JPH10189016A - 固体電解質型燃料電池セル - Google Patents
固体電解質型燃料電池セルInfo
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- JPH10189016A JPH10189016A JP8350073A JP35007396A JPH10189016A JP H10189016 A JPH10189016 A JP H10189016A JP 8350073 A JP8350073 A JP 8350073A JP 35007396 A JP35007396 A JP 35007396A JP H10189016 A JPH10189016 A JP H10189016A
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Abstract
でき、ガスシールの確認が容易で、何回もの熱サイクル
で使用可能とする。 【解決手段】円筒状のセル本体1の一端を、有底円筒状
の封止部材6aに挿入してその底部に当接させ、封止部
材6a内側面とセル本体1外周面との隙間にセラミック
粉末及び/又は金属粒子から成る粉体5を介装した。
Description
解質型燃料電池セルに関するものである。
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。
セルと略す)には、円筒型と平板型が知られている。平
板型セルは、発電の単位体積当りの出力密度が高いとい
う特長を有するが、実用化に関してはガスシ−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。
示すもので、図5は一端に封止部材6、他端にガス導入
管3及び接合治具2をそれぞれ設けた円筒型セルCの斜
視図、図3は図5の円筒型セルCの中心軸を横切るA−
A線における封止部材6付近の断面図、図4は図5の円
筒型セルCの中心軸を横切るB−B線における接合治具
2付近の断面図である。
セル本体1は、開気孔率40%程度のCaO安定化Zr
O2 から成る支持管1aの外表面にLaMnO3 系材料
からなる多孔性の空気極1bを形成し、その外表面にY
2 O3 安定化ZrO2 からなる固体電解質1cを被覆
し、さらにこの外表面に多孔性のNi−ジルコニアの燃
料極1dが設けられている。燃料電池のモジュ−ルの場
合、複数の円筒型セルCが、燃料極1dの一部を切り欠
き、その切り欠き部に空気極1b及び固体電解質1cに
接するように設けられた、LaCrO3 系の集電体(イ
ンターコネクタ、図示せず)を介して接続される。発電
は、支持管1a内部に空気(酸素)を、セルの外部に燃
料(水素)を流し、1000〜1050℃の温度で行な
われる。
3に示すように、焼結して得られた円筒状のセル本体1
を、発電用の炉内の取付部6に予め形成されたガラス層
4をセル本体1の一端に当接し、発電を行う際の昇温時
に前記ガラス層4を軟化溶融させ、セル本体1の一端を
前記取付部6により封止していた。
合は、図4に示すように、円筒状のセル本体1と円筒状
のガス導入管3を、通気孔10を有する節11を設けた
円筒状の接合治具2にそれぞれ挿入セットし、接合治具
2の節11に予め形成されたガラス層4をセル本体1の
他端及びガス導入管3の一端に当接し、発電を行う際の
昇温時に前記ガラス層4を軟化溶融させ、セル本体1の
他端及びガス導入管3の一端を前記接合治具2により接
合していた。
体1の一端及び他端をガラス材を用いて封止及び接合す
る従来の方法では、実際に発電を行う際に封止、接合す
ることになるため完全に封止されているか否かの確認が
困難であり、シ−ル不良によるセル出力の低下が生じ易
い。特に、セルをスタック化した場合には封止箇所の増
加によるシ−ル不良が発生し易く、結果として出力が低
下するという問題点があった。
という高温で数万時間も動作する耐久性が要求される。
従来のガラスシールでは、ガラスを約1000℃で軟化
溶融させることによりガスシールを行っているが、長時
間運転すると溶融成分が滲み出しガスシールができなく
なるといった問題、更には溶融成分がセル本体1の周り
の部品等にまで広がりガラスシールそのものができなく
なるといった問題があった。加えて、ガラス材を軟化溶
融することにより揮発成分が生じ、それがセル本体1内
に付着したり、セル本体1内の酸素と反応して、セルの
性能を劣化させるという問題もあった。
きな問題点がある。それは、1回の熱サイクルにしか確
実に対応できないことである。つまり、燃料電池の運転
中に、様々なトラブルにより動作温度の約1000℃か
ら室温まで降温しなければならないときに、ガラスシー
ルの降温時にガラス層の内部残留応力と表面応力が緩和
されにくく、セルの封止部及び接合部が破壊されること
があった。
のであり、その目的は円筒型セルのガスシールの確認が
容易で、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、ガスシール不良やガラスの揮発成分による出
力低下及び性能劣化を防止し、更には、動作温度から室
温までの降温時にシールされた封止部及び接合部が破壊
されることのない円筒型セルを提供することを目的とす
る。
型燃料電池セルは、円筒状の固体電解質型燃料電池セル
本体の一端を、有底円筒状の封止部材に挿入してその底
部に当接させ、前記封止部材内面と固体電解質型燃料電
池セル本体との隙間にセラミック粉末及び/又は金属粒
子から成る粉体を介装して成ることを特徴とする。
熱膨張率が固体電解質型燃料電池セル本体の熱膨張率よ
り小さいか、及び/又は、前記粉体の熱膨張率が固体電
解質型燃料電池セル本体及び封止部材の熱膨張率よりも
大きいことが、固体電解質型燃料電池セル本体と封止部
材のガスシールを確実にするうえで好適である。
は、通気孔を有する節を設けた円筒状の接合治具の両方
の開口に、円筒状の固体電解質型燃料電池セル本体の他
端と円筒状のガス導入管の一端とを、各々挿入して前記
節に当接させ、前記接合治具内側面と固体電解質型燃料
電池セル本体外周面との隙間及び接合治具内側面とガス
導入管外周面との隙間に、セラミック粉末及び/又は金
属粒子から成る粉体を介装して成ることを特徴とする。
熱膨張率が固体電解質型燃料電池セル本体の熱膨張率よ
り小さいか、及び/又は、前記粉体の熱膨張率が固体電
解質型燃料電池セル本体及び接合治具の熱膨張率よりも
大きいことが、固体電解質型燃料電池セル本体と接合治
具のガスシールを確実にするうえで好適である。
2に示す。図1は図5のA−A線に相当する封止部材6
a付近の断面図、図3は図5のB−B線に相当する接合
治具2a付近の断面図である。尚、図1,図2におい
て、図3,図4と同じ箇所には同一の符号を付してい
る。
を有底円筒状の封止部材6aに挿入してその底部に当接
させ、封止部材6a内側面とセル本体1外周面との隙間
にセラミック粉末又は金属粒子からなる粉体5を介装さ
せ封止している。図2においては、セル本体1の他端
を、通気孔10を有する節11を設けた円筒状の接合治
具2aの開口に挿入して前記節11に当接させ、かつ円
筒状のガス導入管3の一端を接合治具2aの反対側開口
に挿入して節11に当接させ、接合治具2a内側面とセ
ル本体1外周面との隙間及び接合治具2a内側面とガス
導入管3外周面との隙間にセラミック粉末又は金属粒子
からなる粉体5を介装させ、それらの隙間を封止しセル
本体1とガス導入管を接合している。
止部材6a,接合治具2aのいずれかを備えていればよ
く、両方を備えていてもよい。例えば、セル本体1とガ
ス導入管3が連続的に形成されたセルの場合、接合治具
2aは省略しても構わない。
合治具2aはガスリークを防止するため緻密質セラミッ
クからなるのがよく、例えば、Al2 O3 ,部分安定化
ZrO2 ,安定化ZrO2 ,LaCrO3 系等のAl,
Zr等を主成分とするセラミックから成る。また、その
開気孔率は10%以下であることが好ましい。前記の緻
密質セラミック以外のセラミックは動作温度の雰囲気中
で還元されやすく、開気孔率が10%超の場合ガスリー
クが生じ、セルの性能劣化やセルの破壊につながる。よ
り好ましくは、開気孔率を5%以下とするのがよい。
r,Ca,Mg,Sr,Fe又は希土類元素(Sc,
Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,G
d,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb又はLu)の
1種以上を主成分とし、その平均粒径が0.1〜10μ
mであることが好適である。前記以外の元素が主成分の
場合、動作温度の約1000℃でセル本体1と接合治具
2aの成分が溶融し合って接合部が脆くなり、セルが破
壊され易い。また、平均粒径が0.1μm未満の場合、
隙間に介装しても粒子が飛散したり落下し易く、10μ
m超の場合粒子の隙間からガスがリークし易い。
治具2a,封止部材6aとの熱膨張率の差を利用した機
械的な締めつけにより行うのが、確実なシールができ好
ましい。セル本体1は、室温から動作温度の約1000
℃までの昇温により、熱膨張する。このとき、接合治具
2a及び封止部材6aの熱膨張率がセル本体1のそれよ
り小さいと、封止部分及び接合部分が機械的に締めつけ
られる。
膨張率がセル本体1の熱膨張率よりも小さくてもその差
が僅かな場合や、逆に接合治具2a及び封止部材6aの
熱膨張率がセル本体1の熱膨張率よりも大きい場合に
は、粉体5の熱膨張率が、セル本体1,接合治具2a及
び封止部材6aの熱膨張率のいずれよりも大きいことが
好適である。
2a及び封止部材6aとの隙間が、ガスの流速方向に平
行なこと、つまり、セル本体1の外周面と接合治具2a
及び封止部材6aの内側面との隙間に粉体5を介装する
ことが好ましい。この場合、隙間にかかるガス圧を最小
限にできる。
方法について以下に詳述する。まず、支持管1aを兼ね
た円筒状の空気極成形体を押出成形法により作製する。
この空気極成形体は、ペロブスカイト型結晶相を主相と
するLaMnO3 系の材料で、その主結晶相の平均粒径
は3〜20μm、特に5〜15μmであることが好まし
い。これは、主結晶相の粒径が3μmより小さいと強度
は高いもののガス透過性が低く、20μm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1bの開気孔率は20〜45%がよ
く、特に30〜40%が好適である。また、その平均細
孔径は、1.0〜5.0μmの範囲がガス透過性に優れ
る。
cの成形体層を形成する。この固体電解質成形体層は、
平均粒径が0.5〜3μmのY2 O3 等の公知の安定化
剤により安定化されたZrO2 からなる粉体のスラリー
を調製し、その後ドクターブレード法等により前記スラ
リーから作製されたグリーンシートを、空気極成形体の
外表面に巻き付けて形成する。
を1000〜1300℃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1c及
び空気極1bの表面の一部を平滑に研磨し、集電体成形
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
積層して形成する。
電解質1c/集電体成形体は、大気等の酸化性雰囲気中
で、1300〜1600℃の温度で3〜15時間程度同
時焼成することにより共焼結させる。そして、燃料極1
dは、Niを30〜80重量%含有し、その残部がY2
O3 等の安定化剤で安定化されたZrO2 からなる多孔
質のサーメット材料を使用し、前記空気極1b/固体電
解質1c/集電体成形体の所定箇所に燃料極成形体層を
形成して焼結させ、円筒状のセル本体1を作製する。又
は、空気極成形体/固体電解質成形体/集電体成形体を
作製した後、更に燃料極成形体を積層し、これらを同時
焼成してセル本体1を作製することもできる。
接合治具2a及び封止部材6aを作製する。これら接合
治具2a及び封止部材6aは、発電時のガスシール性が
要求されるため、例えば、結晶相の平均粒径が0.5〜
3μm程度のAl2 O3 ,部分安定化ZrO2 ,安定化
ZrO2 ,LaCrO3 等を主成分とする、ZrO
2系,LaCrO3 系酸化物の形成粉末を、押出成形法
や静水圧成形法(ラバープレス法)等により成形し、各
々所定の形状に切削加工を行う。この後、大気等の酸化
性雰囲気中で、1300〜1600℃の温度で3〜5時
間程度焼成して作製する。
接合治具2a、封止部材6aとの隙間に粉体5を介装
し、ガスシールを行う。まず、接合治具2a、封止部材
6aにセル本体1を挿入するが、このときセル本体1の
底面と接合治具2a、封止部材6aとの接触部にガラス
を介装して、ガスシール性を高めてもよい。ただし、ガ
ラスは多数回の熱サイクルで使用するのが難しいので、
数回程度の熱サイクルで使用する場合に好適である。
粉体5を隙間に充填して圧力を加え固めたり、粉体5を
スラリー状にして隙間に注入し、圧力を加えながら乾燥
させ固めてもよい。そして、隙間に介装された粉体5
は、発電前の室温では固められた状態であり、発電可能
な約1000℃では固められた状態で熱膨張した状態、
あるいは少なくとも部分的に焼結した状態となり、強固
に固着しているものと考えられる。
容易で、ガスシールを容易かつ確実に行うことができ、
ガスシール不良やガラスの揮発成分による出力低下及び
性能劣化を防止し、また動作温度から室温までの降温時
に封止部及び接合部が破壊されることがなく、その結
果、何回もの熱サイクルで使用可能になるという作用効
果を有する。
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の
変更は差し支えない。
び図2の構成を有する円筒状のセル本体1を以下のよう
な共焼結により作製した。
3 ,CaCO3 ,Mn2 O3 を出発原料として、これを
La0.56Y0.14Ca0.3 MnO3 の組成になるように秤
量混合した後、1500℃で3時間仮焼して粉砕し、平
均粒径が約5μmの固溶体粉末を得た。この固溶体粉末
にバインダーを添加し、押出成形法で円筒状の空気極成
形体を作製した。
mol%の割合で含有する平均粒径が約1μmのZrO
2 粉末に、トルエンとバインダーを添加してスラリーを
調製し、ドクターブレード法により前記スラリーから厚
み約130μmのシート状の固体電解質成形体を作製し
た。
2 O3 ,Cr2 O3 ,MgOを出発原料として、これを
La(Mg0.3 Cr0.7 )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、
平均粒径が約2μmの固溶体粉末を得た。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製
し、ドクターブレード法によりスラリーから厚み約14
0μmのシート状の集電体用成形体を作製した。
をロール状に巻き付け、1100℃で1時間の仮焼を行
なった。仮焼後、集電体の積層箇所となる空気極仮焼体
及び固体電解質仮焼体のそれぞれの表面の一部を平面研
磨し、前記集電体用成形体を研磨部に帯状に設置した。
その後、大気中において1500℃で6時間の条件で共
焼結した。焼結後、NiO粉末に10mol%Y2 O3
を含むZrO2 粉末を、(NiO粉末):(ZrO2 粉
末)=80:20重量比の割合で混合した混合粉末に、
水を溶媒として加えて作製した燃料極スラリーを、焼結
体表面に塗布し乾燥した。その後、大気中において14
00℃で2時間焼結を行うことにより、厚み50μmの
燃料極1dを作製し、円筒状のセル本体1を作製した。
部材6aを以下のように作製した。平均粒径が約1μm
のAl2 O3 ,平均粒径が約1μmのZrO2 粉末,3
mol%のY2 O3 を含む平均粒径が約2μmのZrO
2 粉末(3mol Yttrium Stabilized Zirconium :3YS
Z),8mol%のY2 O3 を含む平均粒径が約2μm
のZrO2 粉末(8YSZ),1mol%のCaOを含
む平均粒径が約2μmのZrO2 粉末(Calcium Stabil
ized Zirconium;CSZ)のいずれかを、静水圧成形法
(ラバープレス法)により成形し、所定の形状に切削加
工して、セラミック成形体を作製した。この接合治具2
a用セラミック成形体及び封止部材6a用セラミック成
形体を、大気中において1400℃で2時間の条件で焼
成した。
の熱膨張率がセル本体1のそれよりも小さくなるように
各々の部品を組み合わせて、室温でセル本体1と接合治
具2a及び封止部材6a間の隙間が0.5〜5mmに、
約1000℃で隙間が0.2〜3.0mmになるように
した。例えば、上記のように作製したセル本体1の熱膨
張率は10.8×10-6/Kで、Al2 O3 の接合治具
2a及び封止部材6aは8.0×10-6/Kで、Ni粒
子から成る粉体5は16.78×10-6/Kである。
a間の隙間に、表1に示すような、平均粒径が0.01
μm〜10μmの8YSZ,Al2 O3 ,ZrO2 ,N
i等の粉体5をスラリー状にし、介装する。スラリー状
の粉体5が乾燥するまで圧力を加え続け、固化するよう
にする。そして、約1000℃まで昇温して、セル内に
空気、セル外に水素を流し、開放起電力を測定すること
により、ガスのシール性を判定した。このとき、開放起
電力が0.8V以上のものをガスのシール性が良好と判
断した。
気孔率が10%未満、粉体5の平均粒径が0.1〜10
μmで、開放起電力が0.8V以上であった。また、前
記の条件を満足するものは、室温と約1000℃間の昇
温及び降温の熱サイクルを5回行った後でも、0.8V
以上の開放起電力を保持した。
aの組成をAl2 O3 、その開気効率を1%、隙間の距
離を3.0mm、粉体5の組成を8YSZ、その平均粒
径を1μmとした以外は、実施例と同様にセル本体1,
接合治具2a及び封止部材6aを作製した。
0.8V、5回の熱サイクル後で0.7Vであった。
aの組成をAl2 O3 、その開気効率を1%、隙間の距
離を0.5mm、粉体5の組成をZrO2 、その平均粒
径を0.01μmとした以外は、実施例と同様にセル本
体1,接合治具2a及び封止部材6aを作製した。
0V、5回の熱サイクル後で0Vであった。
aの組成をAl2 O3 、その開気効率を1%、隙間の距
離を0.5mm、粉体5の組成をZrO2 、その平均粒
径を20μmとした以外は、実施例と同様にセル本体
1,接合治具2a及び封止部材6aを作製した。
0V、5回の熱サイクル後で0Vであった。
底円筒状の封止部材に挿入し、封止部材内側面とセル本
体外周面との隙間にセラミック粉末又は金属粒子から成
る粉体を介装することにより、発電の際のガスシール性
を完全にかつ容易に行うことができるとともに、封止状
態の確認も容易であり、その結果、セル性能を安定させ
ることができ、発電性能を向上させることができる。ま
た、動作温度から室温までの降温時に、封止部及び接合
部に従来使用されていたガラスの熱応力により破壊され
ることがなく、これにより、何回もの熱サイクルで使用
可能になる。
し、図5のA−A線における断面図である。
し、図5のB−B線における断面図である。
る。
る。
Claims (4)
- 【請求項1】円筒状の固体電解質型燃料電池セル本体の
一端を、有底円筒状の封止部材に挿入してその底部に当
接させ、前記封止部材内側面と固体電解質型燃料電池セ
ル本体外周面との隙間にセラミック粉末及び/又は金属
粒子から成る粉体を介装して成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】前記封止部材の熱膨張率が固体電解質型燃
料電池セル本体の熱膨張率より小さいか、及び/又は、
前記粉体の熱膨張率が固体電解質型燃料電池セル本体及
び封止部材の熱膨張率よりも大きい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。 - 【請求項3】通気孔を有する節を設けた円筒状の接合治
具の両方の開口に、円筒状の固体電解質型燃料電池セル
本体の他端と円筒状のガス導入管の一端とを、各々挿入
して前記節に当接させ、前記接合治具内側面と固体電解
質型燃料電池セル本体外周面との隙間及び接合治具内側
面とガス導入管外周面との隙間に、セラミック粉末及び
/又は金属粒子から成る粉体を介装して成ることを特徴
とする固体電解質型燃料電池セル。 - 【請求項4】前記接合治具の熱膨張率が固体電解質型燃
料電池セル本体の熱膨張率より小さいか、及び/又は、
前記粉体の熱膨張率が固体電解質型燃料電池セル本体及
び接合治具の熱膨張率よりも大きいことを特徴とする請
求項3記載の固体電解質型燃料電池セル。
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|---|---|---|---|
| JP35007396A JP3238087B2 (ja) | 1996-12-27 | 1996-12-27 | 固体電解質型燃料電池セル |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35007396A JP3238087B2 (ja) | 1996-12-27 | 1996-12-27 | 固体電解質型燃料電池セル |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001206065A Division JP3285856B2 (ja) | 2001-07-06 | 2001-07-06 | 固体電解質型燃料電池セル |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10189016A true JPH10189016A (ja) | 1998-07-21 |
| JP3238087B2 JP3238087B2 (ja) | 2001-12-10 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP35007396A Expired - Fee Related JP3238087B2 (ja) | 1996-12-27 | 1996-12-27 | 固体電解質型燃料電池セル |
Country Status (1)
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|---|---|
| JP (1) | JP3238087B2 (ja) |
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