JPH11283640A - 円筒状固体電解質型燃料電池セル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】セル本体のガスシールを容易かつ確実に行うこ
とができ、ガスシールの確認が容易な円筒状固体電解質
型燃料電池セルを提供する。 【解決手段】円筒状の固体電解質の片面に空気極、他面
に燃料極が形成されるとともに、前記空気極または前記
燃料極に電気的に接続され、かつ外面に露出する集電体
を具備する円筒状のセル本体８の一端部外周面に、厚み
７０〜２５０μｍのセラミックスからなるガスシール層
９を介して、基底部１４と円筒部１３からなるセラミッ
クス製のキャップ状封止部材１１を外嵌してなるもので
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、円筒状固体電解質
型燃料電池セルに関するものである。

【０００２】

【従来技術】従来より、固体電解質燃料電池はその作動
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。

【０００３】一般に、固体電解質型燃料電池セルには、
円筒型と平板型が知られている。平板型の燃料電池セル
は、発電の単位体積当たり出力密度が高いという特徴を
有するが、実用化に関してはガスシール不完全性やセル
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、円筒型の燃料電池セルでは、出力密度は低いものの
セルの機械的強度が高く、セルの温度の均一性が保てる
という特徴がある。

【０００４】両形状の固体電解質型燃料電池セルとも、
それぞれの特徴をを生かして積極的に研究開発が進めら
れている。

【０００５】円筒状固体電解質型燃料電池セルは、図３
に示したように、ＬａＭｎＯ₃ 系材料からなる多孔性の
空気極２を形成し、その表面にＹ₂ Ｏ₃ 部分安定化Ｚｒ
Ｏ₂からなる固体電解質３を被覆し、さらにこの表面に
多孔性のＮｉ−ジルコニアの燃料極４が設けられてい
る。燃料電池モジュールにおいては、各単セルはＬａＣ
ｒＯ₃ 系の集電体（インターコネクタ）５を介して接続
される。発電は円筒の内部に空気（酸素）６を、外部に
燃料（水素）７を流し、９００〜１０５０℃の温度で行
われる。

【０００６】上記のような燃料電池セルを作製する方法
としてはＬａＭｎＯ₃ 系材料からなる絶縁粉末を押出し
成形法等により円筒形に成形後、これを焼成して円筒状
の空気極からなる支持体を作製し、この円筒状空気極支
持体の外周面に固体電解質、燃料極、集電体のスラリー
を塗布して順次焼成して積層するか、あるいは円筒状空
気極支持体の表面に電気化学的蒸着法（ＥＤＶ法）やプ
ラズマ溶射法等により固体電解質、燃料極、集電体を順
次形成することも行われている。

【０００７】最近ではセルの製造工程を簡略化するため
に、各構成材料のうち少なくとも２つを同時焼成すると
いう共焼結法も提案されている。この共焼結法は、例え
ば円筒状空気極支持管の成形体に固体電解質成形体およ
び集電体成形体をロール状に巻き付けて同時焼成を行
い、その後固体電解質表面に燃料極層を形成する方法で
ある。この共焼結法は製造工程が少なくなるためにセル
の製造時の歩留まり向上、コスト低減に有利である。

【０００８】そして、従来、セルの一端封止は、焼結し
て得られた円筒状のセル本体を実際に発電を行う炉内の
取付部材にセットし、取付部材に形成されたガラス層を
セル本体の一端に当接し、発電を行う際の昇温時に前記
ガラス層を溶融させ、セル本体の一端を前記取付部材に
より封止していた。

【０００９】また、空気極成形体、および空気極成形体
と同一材料により有底筒状の封止部材成形体を作製し、
空気極成形体の一端と封止部材用成形体の一端を当接し
焼成した後、前述のように電気化学的蒸着法（ＥＤＶ
法）やプラズマ溶射法等により封止部材の表面に緻密質
セラミックス層を形成し、封止部材からのガスリークを
防止していた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、燃料電
池セルの一端をガラス材を用いて取付部材により封止す
る従来の方法では、実際に発電を行う時に封止すること
になるため、完全に封止がなされているか否かの確認が
困難であり、シール不良による単セルの出力低下が生じ
易く、特にスタック化した場合には封止個所の増加によ
りシール不良の発生確率が高くなり、結果として出力が
低下するという問題があった。

【００１１】また、空気極成形体の一端と封止部材成形
体の一端を当接した状態で焼成する方法では、空気極成
形体と封止部材との接合が困難であり、しかも、ガスリ
ークを防止するため、電気化学的蒸着法（ＥＤＶ法）や
プラズマ溶射法等により封止部材の表面に緻密質セラミ
ック層を形成する必要があり、封止工程が面倒であり、
コスト高であるという問題があった。

【００１２】本発明は、セル本体の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、ガスシールの確認
が容易な円筒状固体電解質型燃料電池セルを提供するこ
とを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記問題点
に対して検討を重ねた結果、セル本体の一端部外周面に
ガスシール層用のセラミックスラリーを塗布した上で封
止部材用のセラミック成形体を外嵌して焼成し、封止部
材の焼成収縮により、セル本体の一端部に嵌着すること
により、セル本体の一端を容易かつ確実に封止すること
ができ、しかも封止状態を容易に確認し得ることを見い
出し、本発明に至った。

【００１４】即ち、本発明の固体電解質燃料電池セル
は、円筒状の固体電解質の片面に空気極、他面に燃料極
が形成されるとともに、前記空気極または前記燃料極に
電気的に接続され、かつ外面に露出する集電体を具備す
る円筒状のセル本体の一端部外周面に、厚み７０〜２５
０μｍのセラミックスからなるガスシール層を介して、
基底部と円筒部からなるセラミックス製のキャップ状封
止部材を外嵌してなるものである。ここで、ガスシール
層およびキャップ状封止部材が、Ｙ₂ Ｏ₃ を含有するＺ
ｒＯ₂ からなることが望ましい。

【００１５】また、封止部材の軸方向の全長をＬ₁ 、基
底部の外径をＤ₁ 、円筒部の軸方向の長さをＬ₂ 、円筒
部の外径をＤ₂ 、円筒部の内径をＤ₃ とした時、Ｄ₁ ／
Ｄ₂が０．７８〜０．８４の範囲を満足するとともに、
Ｌ₂ ／Ｌが０．３〜０．７の範囲を満足し、かつＬ₂ ／
Ｄ₃ が０．３〜０．７の範囲を満足することが望まし
い。

【００１６】

【作用】本発明の円筒状固体電解質型燃料電池セルは、
従来のように、セル本体を炉内にセットし発電を行う際
にセル本体の一端を取付部材により封止するのではな
く、セル製造段階でセル本体の一端を緻密質セラミック
スにより封止するため、セル本体の一端の封止を容易か
つ確実に行うことができるとともに、発電用セル本体を
炉内にセットする前に封止状態を確認することができ、
発電を継続して行う際のガスシール性が十分に保証され
る。

【００１７】即ち、セル本体の一端部にガスシール層を
介して封止部材の円筒部が嵌着すると同時に、焼成時に
セル本体の外面と封止部材円筒部の内側面とが接合する
ため、セル本体の一端の封止を容易かつ確実に行うこと
ができる。また、セル本体の端面と封止部材の基底部の
内底面が接合することにより、封止部材をセル本体に強
固に固着できる。

【００１８】さらに、複数のセルを用いてスタックを組
む際においては、発電を行う段階でのシール箇所を極力
少なくすることができるためにシステム設計を容易にす
ることが可能となる。

【００１９】そして、セル本体の一端部外周面に、厚み
７０〜２５０μｍのセラミックスからなるガスシール層
を介して、基底部と円筒部からなるセラミックス製のキ
ャップ状封止部材を外嵌したので、発電において長時間
ガスリークがなく、信頼性を向上できるとともに、セル
本体の直径方向の大型化を防止することができる。

【００２０】即ち、円筒状固体電解質型燃料電池セルの
表面には、たとえば、固体電解質や集電体などの複数の
部分が存在し、それらの境界線部分には各部分の厚み程
度の数十〜百数十μｍの段差が存在するが、厚み７０〜
２５０μｍのセラミックスからなるガスシール層によ
り、段差によるセル本体と封止部材との隙間を無くし、
ガスリークの発生を防止できる。

【００２１】また、本発明によれば、例えば、ガスシー
ル層や封止部材としてＺｒＯ₂ やＬａＣｒＯ₃ 系の磁器
を用いた場合は、この磁器の焼成温度（１３００℃以
上）は、実際の発電温度（１０００℃）より高いので、
発電時におけるガスリークの発生の怖れがなく、結果と
して出力の信頼性、長寿命化が図れる。

【００２２】さらに、封止部材の成形体を焼結する際の
セル本体の姿勢は、長い円筒状のセル本体を直立させる
姿勢より、横倒しの姿勢とした方が安定である。その場
合、封止部材の成形体は横倒しのセル本体の一端に挿入
しても十分安定な形状とする必要がある。また、セル本
体の端面と封止部材基底部の内底面との接触が不十分だ
と、焼成後のセル本体と封止部材との一体化が不完全と
なり、セル本体と封止部材との接合部分が破壊する怖れ
がある。本発明では、焼結させた後の封止部材の円筒部
の内径Ｄ₃ に対して、封止部材の円筒部の長さＬ₂ を３
０％以上とし、焼結させた後の封止部材の軸方向の全長
Ｌ₁ に対して封止部材の円筒部の軸方向の長さＬ₂ を３
０％以上としたので、セル本体が横倒しの姿勢でも、セ
ル本体に挿入された封止部材を安定した状態で接合でき
る。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明の円筒状固体電解質型燃料
電池セルにおけるセル本体は、例えば、円筒状の空気極
の表面に固体電解質を形成し、この固体電解質の表面に
燃料極を形成し、さらに、空気極と電気的に接続する集
電体を設けてセル本体が形成されている。

【００２４】そして、図１および図２に示すように、セ
ル本体８の一端部の外周面にはセラミックスからなるガ
スシール層９が形成され、このガスシール層９の表面に
は．キャップ形状の緻密質セラミックスからなる封止部
材１１が外嵌されており、セル本体８とガスシール層
９、封止部材１１が焼成により、一体化されている。

【００２５】即ち、セル本体８の一端部外周面にセラミ
ックススラリーを塗布することにより、セル本体８外周
面の凸凹を無くし、平坦化した後、封止部材用セラミッ
クス成形体を外嵌して焼成することにより、封止部材用
セラミックスが焼成収縮し、セル本体８の一端部に嵌着
すると同時に、焼成時にセル本体８の外周面と封止部材
１１の内面とが、ガスシール層９を介して接合してい
る。尚、封止部材１１は、円筒部１３と基底部１４とか
ら構成されている。

【００２６】ガスシール層９は、例えば、部分安定化Ｚ
ｒＯ₂ や安定化ＺｒＯ₂ 、ＬａＣｒＯ₃ 系などの種々の
材料を用いることができるが、特には、熱膨張率の観点
から固体電解質材料と同一の材料から構成することが望
ましい。

【００２７】また、セル本体８の表面には固体電解質と
集電体の境界部分に８０〜１５０μｍ程度の段差が形成
される。この段差を平坦化させることによって発電状態
の雰囲気の高温下で安定してガスリークの発生を防止す
る。ガスシール層９を形成する場合、厚みが大きいと形
成の過程でガスシール層９が破損し易くなったり、形成
したガスシール槽の厚みが不均一になって焼成や発電中
の加熱中に亀裂が発生してガスリークが発生しやすくな
り、また、円筒状固体電解質型燃料電池セルの封止部材
１１部分の直径が増大するため、円筒状固体電解質型燃
料電池セル同士を接続する際の間隔が大きくなり、燃料
電池が大型化する。

【００２８】ガスリークの発生を安定して防止し、円筒
状固体電解質型燃料電池セル作製の過程で安定してガス
シール層９を形成し、かつ、直径増大を抑制するには、
ガスシール層９の厚みｄは７０〜２５０μｍの範囲にあ
る必要がある。特に、ガスシール層９の厚みｄは８０〜
２００μｍの範囲にあることが望ましい。

【００２９】即ち、ガスシール層９はセラミックスラリ
ーを塗布することによって形成するが、厚みが大きくな
ると形成の課程で破損しやすくなり、また、円筒状固体
電解質型燃料電池セルの直径が増大することになること
から、ガスシール層９の平均厚みは２５０μｍ以下とす
る。特にガスシール層９の平均厚みを２００μｍ以下と
する事が望ましい。

【００３０】封止部材１１はガスリークを防止するため
緻密質セラミックスからなるものであるが、緻密質セラ
ミックスとは、例えば、ガスシール層９と同様の材料を
用いることができる。また、ガスシール層９と同様に、
熱膨張率の観点から固体電解質材料と同一の材料から構
成することが望ましい。また、封止部材１１、ガスシー
ル層９の熱膨張率は、Ｙ₂ Ｏ₃ 部分安定化ＺｒＯ₂ の場
合、Ｙ₂ Ｏ₃ とＺｒＯ₂ の比を変化させることにより調
整できる。

【００３１】また、セル本体８の外表面に当接する封止
部材１１の円筒部１３の厚みｔは、セルの直径の増大を
抑え、かつ、封止部材１１の収縮応力によって円筒状固
体電解質型燃料電池セルの端部の破損を防止するため、
１．２ｍｍ以下が望ましい。

【００３２】また、封止部材１１の厚みｔは焼結時の収
縮の応力で自らが破損しないようにするために０．３ｍ
ｍ以上が望ましい。

【００３３】このような円筒状固体電解質型燃料電池セ
ルの製造方法について詳述する。まず、セル本体を作製
するために、自己支持管としての機能を有する円筒状の
空気極成形体を押し出し成形により作製し、その後１２
００〜１３００℃の温度で５〜２０時間程度脱バインダ
ー・仮焼をおこない、空気極仮焼体を作製する。

【００３４】次に空気極仮焼体の表面に固体電解質を構
成する材料の成形体層を形成する。

【００３５】この固体電解質成形体層は、平均粒径が
０．５〜３μｍのＹ₂ Ｏ₃ 等の周知の安定化剤により安
定化されたＺｒＯ₂ からなる粉体を用いてスラリーを調
製し、その後ドクターブレード法などにより作製された
グリーンシートを巻き付けて形成される。

【００３６】そして、空気極／固体電解質成形体を１０
００〜１３００℃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仮焼体の表面を平
滑に研磨し、空気極仮焼体を露出させ、固体電解質仮焼
体および空気極仮焼体の表面に集電体用成形体を積層す
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
成される。

【００３７】この様にして作製した積層体は、大気など
の酸化雰囲気中、１３００〜１６００℃の温度で３〜１
５時間程度同時焼成することにより共焼結させ、円筒状
のセル本体を作製する。

【００３８】また、燃料極はＮｉを３０〜８０重量％含
有し残部が安定化ＺｒＯ₂ （Ｙ₂ Ｏ₃ 等の安定化剤含
む）からなる多孔質のサーメット材料を使用し、前記積
層焼結体の所定箇所に成形体を形成して焼結させるか、
あるいは前記空気極／固体電解質／集電体成形体を形成
した後、さらに燃料極成形体を積層し、これらを同時に
焼成し、円筒状のセル本体を作製することもできる。

【００３９】次に、例えば、固体電解質成形体と同様の
スラリーを用い、スラリー中にセル本体の一端部を浸潰
（ディッピング）することにより、セル本体の一端部の
外表面にガスシール層用のセラミックスラリーを塗布
し、１００〜１５０℃で１〜３時間乾燥する。セラミッ
クススラリーを塗布する方法としては、他にスプレー、
刷毛などによる塗布がある。セラミックススラリーは、
封止部材が外嵌される部分よりもわずかに広い面積で塗
布されることが望ましい。

【００４０】封止部材は発電の際にガスシール性が要求
されるため、例えば平均結晶粒径が０．５〜３μｍ程度
のＺｒＯ₂ 系やＬａＣｒＯ₃ 系酸化物粉末を押し出し成
形や静水圧成形（ラバープレス）等により成形し、キャ
ップ形状に切削加工を行い封止部材用セラミックス成形
体を作製する。ガスシール層および封止部材は、イット
リア部分安定化ジルコニアを用いることが望ましい。

【００４１】この時の封止部材用成形体は、セル本体の
外周面に当接し、締め付ける円筒部の成形体厚みは、
０．７〜１．５ｍｍであることが望ましい。これは、
０．７ｍｍよりも薄い時には焼成時に封止部材が破損す
る場合があるためである。また、１．５ｍｍより厚い場
合には、封止部材の焼結収縮時にセル本体や未焼結のガ
スシール層が破損するおそれがあり、また、複数の固体
電解質型燃料電池セルによりスタックを作製する際の円
筒状固体電解質型燃料電池セル間の間隔が大きくなり、
電気的な接続が困難になるからである。

【００４２】このような封止部材によって封止を行う場
合、円筒部の厚みの分だけ外径が増大するので、外径の
増大を抑制するため封止部材の円筒部の厚みを薄くする
ことが要求され、薄くても十分な強度を有するイットリ
ア部分安定化ジルコニアが望ましい。

【００４３】横倒しにしたセル本体に封止部材成形体を
挿入しても十分に安定してセル本体の一端部に封止部材
が配置されている状態にするために、焼結後に封止部材
用成形体の全長に対する円筒部の長さは４０％以上、か
つ、封止部材用成形体の円筒部の内径に対する円筒部の
長さは４０％以上とすることが望ましい。

【００４４】セル本体の端面と封止部材用成形体の基底
部の接触を十分に確保するためには、封止部材用成形体
の基底部内底面と円筒部内側面の境界部に形成するｒ面
は２００μｍ以下とすることが望ましい。

【００４５】このように封止部材用成形体の基底部の内
底面と円筒部の内側面の境界部のｒ面の曲率半径を２０
０μ以下とすることにより、セル本体を横倒しにしても
焼結過程で封止部材の基底部の内底面とセル本体の端面
の接触を確保できる。そのため、封止部材用成形体をセ
ル本体に外嵌して焼結させる際にセル本体を横倒しの安
定な姿勢を取らせることができるため、円筒状固体電解
質型燃料電池セルの倒壊を防ぐことができる。

【００４６】また、セル本体の一端が挿入される封止部
材用成形体の円筒部の内径は、セル本体の外径の１．０
５から１．２５倍であることが望ましい。これは、円筒
部の内径がセル本体の１．０５倍より小さい場合には、
焼成時に封止部材に歪みによるわれが生じやすく、１．
２５倍より大きい場合には、封止部材とセル本体の間に
隙間が生じ、封止できなくなる場合があるからである。
また、封止部材を単独で焼結させた場合の円筒部の内径
は、セル本体の外径よりも小さくなるように、封止部材
用成形体の寸法、材料などが決定されている。

【００４７】この後、図２に示すように、セル本体８の
一端部を封止部材用成形体１１ａの円筒部１３ａに挿入
し、セル本体８の端面を封止部材用成形体１１ａの基底
部１４ａの内底面に当接し、大気などの酸化雰囲気中、
１３００〜１６００℃の温度で１〜５時間程度焼成し、
セル本体の一端部に、ガスシール層を介して封止部材を
嵌着し、本発明の円筒状固体電解質型燃料電池セルを得
る。

【００４８】即ち、セル本体の焼結後に改めて封止部材
を焼結させるため、ガスシール層や封止部材の焼結温度
はセル本体の焼結温度以下であることが要求される。例
えばＬａＣｒＯ₃ 系材料を用いた燃料電池セルなどは１
５００℃程度で焼結されるが、イットリア部分安定化ジ
ルコニアはそれ以下の１４００℃で焼結させることがで
きるため、封止部材やガスシール層としてイットリア部
分安定化ジルコニアが望ましい。

【００４９】封止部材の円筒部の内側面とガスシール層
とは焼成時に一体化し、さらにガスシール層とセル本体
一端部の外周面とも焼成時に一体化し、これにより、封
止部材の円筒部の内側面がガスシール層を介してセル本
体の一端部外周面に接合されることになる。また、封止
部材の基底部の内底面とセル本体の端面が焼成時に一体
化することにより、封止部材とセル本体が強固に固着さ
れることになる。ガスシール層および緻密質セラミック
スからなる封止部材は、ガスリークを防止することがで
きればよく、特に開気孔率５％以下であることが望まし
い。

【００５０】尚、本発明では、燃料極スラリーを、空気
極、固体電解質、集電体を有するセル本体に塗布した
後、セル本体を封止部材用成形体の円筒部に挿入し、燃
料極塗布膜と同時に前記封止部材用成形体を焼成し、燃
料極を固体電解質表面に焼き付けてもよい。この場合に
は、燃料極のみを焼き付けるための処理行程を省略でき
る。

【００５１】

【実施例】セル本体を共焼結により作製するため、まず
円筒状空気極成形体を以下のようにして作製した。市販
の純度９９．９％以上のＬａ₂ Ｏ₃ 、ＣａＣＯ₃ 、Ｍｎ
₂Ｏ₃ を出発原料として、これをＬａ_0.8 Ｃａ_0.2 Ｍｎ
Ｏ₃ 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５μｍの固溶体粉末を
得た。また、この固溶体粉末にバインダーを添加し、押
し出し成型法で円筒状の空気極成形体を作製した。前記
空気極成形体は、乾燥後１２５０℃で１０時間脱バイン
ダー・仮焼する事により円筒状の空気極仮焼体を作製し
た。

【００５２】次に、共沈法により得られたＹ₂ Ｏ₃ を８
ｍｏｌ％の割合で含有する平均粒径が１μｍのＺｒＯ₂
粉末に、トルエンとバインダーを添加してスラリーを調
整し、ドクターブレード法により厚み１３０μｍの固体
電解質シートを作製した。

【００５３】次に、市販の純度９９．９％以上のＬａ₂
Ｏ₃ 、Ｃｒ₂ Ｏ₃ 、ＭｇＯを出発原料として、これをＬ
ａ（Ｍｇ_0.3 Ｃｒ_0.7 ）_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２μｍの固溶体粉末を得た。次に、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整
し、ドクターブレード法により厚み１３０μｍの集電体
シートを作製した。

【００５４】前記円筒状空気極仮焼体に前記固体電解質
シートをロール状に巻き付け、１１００℃で３時間の仮
焼を行った。仮焼後、集電体シートの積層箇所となる固
体電解質仮焼体の表面を平面研磨し、露出した空気極仮
焼体まで表面上を平面研磨し、前記集電体シートを所定
箇所に帯状に巻き付けた。その後、大気中１５００℃で
６時間の条件で共焼結を試みた。

【００５５】共焼結後、ＮｉＯ粉末にＺｒＯ₂ （１０ｍ
ｏｌ％Ｙ₂ Ｏ₃ 含有）粉末を重量比８０：２０の割合で
混合した混合粉末に水を溶媒として加えて燃料極スラリ
ーを調整し、燃料極スラリーを積層焼結体表面に厚み５
０μｍで塗布乾燥し、外径約１５ｍｍ、厚み２ｍｍのセ
ル本体を作製した。

【００５６】次に、Ｙ₂ Ｏ₃ を３ｍｏｌ％の割合でそれ
ぞれ含有する平均粒径が１μｍのＺｒＯ₂ 粉末に水を溶
媒として加えてガスシール層用のスラリーを調整し、こ
のスラリーにセル本体の一端部を浸潰し、ディッピング
法により、セラミックススラリーをセル本体の片端部の
外周面に塗布し、１２０℃で１時間乾燥した。厚みの調
整はスラリーの粘度を変化させて実施した。焼結後のガ
スシール層の平均厚みを表１に示す。セラミックススラ
リーを塗布されたセル本体の端面は、封止部材の基底部
の内底面と密着させるために、研磨して平面としてお
く。

【００５７】次に、封止部材としてのキャップ形状の成
形体を作製する。まず、前記ガスシール層用のスラリー
組成と同じ組成である、Ｙ₂ Ｏ₃ を３ｍｏｌ％の割合で
それぞれ含有する平均粒径が１μｍのＺｒＯ₂ 系の粉末
を用いて静水圧成形（ラバープレス）を行いキャップ形
状に切削加工した。その後、セル本体の一端部を封止部
材用成形体の円筒部に挿入した。

【００５８】焼結後において、封止部材の軸方向の全長
をＬ₁ 、基底部の外径をＤ₁ 、円筒部の外径をＤ₂ 、長
さをＬ₂ 、内径を３Ｄとする。各試料の封止部材のサイ
ズはＬ₂ ／Ｌ₁ ＝０．５５、Ｌ₂ ／Ｄ₃ ＝０．５０、Ｄ
₁ ／Ｄ₂ ＝０．８０となるように作製した。

【００５９】セル本体の一端部外周面と当接し、セル本
体を締め付ける封止部材用成形体の円筒部の肉厚ｔを
０．７ｍｍに設計した。焼結後の肉厚は約０．５ｍｍと
なり、セル全体の直径の増大は約１ｍｍとなる。

【００６０】その後、大気中で１４００℃で２時間の焼
成を行うことにより、燃料極層を形成するとともに、セ
ル本体の一端部外周面にガスシール層を介してキャップ
形状の封止部材を接合した。

【００６１】そして、封止を行わなかった側の開口端か
ら、外気圧に対しセル本体内部の内気圧を外気圧よりも
＋１ｋｇｆ／ｃｍ² 高くなるようにＡｉｒを加圧して注
入し、これを水没させ、気泡の発生の有無により、初期
時のリークの有無を観察した。

【００６２】この試料をＡｉｒ雰囲気１０００℃の高温
下に放置し、１０００時間経過後で常温まで冷却したも
の、さらに、Ａｉｒ雰囲気下で、常温から１０００℃ま
で加熱し、１０００℃から常温まで冷却する行程を１０
サイクル繰り返してサイクル負荷を与えたもの、セル内
部をＡｉｒ雰囲気とし、セル外部をＨ₂ 雰囲気とし、１
０００℃で１時間および１００時間放置して還元処理を
行ったものについても上記と同様にリークの有無を観察
した。その結果を表１に示す。

【００６３】

【表１】

【００６４】この表１から、焼結後のガスシール層の厚
みが７０μｍ〜２５０μｍである場合、セル本体の一端
を効果的に封止する事ができ、Ａｉｒ高温負荷試験、Ａ
ｉｒサイクル負荷試験、高温還元雰囲気下での耐久性に
優れていることがわかる。

【００６５】しかし、焼結後のガスシール層が２５０μ
ｍを越える試料については、スラリーの粘度が高くな
り、円周方向に一様に形成する事が困難になり、また、
断面を平面研磨する場合に乾燥させたスラリーが崩れや
すくなった。ちなみに試料Ｎo.９では、乾燥させたスラ
リーがセル本体の端面を研摩する際に崩れた。また、ガ
スシール層が２５０μｍを越える場合には、セラミック
スラリーにバインダーを多量に添加して粘度を高くした
場合、スラリーの不均一に起因すると考えられるクラッ
クがガスシール層に発生するようになり、還元処理によ
ってガスリークを発生した（試料Ｎo.８）。

【００６６】一方、ガスシール層が７０μｍ未満では還
元処理によってガスリークが発生し、充分なガスシール
効果が得られなかった。

【００６７】次に、ガスリーク層の平均厚みが１００μ
ｍになるようにセラミックススラリーを塗布し、封止部
材の形状を変化させて封止を行った試料のガスリークの
結果を表２に示す。焼結後における封止部材の軸方向の
全長をＬ₁ 、基底部の外径をＤ₁ 、円筒部の外径を
Ｄ₂ 、長さをＬ₂ 、内径をＤ₃ とした。

【００６８】

【表２】

【００６９】この表２から、Ｌ₂ ／Ｌ₁ が０．３〜０．
７、Ｌ₂ ／Ｄ₃ が０．３〜０．７、Ｄ₁ ／Ｄ₂ 比が０．
７８〜０．８４の範囲を満足する場合には、焼結収縮に
おける応力による破損を防止でき、Ａｉｒ高温負荷試
験、Ａｉｒサイクル負荷試験、還元処理に対して優れて
いることが判る。

【００７０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
従来のように、発電用セル本体を炉内にセットし発電を
行う際にセル本体の一端を取付部材により封止するので
はなく、セル製造段階でセル本体の一端を緻密質セラミ
ックスにより封止するため、セル本体の一端の封止を容
易かつ確実に行うことができるとともに、発電用セル本
体を炉内にセットする前に封止状態を確認することがで
き、発電を継続して行う際のガスシール性が十分に保証
される。そして、セル本体の一端部外周面に、厚み７０
〜２５０μｍのセラミックスからなるガスシール層を介
して、基底部と円筒部からなるセラミックス製のキャッ
プ状封止部材を外嵌したので、発電において長時間ガス
リークがなく、信頼性を向上できるとともに、セル本体
の大型化を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の円筒状固体電解質型燃料電池セルの断
面図である。

【図２】セル本体にガスシール層用セラミックスラリー
を塗布し、封止部材用成形体を挿入した断面図である。

【図３】円筒状固体電解質型燃料電池セルを示す斜視図
である。

【符号の説明】

９・・・セル本体 ８・・・ガスシール層 １１・・・封止部材 １３・・・円筒部 １４・・・基底部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円筒状の固体電解質の片面に空気極、他面
   に燃料極が形成されるとともに、前記空気極または前記
   燃料極に電気的に接続され、かつ外面に露出する集電体
   を具備する円筒状のセル本体の一端部外周面に、厚み７
   ０〜２５０μｍのセラミックスからなるガスシール層を
   介して、基底部と円筒部からなるセラミックス製のキャ
   ップ状封止部材を外嵌してなることを特徴とする円筒状
   固体電解質型燃料電池セル。
2. 【請求項２】ガスシール層およびキャップ状封止部材
   が、Ｙ₂ Ｏ₃ を含有するＺｒＯ₂ からなることを特徴と
   する請求項１記載の円筒状固体電解質型燃料電池セル。
3. 【請求項３】封止部材の軸方向の全長をＬ₁ 、基底部の
   外径をＤ₁ 、円筒部の軸方向の長さをＬ₂ 、円筒部の外
   径をＤ₂ 、円筒部の内径をＤ₃ とした時、Ｄ₁／Ｄ₂ が
   ０．７８〜０．８４の範囲を満足するとともに、Ｌ₂ ／
   Ｌ₁ が０．３〜０．７の範囲を満足し、かつＬ₂ ／Ｄ₃
   が０．３〜０．７の範囲を満足することを特徴とする請
   求項１または２記載の円筒状固体電解質型燃料電池セ
   ル。