JPH10116624A

JPH10116624A - 固体電解質型燃料電池とその製造方法

Info

Publication number: JPH10116624A
Application number: JP8272360A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Iwazawa; 力岩澤; Mikiyuki Ono; 幹幸小野; Masataka Mochizuki; 正孝望月; Masakatsu Nagata; 雅克永田; Namiko Kaneda; 波子兼田
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1996-10-15
Filing date: 1996-10-15
Publication date: 1998-05-06

Abstract

(57)【要約】【課題】平板型固体電解質型燃料電池において、電池
セルとセパレータのシール部におけるの熱応力の発生を
抑制するとともに、シール部の化学的安定性を高め、気
密性の維持を図る。【解決手段】電池セルとセパレータとの境界面の端部
をシールするシール部を形成する工程が、アルミニウム
金属粉と前記固体電解質型燃料電池の動作温度より高い
融点を持つ酸化物の超微粉末とを混合し、添加助材とバ
インダーを加え、シール材原料を作製する工程と、前記
シール材原料を前記電池セルと前記セパレータの間の前
記シール部に挟み込む工程と、加圧しながら前記シール
部を３５０℃〜５５０℃の温度まで加熱する工程と、同
温度範囲でアルミニウム金属粉を酸化する工程と、前記
シール部を１０００℃〜１２００℃で焼成する工程とを
有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、平板型構造を有す
る固体電解質型燃料電池に関し、特に電池セルとセパレ
ータとのシール部に特徴を有する固体電解質型燃料電池
とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池の基本構造は、電解質とその両
側を挟む２つの電極より構成される。この２つの電極の
一方を燃料極、他方を空気極と呼ぶ。燃料極には外部よ
り水素ガス等の燃料ガスが供給され、空気極には外部よ
り空気等の酸化ガスが供給される。燃料電池は、これら
のガスの電気化学的反応により、電気エネルギーを生成
する。

【０００３】燃料電池は、用いる電解質の材料の種類に
よりいくつかの種別に分類される。固体電解質型燃料電
池（ＳＯＦＣ）は、電解質として、イオン導電性を有す
る酸化物固体を用いたものである。この酸化物固体、即
ち固体電解質が良好なイオン導電性を示すには、高温条
件が必要で有るため、通常、ＳＯＦＣは８００℃〜１２
００℃の温度条件で動作される。

【０００４】図６は、平板型のＳＯＦＣの構成例を示す
分解斜視図である。電池セル１０１は、支持体である板
状の空気極１０５と、空気極１０５の一方の面上に形成
される固体電解質１０４と、さらにその面上に形成され
る燃料極１０３から構成される。

【０００５】図６には、単一の電池セル１０１とその両
側のセパレータ１０２のみを示しているが、通常は、よ
り高い起電力を得る為に、セパレータ１０２を介して電
池セル１０１を複数個積層して用いる。以下、単に「セ
ル」と呼ぶ場合は、電池セル１０１とセパレータ１０２
を含めた構造を指すものとする。

【０００６】セパレータ１０２の両面には、隣接する電
池セル１０１の電極面に必要なガスを供給する為、通気
溝１０７、１０８が形成されている。燃料極１０３に隣
接する通気溝１０８には、矢印で示す方向に水素ガス等
の燃料ガスが供給され、空気極１０５に隣接する通気溝
１０７には、矢印に示す方向に空気が供給される。

【０００７】空気極１０５では、供給される酸素から酸
素イオンが生成される。この酸素イオンは、固体電解質
１０４を通り燃料極１０３に到達する。燃料極１０３で
は、この酸素イオンと燃料極１０３に供給される水素ガ
スとが反応し、電子を生成する。同時に副生成物として
水も生成される。

【０００８】固体電解質１０４は、高い酸素イオン導電
性を有し、８００℃〜１２００℃の電池の動作温度にお
ける酸化および還元雰囲気で、化学的に安定なことが必
要とされる。併せて、電子導電性を有さず、ガスを通さ
ないように気密性にすぐれた材料であることも望まれ
る。一般に、このような要件を充たす材料として、安定
化ジルコニア（ＹＳＺ）が選択される。

【０００９】燃料極１０３及び空気極１０５は、ガスが
内部まで侵入できるように多孔質体である。いずれもイ
オン導電性は有さず、高い電子導電性を示すことが必要
である。また、隣接する固体電解質１０４と熱膨張率が
近似していることが望まれる。

【００１０】燃料極１０３は、水素ガスに曝されるの
で、高温還元雰囲気で化学的に安定であることが必要で
あり、空気極１０５は、空気に曝される為、高温酸化雰
囲気で化学的に安定であることが必要である。

【００１１】一般には、燃料極１０３としては、ニッケ
ル（Ｎｉ）とＹＳＺのサーメット等、空気極１０５とし
ては、ランタンコバルトネート（ＬａＣｏＯ₃）やラン
タンマンガネート（ＬａＭｎＯ₃）を母体としたペロブ
スカイト型酸化物が選択されることが多い。

【００１２】セパレータ１０２は、一方の面に空気の通
気溝１０７、他方の面に水素ガスの通気溝１０８を有す
る為、高温の酸化および還元雰囲気で化学的に安定であ
ることが必要とされる。空気と水素ガスが互いに上下で
リークして接触することがないように気密性も必要であ
る。又、電池セルと熱膨張率が近似していることが望ま
しい。

【００１３】一方、セパレータ１０２は、複数の電池セ
ルを電気的に接続するインターコネクタとしての役目も
担う為、電子導電性が高いことも要求される。これらの
条件を充たすものとして、ランタンクロマイト系酸化物
（ＬａＣｒＯ₃）等がセパレータ材料として使用され
る。

【００１４】図６に示すように、セパレータ１０２の通
気溝１０７、１０８の両側端部には、セパレータ１０２
と電池セル１０１のシール部１０６、１１０が設けられ
る。通気溝１０７、１０８に供給される水素ガス等がセ
ル外部に漏れないように、シール部には気密性が要求さ
れる。

【００１５】通常、シール材としては、ガラスが用いら
れる。シール部１０６に帯状の薄板ガラスをのせ、この
状態で電池セル１０１とセパレータ１０２を組合わせ、
セル構造体を作る。上下より圧力をかけながらガラスの
溶融点以上に加熱することで、電池セル１０１とセパレ
ータ１０２の境界部をシールする。このガラスの種類と
しては、ほう珪酸ガラスが用いられることが多い。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】電池セル１０１とセパ
レータ１０２のシール部１０６、１１０には気密性が要
求される。水素等の燃料ガスは、小量の空気との接触に
より発火する為、燃料極１０３を表面に擁する固体電解
質１０４とセパレータ１０２とのシール部１０６は、特
に高い気密性の維持が要求される。

【００１７】しかしながら、従来シール材として用いら
れるほう珪酸ガラスの融点は約８３０℃程度であり、Ｓ
ＯＦＣの動作温度において溶融状態にある。通気溝１０
８に供給される燃料ガスのガス圧とセル外部の圧力差が
小さい場合には問題は少ないが、セルサイズが大型化
し、燃料ガスを高圧で供給する必要がでてくると、セル
内外のガス圧の差によって、溶融状態のシール部から燃
料ガスがリークする危険がある。

【００１８】シール材は、ＳＯＦＣの動作時において溶
融状態にあるが、動作終了後はセル温度の下降に従い固
化する。即ち、電池のヒートサイクルにおいて、シール
材は溶融状態と固化状態を行き来する。

【００１９】シール材が溶融状態にある場合は、シール
部がむしろ熱応力の緩衝材となる場合も多い。しかし、
セル温度が下がり、シール材が固化すると、シール材と
被シール材との熱膨張率の差が問題となる。例えば被シ
ール材である固体電解質１０４と空気極１０５の熱膨張
率が、約１０〜１１×１０^-6／℃であるのに対し、固化
状態のほう珪酸ガラスの熱膨張率は３〜４×１０^-6／℃
と小さい。この為、電池セル１０１とシール材の熱膨張
率の差に起因する熱応力の発生がセルの破壊を招くこと
がある。

【００２０】また、動作温度において、ＳｉＯ₂を主成
分とするほう珪酸ガラスからは、Ｓｉ、ＳｉＯ等のガス
が揮発する。これらの揮発成分は、ニッケルとＹＳＺの
サーメットである燃料極１０３と化合物を形成して、電
池特性の劣化を招くことがある。

【００２１】本発明は、上記問題に鑑みてなされたもの
であり、電池セルとセパレータ間のシール部の特性を改
善できる固体電解質型燃料電池とその製造方法を提供す
ることを目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明の固体電解質型燃
料電池の第１の特徴は、固体電解質、前記固体電解質の
一方の面に備えられる空気極および前記固体電解質の他
方の面に備えられる燃料極とを有する電池セルと、前記
電池セルの少なくとも一方の面に対向して備えられるセ
パレータと、前記電池セルと前記セパレータとの境界面
の端部をシールするシール部とを有する固体電解質型燃
料電池において、前記シール部がアルミニウム金属粉を
出発原料とし、前記アルミニウム金属粉を酸化すること
により得たアルミナと前記固体電解質型燃料電池の動作
温度より高い融点を持つ酸化物の超微粉末との焼結材を
シール材として有することである。

【００２３】上述の第１の特徴により、シール材は電池
の動作温度において溶融することなく固体状態を維持で
きる。よって、電池内に供給される燃料ガス等の圧力に
影響されず、シール部の気密性の維持が容易となる。酸
化物の超微粉末は、電池の動作温度以下の温度範囲で焼
結し、シール部をシールできる。

【００２４】さらに、酸化物の超微粉末の径を０．２μ
ｍ以下にすれば、より確実に電池の動作温度以下でシー
ル部を焼結させることができる。

【００２５】本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法
の第１の特徴は、前記電池セルと前記セパレータとの境
界面の端部をシールするシール部を形成する工程が、ア
ルミニウム金属粉と前記固体電解質型燃料電池の動作温
度より高い融点を持つ酸化物の超微粉末とを主成分とす
るシール材原料を作製する工程と、前記シール材原料
を、前記電池セルと前記セパレータの間の前記シール部
に挟み込みセル構造体を作製する工程と、前記シール部
を加圧しながら３５０℃〜５５０℃の温度まで加熱する
工程と、前記３５０℃〜５５０℃で、前記アルミニウム
金属粉を酸化する工程と、前記シール部を１０００℃〜
１２００℃で加圧焼成する工程とを有することである。

【００２６】上述の製造方法の第１の特徴により、３５
０℃以上に加熱されたアルミニウム金属粉は軟化し、加
圧により比較的容易に変形してシール部の間隙を埋め
る。また、アルミニウム金属粉は酸化されると、電池の
動作温度で固体状態を維持でき、化学的に安定な酸化ア
ルミニウム（アルミナ）に変わる。

【００２７】また、シール材中の酸化物の超微粉末は反
応性が高いので、電池セルの構成材料に特性変化を与え
ない温度範囲で焼結できる。この時、シール部は、アル
ミニウム金属粉の変形によりシール性が確保されている
ので、焼結の際特に高い加圧をかけなくてもシール性の
高いシール部を得ることができる。

【００２８】さらに、シール材原料を作製する工程にお
いて、酸化物の超微粉末のサイズを０．２μｍ以下にす
れば、より確実に電池の動作温度以下でシール部を焼結
させることができる。

【００２９】本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法
の第２の特徴は、前記シール材原料を作製する工程にお
いて、前記酸化物粉末として、９×１０^-6／℃以上１１
×１０^-6／℃以下の熱膨張率を有するものを使用するこ
とである。

【００３０】上述の製造方法の第２の特徴により、電池
セルおよびセパレータの熱膨張率と焼結体の熱膨張率が
近似するので、シール部に発生する熱応力を小さくする
ことができる。

【００３１】本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法
の第３の特徴は、前記酸化物の超微粉末として、主成分
が前記固体電解質の主成分と同じ材料を有するものを使
用することである。

【００３２】上述の製造方法の第３の特徴により、シー
ル部の熱膨張率をより電池セルの構成材料の熱膨張係数
に近似させることができ、シール部での熱応力の発生を
抑制することができる。

【００３３】本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法
の第４の特徴は、前記シール材原料を作製する工程にお
いて、前記アルミニウム金属粉と前記酸化物の超微粉末
との混合粉に対する前記アルミニウム金属粉の質量比
を、２０ｗｔ％〜３０ｗｔ％とすることである。

【００３４】上述の製造方法の第４の特徴により、アル
ミニウム金属粉からアルミナへの変化に伴う体積膨張の
影響を抑制し、かつ、より電池セルの構成材料と熱膨張
係数が近似する酸化物の超微粉末の混合比率を上げるこ
とにより、シール部の熱応力の発生を抑制することがで
きる。

【００３５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態における固体
電解質型燃料電池の製造工程について、図面を参照して
説明する。まず、図１（Ａ）〜図２を用いて、電池セル
とセパレータの製造工程について説明する。

【００３６】図１（Ａ）に示す空気極１１を、以下の手
順で作製する。この空気極１１は、電池セルの支持体を
兼ねる。

【００３７】平均粒径３〜１０μｍのペロブスカイト型
の結晶構造を有するランタンストロンチウムマンガネー
ト（ＬａＳｒＭｎＯ₃）粉末に、水を２０ｗｔ％、メチ
ルセルロース等のバインダーを１０ｗｔ％となるように
混合し、全体を良く混練して粘土状にする。次にこの粘
土状の原料を押し出し成型法を用いて板状に加工する。
同時に、その空気極１１の一方の面にシール材埋め込み
用の溝１２を形成する。

【００３８】押し出し成型法で得た板状体を大気雰囲気
中で焼成する。約１００℃／ｈｒの速度で徐々に温度を
上げる。途中、一定温度で水分とバインダーを蒸発させ
る。さらに、約１３００℃〜１５００℃に昇温し、約５
時間この温度を維持する。この条件の下、ＬａＳｒＭｎ
Ｏ₃の多孔質焼結体からなる空気極１１が形成される。
焼結後の空気極１１のサイズは５ｃｍ×５ｃｍ、厚み２
ｍｍとする。シール材埋め込み用の溝１２の大きさは、
深さ１ｍｍ、幅５ｍｍとする。

【００３９】次に、図１（Ｂ）に示すように、空気極１
１の表面上に、減圧プラズマ溶射法を用いて、ＹＳＺか
らなる固体電解質１３を形成する。この方法において
は、減圧雰囲気中でプラズマを発生させ、このプラズマ
でＹＳＺの粉末を溶融する。この溶融状態のＹＳＺを空
気極１１表面に吹き付け、約１００μｍ〜２００μｍの
ＹＳＺ膜を形成する。なお、同図に示すように、シール
部の溝１２の内壁もＹＳＺにより被覆される。減圧雰囲
気で成膜を行うことにより、緻密なＹＳＺ膜からなる固
体電解質１３を得ることができる。ここで用いるＹＳＺ
は、ジルコニア（ＺｒＯ₂）母材に８〜１０ｍｏｌ％の
イットリア（Ｙ₂Ｏ₃）を固溶させたものとする。

【００４０】図１（Ｃ）に示すように、大気圧プラズマ
溶射法を用いて、固体電解質１３の表面上に、厚み約５
０〜２００μｍの多孔質のＮｉとＹＳＺのサーメットか
らなる燃料極１４を形成する。

【００４１】大気圧プラズマ溶射法は、減圧プラズマ溶
射法と同様に、プラズマにより原料粉体を溶融させ、こ
の溶融状態の原料を基板に吹き付けることで膜を形成す
る方法である。但し、雰囲気圧力を大気圧とすることに
より、減圧プラズマ溶射法の場合に較べ多孔質な膜を形
成できる。

【００４２】なお、固体電解質１３上に枠状の薄い銅板
マスクを装着し、溶射を行うことにより、同図に示すよ
うに、固体電解質１３の中央部のみに約３ｃｍ×３ｃｍ
の電極面サイズを有する燃料極１４を形成する。

【００４３】ここまでの工程を経て、電池セル２０が形
成される。次に、電池セル２０上に備えるセパレータ１
５を以下の方法で作製する。

【００４４】先に説明した空気極１１の作製工程と同様
に、原料粉末に水とバインダーを混合し、混練により粘
土状としたものを押し出し成型し、その後、これを焼成
する工程を経てセパレータ１５を作製する。

【００４５】原料粉末としては、平均粒径０．１〜２５
μｍのランタンカルシアクロマイト（ＬａＣａＣｒ
Ｏ₃）を用いる。水を２０ｗｔ％、バインダーを１０ｗ
ｔ％とする。焼成温度条件は、大気中で１４００〜１６
００℃約５時間とする。

【００４６】図２に示すように、セパレータ１５は、燃
料極１４と対向することとなる面に燃料ガスの通気溝１
６を有するとともに、電池セル２０のシール部の溝１２
の凹部にはめ込む凸部が形成される。

【００４７】次に、図３（Ａ）〜図４を参照しながら、
本発明の特徴部分である電池セル２０とセパレータ１５
とのシール部の作製工程について説明する。

【００４８】まず、ＹＳＺの粉末とアルミニウム金属粉
を混合し、シール材原料の主成分となる混合粉を作製す
る。混合の質量比は、アルミニウム金属粉が全体の２０
〜３０ｗｔ％を占めるようにする。ここで、ＹＳＺの粉
末の粒径は、平均粒径０．５μｍ以下好ましくは０．２
μｍ以下とする。なお、本願ではこれらのサイズの粉末
を特に超微粉末と呼び他のサイズの粉末と区別すること
とする。

【００４９】ＹＳＺは固体電解質と同様に、ジルコニア
母材に８〜１０ｍｏｌ％イットリア（Ｙ₂Ｏ₃）を固溶さ
せたものを使用する。ＹＳＺの超微粉末は市販のもので
よい。一般に、市販の超微粉末は粉末自体の持つ凝集力
等を利用し、複数の超微粉末を５μｍ〜１０μｍ径の塊
に造粒させたものが多い。

【００５０】アルミニウム金属粉の粒径は、小さすぎる
と反応性が高く、取扱いが困難となるので、約２０μｍ
〜約３０μｍの径のものを用いる。

【００５１】上記混合粉原料に、添加助材としての水と
バインダーであるメチルセルロースを混合する。混合比
は、水を１５ｗｔ％、メチルセルロースを５ｗｔ％とす
る。全体を良く混練し粘土状とする。水分とメチルセル
ロースが蒸発しないように常温以下に維持しながら押し
出し成型法等を用いて、粘土状のシール材原料を棒状に
成型する。

【００５２】この棒状のシール材原料の径および長さ
は、溝１２の幅と深さに応じて適当に選択する。必ずし
も棒状である必要はなく、例えば帯状のものであっても
よい。

【００５３】図３（Ａ）に示すように、シール材原料１
７を電池セル２０上に形成したシール材埋め込み用溝１
２内にセットする。なお、図４は、この状態を分解斜視
図で示したものである。

【００５４】図３（Ｂ）に示すように、電池セル２０と
セパレータ１５とをはめ合わせ、セルの上下よりシール
部に圧力を加えていく。シール材原料１７は粘土状なの
で、溝１２の形に適合した形状に容易に変形し、溝１２
の底を埋める。

【００５５】通気溝１６に、酸素ガス（Ｏ₂）もしくは
空気を供給する。セルの上下よりシール部に圧力を加え
ながら、５０℃／ｈｒの昇温速度で、徐々にセル全体の
温度を上げていく。昇温の過程で、約６０℃および約３
５０℃で昇温を一時止め、水分とメチルセルロースをそ
れぞれ蒸発させる。シール材にはアルミニウム金属粉と
ＹＳＺの超微粉末のみが残され、この時点では各粉末間
に多くの間隙が存在すると考えられる。

【００５６】さらに、上下よりシール部に圧力を加えな
がら約４００℃程度まで昇温を行う。アルミニウム金属
粉は比較的低い温度である６６０℃に融点を有する為、
約３５０℃程度の温度を越えると、徐々に軟化して、シ
ール部に加わる圧力により変形していく。この変形によ
り、シール部に存在する間隙が次第に変形したアルミニ
ウム金属粉で埋められていく。この過程により、シール
部はシール性を確保できるようになる。

【００５７】セル温度が４００℃に達したら、この温度
でセルを一定時間維持する。通気溝１６には、酸素ガス
が供給されているので、上述の過程を経て変形したアル
ミニウム金属粉は表面より徐々に酸化され、アルミナ
（Ａｌ₂Ｏ₃）に変化していく。この間、シール部のシー
ル性はほぼ確保される。全てのアルミニウム金属粉が酸
化されるまでこの温度条件を維持する。例えば５時間程
度この条件を維持するとよい。

【００５８】アルミニウム金属粉をほぼアルミナに変化
させたら、通気溝１６に流すガスを酸素ガスから窒素ガ
スに切り替える。シール部をセル上下より加圧させた状
態を維持したまま、再度５０℃／ｈｒの昇温速度で徐々
にセルの温度を上げる。

【００５９】セル全体の温度が１０００℃〜１２００℃
に達したら、この温度を約５時間維持する。シール材原
料１７の主成分であるＹＳＺの超微粉末同士、およびＹ
ＳＺの超微粉末とアルミナとの境界面が焼結する。既に
シール部のシール性はほぼ確保されているので、焼結時
に行うシール部への加圧がそれほど強くない場合でも焼
結後のシール部のシール性は確保される。

【００６０】以上の工程を経て、電池セル２０とセパレ
ータ１５とがシールされ、平板型ＳＯＦＣ構造ができ
る。

【００６１】上述の実施の形態におけるシール工程で
は、ＹＳＺの超微粉末とアルミニウム金属粉とをシール
材原料として用いる点に特徴がある。上述したように、
アルミニウム金属粉は、加熱により軟化し、３５０℃〜
５５０℃の温度で加圧されることにより比較的容易に変
形してシール部の間隙を埋め、シール部のシール性を高
める。

【００６２】シール材原料にアルミニウム金属粉を混合
しないでＹＳＺの超微粉末の焼結のみでシール性の高い
シール部を形成しようとする場合は、焼結過程におい
て、シール部を強く加圧する必要がある。しかし実施の
形態のように、アルミニウム金属粉を混合する場合は、
アルミニウム金属粉の変形過程によりすでにシール部の
シール性がほぼ確保されているので、ＹＳＺの焼結時の
加圧条件を緩和できる。即ち、アルミニウム金属粉をシ
ール材原料に混入することにより、シール部はより簡便
で確実にシール性を確保できるようになる。

【００６３】また、変形後のアルミニウム金属粉は、酸
化させることで、電池動作温度範囲で固体状態を保ち、
化学的に安定なアルミナに変えることができる。なお、
上述の実施の形態では、４００℃の温度でアルミニウム
金属粉の酸化を進行させているが、この時の温度はアル
ミニウム金属の酸化が進行する温度以上であり、かつア
ルミニウム金属粉の融点未満の範囲であればよい。融点
を越えるとアルミニウム金属粉が液化してシール部の構
造を維持できなくなる為好ましくない。よって、例えば
３５０℃〜５５０℃の範囲の温度であればよいだろう。

【００６４】上述の実施の形態では、アルミニウム金属
粉をシール材原料粉体に２０〜３０ｗｔ％混入している
が、アルミニウムの量をこれより増やすと、アルミニウ
ムからアルミナへの変化に伴う体積膨張の影響が大き
く、シール部にクラックが発生しやすくなる。

【００６５】また、シール材原料粉体中のＹＳＺの超微
粉末の混合比率を高めると、セルの構成材料とシール材
との熱膨張差を少なくすることができる。これらの点よ
り、シール材原料粉体に対するアルミニウムの混入量
は、上述の実施の形態の範囲とすることが好ましい。

【００６６】一方、ＹＳＺの超微粉末は比表面積が大き
い為、反応性が高く、低温で焼結させることができる。
例えば、平均粒径数μｍ〜十数μｍのＹＳＺ粉末を用い
る場合、約１４００℃以上の焼結温度条件が必要である
が、超微粉末を用いれば，１０００℃〜１２００℃で焼
結が可能となる。

【００６７】セルの温度が１２００℃を越すと、電池セ
ルの構成材料、特に燃料極が特性変化を示す危険がある
が、上述のように、超微粉末を用いれば１２００℃以下
の温度で焼結が可能であるため、セル特性に影響を与え
ない範囲でＹＳＺを焼結させ、シール部をシールするこ
とができる。

【００６８】このようにして形成された電池セルとセパ
レータ間のシール部は、いずれも高温で化学的に安定な
セラミックス材料であるアルミナとＹＳＺで形成され、
電池の動作温度において固体状態を維持できるものであ
る。よって、従来のガラスシール材を用いた場合のよう
に、溶融状態のシール部からガスがリークする心配はな
い。

【００６９】また、ＹＳＺもアルミナも共に電池セルを
構成する材料と同じ、若しくは近似する熱膨張係数を有
しているので、電池動作に伴うヒートサイクルによって
も、シール部に熱応力が発生することは少ない。

【００７０】また、従来のガラスシール材を用いた場合
は、電池の動作温度でＳｉＯやＳｉ等の揮発成分を生成
し、これらの揮発成分が燃料極１４と反応し、電池動作
特性に影響を与えることがあったが、実施の形態のよう
にアルミナおよびＹＳＺからなるシール部からは、この
ような揮発成分を生じる恐れは少ない。

【００７１】なお、図４に示す様に、燃料極１４を擁す
る電池セル２０の一方の面には、固体電解質１３が枠状
に露出しており、露出した固体電解質１３上にシール部
が形成される。この構造では、多孔質の燃料電極１４を
介さずに、ともに緻密な構造を有するセパレータ１５と
固体電解質１３同士をシールするので、シール部の気密
性を上げることができる。

【００７２】上述するように、実施の形態のシール材の
焼成温度は、１０００℃〜１２００℃であり、通常のＳ
ＯＦＣの動作温度の範囲内にある。よって、電池セル２
０とセパレータ１５を組み上げ、実際の動作状態と同様
なセル構造体を形成し、供給ガスと昇温条件の調整のみ
でシール材の焼結を行うことができる。シール材の焼結
後、通気溝１６に供給するガスを窒素ガスから水素ガス
に置き換えれば、そのまま電池動作に切り替えることも
できる。

【００７３】なお、図示していないが、同時に空気極１
１とそれに対面するセパレータとのシールも、上述した
方法を用いて行うことができる。この場合は、セパレー
タのシール部に、上述と同様なシール材埋め込み用の溝
を作り、そこに棒状に押し出し成型した粘土状のシール
材原料をセットする。なお、シール材原料の焼成中、空
気極１１に隣接する通気溝には空気を供給すればよい。

【００７４】以上に、本発明のＳＯＦＣの作製方法の実
施の形態について説明した。図５は、この実施の形態の
方法を用いて作製される複数の電池セルを積層したＳＯ
ＦＣの斜視図である。２つの電池セル２１、２２はセパ
レータ２３を介して積層されている。電池セル２２上の
セパレータ２４の上に、さらに電池セルを積み上げるこ
ともできる。各電池セルとセパレータは、アルミナとＹ
ＳＺの超微粉末の焼結体からなるシール材１８で、通気
溝の両側端部の境界面をシールされる。

【００７５】以上、実施の形態に沿って本発明を説明し
たが、本発明は、これらに制限されるものではない。例
えば、アルミニウム金属粉とともに混合する超微粉末の
種類は、ＹＳＺに限られない。電池セルを構成する材料
と近似する熱膨張を有し、電池の動作温度で固体状態を
維持できるように、１０００℃〜１２００℃の温度より
高い融点を有し、化学的に安定な酸化物であれば良いだ
ろう。この場合、熱膨張係数として、できればアルミナ
よりより固体電解質材料であるＹＳＺに近い熱膨張係
数、例えば９×１０^-6／℃以上１１×１０^-6／℃以下の
熱膨張率を有することが好ましい。

【００７６】実施の形態中に示した電池セル、セパレー
タの材料、作製方法および各サイズは、これらに制限さ
れない。例えば、固体電解質１３は、上述した溶射法の
他にも電気化学蒸着（ＥＶＤ）法やスラリー法を用いる
こともできる。

【００７７】電池セルの面サイズは、さらに大きくして
もよい。均一に各電極にガスが供給されるように、セパ
レータに備える通気溝を複数としてもよい。又、空気極
に形成したシール材原料の埋め込み用溝は必ずしも必要
としない。

【００７８】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の固体電
解質型燃料電池によれば、動作温度においても、シール
材が溶融することなく固体状態を維持できる為、燃料ガ
ス等の圧力に影響されることなく、シール部の気密性の
維持が容易となる。

【００７９】動作状態において、シール部が化学的に安
定であるため、電池セル構成材の特性劣化を誘発するこ
とが少ない。

【００８０】又、熱膨張率が電池セルの構成材料と近似
するシール材を選択することにより、シール部での熱応
力の発生を抑制でき、電池のヒートサイクルに対する電
池の耐久性を上げることができる。

【００８１】本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法
によれば、アルミニウム粉末をシール原料に混合するこ
とにより、電池特性に悪影響を与えない温度条件で、よ
り簡易な工程でより確実にシール部のシール性の確保が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態によるＳＯＦＣの製造方法
を説明するための各工程における電池セルの断面図であ
る。

【図２】本発明の実施の形態によるＳＯＦＣの製造方法
を説明するためのセパレータの断面図である。

【図３】本発明の実施の形態によるＳＯＦＣの製造方法
を説明するための各工程における電池の断面図である。

【図４】本発明の実施の形態によるＳＯＦＣの製造方法
を示す工程途中の電池の斜視図である。

【図５】本発明の実施の形態による複数の電池セルの積
層構造を有するＳＯＦＣを示す電池の斜視図である。

【図６】従来のＳＯＦＣの構造を示す電池の分解斜視図
である。

【符号の説明】

１１…空気極１２…溝１３…固体電解質１４…燃料極１５、２３、２４…セパレータ１６…通気溝１７、１８…シール材２０、２１、２２…電池セル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者永田雅克東京都江東区木場一丁目５番１号株式会社フジクラ内 (72)発明者兼田波子東京都江東区木場一丁目５番１号株式会社フジクラ内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体電解質、前記固体電解質の一方の面
に備えられる空気極および前記固体電解質の他方の面に
備えられる燃料極とを有する電池セルと、前記電池セルの少なくとも一方の面に対向して備えられ
るセパレータと、前記電池セルと前記セパレータとの境界面の端部をシー
ルするシール部とを有する固体電解質型燃料電池におい
て、前記シール部が、アルミニウム金属粉を出発原料とし、
前記アルミニウム金属粉を酸化することで得たアルミナ
と前記固体電解質型燃料電池の動作温度より高い融点を
持つ酸化物の超微粉末との焼結材をシール材として有す
ることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】前記酸化物の超微粉末が、平均粒径０．
２μｍ以下である請求項１に記載の固体電解質型燃料電
池。
【請求項３】電池セルとセパレータとの境界面の端部
をシールするシール部を形成する工程が、アルミニウム金属粉と前記固体電解質型燃料電池の動作
温度より高い融点を持つ酸化物の超微粉末とを混合し、
添加助材とバインダーを加え、シール材原料を作製する
工程と、前記シール材原料を、前記電池セルと前記セパレータの
間の前記シール部に挟み込む工程と、前記シール部を加圧しながら３５０℃〜５５０℃の温度
まで加熱する工程と、前記３５０℃〜５５０℃の温度範囲で、アルミニウム金
属粉を酸化する工程と、前記シール部を１０００℃〜１２００℃で焼成する工程
とを有する固体電解質型燃料電池の製造方法。
【請求項４】前記シール材原料を作製する工程におい
て、前記酸化物の超微粉末が、平均粒径０．２μｍ以下
である請求項３に記載の固体電解質型燃料電池の製造方
法。
【請求項５】前記シール材原料を作製する工程におい
て、前記酸化物の超粉末として、９×１０^-6／℃以上１
１×１０^-6／℃以下の熱膨張率を有するものを使用する
ことを特徴とする請求項３または４に記載の固体電解質
型燃料電池の製造方法。
【請求項６】前記シール材原料を作製する工程におい
て、前記酸化物の超粉末として、前記固体電解質の主成
分と同じ主成分を有する粉末を使用する請求項３から請
求項５のいずれか１に記載の固体電解質型燃料電池の製
造方法。
【請求項７】前記シール材原料を作製する工程におい
て、前記アルミニウム金属粉と前記酸化物の超微粉末と
の混合粉に対する前記アルミニウム金属粉の質量比を、
２０〜３０ｗｔ％とする請求項３から請求項６のいずれ
か１に記載の固体電解質型燃料電池の製造方法。