JPH0992294A - 固体電解質型燃料電池セルおよびその製造方法 - Google Patents

固体電解質型燃料電池セルおよびその製造方法

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JPH0992294A
JPH0992294A JP7250734A JP25073495A JPH0992294A JP H0992294 A JPH0992294 A JP H0992294A JP 7250734 A JP7250734 A JP 7250734A JP 25073495 A JP25073495 A JP 25073495A JP H0992294 A JPH0992294 A JP H0992294A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】Niを用いたスラリ−ディップ法ではNiの固
体電解質への付着力が弱く、固体電解質と燃料極界面に
おける分極電圧が大きく発電において出力密度が小さく
なり、NiOを用いた場合では、発電中にNiOがNi
に還元されることにより体積収縮が起こり、燃料極に微
細なクラックが発生するため燃料極の電気伝導度が除々
に低下し、その結果出力密度が低下するという欠点があ
った。 【解決手段】燃料極を、Ni,CoおよびFeから選ば
れた少なくとも一種の酸化物粒子とZrO2 粒子および
/またはCeO2 粒子からなり固体電解質の表面に形成
される第1燃料極層と、Ni,CoおよびFeから選ば
れた少なくとも一種の金属粒子とZrO2 粒子および/
またはCeO2 粒子からなり第1燃料極層の表面に形成
される第2燃料極層とからなる構成した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、円筒型または平板
型の固体電解質型燃料電池セルおよびその製造方法に関
し、特に燃料極を改善した固体電解質型燃料電池セルお
よびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来技術】従来より、固体電解質型燃料電池セルは、
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。一般に、この固体電解質型燃料電池セルは円筒型と
平板型の2種類が知られている。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、それぞれの特徴を生かして積極的に研究開発
が進められている。
【0003】円筒型燃料電池の単セルは、第3図に示し
たように開気孔率40%程度のCaO安定化ZrO2
支持管1とし、その上にスラリ−ディップ法により多孔
性の空気極としてLaMnO3 系材料2を塗布し、その
表面に気相合成法(EVD)や、あるいは溶射法により
固体電解質3であるY2 3 安定化ZrO2 膜を被覆
し、さらにこの表面に多孔性のNi−ジルコニアの燃料
極4を設けられている。
【0004】燃料電池のモジュ−ルにおいては、各単セ
ルはLaCrO3 系のインタ−コネクタ5を介して接続
される。発電は、支持管内部6に空気(酸素)を、外部
7に燃料(水素)を流し、1000〜1050℃の温度
で行われる。近年、この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LaMnO3
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せ持つ支持管材料とし
ては、Laを10〜20原子%のCaあるいはSrで置
換したLaMnO3 固溶体材料が用いられている。
【0005】また、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、第4図に示したように固体電解
質8の一方に多孔性の空気極材料9を、他方に多孔性の
燃料極10を設けている。単セル間の接続には、セパレ
−タ11と呼ばれる緻密質のMgOやCaOを添加した
緻密質のLaCrO3 固溶体材料が用いられる。発電は
セルの空気極側に空気(酸素)、燃料極側に燃料(水
素)を供給して1000〜1050℃の温度で行われ
る。
【0006】そして、従来の円筒型および平板型燃料電
池セルにおいては、NiOとZrO2 の混合粉末を用い
たペーストをスクリ−ン印刷により固体電解質表面に塗
布した後、これを空気中高温で熱処理して固体電解質に
焼き付け、燃料極を形成する方法、またはNiOとZr
2 混合粉末を用いた薄いグリ−ンシ−トを固体電解質
のグリ−ンシ−トに積層して高温で同時焼成して燃料極
を形成する方法、あるいはNiとZrO2 の混合粉末が
分散した水溶液に固体電解質を浸漬した(以下スラリ−
ディップ法と呼ぶ)後、それを乾燥してNiとZrO2
からなる燃料極を固体電解質表面に形成する方法が用い
られていた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記よ
うに燃料極はNi、NiOのどちらを用いても形成する
ことができるが、Niを用いたスラリ−ディップ法では
Niの固体電解質への付着力が弱く、固体電解質と燃料
極界面における分極電圧が大きく発電において出力密度
が小さくなるという問題があった。
【0008】これに対して、NiOを用いた場合は固体
電解質への付着力は優れているが、発電中にNiOがN
iに還元されることにより体積収縮が起こり、燃料極に
微細なクラックが発生するため燃料極の電気伝導度が除
々に低下し、その結果出力密度が低下するという欠点が
あった。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明者等は上記問題点
に対して検討を重ねた結果、固体電解質表面に形成され
たNiO等とZrO2 等からなる第1燃料極層と、この
第1燃料極層の表面に形成されたNi等とZrO2 等か
らなる第2燃料極層とから燃料極を構成することによ
り、燃料極の固体電解質への付着強度および燃料極の電
気伝導度を向上することができることを見出だし、本発
明に至った。
【0010】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多孔質の空気極、他方の面に多
孔質の燃料極が形成された固体電解質型燃料電池セルに
おいて、前記燃料極が、Ni,CoおよびFeから選ば
れた少なくとも一種の酸化物粒子とZrO2 粒子および
/またはCeO2 粒子からなり前記固体電解質の表面に
形成される第1燃料極層と、Ni,CoおよびFeから
選ばれた少なくとも一種の金属粒子とZrO2 粒子およ
び/またはCeO2 粒子からなり前記第1燃料極層の表
面に形成される第2燃料極層とからなるものである。
【0011】また、本発明の固体電解質型燃料電池セル
の製造方法は、固体電解質の片面に多孔質の空気極、他
方の面に多孔質の燃料極が形成された固体電解質型燃料
電池セルの製造方法において、固体電解質成形体の片面
に空気極成形体を形成したものを焼結する工程と、前記
固体電解質の他方の面にNi,CoおよびFeから選ば
れた少なくとも一種の酸化物粒子とZrO2 粒子および
/またはCeO2 粒子からなる第1燃料極成形体を形成
する工程と、該第1燃料極成形体を酸化性雰囲気中にお
いて1000〜1700℃の温度で熱処理する工程と、
該第1燃料極の表面に、Ni,CoおよびFeから選ば
れた少なくとも一種の金属粒子とZrO2 粒子および/
またはCeO2 粒子からなる第2燃料極層を形成する工
程を具備するものである。
【0012】
【作用】本発明の固体電解質型燃料電池セルでは、固体
電解質表面に形成されたNiO等とZrO2 等からなる
第1燃料極層と、この第1燃料極層の表面に形成された
Ni等とZrO2 等からなる第2燃料極層とから燃料極
を構成したので、燃料極の固体電解質への付着強度及び
燃料極の電気伝導度を向上することができる。
【0013】即ち、固体電解質表面に形成されたNiO
等とZrO2 等からなる第1燃料極層により、燃料極の
固体電解質への付着力を向上することができ、固体電解
質と燃料極界面における分極電圧を小さくすることがで
き、発電における出力密度を向上することができる。
【0014】また、第1燃料極の表面に、Ni等とZr
2 等からなる第2燃料極層を形成することにより、燃
料極表面の体積収縮を抑制して燃料極に微細なクラック
が発生することを抑制し、燃料極の電気伝導度を向上
し、その結果出力密度を向上することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】図1に本発明の円筒型の固体電解
質型燃料電池セルを示す。本発明の円筒型燃料電池セル
は、固体電解質3の内面に空気極2が、外面に燃料極4
が設けられており、各単セルはインタ−コネクタ5を介
して接続される。
【0016】そして、本発明においては、図2に示すよ
うに、燃料極4は、固体電解質3の外側表面に形成され
る第1燃料極層13と、該第1燃料極層13の表面に形
成される第2燃料極層14とから構成されている。第1
燃料極層13はNiO粒子15とZrO2 粒子16から
構成されており、第2燃料極層14はNi粒子17とZ
rO2 粒子16から構成されている。この第1燃料極層
13のNiO粒子15は発電中に還元され、Ni粒子と
なる。
【0017】第1燃料極層13は、重量比でNiOが4
0〜90重量%、ZrO2 10〜60重量%、特にNi
Oが60〜80重量%、ZrO2 20〜40重量%の範
囲が好ましい。NiOの重量比が40重量%より少ない
と分極抵抗が大きくなり易く、90重量%を越えると時
間とともにNiが焼結して分極抵抗が大きくなり出力密
度が低下し易くなるからである。
【0018】第1燃料極層13の厚みは10〜100μ
mが望ましい。第1燃料極層13の厚みが10μmより
薄いと分極抵抗が大きくなり易く、100μmを越える
と発電中にクラックが発生して出力が低下し易くなるか
らである。第1燃料極層13の厚みは、特に10〜50
μmが好ましい。第1燃料極層13の熱処理温度は10
00〜1700℃であることが必要であるが、これは、
1000℃よりも低いと燃料極の固体電解質への付着力
が低く、1700℃よりも高いとNiO粒子15の粒成
長が著しくなり、いずれの場合も出力が低下するからで
ある。熱処理温度は、1200〜1400℃であること
が特に望ましい。
【0019】第2燃料極層14は、重量比でNiが40
〜90重量%、ZrO2 10〜60重量%、特にNiが
60〜80重量%、ZrO2 20〜40重量%の範囲が
好ましい。Niの重量比が40重量%より小さいと電気
伝導度が小さくなり易く、90重量%を越えると発電中
に時間とともにNiが焼結して電気伝導度が小さくなり
出力密度が低下し易くなるからである。
【0020】第2燃料極層14の厚みは10〜200μ
mが望ましい。第2燃料極層14の厚みが10μmより
小さいと電気伝導度が低くなり、200μmを越えると
燃料極中ガスの拡散速度が低下していづれも出力が悪く
なり易いからである。第2燃料極層14の厚みは、特に
30〜100μmが好ましい。
【0021】また、燃料極4は上記したように細孔中の
ガスの拡散速度が高いことが重要である。第1燃料極層
13および第2燃料極層14の開気孔率としては、それ
ぞれ40〜80%が必要である。開気孔率が40%より
小さいと燃料極中のガスの拡散速度が低下して出力が悪
くなる。それに対して、開気孔率が80%より大きいと
電気伝導度が小さくなり同様に出力が悪くなる。第1燃
料極層13および第2燃料極層14の開気孔率として
は、特に50〜70%が望ましい。
【0022】図2では第1燃料極層13をNiO粒子1
5とZrO2 粒子16から、第2燃料極層14をNi粒
子17とZrO2 粒子16とから構成した例について説
明したが、第1燃料極層13は、Ni,CoおよびFe
から選ばれた少なくとも一種の酸化物粒子と、ZrO2
粒子および/またはCeO2 粒子から構成されているも
のであれば良く、また、第2燃料極層14は、Ni,C
oおよびFeから選ばれた少なくとも一種の金属粒子
と、ZrO2 粒子および/またはCeO2 粒子から構成
されているものであれば良い。例えば、第1燃料極層1
3はNiOとZrO2 の組み合わせの他にCo、Feの
酸化物とCeO2 、ZrO2 を組み合わせて用いること
ができる。また、第2燃料極層14はNiとZrO2
組み合わせの他にCo、FeとCeO2 、ZrO2 を組
み合わせて用いることができる。さらに、CeO2 、Z
rO2 は単体の他にY,Yb,Nd,Dy等の希土類元
素を含有する固溶体であっても良い。
【0023】本発明の燃料電池セルには、例えば、固体
電解質として3〜20モル%のY23 あるいはYb2
3 を含有した部分安定化あるいは安定化ZrO2 が用
いられる。また、空気極としては、主としてLaをC
a,Srで10〜30原子%置換したLaMnO3 が、
また、インターコネクタとしては主としてLaを10〜
30原子%のCa,Srで、あるいはCrを10〜30
原子%のMgで置換したLaCrO3 が用いられる。
【0024】本発明の円筒型燃料電池セルは、例えば、
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1〜
3時間程度仮焼し、空気極仮焼体と電気的に導通するイ
ンターコネクタの成形体を積層する。このようにして作
製した空気極/固体電解質/集電体積層体は、大気等の
酸化性雰囲気中、1300〜1700℃の温度で1〜1
5時間程度同時焼成することにより焼結させる。この
後、固体電解質の表面に、NiOとZrO2 からなる第
1燃料極層成形体を形成し、この第1燃料極層成形体を
酸化性雰囲気中において1000〜1700℃の温度で
焼き付けて第1燃料極層を形成し、該第1燃料極の表面
に、Ni粒子とZrO2 粒子からなる第2燃料極層を形
成することにより形成される。
【0025】第1燃料極層13として用いるNiOとZ
rO2 の原料粉末としては、分極抵抗を低減する観点か
ら、平均粒子径としてNiO粉末については0.1〜2
0μm、ZrO2 粉末については0.5〜50μmが好
ましい。第1燃料極層13の作製は一般的に用いられて
いるNiOとZrO2 を含む水溶液中に固体電解質を浸
漬するスラリ−ディップ法、スクリ−ン印刷法あるいは
ドクタ−ブレ−ド法によりグリ−ンシ−トを作製して、
固体電解質に巻き付けて熱処理しても良い。いずれの方
法においても、熱処理温度としては1000〜1700
℃、特に1200〜1400℃が望ましい。この熱処理
温度が1000℃より低いと第1燃料極層13と固体電
解質との付着力が小さく分極抵抗が大きくなり易い。ま
た、熱処理温度が1700℃より高いとNiOおよびZ
rO2 の粒成長が大きくなり同様に分極抵抗が大きくな
り発電性能が低下し易いからである。
【0026】また、第2燃料極層14として用いるNi
とZrO2 の原料粉末としては、電気伝導度とガスの拡
散の観点から平均粒子径としてNi粉末については1〜
20μm、ZrO2 粉末については1〜50μmが好ま
しい。第2燃料極層14の作製は、上記第1燃料極層1
3の作製と同様、スラリ−ディップ法、スクリ−ン印刷
法あるいはドクタ−ブレ−ド法によりグリ−ンシ−トを
作製して作製することができる。
【0027】尚、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、本発明は平板型の固体電
解質型燃料電池セルにも適用できることは勿論である。
また、多孔性の支持管の表面に空気極、固体電解質、燃
料極を形成した固体電解質型燃料電池セルに本発明を適
用しても良い。
【0028】
【実施例】
実施例1 空気極を形成する粉末としてLa2 3 、MnO2 、C
aCO3 の粉末をLa0.85Ca0.15MnO3 となるよう
に秤量混合した後に1500℃で仮焼して(La、C
a)MnO3 粉末を得た。この後、これを粉砕して平均
粒子径が6μmの粉末を作製した。また、固体電解質を
形成する粉末として平均粒子径0.5μmのY2 3
10モル%の割合で含有する共沈法ZrO2 粉末を準備
した。さらに、インターコネクタを形成粉末として平均
粒子径1μmのLa0.8 Ca0.21CrO3 からなる化合
物粉末を準備した。
【0029】燃料極を形成する粉末として、平均粒径が
1〜2μmのNi、Co、Fe、NiO、CoO、Fe
O粉末と平均粒径が1.5μmのZrO2 (10モル%
23 含有)およびCeO2 (Y2 3 含有)粉末
を、表1に示す組み合わせになるように用いた。第1燃
料極層を形成する混合粉末であるNiO、CoO、Fe
O粉末とZrO2 (10モル%Y2 3 含有)、CeO
2 粉末の重量比は金属換算で70:30の割合で混合
し、第2燃料極層を形成する混合粉末であるNi、C
o、Fe粉末とZrO2 (10モル%Y2 3 含有)、
CeO2 粉末の重量比は金属換算で70:30の割合で
混合した。
【0030】まず、上記の(La,Ca)MnO3 粉末
を水を溶媒とし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の
円筒状の空気極成形体を得た。一方、上記Y2 3 安定
化ZrO2 粉末を水を溶媒としてスラリーを作製し、こ
れを用いてドクターブレード法により厚み200μmの
シート状成形体を作製した。燃料極については表1に示
す組み合わせになるようにNi、Co、Fe、NiO、
CoO、FeO、ZrO2 およびCeO2 粉末を用いて
水を溶媒として第1燃料極用と第2燃料極用のスラリー
を作製した。
【0031】そして、空気極成形体の表面にアクリル樹
脂からなる接着材を介して、固体電解質シ−ト、インタ
ーコネクタ用のシ−トを巻き付け円筒状積層体を作製し
た後、この円筒状積層体を大気中で1500℃で5時間
焼成し円筒状焼結体を作製した。この後、第1燃料極用
のスラリ−中に前記円筒状焼結体をディップして、種々
の厚みに第1燃料極成形体を形成した後、乾燥し、大気
中1000〜1700℃で熱処理して表1に示すような
組成と厚みの第1燃料極層を形成した。さらにこの第1
燃料極層が形成されたものを、第2燃料極層用のスラリ
−中にディップして、種々の厚みに形成した後、乾燥し
て表1に示すような組成と厚みの第2燃料極層を形成
し、第1燃料極層と第2燃料極層とからなる燃料極を形
成し、本発明の固体電解質型燃料電池セルを作製した。
【0032】発電は円筒状セルの内側に酸素を、外側に
水素を流して1000℃で1000時間発電を行い出力
密度を測定した。また、第1燃料極層と第2燃料極層の
厚みは走査型電子顕微鏡により測定した。表1に結果を
示す。
【0033】
【表1】
【0034】表1より、本発明の固体電解質型燃料電池
セルは、従来の方法により燃料極を作製した試料番号
1、2よりも出力密度が大幅に向上していることが判
る。そして、第1燃料極層が10〜100μmで第2燃
料極層の厚みが10〜200μmの試料は全て高い出力
密度を示すことが判る。
【0035】実施例2 燃料極を形成する粉末として、実施例1と同様なNi、
Co、Fe、NiO、CoO、FeO粉末とZrO
2 (10モル%Y2 3 含有)およびCeO2 粉末を、
表2に示す組み合わせになるように用いた。第1燃料極
層を形成する混合粉末であるNiO、CoO、FeO粉
末とZrO2 (10モル%Y2 3 含有)粉末、CeO
2 粉末の重量比は金属換算で80:20の割合で混合
し、第2燃料極層を形成する混合粉末であるNi、C
o、Fe粉末とZrO2 (10モル%Y23 含有)、
CeO2 粉末の重量比は金属換算で80:20の割合で
混合した。
【0036】これらの粉末を表2に示した第1燃料極層
および第2燃料極層の組み合わせになるように充分混合
し、水を溶媒として第1燃料極層用および第2燃料極層
用のスラリーを作製し、これらをドクターブレード法に
より種々の厚みのシート状成形体に成形した。その後、
第1燃料極層のシ−ト状成形体を実施例1の円筒状焼結
体にアクリル樹脂からなる接着材を介して接合し、大気
中1400℃で3時間熱処理した後、第2燃料極層のシ
−ト状成形体を第1燃料極層の表面にアクリル樹脂から
なる接着材を介して接合し、本発明の固体電解質型燃料
電池セルを作製した。
【0037】発電は実施例1に従い行った。また、各混
合層の厚みは走査型電子顕微鏡により測定した。結果を
表2に示す。
【0038】
【表2】
【0039】表2より、本発明の固体電解質型燃料電池
セルは、従来の方法により燃料極を作製した表1の試料
No.1、2よりも出力密度が大幅に向上していることが
判る。
【0040】
【発明の効果】本発明の固体電解質型燃料電池セルで
は、固体電解質表面に形成されたNiO等とZrO2
からなる第1燃料極層と、この第1燃料極層の表面に形
成されたNi等とZrO2 等からなる第2燃料極層とか
ら燃料極を構成したので、燃料極の固体電解質への付着
強度及び燃料極の電気伝導度を向上することができ、高
出力で長期安定性のある固体電解質型燃料電池セルを提
供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の円筒型燃料電池セルの断面図である。
【図2】図1の燃料極およびその近傍を模式的に示す断
面図である。
【図3】従来の円筒型燃料電池セルの斜視図である。
【図4】従来の平板型燃料電池セルの断面図である。
【符号の説明】
2・・・空気極 3・・・固体電解質 4・・・燃料極 13・・・第1燃料極層 14・・・第2燃料極層 15・・・NiO粒子 16・・・ZrO2 粒子 17・・・Ni粒子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01M 8/12 H01M 8/12

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】固体電解質の片面に多孔質の空気極、他方
    の面に多孔質の燃料極が形成された固体電解質型燃料電
    池セルにおいて、前記燃料極が、Ni,CoおよびFe
    から選ばれた少なくとも一種の酸化物粒子とZrO2
    子および/またはCeO2 粒子からなり前記固体電解質
    の表面に形成された第1燃料極層と、Ni,Coおよび
    Feから選ばれた少なくとも一種の金属粒子とZrO2
    粒子および/またはCeO2 粒子からなり前記第1燃料
    極層の表面に形成された第2燃料極層とからなることを
    特徴とする固体電解質燃料電池セル。
  2. 【請求項2】固体電解質成形体の片面に空気極成形体を
    形成したものを焼結する工程と、固体電解質の他方の面
    にNi,CoおよびFeから選ばれた少なくとも一種の
    酸化物粒子とZrO2 粒子および/またはCeO2 粒子
    からなる第1燃料極成形体を形成する工程と、該第1燃
    料極成形体を酸化性雰囲気中において1000〜170
    0℃の温度で熱処理する工程と、該第1燃料極の表面
    に、Ni,CoおよびFeから選ばれた少なくとも一種
    の金属粒子とZrO2 粒子および/またはCeO2 粒子
    からなる第2燃料極層を形成する工程を具備することを
    特徴とする固体電解質燃料電池セルの製造方法。
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