JPH11329462A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

固体電解質型燃料電池

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JPH11329462A
JPH11329462A JP10130415A JP13041598A JPH11329462A JP H11329462 A JPH11329462 A JP H11329462A JP 10130415 A JP10130415 A JP 10130415A JP 13041598 A JP13041598 A JP 13041598A JP H11329462 A JPH11329462 A JP H11329462A
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JP
Japan
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separator
cell
solid electrolyte
layer film
thermal expansion
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JP10130415A
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Akira Shiratori
晃 白鳥
Hiroshi Takagi
洋 鷹木
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Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 三層膜とセパレータを接合したセルに、剥
離、割れ、または反りが発生しない固体電解質型燃料電
池を提供する。 【解決手段】 Al23を1〜30wt%添加した、Y
23を含有するZrO2を三層膜の固体電解質膜に用
い、LaCrO3系セラミックからなるセパレータと接
合してセルを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質型燃料
電池に関する。
【0002】
【従来の技術】燃料の化学的なエネルギーを、電気化学
的な手段によって電気エネルギーに直接変換するものと
して固体電解質型燃料電池がある。
【0003】図1は、三つのセルで構成されたセルスタ
ック1を有する平板型の固体電解質型燃料電池の分解斜
視図である。
【0004】セルスタック1を構成する各セル2は、燃
料電池の反応を起こして電気を発生させる最小単位であ
る。これらのセル2は、空気極3、固体電解質膜4及び
燃料極5からなる三層膜6を発電部とし、この三層膜6
をその両主面側からセパレータ7で挟んで構成されてい
る。
【0005】固体電解質膜4は矩形状をしており、その
材料には、例えばイットリア安定化ジルコニア(YS
Z)が用いられる。そして、空気極3の材料には、例え
ばランタンマンガナイト(LaMnO3)が用いられ、
また燃料極5の材料には、例えばNiとイットリア安定
化ジルコニア(YSZ)を混合したサーメットが用いら
れる。
【0006】セパレータ7には、例えばランタンクロマ
イト(LaCrO3)が用いられ、その表面に形成され
た溝8に、空気ガスまたは燃料ガスを流して、三層膜6
の空気極3と燃料極5にそれぞれ空気ガスまたは燃料ガ
スが行き渡るようにしている。また、このセパレータ7
は、セルスタック1における、隣接するセル2同士を電
気的に接続している。
【0007】このような平板型の固体電解質型燃料電池
の利点には、単位体積当たりの出力が大きいということ
があげられる。これは三層膜6の厚みが薄くできるため
に、単位厚み当たりのセル2の積層数を多くすることが
でき、また、発電された電流がセル2の平面に対して垂
直方向に流れるので、内部抵抗が小さくなるためであ
る。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】このような構造におい
ては、空気極3、固体電解質膜4及び燃料極5からなる
三層膜6とセパレータ7が接合されることは不可欠であ
り、特に固体電解質膜4とセパレータ7の熱膨張係数が
一致していることが高温で運転される燃料電池にとって
重要である。
【0009】しかしながら、固体電解質膜に用いられ
る、Y23を含有するZrO2は、一般に8モル%〜3
モル%のY23を固溶したものであり、室温から運転温
度の約1000℃の範囲では、その熱膨張係数が10.
4×10-6-1〜11.0×10-6-1に限定されてし
まう、一方、セパレータに用いられるLaCrO3系セ
ラミックは、緻密性を向上させるために、一般にSrや
Caを第3成分として固溶している。この第3成分の固
溶量は、焼結性、化学的安定性、還元中の膨張、相転移
温度等を考慮して決定されている。例えば、化学的安定
性が良好で、かつ、還元中での膨張を小さくするために
は、第3成分の量は少ないほど有利であるが、逆に、第
3成分の量が少ないと焼結性が悪く、また、室温以上で
相転移が起こるという問題を有している。
【0010】そのため、これらの条件、すなわち、焼結
性、化学的安定性、還元中の膨張、相転移温度を必要か
つ十分に満足する、 LaCrO3系セラミックへの第3
成分の添加量は限定されてしまう。
【0011】その結果、セパレータに用いる LaCr
3系セラミックの熱膨張係数は、9.8×10-6-1
〜10.3×10-6-1の範囲に限定されることにな
る。
【0012】したがって、このような固体電解質膜と各
電極膜からなる三層膜とセパレータとを接合してセルを
作製し、固体電解質型燃料電池を運転すると、セルが固
体電解質膜とセパレータの互いの熱膨張係数の差によ
り、剥離したり、割れたり、また、反りが発生して、燃
料電池として使用できなくなることがある。
【0013】そこで、本発明の目的は、固体電解質膜を
含む三層膜とセパレータを接合したセルに、剥離、割
れ、または反りが発生しない固体電解質型燃料電池を提
供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明は、請求項1にお
いて、固体電解質型燃料電池は、 Y23を含有するZ
rO2からなる主成分にAl23が添加された固体電解
質膜と、該固体電解質膜の一方の面に配置された燃料極
と、前記固体電解質膜の他方の面に配置された空気極と
で三層膜が形成され、該三層膜とLaCrO3系セラミ
ックからなるセパレータとが接合されてセルが構成され
ていることを特徴とする。
【0015】本発明は、これにより、Y23を含有する
ZrO2からなる固体電解質膜において、固体電解質膜
に添加されるAl23は熱膨張係数が小さいため、熱膨
張係数の大きなZrO2を主成分とする固体電解質膜の
熱膨張係数を引き下げて、セパレータの熱膨張係数に近
づけることができる。よって、三層膜とセパレータを接
合してセルを作製したとき、セルの内部で剥離、割れ、
また、反りが発生するのを防ぐことができる。なお、Y
23を含有するZrO2は、安定化ジルコニアまたは部
分安定化ジルコニアを対象とすることを意味している。
【0016】また、請求項2において、Y23を含有す
るZrO2からなる主成分に添加されるAl23の量
は、1〜30wt%が好ましい。添加量をこのように設
定した理由は、Al23が1wt%未満ではセルに反り
が発生し、30wt%を超えるとセルに剥離が発生する
ことによる。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を実施
例をもとに説明する。
【0018】(実施例1)始めに、Y23を8モル%含
有するZrO2に、Al23を1wt%添加した、寸
法、120mm(縦)×120mm(横)×0.3mm
(厚み)の固体電解質の薄板を準備した。
【0019】次に、(La,Sr)MnO3を用いて空
気極用粉末を作製し、また、NiOと、Y23を8モル
%含有するZrO2を用いて燃料極用粉末を作製した。
続いて、これら各電極用粉末を有機系バインダーと有機
系溶剤を用いてペースト化し、前記固体電解質の薄板の
一方の面に空気極ペーストを、また、他方の面に燃料極
ペーストを、それぞれスクリーン印刷法により塗布し、
空気極と燃料極を形成した。そして、これらの電極を焼
き付けて、固体電解質膜、空気極及び燃料極からなる三
層膜を得た。
【0020】一方、セパレータには、( La0.89Sr
0.11 )(Cr0.98Co0.02)O3系セラミック(組成
A,熱膨張係数は10.3×10-6-1)を用い、この
セパレータの一方の面に空気ガスの流路となる溝を形成
した。
【0021】そして、このセパレータの溝を形成した面
と、前記三層膜の空気極面とが接するようにし、荷重を
加えながら約1200℃で熱処理して接合し、セルを構
成した。接合の結果を目視で確認したところ、セルに剥
離、割れ及び反りは見られなかった。
【0022】(実施例2)Y23を3モル%含有するZ
rO2に、Al23を15wt%添加した、実施例1と
同じ寸法の固体電解質膜を準備し、その両面に実施例1
と同様に空気極と燃料極を形成した。セパレータにも実
施例1と同じ組成Aの(La0.89Sr0.11)(Cr0.98
Co0.02)O3系セラミックを用い、以下実施例1と同
様に、三層膜とセパレータを接合してセルを構成した。
接合の結果を目視で確認したところ、セルに剥離、割れ
及び反りは見られなかった。
【0023】(実施例3)Y23を8モル%含有するZ
rO2に、Al23を20wt%添加した、実施例1と
同じ寸法の固体電解質膜を準備し、その両面に実施例1
と同様に空気極と燃料極を形成した。セパレータには、
( La0.93Sr0.07 )(Cr0.98Co0.02)O3系セ
ラミック(組成B,熱膨張係数は9.8×10-6-1
を用い、以下実施例1と同様に接合してセルを構成し
た。接合の結果を目視で確認したところ、セルに剥離、
割れ及び反りは見られなかった。
【0024】(実施例4)Y23を3モル%含有するZ
rO2に、Al23を30wt%添加した、実施例1と
同じ寸法の固体電解質膜を準備し、その両面に実施例1
と同様に空気極と燃料極を形成した。セパレータには、
実施例3と同じ組成Bの( La0.93Sr0.07 )(Cr
0.98Co0.02)O3系セラミックを用い、以下実施例1
と同様に、三層膜とセパレータを接合してセルを構成し
た。接合の結果を目視で確認したところ、セルに剥離、
割れ及び反りは見られなかった。
【0025】(比較例1)Y23を3モル%含有するZ
rO2に、Al23を31wt%添加した、実施例1と
同じ寸法の固体電解質膜を準備し、その両面に実施例1
と同様に空気極と燃料極を形成した。そして、セパレー
タに実施例3と同じ組成Bの( La0.93Sr0.07
(Cr0.98Co0.02)O3系セラミックを用い、以下実
施例1と同様に、三層膜とセパレータを接合してセルを
構成した。接合の結果を目視で確認したところ、セルに
割れ、反りは見られなかったが、剥離が見られた。
【0026】(比較例2)Y23を8モル%含有するZ
rO2に、Al23を全く添加しない、実施例1と同じ
寸法の固体電解質膜を準備し、その両面に実施例1と同
様に空気極と燃料極を形成した。そして、セパレータに
実施例1と同じ組成Aの( La0.89Sr0.11 )(Cr
0.98Co0.02)O3系セラミックを用い、以下実施例1
と同様に、三層膜とセパレータを接合してセルを構成し
た。接合の結果を目視で確認したところ、セルに剥離、
割れは見られなかったが、三層膜側に凹状になった反り
が見られた。
【0027】これらの結果を表1に示す。
【0028】
【表1】
【0029】表1の比較例1に示すように、固体電解質
に用いられる、Y23を含有するZrO2に、Al23
を30wt%を超えて添加したものはセルに剥離が発生
した。また、比較例2に示すように、Al23を全く添
加しないものはセルに反りが発生した。したがって、A
23の、Y23を含有するZrO2への添加は、1〜
30wt%の範囲で添加することが好ましい。
【0030】なお、本実施例では、三層膜の空気極面と
セパレータの溝を形成した面を接合したが、三層膜の燃
料極面とセパレータの溝を形成した面を接合する場合も
同様の効果が得られる。
【0031】
【発明の効果】本発明によれば、Y23を含有するZr
2系の固体電解質膜の熱膨張係数を、 LaCrO3
セパレータの熱膨張係数に近づけることができるので、
この固体電解質膜を含む三層膜とセパレータを接合して
セルを構成したとき、セルに剥離、割れ及び反りが発生
するのを防止できる。したがって、電池寿命が長く、発
電特性及び信頼性の高い固体電解質型燃料電池を得るこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 固体電解質型燃料電池のセルスタックの分解
斜視図である。
【符号の説明】
1 セルスタック 2 セル 3 空気極 4 固体電解質膜 5 燃料極 6 三層膜 7 セパレータ 8 溝

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Y23を含有するZrO2からなる主成
    分にAl23が添加された固体電解質膜と、該固体電解
    質膜の一方の面に配置された燃料極と、前記固体電解質
    膜の他方の面に配置された空気極とで三層膜が形成さ
    れ、該三層膜とLaCrO3系セラミックからなるセパ
    レータとが接合されてセルが構成されていることを特徴
    とする固体電解質型燃料電池。
  2. 【請求項2】 前記固体電解質膜の主成分である、Y2
    3を含有するZrO2に、Al23が1〜30wt%添
    加されていることを特徴とする請求項1記載の固体電解
    質型燃料電池。
JP10130415A 1998-05-13 1998-05-13 固体電解質型燃料電池 Pending JPH11329462A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2004501492A (ja) * 2000-05-08 2004-01-15 本田技研工業株式会社 燃料電池
WO2012133175A1 (ja) 2011-03-25 2012-10-04 株式会社村田製作所 燃料電池

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