to 200 μm.
m, especially from 20 to 10 in view of electric conductivity and gas permeability.
0 μm is desirable, and the thickness of the metal fiber layer is 50 to 5000
μm, especially 100 to 1000 for the same reason as above.
μm is desirable.

【0023】使用する金属繊維はNi,Co,Tiのう
ちの少なくとも一種を使用することができ、Ni,C
o,Tiのそれぞれの単独の金属繊維でも良いし、これ
らの混合でも良いが、特には、燃料としてCH4 ガスが
含まれる場合、カーボンの析出を抑制するという観点か
らNi単独からなることが望ましい。
The metal fibers used may be at least one of Ni, Co and Ti.
A single metal fiber of each of o and Ti may be used, or a mixture of these may be used. In particular, when CH 4 gas is contained as a fuel, it is preferable to use Ni alone from the viewpoint of suppressing carbon deposition. .

【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、さらには10〜55μm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 preferably from 10 to 100 μm, more preferably from 10 to 55 μm, from the viewpoint of electrical 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、Ni、
Co、Ti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 fiber is Ni,
The content of at least one of Co and Ti 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、平板型の固体電解質型燃料
電池セル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, the cylindrical solid oxide fuel cell has been described. However, the same material as described above can be used for the flat solid oxide fuel cell.

【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】そして、サーメット層中に金属繊維を分散
させた図2の固体電解質型燃料電池セルでは、例えば、
ZrO2 (Y2 3 含有)粉末、Ni,Co,Tiのう
ちの少なくとも一種からなる金属粉末、Ni,Co,T
iのうちの少なくとも一種からなる平均直径1〜300
μmの金属繊維を有機溶媒に分散させ、円筒型セルの場
合はスラリ−ディップ法により固体電解質表面に塗布
し、燃料極成形体を積層する。また、平板型セルの場合
はスクリ−ン印刷により固体電解質表面に塗布して形成
する。
In the solid oxide fuel cell of FIG. 2 in which metal fibers are dispersed in the cermet layer, for example,
ZrO 2 (containing Y 2 O 3 ) powder, metal powder composed of at least one of Ni, Co, Ti, Ni, Co, T
average diameter of 1 to 300, which is at least one of i
A metal fiber of μm is dispersed in an organic solvent and applied to the surface of the solid electrolyte by a slurry dipping method in the case of a cylindrical cell, and a fuel electrode molded body is laminated. In the case of a flat cell, it is formed by applying it to the surface of the solid electrolyte by screen printing.

【0030】図3の固体電解質型燃料電池セルでは、例
えば、ZrO2 (Y2 3 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Ni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−ディップ法により、また平板型セルの場合
はスクリ−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, a cermet layer is formed using, for example, ZrO 2 (containing Y 2 O 3 ) powder and Ni powder, and then predetermined Ni fibers are dispersed 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 and by a screen printing in the case of a flat cell as described above, and the fuel electrode is formed on the surface of the solid electrolyte. Laminate the body.

【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、固定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. The fuel electrode may be formed on the inner surface of the fixed electrolyte, and the 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粉末または平均粒子径が3μmのCeO2粉末
を用いて、ドクタ−ブレ−ド法によりグリ−ンシ−トを
作製した後、1500℃で3時間焼成して理論密度比9
8.2%、直径30mm、厚み200μmの固体電解質
を作製した。この固体電解質の内面に、市販の粒子径1
μm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2μ
mの10モル%Y23含有のZrO2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,Co,Ti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 commercially available ZrO 2 powder containing 10 mol% Y 2 O 3 having an average particle diameter of 0.7 μm or a CeO 2 powder having an average particle diameter of 3 μm was prepared by a doctor blade method. After preparing a green sheet, the green sheet is fired at 1500 ° C. for 3 hours to obtain a theoretical density ratio of 9
A solid electrolyte having a size of 8.2%, a diameter of 30 mm and a thickness of 200 μm was prepared. A commercially available particle size of 1
A slurry containing 50 μm of La 0.9 Sr 0.1 MnO 3 powder and a solvent was applied to a thickness of 50 μm, and baked at 1200 ° C. for 2 hours to form an air electrode. The average particle size is 2μ.
m of ZrO 2 powder containing 10 mol% Y 2 O 3 or CeO 2 powder containing 5 mol% Y 2 O 3 having an average particle diameter of 3 μm, Ni, Co, Ti powder having an average particle diameter of 2 μm and a solvent. The mixture was mixed to prepare a fuel electrode slurry.

【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520μmのNi,Co,Ti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, to the ZrO 2 / metal powder, Ni, Co, Ti fibers having an aspect ratio of 10 and metal fibers having an average diameter of 0.5 μm to 520 μm as shown in Table 1 and a solvent are added, and the fuel electrode slurry is added. Produced.

【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
解質の外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 are applied to the outer 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, and the slurry is formed in a cermet layer as shown in FIG. Fuel electrodes in which metal fibers were dispersed were 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〜
290μm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
Samples containing 290 μm metal fibers were all sample Nos. 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 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粉末と溶
媒とを混合して作製したスラリーを、焼結後表2に示す
ような厚みとなるように固体電解質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0.5μ
mから520μmのNi、Co、Ti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。
EXAMPLES ZrO 2 containing 10 mol% of Y 2 O 3 having an average particle diameter of 2 μm
A slurry prepared by mixing a powder, Ni, Co, Ti powder having an average particle diameter of 2 μm and a solvent is applied to the surface of the solid electrolyte so as to have a thickness as shown in Table 2 after sintering to form a cermet layer. In addition, on the surface of this cermet layer,
Average diameter 0.5μ as shown in Table 2 with an aspect ratio of 5
A slurry in which Ni, Co, and Ti fibers of m to 520 μm are dispersed in a solvent is applied so as to have a thickness as shown in Table 2, and a metal fiber layer is formed on the surface of the cermet layer as shown in FIG. A solid oxide fuel cell having the fuel electrode was prepared. 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Ni、Co、Ti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。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。
Reference Example 2 Ni, Co and Ti fibers having an average diameter of 5 μm and an aspect ratio different 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. The pole material was produced. 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. Thereafter, power generation was performed in the same manner as in Reference Example 1, and the rate of decrease in output density was measured.

【0042】その結果を表3に示す。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、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、50〜500
0μmの厚みで形成されるとともに、Ni,Co,Ti
のうちの少なくとも一種からなる平均直径が1〜300
μmの金属繊維層を形成したので、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 of the present invention, the fuel electrode comprises ceramic particles made of CeO 2 , ZrO 2 or a solid solution thereof and metal particles made of at least one of Ni, Co and Ti. The formed cermet layer, and 50 to 500
Ni, Co, Ti
Having an average diameter of at least one of 1 to 300
Since the metal fiber layer of μm is formed, even if metal particles such as Ni constituting the fuel electrode sinter during power generation, it is possible to suppress volumetric shrinkage and disconnection of the electric conduction path, It is possible to suppress the output density of power generation from decreasing over time, and as a result, it is possible to improve the power generation performance.

【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 8/02 H01M 4/86 H01M 8/12 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01M 8/02 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
燃料極は、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、50〜5000μ
mの厚みで形成されるとともに、Ni,Co,Ti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 comprising a solid electrolyte having a fuel electrode on one surface and an air electrode on the other surface, wherein the fuel electrode comprises ceramic particles made of CeO 2 , ZrO 2 or a solid solution thereof. A cermet layer made of metal particles made of at least one of Ni, Co, and Ti, and 50 to 5000 μm on an upper surface of the cermet layer.
m, and a metal fiber layer made of at least one of Ni, Co and Ti and having an average diameter of 1 to 300 μm.
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