JPH0963605A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents
固体電解質型燃料電池Info
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- JPH0963605A JPH0963605A JP7233231A JP23323195A JPH0963605A JP H0963605 A JPH0963605 A JP H0963605A JP 7233231 A JP7233231 A JP 7233231A JP 23323195 A JP23323195 A JP 23323195A JP H0963605 A JPH0963605 A JP H0963605A
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- solid oxide
- oxide fuel
- cell
- atmosphere
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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】
【目的】熱応力に耐性があり，機械的強度に優れた構成
を備え、信頼性の高い固体電解質型燃料電池を提供す
る。 【構成】平板支持膜方式あるいは円筒型の固体電解質型
燃料電池において、セル基体３６Ａを、耐熱性の合金金
属材料の粉末にバインダーを加えてグリーン成形体と
し、これに焼結助剤を添加した後，真空雰囲気下あるい
は減圧不活性雰囲気下において焼成して得られる金属粉
末焼結体とする。耐熱性の合金金属材料の粉末には，粒
径が20μm ないし 100μm のFe-Cr-Al系の耐熱合金を、
バインダーにはステアリン酸あるいはセランダーを用い
る。真空雰囲気は0.1Torr 以下、減圧不活性雰囲気は、
窒素雰囲気あるいはアルゴン雰囲気であり、0.2Torr な
いし0.5Torr である。
を備え、信頼性の高い固体電解質型燃料電池を提供す
る。 【構成】平板支持膜方式あるいは円筒型の固体電解質型
燃料電池において、セル基体３６Ａを、耐熱性の合金金
属材料の粉末にバインダーを加えてグリーン成形体と
し、これに焼結助剤を添加した後，真空雰囲気下あるい
は減圧不活性雰囲気下において焼成して得られる金属粉
末焼結体とする。耐熱性の合金金属材料の粉末には，粒
径が20μm ないし 100μm のFe-Cr-Al系の耐熱合金を、
バインダーにはステアリン酸あるいはセランダーを用い
る。真空雰囲気は0.1Torr 以下、減圧不活性雰囲気は、
窒素雰囲気あるいはアルゴン雰囲気であり、0.2Torr な
いし0.5Torr である。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、信頼性，特性及び熱
効率に優れる, 矩形平板型あるいは円筒型の固体電解質
型燃料電池に関する。
効率に優れる, 矩形平板型あるいは円筒型の固体電解質
型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】イットリア安定化ジルコニア(YSZ) 等の
酸化物イオン導電性固体電解質を用いる固体電解質型燃
料電池は、動作温度が 800℃ないし1000℃の高温なため
触媒が不要，メタン等の内部改質ができるため装置簡素
化可能，排熱利用による高効率化が可能であり、さら
に、水素と共に一酸化炭素も燃料として使用できるため
石炭ガス化との組合せに適する，電解質散逸の問題がな
く取扱い容易等の特徴をもち、また、ガスタービン等と
の複合発電も期待されるなど、次世代型の燃料電池とし
て有望視されている。
酸化物イオン導電性固体電解質を用いる固体電解質型燃
料電池は、動作温度が 800℃ないし1000℃の高温なため
触媒が不要，メタン等の内部改質ができるため装置簡素
化可能，排熱利用による高効率化が可能であり、さら
に、水素と共に一酸化炭素も燃料として使用できるため
石炭ガス化との組合せに適する，電解質散逸の問題がな
く取扱い容易等の特徴をもち、また、ガスタービン等と
の複合発電も期待されるなど、次世代型の燃料電池とし
て有望視されている。
【０００３】燃料に水素を用いた場合の電極反応は、以
下のようである。
下のようである。
【０００４】
【化１】 Ｈ2 ＋Ｏ2-→ Ｈ2Ｏ ＋ 2ｅ- ； アノード
【０００５】
【化２】 (1/2) Ｏ2 ＋ 2ｅ- → Ｏ2- ； カソード 図６に従来の矩形平板型の固体電解質型燃料電池の基本
構成を模式的に示す。図６において、セル基体（多孔質
アノード基板）３６は、例えばNi-YSZのサーメットから
成り、その表面にYSZ 固体電解質４０を, さらにその表
面に例えば LaMnO3 のカソード３８を形成して、セル３
５が構成される。セル３５を、燃料通流溝、あるいは空
気通流溝を備えたセパレータ３２で挟持し、各側面に燃
料あるいは空気の供給、排出用のマニホールドを組み込
んで矩形平板型の固体電解質型燃料電池が形成される。
上記のように、セル３５はセラミックス材料から構成さ
れており，その機械的強度はセル基体３６の強度に依存
している。
構成を模式的に示す。図６において、セル基体（多孔質
アノード基板）３６は、例えばNi-YSZのサーメットから
成り、その表面にYSZ 固体電解質４０を, さらにその表
面に例えば LaMnO3 のカソード３８を形成して、セル３
５が構成される。セル３５を、燃料通流溝、あるいは空
気通流溝を備えたセパレータ３２で挟持し、各側面に燃
料あるいは空気の供給、排出用のマニホールドを組み込
んで矩形平板型の固体電解質型燃料電池が形成される。
上記のように、セル３５はセラミックス材料から構成さ
れており，その機械的強度はセル基体３６の強度に依存
している。
【０００６】図７に従来の円筒縦縞型の固体電解質型燃
料電池の基本構成を模式的に示す。例えば特公平 1−59
705 号公報に、ウエスティングハウス社が開発している
円筒縦縞型の固体電解質型燃料電池が開示されている。
図７において、セル基体管（多孔質支持管）２６は例え
ばカルシウム安定化ジルコニア(CSZ) から成り、その外
側周囲には薄膜多孔質の例えば特開昭61−171064号公報
に開示されているLa(Sr)MnO3のカソード２８が形成され
る。カソード２８の外側周囲にはYSZ 固体電解質３０
を, またその外側周囲には不連続部分を含む例えばNi-Y
SZのサーメットであるアノード２４を, さらにその一部
外側周囲には例えば特開昭61−259462号公報に開示され
ているLa(Mg)CrO3のインターコネクタ２２を形成するこ
とによりセル２５が構成される。この場合もセル２５の
機械的強度はセル基体管２６の強度に依存している。
料電池の基本構成を模式的に示す。例えば特公平 1−59
705 号公報に、ウエスティングハウス社が開発している
円筒縦縞型の固体電解質型燃料電池が開示されている。
図７において、セル基体管（多孔質支持管）２６は例え
ばカルシウム安定化ジルコニア(CSZ) から成り、その外
側周囲には薄膜多孔質の例えば特開昭61−171064号公報
に開示されているLa(Sr)MnO3のカソード２８が形成され
る。カソード２８の外側周囲にはYSZ 固体電解質３０
を, またその外側周囲には不連続部分を含む例えばNi-Y
SZのサーメットであるアノード２４を, さらにその一部
外側周囲には例えば特開昭61−259462号公報に開示され
ているLa(Mg)CrO3のインターコネクタ２２を形成するこ
とによりセル２５が構成される。この場合もセル２５の
機械的強度はセル基体管２６の強度に依存している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、固体電解質型
燃料電池はその実現に際し、セラミックスが主要構成材
料であるため熱応力により破損し易く，多くの開発課題
を有している。矩形平板型においては、Ni-YSZのセル基
体 (多孔質アノード基板) は, セラミックス法により N
iO粉末と YSZ粉末から得たNiO-YSZ を燃料電池動作時に
燃料ガスにて還元して作製されるが、動作終了時には N
i-YSZ の一部が酸化されて NiO-YSZになり、室温と最高
動作温度のヒートサイクルにおける Ni-YSZ/NiO-YSZ 組
成比変化に伴う相変態によって熱膨張係数，ヤング率及
び機械的強度が変化するため、セル基体の部分的な破損
が生じる。さらに、電極／電解質及び電極／セパレータ
間の界面反応・相互拡散によって絶縁物層が生成すると
いった変質, 燃料電池動作時にアノードの Ni がシンタ
リングする等のセル特性劣化が生じる。
燃料電池はその実現に際し、セラミックスが主要構成材
料であるため熱応力により破損し易く，多くの開発課題
を有している。矩形平板型においては、Ni-YSZのセル基
体 (多孔質アノード基板) は, セラミックス法により N
iO粉末と YSZ粉末から得たNiO-YSZ を燃料電池動作時に
燃料ガスにて還元して作製されるが、動作終了時には N
i-YSZ の一部が酸化されて NiO-YSZになり、室温と最高
動作温度のヒートサイクルにおける Ni-YSZ/NiO-YSZ 組
成比変化に伴う相変態によって熱膨張係数，ヤング率及
び機械的強度が変化するため、セル基体の部分的な破損
が生じる。さらに、電極／電解質及び電極／セパレータ
間の界面反応・相互拡散によって絶縁物層が生成すると
いった変質, 燃料電池動作時にアノードの Ni がシンタ
リングする等のセル特性劣化が生じる。
【０００８】円筒型は、現在最も開発が進んでいるタイ
プであるが、下記の課題を有している。La(Sr)MnO3 (カ
ソード) ／電解質間で反応が生じてしまうこと，カソー
ドにおいて La(Sr)MnO3 が焼結して起こる多結晶体化
(シンタリング) 及びアノードにおける Ni の凝集・シ
ンタリングによるセル特性劣化である。これらを解決す
るために、矩形平板型では，部分安定化ジルコニアの採
用，電解質へのアルミナ添加，ヒートサイクルにおける
セル温度分布均一化等、円筒型では，電極微細構造の最
適化，アノード支持管の気孔径制御等の様々な検討がな
されている。
プであるが、下記の課題を有している。La(Sr)MnO3 (カ
ソード) ／電解質間で反応が生じてしまうこと，カソー
ドにおいて La(Sr)MnO3 が焼結して起こる多結晶体化
(シンタリング) 及びアノードにおける Ni の凝集・シ
ンタリングによるセル特性劣化である。これらを解決す
るために、矩形平板型では，部分安定化ジルコニアの採
用，電解質へのアルミナ添加，ヒートサイクルにおける
セル温度分布均一化等、円筒型では，電極微細構造の最
適化，アノード支持管の気孔径制御等の様々な検討がな
されている。
【０００９】かかる状況に対して、本発明者は、すでに
特開平６−２５５９２６号に開示されているように、例
えば Ni-Cr-W系の耐熱合金粉末を用いて成形体を形成
し、これを減圧不活性雰囲気において 1100 〜 1300 ℃
で焼結して得られる多孔質金属粉末焼結体を、矩形平板
型のセル基体、あるいは円筒型のセル基体管に適用する
ことにより、機械的強度に優れ、構造的に信頼性の高い
固体電解質型燃料電池が得られることを明らかにし、出
願している。しかしながら、本構成にあっても、上記の
多孔質金属粉末焼結体と電解質の YSZの熱膨張係数に差
があるため、運転時間が数万時間から数十万時間に達
し、対応して熱サイクルが最低でも数十回以上となると
不具合の発生が危惧され、さらに Ni-Cr-W系の多孔質金
属粉末焼結体では、長時間の運転に伴い、図８に示した
ＳＥＭ（Scanning Electron Microscopy）写真に見られ
るごとく、クロミアCr2O3 （黒色で表示）が多孔質金属
粉末焼結体組織（白色で表示）の気孔（灰色で表示）を
閉塞する形態で生成する事態となる可能性があり、更な
る改善が必要である。
特開平６−２５５９２６号に開示されているように、例
えば Ni-Cr-W系の耐熱合金粉末を用いて成形体を形成
し、これを減圧不活性雰囲気において 1100 〜 1300 ℃
で焼結して得られる多孔質金属粉末焼結体を、矩形平板
型のセル基体、あるいは円筒型のセル基体管に適用する
ことにより、機械的強度に優れ、構造的に信頼性の高い
固体電解質型燃料電池が得られることを明らかにし、出
願している。しかしながら、本構成にあっても、上記の
多孔質金属粉末焼結体と電解質の YSZの熱膨張係数に差
があるため、運転時間が数万時間から数十万時間に達
し、対応して熱サイクルが最低でも数十回以上となると
不具合の発生が危惧され、さらに Ni-Cr-W系の多孔質金
属粉末焼結体では、長時間の運転に伴い、図８に示した
ＳＥＭ（Scanning Electron Microscopy）写真に見られ
るごとく、クロミアCr2O3 （黒色で表示）が多孔質金属
粉末焼結体組織（白色で表示）の気孔（灰色で表示）を
閉塞する形態で生成する事態となる可能性があり、更な
る改善が必要である。
【００１０】この発明は、熱応力に耐性があり，機械的
強度に優れた構成を備え、さらに長時間運転に対しても
信頼性の高い固体電解質型燃料電池を提供することを目
的とする。
強度に優れた構成を備え、さらに長時間運転に対しても
信頼性の高い固体電解質型燃料電池を提供することを目
的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記の目的は、まず、燃
料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて直流電力を発生す
るセルが、固体電解質体と, 該電解質体を挟んでそれぞ
れ配設された燃料電極 (アノード) と酸化剤電極 (カソ
ード) と，セル基体とを有する固体電解質型燃料電池に
おいて、セル基体を、Fe−CrベースAl添加（Fe−Cr−A
l）系の耐熱合金の粉末にバインダーを加えて，グリー
ン成形体を形成し、該グリーン成形体に焼結助剤を添加
し、不活性雰囲気下において焼成して形成される金属粉
末焼結体から形成することにより達成される。
料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて直流電力を発生す
るセルが、固体電解質体と, 該電解質体を挟んでそれぞ
れ配設された燃料電極 (アノード) と酸化剤電極 (カソ
ード) と，セル基体とを有する固体電解質型燃料電池に
おいて、セル基体を、Fe−CrベースAl添加（Fe−Cr−A
l）系の耐熱合金の粉末にバインダーを加えて，グリー
ン成形体を形成し、該グリーン成形体に焼結助剤を添加
し、不活性雰囲気下において焼成して形成される金属粉
末焼結体から形成することにより達成される。
【００１２】また、上記の固体電解質型燃料電池におい
て、耐熱性の合金金属材料の粉末を、その平均粒径が20
μm ないし 100μm の範囲とすることにより達成され
る。また、上記の固体電解質型燃料電池において、金属
粉末焼結法に、バインダーとしてステアリン酸, あるい
はセランダーを用いることにより達成される。
て、耐熱性の合金金属材料の粉末を、その平均粒径が20
μm ないし 100μm の範囲とすることにより達成され
る。また、上記の固体電解質型燃料電池において、金属
粉末焼結法に、バインダーとしてステアリン酸, あるい
はセランダーを用いることにより達成される。
【００１３】また、上記の固体電解質型燃料電池におい
て、不活性雰囲気を、真空雰囲気、あるいは、窒素雰囲
気またはアルゴン雰囲気の減圧不活性雰囲気とすること
により達成される。また、上記の固体電解質型燃料電池
において、真空雰囲気は0.2Torr 以下、また減圧不活性
雰囲気は、0.2Torr ないし5Torrの範囲とすることによ
り達成される。
て、不活性雰囲気を、真空雰囲気、あるいは、窒素雰囲
気またはアルゴン雰囲気の減圧不活性雰囲気とすること
により達成される。また、上記の固体電解質型燃料電池
において、真空雰囲気は0.2Torr 以下、また減圧不活性
雰囲気は、0.2Torr ないし5Torrの範囲とすることによ
り達成される。
【００１４】また、上記の固体電解質型燃料電池におい
て、グリーン成形体を、不活性雰囲気下において,1100
℃ないし1200℃の範囲内で焼成することにより達成され
る。
て、グリーン成形体を、不活性雰囲気下において,1100
℃ないし1200℃の範囲内で焼成することにより達成され
る。
【００１５】
【作用】多孔質のセル基体を、耐熱性の合金金属材料の
粉末による焼結体としたため、後述するように、延性に
富み熱応力に耐性があり、また、機械的強度に優れた、
信頼性の高い固体電解質型燃料電池が得られる。
粉末による焼結体としたため、後述するように、延性に
富み熱応力に耐性があり、また、機械的強度に優れた、
信頼性の高い固体電解質型燃料電池が得られる。
【００１６】
【実施例】以下の実施例においては、図６及び図７に示
した模式図と同一部分には同じ符号を付した。 実施例１；セル基体の原料である平均粒径が 20 μm の
Fe-18Cr-5Al の組成の耐熱合金の粉末に, バインダーと
して 3wt% のステアリン酸を加えたものを, 一軸プレス
を用いて成形しグリーン成形体を得る。次に、これを真
空焼却炉を用いて、 0.2Torrの窒素雰囲気下にて、1120
℃で焼成する。このようにして得られた矩形平板型の多
孔質金属粉末焼結体のセル基体は、従来の Ni-YSZ サー
メットおよび先に出願した Ni-Cr-W系の多孔質金属粉末
焼結体のセル基体に対して表１に示すような特性を示し
た。表１において、本実施例における Fe-18Cr-5Al系の
セル基体の曲げ強度は、 Ni-Cr-W系のセル基体に比べる
と小さいが、従来の Ni-YSZ サーメットのセル基体に比
べて大幅に増大しており、十分大きな機械的強度を有し
ており、また延性も Ni-Cr-W系のセル基体とほぼ同等
で、熱応力に十分な耐性があることが分かる。さらに、
Ni-Cr-W系のセル基体では YSZ固体電解質との熱膨張係
数の差が大きく、大きな熱応力が YSZ固体電解質に加わ
ることが懸念されるのに対して、本発明の Fe-18Cr-5Al
系のセル基体の熱膨張係数は YSZ固体電解質の熱膨張係
数 10.2 ×10-6〔Ｋ-1〕に極めて近いので、生じる熱応
力が微小となり、YSZ 固体電解質のセル基体からの剥離
が抑制されることとなる。
した模式図と同一部分には同じ符号を付した。 実施例１；セル基体の原料である平均粒径が 20 μm の
Fe-18Cr-5Al の組成の耐熱合金の粉末に, バインダーと
して 3wt% のステアリン酸を加えたものを, 一軸プレス
を用いて成形しグリーン成形体を得る。次に、これを真
空焼却炉を用いて、 0.2Torrの窒素雰囲気下にて、1120
℃で焼成する。このようにして得られた矩形平板型の多
孔質金属粉末焼結体のセル基体は、従来の Ni-YSZ サー
メットおよび先に出願した Ni-Cr-W系の多孔質金属粉末
焼結体のセル基体に対して表１に示すような特性を示し
た。表１において、本実施例における Fe-18Cr-5Al系の
セル基体の曲げ強度は、 Ni-Cr-W系のセル基体に比べる
と小さいが、従来の Ni-YSZ サーメットのセル基体に比
べて大幅に増大しており、十分大きな機械的強度を有し
ており、また延性も Ni-Cr-W系のセル基体とほぼ同等
で、熱応力に十分な耐性があることが分かる。さらに、
Ni-Cr-W系のセル基体では YSZ固体電解質との熱膨張係
数の差が大きく、大きな熱応力が YSZ固体電解質に加わ
ることが懸念されるのに対して、本発明の Fe-18Cr-5Al
系のセル基体の熱膨張係数は YSZ固体電解質の熱膨張係
数 10.2 ×10-6〔Ｋ-1〕に極めて近いので、生じる熱応
力が微小となり、YSZ 固体電解質のセル基体からの剥離
が抑制されることとなる。
【００１７】
【表１】 なお、表１に示したセル基体の延性は、図３に示したご
とき方法[JIS R1601]で測定したものである。図３(a)
において、ａ＝ｂ＝10mmであり、用いた試料のサイズは
3mm×4mm ×40mmである。上部より圧力Ｐをクロスヘッ
ドスピード0.5mm/min にて加え、図３(b) に示したよう
に、試料にクラックが生じた際の圧力Ｐ方向の移動距離
をδmmとして、延性εは以下の式で求められる。
とき方法[JIS R1601]で測定したものである。図３(a)
において、ａ＝ｂ＝10mmであり、用いた試料のサイズは
3mm×4mm ×40mmである。上部より圧力Ｐをクロスヘッ
ドスピード0.5mm/min にて加え、図３(b) に示したよう
に、試料にクラックが生じた際の圧力Ｐ方向の移動距離
をδmmとして、延性εは以下の式で求められる。
【００１８】
【数１】ε＝δ／ａ 〔％〕 次に、上述のように本発明のセル基体の熱膨張係数は Y
SZ電解質の熱膨張係数とほぼ同等であり、熱サイクルに
伴いセル基体上にて形成されるYSZ 電解質の剥離の懸念
は従来に比べて小さいが、確認のため下記のように剥離
の発生の有無を検討した。
SZ電解質の熱膨張係数とほぼ同等であり、熱サイクルに
伴いセル基体上にて形成されるYSZ 電解質の剥離の懸念
は従来に比べて小さいが、確認のため下記のように剥離
の発生の有無を検討した。
【００１９】先ず、厚さ3mm のセル基体上にプラズマ溶
射によって約 200μm のYSZ 電解質を形成し、それを水
素雰囲気中において、 昇温速度100 ℃/hで室温から1000℃に昇温する。 1000℃にて2h保持する。 降温速度100 ℃/hで1000℃から室温に降温する。 を１サイクルとしたヒートサイクル試験を10回繰り返し
た。この結果、YSZ 溶射膜は剥離せず, またクラックも
生じなかった。これは、セル基体と YSZ電解質の熱膨張
係数とほぼ同等であること、および十分な延性をもつこ
とによるものと推察される。
射によって約 200μm のYSZ 電解質を形成し、それを水
素雰囲気中において、 昇温速度100 ℃/hで室温から1000℃に昇温する。 1000℃にて2h保持する。 降温速度100 ℃/hで1000℃から室温に降温する。 を１サイクルとしたヒートサイクル試験を10回繰り返し
た。この結果、YSZ 溶射膜は剥離せず, またクラックも
生じなかった。これは、セル基体と YSZ電解質の熱膨張
係数とほぼ同等であること、および十分な延性をもつこ
とによるものと推察される。
【００２０】図１は、得られた 5cm×5cm サイズの Fe-
18Cr-5Alの金属粉末焼結体をセル基体３６Ａに用いて矩
形平板型の単電池を構成した模式図である。本構成のセ
ル３５Ａにおいては、セル基体３６Ａを Fe-18Cr-5Alの
金属粉末焼結体にて構成した点が、図６に示した従来の
矩形平板型の固体電解質型燃料電池と異なる。図４は、
本単電池のセル特性に対する上記のヒートサイクル試験
の影響を図示したものである。図中Ａで表示の特性は、
図１に示した本発明の単電池の、ヒートサイクルを１〜
２０回行った場合の特性である。また、Ｂ、Ｃで表示し
た特性は、先願の Ni-Cr-W系のセル基体を用いた単電池
において、それぞれヒートサイクルを１回行った場合と
２０回行った場合の特性である。先願のセル基体用いた
単電池ではヒートサイクルによるセル特性の劣化が認め
られるが、本発明型のセル基体用いた単電池では特性の
劣化は見られなかった。
18Cr-5Alの金属粉末焼結体をセル基体３６Ａに用いて矩
形平板型の単電池を構成した模式図である。本構成のセ
ル３５Ａにおいては、セル基体３６Ａを Fe-18Cr-5Alの
金属粉末焼結体にて構成した点が、図６に示した従来の
矩形平板型の固体電解質型燃料電池と異なる。図４は、
本単電池のセル特性に対する上記のヒートサイクル試験
の影響を図示したものである。図中Ａで表示の特性は、
図１に示した本発明の単電池の、ヒートサイクルを１〜
２０回行った場合の特性である。また、Ｂ、Ｃで表示し
た特性は、先願の Ni-Cr-W系のセル基体を用いた単電池
において、それぞれヒートサイクルを１回行った場合と
２０回行った場合の特性である。先願のセル基体用いた
単電池ではヒートサイクルによるセル特性の劣化が認め
られるが、本発明型のセル基体用いた単電池では特性の
劣化は見られなかった。
【００２１】また、ヒートサイクル試験を行ったのち、
セルを解体して検査したが、YSZ 溶射膜の剥離やクラッ
クは認められず、また、ＳＥＭとＥＰＭＡ（Electron P
robeMicro Analyser ）での観察によれば、 Ni-Cr-W系
において観察されたクロミアCr2O3 の生成は認められ
ず、多孔質組織の気孔が閉塞される恐れのないことが確
認された。
セルを解体して検査したが、YSZ 溶射膜の剥離やクラッ
クは認められず、また、ＳＥＭとＥＰＭＡ（Electron P
robeMicro Analyser ）での観察によれば、 Ni-Cr-W系
において観察されたクロミアCr2O3 の生成は認められ
ず、多孔質組織の気孔が閉塞される恐れのないことが確
認された。
【００２２】実施例２；本実施例は、セル基体の原料と
して平均粒径が50μm と 100μm のFe-18Cr-5Al 組成の
耐熱合金粉末を用いた点を除けば実施例１と同一のもの
である。本実施例においても、実施例１と同様のセル特
性が得られた。 実施例３；本実施例においては、セル基体の原料として
平均粒径が50μm のFe-18Cr-5Al 組成の耐熱合金粉末を
用いて調整したグリーン成形体を、1100℃, 1140℃, 11
60℃, 1180℃, 1200℃の焼成温度で焼成し、実施例１と
同様のセル基体を得た。本実施例においても、実施例１
と同様のセル特性が得られた。
して平均粒径が50μm と 100μm のFe-18Cr-5Al 組成の
耐熱合金粉末を用いた点を除けば実施例１と同一のもの
である。本実施例においても、実施例１と同様のセル特
性が得られた。 実施例３；本実施例においては、セル基体の原料として
平均粒径が50μm のFe-18Cr-5Al 組成の耐熱合金粉末を
用いて調整したグリーン成形体を、1100℃, 1140℃, 11
60℃, 1180℃, 1200℃の焼成温度で焼成し、実施例１と
同様のセル基体を得た。本実施例においても、実施例１
と同様のセル特性が得られた。
【００２３】実施例４；本実施例においては、セル基体
の原料として平均粒径が50μm のFe-19Cr-4Al 、および
Fe-20Cr-3Al 組成の耐熱合金粉末を用いた点を除けば実
施例１と同一のものである。本実施例においても、実施
例１と同様のセル特性が得られた。 実施例５；本実施例においては、セル基体の原料として
平均粒径が50μm のFe-18Cr-5Al 組成の耐熱合金粉末を
用いて調整したグリーン成形体を、0.2Torr のアルゴン
雰囲気下、5 Torrの窒素雰囲気下、および0.08Torrの真
空雰囲気下において、それぞれ焼成し、実施例１と同様
のセル基体を得た。本実施例においても、実施例１と同
様のセル特性が得られた。
の原料として平均粒径が50μm のFe-19Cr-4Al 、および
Fe-20Cr-3Al 組成の耐熱合金粉末を用いた点を除けば実
施例１と同一のものである。本実施例においても、実施
例１と同様のセル特性が得られた。 実施例５；本実施例においては、セル基体の原料として
平均粒径が50μm のFe-18Cr-5Al 組成の耐熱合金粉末を
用いて調整したグリーン成形体を、0.2Torr のアルゴン
雰囲気下、5 Torrの窒素雰囲気下、および0.08Torrの真
空雰囲気下において、それぞれ焼成し、実施例１と同様
のセル基体を得た。本実施例においても、実施例１と同
様のセル特性が得られた。
【００２４】実施例６；セル基体管（多孔質支持管）の
原料粉末として平均粒径が20μm のFe-18Cr-5Al 組成の
耐熱合金粉末を用い、バインダーとして10wt% のセラン
ダーを加え、ニーダーで十分に攪拌して粘土状とした
後、押出成形にて円筒型のグリーン成形体を成形する。
次に、真空焼結炉を用いて0.2Torr の窒素雰囲気下に
て、1120℃で焼成する。このようにして得られた多孔質
の円筒型の金属粉末焼結体は、ガス透過率、曲げ強度、
熱膨張係数等いずれも実施例１とほぼ同等の良好な値を
示した。
原料粉末として平均粒径が20μm のFe-18Cr-5Al 組成の
耐熱合金粉末を用い、バインダーとして10wt% のセラン
ダーを加え、ニーダーで十分に攪拌して粘土状とした
後、押出成形にて円筒型のグリーン成形体を成形する。
次に、真空焼結炉を用いて0.2Torr の窒素雰囲気下に
て、1120℃で焼成する。このようにして得られた多孔質
の円筒型の金属粉末焼結体は、ガス透過率、曲げ強度、
熱膨張係数等いずれも実施例１とほぼ同等の良好な値を
示した。
【００２５】図２は、得られた円筒状の金属粉末焼結体
をセル基体管２６Ａに用いて構成した長さ10cm, 直径2c
m の単電池の模式図である。セル２５Ａにおいては、セ
ル基体管２６Ａを上述のように金属粉末焼結体にて構成
し、内壁にPtネットからなる集電極６を、また外壁にNi
フェルトからなる集電極７を用いた点が、図７に示した
従来の円筒縦縞型の固体電解質型燃料電池と異なる。
をセル基体管２６Ａに用いて構成した長さ10cm, 直径2c
m の単電池の模式図である。セル２５Ａにおいては、セ
ル基体管２６Ａを上述のように金属粉末焼結体にて構成
し、内壁にPtネットからなる集電極６を、また外壁にNi
フェルトからなる集電極７を用いた点が、図７に示した
従来の円筒縦縞型の固体電解質型燃料電池と異なる。
【００２６】図５は、図２に示した円筒状の単電池につ
いて，実施例１に示したものと同一のヒートサイクル試
験を20回実施した時の、１回目と20回目のセル特性を示
したものである。実施例１の平板型と同様に、本円筒型
においてもヒートサイクルによる特性劣化は認められ
ず、ヒートサイクルに対して優れた耐久性を有している
ことが明らかとなった。また、試験終了後セルを解体し
たところ，平板型と同様にYSZ 溶射膜の剥離, クラック
は認められなかった。
いて，実施例１に示したものと同一のヒートサイクル試
験を20回実施した時の、１回目と20回目のセル特性を示
したものである。実施例１の平板型と同様に、本円筒型
においてもヒートサイクルによる特性劣化は認められ
ず、ヒートサイクルに対して優れた耐久性を有している
ことが明らかとなった。また、試験終了後セルを解体し
たところ，平板型と同様にYSZ 溶射膜の剥離, クラック
は認められなかった。
【００２７】なお、実施例１〜６における前述の説明で
は、矩形平板型と円筒縦縞型の固体電解質型燃料電池に
関して述べてきたが、これに限定されるものではなく、
例えば円形平板型や，円筒横縞型等の固体電解質型燃料
電池について本発明は適用され得るものである。また、
矩形平板型の固体電解質型燃料電池において、本発明の
実施例では多孔質のセル基体（多孔質アノード基板）３
６Ａをアノードを兼ねて構成しているが、セル基体が多
孔質カソード基板であってカソードを兼ねた場合や、ア
ノード，カソード及びセル基体をそれぞれ別に構成した
場合にも、本発明は適用される。
は、矩形平板型と円筒縦縞型の固体電解質型燃料電池に
関して述べてきたが、これに限定されるものではなく、
例えば円形平板型や，円筒横縞型等の固体電解質型燃料
電池について本発明は適用され得るものである。また、
矩形平板型の固体電解質型燃料電池において、本発明の
実施例では多孔質のセル基体（多孔質アノード基板）３
６Ａをアノードを兼ねて構成しているが、セル基体が多
孔質カソード基板であってカソードを兼ねた場合や、ア
ノード，カソード及びセル基体をそれぞれ別に構成した
場合にも、本発明は適用される。
【００２８】又、円筒縦縞型及び支持膜平板型の固体電
解質型燃料電池においては、酸化剤ガスによって, 金属
である多孔質セル基板が酸化されるのを防止するため
に, セル基板上に例えばLaMnO3をコートしてもよい。
解質型燃料電池においては、酸化剤ガスによって, 金属
である多孔質セル基板が酸化されるのを防止するため
に, セル基板上に例えばLaMnO3をコートしてもよい。
【００２９】
【発明の効果】この発明においては、多孔質のセル基体
を、例えばFe−Cr−Al系の耐熱性の合金金属材料の粉末
による焼結体としたため、熱応力に耐性があり，機械的
強度に優れた構成を備え、さらに長時間運転に対しても
信頼性の高い固体電解質型燃料電池を提供することが可
能となる。
を、例えばFe−Cr−Al系の耐熱性の合金金属材料の粉末
による焼結体としたため、熱応力に耐性があり，機械的
強度に優れた構成を備え、さらに長時間運転に対しても
信頼性の高い固体電解質型燃料電池を提供することが可
能となる。
【図１】本発明の実施例に係る平板型の固体電解質型燃
料電池の単電池を示す模式図
料電池の単電池を示す模式図
【図２】本発明の異なる実施例に係る円筒型の固体電解
質型燃料電池の単電池を示す模式図
質型燃料電池の単電池を示す模式図
【図３】延性試験の測定の原理図
【図４】ヒートサイクル試験による本発明のセル基体の
特性を従来例と比較して示した特性図
特性を従来例と比較して示した特性図
【図５】ヒートサイクル試験による本発明のセル基体管
の特性図
の特性図
【図６】従来の矩形平板型固体電解質型燃料電池の基本
構成を示す模式図
構成を示す模式図
【図７】従来の円筒縦縞型固体電解質型燃料電池の基本
構成を示す模式図
構成を示す模式図
【図８】本発明に係わる金属組織のＳＥＭ写真
36 セル基体（多孔質アノード基板） 36A セル基体（多孔質アノード基板） 40 YSZ 固体電解質 38 カソード35 セル35A セル 26 セル基体管 (多孔質支持管)26A セル基体管 (多孔質支持管) 28 カソード 30 YSZ 固体電解質 24 アノード 22 インターコネクタ25 セル25A セル 6 集電極 (Ptネット) 7 集電極 (Niフェルト)
Claims (6)
- 【請求項１】燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて直
流電力を発生するセルが、固体電解質体と, 該電解質体
を挟んでそれぞれ配設された燃料電極 (アノード) と酸
化剤電極 (カソード) と，セル基体とを有する固体電解
質型燃料電池において、セル基体が、 Fe−CrベースAl添加（Fe−Cr−Al）系の耐熱合金の粉末
にバインダーを加えて，グリーン成形体を形成し、該グ
リーン成形体に焼結助剤を添加し、不活性雰囲気下にお
いて焼成して形成される金属粉末焼結体からなることを
特徴とする固体電解質型燃料電池。 - 【請求項２】請求項１記載の固体電解質型燃料電池にお
いて、 耐熱性の合金金属材料の粉末は、その平均粒径が20μm
ないし 100μm の範囲とすることを特徴とする固体電解
質型燃料電池。 - 【請求項３】請求項１ないし２記載の固体電解質型燃料
電池において、 バインダーは、ステアリン酸, あるいはセランダーを用
いることを特徴とする固体電解質型燃料電池。 - 【請求項４】請求項１ないし３記載の固体電解質型燃料
電池において、 不活性雰囲気は、真空雰囲気、あるいは、窒素雰囲気ま
たはアルゴン雰囲気の減圧不活性雰囲気であることを特
徴とする固体電解質型燃料電池。 - 【請求項５】請求項４記載の固体電解質型燃料電池にお
いて、 真空雰囲気は0.2Torr 以下、また減圧不活性雰囲気は、
0.2Torr ないし5Torrの範囲とすることを特徴とする固
体電解質型燃料電池。 - 【請求項６】請求項１ないし５記載の固体電解質型燃料
電池において、 グリーン成形体は、不活性雰囲気下において,1100 ℃な
いし1200℃の範囲内で焼成されたものであることを特徴
とする固体電解質型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7233231A JPH0963605A (ja) | 1995-08-18 | 1995-08-18 | 固体電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7233231A JPH0963605A (ja) | 1995-08-18 | 1995-08-18 | 固体電解質型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0963605A true JPH0963605A (ja) | 1997-03-07 |
Family
ID=16951815
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7233231A Pending JPH0963605A (ja) | 1995-08-18 | 1995-08-18 | 固体電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0963605A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002505512A (ja) * | 1998-02-27 | 2002-02-19 | コーニング インコーポレイテッド | 可撓性無機電解質燃料電池構造 |
| JP2004259643A (ja) * | 2003-02-27 | 2004-09-16 | Sanyo Electric Co Ltd | 固体酸化物燃料電池 |
| JP2005100816A (ja) * | 2003-09-25 | 2005-04-14 | Kyocera Corp | 燃料電池セルの製法 |
| EP1376727A3 (en) * | 2002-05-29 | 2006-05-10 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Solid oxide fuel cell |
| JP2010073521A (ja) * | 2008-09-19 | 2010-04-02 | Tokyo Gas Co Ltd | 横縞型固体酸化物形燃料電池スタック及びその作製方法 |
| US9029044B2 (en) | 2009-03-12 | 2015-05-12 | Plansee Se | Interconnector for a high-temperature solid electrolyte fuel cell, method of producing a fuel cell, and high-temperature solid electrolyte fuel cell |
-
1995
- 1995-08-18 JP JP7233231A patent/JPH0963605A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002505512A (ja) * | 1998-02-27 | 2002-02-19 | コーニング インコーポレイテッド | 可撓性無機電解質燃料電池構造 |
| JP4873780B2 (ja) * | 1998-02-27 | 2012-02-08 | コーニング インコーポレイテッド | 可撓性無機電解質燃料電池構造 |
| EP1376727A3 (en) * | 2002-05-29 | 2006-05-10 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Solid oxide fuel cell |
| JP2004259643A (ja) * | 2003-02-27 | 2004-09-16 | Sanyo Electric Co Ltd | 固体酸化物燃料電池 |
| JP2005100816A (ja) * | 2003-09-25 | 2005-04-14 | Kyocera Corp | 燃料電池セルの製法 |
| JP2010073521A (ja) * | 2008-09-19 | 2010-04-02 | Tokyo Gas Co Ltd | 横縞型固体酸化物形燃料電池スタック及びその作製方法 |
| US9029044B2 (en) | 2009-03-12 | 2015-05-12 | Plansee Se | Interconnector for a high-temperature solid electrolyte fuel cell, method of producing a fuel cell, and high-temperature solid electrolyte fuel cell |
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