JP3667141B2

JP3667141B2 - 固体電解質型燃料電池セル

Info

Publication number: JP3667141B2
Application number: JP05760599A
Authority: JP
Inventors: 祥二山下; 勇二立石
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-03-04
Filing date: 1999-03-04
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2019-03-04
Also published as: JP2000260440A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円筒状の固体電解質型燃料電池セルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の代表的な円筒状の固体電解質型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell で、以下、ＳＯ燃料電池という）Ｆを図２に示す（特開平８−１６２１４０号公報参照）。同図はＳＯ燃料電池Ｆの断面図であり、１は全体を納めたケース、２はセラミック等から成り円筒状のＳＯ燃料電池Ｆセル（以下、セルと略す）であり、一端が開放され他端が閉じた構造となっている。また、セル２の断面は多層円筒状をしており、空気極、固体電解質、燃料極等が積層された構成である。
【０００３】
また、３は断熱材から成りセル２の上端側を保持し固定する仕切り部材、５は燃焼室であり、ケース１の下端の供給口１３から供給された燃料ガス（Ｈ₂，ＣＯ，ＣＨ₄等）の排気ガスが、仕切り部材３に形成された通気孔等（図示せず）を通して燃焼室５内で空気の排気と混合され、セル２内で反応しなかった酸素と水素ガスが燃焼室５内で燃焼する。６はセル２内に空気を通すための空気管であり、空気供給口１２から一旦空気分配器１４に送られた空気は、空気管６を通じてセル２の底部に達し、発電反応に寄与した後、セル２内を上方に向かい上端側の開口から燃焼室５に至る。
【０００４】
７は燃焼室５からの排気ガスが排出される排気口、８はセル２集合体の最外側面に設けられた集電板、９は電力を外部へ取り出す集電棒、１０はＮｉフェルト、１１はセル２を電気的に接続するためのインターコネクタである。同図の場合、所望の電力を得るために複数のセル２が直列に接続され、所謂スタック化されている。
【０００５】
ここで、上記発電反応は以下のようにして生じる。セル２の各層は厚さ数μｍ〜２．５ｍｍ程度であり、それぞれ導電性，通気性，固体電解質，電気化学触媒性等の機能を有する。約１０００℃の温度に保持されたセル２の内側に酸化剤としての空気等を流し、外側には水素ガスを流すと、セル２内ではＯ^2-イオンが移動して電気化学反応が起こり、空気極と燃料極との間に電位差が生じ発電が可能となる。
【０００６】
近年、このようなＳＯ燃料電池Ｆは、小型であることに加えてセル２での動作温度が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。
【０００７】
一般に、ＳＯ燃料電池Ｆ用のセルには、円筒状のセル２と平板型セルの２種類が知られている。平板型セルは、単位体積当たりの出力密度が高いという特長があるが、実用化においてはガスシールの不完全性や平板型セル内の温度分布の不均一性の問題がある。一方、円筒状のセル２は出力密度は低いもののその形状により機械的強度が高く、また内部の温度分布を均一に維持できるという特長がある。
【０００８】
また、セル２は上記の通りセラミックスから成り、開気通気孔率が３０％程度のＣａＯ安定化ＺｒＯ₂等を支持管とし、その外側にＣａ，Ｓｒを固溶させたＬａＭｎＯ₃系材料等からなる多通気孔性の空気極層、Ｙ₂Ｏ₃安定化ＺｒＯ₂等からなる固体電解質層、多通気孔性のＮｉ−ＺｒＯ₂等のサーメットからなる燃料極層が順次設けられている。そして、空気極層と固体電解質層の一部にＣａ，Ｓｒ，Ｍｇを固溶させたＬａＣｒＯ₃系材料等からなる集電体層（インターコネクタ層）を設けている。
【０００９】
近年、このようなセル２において、その製造工程を簡略化するために、空気極層，固体電解質層，燃料極層，集電体層等の構成部材のうち少なくとも２つを同時に焼成するという所謂共焼結法が提案されている。共焼結法は、例えば円筒状の空気極層成形体に固体電解質層成形体及び集電体層成形体をロール状に巻き付けて同時焼成を行い、その後固体電解質層表面に燃料極層を形成する方法である。この共焼結法は、製造工程が少なくなるので製造歩留りが向上し、コスト低減に有効である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記共焼結法により空気極層，固体電解質層，集電体層を共焼結させた後、或いは更に燃料極層を固体電解質層表面に焼結させた後に、セル２に何ら異常がなく状態が良好であっても、燃料極層を還元処理したり発電実施のために燃料ガスとして水素ガスを導入すると、熱膨張率差に起因して集電体層が破壊されるという問題が発生していた。
【００１１】
従って、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、空気中及び動作時の雰囲気ガスである水素ガス中において、熱膨張に起因してセルが破壊されるという問題を解消することにある。
【００１２】
【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、多層円筒状に積層された空気極層、固体電解質層、燃料極層及び集電体層を有し、前記固体電解質層はＺｒＯ ₂ 系又はＣｅＯ ₂ 系材料からなり、前記集電体層はＬａＣｒＯ _３系材料からなり、該集電体層の空気中での室温から１０００℃までの温度域における熱膨張係数をα１、前記固体電解質層の空気中での室温から１０００℃までの温度域における熱膨張係数をα２、α２とα１の差α２−α１をΔα21とした場合、α１＜α２であり、且つΔα21≦０．５×１０^−６／℃であり、前記集電体層の水素ガス中での室温から１０００℃までの温度域における熱膨張係数をα３、前記固体電解質層の水素ガス中での室温から１０００℃までの温度域における熱膨張係数をα４、α３とα４の差α３−α４をΔα34とした場合、α３＞α４であり、且つΔα34≦０．３×１０^−６／℃であることを特徴とする。
【００１３】
即ち、集電体層は大気中で焼結されるが、発電時には集電体層の一部は還元雰囲気中に晒される。従って、集電体層材料としては、大気中及び還元雰囲気中の両方で熱膨張係数が殆ど変化しないものが好ましいが、現在使用されているＬａＣｒＯ ₃ 系材料は空気中よりも還元雰囲気（水素ガス）中での熱膨張係数が大きい特徴がある。このため、各工程でセルに作用する応力を最小にするには、空気中において集電体層の熱膨張係数を固体電解質層の熱膨張係数よりも小さくし、還元雰囲気中では集電体層の熱膨張係数を固体電解質層の熱膨張係数よりも大きくするのが良いことが判った。
【００１４】
本発明は上記構成により、空気極層，固体電解質層，集電体層の大気中での共焼結工程、燃料極層の固体電解質層表面への焼結工程、還元雰囲気中での燃料極層の還元工程及び発電実施中において集電体層に生じる熱応力を最小にすることができ、熱膨張に起因する集電体層の破壊を防止することができる。
【００１６】
また好ましくは、Δα21＞Δα34である。即ち、円筒状のセルでは、集電体層の電気伝導度で示されるように集電体層中のポテンシャル（電位）勾配は空気極層側で大きく減少する。即ち発電中に集電体層の空気極層側で電気伝導度が急激に低下する。これは、発電中に集電体層の大部分が水素ガスの環境下に晒されていることを意味し、固体電解質層の熱膨張係数が雰囲気ガスによらずほぼ一定であるので、発電中の集電体層との熱膨張係数差を小さくすることが良いことになる。故に、Δα21＞Δα34とすることによって、製造工程から発電実施までの全工程でセルに作用する熱応力を最小にすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明のセルを以下に説明する。図１は本発明の円筒状のセル２の基本構成を示し、２１は空気極層、２２は空気極層の外表面に被覆焼結された固体電解質層、２３は固体電解質層２２の外表面に被覆焼結された燃料極層、２４は固体電解質層２２の一部切り欠き部を通じて空気極層２１外表面に一部接する集電体層（インターコネクタ）２４である。即ち、集電体層２４の内側（セル２中心側）端面は空気極層２１に接続され、集電体層２４の外側（セル２外表面側）端面はＮｉフェルト１０等の接続部材を介して他のセル２の燃料極層２３に接続され、スタック化される（図２参照）。
【００１８】
本発明において、セル２の層構成は、上記の如く円筒状の固体電解質層２２の内側に空気極層２１、外側に燃料極層２３が形成された構成、又は固体電解質層２２の内側に燃料極層２３、外側に空気極層２１が形成された構成のいずれであっても良い。固体電解質層２２の内側に燃料極層２３、外側に空気極層２１が形成された構成の場合、集電体層２４は固体電解質層２２の切り欠き部を通じて燃料極層２３の外表面の一部に接続される。
【００１９】
本発明のセル２は、集電体層２４の空気中での熱膨張係数をα１、固体電解質層２２の空気中での熱膨張係数をα２、α２とα１との差をα２−α１＝Δα21とした場合、α１＜α２であり、且つΔα21≦０．５×１０^-6／℃である。α１，α２，Δα21を前記の如く規定したことにより、共焼結による製造工程から発電時までの全工程で、熱膨張により破壊されることのないセル２が得られる。特に、Δα21が０．５×１０^-6／℃を超えると、共焼結後にセル２の破壊が生じる。
【００２０】
また、好ましくは、集電体層２４の水素ガス中での熱膨張係数をα３、固体電解質層２２の水素ガス中での熱膨張係数をα４、α３とα４の差をα３−α４＝Δα34とした場合、α３＞α４であり、且つΔα34≦０．３×１０^-6／℃である。α３，α４，Δα34を前記の如く規定したことにより、共焼結による製造工程では勿論のこと、特に発電時において熱膨張で破壊されることのないセル２とすることができる。
【００２１】
上記熱膨張係数α１〜α４は、３ｍｍ×３ｍｍ×１０ｍｍの試験片を作製し、熱膨張率測定装置を用いて室温から１０００℃までの試験片の伸びから求めている。尚、α１，α２は空気中で、α３，α４はフォーミングガス（水素ガス１２．５体積％、窒素ガス８７．５体積％）中で測定する。このフォーミングガスは、純粋な水素ガスを使用すると爆発する可能性が高いため、熱膨張係数を測定する場合に水素ガス中で測定するのと実質的に同じ結果が得られるものである。
【００２２】
本発明のセル２の各層について以下説明する。空気極層２１は、ＬａをＣａ，Ｓｒで１０〜３０ａｔ（原子）％置換したＬａＭｎＯ₃系材料あるいはＬａＣｏＯ₃系材料からなり、固体電解質層２２は、３〜１５ａｔ％のＹ₂Ｏ₃，Ｙｂ₂Ｏ₃等を含有した安定化ＺｒＯ₂或いは部分安定化ＺｒＯ₂、又はＹ₂Ｏ₃，Ｙｂ₂Ｏ₃，Ｓｃ₂Ｏ₃，Ｎｄ₂Ｏ₃，Ｓｍ₂Ｏ₃，ＣａＯ等を含有するＣｅＯ₂からなる。
【００２３】
集電体層２４は、金属元素として少なくともＬａ，Ｃｒを含有するペロブスカイト型複合酸化物を主成分とし、Ｌａ₂Ｏ₃を０．５〜３．０ｗｔ（重量）％含有し更にＭｇＯを５〜３０ｗｔ％含有する材料からなる。好ましくは、ＬａＣｒＯ₃系材料のＣｒを５〜３０ａｔ％Ｍｇで置換したものが良い。Ｌａ₂Ｏ₃が０．５ｗｔ％未満の場合及び３．０ｗｔ％を超える場合、焼結性が低下する。焼結性を向上させる上で好ましくは、１．０〜３．０ｗｔ％含有させるのが良い。また、ＭｇＯ含有量を調整することにより集電体層２４の熱膨張係数を制御できる。
【００２４】
燃料極層２３は、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｒｕ等を含有した多孔性のＺｒＯ₂あるいはＣｅＯ₂のサーメットからなる。
【００２５】
前記集電体層２４の厚みは３０〜３００μｍが好ましく、３０μｍ未満では酸素イオンの燃料極層２３側への拡散が大きく発電性能を低下させ、また３００μｍを超えると集電体層２４の電気抵抗が大きくなり発電性能が低下する。より好ましくは５０〜１５０μｍである。
【００２６】
前記空気極層２１、固体電解質層２２及び燃料極層２３の各厚さは、セルの固体電解質層２２全面で発電させるために空気極層２１と燃料極層２３のシート抵抗をできるだけ近くするのが良く、そのためには空気極層２１の厚さは１．５ｍｍ〜２．５ｍｍ、固体電解質層２２の厚さは４０〜１００μｍ、燃料極層２３の厚さは５０〜４００μｍが好ましい。
【００２７】
また、その他の基本構造として、開気通気孔率が３０％程度のＣａＯ安定化ＺｒＯ₂を支持管とし、その外表面に上記空気極層２１、固体電解質層２２、燃料極層２３、集電体層２４を形成したものもある。
【００２８】
本発明のセル２の製造方法は下記工程〔Ａ１〕〜〔Ａ５〕によって構成される。
【００２９】
〔Ａ１〕空気極層２１用の成形体を、押し出し成形法あるいはラバー成形法で作製し、円筒状支持管とする。
【００３０】
〔Ａ２〕空気極層２１の外表面に、ドクターブレード法によって作製した固体電解質層２２のシートを、集電体層２４用の切り欠き部を除いて貼り付ける。
【００３１】
〔Ａ３〕固体電解質層２２の前記切り欠き部に、ドクターブレード法によって作製した集電体層２４のシートを貼り付ける。〔Ａ２〕，〔Ａ３〕において、集電体層２４用の切り欠き部は、固体電解質層２２を空気極層２１の外表面に貼り付けた後に、研磨法等により形成しても良い。
【００３２】
〔Ａ４〕さらに、固体電解質層２２の集電体層２４部を除いた外表面に、ドクターブレード法によって作製した燃料極層２３のシートを貼り付ける。このとき、燃料極層２３はスラリーディップ法によって形成しても良い。
【００３３】
〔Ａ５〕１５００〜１６００℃の温度で２〜１０時間大気中で共焼結する。
【００３４】
また、集電体層２４のシートの製造方法を、以下の工程〔Ｂ１〕〜〔Ｂ３〕によって説明する。
【００３５】
〔Ｂ１〕所定量のＬａ₂（ＣＯ₃）₃，Ｃｒ₂Ｏ₃，ＭｇＯの混合粉末を１０００〜１５００℃で仮焼し、ペロブスカイト型複合酸化物を合成した後、ジルコニアボールを用いた周知の回転ミル等の方法により０．１〜５．０μｍの大きさに粉砕する。
【００３６】
〔Ｂ２〕Ｌａ₂（ＣＯ₃）₃をＬａ₂Ｏ₃換算で０．５〜３．０ｗｔ％、ＭｇＯを５〜３０ｗｔ％添加し、ジルコニアボールを用いて混合する。
【００３７】
〔Ｂ３〕得られた粉末に水及びバインダー樹脂を加え、混合後ドクターブレード法により３０〜１００μｍの厚さにシート成形する。
【００３８】
本発明のセル２は、図２に示すような一端が開放され一端が閉じた構造、又は両端が開放された構造、又は両端が閉じた構造であり空気を空気管でセル２の中途から供給するもの等、種々の構成を採り得る。
【００３９】
かくして、本発明は、空気中及び動作時の雰囲気ガスである水素ガス中において、熱膨張に起因してセルが破壊されるという問題を解消するという作用効果を有する。
【００４０】
尚、本発明は上記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内で種々の変更は何等差し支えない。
【００４１】
【実施例】
本発明の実施例を以下に説明する。
【００４２】
（実施例）
図１のセル２を以下の工程〔ａ１〕〜〔ａ10〕によって作製した。
【００４３】
〔ａ１〕空気極層２１材料として純度９９. ９％以上のＬａ₂Ｏ₃，ＭｎＯ₂，ＣａＣＯ₃の各粉末を用意し、これらをＬａ_0.8Ｃａ_0.2ＭｎＯ₃の化学量論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６μｍの固溶体粉末を得た。
【００４４】
〔ａ２〕この固溶体粉末にバインダー樹脂を添加し、押し出し成形法により円筒状の空気極層２１の成形体を作製した。
【００４５】
〔ａ３〕空気極層２１の成形体を乾燥後、１２５０℃で１０時間仮焼して脱バインダー処理し、仮焼体を作製した。
【００４６】
〔ａ４〕共沈法によって得られたＹ₂Ｏ₃を８ｍｏｌ％の割合で含有する平均粒径１．０μｍのＺｒＯ₂粉末に、トルエンとバインダー樹脂を添加してスラリーを調製し、ドクターブレード法によって厚さ１００μｍの固体電解質層２２用のシートを得た。
【００４７】
〔ａ５〕純度９９．９％以上のＬａ₂Ｏ₃，Ｃｒ₂Ｏ₃，ＭｇＯの各粉末を用意し、これらをＬａＭｇ_0.1Ｃｒ_0.9Ｏ₃の化学量論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２μｍの固溶体粉末を得た。更に、Ｌａ₂Ｏ₃を１．０ｗｔ％、及びＭｇＯを所定量加え混合した。
【００４８】
〔ａ６〕この固溶体粉末にトルエンとバインダー樹脂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厚さ７５μｍの集電体層２４用のシートを作製した。このとき、ＭｇＯの添加量の異なる固溶体粉末や、ＬａＭｇ_0.1Ｃｒ_0.9Ｏ₃中のＭｇの固溶量を種々変化させたシートも作製した。
【００４９】
〔ａ７〕円筒状の空気極層２１焼結体に固体電解質層２２用のシートをロール状に巻き付け、１１００℃で３時間の仮焼を行い、その後集電体層２４用のシートの積層箇所に相当する固体電解質層２２仮焼体の表面を平面研磨し、空気極層２１を一部露出させ集電体層２４のシートをその露出部に貼り付けた。
【００５０】
〔ａ８〕円筒状の空気極層２１焼結体、固体電解質層２２仮焼体、集電体層２４のシートを、大気中で１５３０℃で６時間共焼結した。
【００５１】
この共焼結体の水に対する安定性をプレッシャークッカー法により評価した。具体的には、共焼結体を加湿加圧装置に入れ、温度１５０℃、相対湿度約１００％で３日間放置し、集電体層２４の化学的安定性を評価した。即ち、集電体層２４中に未反応の酸化ランタンが残存すると水で潮解し、集電体層２４が壊れるためである。
【００５２】
更にセル２内部に空気を加圧注入してその内気圧が外気圧よりも１ｋｇｆ／ｃｍ²高くなるようにし、その状態のセル２を水没させ気泡の発生の有無により集電体層２４の破壊を評価した。
【００５３】
〔ａ９〕燃料極層２３用の原料粉末として、平均粒径１．０μｍのＮｉＯ粉末と、８ｍｏｌ％のＹ₂Ｏ₃を含有する平均粒径１．５μｍのＺｒＯ₂とを、重量比で８：２になるように混合し、スラリーを調製した。
【００５４】
〔ａ10〕上記共焼結体に燃料極層２３用のスラリーを塗布し、大気中で１４００℃で２時間焼結し、セル２を作製した。
【００５５】
図２に示すように、作製したセル２内に空気、外側に水素ガスを流して１０００℃で発電を行った。そして、α１，α３，Δα21，Δα34，共焼結時のセル２の破壊の有無，発電時のセル２の破壊の有無を調査した結果を表１に示す。
【００５６】
【表１】

【００５７】
表１において、α１〜α４の測定は、集電体層２４用の原料粉末を円盤状にプレス成形し、大気中で１５００℃で６時間焼結し、得られた焼結体から試料を切り出し、空気中と水素ガス中で室温〜１０００℃までの熱膨張係数を測定した。また、固体電解質層２２の試料も同様に作製し熱膨張係数を測定した。
【００５８】
表１に示すように、ＭｇＯの添加により集電体層２４の空気中及び水素ガス中での熱膨張係数を調整することができる。ＭｇＯを添加していないＮＯ．１とＭｇＯの添加量が少ないＮＯ．２では、空気中の熱膨張係数α１が小さいために固体電解質層２２の熱膨張係数α２との差Δα21が大きくなり、共焼結時にセル２の破壊が起きた。ＭｇＯの添加量を増やしたＮＯ．３，４では、α１及びα３共に大きくなるが、Δα21とΔα34は小さくなり、共焼結時及び発電時にセル２の破壊は生じなかった。
【００５９】
ＬａＣｒＯ₃中のＭｇ固溶成分がないＮＯ．６とＭｇ固溶成分が少ないＮＯ．７であっても、ＭｇＯの添加量を増やすことで、α１，α３を制御してΔα21とΔα34を小さくでき、共焼結時及び発電時にセル２の破壊を防止できた。また、Ｍｇ固溶成分が多いＮＯ．９では、ＭｇＯの添加量を少なくしても、α１が低下してΔα21が大きくなり、共焼結時にセル２の破壊が生じた。Ｍｇ固溶成分及びＭｇＯ添加量の両方が多いＮＯ．１２では、Δα34が大きくなり、発電時にセル２の破壊が発生した。
【００６０】
Ｍｇ固溶成分及びＭｇＯ添加量の両方共ほぼ中間値であるＮＯ．８、及びＭｇ固溶成分は多いがＭｇＯ添加量がほぼ中間値であるＮＯ．１０，１１では、共焼結時及び発電時にセル２の破壊は発生しなかった。
【００６１】
このように、Ｍｇ固溶量を５〜３０ａｔ％、ＭｇＯ添加量を６〜１８ｗｔ％の範囲内で調整することで、α１，α３，Δα21，Δα34を制御できた。
【００６２】
【発明の効果】
本発明は、集電体層の空気中での室温から１０００℃までの温度域における熱膨張係数をα１、固体電解質層の空気中での室温から１０００℃までの温度域における熱膨張係数をα２、α２とα１の差α２−α１をΔα21とした場合、α１＜α２であり、且つΔα21≦０．５×１０^−６／℃であり、集電体層の水素ガス中での室温から１０００℃までの温度域における熱膨張係数をα３、固体電解質層の水素ガス中での室温から１０００℃までの温度域における熱膨張係数をα４、α３とα４の差α３−α４をΔα 34 とした場合、α３＞α４であり、且つΔα 34 ≦０．３×１０ ^−６／℃であることにより、空気中及び動作時の雰囲気ガスである水素ガス中において、熱膨張係数差に起因してセルが破壊されるという問題を解消するという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＳＯ燃料電池セルの部分断面の斜視図である。
【図２】ＳＯ燃料電池Ｆ全体の基本構成の断面図である。
【符号の説明】
１：ケース
２：セル
５：燃焼室
６：空気管
１０：Ｎｉフェルト
１１：インターコネクタ（集電体層）
２１：空気極層
２２：固体電解質層
２３：燃料極層
２４：集電体層

Claims

多層円筒状に積層された空気極層、固体電解質層、燃料極層及び集電体層を有し、
前記固体電解質層はＺｒＯ ₂ 系又はＣｅＯ ₂ 系材料からなり、前記集電体層はＬａＣｒＯ _３系材料からなり、
該集電体層の空気中での室温から１０００℃までの温度域における熱膨張係数をα１、前記固体電解質層の空気中での室温から１０００℃までの温度域における熱膨張係数をα２、α２とα１の差α２−α１をΔα21とした場合、α１＜α２であり、且つΔα21≦０．５×１０^−６／℃であり、
前記集電体層の水素ガス中での室温から１０００℃までの温度域における熱膨張係数をα３、前記固体電解質層の水素ガス中での室温から１０００℃までの温度域における熱膨張係数をα４、α３とα４の差α３−α４をΔα34とした場合、α３＞α４であり、且つΔα34≦０．３×１０^−６／℃である固体電解質型燃料電池セル。
Δα21＞Δα34である請求項１記載の固体電解質型燃料電池セル。