JPH11283634A - 円筒状固体電解質型燃料電池セル - Google Patents
円筒状固体電解質型燃料電池セルInfo
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- JPH11283634A JPH11283634A JP10086374A JP8637498A JPH11283634A JP H11283634 A JPH11283634 A JP H11283634A JP 10086374 A JP10086374 A JP 10086374A JP 8637498 A JP8637498 A JP 8637498A JP H11283634 A JPH11283634 A JP H11283634A
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- current collector
- air electrode
- cylindrical
- fuel cell
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【課題】集電体に発生する応力を抑制してクラックの発
生や破損を防止できる円筒状固体電解質型燃料電池セル
を提供する。 【解決手段】円筒状の固体電解質３１の片面に燃料極３
３、他面に空気極３２が形成された燃料電池セル本体３
４の外面に、固体電解質３１の内面に形成された空気極
３２と電気的に接続する集電体３５を設けてなる円筒状
固体電解質型燃料電池セルにおいて、固体電解質３１の
一部に切欠部を設けて該固体電解質３１の内面に形成さ
れている空気極３２の一部を露出させるとともに、この
露出面３７および切欠部近傍の固体電解質３１の端部３
６を集電体３５により被覆してなり、固体電解質３１に
当接する集電体３５の端部の厚みｔ1 が、空気極３２に
当接する部分の集電体３５の厚みｔ2 よりも薄いもので
ある。
生や破損を防止できる円筒状固体電解質型燃料電池セル
を提供する。 【解決手段】円筒状の固体電解質３１の片面に燃料極３
３、他面に空気極３２が形成された燃料電池セル本体３
４の外面に、固体電解質３１の内面に形成された空気極
３２と電気的に接続する集電体３５を設けてなる円筒状
固体電解質型燃料電池セルにおいて、固体電解質３１の
一部に切欠部を設けて該固体電解質３１の内面に形成さ
れている空気極３２の一部を露出させるとともに、この
露出面３７および切欠部近傍の固体電解質３１の端部３
６を集電体３５により被覆してなり、固体電解質３１に
当接する集電体３５の端部の厚みｔ1 が、空気極３２に
当接する部分の集電体３５の厚みｔ2 よりも薄いもので
ある。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、円筒状の固体電解
質の片面に燃料極、他面に空気極が形成されたセル本体
の外面に集電体が形成された円筒状固体電解質型燃料電
池セルに関するものである。
質の片面に燃料極、他面に空気極が形成されたセル本体
の外面に集電体が形成された円筒状固体電解質型燃料電
池セル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１０００〜１０５０℃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、固体電解質型燃料電池セルには、円
筒型と平板型の２種類のものが知られている。
その作動温度が１０００〜１０５０℃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、固体電解質型燃料電池セルには、円
筒型と平板型の２種類のものが知られている。
【０００３】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長を有するが、実用化に際し
てはガスシー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、円筒状固体電解質型
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。
り出力密度が高いという特長を有するが、実用化に際し
てはガスシー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、円筒状固体電解質型
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。
【０００４】円筒状固体電解質型燃料電池セルは、図５
に示すように、例えば、Ｙ2 Ｏ3 含有の安定化ＺｒＯ2
からなる固体電解質３の内面に、（Ｌａ，Ｃａ）ＭｎＯ
3 系材料からなる多孔性の空気極２を形成し、さらに固
体電解質３の表面に多孔性のＮｉ−ジルコニアなどから
なる燃料極４を形成して構成されている。そして、各セ
ル間を接続するためのＬａＣｒＯ3 系材料などからなる
集電体５（インターコネクタ）が固体電解質３を貫通
し、空気極２と電気的に接続しており、燃料極４とは非
接触の状態でセルの表面に露出している。
に示すように、例えば、Ｙ2 Ｏ3 含有の安定化ＺｒＯ2
からなる固体電解質３の内面に、（Ｌａ，Ｃａ）ＭｎＯ
3 系材料からなる多孔性の空気極２を形成し、さらに固
体電解質３の表面に多孔性のＮｉ−ジルコニアなどから
なる燃料極４を形成して構成されている。そして、各セ
ル間を接続するためのＬａＣｒＯ3 系材料などからなる
集電体５（インターコネクタ）が固体電解質３を貫通
し、空気極２と電気的に接続しており、燃料極４とは非
接触の状態でセルの表面に露出している。
【０００５】燃料電池のモジュールは、上記構成からな
る複数の単セルが集電体５およびＮｉフェルト（あるい
はＮｉ板）を介して接続され、発電は、空気極２の内部
に空気（酸素）６を、外部に燃料（水素）７を流し、１
０００〜１０５０℃の温度で行われる。
る複数の単セルが集電体５およびＮｉフェルト（あるい
はＮｉ板）を介して接続され、発電は、空気極２の内部
に空気（酸素）６を、外部に燃料（水素）７を流し、１
０００〜１０５０℃の温度で行われる。
【０００６】このような円筒状固体電解質型燃料電池セ
ルは、例えば、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
どにより空気極層あるいは燃料極層となるシート状成形
体を形成して焼成する方法により製造されたり、または
セラミックスの多孔質支持管の表面に化学蒸着法（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により製造された
り、さらに、空気極材料を焼成してなる円筒状空気極の
表面に、上記と同様の方法で固体電解質層、燃料極層を
順次形成する方法により製造される。
ルは、例えば、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
どにより空気極層あるいは燃料極層となるシート状成形
体を形成して焼成する方法により製造されたり、または
セラミックスの多孔質支持管の表面に化学蒸着法（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により製造された
り、さらに、空気極材料を焼成してなる円筒状空気極の
表面に、上記と同様の方法で固体電解質層、燃料極層を
順次形成する方法により製造される。
【０００７】一方、従来、電気絶縁性円筒状基体の表面
に、少なくとも空気極層および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、電気
絶縁性の粉末により円筒状基体用成形体を作製する工程
と、空気極形成用粉末および固体電解質形成用粉末によ
りそれぞれシート状成形体を作製する工程と、前記円筒
状基体用成形体の表面に前記空気極用および固体電解質
用シート状成形体を巻き付けて積層して円筒型積層物を
作製する工程と、該円筒型積層物を同時に焼成する工程
とを具備する円筒状固体電解質型燃料電池セルの製造方
法が開示されている。
に、少なくとも空気極層および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、電気
絶縁性の粉末により円筒状基体用成形体を作製する工程
と、空気極形成用粉末および固体電解質形成用粉末によ
りそれぞれシート状成形体を作製する工程と、前記円筒
状基体用成形体の表面に前記空気極用および固体電解質
用シート状成形体を巻き付けて積層して円筒型積層物を
作製する工程と、該円筒型積層物を同時に焼成する工程
とを具備する円筒状固体電解質型燃料電池セルの製造方
法が開示されている。
【０００８】この方法では、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歩留まりよく作製で
きる。また、空気極成形体表面に固体電解質材料、集電
体材料のグリーンシートを順次巻き付け積層した後に同
時に焼成する技術についても開示した（上記２方法を共
焼結と呼ぶこともある）。
且つ少ない工程数で燃料電池セルが歩留まりよく作製で
きる。また、空気極成形体表面に固体電解質材料、集電
体材料のグリーンシートを順次巻き付け積層した後に同
時に焼成する技術についても開示した（上記２方法を共
焼結と呼ぶこともある）。
【０００９】この方法によれば、空気極材料のスラリー
を円筒状に成形して空気極成形体を作製し、この空気極
成形体の表面に、固体電解質材料のスラリーを用いて形
成されたシート状成形体を巻き付けて、空気極成形体の
表面に固体電解質成形体を形成し、前記固体電解質成形
体の端面の間を研磨し、空気極成形体が露出した連続同
一面を形成し、この平面に集電体材料からなるシート状
成形体を固体電解質成形体に一部積層するように積層し
た後、焼成することにより、固体電解質型燃料電池セル
が得られる。
を円筒状に成形して空気極成形体を作製し、この空気極
成形体の表面に、固体電解質材料のスラリーを用いて形
成されたシート状成形体を巻き付けて、空気極成形体の
表面に固体電解質成形体を形成し、前記固体電解質成形
体の端面の間を研磨し、空気極成形体が露出した連続同
一面を形成し、この平面に集電体材料からなるシート状
成形体を固体電解質成形体に一部積層するように積層し
た後、焼成することにより、固体電解質型燃料電池セル
が得られる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記方
法では、固体電解質成形体の端面の間を研磨し、空気極
成形体が露出した連続同一面を形成し、この平面に集電
体材料からなるシート状成形体を固体電解質成形体に一
部積層するように積層した後、焼成していたため、固体
電解質に積層されている集電体部分が焼成中収縮により
外側にソリ上がり、その結果固体電解質にクラックが発
生したり、集電体の外側表面に、固体電解質の端部に沿
ってクラックが生じ易いという問題があった。これによ
り、ガスリークを生じ易くなり、長時間の発電において
出力が低下したり、発電中に円筒状固体電解質型燃料電
池セルが破損する虞があった。
法では、固体電解質成形体の端面の間を研磨し、空気極
成形体が露出した連続同一面を形成し、この平面に集電
体材料からなるシート状成形体を固体電解質成形体に一
部積層するように積層した後、焼成していたため、固体
電解質に積層されている集電体部分が焼成中収縮により
外側にソリ上がり、その結果固体電解質にクラックが発
生したり、集電体の外側表面に、固体電解質の端部に沿
ってクラックが生じ易いという問題があった。これによ
り、ガスリークを生じ易くなり、長時間の発電において
出力が低下したり、発電中に円筒状固体電解質型燃料電
池セルが破損する虞があった。
【００１１】また、焼成時において集電体にクラックが
発生しなくても、発電中、集電体の残留応力の影響でセ
ルが突然破壊する虞があった。
発生しなくても、発電中、集電体の残留応力の影響でセ
ルが突然破壊する虞があった。
【００１２】本発明は、集電体や固体電解質に発生する
応力を抑制しクラックの発生や破損を防止できる円筒状
固体電解質型燃料電池セルを提供することを目的とす
る。
応力を抑制しクラックの発生や破損を防止できる円筒状
固体電解質型燃料電池セルを提供することを目的とす
る。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明者は上記課題に対
して検討を重ねた結果、固体電解質の表面に積層される
集電体の端部の厚みを、空気極（燃料極）の表面に積層
される集電体部分の厚みより薄くすることにより、集電
体や固体電解質に発生する応力を抑制できることを見出
し本発明に至った。
して検討を重ねた結果、固体電解質の表面に積層される
集電体の端部の厚みを、空気極（燃料極）の表面に積層
される集電体部分の厚みより薄くすることにより、集電
体や固体電解質に発生する応力を抑制できることを見出
し本発明に至った。
【００１４】即ち、本発明の円筒状固体電解質型燃料電
池セルは、円筒状の固体電解質の片面に燃料極、他面に
空気極が形成されたセル本体の外面に、前記固体電解質
の内面に形成された前記空気極と電気的に接続する集電
体を設けてなる円筒状固体電解質型燃料電池セルにおい
て、前記固体電解質の一部に切欠部を設けて該固体電解
質の内面に形成されている前記空気極の一部を露出させ
るとともに、この露出面および前記切欠部近傍の前記固
体電解質の端部を前記集電体により被覆してなり、前記
固体電解質に当接する前記集電体の端部の厚みｔ1 が、
前記空気極に当接する部分の前記集電体の厚みｔ2 より
も薄いものである。ここで、固体電解質に当接する部分
における集電体が、その端部に向けてほぼ連続的に薄く
形成されていることが望ましい。また、固体電解質に当
接する部分における集電体が研摩されていることが望ま
しい。
池セルは、円筒状の固体電解質の片面に燃料極、他面に
空気極が形成されたセル本体の外面に、前記固体電解質
の内面に形成された前記空気極と電気的に接続する集電
体を設けてなる円筒状固体電解質型燃料電池セルにおい
て、前記固体電解質の一部に切欠部を設けて該固体電解
質の内面に形成されている前記空気極の一部を露出させ
るとともに、この露出面および前記切欠部近傍の前記固
体電解質の端部を前記集電体により被覆してなり、前記
固体電解質に当接する前記集電体の端部の厚みｔ1 が、
前記空気極に当接する部分の前記集電体の厚みｔ2 より
も薄いものである。ここで、固体電解質に当接する部分
における集電体が、その端部に向けてほぼ連続的に薄く
形成されていることが望ましい。また、固体電解質に当
接する部分における集電体が研摩されていることが望ま
しい。
【００１５】
【作用】本発明の円筒状固体電解質型燃料電池セルで
は、固体電解質に当接する集電体の端部の厚みを、空気
極に当接する部分の集電体の厚みよりも薄くすることに
より、例えば、固体電解質に当接する部分の集電体を、
その端部に向けてほぼ連続的に薄く形成したり、固体電
解質に当接する部分の集電体の端部をＣ面取りすること
により、焼成時において集電体や固体電解質に作用する
応力を抑制して、集電体の端部の外側へのソリを防止
し、集電体や固体電解質のクラックの発生を抑制でき
る。さらに、集電体や固体電解質に作用する応力を抑制
できるので、発電中における円筒状固体電解質型燃料電
池セルの破損を防止できる。
は、固体電解質に当接する集電体の端部の厚みを、空気
極に当接する部分の集電体の厚みよりも薄くすることに
より、例えば、固体電解質に当接する部分の集電体を、
その端部に向けてほぼ連続的に薄く形成したり、固体電
解質に当接する部分の集電体の端部をＣ面取りすること
により、焼成時において集電体や固体電解質に作用する
応力を抑制して、集電体の端部の外側へのソリを防止
し、集電体や固体電解質のクラックの発生を抑制でき
る。さらに、集電体や固体電解質に作用する応力を抑制
できるので、発電中における円筒状固体電解質型燃料電
池セルの破損を防止できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】本発明の円筒状固体電解質型燃料
電池セルは、図１に示すように、円筒状の固体電解質３
１の内面に空気極３２、外面に燃料極３３を形成して燃
料電池セル本体３４が構成されており、この燃料電池セ
ル本体３４の外面に、空気極３２と電気的に接続する集
電体３５を設けてなるものである。即ち、固体電解質３
１の一部を切り欠いて固体電解質３１の内面に形成され
ている空気極３２の一部が露出しており、この露出面３
７および切り欠いた固体電解質３１の表面が集電体３５
により被覆されている。尚、本発明の円筒型燃料電池セ
ルは、多孔質支持管を形成し、この多孔質支持管の外面
に空気極３２、固体電解質３１、燃料極３３を順次積層
して構成しても良い。
電池セルは、図１に示すように、円筒状の固体電解質３
１の内面に空気極３２、外面に燃料極３３を形成して燃
料電池セル本体３４が構成されており、この燃料電池セ
ル本体３４の外面に、空気極３２と電気的に接続する集
電体３５を設けてなるものである。即ち、固体電解質３
１の一部を切り欠いて固体電解質３１の内面に形成され
ている空気極３２の一部が露出しており、この露出面３
７および切り欠いた固体電解質３１の表面が集電体３５
により被覆されている。尚、本発明の円筒型燃料電池セ
ルは、多孔質支持管を形成し、この多孔質支持管の外面
に空気極３２、固体電解質３１、燃料極３３を順次積層
して構成しても良い。
【００１７】空気極３２と電気的に接続する集電体３５
は、燃料電池セル本体３４の外面に形成され、連続同一
面３９を覆うように形成されており、燃料極３３とは電
気的に接続されていない。連続同一面３９は、固体電解
質３１の内面に形成されている空気極３２の一部を露出
させるとともに、固体電解質３１の端部３６と空気極３
２の露出面３７とをほぼ同一面（固体電解質３１の端部
と空気極３２の露出面３７とが段差の少ない平面状態）
として構成されている。この同一面３９は固体電解質成
形体の一部と空気極成形体の一部とが同一面近くとなる
までセル本体の外周面を研摩することにより形成されて
いる。
は、燃料電池セル本体３４の外面に形成され、連続同一
面３９を覆うように形成されており、燃料極３３とは電
気的に接続されていない。連続同一面３９は、固体電解
質３１の内面に形成されている空気極３２の一部を露出
させるとともに、固体電解質３１の端部３６と空気極３
２の露出面３７とをほぼ同一面（固体電解質３１の端部
と空気極３２の露出面３７とが段差の少ない平面状態）
として構成されている。この同一面３９は固体電解質成
形体の一部と空気極成形体の一部とが同一面近くとなる
までセル本体の外周面を研摩することにより形成されて
いる。
【００１８】そして、本発明の円筒状固体電解質型燃料
電池セルでは、図１および図２に示すように、固体電解
質３１に当接する部分における集電体３５が、その端部
に向けてほぼ連続的に薄く形成されている。つまり、固
体電解質３１に当接する集電体３５の端部の厚みｔ
1 が、空気極３２に当接する部分の集電体３５の厚みｔ
2よりも薄く形成されている。この場合、薄くなってい
る面は曲面であっても直線的であっても良い。
電池セルでは、図１および図２に示すように、固体電解
質３１に当接する部分における集電体３５が、その端部
に向けてほぼ連続的に薄く形成されている。つまり、固
体電解質３１に当接する集電体３５の端部の厚みｔ
1 が、空気極３２に当接する部分の集電体３５の厚みｔ
2よりも薄く形成されている。この場合、薄くなってい
る面は曲面であっても直線的であっても良い。
【００１９】集電体３５の端部の厚みｔ1 は、空気極３
２に当接する部分の集電体３５の厚みｔ2 に対して、１
／２程度になることが望ましい。
２に当接する部分の集電体３５の厚みｔ2 に対して、１
／２程度になることが望ましい。
【００２０】また、図３に示すように、固体電解質３１
に当接する集電体３５の端部をＣ面取りしてもよい。こ
のＣ面取りの部分は、集電体３５と固体電解質３１の重
なり部分の長さｘに対してｘ／３以上で、かつ集電体３
５端部の厚みｔ1 が、空気極３２に当接する部分の集電
体３５の厚みｔ2 に対して１／２程度に制御することが
好ましい。
に当接する集電体３５の端部をＣ面取りしてもよい。こ
のＣ面取りの部分は、集電体３５と固体電解質３１の重
なり部分の長さｘに対してｘ／３以上で、かつ集電体３
５端部の厚みｔ1 が、空気極３２に当接する部分の集電
体３５の厚みｔ2 に対して１／２程度に制御することが
好ましい。
【００２１】本発明の円筒状固体電解質型燃料電池セル
は、例えば、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、集電体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、前記固体電解質シート状成形体の表面に、一部で円
筒状成形体に当接するように前記集電体シート状成形体
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１３００〜１７００℃の温度で焼成す
る工程とを具備する製造方法により作製される。
は、例えば、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、集電体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、前記固体電解質シート状成形体の表面に、一部で円
筒状成形体に当接するように前記集電体シート状成形体
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１３００〜１７００℃の温度で焼成す
る工程とを具備する製造方法により作製される。
【００２２】また、空気極形成粉末によりシート状成形
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、集電体形成粉末によりシー
ト状成形体を作製する工程と、前記空気極シート状成形
体、前記固体電解質シート状成形体および前記集電体シ
ート状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１３００〜１
７００℃の温度で焼成する工程とを具備する製造方法に
より作製される。
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、集電体形成粉末によりシー
ト状成形体を作製する工程と、前記空気極シート状成形
体、前記固体電解質シート状成形体および前記集電体シ
ート状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１３００〜１
７００℃の温度で焼成する工程とを具備する製造方法に
より作製される。
【００２３】そして、本発明に示される集電体は、固体
電解質の表面に一部積層するように設けられた部分を端
部に向かってほぼ連続的に薄くなるような集電体のシー
トを用いたり、集電体シートを積層した後に、固体電解
質に当接する集電体の端部をＣ面取りしたり、あるい
は、固体電解質シートおよび集電体シートが形成された
空気極成形体を適正な温度で仮焼した後、固体電解質の
表面に一部積層するように設けられた部分を端部に向か
ってほぼ連続的に薄くなるよう集電体の仮焼体を研摩し
たり、固体電解質に当接する集電体の仮焼体の端部をＣ
面取りすることにより得られる。
電解質の表面に一部積層するように設けられた部分を端
部に向かってほぼ連続的に薄くなるような集電体のシー
トを用いたり、集電体シートを積層した後に、固体電解
質に当接する集電体の端部をＣ面取りしたり、あるい
は、固体電解質シートおよび集電体シートが形成された
空気極成形体を適正な温度で仮焼した後、固体電解質の
表面に一部積層するように設けられた部分を端部に向か
ってほぼ連続的に薄くなるよう集電体の仮焼体を研摩し
たり、固体電解質に当接する集電体の仮焼体の端部をＣ
面取りすることにより得られる。
【００２４】以下、本発明の円筒型燃料電池セルの製造
方法について詳述する。本発明の１つの方法によれば、
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
を押出成形したり、静水圧成形（ラバープレス）したり
して形成される。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。円筒状成形体の肉厚
は１〜３ｍｍが適当である。
方法について詳述する。本発明の１つの方法によれば、
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
を押出成形したり、静水圧成形（ラバープレス）したり
して形成される。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。円筒状成形体の肉厚
は１〜３ｍｍが適当である。
【００２５】空気極を形成する粉末としては、ＬａＭｎ
Ｏ3 系組成物からなり、具体的には、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 系組成物や特願平５−８７４０
６号にて提案されるような組成物などが挙げられ、これ
らは金属酸化物を所定の割合で混合したものを仮焼して
なるＬａＭｎＯ3 系化合物粉末であることが望ましい。
空気極形成粉末からなるシート状成形体の厚みは１００
〜３０００μｍが適当である。
Ｏ3 系組成物からなり、具体的には、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 系組成物や特願平５−８７４０
６号にて提案されるような組成物などが挙げられ、これ
らは金属酸化物を所定の割合で混合したものを仮焼して
なるＬａＭｎＯ3 系化合物粉末であることが望ましい。
空気極形成粉末からなるシート状成形体の厚みは１００
〜３０００μｍが適当である。
【００２６】次に固体電解質および集電体を形成する粉
末により固体電解質および集電体のシート状成形体をそ
れぞれ作製する。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。固
体電解質のシート状成形体の厚みは、焼成後固体電解質
の厚みが１０〜５００μｍになるように制御する必要が
ある。
末により固体電解質および集電体のシート状成形体をそ
れぞれ作製する。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。固
体電解質のシート状成形体の厚みは、焼成後固体電解質
の厚みが１０〜５００μｍになるように制御する必要が
ある。
【００２７】固体電解質粉末としては、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ＺｒＯ2 あるいは安定
化ＺｒＯ2 粉末、Ｙ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3 、Ｇｄ2 Ｏ3 等
を１０〜３０モル％含有するＣｅＯ2 粉末が用いられ
る。また、集電体を形成する粉末としては、Ｃａ、Ｍ
ｇ、Ｓｒを固溶したＬａＣｒＯ3 が用いられる。
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 あるいは安定
化ＺｒＯ2 粉末、Ｙ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3 、Ｇｄ2 Ｏ3 等
を１０〜３０モル％含有するＣｅＯ2 粉末が用いられ
る。また、集電体を形成する粉末としては、Ｃａ、Ｍ
ｇ、Ｓｒを固溶したＬａＣｒＯ3 が用いられる。
【００２８】次に、上記のようにして得られた空気極の
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
き付けた後、固体電解質のシート状成形体の端部部分を
研摩した後、固体電解質の表面に一部積層するように設
けられた部分を端部に向かってほぼ連続的に薄くなるよ
うな集電体のシート状成形体を積層圧着する。また場合
によっては、固体電解質のシート状成形体の表面に燃料
極のシート状成形体を巻き付けてもよい。各シート状成
形体の間にはアクリル樹脂や有機溶媒などを接着材して
介在させると接着が良くなる。
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
き付けた後、固体電解質のシート状成形体の端部部分を
研摩した後、固体電解質の表面に一部積層するように設
けられた部分を端部に向かってほぼ連続的に薄くなるよ
うな集電体のシート状成形体を積層圧着する。また場合
によっては、固体電解質のシート状成形体の表面に燃料
極のシート状成形体を巻き付けてもよい。各シート状成
形体の間にはアクリル樹脂や有機溶媒などを接着材して
介在させると接着が良くなる。
【００２９】上記のようにして得られた積層成形体を酸
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１３００〜１
７００℃で３〜１５時間程度焼成することにより、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。焼成温度が１３００℃より
低いと、固体電解質が相対密度が９６％より小さくなり
ガスリークを起こしセルが作動しない。また、焼成温度
が１７００℃より高いと空気極と固体電解質が反応して
セル特性が悪くなる。特に好ましい温度範囲は１４００
〜１６００℃である。
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１３００〜１
７００℃で３〜１５時間程度焼成することにより、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。焼成温度が１３００℃より
低いと、固体電解質が相対密度が９６％より小さくなり
ガスリークを起こしセルが作動しない。また、焼成温度
が１７００℃より高いと空気極と固体電解質が反応して
セル特性が悪くなる。特に好ましい温度範囲は１４００
〜１６００℃である。
【００３０】燃料極は、得られた空気極と固体電解質、
集電体からなる円筒型の一体焼結体の固体電解質の表面
に、燃料極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、または燃料極粉末からな
るシート状成形体を表面に積層圧着した後に酸化性雰囲
気中で１３００〜１５００℃で焼き付け処理して燃料極
を形成してもよい。なお、燃料極を形成する粉末として
は、ＣｅＯ2 またはＺｒＯ2 （Ｙ2 Ｏ3 を含有）とＮｉ
Ｏ粉末との混合物が好適に使用できる。
集電体からなる円筒型の一体焼結体の固体電解質の表面
に、燃料極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、または燃料極粉末からな
るシート状成形体を表面に積層圧着した後に酸化性雰囲
気中で１３００〜１５００℃で焼き付け処理して燃料極
を形成してもよい。なお、燃料極を形成する粉末として
は、ＣｅＯ2 またはＺｒＯ2 （Ｙ2 Ｏ3 を含有）とＮｉ
Ｏ粉末との混合物が好適に使用できる。
【００３１】次に、本発明の製造方法の他の方法につい
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、固体電解質を形成する粉末、集電体を形成する
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。その後、空気極および固
体電解質のシート状成形体を所定の位置関係になるよう
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。
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、固体電解質を形成する粉末、集電体を形成する
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。その後、空気極および固
体電解質のシート状成形体を所定の位置関係になるよう
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。
【００３２】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、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。この後、固体電
解質の端部部分を研摩し、この部分に、上記と同様、固
体電解質の表面に一部積層するように設けられた部分を
端部に向かってほぼ連続的に薄くなるような集電体のシ
ート状成形体を積層する。その後、上記円筒状積層体か
ら円筒状支持体を抜き取り、円筒状積層体を前述の方法
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３〜１５時間程度焼成することによ
り空気極と固体電解質と集電体とを同時に焼成すること
ができる。
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、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。この後、固体電
解質の端部部分を研摩し、この部分に、上記と同様、固
体電解質の表面に一部積層するように設けられた部分を
端部に向かってほぼ連続的に薄くなるような集電体のシ
ート状成形体を積層する。その後、上記円筒状積層体か
ら円筒状支持体を抜き取り、円筒状積層体を前述の方法
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３〜１５時間程度焼成することによ
り空気極と固体電解質と集電体とを同時に焼成すること
ができる。
【００３３】また、燃料極の形成にあたっては、上記と
同様な方法に従い、空気極と固体電解質との形成工程
後、あるいは工程中に形成することができる。なお、こ
の方法において、集電体の形成においては、集電体を空
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。
同様な方法に従い、空気極と固体電解質との形成工程
後、あるいは工程中に形成することができる。なお、こ
の方法において、集電体の形成においては、集電体を空
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。
【００３４】
【実施例】実施例１ 空気極を形成する粉末としてＬａ2 Ｏ3 、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８μｍの粉末をそれぞれ作製した。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Ｙ
2 Ｏ3 を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、燃料極を形成する粉末としてＮ
ｉＯ粉末とＺｒＯ2 （Ｙ2 Ｏ3 含有）粉末を重量比で８
０：２０の割合で混合したものを、集電体を形成する粉
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。
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８μｍの粉末をそれぞれ作製した。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Ｙ
2 Ｏ3 を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、燃料極を形成する粉末としてＮ
ｉＯ粉末とＺｒＯ2 （Ｙ2 Ｏ3 含有）粉末を重量比で８
０：２０の割合で混合したものを、集電体を形成する粉
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。
【００３５】まず、上記の８μｍの（Ｌａ、Ｃａ）Ｍｎ
Ｏ3 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１
６ｍｍの円筒状の空気極成形体を得た。一方、上記固体
電解質としてはＹ2 Ｏ3 安定化ＺｒＯ2 粉末を、集電体
としてはＬａ0.8 Ｃａ0.21ＣｒＯ3 粉末をそれぞれトル
エンを溶媒としてスラリーを作製し、これをドクターブ
レード法により所定厚みのシート状成形体を作製した。
Ｏ3 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１
６ｍｍの円筒状の空気極成形体を得た。一方、上記固体
電解質としてはＹ2 Ｏ3 安定化ＺｒＯ2 粉末を、集電体
としてはＬａ0.8 Ｃａ0.21ＣｒＯ3 粉末をそれぞれトル
エンを溶媒としてスラリーを作製し、これをドクターブ
レード法により所定厚みのシート状成形体を作製した。
【００３６】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、上記固体電解質のシート状成形体を
巻き付け、その端部の間を研摩して連続同一面を形成
し、この連続同一面に集電体のシート状成形体を積層し
て圧着したものを１５０個作製した。
る接着材を介して、上記固体電解質のシート状成形体を
巻き付け、その端部の間を研摩して連続同一面を形成
し、この連続同一面に集電体のシート状成形体を積層し
て圧着したものを１５０個作製した。
【００３７】その後、５０個について固体電解質のシー
ト状成形体に積層した集電体のシート状成形体部分を連
続的に端部に向かって研磨し、端部の厚みｔ1 が集電体
の中心部の厚みｔ2 に対して１／２になるように研磨し
た。また、その他の５０個について固体電解質のシート
状成形体に積層した集電体のシート状成形体部分ｘの１
／３の部分で、端部の厚みｔ1 が集電体の中心部の厚み
ｔ2 の１／２になるようＣ面とり研磨した。後の５０個
については何ら研摩しなかった。その後、それぞれ大気
中１５００℃で５時間焼成し円筒型燃料電池セルを作製
した。
ト状成形体に積層した集電体のシート状成形体部分を連
続的に端部に向かって研磨し、端部の厚みｔ1 が集電体
の中心部の厚みｔ2 に対して１／２になるように研磨し
た。また、その他の５０個について固体電解質のシート
状成形体に積層した集電体のシート状成形体部分ｘの１
／３の部分で、端部の厚みｔ1 が集電体の中心部の厚み
ｔ2 の１／２になるようＣ面とり研磨した。後の５０個
については何ら研摩しなかった。その後、それぞれ大気
中１５００℃で５時間焼成し円筒型燃料電池セルを作製
した。
【００３８】燃料極は上述の粉末にトルエンを溶媒とし
てスラリーを作製し、このスラリー中にディップし、乾
燥して燃料極を形成し、図１に示したような円筒型燃料
電池セルを作製した。固体電解質や集電体におけるクラ
ックの有無について目視により観察し、クラックのない
ものを良品として、その良品率を求めたところ、何ら研
摩しなかった従来の円筒状固体電解質型燃料電池セルで
は良品率が３０％であったのに対して、連続的に研摩し
た場合には９０％、Ｃ面取りした場合には８０％であ
り、連続的に研磨したもの、およびＣ面取りをおこなっ
たものは、何ら処理しないものに比較して良品率が極め
て高いことがわかる。
てスラリーを作製し、このスラリー中にディップし、乾
燥して燃料極を形成し、図１に示したような円筒型燃料
電池セルを作製した。固体電解質や集電体におけるクラ
ックの有無について目視により観察し、クラックのない
ものを良品として、その良品率を求めたところ、何ら研
摩しなかった従来の円筒状固体電解質型燃料電池セルで
は良品率が３０％であったのに対して、連続的に研摩し
た場合には９０％、Ｃ面取りした場合には８０％であ
り、連続的に研磨したもの、およびＣ面取りをおこなっ
たものは、何ら処理しないものに比較して良品率が極め
て高いことがわかる。
【００３９】実施例２ 実施例１の良品について、円筒型燃料電池セルの外側に
水素、内側に空気を供給して１０００℃で１０００時間
発電試験を実施し出力密度を求めた。その結果を、図４
に示す。これより集電体を研磨しないものは、固体電解
質のクラック発生により５００時間後急激に出力が低下
したが、集電体を研磨した試料は安定した出力を示すこ
とがわかる。
水素、内側に空気を供給して１０００℃で１０００時間
発電試験を実施し出力密度を求めた。その結果を、図４
に示す。これより集電体を研磨しないものは、固体電解
質のクラック発生により５００時間後急激に出力が低下
したが、集電体を研磨した試料は安定した出力を示すこ
とがわかる。
【００４０】
【発明の効果】本発明の円筒状固体電解質型燃料電池セ
ルでは、固体電解質に当接する集電体の端部の厚みを、
空気極に当接する部分の集電体の厚みよりも薄くするこ
とにより、例えば、固体電解質に当接する部分の集電体
を、その端部に向けてほぼ連続的に薄く形成したり、固
電解質に当接する部分の集電体の端部をＣ面取りするこ
とにより、焼成時において集電体に作用する応力を抑制
して、集電体の端部の外側へのソリを防止し、集電体や
固体電解質のクラックの発生を抑制できる。さらに、集
電体に作用する応力を抑制できるので、発電中における
円筒状固体電解質型燃料電池セルの破損を防止できる。
ルでは、固体電解質に当接する集電体の端部の厚みを、
空気極に当接する部分の集電体の厚みよりも薄くするこ
とにより、例えば、固体電解質に当接する部分の集電体
を、その端部に向けてほぼ連続的に薄く形成したり、固
電解質に当接する部分の集電体の端部をＣ面取りするこ
とにより、焼成時において集電体に作用する応力を抑制
して、集電体の端部の外側へのソリを防止し、集電体や
固体電解質のクラックの発生を抑制できる。さらに、集
電体に作用する応力を抑制できるので、発電中における
円筒状固体電解質型燃料電池セルの破損を防止できる。
【図１】本発明の円筒状固体電解質型燃料電池セルを示
す断面図である。
す断面図である。
【図２】図１の集電体近傍を拡大して示す断面図であ
る。
る。
【図３】集電体の端部をＣ面取りした状態を示す断面図
である。
である。
【図４】出力密度と発電時間との関係を示すグラフであ
る。
る。
【図５】従来の円筒状固体電解質型燃料電池セルを示す
斜視図である。
斜視図である。
３１・・・固体電解質 ３２・・・空気極 ３３・・・燃料極 ３４・・・燃料電池セル本体 ３５・・・集電体 ３６・・・固体電解質の端部 ３７・・・露出面 ｔ1 ・・・集電体の端部の厚み ｔ2 ・・・空気極に当接する部分の集電体の厚み
Claims (3)
- 【請求項１】円筒状の固体電解質の片面に燃料極、他面
に空気極が形成されたセル本体の外面に、前記固体電解
質の内面に形成された前記空気極と電気的に接続する集
電体を設けてなる円筒状固体電解質型燃料電池セルにお
いて、前記固体電解質の一部に切欠部を設けて該固体電
解質の内面に形成されている前記空気極の一部を露出さ
せるとともに、この露出面および前記切欠部近傍の前記
固体電解質の端部を前記集電体により被覆してなり、前
記固体電解質に当接する前記集電体の端部の厚みｔ
1 が、前記空気極に当接する部分の前記集電体の厚みｔ
2 よりも薄いことを特徴とする円筒状固体電解質型燃料
電池セル。 - 【請求項２】固体電解質に当接する部分における集電体
が、その端部に向けてほぼ連続的に薄く形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の円筒状固体電解質型燃
料電池セル。 - 【請求項３】固体電解質に当接する部分における集電体
が研摩されていることを特徴とする請求項１または２記
載の円筒状固体電解質型燃料電池セル。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10086374A JPH11283634A (ja) | 1998-03-31 | 1998-03-31 | 円筒状固体電解質型燃料電池セル |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10086374A JPH11283634A (ja) | 1998-03-31 | 1998-03-31 | 円筒状固体電解質型燃料電池セル |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11283634A true JPH11283634A (ja) | 1999-10-15 |
Family
ID=13885115
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10086374A Pending JPH11283634A (ja) | 1998-03-31 | 1998-03-31 | 円筒状固体電解質型燃料電池セル |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11283634A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001273913A (ja) * | 2000-03-28 | 2001-10-05 | Kyocera Corp | 固体電解質型燃料電池セルおよび燃料電池 |
| JP2008135353A (ja) * | 2006-04-24 | 2008-06-12 | Ngk Insulators Ltd | セラミックス薄板体 |
| JP2018098201A (ja) * | 2016-12-09 | 2018-06-21 | 日本碍子株式会社 | 燃料電池セル |
-
1998
- 1998-03-31 JP JP10086374A patent/JPH11283634A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001273913A (ja) * | 2000-03-28 | 2001-10-05 | Kyocera Corp | 固体電解質型燃料電池セルおよび燃料電池 |
| JP4721487B2 (ja) * | 2000-03-28 | 2011-07-13 | 京セラ株式会社 | 固体電解質形燃料電池セルおよび燃料電池 |
| JP2008135353A (ja) * | 2006-04-24 | 2008-06-12 | Ngk Insulators Ltd | セラミックス薄板体 |
| JP2018098201A (ja) * | 2016-12-09 | 2018-06-21 | 日本碍子株式会社 | 燃料電池セル |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040427 |
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| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20040803 |