JPH0362459A - 固体電解質型燃料電池及びその製造方法 - Google Patents

固体電解質型燃料電池及びその製造方法

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JPH0362459A
JPH0362459A JP1196324A JP19632489A JPH0362459A JP H0362459 A JPH0362459 A JP H0362459A JP 1196324 A JP1196324 A JP 1196324A JP 19632489 A JP19632489 A JP 19632489A JP H0362459 A JPH0362459 A JP H0362459A
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electrolyte
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Jiro Kitagawa
北川　二朗
Masayuki Kito
昌之 鬼頭
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Onoda Cement Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は固体電解質型燃料電池及びその製造方法に関
するものである。
［従来の技術］ 固体電解質型燃料電池は第１図に示すように燃料ガス域
８と空気又は酸素域９を固体電解質型燃料電池素子５で
隔て、該素子及び両ガスを素子中の電解質層３の中で酸
素によるイオン電導が発現する温度まで例えば１０００
°Ｃまで加熱し、燃料電極層２と空気電極層４の間に発
生する起電力を利用して発電を行う方法であり、電解質
層３には良好な酸素イオン導電性と、ガスを透過しにく
いガス阻止能力が要求される。
このガス阻止能力が要求されるのは、燃料ガスが燃料ガ
ス域側から電解質層を透過して空気又は酸素域側に達し
たり、逆に酸素ガスが燃料ガス域側に達したりすると、
燃料ガスが酸素ガスと燃焼反応して消費される為、燃料
ガスが発電に寄与しなくなり、発電効率が低下する。
又、燃焼熱による局部的な加熱で素子が損傷したりする
為である。
この電解質層は次の方法を用いて形成されている。
■　塩化ジルコニウム及び塩化イツトリウムを高温度、
減圧下でガス状とし、これを水蒸気と反応させて電解質
層を析出させる方法（ＣＶＤ−ＥＶＤ法〉以下これを気
相法と略称する。
■　電解質粉末を溶射して電解質層を形成する方法、以
下これを在来溶射法と略称する。
［発明が解決しようとする課題］ 従来の気相法ではガス阻止能力は大きなものがえられる
とされているが、層の形成速度は在来溶射法の１／１０
０程度と遅く、又反応条件も温度１１００〜１２００℃
、真空度Ｉ　Ｔｏｒｒ　（Ｉ　Ｔｏｒｒ−１ｍｉＨｇ）
程度と巖しいものであり、大がかりな装置が必要となる
。又塩化ジルコニウム、塩化イツトリウムはヘリウムガ
スと混合して使用したり、水蒸気は水素と混合して使用
したりするので、ランニングコストも嵩み、又安全上の
配慮も必要となる。
さらに減圧下で処理するので連続的に生産する装置とす
るのは困難であり、バッチ式の装置とせざるを得ない為
、装置の昇温、降温にも時間を要し、生産性が悪く、燃
料電池素子が著しく高価となり、実用性にとぼしい。
在来溶射法は電解質層の形成速度は極めて早いが、層の
ガス阻止能力が不充分で、ガスリークによる局部加熱な
どが原因で素子の寿命が短く、これも実用性にとぼしい
。
この場合に問題となるガス阻止能力は第２図に原理図を
示した測定装置を使い、ガス透過係数Ｐ（ｃｍ４／ｇ−
東　）で評価できる。
まず、この装置で加圧域１６に所定の圧力をかけ、多孔
質支持母材１上に形成された電解質層３を通して排気ｊ
ｆｉ１７に透過してくるガス量Ｑ（ｃｍ／ｓｅｅ　　）
をガス流量計１４で測定する。
一方この透過ガス量Ｑ（ｃｕｌ／ａｔ）はガスの種類及
びガスの温度を決めると、電解質層の厚さｔ（ａｍ）に
反比岡し、加圧域１６と排気域１７の圧力差Ｐｄ（ｇ／
ｃｆｆｌ）及び該電解質層面積５（ｃＩｌｉ）に比例す
る事から、次の式によりガス透過係数ｐ（ｃｍ’／ｇ・
υ）を求める事ができる。
Ｐｄ　　Ｘ　　５ Ｑ＝Ｐ× 電解質層においては、このガス透過係数の値は小さけれ
ば小さい程好ましい。
［課題を解決する為の手段及び作用］ 電解質層の熱膨張係数とほぼ等しい熱膨張係数をもった
支持母材にｔ極層を形成し、これにプラズマ溶射法にて
電解質層を形成した後、これを１３００℃以上の温度で
所定時間熱処理を施すと、溶射法のみで形成した電解質
層よりはるかに小さなガス透過係数をもった電解質層が
形成できる。
又、熱処理の温度は１３００℃以下でも良いが、例えば
１２５０℃程度だと１００時間時間上長い時間を必要と
する。又熱処理の時間は温度が高いと短くてすみ、１６
００℃では１時間程度で良い。
［実施例］ カルシア安定化ジルコニア（カルシア１０モル％）の多
孔質支持母材に、電解質層としてイツトリア安定化ジル
コニア（イツトリア　８モル％）をプラズマ溶射し、こ
れを５０″Ｃ／時間の割合で１４５０℃まで昇温し、６
時間保持後、再び５０℃／時間の割合で降温した。
この時のガス透過係数は、 プラズマ溶射のみの場合 ３、’　Ｘ　１０−６ａｒ’　／　ｇ−０熱処理後 ０．６　Ｘ　１１０−６ａｒ’　／　ｇ−ｗ（測定ガス
は２５℃窒素ガス） と１／６に減少した。
しかし、アルミナ多孔質の支持母材を使い、電解質層を
プラズマ溶射した後、同様の条件で熱処理したところ、
ガス透過係数はプラズマ溶射のみの電解質層の１０倍以
上と悪くなった。これは支持母材のアルミナ多孔質材（
熱膨張係数８　Ｘ　１Ｏ−６）と電解質層のイツトリア
安定化ジルコニア（熱膨張係数１０Ｘ　１０−’）では
熱膨張係数に差がある為、層厚の薄い電解質層の側に亀
裂が入るものと考えられる。この電解質層の亀裂は電子
顕微鏡写真でも観察された。
そこで電解質層と熱膨張係数がほぼ等しいカルシア安定
化ジルコニア多孔質材（熱膨張係数９、’　Ｘｌ０−６
）を支持母材として使用すると前記のごとくガス透過係
数は大巾に小さくなったものである。
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこの
実施例に限定されるものでなく、本発明の要旨の範囲内
に於いて部分的変更及び付加を行って実施することも可
能である。
［発明の効果］ 本発明は層の形成速度が極めて早い溶射法と既に連続プ
ロセスとして工業化されている大型熱処理装置を利用す
る事により、簡単な装置で、安価なしかもガス阻止能力
の大きい電解質層の形式を可能としたものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は固体電解質型燃料電池の構成を示す概略図、第
２図はガス透過係数の測定装置の構成を示す概略図であ
る。 ■・・・支持母材 ２・・・燃料電極層 ３・・・電解質層 ４・・・空気電極層 ５・・・固体電解質型燃料電池素子 ６・・・燃料ガス ７・・・空気又は酸素 ８・・・燃料ガス域 ９・・・空気又は酸素域 １０・・・リード線 １１・・・負荷 １２・・・電解質層の厚さ １３・・・窒素ガス １４・・・ガス流量計 １５・・・差圧計 １６・・・加圧域 １７・・・排気域

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、燃料電極層、電解質層及び空気電極層からなる固体
    電解質型燃料電池素子を介して空気又は酸素域と燃料ガ
    ス域を配置し、該固体電解質型燃料電池素子を支持母材
    に一体的に接合した燃料電池において、支持母材の熱膨
    張係数を、溶射により形成した後それを熱処理して得ら
    れる電解質層の熱膨張係数とほぼ等しくしたことを特徴
    とする固体電解質型燃料電池。 ２、電解質層がイットリア安定化ジルコニアであり、か
    つ支持母材が、イットリア安定化ジルコニア又はカルシ
    ア安定化ジルコニア又はマグネシア安定化ジルコニアで
    ある事を特徴とする請求項第１項記載の固体電解質型燃
    料電池。 ３、固体電解質型燃料電池素子を介して空気又は酸素域
    と燃料ガス域を配置し、該固体電解質型燃料電池素子を
    支持母材に順次燃料電極層、電解質層及び空気電極層を
    一体的に接合する燃料電池の製造方法において、電解質
    層とほぼ等しい膨張係数をもった支持母材に該電解質層
    を溶射によって形成した後、それを熱処理することを特
    徴する固体電解質型燃料電池。 ４、熱処理温度が、１３００℃以上で行われる事を特徴
    とする請求項第３項記載の固体電解質型燃料電池の製造
    方法。 ５、熱処理時間が１時間以上である事を特徴とする請求
    項第３項記載の固体電解質型燃料電池の製造方法。
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