JP3342616B2 - 円筒型燃料電池セルおよびその製造方法 - Google Patents
円筒型燃料電池セルおよびその製造方法Info
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Description
ルおよびその製造方法に関し、特に、空気極および固体
電解質を改良した円筒型燃料電池セルおよびその製造方
法に関するものである。
その作動温度が1000℃前後と高温であるため、発電
効率が高く、第3世代の燃料電池として期待されてい
る。
平板型の2種類の燃料電池が知られている。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
特徴を有するが、実用化に際してはガスシ−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。
うにLaMnO3 系材料からなる多孔性の空気極層2の
表面に例えば、Y2 O3 含有の安定化ZrO2 固体電解
質層3が形成され、さらに固体電解質層3の表面に多孔
性のNi−ジルコニアなどからなる燃料極層4が略同心
円状に形成される。また、セル間を接続するためのLa
CrO3 系材料などからなるインターコネクタ層5が空
気極層2と接続し、固体電解質層3を貫通し、燃料極層
4とは非接触の状態でセルの表面に露出している。燃料
電池のモジュ−ルは、上記構成からなる複数の単セルが
インタ−コネクタ層5を介して接続され、発電は、空気
極層2の内部に空気(酸素)6を、外部に燃料(水素)
7を流し、1000〜1050℃の温度で行われる。
ば、固体電解質粉末を押出成形などにより円筒状に成形
し、焼成することにより円筒状焼結体を作製し、その焼
結体の内周面や外周面にスラリーコート法などにより空
気極層および燃料極層を形成して焼成する方法、または
セラミックスの多孔質支持管を焼成してなる円筒状焼結
体の表面に、スラリーコート法や電気化学蒸着法(EV
D法)、プラズマ溶射法などにより空気極層、固体電解
質層、燃料極層を順次形成する方法などが知られてい
る。
何段階にも渡って行ったり、空気極層、固体電解質層、
燃料極層をスラリーコート法や電気化学蒸着法(EVD
法)、プラズマ溶射法などにより形成するため、製法が
複雑であり、かつ工程数が多いため、コストが高いとい
う問題があった。
明者は、少なくとも略同心円状に積層された空気極層、
固体電解質層を具備してなる円筒型燃料電池セルを製造
する方法であって、空気極形成粉末からなる円筒状成形
体を作製する工程と、固体電解質形成粉末によりシート
状成形体を作製する工程と、前記円筒状成形体の表面に
前記固体電解質シート状成形体を巻き付けて積層する工
程と、該円筒状積層物を酸化性雰囲気中で同時に焼成す
る工程とを具備する円筒型燃料電池セルの製造方法につ
いて、先に出願した(特願平5−255542号)。
は、空気極層と固体電解質層等を同時に焼成することに
より工程数を削減するとともに、非常に簡単なプロセス
で、且つ少ない工程数で燃料電池セルが作製できるとい
う大きな利点があるが、空気極層中にピンホールが生成
したり、空気極層と固体電解質層が反応して固体電解質
層に微細なクラックあるいはピンホールが入り易く、セ
ルの歩留まりが悪いという問題があった。
対して検討を重ねた結果、空気極層および固体電解質層
中に存在するAl、Si、Ti、Co、Fe等を所定量
以下に制御することにより、固体電解質層における微細
なクラックの発生を抑制できることを見出し本発明に至
った。
なくとも略同心円状に積層されたLaMnO3系組成物
からなる空気極層、ZrO2および/またはCeO2系組
成物からなる固体電解質層を具備してなるとともに、前
記空気極および前記固体電解質が同時焼成された円筒型
燃料電池セルにおいて、前記空気極層および固体電解質
層中におけるAlおよびSiの含有量がそれぞれ800
ppm以下、Ti,Fe,NiおよびCoの含有量の総
和が2000ppm以下であるものである。
方法は、AlおよびSiの含有量がそれぞれ800pp
m以下、Ti,Fe,NiおよびCoの含有量の総和が
2000ppm以下であるLaMnO3 系組成物の空気
極形成粉末により円筒状成形体を作製する工程と、Al
およびSiの含有量がそれぞれ800ppm以下、T
i,Fe,NiおよびCoの含有量の総和が2000p
pm以下であるZrO2および/またはCeO2 系組成
物の固体電解質形成粉末によりシート状成形体を作製す
る工程と、前記円筒状成形体の表面に前記シート状成形
体を巻き付けて積層する工程と、該円筒状積層物を酸化
性雰囲気中で同時に焼成する工程とを具備する製造方法
である。
造方法は、AlおよびSiの含有量がそれぞれ800p
pm以下、Ti,Fe,NiおよびCoの含有量の総和
が2000ppm以下であるLaMnO3 系組成物の空
気極形成粉末によりシート状空気極成形体を作製する工
程と、AlおよびSiの含有量がそれぞれ800ppm
以下、Ti,Fe,NiおよびCoの含有量の総和が2
000ppm以下であるZrO2 および/またはCeO
2 系組成物の固体電解質形成粉末によりシート状固体電
解質成形体を作製する工程と、前記シート状空気極成形
体と前記シート状固体電解質成形体を積層した後に円筒
状に形成する工程と、該円筒状積層物を酸化性雰囲気中
で同時に焼成する工程とを具備する製造方法である。
よび固体電解質層中に主に不可避不純物として存在する
AlおよびSiの含有量それぞれを800ppm以下と
し、かつ、同様に主に不可避不純物として存在するT
i、Fe、Ni、CrおよびCoの含有量の総和を20
00ppm以下にすることにより、空気極層中のピンホ
−ルや特に問題となる固体電解質層中のクラックの発生
が抑制され、その結果同時焼成によるセルの製造歩留ま
りが大幅に改善できる。
O2 および/またはCeO2 系の固体電解質との同時焼
成においては、空気極層あるいは固体電解質層の一方に
Al、Si、Ti、Co、Fe等の不純物が所定量以上
含まれていると、Al、Si、Ti、Co、Feと空気
極材料成分のLa,Mnおよび電解質材料成分であるZ
rあるいCeが反応してガラス相を形成し、空気極層中
にピンホ−ルを生成したり、あるいは固体電解質層にク
ラックが生成したりするが、本発明では、空気極層形成
粉末および電解質形成粉末中のAl、Si含有量それぞ
れを800ppm以下,Ti、Fe、Ni、Cr,Co
含有量の総和2000ppm以下にすることにより、空
気極層中のピンホ−ルや特に問題となる電解質層中のク
ラックの発生が抑制されるのである。
気極は、LaMnO3 系組成物からなるものであるが、
例えば、Laの15〜20原子%をCa、Sr、Baな
どのアルカリ土類元素により置換したLaMnO3 系組
成物が知られている。
またはCeO2 系組成物からなるものであるが、例え
ば、ZrO2 に対してY2 O3 、Yb2 O3 などの安定
化材を3〜15モル%の割合で固溶させた部分安定化Z
rO2 および安定化ZrO2 、またはY2 O3 、Yb2
O3 、Gd2 O3 等を10〜30モル%含有するCeO
2 が知られている。
解質中に主に不可避不純物として存在するAlおよびS
iの含有量がそれぞれ800ppm以下であり、かつ、
不可避不純物として存在するTi,Fe,NiおよびC
oの含有量の総和が2000ppm以下とした。これ
は、Al、Siの含有量がそれぞれを800ppmを越
えると、あるいはTi、Fe、Ni、Coの含有量の総
和が2000ppmを越えると、空気極層中にピンホー
ルが生成したり、固体電解質層中に微細なクラックやピ
ンホールが発生するからである。このようなクラック等
の発生を抑制するという点からは、特に、Al、Siの
含有量としてはそれぞれを500ppm以下,Ti、F
e、Ni、Co含有量の総和としては1000ppm以
下が好ましい。
方法は、例えば、まず、空気極を形成する粉末を用いて
円筒状成形体を作製する。この円筒状成形体は、例え
ば、空気極形成粉末を押出成形や、静水圧成形(ラバー
プレス)などにより成形する。
ある。さらに他の方法としては、ドクターブレード法な
どにより空気極形成粉末をシート状に成形した後、その
シート状成形体を所定の多孔質の円柱状支持体の表面に
巻き付けて端部を合わせ接合することによっても円筒状
成形体を作製することができる。このシート状成形体の
厚みは1〜3mmが適当である。
nO3 系組成物からなり、具体的には、Laの15〜2
0原子%をCa、Sr、Baなどのアルカリ土類元素に
より置換したLaMnO3 系組成物などがある。この場
合の空気極層を形成する粉末は、不可避不純物として存
在するAlおよびSiの含有量がそれぞれ800ppm
以下であり、かつ、不可避不純物として存在するTi,
Fe,NiおよびCoの含有量の総和が2000ppm
以下であるLaMnO3 系組成物の空気極形成粉末を用
いることが必要である。
ート状成形体を作製する。このシート状成形体は、ドク
ターブレード法や押出成形法により周知の方法で作製さ
れる。このシート状成形体の厚みは20〜200μmが
適当である。固体電解質層を形成する粉末としては、Z
rO2 に対してY2 O3 、Yb2 O3 などの安定化材を
3〜15モル%の割合で固溶させた部分安定化ZrO2
および安定化ZrO2粉末、またはY2 O3 、Yb2 O
3 、Gd2 O3 等を10〜30モル%含有するCeO2
が用いられる。これらの固体電解質形成粉末中の不可避
不純物についても、AlおよびSiの含有量がそれぞれ
800ppm以下であり、かつ、不可避不純物として存
在するTi,Fe,NiおよびCoの含有量の総和が2
000ppm以下であることが必要である。
についてについて詳述する。上記の空気極の円筒状成形
体の表面に固体電解質のシート状成形体を巻き付けて積
層圧着する。積層圧着は、円筒状成形体とシート状成形
体との間にアクリル樹脂や有機溶媒などを接着材として
介在させて接着したり、ローラ等で機械的に圧着させる
こともできる。
成形体を酸化性雰囲気中で円筒状形成体と積層されたシ
ート状成形体を同時に焼成する。具体的には大気中で1
300〜1700℃で1〜15時間程度焼成し、少なく
とも固体電解質が相対密度96%以上の緻密質になるよ
うに焼成する。なお、空気極は相対密度が60〜75%
程度であれば充分である。
1に示されるように上記空気極層と固体電解質層以外に
燃料極層やインターコネクタと呼ばれる集電体が存在す
る。
タ層は、例えば、上記空気極層と固体電解質層との形成
工程後、あるいは工程中に形成することができる。燃料
極を形成する粉末としては、Yおよび希土類元素のうち
少なくとも一種を含有するZrO2 あるいはCeO2 と
Ni粉末との混合物が好適に使用できる。インターコネ
クタとしては、Ca、Sr、Mgを含有するLaCrO
3 などが好適に用いられる。
ては、例えば、上記のようにして得られた空気極層と固
体電解質層との円筒型の一体焼結体に燃料極およびイン
ターコネクタを形成する粉末からなるスラリーをスクリ
ーン印刷などにより塗布するか、あるいはドクターブレ
ード法などによりシート状成形体を作製してこれを円筒
型の一体焼結体の表面に積層圧着した後に酸化性雰囲気
中で1300〜1400℃で焼き付け処理して燃料極層
および集電体層を形成する。あるいは、燃料極層やイン
ターコネクタの成形体を上述の方法により空気極層と固
体電解質層からなる円筒状成形体に設けて、同時に焼成
によっても形成することができる。
の製造方法について説明する。この方法によれば、ま
ず、空気極を形成する粉末、および固体電解質を形成す
る粉末により周知のドクターブレード法などによりそれ
ぞれシート状成形体を作製する。この際に用いる空気極
を形成する粉末、および固体電解質を形成する粉末は、
上記した第1の方法と同様の粉末が用いられ、これらの
粉末中の不可避不純物についても、第1の方法と同様
に、AlおよびSiの含有量がそれぞれ800ppm以
下であり、かつ、不可避不純物として存在するTi,F
e,NiおよびCoの含有量の総和が2000ppm以
下であることが必要である。
関係になるように積層圧着する。この時の積層圧着は、
前述したように所定の接着剤などを用いるのがよい。そ
して、このようにして得られた積層体を円筒状に形成す
る。具体的には任意の円筒状支持体の表面に、空気極の
シート状成形体と固体電解質のシート状成形体との積層
体を、空気極のシート状成形体の端部同士が当接する
か、あるいは端部がわずかに重ね合うように巻き付けて
円筒状積層体を作製する。その後、上記円筒状積層体か
ら円筒状支持体を抜き取り、円筒状積層体を第1の方法
と同様な条件、即ち、大気などの酸化性雰囲気中で13
00〜1700℃で1〜15時間程度焼成することによ
り空気極層と固体電解質層とを同時に焼成することがで
きる。
の形成にあたっては、第1の方法で説明したのと同様な
方法に従い、上記空気極層と固体電解質層との形成工程
後あるいは工程中に形成することができる。なお、この
第2の方法において、インターコネクタ層を形成する場
合には、インターコネクタを空気極のシート端部の当接
部や合わせ部に形成することが空気極の気密性の点で望
ましい。
CaCO3 の粉末をLa0.85Ca0.15MnO3 となるよ
うに秤量混合し、Al、Si、Ti、Ni、Co、Fe
の含有量を表1に示す量に制御した後に、1500℃で
仮焼して、これらの不純物を含む(La、Ca)MnO
3 粉末を得た。この後、これを粉砕して平均粒子径が6
μmの粉末をそれぞれ作製した。
Y2 O3 を10モル%の割合で含有する平均粒子径0.
71μmの共沈法ZrO2 粉末を準備し、Al、Si、
Ti、Ni、Co、Feの含有量を表1に示す量に制御
した。また、燃料極を形成する粉末としてNi粉末とZ
rO2 (Y2 O3 含有)粉末を重量比で80:20の割
合で混合したものを、インターコネクタを形成する粉末
として平均粒子径1μmのLa0.8 Ca0.21CrO3 か
らなる化合物粉末を準備した。
末と、溶媒として水を用いてスラリーを作製し、このス
ラリーを用いて押出成形装置により内径13mm、外径
16mm、長さ100mmの円筒状の空気極成形体を1
00個得た。一方、上記Y2O3 安定化ZrO2 粉末お
よびインターコネクタを形成する粉末をそれぞれ水を溶
媒としてスラリーを作製し、これをドクターブレード法
により厚み200μmのシート状成形体をそれぞれ作製
した。そして、100個の円筒状成形体の表面にアクリ
ル樹脂からなる接着材を介して、上記のY2 O3 安定化
ZrO2 およびインターコネクタのシート状成形体を巻
き付け、圧着した。この円筒状積層体を大気中で150
0℃で8時間焼成し、円筒型焼結体を得た。
固体電解質層中のクラックの発生状況を調べ、良品か否
かを判断した。検査によりクラックがないものを良品と
し、その良品率を表1に示した。
がそれぞれ800ppmを越える試料番号6,11,1
2,37あるいはTi、Ni、Co、Feの総和が20
00ppmを越える試料番号38については良品率が5
0%以下であった。また、空気極材料中のAl、Siが
それぞれ800ppmを越える試料番号24,30,3
7,38およびTi、Ni、Co、Feの総和が200
0ppmを越える試料番号36については良品率が50
%以下であった。それに対して、空気極および固体電解
質中のAl、Siがそれぞれ800ppm以下、、T
i、Ni、Co、Feの総和が2000ppm以下の試
料についてはいずれも良品率が60%以上であった。
0、33、34の円筒状焼結体の表面に、ミネラルスピ
リットを溶媒とし燃料極形成粉末NiとZrO2 (Y2
O3含有)を含有するスラリーを100μmの厚みで塗
布し、乾燥後、1200℃で3時間燃料極粉末の焼き付
けを行い燃料電池セルを作製した。このようにして得ら
れた燃料電池セルに対して、円筒の内側に酸素ガス、外
側に水素ガスを流し、1000℃で発電試験を行い出力
密度を測定した。この結果を表2に示す。
2に比べ大きな出力密度を有することが判る。
り厚み2mmの空気極のシート状成形体、およびドクタ
ーブレード法により200μmの固体電解質のシート状
成形体を作製した。その後、シート状空気極成形体とシ
ート状固体電解質成形体とをアクリル樹脂からなる接着
材を用いて積層圧着した。この積層体をステンレスから
なる円柱状の支持体の表面に巻き付けてシート状空気極
成形体の端部が当接するようにした。そして、その当接
部にインターコネクタ形成粉末La0.8 Ca0.21CrO
3 を含むシート状成形体にして200μmの厚みで接着
した。このようにして作製した円筒状積層体を1500
℃の大気中で5時間焼成した。この後、上記のようにS
EMを用いて固体電解質層のクラックの発生状況を調べ
た。クラックないものを良品とし、表3にその良品率を
示した。
れぞれ800ppmを越える試料番号48,51,52
およびTi、Co、Ni、Feの総和が2000ppm
を越える試料番号56については良品率が50%以下で
あった。また、空気極材料中のAl、Siがそれぞれ8
00ppmを越える試料番号59、63およびTi、C
o、Feの総和が2000ppmを越える試料番号67
については良品率が50%以下であった。それに対し
て、固体電解質および空気極中のAl、Siがそれぞれ
800ppm以下、Ti、Co、Feの総和が2000
ppm以下の本発明の試料についてはいずれも良品率が
60%以上であった。
空気極層および固体電解質層中に主に不可避不純物とし
て存在するAlおよびSiの含有量それぞれを800p
pm以下とし、かつ、同様に主に不可避不純物として存
在するTi、Fe、Ni、CrおよびCoの含有量の総
和を2000ppm以下にすることにより、空気極層中
のピンホ−ルや特に問題となる固体電解質層中のクラッ
クの発生が抑制され、その結果共焼結によるセルの製造
歩留まりを大幅に改善することができる。
方法では、工程数を格段に削減することができるととも
に空気極粉末および電解質粉末中の不純物を制御するこ
とにより空気極中のピンホールや固体電解質層のクラッ
クを抑制することができ、セルの製造歩留まりを向上し
かつ量産性を飛躍的に高めることができる。
Claims (3)
- 【請求項1】少なくとも略同心円状に積層されたLaM
nO3系組成物からなる空気極層、ZrO2および/また
はCeO2系組成物からなる固体電解質層を具備してな
るとともに、前記空気極および前記固体電解質が同時焼
成された円筒型燃料電池セルにおいて、前記空気極層お
よび固体電解質層中におけるAlおよびSiの含有量が
それぞれ800ppm以下、Ti,Fe,NiおよびC
oの含有量の総和が2000ppm以下であることを特
徴とする円筒型燃料電池セル。 - 【請求項2】AlおよびSiの含有量がそれぞれ800
ppm以下、Ti,Fe,NiおよびCoの含有量の総
和が2000ppm以下であるLaMnO3系組成物の
空気極形成粉末により円筒状成形体を作製する工程と、
AlおよびSiの含有量がそれぞれ800ppm以下、
Ti,Fe,NiおよびCoの含有量の総和が2000
ppm以下であるZrO2および/またはCeO2系組成
物の固体電解質形成粉末によりシート状成形体を作製す
る工程と、前記円筒状成形体の表面に前記シート状成形
体を巻き付けて積層する工程と、該円筒状積層物を酸化
性雰囲気中で同時に焼成する工程とを具備することを特
徴とする円筒型燃料電池セルの製造方法。 - 【請求項3】AlおよびSiの含有量がそれぞれ800
ppm以下、Ti,Fe,NiおよびCoの含有量の総
和が2000ppm以下であるLaMnO3系組成物の
空気極形成粉末によりシート状空気極成形体を作製する
工程と、AlおよびSiの含有量がそれぞれ800pp
m以下、Ti,Fe,NiおよびCoの含有量の総和が
2000ppm以下であるZrO2および/またはCe
O2系組成物の固体電解質形成粉末によりシート状固体
電解質成形体を作製する工程と、前記シート状空気極成
形体と前記シート状固体電解質成形体を積層した後に円
筒状に形成する工程と、該円筒状積層物を酸化性雰囲気
中で同時に焼成する工程とを具備することを特徴とする
円筒型燃料電池セルの製造方法。
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