JP3924199B2 - 燃料電池の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の製造方法に関し、特に、燃料電池を製造するときに用いられ、インターコネクタの材料に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体電解質型燃料電池(SOFC)は、円筒型SOFCと平板型SOFCに分類される。これらのうち、平板型SOFCを対象とした研究として、ランタンクロマイト系SOFCセパレータの組成適正化研究に関する研究報告が、電力中央研究所報告((財)電力中央研究所)W98023号においてなされている。この研究報告の概要を以下に述べる。
【0003】
セパレータ(インターコネクタ)の材料は、同一部材で燃料雰囲気、もしくは空気雰囲気という異なる酸素分圧下におかれることから、面方向の伸びに違いが生じ、この伸びの違いによって生じた反りに起因するセル破損が問題になっている。このことから、セパレータの材料として用いられるランタンクロマイトのクロム(Cr)を各種酸化物で部分置換することによって、熱膨張係数を基準となる電解質膜に合わせると共に、相転移膨張、還元膨張を抑制する熱膨張挙動の制御手法が検討されている。
【0004】
相転移膨張とは、温度の上昇による結晶構造変化に伴う体積膨張のことであり、Sr系ランタンクロマイトの場合には、斜方晶系、菱面対称系を経て立方晶系へと変化する。還元膨張とは、セパレータ材中でSr2+の電荷補償のために存在するCr4+が還元雰囲気中でCr3+へと還元され、酸素欠損が生じ、このときの結晶構造中に生じる隣接イオン間の反発に起因する膨張である。これらの膨張を抑えるために、セパレータの材料として、La0.8Sr0.2Cr0.9Ti0.1O3という化学組成を有するランタンクロマイトが考案された。
【0005】
ところで、円筒型SOFCは、その構造の違いから更に円筒横縞型SOFCと円筒縦縞型SOFCとに分類される。円筒横縞型SOFCの製造においては、基体管上に、その表面から燃料極、電解質膜、インターコネクタ、空気極の各素子を順次成膜した後に、一体焼結する。但し、空気極を除く各素子を一体焼結した後、空気極を成膜して焼結する場合もある。円筒縦縞型SOFCの製造においては、基体管上に、その表面から空気極、電解質膜、インターコネクタの各素子を順次成膜した後に、一体焼結する。
【0006】
各素子は、焼結により緻密化される。緻密化により、インターコネクタからのガス(燃料ガス、酸化剤ガス)の透過を最小限に抑制することが可能となる。但し、この緻密化の程度が小さい場合には、インターコネクタからのガス透過が進行し、結果的にガスの利用率(以下、「燃料利用率」と記す)、及び発電における出力密度の低下をもたらす。
【0007】
また、円筒型SOFCの製造において、La2CrO3(ランタンクロマイト)系のインターコネクタを成膜する際には、EVD法、もしくは溶射法が用いられている。EVD法は、高温、減圧下で多孔質基盤の上に緻密な酸化物皮膜を成長させる方法である。実際の成膜は、水蒸気と酸素を支持管の内部に供給し、外部には、金属塩化物蒸気、水素、アルゴン(キャリアガス)を供給して行なう。この方法は、緻密な酸化物膜を成膜するのに優れている反面、高価な装置を必要とすること、また、膜の生成が拡散律速であることから成膜に時間を要するといった問題がある。一方、溶射法の場合には、La2CrO3と、Ca12Al14O33の混合物を用いて成膜が行なわれるが、この方法においても、高価な装置が必要となる。
【0008】
更に、ランタンクロマイト系のインターコネクタを成膜する際の原料としては、従来、硝酸塩(La(NO3)3等)が用いられている。例えばLa(NO3)3を用いる場合には、まず、硝酸根を除去してLa2O3を生成し、生成したLa2O3を成膜に用いる。従って、結果的に、従来はこの硝酸根の分だけ不要な原料を購入し、使用していたことになる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、焼結による緻密化を適度に行うことを可能とするように設定された化学組成を有するインターコネクタ用材料膜を焼結することによる、燃料電池の製造方法を提供することにある。
【0010】
本発明の他の目的は、安価な装置を用いて、円筒型SOFCの製造(インターコネクタ用材料膜の成膜)を行なうことのできる燃料電池の製造方法を提供することにある。
【0011】
本発明の更に他の目的は、インターコネクタ用材料膜の材料として、安価なものを使用することのできる燃料電池の製造方法を提供することにある。
【0012】
本発明の更に他の目的は、上記の製造方法によって製造された燃料電池を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
以下に、[発明の実施の形態]で使用される番号・符号を括弧付で用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの符号は、[特許請求の範囲]の記載と[発明の実施の形態]の記載との対応を明らかにするために付加されたものであり、[特許請求の範囲]に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【0014】
本発明の燃料電池の製造方法(10a)は、次の(A)もしくは(B)のいずれかである。
【0015】
(A)本発明の燃料電池の製造方法(10a)は、基体管(11)を形成するステップ(S1)と、前記基体管(11)上に燃料極用材料膜、電解質膜用材料膜、インターコネクタ用材料膜を形成するステップ(S2、S3)とを具備する。また、本発明の燃料電池の製造方法(10a)は、前記燃料極用材料膜、前記電解質膜用材料膜、前記インターコネクタ用材料膜を焼結して、前記基体管(11)上に燃料極(20)、電解質膜(21)、インターコネクタ(23)を形成するステップ(S4)と、前記基体管(11)上に空気極用材料膜を形成するステップ(S5、S6)と、前記空気極用材料膜を焼結して、前記基体管(11)上に空気極(22)を形成するステップ(S7)を具備する。前記インターコネクタ用材料膜(23)の化学組成は、La(1−x)Ca(x+y)Cr(1−z)TizO3であり、前記化学組成において、0.1≦x≦0.4、0.01≦y≦0.1、0.1≦z≦0.4を満たす。
【0016】
尚、上記の(A)におけるステップ(S2、S3)は、前記基体管(11)上に燃料極用材料膜、電解質膜用材料膜、インターコネクタ用材料膜、空気極用材料膜を形成するステップに置き換えることが可能である。また、ステップ(S4)は、前記燃料極用材料膜、前記電解質膜用材料膜、前記インターコネクタ用材料膜、前記空気極用材料膜を焼結して、前記基体管(11)上に燃料極(20)、電解質膜(21)、インターコネクタ(23)、空気極(22)を形成するステップに置き換えることが可能である。
【0017】
(B)本発明の燃料電池の製造方法(10a)は、空気極を含む基体管(22a)を形成するステップ(S1)と、前記基体管(22a)上に電解質膜用材料膜、燃料極用材料膜、インターコネクタ用材料膜を順に形成するステップ(S2、S3)とを具備している。前記インターコネクタ用材料膜の化学組成は、La(1−x)Ca(x+y)Cr(1−z)TizO3であり、前記化学組成において、0.1≦x≦0.4、0.01≦y≦0.1、0.1≦z≦0.4の少なくともいずれかを満たしている。前記インターコネクタ用材料膜の材料源は、複数であり、前記複数の材料源のうち少なくともいずれかは、酸化物もしくは炭酸塩である。また、本発明の燃料電池の製造方法(10a)は、前記電解質膜用材料膜、前記燃料極用材料膜、前記インターコネクタ用材料膜を焼結して、前記基体管(11)上に前記電解質膜(21)、前記燃料極(20)、前記インターコネクタ(23)を形成するステップ(S4)を具備する。
【0019】
【発明の実施の形態】
図1に、円筒横縞型SOFCの構成を示す。円筒横縞型SOFCは、基体管11と、基体管11上に形成された、燃料極20、電解質膜21、空気極22、インターコネクタ23の各素子を有する複数の成膜部19とから構成されている。インターコネクタ23は、異なる成膜部19に含まれる燃料極20、電解質膜21、空気極22を相互に接続するように構成されている。
【0020】
図2に、円筒横縞型SOFCの他の構成を示す。一方、円筒縦縞型SOFCは、空気極基体管(基体管が空気極となっている)と、空気極基体管上に形成された、燃料極、電解質膜、インターコネクタとを含む成膜部から構成されている。インターコネクタは、異なる成膜部に含まれる燃料極及び電解質と、空気極基体管とを相互に接続するように構成されている。円筒横縞型SOFC、円筒縦縞型SOFCのいずれに対しても、インターコネクタの材料を用いて形成されるインターコネクタ用材料膜は、後述の(a)の条件を満たしていることが望ましい。また、インターコネクタ用材料膜の材料源については、後述の(b)の条件を満たしていることが望ましい。
【0021】
燃料電池10(円筒横縞型SOFC、円筒縦縞型SOFC)の製造においては、インターコネクタ用材料膜の化学組成を適切なものとすることにより、焼結時に、インターコネクタ用材料膜を適度に緻密化して、インターコネクタ23を形成することが可能であるものと考えられる。緻密化が適度に達成されると、インターコネクタ23からのガス透過が抑制され、その結果、発電における出力密度を向上させることが可能である。緻密化の程度は、焼結後における、インターコネクタ23の相対密度によって示される。相対密度は、4℃の純水の密度に対する、ある物質の密度の割合を表したものであり、焼結後のインターコネクタ23の各々に対して、次の(1)式を用いて算出される。
(インターコネクタ23の密度/4℃の純水の密度)×100 (1)
【0022】
(1)式を用いて算出された相対密度が適切な範囲を超える場合には、燃料極20、空気極22(もしくは空気極基体管22a)におけるガスの拡散抵抗が大きくなり、燃料利用率が低下する。一方、相対密度が適切な範囲を下回る場合には、インターコネクタ23からのガス透過によって燃料利用率が低下する。燃料利用率の低下は、結果的に発電時における出力密度の低下をもたらす。燃料利用率の低下を防ぐためには、焼結後のインターコネクタ23の相対密度が適切な範囲に収まるように、インターコネクタ用材料膜の化学組成を設定すればよい。この観点から、インターコネクタ用材料膜の化学組成をLa(1−x)Ca(x+ y)Cr(1−z)TizO3とし、x、y、zの各々の値を変化させた材料を複数種類用いて実験を行った。その結果を図3に示す。
【0023】
図3においては、試験番号3a、組成3b、変数値3c、相対密度3d(%)、出力密度3e(W/cm2)が示されている。組成3bは、試験番号3aの各々に対応する材料一分子に含まれる各原子(La、Ca、Cr、Ti)の個数を表したものである。変数値3cは、インターコネクタ用材料膜の化学組成を組成3bに示されるようにするために、設定された変数(x、y、z)の値を示している。例えば、試験番号3a=1のときは、化学組成がLa0.95Ca0.08Cr0.8Ti0.2O3となるように、変数の値が設定されている。
【0024】
実験の方法を次に述べる。まず、インターコネクタ用材料膜が上述した化学組成になるように、燃料電池10(円筒横縞型SOFC)を製造した。この燃料電池10の製造にあたって、空気極22を除く各素子(図1に示される)を成膜して一体焼結した後、空気極22を成膜して焼結した。この燃料電池10を用いて、80%H2−20%O2を燃料として発電試験を行い、200mA/cm2における出力密度3eを測定した。また、発電試験の後、切断して樹脂埋め研磨した試料を光学顕微鏡で観察し、画像解析することにより、インターコネクタ23の密度を求めた。更に、その密度と(1)式とを基にして相対密度3dを算出し、インターコネクタ23の緻密化の程度を調べた。材料には、基体管11として、9mol%CaO安定化ZrO2を用いた。また、燃料極20、電解質膜21、空気極22には、60%NiO−40%MgAl2O4、8mol%Y2O3安定化ZrO2、La0.6CaO0.4MnO3の各々を用いた。
【0025】
試験番号3a=1〜5は、y(0.3)、z(0.2)の各々を統一し、x(0.05≦x≦0.5)を変化させた材料に対応する。すなわち、これらの材料においては、Ti、Crの量を統一させ、Ca、Laの量を変化させている。x=0.05(試験番号3a=1)及びx=0.5(試験番号3a=5)のとき、出力密度3eは非常に小さい値となり、測定が不能であった。このとき、相対密度3dは各々89%、88%となり、試験番号3a=2〜4のときと比較して小さくなった。従って、試験番号3a=1、5に対応する材料を用いてインターコネクタ用材料膜を形成したときには、試験番号3a=2〜4に対応する材料を用いたときと比較して、緻密化が進行せず、そのためにインターコネクタ23からのガス透過が進行して出力密度3eが低下したものと考えられる。
【0026】
一方、試験番号3a=2、3、4(0.1≦x≦0.4)に対応する材料を用いたとき、出力密度3eは各々、0.14W/cm2、0.18W/cm2、0.16W/cm2となり、相対密度3dは各々、93%、98%、94%となった。これらの値は、いずれも、試験番号3a=1、5に対応する材料を用いたときと比較して、高いものとなっている。従って、試験番号3a=2、3、4に対応する材料を用いてインターコネクタ用材料膜を形成したときには、試験番号3a=1、5に対応する材料を用いたときと比較して、緻密化が進行し、そのためにインターコネクタ23からのガス透過が抑制されて出力密度3eが向上したものと考えられる。
【0027】
試験番号3a=1〜5に対する実験結果より、La(1−x)Ca(x+y)Cr(1−z)TizO3の化学組成を有するインターコネクタ用材料膜において、0.1≦x≦0.4を満たすことが望ましいと考えられる。また、試験番号3a=3のときに出力密度3eは特に高い値となっていることから、出力密度3eの向上の観点からは、xの値を0.3付近に設定することが最も望ましいものと考えられる。
【0028】
試験番号3a=6〜9は、x(0.3)、z(0.2)の各々を統一し、y(0.05≦y≦0.15)を変化させている。すなわち、La、Ti、Crの量を統一させ、Caの量を変化させている。y=0.05(試験番号3a=6)もしくはy=0.15(試験番号3a=9)のとき、出力密度3eは非常に小さい値となり、測定が不能であった。このとき、相対密度3dは各々82%、76%となり、試験番号3a=7、8のときと比較して小さくなった。従って、試験番号3a=6、9に対応する材料を用いてインターコネクタ用材料膜を形成したときには、試験番号3a=7、8に対応する材料を用いたときと比較して、緻密化が進行せず、そのためにインターコネクタ23からのガス透過が進行して出力密度3eが低下したものと考えられる。
【0029】
一方、試験番号3a=7、8(y=0.005、0.15)に対応する材料を用いたとき、出力密度3eは各々、0.14W/cm2、0.15W/cm2となり、相対密度3dは各々、92%、93%となった。これらの値は、いずれも、試験番号3a=6、9に対応する材料を用いたときと比較して、高いものとなっている。従って、試験番号3a=7、8に対応する材料を用いてインターコネクタ用材料膜を形成したときには、試験番号3a=6、9に対応する材料を用いたときと比較して、緻密化が進行し、そのためにインターコネクタ23からのガス透過が抑制されて出力密度3eが向上したものと考えられる。
【0030】
試験番号3a=6〜9に対する実験結果より、La(1−x)Ca(x+y)Cr(1−z)TizO3の化学組成を有するインターコネクタ用材料膜において、0.01≦y≦0.1を満たすことが望ましいと考えられる。また、試験番号3a=8のときに出力密度3eは特に高い値となっていることから、出力密度3eの向上の観点からは、yの値を0.1付近に設定することが最も望ましいものと考えられる。
【0031】
試験番号3a=10〜13は、x(0.3)、y(0.03)の各々を統一し、z(0.05≦z≦0.5)を変化させた材料に対応する。すなわち、これらの材料においては、Ca、Laの量を統一させ、Ti、Crの量を変化させている。z=0.05(試験番号3a=10)及びz=0.5(試験番号3a=13)のとき、出力密度3eは非常に小さい値となり、測定が不能であった。このとき、相対密度3dは各々77%、82%となり、試験番号3a=11、12のときと比較して小さくなった。従って、試験番号3a=10、13に対応する材料を用いてインターコネクタ用材料膜を形成したときには、試験番号3a=11、12に対応する材料を用いたときと比較して、緻密化が進行せず、そのためにインターコネクタ23からのガス透過が進行して出力密度3eが低下したものと考えられる。
【0032】
一方、試験番号3a=11、12(z=0.1、0.4)に対応する材料を用いたとき、出力密度3eは各々、0.15W/cm2、0.16W/cm2となり、相対密度3dは各々、94%、92%となった。これらの値は、いずれも、試験番号3a=10、13に対応する材料を用いたときと比較して、高いものとなっている。従って、試験番号3a=11、12に対応する材料を用いてインターコネクタ用材料膜を形成したときには、試験番号3a=10、13に対応する材料を用いたときと比較して、緻密化が進行し、そのためにインターコネクタ23からのガス透過が抑制されて出力密度3eが向上したものと考えられる。
【0033】
試験番号3a=10〜13に対する実験結果より、La(1−x)Ca(x+y)Cr(1−z)TizO3の化学組成を有するインターコネクタ用材料膜において、0.1≦z≦0.4を満たすことが望ましいと考えられる。また、試験番号3a=12のときに出力密度3eは特に高い値となっていることから、出力密度3eの向上の観点からは、zの値を0.4付近に設定することが最も望ましいものと考えられる。
【0034】
図3に示した実験結果より、La(1−x)Ca(x+y)Cr(1−z)TizO3のインターコネクタ用材料膜として望ましい条件は、次の(a)であるものと考えられる。また、製造に係るコスト削減の観点から、(b)の条件を満たすことが望ましい。(a)上記の化学組成において、0.1≦x≦0.4、0.01≦y≦0.1、0.1≦z≦0.4であり、これらの関係のうち少なくともいずれか1〜2個を満たす。(b)前記インターコネクタ用材料膜の材料源は、複数であり、前記複数の材料源のうち少なくともいずれかは、酸化物もしくは炭酸塩である。具体的には、La源としてLa2O3、Ca源としてCaCO3もしくはCaO、Cr源としてCr2O3、Ti源としてTiO2の少なくともいずれかが用いられる。
【0035】
次に、(a)の条件が、空気極22を含む各素子を一体焼結した円筒横縞型SOFC、及び円筒縦縞型SOFC(空気極基体管22aを有している)に対しても成立するかどうかを調査するための実験を行った。その結果を図4に示す。図4においては、試験番号4a、組成4b、変数値4c、相対密度4d(%)、出力密度4e(W/cm2)が示されている。組成4b、変数値4cは各々、上述した組成3b、変数値3cと同様である。
【0036】
実験の方法を次に述べる。まず、(a)、(b)の条件に基づいて、燃料電池10(円筒横縞型SOFC、円筒縦縞型SOFC)を製造した。これらの燃料電池10の製造にあたっては、図1もしくは図2に示される各素子を成膜して一体焼結した。これらの燃料電池10を用いて、上述したものと同様にして発電試験を行い、200mA/cm2における出力密度4eを測定した。また、上述したものと同様の方法で相対密度4dを算出し、インターコネクタ23の緻密化の程度を調べた。円筒横縞型SOFCの材料として、基体管11、燃料極20、電解質膜21、空気極22には、9mol%CaO安定化ZrO2、60%NiO−40%MgAl2O4、8mol%Y2O3安定化ZrO2、La0.6CaO0.4MnO3の各々を用いた。円筒縦縞型SOFCの材料として、空気極基体管22a、電解質膜21、燃料極20には、La0.6CaO0.4MnO3、8mol%Y2O3安定化ZrO2、60%NiO−40%MgAl2O4の各々を用いた。
【0037】
試験番号4a=14〜17は、いずれも、x(0.3)、y(0.03)の各々を統一し、z(0.2、0.4)を変化させた材料に対応する。これらのうち、試験番号4a=14、15に対応する材料は、円筒横縞型SOFCの製造に用いられ、試験番号4a=16、17に対応する材料は、円筒縦縞型SOFCの製造に用いたものである。z=0.2(試験番号4a=14)及びx=0.4(試験番号4a=15)のとき、出力密度4eは各々、0.17W/cm2、0.15W/cm2となり、相対密度4dは各々、98%、92%となった。これらの値は、いずれも、図3に示した試験番号3a=2〜4、7、8、11、12に対応する材料を用いたときと同程度の値となっている。従って、空気極22を含む各素子を一体焼結する場合にも、(a)の条件を適用することにより、インターコネクタ23の緻密化を適度に進行させ、その結果、ガス透過を抑制して出力密度4eを向上させることが可能であるものと考えられる。
【0038】
z=0.2(試験番号4a=16)及びx=0.4(試験番号4a=17)のとき、出力密度4eは各々、0.21W/cm2、0.17W/cm2となり、相対密度4dは各々、98%、92%となった。これらの値は、いずれも、図3に示した試験番号3a=2〜4、7、8、11、12に対応する材料を用いたときと同程度の値となっている。従って、空気極基体管22aを含む各素子を一体焼結する場合にも、(a)の条件を適用することにより、インターコネクタ23の緻密化を適度に進行させ、その結果、ガス透過を抑制して出力密度4eを向上させることが可能であるものと考えられる。
【0039】
次に、燃料電池の製造方法10aの処理に関して、図5及び図6を参照して説明する。この製造にあたっては、上記の(a)、(b)の条件に基づいてインターコネクタ用材料膜を生成することにより、燃料電池10(円筒横縞型SOFC、円筒縦縞型SOFC)を製造することとする。以下の説明においては、円筒横縞型SOFCを製造する場合を主に例に挙げて説明する。尚、(a)、(b)の条件については、少なくともいずれかを満たすことが望ましい。また、ステップS2においては、スクリーン印刷法により成膜を行っている。これは、燃料電池10の製造に係るコスト削減の観点に基づくものであり、EVD法、もしくは溶射法の代わりに、この方法を用いることが望ましい。
【0040】
基体管11用のセラミックスの粉末の原料(ジルコニアの粉末など)に有機系の溶剤(添加剤を含む)を混合して均一なスラリを形成し、押出し成形によりチューブ状のセラミックス成形体である基体管11を成形する(ステップS1)。基体管11は、成膜部19が形成される管であり、セラミックスの多孔質である筒型の円筒管である。
【0041】
次に、基体管11上に、スクリーン印刷により、燃料極用材料膜のスラリを塗布する。スクリーン版17の下部からスラリを供給すると、メッシュ16の部分からスラリがスクリーン版17の上部に透過する。そのスクリーン版17の上で基体管11を1回転させることにより、基体管11上にその円周に沿って1周連続的に燃料極用材料膜を印刷する。燃料極用材料膜は、基体管11の長手方向に、一定の幅毎に形成される(ステップS2)。印刷後、燃料極用材料膜を乾燥する(ステップS3)。その後、電解質膜用材料膜のスラリを用いてステップS2、ステップS3と同様の処理を行うことにより、基体管11上に電解質膜用材料膜を形成する。
【0042】
インターコネクタ用材料膜の材料の調製においては、まず、化学組成が図3及び図4において示される組成(3b、4b)になるように、La2O3、CaCO3、Cr2O3、TiO2の各々を混合した粉末を調合し、その粉末を1150℃で焼成する。次に、焼成後の粉末にエタノールを加えて20時間粉砕を行い、粒度を1μm以下とした後、有機系の溶剤を混合してインターコネクタ用材料膜のスラリを合成する。このスラリを用いてステップS2、ステップS3と同様の処理を行うことにより、基体管11上にインターコネクタ用材料膜を形成する。これにより、燃料極用材料膜、電解質膜用材料膜、インターコネクタ用材料膜の各々が含まれる成膜部19を有するセルチューブ25が生成される。
【0043】
スクリーン版17は、スクリーン印刷を行うためのものであり、マスクパターンが形成されている。マスクパターンの片面から、印刷用のスラリを押し出すと、マスクパターン状にスラリがスクリーン版を通過し、その反対面にある印刷対象(基体管11)上に、マスクパターンの形状通りにスラリが印刷される。メッシュ16は、スクリーン版17上に形成されたマスクパターンである。
【0044】
セルチューブ25にシールリング14aとシールキャップ14bを取り付ける。また、その基体管11を焼成炉12のセラミックス取付部14に取り付け、ヒーター13を制御しながら1425℃で3時間の焼結を行う(ステップS4)。
【0045】
焼成炉12は、シート状やチューブ状などのセラミックスの成形体を焼成するための電気炉である。焼成炉12には、成形体を加熱昇温するヒーター13が設けられている。ヒーター13には、温度と雰囲気により、様々な発熱体を使用することが可能である。ただし、セラミックスの成形体の焼成は、高温(1000℃以上)の酸化雰囲気で行なわれるので、それに対応する発熱体が用いられる。例えば、Fe−Cr−Al系合金発熱体、Pt−Rh合金発熱体等がある。
【0046】
セラミックス取付部14は、焼成炉12の上部にあり、セラミックス成形体の一端部を取り付け、その位置を固定するための治具である。チューブ状のセラミックス成形体の場合には、セラミックス成形体は、そこから吊り下げられた状態で固定され、焼成される。
【0047】
セラミックス取付部14の底面の孔部の内径は、シールリング14aの筒部の外径と同じ大きさである。基体管11は、その孔部に嵌め込まれ、シールリング14aの保持部の部分でセラミックス取付部14に吊られる。また、セラミックス取付部14の側面部の底面と反対の側は、焼成炉12とガスのリークがなく、かつ、セルチューブ25の重量を支えられるように接合している。
【0048】
シールキャップ14bは、円柱状の蓋であり、円柱部とその円柱部の外周から基体管11方向へ延びる円筒部とから成る。円筒部の内径は、基体管11の外径とほぼ等しい。基体管11の下端部を閉塞させ、内部を流れる燃料ガスが外部へリークしないようにする。あるいは逆に、外部のガスが、基体管11の内部へリークしないようにする。
【0049】
空気極用材料膜のスラリを用いて、スクリーン印刷を行う。スクリーン印刷の方法は、ステップS2で述べたものと同様である(ステップS5)。空気極用材料膜をスクリーン印刷した基体管11を乾燥させることにより、燃料極20、電解質膜21、インターコネクタ23、空気極用材料膜を含む成膜部19の形成されたセルチューブ25を生成する(ステップS6)。セルチューブ25を焼結炉12にて焼結することにより、燃料極20、電解質膜21、インターコネクタ23、空気極22の形成された燃料電池10(円筒横縞型SOFC)を生成する(ステップS7)。
【0050】
円筒横縞型SOFCの製造においては、燃料極用材料膜、電解質膜用材料膜、インターコネクタ用材料膜、空気極用材料膜を一体焼結することにより、燃料極20、電解質膜21、インターコネクタ23、空気極22の形成された燃料電池10を生成する場合もある。その場合には、ステップS5〜S7の処理は行われず、空気極用材料膜の形成は、ステップS2とステップS3において、インターコネクタ用材料膜が形成された後に、同様の処理を繰り返すことにより行われる。
【0051】
円筒縦縞型SOFCの製造においては、ステップS1において、基体管11の代わりに、空気極基体管22aが形成される。この場合には、上記の燃料電池の製造方法10aの処理に関する説明において、「基体管11」は「空気極基体管22a」に読み替えられる。また、空気極基体管22a上に、空気極22の形成は行われず、空気極基体管22a上には、電解質膜用材料膜、燃料極用材料膜、インターコネクタ用材料膜が順に形成される。その3種の膜を焼結することにより、電解質膜21、燃料極20、インターコネクタ23を含む円筒縦縞型SOFCが形成される。
【0052】
【発明の効果】
本発明の燃料電池の製造方法により、焼結による緻密化を適度に行うことを可能とするように設定された化学組成のインターコネクタ用材料膜を焼結して、インターコネクタを有する燃料電池の製造を行うことが可能となる。
【0053】
本発明の燃料電池の製造方法により、安価な装置を用いて、円筒型SOFCの製造(インターコネクタ用材料膜の成膜)を行なうことが可能となる。
【0054】
本発明の燃料電池の製造方法により、インターコネクタ用材料膜の材料源として、安価なものを使用することが可能となる。
【0055】
本発明の燃料電池により、上記の製造方法によって製造された燃料電池を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池の製造方法に係る、円筒横縞型SOFCの構成を示す図である。
【図2】本発明の燃料電池の製造方法に係る、円筒横縞型SOFCの他の構成を示す図である。
【図3】本発明の燃料電池の製造方法に係る、空気極を除く各素子を一体焼結し、その後、空気極を成膜して焼成することにより生成した円筒横縞型SOFCを用いて行った実験の結果を示す図である。
【図4】本発明の燃料電池の製造方法に係る、空気極を含む各素子を一体焼結した円筒横縞型SOFC、及び円筒縦縞型SOFCの各々を用いて行った実験の結果を示す図である。
【図5】本発明の燃料電池の製造方法に係る、処理の過程を示す図である。
【図6】本発明の燃料電池の製造方法に係る、処理の過程を示す図である。
【符号の説明】
11:基体管
19:成膜部
20:燃料極
21:電解質膜
22:空気極
23:インターコネクタ
19a:成膜部
22a:空気極基体管
3a:試験番号
3b:組成
3c:変数値
3d:相対密度
3e:出力密度
4a:試験番号
4b:組成
4c:変数値
4d:相対密度
4e:出力密度
16:メッシュ
17:スクリーン版
25:セルチューブ
12:焼成炉
13:ヒーター
14:セラミックス取付部
14a:シールリング
14b:シールキャップ
Claims (3)
- 基体管を形成するステップと、
前記基体管上に燃料極用材料膜、電解質膜用材料膜、インターコネクタ用材料膜を順に形成するステップと、
前記燃料極用材料膜、前記電解質膜用材料膜、前記インターコネクタ用材料膜を焼結して、前記基体管上に燃料極、電解質膜、インターコネクタを形成するステップと、
前記電解質膜上に空気極用材料膜を形成し、焼結により空気極を形成するステップと
を具備し、
前記インターコネクタ用材料膜の化学組成は、La(1−x)Ca(x+y)Cr(1−z)TizO3であり、
前記化学組成において、0.1≦x≦0.4、0.01≦y≦0.1、0.1≦z≦0.4を満たす
燃料電池の製造方法。 - 基体管を形成するステップと、
前記基体上に燃料極用材料膜、電解質膜用材料膜、インターコネクタ用材料膜、空気極用材料膜を順に形成するステップと、
前記燃料極用材料膜、前記電解質膜用材料膜、前記インターコネクタ用材料膜、前記空気極用材料膜を焼結して、前記基体管上に燃料極、電解質膜、インターコネクタ、空気極を形成するステップと
を具備し、
前記インターコネクタ用材料膜の化学組成は、La(1−x)Ca(x+y)Cr(1−z)TizO3であり、
前記化学組成において、0.1≦x≦0.4、0.01≦y≦0.1、0.1≦z≦0.4を満たす
燃料電池の製造方法。 - 空気極を含む基体管を形成するステップと、
前記基体管上に電解質膜用材料膜、燃料極用材料膜、インターコネクタ用材料膜を順に形成するステップと、
前記電解質膜用材料膜、前記燃料極用材料膜、前記インターコネクタ用材料膜を焼結して、前記基体管上に燃料極、電解質膜、インターコネクタを形成するステップと
を具備し、
前記インターコネクタ用材料膜の化学組成は、La(1−x)Ca(x+y)Cr(1−z)TizO3であり、
前記化学組成において、0.1≦x≦0.4、0.01≦y≦0.1、0.1≦z≦0.4を満たす
燃料電池の製造方法。
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