(57)【要約】【課題】円筒形状の固体酸化物形燃料電池セルの内壁に備える導電部材の接着強度向上を目的とする。【解決手段】  本発明では、円筒形状の固体酸化物形燃料電池のセルにおいて、前記セルの内壁に複数の導電部材を備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルを提供する。さらに前記複数の導電部材は、線径が異なったメッシュ部材であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルを提供する。さらにそれらいずれかのセルを備えた固体酸化物形燃料電池のスタックを提供する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形状の固体酸化物形燃料電池のセルにおいて、前記セルの内壁に複数の導電部材を備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。
【請求項２】
前記複数の導電部材が、線径が異なったメッシュ部材であることを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池セル。
【請求項３】
前記セルの内壁に線径が細い細径メッシュ部材を備え、前記細径メッシュ部材のさらに内側に前記細径メッシュ部材よりも線径の太い太径メッシュ部材を備えることを特徴とする請求項２記載の固体酸化物形燃料電池セル。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載の固体酸化物形燃料電池セルを備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池に係り、特に円筒形状のセルの内壁側への接着強度に優れた導電部材を用いた固体酸化物形燃料電池セルに関する発明である。 
【背景技術】
【０００２】
従来、円筒形状のセルの内壁へ備える導電部材は、メッシュ部材を備えたものがあった（例えば、特許文献１参照）。 該導電部材の作製方法としては、円筒形状の電解質内側に空気極のグリーン体を成形し、メッシュ部材を螺旋形状に成形して、該電解質内側へ挿入し、セル外側に拡大する方向の応力により該空気極と接触させ、該空気極と共焼成させて作製している。この場合、先に焼成工程があるような電極支持体型セルでは、電極のグリーン体と共焼成して導電部材を得ることができないので導電部材と電極支持体との接着強度に問題があった。
【特許文献１】特開２００３−３１７７２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、円筒形状の固体酸化物形燃料電池セルの内壁に備える導電部材の接着強度向上を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するために本発明は、円筒形状の固体酸化物形燃料電池セルの内壁に複数の導電部材を備えた固体酸化物形燃料電池セルを提供する。すなわち複数の導電部材がセルの内壁に備えられている。
【０００５】
請求項２記載の発明に依れば、前記複数の導電部材は、線径が異なったメッシュ部材であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルを提供する。すなわち複数の線径の異なったメッシュ部材がセルの内壁に備えられている。
【０００６】
請求項３記載の発明に依れば、前記セルの内壁に線径が細い細径メッシュ部材を備え、前記細径メッシュ部材のさらに内側に前記細径メッシュ部材よりも線径の太い太径メッシュ部材を備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルを提供する。すなわち複数の導電部材は、細径メッシュ部材の内側に太径メッシュ部材が備えられている。
【０００７】
請求項４記載の発明に依れば、請求項１乃至３いずれかに記載の固体酸化物形燃料電池セルを備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタックを提供する。すなわち固体酸化物形燃料電池スタックは、請求項１乃至３いずれかに記載の固体酸化物形燃料電池セルが備えられている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、円筒形状の固体酸化物形燃料電池セルの内壁に備える導電部材の接着強度が向上するという効果がある。
【実施例】
【０００９】
（実施例１）
本発明でのセル作製方法について説明する。図１に導電部材のセルへ挿入する前の準備段階の斜視図を示す。純銀からなる線径φ0.25mmの太径メッシュ部材１１を幅5mm、長さ200mmに切断し、これを直径φ1.8mmの金属棒２１に、4mmの間隔を空けて螺旋形状に巻きつける。
【００１０】
次に、図２に導電部材のセルへ挿入する前の準備段階の斜視図を示す。純銀からなる線径φ0.15mmの細径メッシュ部材１２を幅5mm、長さ200mmに切断し、前記太径メッシュ部材１１の間に、隙間無く且つそれぞれの端部が1mm程度重なるように螺旋形状に巻きつけて、複数の導電部材とする。
【００１１】
図３に本発明の複数の導電部材を挿入する斜視図を示す。後述する作製方法で得られた円筒形状の固体酸化物形燃料電池セル１の内壁に銀ペーストを塗布し、80℃で30分乾燥させる。乾燥後、太径メッシュ部材１１と細径メッシュ部材１２を螺旋形状に巻きつけた方向に回転させながらセル１の内側へ挿入する。挿入後、セル端部２で太径メッシュ部材１１と細径メッシュ部材１２を押さえながら金属棒２１を取り出し、セル１の内壁へ太径メッシュ部材１１と細径メッシュ部材１２を接続させる。その後、880℃で電気炉で空気中で焼成させることでセルを作製する。
【００１２】
図４に本発明の複数の導電部材を備えたセルの透視図を示す。円筒形状のセルの内壁に線径が細い細径メッシュ部材１２を備え、前記細径メッシュ部材１２のさらに内側に前記細径メッシュ部材１２よりも線径の太い太径メッシュ部材１１を備えている。
【００１３】
本発明の効果を図５で説明する。図５は本発明の複数の導電部材を備えたセルの断面図である。また図中に示した矢印は、太径メッシュ部材１１が細径メッシュ部材１２をセルの内壁へ押し付ける方向に働く応力を示している。円筒形状のセルの内壁に線径が細い細径メッシュ部材１２を備え、前記細径メッシュ部材１２のさらに内側に前記細径メッシュ部材１２よりも線径の太い太径メッシュ部材１１を備えているので接着強度が向上する。その理由は、前記太径メッシュ部材１１は前記細径メッシュ部材１２と比べて線径が太い分、弾性応力が大きい。そのために前記太径メッシュ部材１１は前記細径メッシュ部材１２をセルの内壁へ押し付ける方向に応力が働く。さらに前記細径メッシュ部材１２は前記太径メッシュ部材１１と比較して線径が細い分、実際の接触面積が大きいので、接触面積を確保しつつ接着できる。以上のことから、本発明の構成を採ることで接着強度を向上させることが可能となる。なお、ここでいうメッシュ部材とは複数の金属細線が網目状に織り込まれたものである。
【００１４】
円筒型固体酸化物形燃料電池セルの作製
本実施例のセルの作製方法を以下に示す。
（１−１）空気極支持体の作製
空気極支持体の材料は、La0.75Sr0.25MnO3組成のものを用い、押し出し成形法によって円筒状成形体を作製した。さらに、1500℃で焼成を行い、空気極支持体とした。なお空気極支持体は、外径5mm、肉厚1mm、有効セル長110mmとした。
【００１５】
（１−２）空気極触媒層の作製
空気極触媒層の材料は、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3の組成のLSCF粉末と Ce0.9Gd0.1O2の組成のGDC10粉末とを均一に混合したLSCF/GDC10を用いた（本明細書ではLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3をLSCFと略称し、Ce0.9Gd0.1O2をGDC10と略称し、LSCFとGDC10との混合材料をLSCF/GDC10と略称する）。なおLSCF/GDC10の重量比率は50/50とした。作製方法はLSCF、およびGDC10を各々共沈法で作製後、ジルコニアボールを用いてエタノール中で混合し、熱処理を施し、再びジルコニアボールを用いて粉砕して粒子径を調整した。このときの平均粒子径は5μｍとした。この空気極触媒層粉末40重量部を溶媒(エタノール)100重量部、バインダー（エチルセルロース）2重量部、分散剤(ポリオキシエチレアルキルリン酸エステル)1重量部、消泡剤(ソルビタンセスキオレート)1重量部とを混合した後、十分攪拌してスラリーを調整した。該スラリーを用いて、空気極支持体上にスラリーコート法により成膜し、1400℃で焼結させた。
【００１６】
（１−３）第一層の作製
第一層の材料は、LDC40粉末を用いた。共沈法で作製したLDC40粉末40重量部を溶媒(エタノール)100重量部、バインダー（エチルセルロース）2重量部、分散剤(ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル)1重量部、消泡剤(ソルビタンセスキオレート)1重量部と混合した後、十分攪拌してLDC40スラリーを調整した。該スラリーを用いて、前記空気極触媒層の表面にスラリーコート法で成膜し、1430℃で焼結させた。
【００１７】
（１−４）第二層の作製
第二層の材料は、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3の組成のLSGM粉末を用いた（本明細書ではLa0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3をLSGMと略称する）。共沈法で作製したLSGM粉末40重量部を溶媒(エタノール)100重量部、バインダー（エチルセルロース）2重量部、分散剤(ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル)1重量部、消泡剤(ソルビタンセスキオレート)1重量部と混合した後、十分攪拌してスラリーを調整した。該スラリーを用いて、第三層の表面にスラリーコート法で成膜し、1430℃で焼結させた。
【００１８】
（１−５）燃料極触媒層の作製
燃料極触媒層の材料は、NiO/Ce0.8Sm0.2O2（本明細書ではNiO/Ce0.8Sm0.2O2をNiO/SDC20と略称する）とし、共沈法で作製後、熱処理を施し、粒子径を制御して原料粉末を得た。NiO/SDC20の重量比率は、30/70、50/50の2種類を作製した。なお粉末の平均粒子径はどちらも0.5μｍであった。該粉末100重量部と有機溶媒（エタノール）500重量部、バインダー（エチルセルロース）10重量部、分散剤(ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル)5重量部、消泡剤(ソルビタンセスオキオレート)1重量部、可塑剤(ＤＢＰ)5重量部を混合した後、十分攪拌してスラリーを調整した。燃料極の面積が17.3cm２になるようにセルへマスキングをし、NiO/SDC20＝30/70、50/50の順番でスラリーコート法により成膜した。
【００１９】
（１−６）燃料極の作製
燃料極の材料は、NiO/SDC20とし、共沈法で作製後、熱処理を施し、粒子径を制御して原料粉末を得た。NiO/SDC20の重量比率は、70/30とした。なお粉末の粒子径は1.5μｍであった。該粉末100重量部と有機溶媒（エタノール）500重量部、バインダー（エチルセルロース）20重量部、分散剤(ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル)5重量部、消泡剤(ソルビタンセスオキオレート)1重量部、可塑剤(ＤＢＰ)5重量部を混合した後、十分攪拌してスラリーを調整した。燃料極触媒層上に、燃料極をスラリーコート法により成膜した。燃料極の厚み（焼成後）は90μｍとした。次に、燃料極触媒層と燃料極を1300℃で共焼結させた。なお、本実施例においては空気極を支持体とした円筒型固体酸化物形燃料電池セルを用いたが、空気極を支持体としたタイプに限定されるものではない。
【００２０】
（実施例２）
純銀からなる線径φ0.25mmの太径メッシュ部材を幅5mm、長さ200mmに切断し、これを直径φ1.8mmの金属棒に、5mmの間隔を空けて螺旋形状に巻きつける。
【００２１】
次に、純銀からなる線径φ0.15mmの細径メッシュ部材を幅5mm、長さ200mmに切断し、前記太径メッシュ部材の間に、隙間無く且つ、第一実施例と異なり、それぞれの端部が重ならないように螺旋形状に巻きつけて複数の導電部材とする（図示せず）。
【００２２】
実施例１と同様にして得られた円筒形状の固体酸化物形燃料電池セルの内壁に銀ペーストを塗布し、80℃で30分乾燥させる。乾燥後、前記複数の導電部材を螺旋形状に巻きつけた方向に回転させながらセルの内側へ挿入する。挿入後、セル端部でメッシュ部材を押さえながら金属棒を取り出し、セルの内壁へ複数の導電部材を接続させる。その後、880℃で電気炉で空気中で焼成させることでセルを作製する。よって最終的にセルの内壁に太径メッシュ部材が一定の間隔でセル全長に渡って備えられ、その間に細径メッシュ部材が交互に備えられている。
【００２３】
本発明の効果としては、円筒形状のセルの内壁に備えられた複数の導電部材が線径の異なったメッシュ部材であるので、接着強度が向上する。その理由は、前記太径メッシュ部材は前記細径メッシュ部材と比べて線径が太い分、弾性応力が大きいと共に強度が高い。そのために導電部材の形状を、太径メッシュ部材と細径メッシュ部材とを隙間無く且つそれぞれの端部が重ならないように螺旋形状にすることで、太径メッシュ部材がセル全長に渡って備えられているので骨材となり強度を確保できる。さらに細径メッシュ部材は太径メッシュ部材と交互に備えられているので、接触面積を確保しつつ接着できる。以上のことから本発明の構成を採ることで接着強度を向上させることが可能となる。
【００２４】
以下に実施例１、２と比較例１〜４の諸性能に関する表を示す。すなわちセル内壁と導電部材との接着性を示す表である。また導電部材をセルの内側へ挿入する際のハンドリング性を示す表である。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
接着性は、焼成後に導電部材を引っ張り出し、セル内壁に接着していない長さを見てどれくらいハガレているのかを確認した。半分ハガレとは、セルの長さに対して半分程度ハガレたことを意味する。２割ハガレとは、セルの長さに対して２割程度ハガレたことを意味する。ハガレ無しとは全くハガレなかったことを意味する。ハンドリング性は、導電部材をセルの内側へ挿入できるか否かを確認した。良好とは、導電部材をセルの内側へ挿入できたことを意味する。セル内側への挿入不可とは、導電部材をセルの内側へ挿入できなかったことを意味する。
【００２７】
以下に比較例の実施形態を示す。
【００２８】
（比較例１）
純銀からなる線径φ0.15mmの細径メッシュ部材を幅5mm、長さ200mmに切断し、これを直径φ1.8mmの金属棒に、5mmの間隔を空けて螺旋形状に巻きつけて導電部材とする。
【００２９】
実施例１と同様にして得られた円筒形状の固体酸化物形燃料電池セルの内壁に銀ペーストを塗布し、80℃で30分乾燥させる。乾燥後、前記成形された導電部材を螺旋形状に巻きつけた方向に回転させながらセルの内側へ挿入する。挿入後、セル端部でメッシュ部材を押さえながら金属棒を取り出し、セルの内壁へ導電部材を接続させる。その後、880℃で電気炉で空気中で焼成させることでセルを作製する。
【００３０】
（比較例２）
純銀からなる線径φ0.25mmの太径メッシュ部材を幅5mm、長さ200mmに切断し、これを直径φ1.8mmの金属棒に、5mmの間隔を空けて螺旋形状に巻きつけて導電部材とする。
【００３１】
実施例１と同様にして得られた円筒形状の固体酸化物形燃料電池セルの内壁に銀ペーストを塗布し、80℃で30分乾燥させる。乾燥後、前記成形された導電部材を螺旋形状に巻きつけた方向に回転させながらセルの内側へ挿入する。挿入後、セル端部でメッシュ部材を押さえながら金属棒を取り出し、セルの内壁へ導電部材を接続させる。その後、880℃で電気炉で空気中で焼成させることでセルを作製する。
【００３２】
（比較例３）
純銀からなる線径φ0.15mmの細径メッシュ部材を幅5mm、長さ200mmに切断し、これを直径φ1.8mmの金属棒に、間隔を空けないで螺旋形状に巻きつけて導電部材とする。
【００３３】
実施例１と同様にして得られた円筒形状の固体酸化物形燃料電池セルの内壁に銀ペーストを塗布し、80℃で30分乾燥させる。乾燥後、前記成形された導電部材を螺旋形状に巻きつけた方向に回転させながらセルの内側へ挿入する。挿入後、セル端部でメッシュ部材を押さえながら金属棒を取り出し、セルの内壁へ導電部材を接続させる。その後、880℃で電気炉で空気中で焼成させることでセルを作製する。
【００３４】
（比較例４）
【００３５】
純銀からなる線径φ0.25mmの太径メッシュ部材を幅5mm、長さ200mmに切断し、これを直径φ1.8mmの金属棒に、間隔を空けないで螺旋形状に巻きつけて導電部材とする。
【００３６】
実施例１と同様にして得られた円筒形状の固体酸化物形燃料電池セルの内壁に銀ペーストを塗布し、80℃で30分乾燥させる。乾燥後、前記成形された導電部材を螺旋形状に巻きつけた方向に回転させながらセルの内側へ挿入する。挿入後、セル端部でメッシュ部材を押さえながら金属棒を取り出し、セルの内壁へ導電部材を接続させる。その後、880℃で電気炉で空気中で焼成させることでセルを作製する。
【００３７】
この結果より実施例１と２はハガレ無しで、接着性に優れていることが確認された。比較例１、３は半分ハガレ、比較例２は2割程度ハガレが生じた。比較例４は線径0.25mmの太径メッシュ部材を間隔を空けないで螺旋形状に成形した導電部材であるが、セルの内側へ挿入できなかった。これに対して実施例１と２は問題なくセルの内側へ挿入することができた。以上より本実施例が接着性に優れていることを確認できた。
【００３８】
（実施例３）
本発明の複数の導電部材を備えたセルからなるスタックについて説明する。図６に本発明の複数の導電部材を備えたセルからなるスタックを備えた固体酸化物形燃料電池の一例を示す。断熱性を備えたスタックを収容する容器３１と、電気を取り出す機構３２と、燃料ガスを供給する機構３３と、排ガスを排出する機構３４と、空気を供給する機構３５と、円筒形状の固体酸化物形燃料電池セルを電気的に接続させたスタック３６と、からなる。
【００３９】
本実施例の運転方法について説明する。空気を供給する機構３５より所定量の空気を供給し、燃料ガスを供給する機構３３より所定量の燃料ガスを供給し、作動温度まで昇温すると、空気中の酸素が酸素イオンに変わり固体電解質を通って燃料極に達する。そして燃料ガスと酸素イオンが反応するので、電気を取り出す機構３２より、外部回路に接続することで電気を取り出すことができる。未反応の空気と燃料ガスは排ガスとして排ガスを排出する機構３４を通って排出される。
【００４０】
本発明の効果としては、複数の導電部材を備えたセルからなるスタックを備えているので、発電性能に優れた固体酸化物形燃料電池を提供できる。その理由は、本発明の導電部材がハガレることが無く接着されているので、電気的な集電ロスのないスタックとなるからである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の導電部材のセルへ挿入する前の準備段階の斜視図である。
【図２】本発明の導電部材のセルへ挿入する前の準備段階の斜視図である。
【図３】本発明の導電部材をセルへ挿入する斜視図である。
【図４】本発明の導電部材を備えたセルの透視図である。
【図５】本発明の導電部材を備えたセルの断面図である。
【図６】本発明の導電部材を備えたセルからなるスタックを備えた固体酸化物形燃料電池の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１：円筒形状の固体酸化物形燃料電池セル
２：円筒形状の固体酸化物形燃料電池セルの端部断面
３：円筒形状の固体酸化物形燃料電池セルの内壁
１１：太径メッシュ部材
１２：細径メッシュ部材
２１：金属棒
３１：スタックを収容する容器
３２：電気を取り出す機構
３３：燃料ガスを供給する機構
３４：排ガスを排出する機構
３５：空気を供給する機構
３６：円筒形状の固体酸化物形燃料電池セルを電気的に接続させたスタック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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