JPH1173980A

JPH1173980A - 固体電解質型燃料電池セル

Info

Publication number: JPH1173980A
Application number: JP9234628A
Authority: JP
Inventors: Yuji Tateishi; 勇二立石
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-08-29
Filing date: 1997-08-29
Publication date: 1999-03-16
Anticipated expiration: 2017-08-29
Also published as: JP3389469B2

Abstract

(57)【要約】【課題】セル本体のガスシールを容易かつ確実に行うこ
とができ、ガスシールの確認が容易な固体電解質型燃料
電池セルを提供する。【解決手段】円筒状の固体電解質２の片面に空気極１、
他面に燃料極３が形成されるとともに、空気極１または
燃料極３に電気的に接続され、かつ外面に露出する集電
体４を具備する円筒状のセル本体８の一端部外周面に、
基底部１４と円筒部１３からなるセラミックス製の封止
部材１１を外嵌してなり、該封止部材１１の全長を
Ｌ₁、円筒部１３の深さをＬ₂、基底部１４の外径をＤ
₁、円筒部１３の外径をＤ₂、円筒部１３の内径をＤ₃
とした時、Ｄ₁／Ｄ₂が０．７８〜０．８４、Ｌ₂／Ｌ
₁が０．３〜０．７、Ｌ₂／Ｄ₃が０．３〜０．７の範
囲を満足するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、有底筒状の固体電
解質型燃料電池セルに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、固体電解質燃料電池はその作
動温度が９００〜１０５０℃と高温であるため発電効率
が高く、第３世代の発電システムとして期待されてい
る。

【０００３】一般に、固体電解質型燃料電池セルには、
円筒型と平板型が知られている。平板型燃料電池セル
は、発電の単位体積当たり出力密度が高いという特徴を
有するが、実用化に関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、またセルの温度の均一性が保て
るという特徴がある。

【０００４】両形状の固体電解質型燃料電池セルとも、
それぞれの特徴をを生かして積極的に研究開発が進めら
れている。

【０００５】円筒型燃料電池の単セルは、図３に示した
ように、ＬａＭｎＯ₃系材料からなる多孔性の空気極１
を形成し、その表面にＹ₂Ｏ₃部分安定化ＺｒＯ₂から
なる固体電解質２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３が設けられている。燃料電
池モジュールにおいては、各単セルはＬａＣｒＯ₃系の
集電体（インターコネクター）４を介して接続される。
発電は円筒の内部に空気（酸素）６を、外部に燃料（水
素）７を流し、９００〜１０５０℃の温度で行われる。

【０００６】空気極材料であるＬａＭｎＯ₃系材料はセ
ルの支持管としての働きを有する。

【０００７】支持管としての機能を有する空気極とし
て、ＬａをＣａで２０原子％またはＳｉで１０〜１５原
子％置換したＬａＭｎＯ₃固溶体材料が用いられる。

【０００８】上記のような燃料電池セルを作製する方法
としてはＬａＭｎＯ₃系材料からなる絶縁粉末を押出し
成形法等により円筒形に成形後、これを焼成して円筒状
の空気極からなる支持体を作製し、この円筒状空気極支
持体の外周面に固体電解質、燃料極、集電体のスラリー
を塗布して順次焼成して積層するか、あるいは円筒状空
気極支持体の表面に電気化学的蒸着法（ＥＤＶ法）やプ
ラズマ溶射法等により固体電解質、燃料極、集電体を順
次形成することも行われている。

【０００９】最近ではセルの製造工程を簡略化するため
に、各構成材料のうち少なくとも２つを同じ焼成すると
いう共焼結法も提案されている。この共焼結法は、例え
ば円筒状空気極支持管の成形体に固体電解質成形体およ
び集電体成形体をロール状に巻き付けて同時焼成を行
い、その後固体電解質表面に燃料極層を形成する方法で
ある。この共焼結法は製造工程が少なくなるためにセル
の製造時の歩留まり向上、コスト低減に有利である。

【００１０】そして、従来、セルの一端封止は、焼結し
て得られた円筒状のセル本体を実際に発電を行う炉内の
取付部材にセットし、取付部材に形成されたガラス層を
セル本体の一端に当接し、発電を行う際の昇温時に前記
ガラス層を溶融させ、セル本体の一端を前記取付部材に
より封止していた。

【００１１】また、空気極成形体、および空気極成形体
と同一材料により有底筒状の封止部材成形体を作製し、
空気極成形体の一端と封止部材用成形体の一端を当接し
焼成した後、前述のように電気化学的蒸着法（ＥＤＶ
法）やプラズマ溶射法等により封止部材の表面に緻密質
セラミックス層を形成し、封止部材からのガスリークを
防止していた。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、燃料電
池セルの一端をガラス材を用いて取付部材により封止す
る従来の方法では、実際に発電を行う時に封止すること
になるため、完全に封止がなされているか否かの確認が
困難であり、シール不良による単セルの出力低下が生じ
易く、特にスタック化した場合には封止個所の増加によ
りシール不良の発生確率が高くなり、結果として出力が
低下するという問題があった。

【００１３】また、空気極成形体の一端と封止部材成形
体の一端を当接した状態で焼成する方法では、空気極成
形体と封止部材との接合が困難であり、しかも、ガスリ
ークを防止するため、電気化学的蒸着法（ＥＤＶ法）や
プラズマ溶射法等により封止部材の表面に緻密質セラミ
ック層を形成する必要があり、封止工程が面倒であり、
コスト高であるという問題があった。

【００１４】本発明は、セル本体のガスシールを容易か
つ確実に行うことができるとともに、ガスシールの確認
が容易な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。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明者は上記問題点に
対して検討を重ねた結果、セル本体の一端部外周面に、
封止部材用のセラミック成形体を外嵌して焼成し、封止
部材の焼成収縮により、セル本体の一端部に嵌着するこ
とにより、セル本体の一端を容易かつ確実に封止するこ
とができ、しかも封止状態を容易に確認し得ることを見
い出し、本発明に至った。

【００１６】即ち、本発明の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空気極、他面に燃料極
が形成されるとともに、前記空気極または前記燃料極に
電気的に接続され、かつ外面に露出する集電体を具備す
る円筒状のセル本体の一端部外周面に、基底部と円筒部
からなるセラミックス製の封止部材を外嵌してなり、該
封止部材の全長をＬ₁、前記円筒部の深さをＬ₂、前記
基底部の外径をＤ₁、前記円筒部の外径をＤ₂、前記円
筒部の内径をＤ₃とした時、Ｄ₁／Ｄ₂が０．７８〜
０．８４、Ｌ₂／Ｌ₁が０．３〜０．７、Ｌ₂／Ｄ₃が
０．３〜０．７の範囲を満足するものである。ここで、
セル本体の一端部外周面に、セラミックスからなるガス
シール層を介して封止部材を外嵌してなることが望まし
い。

【００１７】

【作用】本発明の固体電解質型燃料電池セルは、従来の
ように、発電用セル本体を炉内にセットし発電を行う際
にセル本体の一端を取付部材により封止するのではな
く、セル製造段階でセル本体の一端を緻密質セラミック
スにより封止するため、セル本体の一端の封止を容易か
つ確実に行うことができるとともに、発電用セル本体を
炉内にセットする前に封止状態を確認することができ、
発電の際のガスシール性が十分に保証される。

【００１８】即ち、本発明の固体電解質型燃料電池セル
では、セル本体の一端部外周面に、封止部材用セラミッ
クス成形体を外嵌して焼成することにより、封止部材用
セラミックスが、該封止部材の全長をＬ₁、前記円筒部
の深さをＬ₂、前記基底部の外径をＤ₁、前記円筒部の
外径をＤ₂、前記円筒部の内径をＤ₃とした時、Ｄ₁／
Ｄ₂が０．７８〜０．８４、Ｌ₂／Ｌ₁が０．３〜０．
７、Ｌ₂／Ｄ₃が０．３〜０．７の範囲を満足するもの
である。

【００１９】セル本体の一端部に封止部材の円筒部が嵌
着すると同時に、焼成時にセル本体の外面と封止部材円
筒部の内側面とが接続するため、セル本体の一端の封止
を容易かつ確実に行うことができる。また、セル本体の
先端面と封止部材の基底部の内底面が接着することによ
り、封止部材をセル本体に強固に固定させることができ
る。

【００２０】特に、本発明の固体電解質型燃料電池セル
では、セル本体の一端部外周面にセラミックススラリー
を塗布し、セラミックスからなるガスシール層を形成
し、その外周面に封止部材を嵌着することにより、集電
体がセル本体から突出する等によりセル本体の外周面に
凸凹が形成されている場合でも、ガスシール層により封
止部材が嵌着される部分のセル本体外周面が平坦化さ
れ、封止部材とセル本体を隙間なくより密着させること
ができ、ガスシール性を向上できる。

【００２１】また、本発明によれば、例えば、封止部材
としてＺｒＯ₂やＬａＣｒＯ₃系の磁器を用いた場合
は、この磁器の焼成温度（１３００℃以上）は、実際の
発電温度（１０００℃）より高いので、発電時における
ガスリークの発生の怖れがなく、結果としてセル出力の
信頼性、長寿命化が図れる。さらに、複数のセルを用い
てスタックを組む際においては、発電を行う段階でのシ
ール箇所を極力少なくすることができるためにシステム
設計を容易にすることが可能となる。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明におけるセル本体は、円筒
状の空気極の表面に固体電解質を形成し、この固体電解
質の表面に燃料極を形成し、さらに、空気極と電気的に
接続する集電体を設けてセル本体が形成されている。

【００２３】そして、図１に示すように、セル本体８の
一端部の外周面にはセラミックスからなるガスシール層
９が形成され、このガスシール層９の表面には．キャッ
プ形状の緻密質セラミックスからなる封止部材１１が外
嵌されており、セル本体８とガスシール層９、封止部材
１１が焼成により、一体化されている。即ち、セル本体
８の一端部外周面にセラミックススラリーを塗布するこ
とにより、セル本体８外周面の凸凹を無くし、平坦化し
た後、封止部材用セラミックス成形体を外嵌して焼成す
ることにより、封止部材用セラミックスが焼成収縮し、
セル本体８の一端部に嵌着すると同時に、焼成時にセル
本体８の外周面と封止部材１１の内面とが、ガスシール
層９を介して接合している。

【００２４】ガスシール層９は、例えば、部分安定化Ｚ
ｒＯ₂や安定化ＺｒＯ₂、ＬａＣｒＯ₃系などの種々の
材料を用いることができるが、特には、熱膨張率の観点
から固体電解質材料と同一の材料から構成することが望
ましい。ガスシール層９の厚みはセル本体８の外表面の
凸凹をなくす程度あればよいが、５０〜３００μｍが望
ましい。

【００２５】封止部材１１はガスリークを防止するため
緻密質セラミックスからなるものであるが、緻密質セラ
ミックスとは、例えば、ガスシール層９と同様の材料を
用いることができる。また、ガスシール層９と同様に、
熱膨張率の観点から固体電解質材料と同一の材料から構
成することが望ましい。また、封止部材１１、ガスシー
ル層９の熱膨張率は、Ｙ₂Ｏ₃部分安定化ＺｒＯ₂の場
合、Ｙ₂Ｏ₃とＺｒＯ₂の比を変化させることにより調
整できる。

【００２６】封止部材１１は、セル本体８が挿入される
円筒部１３と基底部１４とから構成されている。ここ
で、封止部材１１の全長をＬ₁、円筒部１３の深さをＬ
₂、基底部１４の外径をＤ₁、円筒部１３の外径を
Ｄ₂、円筒部１３の内径をＤ₃とした時、Ｄ₁／Ｄ₂が
０．７８〜０．８４、Ｌ₂／Ｌ₁が０．３〜０．７、Ｌ
₂／Ｄ₃が０．３〜０．７の範囲を満足する。

【００２７】基底部１４の外径Ｄ₁と円筒部１３の外径
Ｄ₂との比（Ｄ₁／Ｄ₂）を０．７８〜０．８４とした
のは、この範囲内ならばセル本体８の外面に封止部材１
１が密着固定し、ガスの漏出がないからである。Ｄ₁／
Ｄ₂が０．７８よりも小さい場合には円筒部１３と基底
部１４の間に亀裂が発生し、燃料電池セルの還元処理試
験において破損するからであり、０．８４よりも大きい
場合には．円筒部１３によるセル本体８の締め付け力が
弱く、セル本体８と円筒部１３との間からガスが漏出す
る虞があるからである。Ｄ₁／Ｄ₂の値は、ガスシール
性を向上し、かつ封止部材１１の破損を防止する点、お
よび、高温負荷試験、サイクル試験において優れている
という点から０．８０〜０．８２が望ましい。

【００２８】封止部材１１の全長Ｌ₁と円筒部１３の深
さＬ₂との比（Ｌ₂／Ｌ₁）を０．３〜０．７としたの
は、この比が０．３よりも小さい場合には燃料電池セル
の還元処理において破損するからであり、また、セル本
体８に封止部材用セラミック成形体３１を挿入時に安定
しないからであり、セル本体８を横倒した場合に封止部
材用成形体３１を安定してセル本体８の一端に挿入する
ことができないからである。一方、Ｌ₂／Ｌ₁が０．７
よりも大きい場合には、燃料極の形成面積が小さくな
り、発電能力が低下するからである。

【００２９】円筒部１３の深さＬ₂と円筒部１３の内径
Ｄ₃の比（Ｌ₂／Ｄ₃）を０．３〜０．７としたのは、
Ｌ₂／Ｄ₃が０．３よりも小さい場合には、燃料電池セ
ルの還元処理において破損するからであり、さらに、セ
ル本体に封止部材用セラミック成形体３１を挿入時に安
定しないからであり、セル本体８を横倒した場合に封止
部材用成形体３１を安定してセル本体８の一端に挿入す
ることができないからである。一方、Ｌ₂／Ｄ₃が０．
７よりも大きい場合には、燃料極の形成面積が小さくな
り、発電能力が低下するからである。また、封止部材成
形体３１の切削加工が困難となり、また、封止部材成形
体３１の保管時に破損しやすくなるからである。

【００３０】即ち、Ｌ₂／Ｌ₁およびＬ₂／Ｄ₃を０．
３以上としたのは以下の理由による。封止部材用成形体
を挿入したセル本体の焼成時の姿勢は、長い円筒を直立
させる姿勢より、横倒しの姿勢とした方が安全である。
その場合、封止部材用成形体３１は横倒しのセル本体８
の一端に挿入しても十分安定な形状をとる必要がある。
また、セル本体８の先端面と封止部材１１の円筒部１３
の内底面の接触が不十分だと、焼成後のセル本体８と封
止部材１１の一体化が不完全となり、セル本体８と封止
部材１１の接着が破壊する怖れがある。セルが横倒しの
姿勢でも、焼結前に挿入した封止部材用成形体３１が安
定して一端部にあるためには、焼結させた後の封止部材
１１の円筒部１３の内径Ｄ₃に対して封止部材１１の円
筒部１３の深さＬ₂が３０％以上を有し、封止部材１１
の全長Ｌ₁に対して封止部材１１の円筒部１３の深さＬ
₂が３０％以上である必要があるからである。

【００３１】封止部材１１にセル本体８を挿入したとき
の安定性より、Ｌ₂／Ｌ₁は０．４以上、Ｌ₂／Ｄ₃は
０．４以上が望ましい。また、封止部材用成形体３１の
作製時の容易さから、Ｌ₂／Ｌ₁は０．６以下、Ｌ₂／
Ｄ₃は０．６以下が望ましい。

【００３２】また、セル本体８の外表面に当接する封止
部材１１の円筒部１３の厚みｔは、セルの直径の増大を
抑え、焼結時の収縮の応力で破損しないようにするため
に、０．３〜１．２ｍｍが望ましい。

【００３３】このような固体電解質型燃料電池セルの製
造方法について詳述する。まず、セル本体を作製するた
めに、自己支持管としての機能を有する円筒状の空気極
成形体を押し出し成形により作製し、その後１２００〜
１３００℃の温度で５〜２０時間程度脱バインダー・仮
焼をおこない、空気極仮焼体を作製する。この空気極仮
焼体は、ペロブスカイト型結晶相を主相とするＬａＣｒ
Ｏ₃系の材料で、その平均結晶粒径は２〜３０μｍ、特
に、５〜１５μｍであることが望ましい。これは主結晶
相の粒径が２μｍより小さいと強度は高いもののガスの
透過性が低く、３０μｍを越えるとガス透過性は高くな
るものの強度が不十分となるためである。なお、空気極
の開気孔率は２０〜４５％、特に３０〜４０％が適当で
ある。また、平均細孔径は１．０〜５．０μｍの範囲が
ガス透過性に優れる。

【００３４】次に空気極仮焼体の表面に固体電解質を構
成する材料の成形体層を形成する。

【００３５】この固体電解質成形体層は、平均粒径が
０．５〜３μｍのＹ₂Ｏ₃等の周知の安定化剤により安
定化されたＺｒＯ₂からなる粉体を用いてスラリーを調
製し、その後ドクターブレード法などにより作製された
グリーンシートを巻き付けて形成される。

【００３６】そして、空気極／固体電解質成形体を１０
００〜１３００℃の温度で１〜３時間程度仮焼し、その
後集電体の積層箇所となる固体電解質仮焼体の表面を平
滑に研磨し、空気極仮焼体を露出させ、固体電解質仮焼
体および空気極仮焼体の表面に集電体用成形体を積層す
る。集電体用成形体はＬａＣｒＯ₃系の材料を使用し、
固体電解質成形体と同様にグリーンシートを積層して形
成される。

【００３７】この様にして作製した積層体は、大気など
の酸化雰囲気中、１３００〜１６００℃の温度で３〜１
５時間程度同時焼成することにより共焼結させ、円筒状
のセル本体８を作製する。

【００３８】また、燃料極はＮｉを３０〜８０重量％含
有し残部が安定化ＺｒＯ₂（Ｙ₂Ｏ₃等の安定化剤含
む）からなる多孔質のサーメット材料を使用し、前記積
層焼結体の所定箇所に成形体を形成して焼結させるか、
あるいは前記空気極／固体電解質／集電体成形体を形成
した後、さらに燃料極成形体を積層し、これらを同時に
焼成し、円筒状のセル本体８を作製することもできる。

【００３９】次に、例えば、固体電解質成形体と同様の
スラリーを用い、たとえば、スラリー中にセル本体８の
一端部を浸潰（ディッピング）することにより、セル本
体８の一端部の外表面にセラミックスラリーを塗布し、
１００〜１５０℃で１〜３時間乾燥する。セラミックス
スラリーを塗布する方法としては、他にスプレー、刷毛
などによる塗布がある。セラミックススラリーは、封止
部材が外嵌される部分よりもわずかに広い面積で塗布さ
れることが望ましい。塗布厚みについては、セル本体８
外周面の凸凹が無くなる程度であれば、特に限定されな
い。本発明においては、このようなセラミックススラリ
ーの塗布工程（ガスシール層）は必ずしも必要ではない
が、よりガスシールを確実に行うという点から、ある事
が望ましい。

【００４０】封止部材１１は発電の際にガスシール性を
要求されるため、例えば平均結晶粒径が０．５〜３μｍ
程度のＺｒＯ₂系やＬａＣｒＯ₃系酸化物粉末を押し出
し成形や静水圧成形（ラバープレス）等により成形し、
キャップ形状に切削加工を行い封止部材用成形体３１を
作製する。ガスシール層および封止部材は、イットリア
部分安定化ジルコニアを用いることが望ましい。

【００４１】この時の封止部材用成形体３１は、セル本
体８の外周面に当接し、締め付ける円筒部１３の成形体
厚みは、０．７〜２．０ｍｍであることが望ましい。こ
れは、０．７ｍｍよりも薄い時には焼成時に封止部材１
１が壊れる場合があり、また、２．０ｍｍより厚い場合
には、複数の固体電解質型燃料電池セルによりスタック
を作製する際のセル間の間隔が大きくなって電気的な接
続が困難になるからである。また、円筒部１３の厚みの
分だけ外径が増大するため、なるべく外径の増大をなく
すため封止部材１１の円筒部１３の厚みを薄くすること
が要求され、薄くても十分な強度を有するイットリア部
分安定化ジルコニアが望ましい。

【００４２】また、セル本体８の一端が挿入される封止
部材用セラミックス成形体の円筒部３３の内径は、セル
本体８の外径の１．０５から１．２５倍であることが望
ましい。これは、円筒部３３の内径がセル本体８の１．
０５倍より小さい場合には、封止部材１１に歪みによる
われが生じやすく、また、１．２５倍より大きい場合に
は、封止部材１１とセル本体８の間に隙間が生じ、封止
できなくなる場合があるからである。また、封止部材１
１を単独で焼結させた場合の円筒部１３の内径は、セル
本体８の外径よりも小さくなるように、封止部材用成形
体３１の寸法、材料などが決定されている。

【００４３】この後、図２に示すように、セル本体８の
一端部を封止部材用成形体３１の円筒部３３に挿入し、
大気などの酸化雰囲気中、１３００〜１６００℃の温度
で１〜５時間程度焼成し、図１に示したように、セル本
体８の一端部に、ガスシール層９を介して封止部材１１
を嵌着し、本発明の固体電解質型燃料電池セルを得る。
焼成時のセル本体の姿勢は横倒しの安定な姿勢をとらせ
ることができる。

【００４４】封止部材用セラミックス成形体の焼成温度
は、特に１３５０〜１５００℃の範囲で行うことが望ま
しい。即ち、セル本体８の焼結後に改めて封止部材１１
を焼結させるため、ガスシール層９や封止部材１１の焼
結温度はセル本体１８の焼結温度以下であることが要求
される。例えばＬａＣｒＯ₃系材料を用いた燃料電池セ
ルなどは１５００℃程度で焼結されるが、イットリア部
分安定化ジルコニアはそれ以下の１４００℃で焼結させ
ることができるため、封止部材１１やガスシール層９と
してイットリア部分安定化ジルコニアが望ましい。

【００４５】封止部材１１の円筒部１３の内側面とガス
シール層９とは焼成時に一体化し、さらにガスシール層
９とセル本体８一端部の外周面とも焼成時に一体化し、
これにより、封止部材１１の円筒部１３の内側面がガス
シール層９を介してセル本体８の一端部外周面に接合さ
れることになる。また、封止部材８の基底部１４の内底
面とセル本体８の断面が焼成時に一体化することによ
り、封止部材１１とセル本体８が強固に固定されること
になる。ガスシール層９、緻密質セラミックスからなる
封止部材１１は、ガスリークを防止することができれば
よく、特に開気孔率５％以下であることが望ましい。

【００４６】尚、本発明では、燃料極スラリーを、空気
極、固体電解質、集電体を有するセル本体に塗布した
後、セル本体を封止部材用成形体の円筒部に挿入し、燃
料極塗布膜と同時に前記封止部材用成形体を焼成し、燃
料極を固体電解質表面に焼き付けてもよい。この場合に
は、燃料極のみを焼き付けるための前処理行程を省略で
きる。

【００４７】

【実施例】円筒形の固体電解質型燃料電池セルを共焼結
により作製するため、まず円筒状空気極成形体を以下の
ようにして作製した。市販の純度９９．９％以上のＬａ
₂Ｏ₃、ＣａＣＯ₃、Ｍｎ₂Ｏ₃を出発原料として、こ
れをＬａ_0.8Ｃａ_0.2ＭｎＯ₃の組成になるように秤量
混合した後、１５００℃で３時間仮焼し粉砕して平均粒
径が５μｍの固溶体粉末を得た。また、この固溶体粉末
にバインダーを添加し、押し出し成型法で円筒状の空気
極成形体を作製した。前記空気極成形体は、乾燥後１２
５０℃で１０時間脱バインダー・仮焼することにより円
筒状の空気極仮焼体を作製した。

【００４８】次に、共沈法により得られたＹ₂Ｏ₃を８
ｍｏｌ％の割合で含有する平均粒径が１μｍのＺｒＯ₂
粉末に、トルエンとバインダーを添加してスラリーを調
整し、ドクターブレード法により厚み１３０μｍの固体
電解質シートを作製した。

【００４９】次に、市販の純度９９．９％以上のＬａ₂
Ｏ₃、Ｃｒ₂Ｏ₃、ＭｇＯを出発原料として、これをＬ
ａ（Ｍｇ_0.3Ｃｒ_0.7）_0.97Ｏ₃の組成になるように秤
量混合した後、１５００℃で３時間仮焼し粉砕して、平
均粒径が２μｍの固溶体粉末を得た。次に、この固溶体
粉末にトルエンとバインダーを添加してスラリーを調整
し、ドクターブレード法により厚み１３０μｍの集電体
シートを作製した。

【００５０】前記円筒状空気極仮焼体に前記固体電解質
シートをロール状に巻き付け、１１００℃で３時間の仮
焼を行った。仮焼後、集電体シートの積層箇所となる固
体電解質の表面を平面研磨し、露出した空気極仮焼体ま
で表面上を平面研磨し、前記集電体シートを所定箇所に
帯状に巻き付けた。その後、大気中１５００℃で６時間
の条件で共焼結を試みた。

【００５１】共焼結後、ＮｉＯ粉末にＺｒＯ₂（１０ｍ
ｏｌ％Ｙ₂Ｏ₃含有）粉末を重量比８０：２０の割合で
混合した混合粉末に水を溶媒として加えて燃料極スラリ
ーを調整し、厚み５０μｍの燃料極スラリーを積層焼結
体表面に塗布乾燥し、外径約１５ｍｍ、厚み２ｍｍのセ
ル本体を作製した。

【００５２】次に、Ｙ₂Ｏ₃を３ｍｏｌ％の割合でそれ
ぞれ含有する平均粒径が１μｍのＺｒＯ₂粉末に水を溶
媒として加えてスラリーを調整し、このスラリーにセル
本体の一端部を浸潰し、ディッピング法により、厚み１
００μｍのセラミックススラリーをセルの片端部の外周
面に塗布し、１２０℃で１時間乾燥した。

【００５３】次に、封止部材としてのキャップ形状の成
形体を作製する。まず、前記スラリー組成と同じ組成で
ある、Ｙ₂Ｏ₃を３ｍｏｌ％の割合でそれぞれ含有する
平均粒径が１μｍのＺｒＯ₂系の粉末を用いて静水圧成
形（ラバープレス）を行いキャップ形状に切削加工し
た。その後、前記スラリーを被覆した前記セル片端部を
封止部材用成形体に挿入した。

【００５４】セル本体の外周面と当接し、セル本体を締
め付ける封止部材用成形体の円筒部の肉厚ｔを０．７ｍ
ｍに設定した。

【００５５】その後、大気中で１４００℃で２時間の焼
成を行うことにより、燃料極層を形成するとともに、セ
ル本体の一端部外周面にガスシール層を介してキャップ
形状成形の封止部材を嵌合した。封止部材の全長を
Ｌ₁、円筒部の深さをＬ₂、基底部の外径をＤ₁、円筒
部の外径をＤ₂、円筒部の内径をＤ₃とした時のＤ₁／
Ｄ₂、Ｌ₂／Ｌ₁、Ｌ₂／Ｄ₃の値を表１に示す。

【００５６】そして、封止を行わなかった側のセル本体
の開口端から、外気圧に対しセル本体内部の内気圧を外
気圧よりも＋１ｋｇｆ／ｃｍ²高くなるようにＡｉｒを
加圧して注入し、これを水没させ、気泡の発生の有無に
より、リークの有無を判断した。

【００５７】また、この試料をＡｉｒ雰囲気１０００℃
の高温下に放置し、途中１００時間、５００時間、１０
００時間経過時点で常温まで冷却して取り出し、封止を
行わなかった側の開口端から、外気圧に対しセル本体内
部の内気圧を外気圧よりも＋１ｋｇｆ／ｃｍ²高くなる
ようにＡｉｒを加圧して注入し、これを水没させ、気泡
の発生の有無により、リークの有無を判断した（高温負
荷試験）。さらに、Ａｉｒ雰囲気下で、常温から昇温速
度２００℃／ｈで１０００℃まで加熱し、そのまま１時
間放置し、その後降温速度２００℃／ｈで１０００℃か
ら常温まで冷却し、１時間放置する行程を１０サイクル
繰り返した後、上記と同様にしてリークの有無を判断し
た。

【００５８】さらに、セル内部をＡｉｒ雰囲気とし、セ
ル外部をＨ₂雰囲気として、１０００℃で１時間放置し
て還元処理試験を行い、上記と同様にしてリークの有無
を判断した。これらの結果を表１に記載した。

【００５９】

【表１】

【００６０】この表１より、本発明の試料では、焼結収
縮における応力による破損を防止でき、高温負荷試験、
サイクル負荷試験、還元処理試験においてリークがな
く、また破損もないことが判る。

【００６１】一方、Ｌ₂／Ｌ₁が０．３より小さい場合
や、Ｌ₂／Ｄ₃が０．３より小さい場合、封止部材が還
元処理試験において破損した。詳細には、封止部材が破
損して円筒部をセル本体に残して基底部がはずれてしま
った。同様の試料を再作製し、各負荷試験を実施する前
に封止部材の内底面とセル本体の断面の界面を観察した
ところ、隙間がみられた。これらは、円筒部の深さが十
分でなかったために、入炉から焼結までの課程で封止部
材がずれやすくなっていたために、封止部材の基底部の
内底面とセル本体の先端面の反応による固着が不十分に
なったためと考えられる。

【００６２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
セル本体の一端の封止を容易かつ確実に行うことができ
るとともに、発電用セル本体を炉内にセットする前に封
止状態を確認することができ、発電の際のガスシール性
が十分に保証され、長期的に安定したセル性能を維持で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体電解質型燃料電池セルの断面図で
ある。

【図２】セル本体に封止部材用成形体を挿入した断面図
である。

【図３】固体電解質型燃料電池セルのセル本体を示す斜
視図である。

【符号の説明】

１・・・空気極２・・・固体電解質３・・・燃料極４・・・集電体８・・・セル本体９・・・ガスシール層１１・・・封止部材１３・・・円筒部１４・・・基底部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円筒状の固体電解質の片面に空気極、他面
に燃料極が形成されるとともに、前記空気極または前記
燃料極に電気的に接続され、かつ外面に露出する集電体
を具備する円筒状のセル本体の一端部外周面に、基底部
と円筒部からなるセラミックス製の封止部材を外嵌して
なり、該封止部材の全長をＬ₁、前記円筒部の深さをＬ
₂、前記基底部の外径をＤ₁、前記円筒部の外径を
Ｄ₂、前記円筒部の内径をＤ₃とした時、Ｄ₁／Ｄ₂が
０．７８〜０．８４、Ｌ₂／Ｌ₁が０．３〜０．７、Ｌ
₂／Ｄ₃が０．３〜０．７の範囲を満足することを特徴
とする固体電解質型燃料電池セル。
【請求項２】セル本体の一端部外周面に、セラミックス
からなるガスシール層を介して封止部材を外嵌してなる
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
セル。