JPH1021935A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents
固体電解質型燃料電池Info
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- JPH1021935A JPH1021935A JP8194125A JP19412596A JPH1021935A JP H1021935 A JPH1021935 A JP H1021935A JP 8194125 A JP8194125 A JP 8194125A JP 19412596 A JP19412596 A JP 19412596A JP H1021935 A JPH1021935 A JP H1021935A
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- solid electrolyte
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
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- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 空気極と固体電解質膜の構造が改良され、セ
ル出力密度及び製造時の歩留りの向上した固体電解質型
燃料電池を提供する。 【解決手段】 本発明の固体電解質型燃料電池は、以下
の空気極、混合層及び固体電解質膜が、この順に積層さ
れている；空気極は、気孔率が２８〜４０％であり、気
孔径が５〜１１μm であり、導電率が７０S/cm以上であ
り、ガス透過係数が１．０〜１２．０m2/hr・atm であ
り、強度が２．５kgf/mm2 以上であり；混合層は、気孔
率が５〜２０％であり、気孔径が０．５〜３．０μm で
あり、界面導電率が１０S/cm2 以上であり；空気極と混
合層の合計厚さが１．０〜３．０mmであり；混合層の厚
さが該合計厚さの０．５〜５．０％である。
ル出力密度及び製造時の歩留りの向上した固体電解質型
燃料電池を提供する。 【解決手段】 本発明の固体電解質型燃料電池は、以下
の空気極、混合層及び固体電解質膜が、この順に積層さ
れている；空気極は、気孔率が２８〜４０％であり、気
孔径が５〜１１μm であり、導電率が７０S/cm以上であ
り、ガス透過係数が１．０〜１２．０m2/hr・atm であ
り、強度が２．５kgf/mm2 以上であり；混合層は、気孔
率が５〜２０％であり、気孔径が０．５〜３．０μm で
あり、界面導電率が１０S/cm2 以上であり；空気極と混
合層の合計厚さが１．０〜３．０mmであり；混合層の厚
さが該合計厚さの０．５〜５．０％である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、空気極と固体電解
質膜の構造に特徴を有する固体電解質型燃料電池に関す
る。特に、自己支持型（空気極が支持体を兼ねる）とし
て適当な空気極を有し、高い発電性能を有する固体電解
質型燃料電池に関する。
質膜の構造に特徴を有する固体電解質型燃料電池に関す
る。特に、自己支持型（空気極が支持体を兼ねる）とし
て適当な空気極を有し、高い発電性能を有する固体電解
質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】円筒型セルタイプの固体電解質型燃料電
池（以下Ｔ−ＳＯＦＣとも言う）の空気極を例にとって
従来技術を説明する。Ｔ−ＳＯＦＣは、特公平１−５９
７０５等に開示されている固体電解質型燃料電池（以下
ＳＯＦＣとも言う）の一タイプである。Ｔ−ＳＯＦＣ
は、多孔質支持管−空気極−固体電解質−燃料電極−イ
ンターコネクターで構成される円筒型セルを有する。空
気極側に酸素（空気）を流し、燃料電極側にガス燃料
（Ｈ2 、ＣＯ等）を流してやると、このセル内でＯ2-イ
オンが移動して化学的燃焼が起り、空気極と燃料電極の
間に電位が生じ発電が行われる。なお、空気極が支持管
を兼用する形式のものもある。Ｔ−ＳＯＦＣの実証試験
は、１９９３年段階で２５kw級のもの（セル有効長５０
cm、セル数１１５２本) までが進行中である。
池（以下Ｔ−ＳＯＦＣとも言う）の空気極を例にとって
従来技術を説明する。Ｔ−ＳＯＦＣは、特公平１−５９
７０５等に開示されている固体電解質型燃料電池（以下
ＳＯＦＣとも言う）の一タイプである。Ｔ−ＳＯＦＣ
は、多孔質支持管−空気極−固体電解質−燃料電極−イ
ンターコネクターで構成される円筒型セルを有する。空
気極側に酸素（空気）を流し、燃料電極側にガス燃料
（Ｈ2 、ＣＯ等）を流してやると、このセル内でＯ2-イ
オンが移動して化学的燃焼が起り、空気極と燃料電極の
間に電位が生じ発電が行われる。なお、空気極が支持管
を兼用する形式のものもある。Ｔ−ＳＯＦＣの実証試験
は、１９９３年段階で２５kw級のもの（セル有効長５０
cm、セル数１１５２本) までが進行中である。
【０００３】現状の代表的なＴ−ＳＯＦＣの構成材料、
厚さ及び製造方法は以下のとおりである（Proc. of the
3rd Int. Symp. on SOFC, 1993 ）。 支持管：ＺｒＯ2 （ＣａＯ）、厚さ１．２mm、押し出し 空気極：Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ3 、厚さ１．４mm、スラリ
ーコート 固体電解質：ＺｒＯ2 （Ｙ2 Ｏ3 ）、厚さ４０μm 、Ｅ
ＶＤ インターコネクター：ＬａＣｒ（Ｍｇ）Ｏ3 、厚さ４０
μm 、ＥＶＤ 燃料電極：Ｎｉ−ＺｒＯ2 （Ｙ2 Ｏ3 ）、厚さ１００μ
m 、スラリーコート−ＥＶＤ
厚さ及び製造方法は以下のとおりである（Proc. of the
3rd Int. Symp. on SOFC, 1993 ）。 支持管：ＺｒＯ2 （ＣａＯ）、厚さ１．２mm、押し出し 空気極：Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ3 、厚さ１．４mm、スラリ
ーコート 固体電解質：ＺｒＯ2 （Ｙ2 Ｏ3 ）、厚さ４０μm 、Ｅ
ＶＤ インターコネクター：ＬａＣｒ（Ｍｇ）Ｏ3 、厚さ４０
μm 、ＥＶＤ 燃料電極：Ｎｉ−ＺｒＯ2 （Ｙ2 Ｏ3 ）、厚さ１００μ
m 、スラリーコート−ＥＶＤ
【０００４】Ｔ−ＳＯＦＣの空気極（自己支持型）用材
料に必要とされる特性は以下の諸特性である。 １０００℃（ＳＯＦＣ作動温度）、酸化性雰囲気下
で化学的に安定であること。 通気性があること。 導電性（電子導電性）があること。 イオン解離触媒作用が高いこと。 固体電解質の本命材料と見られているＺｒＯ2 との
相性が良いこと（熱膨張率が似てる、反応性が無い）。 薄い（例えば０．３〜３．０mm）パイプに成形しう
ること。 ある程度強度が高いこと。 経済的である。
料に必要とされる特性は以下の諸特性である。 １０００℃（ＳＯＦＣ作動温度）、酸化性雰囲気下
で化学的に安定であること。 通気性があること。 導電性（電子導電性）があること。 イオン解離触媒作用が高いこと。 固体電解質の本命材料と見られているＺｒＯ2 との
相性が良いこと（熱膨張率が似てる、反応性が無い）。 薄い（例えば０．３〜３．０mm）パイプに成形しう
ること。 ある程度強度が高いこと。 経済的である。
【０００５】このような特性をできるだけ満足するもの
として、特公平７−４８３７８には、“ＳＯＦＣ空気極
として、第一層と第二層とからなり、第一層の気孔率が
２５〜５７％、気孔径が２．５〜１２μm 、比抵抗が
０．２２Ω・cm以下であり、第二層の気孔率が８〜２４
％、気孔径が０．２〜３μm 、空気極の厚さに対する第
二層の空気極の厚さの比が２〜２８％であり、空気極の
厚さが０．７〜３．０mmであり、空気極の材質がマンガ
ン酸ランタン、マンガン酸カルシウム、ニッケル酸ラン
タン、コバルト酸ランタン、クロム酸ランタンからなる
群より選ばれたペロブスカイト構造体を採用すること”
を提案している。
として、特公平７−４８３７８には、“ＳＯＦＣ空気極
として、第一層と第二層とからなり、第一層の気孔率が
２５〜５７％、気孔径が２．５〜１２μm 、比抵抗が
０．２２Ω・cm以下であり、第二層の気孔率が８〜２４
％、気孔径が０．２〜３μm 、空気極の厚さに対する第
二層の空気極の厚さの比が２〜２８％であり、空気極の
厚さが０．７〜３．０mmであり、空気極の材質がマンガ
ン酸ランタン、マンガン酸カルシウム、ニッケル酸ラン
タン、コバルト酸ランタン、クロム酸ランタンからなる
群より選ばれたペロブスカイト構造体を採用すること”
を提案している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記特性値範
囲のうち、気孔率を４０％以上にすると強度が著しく低
下しセルの信頼性が低減し、気孔率を２８％以下、気孔
径を５．０μm 以下にするとガス透過性が著しく低下し
セル性能が低下することが、本発明者らの検討により明
らかになった。
囲のうち、気孔率を４０％以上にすると強度が著しく低
下しセルの信頼性が低減し、気孔率を２８％以下、気孔
径を５．０μm 以下にするとガス透過性が著しく低下し
セル性能が低下することが、本発明者らの検討により明
らかになった。
【０００７】本発明は、空気極と固体電解質膜の構造が
改良された、セル出力密度及び製造時の歩留りの向上し
た固体電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
改良された、セル出力密度及び製造時の歩留りの向上し
た固体電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明では以下の着眼点
から課題の解決を図った。 空気極（セル支持構造を兼ねうる）の気孔率、気孔
径、強度及びガス透過係数について、通気性と強度のバ
ランスを取るために、それぞれ最適な範囲を究明した。 空気極と固体電解質膜間の境界層である混合層につ
いては、その要求される電気抵抗特性を、導電率ではな
く、界面導電率で規定した。また、空気極、固体電解質
及び空気（酸化剤）の三相界面の存在密度を確保しつ
つ、かつ空気の流動抵抗を少なくする観点から、その気
孔径と通気性との関係を究明した。
から課題の解決を図った。 空気極（セル支持構造を兼ねうる）の気孔率、気孔
径、強度及びガス透過係数について、通気性と強度のバ
ランスを取るために、それぞれ最適な範囲を究明した。 空気極と固体電解質膜間の境界層である混合層につ
いては、その要求される電気抵抗特性を、導電率ではな
く、界面導電率で規定した。また、空気極、固体電解質
及び空気（酸化剤）の三相界面の存在密度を確保しつ
つ、かつ空気の流動抵抗を少なくする観点から、その気
孔径と通気性との関係を究明した。
【０００９】すなわち、本発明の固体電解質型燃料電池
は、空気極、空気極材料と固体電解質の混合物からなる
混合層、並びに、固体電解質膜がこの順に積層させてい
る層構造を有する固体電解質型燃料電池であって： 上
記空気極の導電率が７０S/cm以上であることを特徴とす
る。空気極の導電率が７０S/cm以上とされるのは、セル
の最大出力密度０．１W/cm2 以上を確保するためであ
る。
は、空気極、空気極材料と固体電解質の混合物からなる
混合層、並びに、固体電解質膜がこの順に積層させてい
る層構造を有する固体電解質型燃料電池であって： 上
記空気極の導電率が７０S/cm以上であることを特徴とす
る。空気極の導電率が７０S/cm以上とされるのは、セル
の最大出力密度０．１W/cm2 以上を確保するためであ
る。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の固体電解質型燃料電池に
おいては、セル出力密度確保のために、上記混合層の界
面導電率が１０S/cm2 以上であることが好ましい。ま
た、セル出力密度確保のために、空気極のガス透過係数
が１．０〜１２．０m2/hr・atm であることが好ましい。
また、空気極の強度が２．５kgf/mm2 以上であることが
好ましい。自己支持体としての強度を確保するためであ
る。
おいては、セル出力密度確保のために、上記混合層の界
面導電率が１０S/cm2 以上であることが好ましい。ま
た、セル出力密度確保のために、空気極のガス透過係数
が１．０〜１２．０m2/hr・atm であることが好ましい。
また、空気極の強度が２．５kgf/mm2 以上であることが
好ましい。自己支持体としての強度を確保するためであ
る。
【００１１】本発明の固体電解質型燃料電池において
は、空気極の気孔率が２８〜４０％であることが好まし
い。気孔率が２８％未満では、ガス透過係数が低下する
ため、一定のセル性能（０．１W/cm2 以上）が確保しに
くくなるからであり、気孔率が４０％越えでは導電率が
低下して同じくセル性能が確保しにくくなるからであ
る。
は、空気極の気孔率が２８〜４０％であることが好まし
い。気孔率が２８％未満では、ガス透過係数が低下する
ため、一定のセル性能（０．１W/cm2 以上）が確保しに
くくなるからであり、気孔率が４０％越えでは導電率が
低下して同じくセル性能が確保しにくくなるからであ
る。
【００１２】本発明の固体電解質型燃料電池において
は、空気極の気孔径が５〜１１μm であることが好まし
い。気孔径が５μm 未満では、ガス透過係数が低下する
ため、一定のセル性能（０．１W/cm2 以上）が確保しに
くくなるからであり、気孔径が１１μm 越えでは、強度
が２．５kgf/mm2 未満となり、自己支持体（空気極自体
がセルの強度部材の役割を果たす）としては不適となる
（例えば、セル製作工程中の破損確率が高くなる）から
である。
は、空気極の気孔径が５〜１１μm であることが好まし
い。気孔径が５μm 未満では、ガス透過係数が低下する
ため、一定のセル性能（０．１W/cm2 以上）が確保しに
くくなるからであり、気孔径が１１μm 越えでは、強度
が２．５kgf/mm2 未満となり、自己支持体（空気極自体
がセルの強度部材の役割を果たす）としては不適となる
（例えば、セル製作工程中の破損確率が高くなる）から
である。
【００１３】本発明の固体電解質型燃料電池において
は、混合層の気孔率が５〜２０％、気孔径が０．５〜
３．０μm であることが好ましい。気孔率が５％未満で
は、三相界面近傍のガス拡散に起因する抵抗が増加する
こととなり、気孔率が２０％越えでは三相界面が減少し
界面導電率が低下することとなるからである。また、混
合層の気孔径が０．５〜３．０μm とされるのは、セル
の最大出力密度を確保するためであり、気孔径が０．５
μm 未満では、ガス拡散に起因する抵抗が増加すること
となり、気孔径が３．０μm を越えると三相界面が減少
し、界面導電率が低下することとなるからである。
は、混合層の気孔率が５〜２０％、気孔径が０．５〜
３．０μm であることが好ましい。気孔率が５％未満で
は、三相界面近傍のガス拡散に起因する抵抗が増加する
こととなり、気孔率が２０％越えでは三相界面が減少し
界面導電率が低下することとなるからである。また、混
合層の気孔径が０．５〜３．０μm とされるのは、セル
の最大出力密度を確保するためであり、気孔径が０．５
μm 未満では、ガス拡散に起因する抵抗が増加すること
となり、気孔径が３．０μm を越えると三相界面が減少
し、界面導電率が低下することとなるからである。
【００１４】本発明の固体電解質型燃料電池において
は、空気極と混合層の合計厚さが１．０〜３．０mmであ
り： 該混合層の厚さが該合計厚さの０．５〜５．０％
であることが好ましい。空気極と混合層の合計厚さが
１．０mm未満では、空気極中の円周方向の抵抗が増加す
るためセル性能を確保しにくく、３．０mm越えではガス
透過性が低下して過電圧が高くなるためセル性能を確保
しにくいためである。また、混合層の厚さが該合計厚さ
の０．５％未満では、三相界面が減少し界面導電率が低
下するためセル性能を確保しにくく、５．０％越えでは
ガス透過性が低下して過電圧が高くなるためセル性能を
確保しにくいためである。
は、空気極と混合層の合計厚さが１．０〜３．０mmであ
り： 該混合層の厚さが該合計厚さの０．５〜５．０％
であることが好ましい。空気極と混合層の合計厚さが
１．０mm未満では、空気極中の円周方向の抵抗が増加す
るためセル性能を確保しにくく、３．０mm越えではガス
透過性が低下して過電圧が高くなるためセル性能を確保
しにくいためである。また、混合層の厚さが該合計厚さ
の０．５％未満では、三相界面が減少し界面導電率が低
下するためセル性能を確保しにくく、５．０％越えでは
ガス透過性が低下して過電圧が高くなるためセル性能を
確保しにくいためである。
【００１５】本発明の固体電解質型燃料電池において
は、セルの最大出力密度０．１W/cm2以上を達成するた
めのひとつの基準となる条件は：空気極は、気孔率が２
８〜４０％であり、気孔径が５〜１１μm であり、導電
率が７０S/cm以上であり、ガス透過係数が１．０〜１
２．０m2/hr・atm であり、混合層は、気孔率が５〜２０
％であり、気孔径が０．５〜３．０μm であり、界面導
電率が１０S/cm2 以上であり；空気極と混合層の合計厚
さが１．０〜３．０mmであり；混合層の厚さが該合計厚
さの０．５〜５．０％である。
は、セルの最大出力密度０．１W/cm2以上を達成するた
めのひとつの基準となる条件は：空気極は、気孔率が２
８〜４０％であり、気孔径が５〜１１μm であり、導電
率が７０S/cm以上であり、ガス透過係数が１．０〜１
２．０m2/hr・atm であり、混合層は、気孔率が５〜２０
％であり、気孔径が０．５〜３．０μm であり、界面導
電率が１０S/cm2 以上であり；空気極と混合層の合計厚
さが１．０〜３．０mmであり；混合層の厚さが該合計厚
さの０．５〜５．０％である。
【００１６】本発明の固体電解質型燃料電池において
は、セルの最大出力密度０．２W/cm2以上を達成するた
めのひとつの基準となる条件は：空気極は、気孔率が３
０〜３９％であり、気孔径が６〜１０μm であり、導電
率が７５S/cm以上であり、ガス透過係数が３．５〜１
１．５m2/hr・atm であり、混合層は、気孔率が６〜１８
％であり、気孔径が０．７〜２．７μm であり、界面導
電率が１５S/cm2 以上であり；空気極と混合層の合計厚
さが１．２〜２．８mmであり；混合層の厚さが該合計厚
さの１．０〜４．５％である。
は、セルの最大出力密度０．２W/cm2以上を達成するた
めのひとつの基準となる条件は：空気極は、気孔率が３
０〜３９％であり、気孔径が６〜１０μm であり、導電
率が７５S/cm以上であり、ガス透過係数が３．５〜１
１．５m2/hr・atm であり、混合層は、気孔率が６〜１８
％であり、気孔径が０．７〜２．７μm であり、界面導
電率が１５S/cm2 以上であり；空気極と混合層の合計厚
さが１．２〜２．８mmであり；混合層の厚さが該合計厚
さの１．０〜４．５％である。
【００１７】本発明の固体電解質型燃料電池において
は、セルの最大出力密度０．３W/cm2以上を達成するた
めのひとつの基準となる条件は：空気極は、気孔率が３
２〜３８％であり、気孔径が６．５〜９．５μm であ
り、導電率が８０S/cm以上であり、ガス透過係数が５．
０〜１１．０m2/hr・atm であり、混合層は、気孔率が７
〜１７％であり、気孔径が１．０〜２．２μm であり、
界面導電率が２０S/cm2 以上であり；空気極と混合層の
合計厚さが１．３〜２．６mmであり；混合層の厚さが該
合計厚さの１．２〜３．５％である。
は、セルの最大出力密度０．３W/cm2以上を達成するた
めのひとつの基準となる条件は：空気極は、気孔率が３
２〜３８％であり、気孔径が６．５〜９．５μm であ
り、導電率が８０S/cm以上であり、ガス透過係数が５．
０〜１１．０m2/hr・atm であり、混合層は、気孔率が７
〜１７％であり、気孔径が１．０〜２．２μm であり、
界面導電率が２０S/cm2 以上であり；空気極と混合層の
合計厚さが１．３〜２．６mmであり；混合層の厚さが該
合計厚さの１．２〜３．５％である。
【００１８】本発明の固体電解質型燃料電池において
は、セルの最大出力密度０．４W/cm2以上を達成するた
めのひとつの基準となる条件は：空気極は、気孔率が３
３〜３７％であり、気孔径が７．０〜９．０μm であ
り、導電率が９０S/cm以上であり、ガス透過係数が６〜
１０m2/hr・atm であり、混合層は、気孔率が８〜１５％
であり、気孔径が１．２〜１．８μm であり、界面導電
率が４０S/cm2 以上であり；空気極と混合層の合計厚さ
が１．５〜２．２mmであり；混合層の厚さが該合計厚さ
の１．４〜２．５％である。
は、セルの最大出力密度０．４W/cm2以上を達成するた
めのひとつの基準となる条件は：空気極は、気孔率が３
３〜３７％であり、気孔径が７．０〜９．０μm であ
り、導電率が９０S/cm以上であり、ガス透過係数が６〜
１０m2/hr・atm であり、混合層は、気孔率が８〜１５％
であり、気孔径が１．２〜１．８μm であり、界面導電
率が４０S/cm2 以上であり；空気極と混合層の合計厚さ
が１．５〜２．２mmであり；混合層の厚さが該合計厚さ
の１．４〜２．５％である。
【００１９】本発明においては、上記混合層が、空気極
組成と固体電解質組成の混合水溶液から共沈法により作
製した粉体の焼結層であることが好ましい。一般に共沈
粉は組成と組織が均一で、気相−空気極物質−固体電解
質の三相界面の分布が適正にできる、空気極と固体電解
質膜との間のセル抵抗を大幅に低減できる場合が多い。
組成と固体電解質組成の混合水溶液から共沈法により作
製した粉体の焼結層であることが好ましい。一般に共沈
粉は組成と組織が均一で、気相−空気極物質−固体電解
質の三相界面の分布が適正にできる、空気極と固体電解
質膜との間のセル抵抗を大幅に低減できる場合が多い。
【００２０】本発明においては、上記空気極がストロン
チウムドープランタンマンガナイト（ＬＳＭ）又はカル
シウムドープマンガナイト（ＬＣＭ）からなり、上記固
体電解質膜がイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）か
らなり、上記混合層が両者の混合物からなる固体電解質
型燃料電池とすることができる。ここで、本発明の導電
性セラミックスは、（Ｌａ1-x Ｓｒx ）z ＭｎＯ3 、
０．２２≦ｘ≦０．２８、０．９６≦ｚ＜１．０の組成
を有することが好ましい。さらに、ｘ、ｚの範囲は、よ
り好ましくは、０．２４≦ｘ≦０．２６、０．９７≦ｚ
≦０．９９である。この範囲で、前述の要求特性がいず
れも良好だからである。（Ｌａ1-x Ｃａx ）z ＭｎＯ3
の場合は、０．１≦ｘ≦０．５、０．９６≦ｚ＜１．０
の組成を有することが好ましい。さらに、ｘ、ｚの範囲
は、より好ましくは、０．２≦ｘ≦０．４、０．９７≦
ｚ≦０．９９である。この範囲で、前述の要求特性がい
ずれも良好だからである。一方、ＹＳＺのＹ2 Ｏ3 の含
有率は、８〜１２mol%が好ましい。
チウムドープランタンマンガナイト（ＬＳＭ）又はカル
シウムドープマンガナイト（ＬＣＭ）からなり、上記固
体電解質膜がイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）か
らなり、上記混合層が両者の混合物からなる固体電解質
型燃料電池とすることができる。ここで、本発明の導電
性セラミックスは、（Ｌａ1-x Ｓｒx ）z ＭｎＯ3 、
０．２２≦ｘ≦０．２８、０．９６≦ｚ＜１．０の組成
を有することが好ましい。さらに、ｘ、ｚの範囲は、よ
り好ましくは、０．２４≦ｘ≦０．２６、０．９７≦ｚ
≦０．９９である。この範囲で、前述の要求特性がいず
れも良好だからである。（Ｌａ1-x Ｃａx ）z ＭｎＯ3
の場合は、０．１≦ｘ≦０．５、０．９６≦ｚ＜１．０
の組成を有することが好ましい。さらに、ｘ、ｚの範囲
は、より好ましくは、０．２≦ｘ≦０．４、０．９７≦
ｚ≦０．９９である。この範囲で、前述の要求特性がい
ずれも良好だからである。一方、ＹＳＺのＹ2 Ｏ3 の含
有率は、８〜１２mol%が好ましい。
【００２１】
【実施例】試験の概要 以下の４種類の試験を行い、空気極周りの構造について
最適の特性値範囲を解明した。 （１）空気極のガス透過係数、導電率と発電性能の関
係：発電性能を上げるためには、ガス透過係数及び導電
率の双方共に高いことが望ましい。しかし、両者は基本
的には相反する特性であるので、両者のバランスをとる
ことが必要となる。本試験では、両者のバランスの良い
範囲を究明した。
最適の特性値範囲を解明した。 （１）空気極のガス透過係数、導電率と発電性能の関
係：発電性能を上げるためには、ガス透過係数及び導電
率の双方共に高いことが望ましい。しかし、両者は基本
的には相反する特性であるので、両者のバランスをとる
ことが必要となる。本試験では、両者のバランスの良い
範囲を究明した。
【００２２】具体的には、ガス透過係数が０．５〜１
５．０m2/hr・atm 、導電率が４０〜１２０S/cmの範囲の
ＳＯＦＣ空気極（支持体兼）を押し出し成形法で成形、
焼成することで作製した。ガス透過性、導電率の制御は
原料粉の粒径と、焼成温度を変化させることで行った。
空気極支持体上にインターコネクターをスラリーコート
法で製膜、焼成し、共沈法による粉体を用いて混合層を
スラリーコート法で製膜した後ＹＳＺ膜をスラリーコー
ト法で製膜、焼成した。さらに燃料極をスラリーコート
法で製膜、焼成して評価用セルを作製し、発電評価を行
った。効率の良い運転をするためには少なくとも最大出
力密度が０．１W/cm2 以上であることが望ましい。ガス
透過係数が１．０m2/hr・atm 未満、１２m2/hr・atm より
も大きい場合、導電率が７０S/cm未満の場合に最大出力
密度が０．１W/cm2 未満となった。
５．０m2/hr・atm 、導電率が４０〜１２０S/cmの範囲の
ＳＯＦＣ空気極（支持体兼）を押し出し成形法で成形、
焼成することで作製した。ガス透過性、導電率の制御は
原料粉の粒径と、焼成温度を変化させることで行った。
空気極支持体上にインターコネクターをスラリーコート
法で製膜、焼成し、共沈法による粉体を用いて混合層を
スラリーコート法で製膜した後ＹＳＺ膜をスラリーコー
ト法で製膜、焼成した。さらに燃料極をスラリーコート
法で製膜、焼成して評価用セルを作製し、発電評価を行
った。効率の良い運転をするためには少なくとも最大出
力密度が０．１W/cm2 以上であることが望ましい。ガス
透過係数が１．０m2/hr・atm 未満、１２m2/hr・atm より
も大きい場合、導電率が７０S/cm未満の場合に最大出力
密度が０．１W/cm2 未満となった。
【００２３】（２）空気極の強度と製造工程中のセル破
損確率（逆歩留り）との関係：空気極自己支持型のセル
においては、空気極がセルの形態を維持する構造体とし
ての役割を果す。そして、セルの製造工程（固体電解質
膜や燃料電極等の焼成工程）中において、この構造体と
しての空気極に最大のロードがかかる。その際空気極の
強度が弱いと、セルが破損（クラック、折れ）が生じ
る。ここでは、後述するテストセルを合計３００本、空
気極強度０．２〜３．２kgf/mm2 の範囲で製造試験を行
った。その結果、上述のとおり、空気極（支持体）の強
度が２．５kgf/mm2 以上であると、セル作製工程中の破
損確率を５％以下に抑えることができることが判明し
た。
損確率（逆歩留り）との関係：空気極自己支持型のセル
においては、空気極がセルの形態を維持する構造体とし
ての役割を果す。そして、セルの製造工程（固体電解質
膜や燃料電極等の焼成工程）中において、この構造体と
しての空気極に最大のロードがかかる。その際空気極の
強度が弱いと、セルが破損（クラック、折れ）が生じ
る。ここでは、後述するテストセルを合計３００本、空
気極強度０．２〜３．２kgf/mm2 の範囲で製造試験を行
った。その結果、上述のとおり、空気極（支持体）の強
度が２．５kgf/mm2 以上であると、セル作製工程中の破
損確率を５％以下に抑えることができることが判明し
た。
【００２４】（３）空気極の気孔率、気孔径とガス透過
係数、導電率及び強度の関係：これらの間には、一般に
以下の関係がある。 気孔径大→気孔率大、ガス透過係数大、強度小 気孔率大→ガス透過係数大、導電率小、強度小 したがって、ガス透過係数と導電率及び強度を適当な範
囲に入れるためには、空気極の気孔径及び気孔率をある
範囲にコントロールする必要がある。ここでは、平均気
孔径３．５〜１３．５μm 、気孔率２４〜４５％の範囲
で試験を行った。その結果、導電率が７０S/cm以上であ
るために、気孔率は４０％以下である必要があることが
判明した。ガス透過係数が１．０m2/hr・atm 以上である
ために、気孔率は２８％以上、気孔径は５μm 以上ある
ことが必要であることが判明した。支持体強度が２．５
kgf/mm2 以上であるために気孔径は１１μm 以下である
必要があることが判明した。
係数、導電率及び強度の関係：これらの間には、一般に
以下の関係がある。 気孔径大→気孔率大、ガス透過係数大、強度小 気孔率大→ガス透過係数大、導電率小、強度小 したがって、ガス透過係数と導電率及び強度を適当な範
囲に入れるためには、空気極の気孔径及び気孔率をある
範囲にコントロールする必要がある。ここでは、平均気
孔径３．５〜１３．５μm 、気孔率２４〜４５％の範囲
で試験を行った。その結果、導電率が７０S/cm以上であ
るために、気孔率は４０％以下である必要があることが
判明した。ガス透過係数が１．０m2/hr・atm 以上である
ために、気孔率は２８％以上、気孔径は５μm 以上ある
ことが必要であることが判明した。支持体強度が２．５
kgf/mm2 以上であるために気孔径は１１μm 以下である
必要があることが判明した。
【００２５】（４）混合層とセル発電性能との関係：以
下の試験セルを作製し、その発電性能を測定した。 （Ａ）混合層のないセル （Ｂ）混合層が空気極と同組成であるが、構造（結晶、
空孔）が微細（原料粉末粒径３μm ）なセル （Ｃ）混合層が、空気極（ＬＳＭ）とＹＳＺとの固相混
合粉を原料として製膜されているセル（仮焼温度１，３
５０℃） （Ｄ）混合層が、空気極（ＬＳＭ）とＹＳＺとの固相混
合粉を原料として製膜されているセル（仮焼温度９００
℃） （Ｅ）混合層が、空気極（ＬＳＭ）とＹＳＺとの共沈粉
を原料として製膜されているセル その結果、最大出力密度が０．１W/cm2 以上であるため
に、界面導電率が１０S/cm以上、混合層の気孔率が５〜
２０％、気孔径が０．５〜３．０μm の範囲であること
が必要であることが判明した。
下の試験セルを作製し、その発電性能を測定した。 （Ａ）混合層のないセル （Ｂ）混合層が空気極と同組成であるが、構造（結晶、
空孔）が微細（原料粉末粒径３μm ）なセル （Ｃ）混合層が、空気極（ＬＳＭ）とＹＳＺとの固相混
合粉を原料として製膜されているセル（仮焼温度１，３
５０℃） （Ｄ）混合層が、空気極（ＬＳＭ）とＹＳＺとの固相混
合粉を原料として製膜されているセル（仮焼温度９００
℃） （Ｅ）混合層が、空気極（ＬＳＭ）とＹＳＺとの共沈粉
を原料として製膜されているセル その結果、最大出力密度が０．１W/cm2 以上であるため
に、界面導電率が１０S/cm以上、混合層の気孔率が５〜
２０％、気孔径が０．５〜３．０μm の範囲であること
が必要であることが判明した。
【００２６】試験セルの作製方法及び試験方法 （１）空気極原料粉：液相混合法により作製した（Ｌａ
0.75Ｓｒ0.25）0.99ＭｎＯ3 粉（以下単にＬＳＭ粉とい
う）を以下の６種の平均粒径に粉砕・分級した。それら
を以下の比率で混合した。 粗粉：５μm 、１０μm 、２０μm 、３０μm 、４０μ
m 微粉：０．５μm 微粉添加量：０、５、１０wt％ 混合層関係及び空気極（支持体）強度関係の試験では、
空気極粗粉は２０μmのもののみを用いた。
0.75Ｓｒ0.25）0.99ＭｎＯ3 粉（以下単にＬＳＭ粉とい
う）を以下の６種の平均粒径に粉砕・分級した。それら
を以下の比率で混合した。 粗粉：５μm 、１０μm 、２０μm 、３０μm 、４０μ
m 微粉：０．５μm 微粉添加量：０、５、１０wt％ 混合層関係及び空気極（支持体）強度関係の試験では、
空気極粗粉は２０μmのもののみを用いた。
【００２７】（２）押し出し用コンパウンド作製：上記
ＬＳＭ粉１００重量部（以下同じ）に有機バインダ１０
部、グリセリン３部、水１０部を添加・混練して押し出
し用コンパウンドを得た。 （３）押し出し成形：押し出し圧力３０kgf/cm2 で上記
コンパウンドを押し出しグリーンパイプを得た。 （４）乾燥・脱脂：熱風循環乾燥機中にグリーンパイプ
を置いて、一回目４０℃×２４hr、二回目１７５℃×２
４hrで乾燥・脱脂を行った。
ＬＳＭ粉１００重量部（以下同じ）に有機バインダ１０
部、グリセリン３部、水１０部を添加・混練して押し出
し用コンパウンドを得た。 （３）押し出し成形：押し出し圧力３０kgf/cm2 で上記
コンパウンドを押し出しグリーンパイプを得た。 （４）乾燥・脱脂：熱風循環乾燥機中にグリーンパイプ
を置いて、一回目４０℃×２４hr、二回目１７５℃×２
４hrで乾燥・脱脂を行った。
【００２８】（５）空気極焼成：ガス炉（酸化雰囲気、
酸素分圧２×１０-3atm ）を用いて、乾燥・脱脂後のグ
リーンパイプを焼成した。焼成条件は、空気極特性関係
の試験では１，３５０〜１，４５０℃×１０hr、混合層
特性関係の試験では１，４５０℃×１０hr、空気極強度
の試験では１，２５０〜１，４５０℃×１０hrとした。
なお、焼成中は、試料（セル）の周囲をマッフルで密閉
状態となるように棚組みした。これは、焼成中にＭｎ成
分の飛散を防止するためである。このような密閉焼成を
行わなかった場合、空気極（支持体）の強度が５０〜７
０％に低下する。このような試料をＳＥＭ／ＥＤＸで観
察すると、試料表面のＭｎ成分が理論値の６０％程度に
低下していることが判明した。
酸素分圧２×１０-3atm ）を用いて、乾燥・脱脂後のグ
リーンパイプを焼成した。焼成条件は、空気極特性関係
の試験では１，３５０〜１，４５０℃×１０hr、混合層
特性関係の試験では１，４５０℃×１０hr、空気極強度
の試験では１，２５０〜１，４５０℃×１０hrとした。
なお、焼成中は、試料（セル）の周囲をマッフルで密閉
状態となるように棚組みした。これは、焼成中にＭｎ成
分の飛散を防止するためである。このような密閉焼成を
行わなかった場合、空気極（支持体）の強度が５０〜７
０％に低下する。このような試料をＳＥＭ／ＥＤＸで観
察すると、試料表面のＭｎ成分が理論値の６０％程度に
低下していることが判明した。
【００２９】（６）空気極焼成後寸法：空気極特性関
係、及び、混合層特性関係の試験では、空気極パイプの
寸法は、焼成後の段階で外径１６mm×厚さ１．７mm×長
さ２００mmのものを用いた。空気極強度試験についての
みは、外径２０mm×厚さ３．０mm×長さ２００mmのもの
を用いた。いずれも一端封止形状とした。なお、後者を
大径・厚肉にしたのは、３点曲げ試験用のテストピース
巾４．０mm×厚さ２．５mm、長さ４０mmを切り出す必要
があったからである。
係、及び、混合層特性関係の試験では、空気極パイプの
寸法は、焼成後の段階で外径１６mm×厚さ１．７mm×長
さ２００mmのものを用いた。空気極強度試験についての
みは、外径２０mm×厚さ３．０mm×長さ２００mmのもの
を用いた。いずれも一端封止形状とした。なお、後者を
大径・厚肉にしたのは、３点曲げ試験用のテストピース
巾４．０mm×厚さ２．５mm、長さ４０mmを切り出す必要
があったからである。
【００３０】（７）空気極ガス透過性評価：上記寸法の
空気極（支持体）パイプに、Ｎ2 ガスの０．１kgf/cm2
差圧をかけガス透過量を測定した。 （８）空気極導電率評価：上記空気極パイプ（長さ５０
mm）を切り出して、その導電率を、大気雰囲気、１，０
００℃で、４端子法により測定した。 （９）空気極強度評価：上記テストピースを用いて、室
温で（但し、大気中１，０００℃でも強度は低下しな
い）３点曲げ試験を行った。
空気極（支持体）パイプに、Ｎ2 ガスの０．１kgf/cm2
差圧をかけガス透過量を測定した。 （８）空気極導電率評価：上記空気極パイプ（長さ５０
mm）を切り出して、その導電率を、大気雰囲気、１，０
００℃で、４端子法により測定した。 （９）空気極強度評価：上記テストピースを用いて、室
温で（但し、大気中１，０００℃でも強度は低下しな
い）３点曲げ試験を行った。
【００３１】（１０）インターコネクター製膜：上記空
気極パイプ外周に、巾７．０mm×長さ５０mm×厚さ５０
μm （軸方向、直線状）のインターコネクター膜をスラ
リーコートにより製膜した。用いた材料は、Ｌａ0.75Ｃ
ａ0.25ＣｒＯ3 で、焼成温度は１，４００℃×２hrとし
た。
気極パイプ外周に、巾７．０mm×長さ５０mm×厚さ５０
μm （軸方向、直線状）のインターコネクター膜をスラ
リーコートにより製膜した。用いた材料は、Ｌａ0.75Ｃ
ａ0.25ＣｒＯ3 で、焼成温度は１，４００℃×２hrとし
た。
【００３２】（１１）混合層製膜：以下のように
（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）のタイプ（上述）につ
いて、混合層を製膜した。なお、空気極特性及び強度関
係試験においては、以下のＤタイプ（共沈粉）のみを用
いた。混合層製膜時には、インターコネクター上にはマ
スキングをしておいた。 （Ｂ）空気極と同じ組成の粒径３μm のＬＳＭ粉１００
部に、有機バインダー（エチルセルロース）４．４部、
エチルアルコールを３６７部、α−テルピネオールを１
２１部、ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステルを
３．８部、ソルビタンセスキオレートを３．８部混合
し、製膜用スラリーを得た。これをディップ法により空
気極上にコートし、１，５００℃、５hrで焼成した。
（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）のタイプ（上述）につ
いて、混合層を製膜した。なお、空気極特性及び強度関
係試験においては、以下のＤタイプ（共沈粉）のみを用
いた。混合層製膜時には、インターコネクター上にはマ
スキングをしておいた。 （Ｂ）空気極と同じ組成の粒径３μm のＬＳＭ粉１００
部に、有機バインダー（エチルセルロース）４．４部、
エチルアルコールを３６７部、α−テルピネオールを１
２１部、ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステルを
３．８部、ソルビタンセスキオレートを３．８部混合
し、製膜用スラリーを得た。これをディップ法により空
気極上にコートし、１，５００℃、５hrで焼成した。
【００３３】（Ｃ）、（Ｄ）粒径０．５μm のＬＳＭ粉
及び粒径０．３μm の８mol%ＹＳＺ粉をボールミルを用
いて固相混合して原料粉末を得た。この原料粉末を用い
て、その後は（Ｂ）と同様に製膜した。 （Ｅ）８mol%ＹＳＺとＬＳＭ（同上組成）との共沈粉
（酸化物換算重量混合比５０：５０）を、特願平７−２
７３７３９号（本願と同一出願人）に記載したのと同様
の方法で作製した。この共沈粉を用いて、その後は
（Ｂ）と同様に製膜した。
及び粒径０．３μm の８mol%ＹＳＺ粉をボールミルを用
いて固相混合して原料粉末を得た。この原料粉末を用い
て、その後は（Ｂ）と同様に製膜した。 （Ｅ）８mol%ＹＳＺとＬＳＭ（同上組成）との共沈粉
（酸化物換算重量混合比５０：５０）を、特願平７−２
７３７３９号（本願と同一出願人）に記載したのと同様
の方法で作製した。この共沈粉を用いて、その後は
（Ｂ）と同様に製膜した。
【００３４】（１２）固体電解質膜製膜：粒径０．３μ
m の８mol%ＹＳＺ１００部に、有機バインダー（エチル
セルロース）４．４部、表面活性剤３．８部、エチルア
ルコール３６７部、α−テルピネオール１２１部、ソル
ビタンセスキオレート３．８部を混合してスラリーを得
た。このスラリーを、ディップ法により混合層又は空気
極上にコートし、１，５００℃、５hrで焼成した。焼成
後の固体電解質膜の厚さは２０μm であった。
m の８mol%ＹＳＺ１００部に、有機バインダー（エチル
セルロース）４．４部、表面活性剤３．８部、エチルア
ルコール３６７部、α−テルピネオール１２１部、ソル
ビタンセスキオレート３．８部を混合してスラリーを得
た。このスラリーを、ディップ法により混合層又は空気
極上にコートし、１，５００℃、５hrで焼成した。焼成
後の固体電解質膜の厚さは２０μm であった。
【００３５】燃料電極製膜：共沈法により得たＮｉＯ／
ＹＳＺ粉（Ｎｉ還元後重量比６０：４０）１００部に有
機溶媒（エタノール、キシレン）２５０部、有機バイン
ダー（エチルセルロース）１０部、表面活性剤（消泡
剤）３部、解膠剤３部を混合してスラリーを得た。この
スラリーを、ディップ法により固体電解質膜上にコート
し、１，４００℃、２hrで焼成した。焼成後の燃料電極
の厚さは１００μm であった。次に、３％Ｈ2 、９７％
Ｎ2 雰囲気、１，０００℃で燃料電極を還元処理した。
ＹＳＺ粉（Ｎｉ還元後重量比６０：４０）１００部に有
機溶媒（エタノール、キシレン）２５０部、有機バイン
ダー（エチルセルロース）１０部、表面活性剤（消泡
剤）３部、解膠剤３部を混合してスラリーを得た。この
スラリーを、ディップ法により固体電解質膜上にコート
し、１，４００℃、２hrで焼成した。焼成後の燃料電極
の厚さは１００μm であった。次に、３％Ｈ2 、９７％
Ｎ2 雰囲気、１，０００℃で燃料電極を還元処理した。
【００３６】発電性能評価：上述のようにして作製した
セル（空気極外径１３mmのもの）を用いて、酸化剤とし
て空気、燃料としてＨ2 ＋１１％Ｈ2 Ｏを使用し、燃料
利用率８０％で発電性能評価運転を行って最大出力密度
を測定した。
セル（空気極外径１３mmのもの）を用いて、酸化剤とし
て空気、燃料としてＨ2 ＋１１％Ｈ2 Ｏを使用し、燃料
利用率８０％で発電性能評価運転を行って最大出力密度
を測定した。
【００３７】試験結果 （１）空気極ガス透過係数と最大出力密度との関係：図
１は、空気極のガス透過係数と最大出力密度との関係を
示すグラフである。ガス透過係数が低い段階では、ガス
透過係数が増えるにつれて最大出力密度が上がる。しか
し、ガス透過係数ほぼ８m2/hr・atm 以上では空気極の導
電率が下がる影響で、最大出力密度は低下する。ガス透
過係数０．５〜１４m2/hr・atm の範囲で調べたところ、
最大出力密度が０．１W/cm2 であるためには、ガス透過
係数が１〜１２m2/hr・atm の範囲が適当であった。特に
最大出力密度が高い（ほぼ０．４W/cm2 以上）のは、ガ
ス透過係数６〜１０m2/hr・atm の範囲であった。
１は、空気極のガス透過係数と最大出力密度との関係を
示すグラフである。ガス透過係数が低い段階では、ガス
透過係数が増えるにつれて最大出力密度が上がる。しか
し、ガス透過係数ほぼ８m2/hr・atm 以上では空気極の導
電率が下がる影響で、最大出力密度は低下する。ガス透
過係数０．５〜１４m2/hr・atm の範囲で調べたところ、
最大出力密度が０．１W/cm2 であるためには、ガス透過
係数が１〜１２m2/hr・atm の範囲が適当であった。特に
最大出力密度が高い（ほぼ０．４W/cm2 以上）のは、ガ
ス透過係数６〜１０m2/hr・atm の範囲であった。
【００３８】（２）空気極導電率と最大出力密度との関
係：図２は、空気極の導電率と最大出力密度との関係を
示すグラフである。導電率は、高いほうが最大出力密度
が大となるが、一方、導電率の高いものはガス透過係数
が低くなるため、導電率１００S/cm以上は、最大出力密
度が落ちている。導電率５５〜１１０S/cmの範囲で調べ
たところ、最大出力密度が０．１W/cm2 であるために
は、導電率が７０S/cm以上の範囲が適当であった。特に
最大出力密度が高い（ほぼ０．４W/cm2 以上）のは、導
電率９０〜１１０S/cmの範囲であった。
係：図２は、空気極の導電率と最大出力密度との関係を
示すグラフである。導電率は、高いほうが最大出力密度
が大となるが、一方、導電率の高いものはガス透過係数
が低くなるため、導電率１００S/cm以上は、最大出力密
度が落ちている。導電率５５〜１１０S/cmの範囲で調べ
たところ、最大出力密度が０．１W/cm2 であるために
は、導電率が７０S/cm以上の範囲が適当であった。特に
最大出力密度が高い（ほぼ０．４W/cm2 以上）のは、導
電率９０〜１１０S/cmの範囲であった。
【００３９】（３）空気極（支持体）強度とセル作製工
程破損確率との関係：図３は、空気極（支持体）強度と
セル作製工程破損確率との関係を示すグラフである。破
損確率は空気極強度と明確な逆相関を有する。空気極強
度２．５kgf/mm2 以上で、破損確率を５％以下とするこ
とができた。
程破損確率との関係：図３は、空気極（支持体）強度と
セル作製工程破損確率との関係を示すグラフである。破
損確率は空気極強度と明確な逆相関を有する。空気極強
度２．５kgf/mm2 以上で、破損確率を５％以下とするこ
とができた。
【００４０】（４）空気極の気孔率とガス透過係数との
関係：図４は、空気極の気孔率とガス透過係数との関係
を示すグラフである。ガス透過係数は、気孔率が高くな
るに従いほぼ直線的に高くなる。ガス透過係数を１〜１
２m2/hr・atm とするためには、気孔率を２８〜４０％と
する必要がある。ガス透過係数６〜１０m2/hr・atm とす
るためには、気孔率を３３〜３７％とする必要がある。
関係：図４は、空気極の気孔率とガス透過係数との関係
を示すグラフである。ガス透過係数は、気孔率が高くな
るに従いほぼ直線的に高くなる。ガス透過係数を１〜１
２m2/hr・atm とするためには、気孔率を２８〜４０％と
する必要がある。ガス透過係数６〜１０m2/hr・atm とす
るためには、気孔率を３３〜３７％とする必要がある。
【００４１】（５）空気極の気孔径とガス透過係数との
関係：図５は、空気極の気孔径とガス透過係数との関係
を示すグラフである。ガス透過係数は、気孔径が高くな
るに従いほぼ直線的に高くなる。ガス透過係数を１〜１
２m2/hr・atm とするためには、気孔径を５〜１１μm と
する必要がある。ガス透過係数６〜１０m2/hr・atm とす
るためには、気孔径を７〜９μm とする必要がある。
関係：図５は、空気極の気孔径とガス透過係数との関係
を示すグラフである。ガス透過係数は、気孔径が高くな
るに従いほぼ直線的に高くなる。ガス透過係数を１〜１
２m2/hr・atm とするためには、気孔径を５〜１１μm と
する必要がある。ガス透過係数６〜１０m2/hr・atm とす
るためには、気孔径を７〜９μm とする必要がある。
【００４２】（６）空気極の気孔率と導電率との関係：
図６は、空気極の気孔率と導電率との関係を示すグラフ
である。導電率は、通常気孔率と逆の相関関係を有する
が、これが図６にも明確に表れている。導電率を７０S/
cm以上とするためには、気孔率を４０％以下としなけれ
ばならない。導電率を９０〜１１０S/cmとするために
は、気孔率を３２〜３７％としなければならない。
図６は、空気極の気孔率と導電率との関係を示すグラフ
である。導電率は、通常気孔率と逆の相関関係を有する
が、これが図６にも明確に表れている。導電率を７０S/
cm以上とするためには、気孔率を４０％以下としなけれ
ばならない。導電率を９０〜１１０S/cmとするために
は、気孔率を３２〜３７％としなければならない。
【００４３】（７）空気極の気孔径と強度との関係：図
７は、空気極の気孔径と強度との関係を示すグラフであ
る。気孔径が大きくなるにしたがって強度が直線的に低
下する。強度２．５kgf/mm2 以上であるためには気孔径
は１１μm 以下でなければならない。
７は、空気極の気孔径と強度との関係を示すグラフであ
る。気孔径が大きくなるにしたがって強度が直線的に低
下する。強度２．５kgf/mm2 以上であるためには気孔径
は１１μm 以下でなければならない。
【００４４】（８）混合層の気孔率と最大出力密度との
関係：図８は、混合層の気孔率と最大出力密度との関係
を示すグラフである。最大出力密度は、混合層の気孔率
が低い段階では、気孔率が増えるにつれて最大出力密度
が上がる。しかし、気孔率ほぼ１０％以上では、混合層
の界面導電率が下がる影響で、最大出力密度は低下す
る。最大出力密度０．１W/cm2 以上であるためには、気
孔率は５〜２０％でなければならない。最大出力密度
０．４W/cm2 以上であるためには、気孔率は、８〜１５
％でなければならない。
関係：図８は、混合層の気孔率と最大出力密度との関係
を示すグラフである。最大出力密度は、混合層の気孔率
が低い段階では、気孔率が増えるにつれて最大出力密度
が上がる。しかし、気孔率ほぼ１０％以上では、混合層
の界面導電率が下がる影響で、最大出力密度は低下す
る。最大出力密度０．１W/cm2 以上であるためには、気
孔率は５〜２０％でなければならない。最大出力密度
０．４W/cm2 以上であるためには、気孔率は、８〜１５
％でなければならない。
【００４５】（９）混合層の気孔径と最大出力密度との
関係：図９は、混合層の気孔径と最大出力密度との関係
を示すグラフである。最大出力密度は、混合層の気孔径
が低い段階では、気孔径が増えるにつれて最大出力密度
が上がる。しかし、気孔径ほぼ１．２μm 以上では、混
合層の界面導電率が下がる影響で、最大出力密度は低下
する。最大出力密度０．１W/cm2 以上であるためには、
気孔径は０．５〜３．０μm でなければならない。最大
出力密度０．４W/cm2 以上であるためには、気孔径は、
１．２〜１．８μm でなければならない。
関係：図９は、混合層の気孔径と最大出力密度との関係
を示すグラフである。最大出力密度は、混合層の気孔径
が低い段階では、気孔径が増えるにつれて最大出力密度
が上がる。しかし、気孔径ほぼ１．２μm 以上では、混
合層の界面導電率が下がる影響で、最大出力密度は低下
する。最大出力密度０．１W/cm2 以上であるためには、
気孔径は０．５〜３．０μm でなければならない。最大
出力密度０．４W/cm2 以上であるためには、気孔径は、
１．２〜１．８μm でなければならない。
【００４６】（１０）混合層の界面導電率と最大出力密
度との関係：図１０は、混合層の界面導電率と最大出力
密度との関係を示すグラフである。最大出力密度は、界
面導電率が高くなるにつれて上がる。最大出力密度０．
１W/cm2 以上であるためには、界面導電率は１０S/cm2
以上でなければならない。最大出力密度０．４以上であ
るためには、界面導電率は、４０S/cm2 でなければなら
ない。なお、グラフ中の黒点で示すデータは、左から右
に向かって、上記試験セルＡ〜Ｅのものである。
度との関係：図１０は、混合層の界面導電率と最大出力
密度との関係を示すグラフである。最大出力密度は、界
面導電率が高くなるにつれて上がる。最大出力密度０．
１W/cm2 以上であるためには、界面導電率は１０S/cm2
以上でなければならない。最大出力密度０．４以上であ
るためには、界面導電率は、４０S/cm2 でなければなら
ない。なお、グラフ中の黒点で示すデータは、左から右
に向かって、上記試験セルＡ〜Ｅのものである。
【００４７】（１１）空気極の厚みと最大出力密度との
関係：図１１は、空気極の厚み（混合層厚み含む）と最
大出力密度との関係を示すグラフである。空気極が薄す
ぎると電気抵抗（電気がセルの円周を伝わる際の）が高
くなって最大出力密度は下がり、空気極が厚すぎるとガ
ス透過性が下がって最大出力密度は下がる。したがっ
て、空気極の厚さには最適な範囲がある。図１１にも、
これが明確に表れている。最大出力密度０．１W/cm2 以
上であるためには、空気極厚みが１．０〜３．０μm で
なければならない。最大出力密度０．４W/cm2 以上であ
るためには、空気極厚みが１．５〜２．２μm でなけれ
ばならない。
関係：図１１は、空気極の厚み（混合層厚み含む）と最
大出力密度との関係を示すグラフである。空気極が薄す
ぎると電気抵抗（電気がセルの円周を伝わる際の）が高
くなって最大出力密度は下がり、空気極が厚すぎるとガ
ス透過性が下がって最大出力密度は下がる。したがっ
て、空気極の厚さには最適な範囲がある。図１１にも、
これが明確に表れている。最大出力密度０．１W/cm2 以
上であるためには、空気極厚みが１．０〜３．０μm で
なければならない。最大出力密度０．４W/cm2 以上であ
るためには、空気極厚みが１．５〜２．２μm でなけれ
ばならない。
【００４８】（１２）混合層の厚み割合と最大出力密度
との関係：図１２は、混合層の厚み割合と最大出力密度
との関係を示すグラフである。混合層が薄すぎると界面
導電率が高くなって最大出力密度は下がり、混合層が厚
すぎるとガス透過性が下がって最大出力密度は下がる。
したがって、混合層の厚さには最適な範囲がある。図１
２にも、これが明確に表れている。最大出力密度０．１
W/cm2 以上であるためには、混合層の厚みの割合（空気
極及び混合層の厚みに対する）が０．５〜５．０％でな
ければならない。最大出力密度０．４W/cm2以上である
ためには、混合層の厚みの割合が１．４〜２．５％でな
ければならない。
との関係：図１２は、混合層の厚み割合と最大出力密度
との関係を示すグラフである。混合層が薄すぎると界面
導電率が高くなって最大出力密度は下がり、混合層が厚
すぎるとガス透過性が下がって最大出力密度は下がる。
したがって、混合層の厚さには最適な範囲がある。図１
２にも、これが明確に表れている。最大出力密度０．１
W/cm2 以上であるためには、混合層の厚みの割合（空気
極及び混合層の厚みに対する）が０．５〜５．０％でな
ければならない。最大出力密度０．４W/cm2以上である
ためには、混合層の厚みの割合が１．４〜２．５％でな
ければならない。
【００４９】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、セル出力密度及び製造時の歩留りの向上した固体電
解質型燃料電池を提供することができる。
は、セル出力密度及び製造時の歩留りの向上した固体電
解質型燃料電池を提供することができる。
【図１】空気極のガス透過係数と最大出力密度との関係
を示すグラフである。
を示すグラフである。
【図２】空気極の導電率と最大出力密度との関係を示す
グラフである。
グラフである。
【図３】空気極（支持体）強度とセル作製工程破損確率
との関係を示すグラフである。
との関係を示すグラフである。
【図４】空気極の気孔率とガス透過係数との関係を示す
グラフである。
グラフである。
【図５】空気極の気孔径とガス透過係数との関係を示す
グラフである。
グラフである。
【図６】空気極の気孔率と導電率との関係を示すグラフ
である。
である。
【図７】空気極の気孔径と強度との関係を示すグラフで
ある。
ある。
【図８】混合層の気孔率と最大出力密度との関係を示す
グラフである。
グラフである。
【図９】混合層の気孔径と最大出力密度との関係を示す
グラフである。
グラフである。
【図１０】混合層の界面導電率と最大出力密度との関係
を示すグラフである。
を示すグラフである。
【図１１】空気極の厚みと最大出力密度との関係を示す
グラフである。
グラフである。
【図１２】混合層の厚み割合と最大出力密度との関係を
示すグラフである。
示すグラフである。
Claims (10)
- 【請求項１】 空気極、空気極材料と固体電解質の混合
物からなる混合層、並びに、固体電解質膜がこの順に積
層させている層構造を有する固体電解質型燃料電池であ
って：上記空気極の導電率が７０S/cm以上であることを
特徴とする固体電解質型燃料電池。 - 【請求項２】 上記混合層の界面導電率が１０S/cm2 以
上である請求項１記載の固体電解質型燃料電池。 - 【請求項３】 上記空気極のガス透過係数が１．０〜１
２．０m2/hr・atm であり、強度が２．５kgf/mm2 以上で
ある請求項１又は２記載の固体電解質型燃料電池。 - 【請求項４】 上記空気極の気孔率が２８〜４０％であ
る請求項３記載の固体電解質型燃料電池。 - 【請求項５】 上記空気極の気孔径が５〜１１μm であ
る請求項３記載の固体電解質型燃料電池。 - 【請求項６】 上記混合層の気孔率が５〜２０％、気孔
径が０．５〜３．０μm である請求項１又は２記載の固
体電解質型燃料電池。 - 【請求項７】 上記空気極と混合層の合計厚さが１．０
〜３．０mmであり：該混合層の厚さが該合計厚さの０．
５〜５．０％である請求項１〜６いずれか１項記載の固
体電解質型燃料電池。 - 【請求項８】 空気極、空気極材料と固体電解質の混合
物からなる混合層、並びに、固体電解質膜がこの順に積
層させている層構造を有する固体電解質型燃料電池であ
って：空気極は、気孔率が２８〜４０％であり、 気孔径が５〜１１μm であり、 導電率が７０S/cm以上であり、 ガス透過係数が１．０〜１２．０m2/hr・atm であり、 混合層は、気孔率が５〜２０％であり、 気孔径が０．５〜３．０μm であり、 界面導電率が１０S/cm2 以上であり；空気極と混合層の
合計厚さが１．０〜３．０mmであり；混合層の厚さが該
合計厚さの０．５〜５．０％であることを特徴とする固
体電解質型燃料電池。 - 【請求項９】 上記混合層が、空気極組成と固体電解質
組成の混合水溶液から共沈法により作製した粉体の焼結
層である請求項１〜８いずれか１項記載の固体電解質型
燃料電池。 - 【請求項１０】 上記空気極がストロンチウムドープラ
ンタンマンガナイト（ＬＳＭ）又はカルシウムドープラ
ンタンマンガナイト（ＬＣＭ）からなり、上記固体電解
質膜がイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からな
り、上記混合層が両者の混合物からなる請求項１〜９い
ずれか１項記載の固体電解質型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8194125A JPH1021935A (ja) | 1996-07-05 | 1996-07-05 | 固体電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8194125A JPH1021935A (ja) | 1996-07-05 | 1996-07-05 | 固体電解質型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1021935A true JPH1021935A (ja) | 1998-01-23 |
Family
ID=16319332
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8194125A Pending JPH1021935A (ja) | 1996-07-05 | 1996-07-05 | 固体電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1021935A (ja) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001176518A (ja) * | 1999-12-14 | 2001-06-29 | Mitsubishi Materials Corp | 固体酸化物型燃料電池 |
| JP2001236969A (ja) * | 2000-02-23 | 2001-08-31 | Kyocera Corp | 固体電解質型燃料電池セル及びその製法並びに燃料電池 |
| JP2006073230A (ja) * | 2004-08-31 | 2006-03-16 | Kyocera Corp | 燃料電池セル |
| JP2007165143A (ja) * | 2005-12-14 | 2007-06-28 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 固体電解質型燃料電池セル、固体電解質型燃料電池スタック、及び固体電解質型燃料電池セルの製造方法 |
| JP2011113840A (ja) * | 2009-11-27 | 2011-06-09 | Kyocera Corp | 燃料電池セルならびにそれを備えるセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置 |
| JP5097867B1 (ja) * | 2011-10-14 | 2012-12-12 | 日本碍子株式会社 | 燃料電池セル |
| JP5159938B1 (ja) * | 2011-10-14 | 2013-03-13 | 日本碍子株式会社 | 燃料電池セル |
| JP5320497B1 (ja) * | 2012-09-14 | 2013-10-23 | 日本碍子株式会社 | 燃料電池セル |
| JP2014135135A (ja) * | 2013-01-08 | 2014-07-24 | Noritake Co Ltd | 固体酸化物形燃料電池用グリーンシートおよびその製造方法 |
| US9017898B2 (en) | 2011-10-14 | 2015-04-28 | Ngk Insulators, Ltd. | Fuel cell |
| JP2015191693A (ja) * | 2014-03-27 | 2015-11-02 | 京セラ株式会社 | セルスタックおよび電解モジュールならびに電解装置 |
| JP2016129158A (ja) * | 2016-04-15 | 2016-07-14 | 株式会社ノリタケカンパニーリミテド | 固体酸化物形燃料電池用グリーンシートおよびその製造方法 |
-
1996
- 1996-07-05 JP JP8194125A patent/JPH1021935A/ja active Pending
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001176518A (ja) * | 1999-12-14 | 2001-06-29 | Mitsubishi Materials Corp | 固体酸化物型燃料電池 |
| JP2001236969A (ja) * | 2000-02-23 | 2001-08-31 | Kyocera Corp | 固体電解質型燃料電池セル及びその製法並びに燃料電池 |
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| US9017898B2 (en) | 2011-10-14 | 2015-04-28 | Ngk Insulators, Ltd. | Fuel cell |
| US9640825B2 (en) | 2011-10-14 | 2017-05-02 | Ngk Insulators, Ltd. | Fuel cell |
| JP5320497B1 (ja) * | 2012-09-14 | 2013-10-23 | 日本碍子株式会社 | 燃料電池セル |
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| JP2016129158A (ja) * | 2016-04-15 | 2016-07-14 | 株式会社ノリタケカンパニーリミテド | 固体酸化物形燃料電池用グリーンシートおよびその製造方法 |
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