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JPH0722056A - 固体電解質型燃料電池の製造方法 - Google Patents

固体電解質型燃料電池の製造方法

Info

Publication number
JPH0722056A
JPH0722056A JP5163684A JP16368493A JPH0722056A JP H0722056 A JPH0722056 A JP H0722056A JP 5163684 A JP5163684 A JP 5163684A JP 16368493 A JP16368493 A JP 16368493A JP H0722056 A JPH0722056 A JP H0722056A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
oxide fuel
solid oxide
powder
nickel
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
JP5163684A
Other languages
English (en)
Inventor
Shizuyasu Yoshida
静安 吉田
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.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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 Fuji Electric Co Ltd filed Critical Fuji Electric Co Ltd
Priority to JP5163684A priority Critical patent/JPH0722056A/ja
Publication of JPH0722056A publication Critical patent/JPH0722056A/ja
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10—Sintering only
    • B22F3/11—Making porous workpieces or articles
    • B22F3/114—Making porous workpieces or articles the porous products being formed by impregnation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【構成】 【目的】特性，信頼性，量産性に優れる固体電解質型電
池を得る。 【構成】セラミックス多孔質体に電極活物質を含浸して
所定の雰囲気中で焼成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は固体電解質型燃料電池
の電極板の製造方法に係り、特にアノード電極板の製造
方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体電解質型燃料電池は電解質として固
体のジルコニアを用い、８００ないし１０００℃の高温
で作動させる燃料電池であり、電解質の支持や腐食の問
題がなく作動中の活性化過電圧を下げる触媒が不要であ
るなどの優れた特徴があり活発に研究されている。
【０００３】図２は従来の固体電解質型燃料電池を示す
分解斜視図である。ニッケルと固体電解質であるジルコ
ニアからなる多孔質のアノード電極板１と、イットリア
安定化ジルコニアYSZ の薄板からなる固体電解質体２
と、ランタンストロンチウムマンガナイトLa(Sr)MnO3か
らなるカソード電極板３と、カソード電極板３に積層さ
れたセパレータ４からなる。セパレータ４はランタンカ
ルシウムクロマイトLa(Ca)CrO3を用いて製造される。
【０００４】図３は従来のアノード電極板の製造方法を
示す工程図である。酸化ニッケルとイットリア安定化ジ
ルコニアYSZ を（１ないし２）対１の重量比で秤量す
る。ハインダとしてポリビニルブチラールＰＶＢを３な
いし５重量％、ポリエチレングリコールＲＥＧを０．５
ないし２重量％添加し、エタノール中で湿式混合し、乾
燥する。
【０００５】得られた粉体を金型に入れ、１００ＭＰａ
の圧力で成形し、ディスク状にする。このディスクをカ
ッタミルで粗粉砕し、目開き３００μｍの篩いを通過さ
せ造粒する。造粒粉を空気中で１３００℃の温度で２ｈ
仮焼した。この仮焼粉にバインダとしてポリビニルアル
コールＰＶＡを３ないし５重量％、ポリエチレングリコ
ールＰＥＧを０．５ないし２重量％添加し、水溶液中で
攪拌混合し、加熱乾燥する。金型に入れ、室温で３０な
いし５０ＭＰａの圧力で本成型し、水素還元雰囲気中で
１４００℃の温度で２ｈ焼成し、気孔率３５％のアノー
ド電極板を得ていた。
【０００６】本成型には上述の他シート成型，押し出し
成型，ＣＩＰ（Cold Isostactic Pressing) 等が用いら
れる。アノード電極板は酸化雰囲気中で焼成し電池動作
時に燃料ガスを流すことにより電池内部で還元を行い、
ニッケル−ジルコニアNi-ZrO 2 からなる導電性のアノー
ド電極板とすることもできる。アノード電極板１のニッ
ケルは燃料ガスとして用いる天然ガスや石炭ガス等に含
まれる炭化水素の改質触媒としても機能する。
【０００７】アノード電極板１には固体電解質体２がイ
ットリア安定化ジルコニアYSZ 等を用い、溶射によりま
たはスプレによる塗布後１４００ないし１５００℃の温
度で焼結して積層される。またカソード電極板はランタ
ンストロンチウムマンガナイトLa(Sr)MnO3粉体を成形
し、粉砕し、湿式混合後、造粒し、酸化雰囲気中で熱処
理し、その造粒粉を用いて金型による加圧成型，シート
成型，押し出し成型，ＣＩＰ（Cold Isostatic Pressin
g)等の本成型を行い、酸化雰囲気中で焼成して製造され
る。
【０００８】カソード電極板３にはセパレータ４がラン
タンカルシウムクロマイトLa(Ca)CrO3を用いて溶射等の
手段により積層される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来のア
ノード電極板１は多孔質で水素ガスの透過性はあるが電
極板の機械的強度は十分ではなかった。特に酸化性雰囲
気中で焼成し還元性雰囲気中で還元した電極板は酸化性
雰囲気中で焼成した電極板に比し、その機械的強度は１
／２ないし１／３であった。そのためにジルコニア溶射
時の熱衝撃や、固体電解質板のジルコニアとの熱膨張率
の差に起因する歪みにより容易にアノード電極板に割れ
が発生していた。
【００１０】またアノード電極板１は還元性雰囲気中で
還元する際に体積収縮を起こし、割れが生じるという問
題もあった。この割れの問題は導電性を確保できる限度
である３０重量％のニッケル含有量の場合においても発
生する。さらに前記還元によって製造したアノード電極
板はニッケルとジルコニアの結合性が悪く、電池組立時
や電池作動時に割れが発生し易い。
【００１１】さらに従来の製法に係るカソード電極板は
酸素の拡散性が十分でないうえにランタンマンガナイト
LaMnO3を用いてカソード電極板全体を製作しているため
製造コストが高くなるという問題があった。この発明は
上述の点に鑑みてなされその目的は、電極板の新規な製
法を開発することにより量産性，信頼性，特性に優れる
固体電解質型燃料電池の製造方法を提供することにあ
る。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上述の目的はこの発明に
よれば、固体電解質型燃料電池の電極板の製造方法であ
って、（１）含浸工程と、（２）焼成工程とを包含し、
含浸工程は電極活物質の粉体を溶剤に分散してスラリを
調製し、次いで前記スラリをセラミックス多孔質体に塗
布し且つ含浸する工程であり、焼成工程は前記粉体の含
浸されたセラミックス多孔質体を乾燥して所定雰囲気中
で熱処理し電極板を調製する工程であるとすることによ
り達成される。
【００１３】セラミックス多孔質体としてはイットリ
ア，マグネシア，カルシアまたはセリアにより部分安定
化または完全安定化されたジルコニア，アルミナAl
2O3 ，ムライト等が使用できる。これらは気孔径５０μ
ｍ以上のハニカム，メッシュ，フェルトの形で用いられ
る。フェルトはセラミックスのファイバからなる。アノ
ード電極活物質としてのニッケルは酸化ニッケル，ニッ
ケルカルボニル，金属ニッケル，炭酸ニッケルの粉体の
粒径が１μｍ以下のものがよく、粒径が大きいと燃料ガ
スである炭化水素の改質性能が低下する。
【００１４】上記ニッケルと混合して用いるジルコニア
粉体は安定化剤としてイットリア，カルシア，マグネシ
ア，セリアを添加した完全安定化ジルコニアや部分安定
化ジルコニアが用いられる。ニッケル−ジルコニアNi-Z
rO2 中のニッケルの組成比は電極板が良好な導電性を維
持するためにまたニッケルの焼結防止から３０ないし８
０重量％の範囲に設定される。ニッケルの組成が３０重
量％未満のときは導電性が悪く、また８０重量％を越え
るときはニッケル−ジルコニアの脱落が起こる。
【００１５】カソード活物質としてはランタンストロン
チウムマンガナイトLa(Sr)MnO3，ランタンカルシウムク
ロマイトLa(Ca)CrO3等が用いられる。スラリ調製の場合
のバインダは溶剤系ではポリビニルブチラール，エチル
セルロース，アクリル樹脂等があり、トルエン，セロソ
ルブ，エチルアルコール等の溶剤に溶解して用いられ
る。また水系ではポリビニルアルコール，メチルセルロ
ース，カルボキシルメチルセルロース等が用いられる。
またアクリル樹脂やブタジエン樹脂のエマルジョン系水
溶液が用いられる。
【００１６】スラリ中の粉体に対するバインダの添加量
は２ないし１０重量％が好ましい。２％未満の場合はセ
ラミックス多孔質体に対して粉体の付着性能が悪く、１
０％を越えると粉体の塗布密度の低下が生じ、緻密なニ
ッケル−ジルコニアNi-ZrO2層やランタンストロンチウ
ムマンガナイトLa(Sr)MnO3層等を形成することができず
焼結後においてこれらの層がセラミックス多孔質体より
脱落する。
【００１７】
【作用】電極活物質はセラミックス多孔質体の細孔内に
保持されて電極あるいは改質触媒として機能する。電極
板の機械的強度はセラミックス多孔質体により与えられ
る。セラミックス多孔質体は酸化や還元により体積変化
を起こさず機械的に安定である。
【００１８】セラミックス多孔質体はまた反応ガスの拡
散性能を高める。電極活物質は良導電体であり、セラミ
ックス多孔質体に担持された状態で電極板に導電性を与
える。電極板の熱膨張率はセラミックス多孔質体の熱膨
張率により決定されるから固体電解質体との熱膨張率の
整合が容易に図れる。
【００１９】
【実施例】次にこの発明の実施例を図面に基づいて説明
する。 実施例１ 図１はこの発明の実施例に係る固体電解質型燃料電池の
製造工程を示す流れ図である。
【００２０】セラミックス多孔質体にスラリを塗布含浸
して乾燥し、酸化焼成と還元焼成を連続して行ってセラ
ミックス多孔質体に電極活物質を担持した。続いて固体
電解質体をセラミックス多孔質体に積層して電極板を調
製した。セラミックス多孔質体としては気孔径５０μｍ
以上の編み目状イットリア安定化ジルコニアYSZ を用い
た。
【００２１】スラリは以下のようにして調製した。 酸
化ニッケルNiO 粉体とイットリア安定化ジルコニアYSZ
粉体を（１ないし２）対１の重量比で秤量した。バイン
ダとしてポリビニルブチラールPVB を２ないし１０重量
％、溶剤としてトルエン，メチルイソブチルカルビトー
ルおよびエタノール、可塑剤としてジブチルフタレート
DVP を用いボールミルで良く分散させた。
【００２２】セラミックス多孔質体にスラリを流し込
み、８×１０3Pa に減圧して脱泡しセラミックス多孔質
体内にスラリを含浸させた。含浸後乾燥し、セラミック
ス多孔質体を空気中で温度３００℃で１０ｈ焼成し、バ
インダを除去してから水素還元雰囲気中で温度１２００
ないし１４００℃で２ないし５ｈ熱処理した。この方法
により直径φ２００ｍｍ×厚さ３ｍｍの割れのないアノ
ード電極板を得た。
【００２３】続いてイットリア安定化ジルコニアYSZ を
プラズマ溶射して２００μｍ厚さの固体電解質体を形成
した。 実施例２ セラミックス多孔質体にスラリを塗布含浸して乾燥し、
酸化焼成を行ってセラミックス多孔質体に電極活物質を
担持した。
【００２４】続いて固体電解質体をセラミックス多孔質
体に積層して電極板を調製した。セラミックス多孔質体
としては気孔径５０μｍ以上の編み目状イットリア安定
化ジルコニアYSZ を用いた。スラリは以下のようにして
調製した。酸化ニッケルNiO 粉体とイットリア安定化ジ
ルコニアYSZ 粉体を（１ないし２）対１の重量比で秤量
した。バインダとしてポリビニルブチラールPVB を２な
いし１０重量％、溶剤としてトルエン，メチルイソブチ
ルカルビトールおよびエタノール、可塑剤としてジブチ
ルフタレートDVP を用いボールミルで良く分散させた。
【００２５】セラミックス多孔質体にスラリを流し込
み、８×１０3 Ｐａに減圧して脱泡しセラミックス多孔
質体内にスラリを含浸させた。含浸後乾燥し、セラミッ
クス多孔質体を空気中で温度１４００ないし１５００℃
で２ないし５ｈ焼成した。この酸化焼成により電極活物
質である酸化ニッケル−ジルコニアNiO-ZrO2がセラミッ
クス多孔質体に強固に焼き付けられた。
【００２６】このようにして直径φ２００ｍｍ×厚さ３
ｍｍの割れのないアノード電極板を得た。続いてイット
リア安定化ジルコニアYSZ をプラズマ溶射して２００μ
ｍ厚さの固体電解質体を形成した。 比較例１ 固体電解質体を形成していない従来のアノード電極板を
３ｍｍ×３ｍｍ×５０ｍｍの試験片とし三点曲げ強度試
験を行った。アノード電極板の強度は２０ないし２５Ｍ
Ｐａであった。実施例１，２に係るアノード電極板の強
度は４０ないし５０ＭＰａであった。破壊に至る反り量
は試験幅４０ｍｍにおいて比較例のアノード電極板は
０．１ｍｍ、実施例のアノード電極板は２ｍｍであっ
た。このようにして実施例に係るアノード電極板は比較
例のアノード電極板に比し、２倍の機械的強度と２０倍
の破壊に至る反り量を示した。
【００２７】比較例および実施例のアノード電極板を用
いて電池を構成し、燃料ガスとしてメタン９０体積％以
上を含むガスを８０℃の水温中でバブルし、電池温度１
０００℃で電池特性を測定した結果、開放時の電圧は双
方において１Ｖ、分極電圧０．６Ｖを示す電流密度は、
実施例に係るアノード電極板が１．２Ａ／ｃｍ2 、比較
例に係るアノード電極板が１．０Ａ／ｃｍ2 であった。
本発明における燃料ガスの改質性能は従来と同等あるい
はそれ以上であることがわかる。
【００２８】また実施例に係るアノード電極板は電池の
起動，停止の熱サイクルにおいて割れの発生が認められ
なかった。本発明と従来の製造方法を比較すると、本発
明の製造方法は従来のものより簡明で固体電解質型燃料
電池製造の大幅な工程短縮ができる。またアノード電極
板の機械的強度が向上するために大面積で厚さの薄いア
ノード電極板の製造が可能となる。さらにアノード電極
板には柔軟性があるため固体電解質体との密着性が向上
して固体電解質体との接触抵抗の低減が図れるうえ耐熱
サイクル性の一層の向上を可能にする。 実施例３ セラミックス多孔質体にスラリを塗布含浸して乾燥し、
酸化焼成を行ってセラミックス多孔質体に電極活物質を
担持した。
【００２９】続いて固体電解質体をセラミックス多孔質
体に積層して電極板を調製した。セラミックス多孔質体
としては気孔径５０μｍ以上のフェルト状アルミナAl2O
3 を用いた。スラリは以下のようにして調製した。電極
活物質としてランタンストロンチウムマンガナイトLa(S
r)MnO3の粉体を用いた。バインダとしてポリビニルブチ
ラールPVB を２ないし１０重量％、溶剤としてトルエ
ン，メチルイソブチルカルビトールおよびエタノール、
可塑剤としてジブチルフタレートDBP を用いボールミル
で良く分散させた。
【００３０】セラミックス多孔質体にスラリを流し込
み、８×１０3 Ｐａに減圧して脱泡しセラミックス多孔
質体内にスラリを含浸させた。含浸後乾燥し、セラミッ
クス多孔質体を空気中で温度１０００ないし１４００℃
で２ないし５ｈ焼成した。この酸化焼成により電極活物
質であるランタンストロンチウムマンガナイトLa(Sr)Mn
O3がアルミナAl2O3 セラミックス多孔質体に強固に焼き
付けられた。
【００３１】このようにして直径φ２００ｍｍ×厚さ３
ｍｍのガス拡散性の良好なカソード電極板を得た。続い
てランタンクロマイトLaCrO3をプラズマ溶射して２００
μｍ厚さのセパレータを形成した。本実施例に係るカソ
ード電極板を用いて固体電解質型燃料電池を構成し、分
極特性を測定した。本実施例に係るカソード電極板を用
いた固体電解質型燃料電池は電流密度１．３５Ａ／ｃｍ
2 において分極電圧０．６Ｖを示した。これは従来の電
池が１．０Ａ／ｃｍ2 において分極電圧０．６Ｖを示し
たのに比して分極特性が向上していることがわかる。
【００３２】
【発明の効果】この発明によれば固体電解質型燃料電池
の電極板の製造方法であって、（１）含浸工程と、
（２）焼成工程とを包含し、含浸工程は電極活物質の粉
体を溶剤に分散してスラリを調製し、次いで前記スラリ
をセラミックス多孔質体に塗布し且つ含浸する工程であ
り、焼成工程は前記粉体の含浸されたセラミックス多孔
質体を乾燥して所定雰囲気中で熱処理し電極板を調製す
る工程であるので、電極活物質はセラミックス多孔質体
の細孔内に保持されて電極あるいは改質触媒として機能
し、電極板の機械的強度はセラミックス多孔質体により
与えられる。セラミックス多孔質体はまた反応ガスの拡
散性能を高める。このようにして特性，量産性，信頼性
に優れる固体電解質型燃料電池が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例に係る固体電解質型燃料電池
の製造工程を示す流れ図
【図２】従来の固体電解質型燃料電池を示す分解斜視図
【図３】従来のアノード電極板の製造工程を示す流れ図
【符号の説明】
１ アノード電極板 ２ 固体電解質体 ３ カソード電極板 ４ セパレータ

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】固体電解質型燃料電池の電極板の製造方法
    であって、 （１）含浸工程と、 （２）焼成工程とを包含し、 含浸工程は電極活物質の粉体を溶剤に分散してスラリを
    調製し、次いで前記スラリをセラミックス多孔質体に塗
    布し且つ含浸する工程であり、 焼成工程は前記粉体の含浸されたセラミックス多孔質体
    を乾燥して所定雰囲気中で熱処理し電極板を調製する工
    程であることを特徴とする固体電解質型燃料電池の製造
    方法。
  2. 【請求項２】請求項１記載の製造方法において、電極活
    物質はニッケルを含む粉体と、ジルコニア粉体の混合物
    を熱処理してなることを特徴とする固体電解質型燃料電
    池の製造方法。
  3. 【請求項３】請求項２記載の製造方法において、ニッケ
    ルを含む粉体は金属ニッケル，酸化ニッケル，ニッケル
    カルボニル，炭酸ニッケルの群から選ばれた少なくとも
    一つであることを特徴とする固体電解質型燃料電池の製
    造方法。
  4. 【請求項４】請求項２記載の製造方法において、ジルコ
    ニア粉体はイットリア，マグネシア，カルシアまたはセ
    リアにより部分安定化または完全安定化されたジルコニ
    アであることを特徴とする固体電解質型燃料電池の製造
    方法。
  5. 【請求項５】請求項２記載の製造方法において、ニッケ
    ル粉体とジルコニア粉体中のニッケルの組成は３０ない
    し８０重量％の範囲にあることを特徴とする固体電解質
    型燃料電池の製造方法。
  6. 【請求項６】請求項２記載の製造方法において、熱処理
    は酸化雰囲気中での焼成とこれに続く還元雰囲気中での
    焼成であることを特徴とする固体電解質型燃料電池の製
    造方法。
  7. 【請求項７】請求項２記載の製造方法において、熱処理
    は還元雰囲気中での焼成であることを特徴とする固体電
    解質型燃料電池の製造方法。
  8. 【請求項８】請求項１記載の製造方法において、セラミ
    ックス多孔質体はイットリア，マグネシア，カルシアま
    たはセリアにより部分安定化または完全安定化されたジ
    ルコニアであることを特徴とする固体電解質型燃料電池
    の製造方法。
  9. 【請求項９】請求項１記載の製造方法において、セラミ
    ックス多孔質体はハニカム，メッシュまたはフェルトで
    あることを特徴とする固体電解質型燃料電池の製造方
    法。
JP5163684A 1993-07-02 1993-07-02 固体電解質型燃料電池の製造方法 Pending JPH0722056A (ja)

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