JPH0696778A - 固体電解質型燃料電池の製造方法 - Google Patents

固体電解質型燃料電池の製造方法

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JPH0696778A
JPH0696778A JP3079373A JP7937391A JPH0696778A JP H0696778 A JPH0696778 A JP H0696778A JP 3079373 A JP3079373 A JP 3079373A JP 7937391 A JP7937391 A JP 7937391A JP H0696778 A JPH0696778 A JP H0696778A
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JP
Japan
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fuel cell
thin film
solid oxide
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JP3079373A
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English (en)
Inventor
Nobuhiko Kususe
暢彦 楠瀬
Shunzo Umemura
俊三 梅村
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Nippon Sharyo Ltd
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Nippon Sharyo Ltd
Fuji Electric Corporate Research and Development Ltd
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    • 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
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

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  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】基材成型体の取扱いが容易で焼成された基材上
に溶射等で薄膜を積層したときに基材が破損せず、さら
に基材の肉厚が薄くて電気的特性に優れる電池の製造方
法を得る。 【構成】セラミックスまたはサーメットからなる基材ブ
ロックを成型して焼成し、得られた多孔質の基材ブロッ
クの主面の一つに薄膜を積層し、次いで薄膜と平行に基
材ブロックをスライスする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は支持膜方式の固体電解
質型燃料電池の製造方法に係り、特に支持体である基材
に対する薄膜の積層方法に関する。
【0002】
【従来の技術】ジルコニア等の酸化物固体電解質を用い
る燃料電池は、作動温度が800 〜1100℃と高温であるた
めに発電効率が高く、触媒が不要であるといった長所が
あり、電解質が固体であるため取扱いや保守が容易であ
るとされ第三世代の燃料電池として期待されている。し
かし、一方では運転温度が高いために使用可能な材料に
制約がある、といった問題を内包している。
【0003】固体電解質型燃料電池の構造としては、大
きく分けて円筒型と平板型の2つのタイプがある。この
内、平板型は図5に示したように電解質薄板18の両面に
電極19及び20を形成し、これとガス通路を形成したセパ
レータ21A 及び21B とを順次積み重ねて電池を構成して
いく自立膜方式と、図6に示したように電極材料あるい
はセパレータ材料で製作した基材22及び23の表面に電解
質層24やセパレータ層25あるいは電極19を積層し、二つ
の基材22, 23を順次積み重ねて電池を構成していく支持
膜方式とが採用されている。
【0004】この内支持膜方式で用いられている基材22
及び23は、反応ガス流路を形成すると共に単セルで発生
させた電気を集め、隣りあうセルに伝える集電体・導電
体としての役割を持っている。固体電解質型燃料電池に
おいては一般の金属材料は特にカソード側において酸化
の問題があって使用できないため、基材はセラミックス
やサーメット材料から作られる。
【0005】基材の製造方法としては、基材材料の粉末
をバインダー及び溶剤と共に混合してペースト状あるい
はスラリー状とし、これを射出形成あるいはプレス成形
といった手段で板状の成形体とした後に、1200〜1600℃
といった高温で焼成する方法が一般的である。
【0006】基材の表面に電解質体, セパレータ層ある
いは電極を直接形成して電池構成部材を得る際の各層の
形成方法としては、CVD (化学的蒸着),EVD (電気
化学的蒸着),スパッタリングや溶射などの方法がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述のよ
うな従来の製造方法においては、基材の厚さが薄いため
に、基材表面に電解質体, セパレータ層, 電極を溶射等
で形成したときに基材が反ったり、割れたりして効率良
く電池構成部材を形成することができないという問題が
あった。溶射は被溶射粉末材料をプラズマフレーム中で
加熱して溶融し、高速で基材に衝突させるものであり、
この際基材はセラミックスやサーメット等の熱伝導性の
わるい材料で形成されているために熱応力が基材に発生
するからである。また薄膜と基材との熱膨張係数が異な
るために、基材のみならず薄膜にも割れが発生するとい
う問題もあった。
【0008】熱応力を抑制するために、溶射時のトーチ
や基材の移動速度を速くして熱の集中を抑える、あるい
は基材を予熱する等の手段が講じられており、それぞれ
にある程度の効果ガ確認されている。また熱膨張係数を
揃えるために基材の原料に添加物を加えたり、組成比や
材料の粒子径を変更するなどの対策がとられ、ある程度
の熱膨張係数を揃えることもできている。
【0009】これらの対策により現行の100 cm2 程度の
電池構成部材では反りや割れ、歪はかなり減少してい
る。しかし電極面積が大きくなるにつれ、割れや歪が発
生する。固体電解質型燃料電池を実用化するためには数
千cm2 といった有効電極面積の大きい単セルを開発する
必要がある。このためには支持膜方式では基材の大面積
化が必要不可欠となってくる。基材の大面積化にあた
り、材料をバインダーなどと共に混合しペースト状ある
いはスラリー状とし、これを射出成形あるいはプレス成
形して得られた成形体を焼結させて基材を作るという製
造方法を用いるときは、得られた成形体を焼結させる際
に成形体をハンドリングする必要がある。
【0010】しかし、バインダー等を含む粉末の成形体
は粒子が相互に焼結しているわけではないために非常に
脆く、基材を大型化するには焼結前のグリーンな状態の
成形体の強度を高め、ハンドリング時の破損を防ぐ必要
がある。
【0011】焼結前のグリーンな状態のセラミックスや
サーメットを材料や成分比率を変えることなく強度を高
めるには、基材の厚みを増やすことが効果的だと考えら
れる。しかし、基材の厚さを増やすとコストが上昇する
のは勿論のこと、電池の大きさと発電出力との比率であ
る出力密度 (kW/l ) が小さくなる。平板型の固体電解
質型燃料電池の特徴の一つが、出力密度が高い発電方法
であるということであり、基材の厚みを増加して出力密
度を低下させることはできない。また特にカソード材料
やセパレータ材料を基材の原料として用いる場合には、
原料の電気抵抗が大きいため、基材を厚くすると抵抗が
増加し、その抵抗増加分に相当する電圧降下が生じ、電
池の発電出力が低下してしまうという問題もある。
【0012】この発明は上述の点に鑑みてなされ、その
目的は基材成型時のハンドリングが容易であるうえ、溶
射等によっても基材の割れがなく、さらに電気的特性に
優れる固体電解質型燃料電池の製造方法を提供すること
にある。
【0013】
【課題を解決するための手段】上述の目的はこの発明に
よれば第一の工程, 第二の工程, 第三の工程を有し、第
一の工程は、セラミックスまたはサーメットからなる基
材ブロックを成型して、焼成し、第二の工程は、得られ
た多孔質の基材ブロックの主面の一つに薄膜を積層し、
第三の工程は、薄膜と平行に多孔質の基材ブロックをス
ライスする工程であるとすることにより達成される。
【0014】薄膜の積層はCVD, EVD, スパッタリ
ング, 溶射などの方法が用いられる。
【0015】
【作用】セラミックスまたはサーメットからなる基材ブ
ロックは充分な厚さを有するために成型体の機械的強度
が増してハンドリングが容易になる。また焼成された基
材ブロックは、充分な厚さを有して溶射等による薄膜積
層時の熱応力を緩和し、大面積の基材の反り,割れを防
止する。スライスにより基材を薄くでき、電気的特性が
向上する。
【0016】
【実施例】次にこの発明の実施例を図面に基いて説明す
る。図1はこの発明の実施例に係る切断用カッタを示す
斜視図である。アノード材料であるNi−YSZ サーメット
の基材ブロック1の主面にはジルコニアの固体電解質体
2が溶射法により形成されている。溶射法としては、直
流プラズマ溶射法, 減圧プラズマ溶射法, 爆発溶射法,
高周波プラズマ溶射法, レーザー溶射法, 高周波直流複
合溶射法などの各種溶射法が適用可能である。ジルコニ
アの電解質体に続いてランタンマンガナイトLaMnO3
電極が溶射法により積層される。Ni−YSZ サーメットの
基材ブロックにはランタンクロマイトLaCrO3 の緻密層
が積層されることもある。基材ブロック1は切断治具3
の上に固定され、図示しないモータ5により回転させら
れた切断用カッタ4により所定の厚さ (約3mm) に切断
される。
【0017】図2は、この発明の実施例に係るセル構成
部材の搬送機構を示す平面図である。搬送機構8の先端
の吸着部7がセル構成部材6を吸着する。セル構成部材
6の固体電解質体2が積層されていない面には機械加工
によりガス流路が形成される。またセル構成部材6を貫
通して反応ガスマニホルドが形成されることもある。
【0018】図3はこの発明の実施例に係る溶射装置を
示す正面図である。図3において台車11の上にはカソー
ド材料であるランタンマンガナイトLaMnO3 製の基材ブ
ロック1Aが載せられている。この台車11は、図示しない
機構により電気炉13A 内に移動する。電気炉13A の内部
にはヒータ12が設置されており、このヒータ12により基
材ブロック1Aは所定の温度に予熱される。予熱が終了し
た時点で基材ブロック1Aを載せた台車11は、溶射ガン9
及びこれを移動させるためのロボット15の設置されてい
るチャンバー14へ移動する。このチャンバー14は内部の
雰囲気をコントロールしたり減圧したりすることが可能
になっている。チャンバー14内部では基材ブロック1Aの
表面にセパレータ材料であるランタンクロマイトLaCrO
3 が溶射ガン9により溶射されセパレータ層16が形成さ
れる。セパレータ層16が形成された基材ブロック1Aを載
せた台車11は続いて電気炉13B へ移動し、ここで全体を
加熱して熱応力の緩和を行う。
【0019】図4はこの発明の異なる実施例に係る溶射
装置を示す正面図である。アノード材料であるNi−YSZ
サーメット製の基材ブロック1の両端面には電解質体2
が形成される。そして、この表面にさらにカソード材料
であるランタンマンガナイトLaMnO3 が溶射ガン9Aおよ
び9Bにより溶射され、カソード17が形成される。溶射ガ
ン9A及び9Bの位置決めにはロボット15A 及び15B が用い
られ、これにより均一なカソード17が形成される。
【0020】基材と薄膜の組合わせがパターン1〜6に
示される。基材30には薄膜30A が積層される。基材31に
は薄膜31A, 31B, 31C が順次積層される。この二つのセ
ル構成部材は交互に積層される。セパレータには例えば
ランタンクロマイトLaCrO3が、カソードにはランタン
マンガナイトLaMnO3 が、アノードにはニッケル−ジル
コニアサーメットNi−YSZ が、電解質体にはイットリア
安定化ジルコニアYSZが用いられる。
【0021】
【表1】
【0022】
【発明の効果】この発明によれば、第一の工程, 第二の
工程, 第三の工程を有し、第一の工程は、セラミックス
またはサーメットからなるブロックを成型して、焼成
し、第二の工程は、得られた多孔質のブロックの主面の
一つに薄膜を積層し、第三の工程は、薄膜と平行に多孔
質のブロックをスライスする工程であるので、基材ブロ
ックは成型時においても充分な機械的強度を有し、基材
ブロック成型体の取扱いが容易になる。また焼成された
基材ブロックに薄膜を積層するときは、溶射等による方
法を用いて熱応力が加わる場合においても基材ブロック
の有する機械的強度と熱容量とにより熱応力は吸収緩和
され、基材に反り, 割れが発生することがない。さらに
スライスにより充分肉薄のセル構成部材が形成され、出
力密度や分極特性に優れる固体電解質型燃料電池が得ら
れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例に係る切断用カッタを示す斜
視図
【図2】この発明の実施例に係るセル構成部材の搬送機
構を示す平面図
【図3】この発明の実施例に係る溶射装置を示す正面図
【図4】この発明の異なる実施例に係る溶射装置を示す
正面図
【図5】自立膜方式の固体電解質型燃料電池を示す分解
斜視図
【図6】支持膜方式の固体電解質型燃料電池を示す分解
斜視図
【符号の説明】
1 基材ブロック 1A 基材ブロック 2 固体電解質体 3 切断治具 4 切断用カッタ 5 モータ 6 セル構成部材 7 吸着部 8 搬送機構 9 溶射ガン 9A 溶射ガン 9B 溶射ガン 11 台車 12 ヒータ 13A 電気炉 13B 電気炉 14 チャンバー 15 ロボット 15A ロボット 15B ロボット 16 セパレータ層 17 カソード

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第一の工程, 第二の工程, 第三の工程を有
    し、 第一の工程は、セラミックスまたはサーメットからなる
    基材ブロックを成型して、焼成し、 第二の工程は、得られた多孔質の基材ブロックの主面の
    一つに薄膜を積層し、 第三の工程は、薄膜と平行に多孔質の基材ブロックをス
    ライスする工程であることを特徴とする固体電解質型燃
    料電池の製造方法。
  2. 【請求項2】請求項1記載の製造方法において、多孔質
    の基材ブロックはセパレータ材料で形成されることを特
    徴とする固体電解質型燃料電池の製造方法。
  3. 【請求項3】請求項2記載の製造方法において、セパレ
    ータ材料はランタンクロマイトLaCrO3 であることを特
    徴とする固体電解質型燃料電池の製造方法。
  4. 【請求項4】請求項1記載の製造方法において、多孔質
    の基材ブロックは電極材料で形成されることを特徴とす
    る固体電解質型燃料電池の製造方法。
  5. 【請求項5】請求項4記載の製造方法において、電極材
    料はニッケル−ジルコニアサーメットNi−ZrO2 である
    ことを特徴とする固体電解質型燃料電池の製造方法。
  6. 【請求項6】請求項4記載の製造方法において、電極材
    料はランタンマンガナイトLaMnO3 であることを特徴と
    する固体電解質型燃料電池の製造方法。
  7. 【請求項7】請求項1記載の製造方法において、薄膜は
    セパレータ材料の緻密な層であることを特徴とする固体
    電解質型燃料電池の製造方法。
  8. 【請求項8】請求項1記載の製造方法において、薄膜は
    緻密な固体電解質体と、少なくとも一つの多孔質な電極
    であることを特徴とする固体電解質型燃料電池の製造方
    法。
  9. 【請求項9】請求項1記載の製造方法において、薄膜は
    溶射法により形成されることを特徴とする固体電解質型
    燃料電池の製造方法。
JP3079373A 1991-04-12 1991-04-12 固体電解質型燃料電池の製造方法 Pending JPH0696778A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7759016B2 (en) 1999-05-31 2010-07-20 Central Research Institute Of Electric Power Industry Unit cell of flat solid oxide fuel cell and fuel cell stack comprising the same

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7759016B2 (en) 1999-05-31 2010-07-20 Central Research Institute Of Electric Power Industry Unit cell of flat solid oxide fuel cell and fuel cell stack comprising the same

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