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JPH1074528A - 固体電解質型燃料電池およびその製造方法 - Google Patents

固体電解質型燃料電池およびその製造方法

Info

Publication number
JPH1074528A
JPH1074528A JP8250997A JP25099796A JPH1074528A JP H1074528 A JPH1074528 A JP H1074528A JP 8250997 A JP8250997 A JP 8250997A JP 25099796 A JP25099796 A JP 25099796A JP H1074528 A JPH1074528 A JP H1074528A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrolyte
ysz
layer
air electrode
lsm
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP8250997A
Other languages
English (en)
Inventor
Himeko Oorui
姫子 大類
Toshio Matsushima
敏雄 松島
Naoki Kato
直樹 加藤
Daisuke Ikeda
大助 池田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP8250997A priority Critical patent/JPH1074528A/ja
Publication of JPH1074528A publication Critical patent/JPH1074528A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 空気極と電解質との密着性を向上させ、また
Mnの拡散を抑制することを目的とする。 【解決手段】 セラミックス材料からなる空気極3、電
解質1および燃料極により構成される固体電解質型燃料
電池で、前記空気極材料が前記電解質材料を50wt%
以下混合したものであることを特徴とする。 【効果】空気極と電解質の密着性を向上させ、尚且つ、
YSZへのMnの拡散を抑制することによりセルの内部
短絡を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は固体電解質型燃料電池お
よびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来技術および問題点】固体電解質型燃料電池(So
lid Oxide Fuel Cell:SOFC)
はクリーンで高効率な次世代の発電方式として各方面で
研究・開発が進められている。SOFCの基本構成は酸
素イオン導電性を有する固体電解質を空気極と燃料極で
挟んだもので、それぞれの電極に酸素、水素を供給し、
(1)式のような水の生成反応により発電を行う。
【0003】 O2-+H2→H2O+2e- ・・・・ (1)
【0004】このようなSOFCの運転温度は1000
℃もの高温であるため、使用可能な材料はセラミックス
に限定される。以下にSOFCの代表的な構成材料を示
す。
【0005】固体電解質:イットリア安定化ジルコニア
(以後、YSZ) 空気極:ランタンストロンチウムマンガナイト(以後、
LSM) 燃料極:ニッケルジルコニアサーメット(以後、Ni−
YSZ)
【0006】また、先に述べた(1)式の反応は電極/
電解質/反応ガスの三相界面で進行するため、電極には
反応ガスをスムーズに透過するような多孔性が、電解質
には酸素、水素の両反応ガスが混合しないような緻密性
が要求される。これらのセラミックスより構成されるS
OFCセルの作製方法としては押し出し成形した基板上
に空気極、電解質、燃料極をプラズマ溶射法、EVD法
などにより順次構成していく方法と、ドクターブレード
法などによりあらかじめ各部分のシート成形体を作製
し、これらを積層、圧着したのちに一度に焼結する共焼
結法がある。
【0007】プラズマ溶射法は熱プラズマにより溶融し
た原料粉末をプラズマジェットにより基板表面に吹き付
けて被膜を形成するもので、使用可能な基板材料の幅が
広く大気圧下でも基板との密着性の良い被膜を短時間で
形成することができ、条件の設定によっては緻密性が必
要とされる電解質から多孔性電極までにも利用可能であ
る。また、EVD法は原料の塩化物ガスと酸素、水蒸気
の混合ガスを基板に供給し、化学的蒸着(CVD)およ
び電気化学的蒸着(EVD)過程により10〜20μm
程度の緻密な薄膜を形成するもので、SOFCにおいて
は特に、電解質の形成に使用されている。
【0008】しかし、これらの装置を用いてセルの各部
分を逐次形成していく方法では、使用する装置が大掛か
りで単セルの作製プロセスが複雑であることや、また、
必ずしもセルに適した物性を有する被膜が得られないと
いった欠点があった。
【0009】一方、上記の問題を解決し得る共焼結法に
よるSOFCセルの各構成材料のシート成形体を積層・
成形した後にこれを焼結するもので、積層するシートの
枚数や形状の選択によってセルの大きさや各部の厚みの
制御を容易に行うことができる。特に、緻密性と共に薄
膜化が要求される電解質についても、使用するシートの
厚みを薄くすることで容易に薄膜の形成が可能であり、
発電特性の高いセルが作製可能である。また、高温処理
が一度ですむため作成時のセルの劣化が少なく、さらに
作製プロセスが単純で使用する装置も簡単であるため、
高性能で低コストなSOFCの製造方法として期待され
ている。
【0010】しかし、一般にセラミックスの焼結に伴う
収縮率は材料により異なることから、異種材料の積層体
を一度に焼結する共焼結法では、各材料の収縮率が大き
く異なると、接触界面で応力が生じセルの破損が生じる
場合がある。従って共焼結においては各材料の収縮率の
差を破損が生じない許容範囲内に調整する必要がある。
SOFCを構成する燃料極と電解質に関しては、一般に
燃料極材料には先に述べたようにNiとYSZのサーメ
ットを使用しているため電解質として一般に使用される
YSZとの密着性が良く、収縮率に数%の差があっても
割れずに共焼結することができる。しかし、全くの異種
材料である空気極に一般に使用されるLSMと電解質と
して一般に使用されるYSZに関しては、両者の密着性
が悪いため破損が生じない許容範囲が小さく、共焼結に
際しては両者の収縮率を厳密に合わせる必要があった。
【0011】また、LSMとYSZの高温状態における
反応性についても問題が指摘されている。共焼結におけ
る焼結温度としては電解質の緻密化のためには1300
℃以上の高温が望ましいが、このような高温での焼結で
はLSMとYSZの界面で固相反応により高抵抗物質で
あるLa2Zr27が生成したり、LSM層からYSZ
層へMnの拡散が起こるという報告がある。La2Zr2
7層の生成については電極/電解質界面の高抵抗化に
つながるため望ましくないが、仮に生成した場合でも実
際の発電においては通電した際に層の厚みが減少すると
の報告もある(H.Yokokawa et al.,
Proceedings of the first
European Solid Oxide Fue
l Cell Forum, 425−434,199
4)。しかしながら、YSZへのMnの拡散については
発電に伴いMnの影響がなくなるといった報告はなく、
YSZ中にMnが存在した場合には、発電の際に電解質
部分での内部短絡の原因となり燃料電池の性能が低下す
るため、何らかの対策によりこれを抑制する必要があっ
た。
【0012】
【問題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
にあたり、本発明による固体電解質型燃料電池は、セラ
ミックス材料からなる空気極、電解質および燃料極によ
り構成される固体電解質型燃料電池で、前記空気極材料
が前記電解質材料を50wt%以下混合したものである
ことを特徴とする。
【0013】また、また本発明による固体電解質型燃料
電池の製造方法は、セラミックス材料からなる空気極、
電解質および燃料極のシート成形体の積層物を焼結する
固体電解質型燃料電池の製造方法であって、空気極層上
に電解質材料と空気極材料とを混合した層を重ね、さら
に電解質層、燃料極層を順次配置して積層物を形成し、
このとき前記の電解質材料と空気極材料とを混合した層
は、電解質材料の混合量を50wt%以下とした少なく
とも複数の層で作製され、これらの複数の層における電
解質材料の濃度は、電解質層から空気極層にかけて次第
に低下するようになっていることを特徴とする。
【0014】さらに、上記固体電解質型燃料電池は、電
解質を混合しない空気極を構成する材料がLa(1-x)
xMnO3(x=0.1〜0.4)で、電解質材料がY
23を8モル%添加したZrO2であることを特徴とす
る。
【0015】
【作用】上記手段を講じた結果、次のような効果が生じ
る。
【0016】固体電解質型燃料電池の空気極材料に電解
質材料を混合したものを空気極とすることで、空気極/
電解質積層体の共焼結の際に両者の密着性が向上し、破
損することなく安定して焼結体を得ることができる。ま
た、一般的な空気極材料であるLSMに、一般的な電解
質材料のYSZを混合した空気極とYSZからなる電解
質の共焼結体では、焼結時の空気極層から電解質層への
Mnの拡散が抑制されるため、セルの内部短絡を防止す
ることができる。
【0017】このような空気極材料と電解質材料の混合
体を空気極として用いるとき、電解質材料の混合量が増
すほど導電率は減少するが、この混合層を空気極材料の
みからなる空気極層と電解質層の間の中間層として配置
することで、積層体の密着性が向上し、なおかつ、セル
の内部抵抗を抑制することができる。
【0018】
【実施例】以下に本発明を、実施例により詳細に述べる
が、本発明は以下の実施例にのみ限定されるものではな
い。
【0019】本実施例では電解質としてはY23を8モ
ル%添加したZrO2(YSZ)を、空気極材料として
は30、50wt%添加したものを用いた。これらの各
粉末にバインダとしてポリビニルブチラール、分散媒と
してイソプロピルアルコールとトルエンの混合溶媒を加
えてボールミルで混合してスラリーとした。このスラリ
ーを脱泡して粘度を調整した後、ドクターブレード法に
よりシート状に成形した。各シートの厚みはドクターブ
レードの刃の高さにより自由に変えることができるが、
電極では30〜100μm、電解質では30μmであ
る。
【0020】これらのシートを用いて共焼結体を作製す
るに先立ち、上記シートについてそれぞれ収縮率の評価
を行った。
【0021】まず、LSMとYSZ、およびLSMとY
SZの混合体についてシート成形体の脱脂・焼結前後の
サイズ変化より収縮率を算出した。その結果、図1に示
すようにLSMのみのサンプルとYSZでは収縮挙動が
かなり近いもののこれらの曲線は完全には重なり合わ
ず、1100〜1300℃の急激な収縮が起こる温度範
囲においては、両者の収縮率差は大きくなることがわか
る。一方、YSZを添加することにより1300℃以上
の高温での収縮率は近づくものの、通常360℃で4時
間の条件で行う脱脂から1200℃までの比較的低い温
度範囲での収縮率差は混合しないものよりむしろ大きく
なっている。
【0022】次にこれらのLSMとYSZの混合体の電
極としての特性を評価するために導電率の評価を行っ
た。図2がその結果であるが、YSZの混合量が増すほ
ど導電率は減少している。50wt%の添加では混合し
ていないものに比べて一桁低い値となり、電極としての
使用には適さないことがわかった。
【0023】
【実施例1】前述の導電率測定の結果を踏まえ、YSZ
混合量が0、20、30wt%のLSMとYSZのハー
フセルを共焼結法により作製した。各サンプルは、YS
ZとLSMの混合体層の厚みを1mmとなるよう各シー
トを積層したものの上に、YSZシートの単層を積層し
て圧着し、その後に脱脂し、1300℃で2時間の条件
で焼結して作製した。その結果、表1に示すようにLS
Mのみのサンプルでは、3サンプル作製した場合に1サ
ンプルだけで共焼結体が得られたのに対し、YSZを混
合したものでは3サンプルの全てを共焼結することがで
きた。このようにYSZの混合により図1の収縮特性で
電解質との収縮率差が大きくなっていたにも関わらず1
00%の確率で共焼結できたことから、両者の密着性が
かなり向上し、収縮率差の許容値が大きくなったことが
わかる。
【0024】
【0025】このようにして得られた共焼結体における
YSZ中へのMnの拡散状態を把握するため、共焼結体
の断面についてEPMA測定を行った。その結果、LS
Mのみで作製したサンプルではYSZ中にMnが拡散し
ていることが確認され、部分的にYSZの表面まで達し
ていることがわかった。しかし、このようなMnの拡散
はYSZの混合量が増すほど減少し、YSZを30wt
%混合した試料では拡散距離は1μm以下となり、YS
Zの表面にもMnの分布は全く見られなかった。
【0026】次に、これらの共焼結体の電解質上に燃料
極として白金のメッシュでなる電極を形成し、1000
℃において空気極および燃料極に酸素および水素をそれ
ぞれ供給しハーフセルの開放電圧を測定した。SOFC
の開放電圧は理論的には1200mV程度であるが、L
SMのみのサンプルでは598mVと非常に低い値であ
った。これに対し、LSM中にYSZを混合すると、混
合量が増すほどハーフセルの開放電圧は向上し、YSZ
を30wt%混合した試料では1060mVに達した。
【0027】先ほどのEPMA測定から求めたYSZへ
のMnの拡散距離と、それぞれのサンプルの開放電圧の
関係を図3にまとめた。その結果、Mnの拡散距離と開
放電圧とは明らかに相関があり、Mnの拡散距離の減少
に伴い、開放電圧が向上していることがわかった。この
ことから、LSMへYSZを混合することで共焼結体に
おけるYSZ中へのMnの拡散も抑制されるため、SO
FCセルの内部短絡の防止にも効果があることがわか
る。
【0028】
【実施例2】実施例1ではLSMとYSZの混合体を空
気極として使用したが、これをLSM層でなる空気極と
YSZ層でなる電解質の中間層として使用することも可
能である。図4はそのような積層体の概念断面図であ
り、図中の1は電解質を、2は空気極材料と電解質材料
の混合体を、3は空気極を示している。例えば、このよ
うにLSM層でなる空気極とYSZ層でなる電解質の間
に混合層を配置することにより、積層体の密着性が向上
し、なおかつ、電解質へのMnの拡散が抑制されるため
セルの内部短絡を防ぐことができる。この場合、図3の
結果を踏まえて、中間層にはYSZを30wt%以上混
合したLSMとYSZの混合体を使用することとし、厚
みは少なくとも50μmとした。このように混合体層の
厚みを薄くすることにより、焼結時の収縮率はYSZに
近いものの、材料の導電率が低いために実施例1では使
用しなかった、YSZを50wt%混合したLSMとY
SZの混合体も中間層に適用することができる。ここで
はYSZを50wt%混合したLSMとYSZの混合体
を厚み50μmの中間層として共焼結体を作製したが、
図4の2と3の層に相当する部分を合わせた空気極部分
の内部抵抗は、実施例1でYSZを30wt%混合した
LSMとYSZの混合体を用いた試料の空気極に比べて
約1/2に減少した。
【0029】
【実施例3】また、図5にその概念図を示すように、こ
の中間層としてYSZ混合量を変えて作製した複数のL
SMとYSZの混合体層を、LSM層からYSZ層にか
けてYSZ濃度が増すように積層することもできる。図
中の図4と同じ番号は同じものを示し、2’はYSZ量
が2の層より少ないLSMとYSZの混合体を、2”は
YSZ量が2’の層より少ないLSMとYSZの混合体
を示している。このとき各層のYSZ混合量が増すにつ
れて隣接する層へのMnの拡散距離は減少するので、混
合層中のYSZ量が多くなるほど層の厚みを薄くするこ
とができる。その結果、YSZ混合量の異なる複数の層
の積層によって中間層全体の厚みが増しても、空気極部
分の内部抵抗の増加を低く抑えることができる。また、
LSM層からYSZ層へかけてYSZ濃度が傾斜化され
るため、電解質へのMnの拡散が抑制されるだけでなく
空気極と電解質の密着性がさらに向上し、共焼結時の界
面応力が緩和される。
【0030】これまでの実施例では電解質材料としてY
SZを使用しているが、本発明はこれに限定されず、例
えばYSZよりも高いイオン導電性を有するスカンジウ
ムをドープしたジルコニアやセリア系電解質などについ
ても適用が可能である。また、今回は燃料極を除いた空
気極と電解質の共焼結体について評価を行ったが、この
積層体の電解質上にさらに燃料極を形成することにより
SOFCセルへの適用が十分可能である。
【0031】
【発明の効果】以上の説明のように、本発明は固体電解
質型燃料電池を共焼結法により作製するにあたって、空
気極材料にYSZを30〜50wt%混合したLSMを
使用するか、もしくはLSM層とYSZ層の間にYSZ
混合量が30〜50wt%のLSMとYSZの混合体層
単独か、YSZ混合量が50wt%以下の複数のLSM
とYSZの混合体層を電解質層にかけて段階的にYSZ
濃度が増すように配置するものである。これまで、共焼
結法でSOFCを作製するには、LSMとYSZの密着
性が悪いため両者の収縮率を厳密に調整する必要があ
り、共焼結体の作製が困難だった。また、YSZの緻密
化のためには1300℃以上の高温で焼結する必要があ
るが、このような高温状態ではLSM層からYSZ層へ
Mnの拡散が起こるため、SOFCの開放電圧が低下す
るという問題があった。本発明では、空気極にYSZを
30〜50wt%混合したLSMとYSZの混合体を用
いることにより、空気極と電解質の密着性を向上させ、
尚且つ、YSZへのMnの拡散を抑制することによりセ
ルの内部短絡を防止するものである。また、LSM層と
YSZ層の間に前述の混合層単独か、YSZ層にかけて
YSZ濃度が増すようにYSZ混合量の異なるLSMと
YSZの混合体層を複数層積層したものを配置すること
で、LSM層からYSZ層へかけて組成の傾斜化が図ら
れるため界面の密着性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】LSM、YSZおよびこれらの混合体粉末の焼
結に伴う収縮特性を示す図。
【図2】LSMおよびLSMとYSZの混合体の導電率
の温度依存性を示す図。
【図3】YSZの混合量が異なるLSMとYSZの共焼
結体のMnの拡散距離および開放電圧の関係を示す図。
【図4】本発明における例えばLSMでなる空気極と例
えばYSZでなる電解質の間に両者を構成するセラミッ
クス材料の混合体層を配置した積層体の断面図。
【図5】本発明の空気極と電解質の間に両者を構成する
材料混合比の異なる複数の混合体層を空気極から電解質
にかけて電解質材料の量が多くなるように配置した積層
体の断面図。
【符号の説明】
1 例えばYSZでなる電解質 2 電解質材料の量が30wt%以上の空気極材料
と電解質材料の混合体層 2’ 電解質材料の量が2の層より少ない空気極材料
と電解質材料の混合体層 2” 電解質材料の量が2’の層より少ない空気極材
料と電解質材料の混合体層 3 例えばLSMでなる空気極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池田 大助 東京都新宿区西新宿三丁目19番2号 日本 電信電話株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セラミックス材料からなる空気極、電解
    質および燃料極により構成される固体電解質型燃料電池
    で、前記空気極材料が前記電解質材料を50wt%以下
    混合したものであることを特徴とする固体電解質型燃料
    電池。
  2. 【請求項2】 請求項1に示す固体電解質型燃料電池に
    おいて、電解質を混合しない空気極を構成する材料がL
    (1-x)SrxMnO3(x=0.1〜0.4)で、電解
    質材料がY23を8モル%添加したZrO2であること
    を特徴とする固体電解質型燃料電池。
  3. 【請求項3】 セラミックス材料からなる空気極、電解
    質および燃料極のシート成形体の積層物を焼結する固体
    電解質型燃料電池の製造方法であって、空気極層上に電
    解質材料と空気極材料とを混合した層を重ね、さらに電
    解質層、燃料極層を順次配置して積層物を形成し、この
    とき前記の電解質材料と空気極材料とを混合した層は、
    電解質材料の混合量を50wt%以下とした少なくとも
    複数の層で作製され、これらの複数の層における電解質
    材料の濃度は、電解質層から空気極層にかけて次第に低
    下するようになっていることを特徴とする固体電解質型
    燃料電池の製造方法。
JP8250997A 1996-09-02 1996-09-02 固体電解質型燃料電池およびその製造方法 Pending JPH1074528A (ja)

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