CN109689570B - 云母制构件、电化学反应单位以及电化学反应电池堆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种能够抑制Si(硅)的飞散的技术。本发明提供一种云母制构件,其特征在于,该云母制构件具有结晶构造,该结晶构造在X射线结晶构造解析(XRD)中包括KMg3(Si3Al)O10(OH)2的强度峰值和Mg2SiO4的强度峰值。由于具有在XRD中包括KMg3(Si3Al)O10(OH)2的强度峰值和Mg2SiO4的强度峰值的结晶构造,因此能够抑制Si的飞散。
Description
技术领域
本说明书公开的技术涉及一种云母制构件。
背景技术
作为利用氢和氧之间的电化学反应来进行发电的燃料电池的种类之一,公知一种固体氧化物形的燃料电池(以下称作“SOFC”)。构成SOFC的燃料电池发电单位具有燃料电池单体电池、空气极侧构件以及燃料极侧构件,其中,该燃料电池单体电池包括电解质层、空气极以及燃料极,该空气极和燃料极夹着电解质层在第1方向上彼此相对。空气极侧构件构成面向空气极的空气室,燃料极侧构件构成面向燃料极的燃料室。在这样的燃料电池发电单位中,存在空气极侧构件、燃料极侧构件由云母形成的燃料电池发电单位(参照专利文献1、2)。
对于云母而言,存在一种含有Si(硅)系粘结剂的云母。在利用这种含有Si系粘结剂的云母来形成燃料极侧构件时,有时因由发电运转所引起的温度上升而导致燃料极侧构件所含的Si向周围飞散。飞散后的Si例如附着于构成燃料极的氧离子传导性物质的表面,因而有可能导致成为反应场所的三相界面减少,从而导致燃料电池发电单位的发电性能发生变化(下降)。因此,公知如下一种技术,即,通过预先以小于850(℃)的温度加热云母来使粘结剂所含的Si飞散,然后将该云母用作燃料极侧构件(参照专利文献3)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开平4-162312号公报
专利文献2:日本特开平7-282835号公报
专利文献3:日本特开2015-125981号公报
发明内容
发明要解决的问题
不仅云母所含的粘结剂含有Si,云母自身也含有Si。因此,在以小于850(℃)的温度进行加热的上述技术中,即使能够抑制粘结剂所含的Si的飞散,也有可能无法抑制云母自身所含的Si的飞散。
另外,这样的课题是对于如下的电解池所使用的云母制构件来说也会存在的共同的课题,该电解池是利用水的电解反应来生成氢的固体氧化物形的电解池(以下称作“SOEC”)的最小结构单位。另外,在本说明书中,将燃料电池单位和电解池单位统称为电化学反应单位。并且,这样的课题也是对于除电化学反应单位之外的产品所使用的云母制构件来说也会存在的共同的课题。
在本说明书中,公开了能够解决上述课题的技术。
用于解决问题的方案
本说明书公开的技术能够作为以下的方案来实现。
(1)本说明书公开的云母制构件具有结晶构造,该结晶构造在X射线结晶构造解析(XRD)中示出由KMg3(Si3Al)O10(OH)2引起的衍射强度峰值(以下,称为KMg3(Si3Al)O10(OH)2的强度峰值)和由Mg2SiO4引起的衍射强度峰值(以下,称为Mg2SiO4的强度峰值)。本申请的发明人通过实验等发现,在云母制构件具有在X射线结晶构造解析(XRD)中包括KMg3(Si3Al)O10(OH)2(软质云母)的强度峰值和Mg2SiO4(镁橄榄石)的强度峰值的结晶构造时,与在XRD中只具有KMg3(Si3Al)O10(OH)2的强度峰值的纯软质云母相比,能够抑制Si的飞散。因此,根据本云母制构件,由于具有在XRD中包括KMg3(Si3Al)O10(OH)2的强度峰值和Mg2SiO4的强度峰值的结晶构造,因此能够抑制Si的飞散。可以认为,这是因为,与KMg3(Si3Al)O10(OH)2的结晶构造相比,Mg2SiO4的结晶构造更稳定,并且难以引起结晶构造的分解,因此能够抑制Si的飞散。
(2)在上述云母制构件中,也可以设为如下结构,所述Mg2SiO4的(120)面的峰值强度相对于所述KMg3(Si3Al)O10(OH)2的(003)面的峰值强度的比例为0.001以上。根据本云母制构件,由于Mg2SiO4的(120)面的峰值强度相对于KMg3(Si3Al)O10(OH)2的(003)面的峰值强度的比例为0.001以上,因此,通过Si以Mg2SiO4的形式存在,能够更加可靠地抑制Si的飞散。
(3)在上述云母制构件中,也可以设为如下结构,所述Mg2SiO4的(120)面的强度峰值相对于所述KMg3(Si3Al)O10(OH)2的(003)面的强度峰值的比例为0.15以下。根据本云母制构件,Mg2SiO4的(120)面的强度峰值相对于KMg3(Si3Al)O10(OH)2的(003)面的强度峰值的比例为0.15以下,因此可以说,Si以KMg3(Si3Al)O10(OH)2的方式也是充分地存在的,能够抑制密封性等云母本来的特性下降。
(4)在上述云母制构件中,也可以设为如下结构,所述Mg2SiO4的(120)面的强度峰值相对于所述KMg3(Si3Al)O10(OH)2的(003)面的强度峰值的比例为0.003以上。根据本云母制构件,Mg2SiO4的(120)面的强度峰值相对于KMg3(Si3Al)O10(OH)2的(003)面的强度峰值的比例为0.003以上,因此,通过Si以Mg2SiO4的形式存在,能够更可靠地抑制Si的飞散。
(5)在上述云母制构件中,也可以设为如下结构,所述Mg2SiO4的(120)面的强度峰值相对于所述KMg3(Si3Al)O10(OH)2的(003)面的强度峰值的比例为0.029以下。根据本云母制构件,Mg2SiO4的(120)面的强度峰值相对于KMg3(Si3Al)O10(OH)2的(003)面的强度峰值的比例为0.029以下,因此,可以说,Si以KMg3(Si3Al)O10(OH)2的方式也是充分地存在的,能够抑制密封性等云母本来的特性下降。
(6)也可以设为如下的结构,具有:单体电池,该单体电池包括电解质层、空气极以及燃料极,该空气极和燃料极夹着所述电解质层在第1方向上彼此相对;以及构造构件,该构造构件面向空气室或燃料室,所述空气室面向所述空气极,所述燃料室面向所述燃料极,在该电化学反应单位中,所述构造构件由上述(1)~(5)的云母制构件形成。根据本电化学反应单位,能够抑制因Si向空气室、燃料室内飞散而导致的电化学反应单位的性能的下降。
(7)也可以设为如下的结构,具有在所述第1方向上排列地配置的多个电化学反应单位,该电化学反应电池堆的特征在于,所述多个电化学反应单位的至少1个为上述(6)的电化学反应单位。
另外,本说明书公开的技术能够以各种方式实现,例如能够以云母制构件、构造构件、电化学反应单体电池(燃料电池单体电池或电解池)、电化学反应单位(燃料电池发电单位)、具有多个电化学反应单体电池的电化学反应电池堆(燃料电池堆或电解池堆)及其制造方法等方式实现。
附图说明
图1是表示实施方式的燃料电池堆100的外观结构的立体图。
图2是表示图1的II-II的位置的燃料电池堆100的XZ截面结构的说明图。
图3是表示图1的III-III的位置的燃料电池堆100的YZ截面结构的说明图。
图4是表示与图2所示的截面相同的位置的、互相相邻的两个发电单位102的XZ截面结构的说明图。
图5是表示与图3所示的截面相同的位置的、互相相邻的两个发电单位102的YZ截面结构的说明图。
图6是表示关于各样品的性能评价的结果的说明图。
图7是表示样品1的X射线衍射图案的说明图。
图8是表示样品2的X射线衍射图案的说明图。
图9是表示样品3的X射线衍射图案的说明图。
图10是表示样品4的X射线衍射图案的说明图。
图11是表示样品5的X射线衍射图案的说明图。
具体实施方式
A.实施方式:
A-1.结构:
(燃料电池堆100的结构)
图1是表示本实施方式的燃料电池堆100的外观结构的立体图,图2是表示图1的II-II的位置的燃料电池堆100的XZ截面结构的说明图,图3是表示图1的III-III的位置的燃料电池堆100的YZ截面结构的说明图。在各图中示出用于指定方向的、彼此正交的XYZ轴。在本说明书中,为了方便起见,将Z轴正方向称作“上方”,将Z轴负方向称作“下方”,但燃料电池堆100在实际中也可以以异于该方向的方向设置。在图4以后的图中也相同。另外,燃料电池堆相当于权利要求书中的电化学反应电池堆。
燃料电池堆100具有多个(在本实施方式中为七个)发电单位102以及一对端板104、端板106。七个发电单位102在规定的排列方向(在本实施方式中为上下方向)上排列地配置。一对端板104、端板106配置为从上下夹着由七个发电单位102构成的集合体。另外,上述排列方向(上下方向)相当于专利权利要求中的第1方向。
在构成燃料电池堆100的各层(发电单位102、端板104、端板106)的绕Z方向的周缘部形成有在上下方向上贯通的多个(在本实施方式中为八个)孔,形成于各层并互相对应的孔彼此在上下方向上连通,构成了在上下方向上从一个端板104延伸到另一个端板106的连通孔108。在以下的说明中,为了构成连通孔108而形成于燃料电池堆100的各层的孔也称作“连通孔108”。
在各连通孔108中插入有在上下方向上延伸的螺栓22,利用螺栓22和拧紧于螺栓22的两侧的螺母24,燃料电池堆100被紧固。另外,如图2和图3所示,在拧紧于螺栓22的一侧(上侧)的螺母24和构成燃料电池堆100的上端的端板104的上侧表面之间、以及在拧紧于螺栓22的另一侧(下侧)的螺母24和构成燃料电池堆100的下端的端板106的下侧表面之间隔着绝缘片26。但是,在设有后述的气体通路构件27的部位,在螺母24和端板106的表面之间夹杂有气体通路构件27以及分别配置在气体通路构件27的上侧和下侧的绝缘片26。绝缘片26例如由云母片、陶瓷纤维片、陶瓷粉末压片、玻璃片、玻璃陶瓷复合剂等构成。
各螺栓22的轴部的外径小于各连通孔108的内径。因此,能够在各螺栓22的轴部的外周面和各连通孔108的内周面之间确保空间。如图1和图2所示,由位于燃料电池堆100的、绕Z方向的外周的一个边(与Y轴平行的两个边中的、靠X轴正方向侧的边)的中点附近的螺栓22(螺栓22A)与供该螺栓22A插入的连通孔108形成的空间作为氧化剂气体导入歧管161来发挥功能,该氧化剂气体导入歧管161是从燃料电池堆100的外部导入氧化剂气体OG并将该氧化剂气体OG向各发电单位102供给的气体流路,由位于与该边相反的一侧的边(与Y轴平行的两个边中的、靠X轴负方向侧的边)的中点附近的螺栓22(螺栓22B)和供该螺栓22B插入的连通孔108形成的空间作为氧化剂气体排出歧管162发挥功能,该氧化剂气体排出歧管162将从各发电单位102的空气室166排出的气体即氧化剂废气OOG向燃料电池堆100的外部排出。另外,在本实施方式中,例如使用空气作为氧化剂气体OG。
此外,如图1和图3所示,由位于燃料电池堆100的、绕Z方向的外周的一个边(与X轴平行的两个边中的、靠Y轴正方向侧的边)的中点附近的螺栓22(螺栓22D)和供该螺栓22D插入的连通孔108形成的空间作为燃料气体导入歧管171发挥功能,该燃料气体导入歧管171从燃料电池堆100的外部导入燃料气体FG,并将该燃料气体FG向各发电单位102供给,由位于与该边相反的一侧的边(与X轴平行的两个边中的、靠Y轴负方向侧的边)的中点附近的螺栓22(螺栓22E)和供该螺栓22E插入的连通孔108形成的空间作为燃料气体排出歧管172发挥功能,该燃料气体排出歧管172将从各发电单位102的燃料室176排出的气体即燃料废气FOG向燃料电池堆100的外部排出。另外,在本实施方式中,例如使用对城市燃气进行改性后的、富含氢的气体作为燃料气体FG。
在燃料电池堆100设有四个气体通路构件27。各气体通路构件27具有中空筒状的主体部28和从主体部28的侧面分支的中空筒状的分支部29。分支部29的孔与主体部28的孔相连通。在各气体通路构件27的分支部29连接有气体配管(未图示)。此外,如图2所示,在形成氧化剂气体导入歧管161的螺栓22A的位置配置的气体通路构件27的主体部28的孔与氧化剂气体导入歧管161相连通,在形成氧化剂气体排出歧管162的螺栓22B的位置配置的气体通路构件27的主体部28的孔与氧化剂气体排出歧管162相连通。此外,如图3所示,在形成燃料气体导入歧管171的螺栓22D的位置配置的气体通路构件27的主体部28的孔与燃料气体导入歧管171相连通,在形成燃料气体排出歧管172的螺栓22E的位置配置的气体通路构件27的主体部28的孔与燃料气体排出歧管172相连通。
(端板104、106的结构)
一对端板104、106是大致矩形的平板形状的导电性构件,例如由不锈钢形成。一个端板104配置在位于最上方的发电单位102的上侧,另一个端板106配置在位于最下方的发电单位102的下侧。多个发电单位102以被按压的状态被一对端板104、106夹持。上侧的端板104作为燃料电池堆100的正侧的输出端子发挥功能,下侧的端板106作为燃料电池堆100的负侧的输出端子发挥功能。
(发电单位102的结构)
图4是表示与图2所示的截面相同的位置的、互相相邻的两个发电单位102的XZ截面结构的说明图,图5是表示与图3所示的截面相同的位置的、互相相邻的两个发电单位102的YZ截面结构的说明图。
如图4和图5所示,作为发电的最小单位的发电单位102具有单体电池110、分隔件120、空气极侧框130、空气极侧集电体134、燃料极侧框140、燃料极侧集电体144以及构成发电单位102的最上层和最下层的一对互连器150。在分隔件120、空气极侧框130、燃料极侧框140、互连器150的绕Z方向的周缘部形成有供上述螺栓22插入的连通孔108所对应的孔。发电单位102相当于权利要求书中的电化学反应单位。
互连器150是大致矩形的平板形状的导电性构件,由例如铁素体系不锈钢形成。互连器150能够确保发电单位102之间的电导通,并且能够防止在发电单位102之间的反应气体的混合。另外,在本实施方式中,在两个发电单位102相邻地配置的情况下,一个互连器150被相邻的两个发电单位102共有。即,一个发电单位102的上侧的互连器150与在该发电单位102的上侧与该发电单位102相邻的、其他的发电单位102的下侧的互连器150是同一构件。此外,由于燃料电池堆100具有一对端板104、106,因此,在燃料电池堆100中位于最上方的发电单位102不具有上侧的互连器150,位于最下方的发电单位102不具有下侧的互连器150(参照图2和图3)。
单体电池110具有电解质层112、空气极(阴极)114以及燃料极(阳极)116,其中,该空气极114和燃料极116夹着电解质层112在上下方向(发电单位102并排的排列方向)上互相相对。另外,本实施方式的单体电池110是利用燃料极116支承电解质层112和空气极114的燃料极支承形的单体电池。
电解质层112是大致矩形的平板形状构件,至少含有Zr,例如由YSZ(氧化钇稳定的氧化锆)、ScSZ(氧化钪稳定的氧化锆)、CaSZ(氧化钙稳定化氧化锆)等的固体氧化物形成。空气极114是大致矩形的平板形状构件,例如由钙钛矿型氧化物(例如LSCF(镧锶钴铁氧化物)、LSM(镧锶锰氧化物)、LNF(镧镍鉄))形成。燃料极116是大致矩形的平板形状构件,例如由Ni(镍)、由Ni和陶瓷粒子形成的金属陶瓷、Ni基合金等形成。这样,本实施方式的单体电池110(发电单位102)是使用固体氧化物作为电解质的固体氧化物形燃料电池(SOFC)。
分隔件120是在中央附近形成有在上下方向上贯通的大致矩形的孔121的框状的构件,例如由金属形成。分隔件120的孔121的周围部分与电解质层112的空气极114侧的表面的周缘部相对。分隔件120利用接合部124与电解质层112(单体电池110)相接合,该接合部124由配置在该相对的部分的焊料(例如Ag焊料)形成。通过分隔件120,划分出面向空气极114的空气室166和面向燃料极116的燃料室176,能够抑制气体从单体电池110的周缘部的一个电极侧向另一个电极侧泄漏。另外,接合有分隔件120的单体电池110称作“带有分隔件的单体电池”。
空气极侧框130是在中央附近形成有在上下方向上贯通的大致矩形的孔131的框状的构件,例如由云母等绝缘体形成。空气极侧框130的孔131构成面向空气极114的空气室166。空气极侧框130与分隔件120的、与相对于电解质层112的侧相反的一侧的表面的周缘部接触,且与互连器150的、与空气极114相对的侧的表面的周缘部接触。此外,在空气极侧框130的作用下,包含于发电单位102的一对互连器150之间电绝缘。此外,在空气极侧框130形成有用于将氧化剂气体导入歧管161和空气室166连通的氧化剂气体供给连通孔132以及用于将空气室166和氧化剂气体排出歧管162连通的氧化剂气体排出连通孔133。
燃料极侧框140是在中央附近形成有在上下方向上贯通的大致矩形的孔141的框状的构件,例如由金属形成。燃料极侧框140的孔141构成面向燃料极116的燃料室176。燃料极侧框140与分隔件120的、与电解质层112相对的侧的表面的周缘部接触,且与互连器150的、与燃料极116相对的侧的表面的周缘部接触。此外,在燃料极侧框140形成有用于将燃料气体导入歧管171和燃料室176连通的燃料气体供给连通孔142以及用于将燃料室176和燃料气体排出歧管172连通的燃料气体排出连通孔143。
燃料极侧集电体144配置在燃料室176内。燃料极侧集电体144具有互连器相对部146、电极相对部145以及将电极相对部145和互连器相对部146连接的连接部147,例如由镍、镍合金、不锈钢等形成。电极相对部145与燃料极116的、与相对于电解质层112的侧相反的一侧的表面相接触,互连器相对部146与互连器150的、与燃料极116相对的侧的表面相接触。但是,像上述那样,由于在燃料电池堆100中位于最下方的发电单位102不具有下侧的互连器150,因此该发电单位102的互连器相对部146与下侧的端板106相接触。由于燃料极侧集电体144是这样的结构,因此燃料极116与互连器150(或端板106)电连接。另外,在电极相对部145和互连器相对部146之间配置有例如由云母形成的间隔物149。因此,燃料极侧集电体144能够随着因温度循环、反应气体压力变动引起的发电单位102的变形而良好地维持燃料极116和互连器150(或端板106)之间的经由燃料极侧集电体144的电连接。间隔物149相当于权利要求书中的云母制构件、构造构件。
空气极侧集电体134配置在空气室166内。空气极侧集电体134由多个大致四棱柱状的集电体元件135构成,例如由铁素体系不锈钢形成。空气极侧集电体134与空气极114的与电解质层112相对的侧相反的一侧的表面接触,且与互连器150的、与空气极114相对的侧的表面接触。但是,像上述那样,由于在燃料电池堆100中位于最上方的发电单位102不具有上侧的互连器150,因此,该发电单位102的空气极侧集电体134与上侧的端板104相接触。由于空气极侧集电体134是这样的结构,因此空气极114与互连器150(或端板104)电连接。另外,空气极侧集电体134和互连器150也可以作为一体的构件形成。
A-2.燃料电池堆100的动作:
如图2和图4所示,当经由与设于氧化剂气体导入歧管161的位置的气体通路构件27的分支部29相连接的气体配管(未图示)供给氧化剂气体OG时,氧化剂气体OG经由气体通路构件27的分支部29和主体部28的孔向氧化剂气体导入歧管161供给,从氧化剂气体导入歧管161经由各发电单位102的氧化剂气体供给连通孔132向空气室166供给。此外,如图3和图5所示,当经由与设于燃料气体导入歧管171的位置的气体通路构件27的分支部29相连接的气体配管(未图示)供给燃料气体FG时,燃料气体FG经由气体通路构件27的分支部29和主体部28的孔向燃料气体导入歧管171供给,从燃料气体导入歧管171经由各发电单位102的燃料气体供给连通孔142向燃料室176供给。
当氧化剂气体OG供给到各发电单位102的空气室166、燃料气体FG供给到燃料室176时,在单体电池110中进行由氧化剂气体OG和燃料气体FG的电化学反应引起的发电。该发电反应为发热反应。在各发电单位102中,单体电池110的空气极114经由空气极侧集电体134与一侧的互连器150电连接,燃料极116经由燃料极侧集电体144与另一侧的互连器150电连接。此外,包含于燃料电池堆100的多个发电单位102串联地电连接。因此,能够从作为燃料电池堆100的输出端子发挥功能的端板104、端板106获取在各发电单位102生成的电能。另外,由于SOFC在比较高的温度(例如700℃~1000℃)下进行发电,因此在起动后也可以利用加热器(未图示)加热燃料电池堆100,直到达到能够通过由发电产生的热来维持高温的状态。
如图2和图4所示,从各发电单位102的空气室166排出的氧化剂废气OOG经由氧化剂气体排出连通孔133向氧化剂气体排出歧管162排出,然后经过设于氧化剂气体排出歧管162的位置的气体通路构件27的主体部28和分支部29的孔并经由连接于该分支部29的气体配管(未图示)向燃料电池堆100的外部排出。此外,如图3和图5所示,从各发电单位102的燃料室176排出的燃料废气FOG经由燃料气体排出连通孔143向燃料气体排出歧管172排出,然后经过设于燃料气体排出歧管172的位置的气体通路构件27的主体部28和分支部29的孔并经由连接于该分支部29的气体配管(未图示)向燃料电池堆100的外部排出。
A-3.间隔物149的详细结构:
间隔物149具有结晶构造,该结晶构造在X射线结晶构造解析(XRD)中包括KMg3(Si3Al)O10(OH)2(以下称作“软质云母”)的强度峰值(衍射强度的顶点)和Mg2SiO4(以下称作“镁橄榄石”)的强度峰值。换言之,利用XRD分析间隔物149的形成材料而得到的X射线衍射图案包括软质云母的强度峰值和镁橄榄石的强度峰值。此外,在间隔物149的形成材料的X射线衍射图案中,镁橄榄石的米勒指数120的面的强度峰值相对于云母的米勒指数003的面的强度峰值的比例即强度峰值比优选为0.001以上且0.029以下。
A-4.燃料电池堆100的制造方法:
上述结构的燃料电池堆100的制造方法例如像以下这样。单体电池110能够利用公知的方法来制作。例如,准备燃料极基板层用生片、燃料极活性层用生片以及电解质层用生片,将燃料极基板层用生片、燃料极活性层用生片以及电解质层用生片粘贴起来,在大致280℃下进行脱脂。并且,在大致1350℃下进行烧制,从而得到电解质层112和燃料极116的层叠体。此外,将混合了用于形成空气极的材料而成的混合液喷雾涂布于上述层叠体的电解质层112的表面,通过在1100℃下烧制来形成空气极114。通过以上的工序能够制造出上述结构的单体电池110。
间隔物149能够如下这样进行制作。针对利用例如冈部云母工业所制造的厚度0.2(mm)以上、0.6(mm)以下的软质云母(产品序号D581AK)形成的云母片进行冲压加工来制造平板状的原料构件。接着,将该原料构件放入加热炉内,在大气中以1000(℃)以上的温度加热4小时以上。由此能够制作出具有上述结晶构造的间隔物149。
然后,将间隔物149配置在燃料极侧集电体144的电极相对部145和互连器相对部146之间。然后,在一对互连器150之间配置燃料极侧集电体144和燃料极侧框140、空气极侧框130、钎焊有单体电池110的分隔件120。由此能够制作出发电单位102。并且,通过进行另外剩下的组装工序,从而完成上述结构的燃料电池堆100的制造。
A-5.各样品的性能评价:
下面说明使用多个样品1~6(间隔物)进行的各性能评价,该多个样品分别通过上述云母的原料构件的加热处理(以下称作“云母加热处理”)的条件彼此不同的多个制作方法而制作出来。在关于各样品的性能评价中,使用多个样品1~6中的各个样品,组装上述结构的燃料电池堆100,测量耐久劣化率(发电劣化率)。图6是示出关于各样品的性能评价的结果的说明图。
(关于样品)
样品1~5是通过上述制作方法而制作出的上述结构的间隔物149,样品6是通过与上述制作方法相比云母加热处理的条件不同的制作方法而制作出的间隔物。针对通过各个制作方法制成的样品1~5,通过XRD(粉末X射线衍射法)获得了X射线衍射图案。具体而言,使用X射线衍射装置,对板状的云母的平面部分照射X射线并进行分析,从而得到了各样品1~5的X射线衍射图案。图7~图11是示出各样品1~5的X射线衍射图案的说明图。纵轴是衍射强度(CPS),横轴是衍射角度2θ(deg)。
(样品1)
在样品1的制作方法中,云母加热处理中的加热温度为1000(℃),加热时间为30小时。样品1的X射线衍射图案如图7所示。将该样品1的X射线衍射图案与已知物质的衍射图案的数据库(在本实施方式中,例如是PDF卡(Powder Diffraction File))进行了对比。其结果是,确认了样品1的X射线衍射图案除了包括软质云母的米勒指数003的面的强度峰值(参照衍射角度D2),还包括例如镁橄榄石的米勒指数120、211、221的各个面的强度峰值(衍射角度D1、D3、D4)。因而,能够判断该样品1具有软质云母的结晶和镁橄榄石的结晶。此外,样品1的上述强度峰值比为0.0012。
(样品2)
在样品2的制作方法中,云母加热处理中的加热温度为1100(℃),加热时间为5小时。样品2的X射线衍射图案如图8所示。将该样品2的X射线衍射图案与PDF卡进行了对比,其结果是,确认了样品2的X射线衍射图案与样品1同样地,除了包括软质云母的米勒指数003的面的强度峰值(参照衍射角度D2),还包括例如镁橄榄石的米勒指数120、211、221的各个面的强度峰值(衍射角度D1、D3、D4)。因而,能够判断该样品2具有软质云母的结晶和镁橄榄石的结晶。此外,样品2的上述强度峰值比为0.0031。
(样品3)
在样品3的制作方法中,云母加热处理中的加热温度为1100(℃),加热时间为30小时。样品3的X射线衍射图案如图9所示。将该样品3的X射线衍射图案与PDF卡进行了对比,其结果是,确认了样品3的X射线衍射图案与样品1、2同样地,除了包括软质云母的米勒指数003的面的强度峰值(参照衍射角度D2),还包括例如镁橄榄石的米勒指数120、211、221的各个面的强度峰值(衍射角度D1、D3、D4)。因而,能够判断该样品3具有软质云母的结晶和镁橄榄石的结晶。此外,样品3的上述强度峰值比为0.0282。
(样品4)
在样品4的制作方法中,云母加热处理中的加热温度为1000(℃),加热时间为120小时。样品4的X射线衍射图案如图10所示。将该样品4的X射线衍射图案与PDF卡进行了对比,其结果是,确认了样品4的X射线衍射图案与样品1、2同样地,除了包括软质云母的米勒指数003的面的强度峰值(参照衍射角度D2),还包括例如镁橄榄石的米勒指数120、211、221的各个面的强度峰值(衍射角度D1、D3、D4)。因而,能够判断该样品4具有软质云母的结晶和镁橄榄石的结晶。此外,样品4的上述强度峰值比为0.1500。
(样品5)
在样品5的制作方法中,云母加热处理中的加热温度为850(℃),加热时间为5小时。样品5的X射线衍射图案如图11所示。将该样品5的X射线衍射图案与PDF卡进行了对比,其结果是,样品5的X射线衍射图案与样品1~3不同,尽管能够确认到该样品5的X射线衍射图案包括软质云母的米勒指数003的面的强度峰值(参照衍射角度D2),但几乎无法确认其包括镁橄榄石的强度峰值。因而,能够判断该样品5具有软质云母的结晶,但不具有镁橄榄石的结晶。此外,样品5的上述强度峰值比为0.0002。
(样品6)
在样品6的制作方法中,云母加热处理中的加热温度为1300(℃),加热时间为30小时。在该条件下进行云母加热处理的结果是,样品6破损,因此无法进行定性分析、性能评价。
(关于性能评价的方法)
(电压下降)
关于具有各样品1~5的各个燃料电池堆100(也就是5台燃料电池堆100),首先,在850(℃)下向空气极114供给空气作为氧化剂气体OG,向燃料极116供给40%的水蒸气和氢作为燃料气体FG,并且进行了400小时的通电试验。通过该通电试验,燃料电池堆100的温度高于额定发电运转时的温度,因此,能够将燃料电池堆100内设为Si(硅)易于飞散的环境。此外,在该通电试验开始时,测量电流密度为0.55(A/cm2)时的燃料电池堆100的输出电压,将该测量值设为初始电压。然后,在大致700(℃)下向空气极114供给空气作为氧化剂气体OG,向燃料极116供给4%的水蒸气和氢作为燃料气体FG,并且开始额定发电运转,测量电流密度为0.55(A/cm2)时的燃料电池堆100的输出电压(试验后电压),计算出初始电压和试验后电压之差即电压下降(mV)。电压下降越大,意味着发电劣化率越大。试验后电压是在比通电试验时的温度低的情况下的燃料电池堆100的输出电压,从而电压差变得显著,因此,能够更加明确地评价电压下降。并且,关于各样品,在电压下降小于判断电压(例如65(mV))的情况下,标记为“○”,在电压下降为判断电压以上的情况下,标记为“×”。另外,初始电压是指,将燃料电池堆100在能够发电的状态下发货,对从进行了额定发电算起1000小时以内的燃料电池堆100进行测量所得到的电压。
(Si的飞散量)
针对具有进行了上述(电压下降)的性能评价的样品1~5的各个燃料电池堆100,测量了燃料电池堆100的单体电池110的燃料极116的、暴露于燃料气体FG的表面的Si的附着量。通过测量该附着量,从而能够设为各样品1~5中的Si飞散量。Si的飞散量的测量方法如下。准备包括单体电池110的燃料极116中的、暴露于燃料气体FG的表面在内的测量样品。针对该测量用样品,通过二次离子质量分析法(SIMS),来分析在测量用样品的暴露于燃料气体FG的表面上附着的Si的附着量。具体而言,在SIMS的装置中放置测量用样品,针对测量用样品中的暴露于燃料气体FG的表面照射一次离子。由此,二次离子从测量用样品表面飞出,通过对该二次离子进行质量分析,能够测量出Si的附着量。将该Si的附着量直接设为样品1~5的Si飞散量。
(关于性能评价结果)
首先,研究样品1~5的评价结果。如图6所示,在电压下降的评价中,样品1~4的判断结果为“〇”,与此相对,样品5的判断结果为“×”。此外,样品1~4的Si的飞散量为600~690(ppm),与此相对,样品5的Si的飞散量为900(ppm),能够确认的是,与样品5相比,在样品1~4中,抑制了Si的飞散量。此外,如上所述,样品1~4具有软质云母的结晶和镁橄榄石的结晶,与此相对,样品5具有软质云母的结晶但不具有镁橄榄石的结晶。
由以上内容可以推测,抑制Si的飞散量的主要原因在于具有软质云母的结晶和镁橄榄石的结晶的结晶构造。即,样品1~4具有软质云母的结晶和镁橄榄石的结晶,由此,与具有软质云母的结晶但不具有镁橄榄石的结晶的样品5相比,可以说是成为使Si不易飞散的(与Si的结合较强)稳定的结晶构造。飞散后的Si附着于例如构成燃料极116的氧离子传导性物质的表面,有可能导致成为反应场所的三相界面减少,从而导致燃料电池堆100的发电性能发生变化(下降)。但是,可以推测的是,与样品5相比,样品1~4能够抑制Si的飞散量,从而能够抑制燃料电池堆100的电压下降。
此外,由于在样品1~4中具有软质云母的结晶和镁橄榄石的结晶,因此样品1~4的强度峰值比高于样品5的强度峰值比。强度峰值比尤其优选为0.001以上且0.15以下。若强度峰值比为0.001以上,则能够更可靠地抑制Si的飞散。不过,存在强度峰值比越高,密封性等云母本来的特性越下降的担忧。因此,若强度峰值比为0.15以下,则能够抑制云母本来的特性下降。并且,强度峰值比优选为0.003以上,进一步优选为0.025以上。此外,强度峰值比进一步优选为0.029以下。
接着,研究样品1~4的评价结果。根据样品1、3的评价结果,云母加热处理中的加热温度越高,强度峰值比越大,并且电压下降越小。即,云母加热处理中的加热温度越高,越能够使原料构件成为使Si更加不易飞散的稳定的结晶构造。不过,根据样品6的评价结果,可以说,云母加热处理中的加热温度优选为小于1300(℃)。此外,根据样品2、3的评价结果,若云母加热处理中的加热温度相同,则加热时间越长,强度峰值比越大,并且电压下降越小。即,云母加热处理中的加热时间越长,越能够使原料构件成为使Si更加不易飞散的稳定的结晶构造。
A-6.本实施方式的效果:
如上所述,本申请的发明人通过实验等发现,在云母制构件具有在XRD中包括KMg3(Si3Al)O10(OH)2(软质云母)的强度峰值和Mg2SiO4(镁橄榄石)的强度峰值的结晶构造时,与在XRD中只具有KMg3(Si3Al)O10(OH)2的强度峰值的纯软质云母相比,能够抑制Si的飞散。因此,根据本实施方式,间隔物149具有在XRD中包括KMg3(Si3Al)O10(OH)2的强度峰值和Mg2SiO4的强度峰值的结晶构造,因此能够抑制Si的飞散。
此外,Mg2SiO4的(120)面的强度峰值相对于KMg3(Si3Al)O10(OH)2的(003)面的强度峰值的比例为0.001以上,因此能够更加可靠地抑制Si的飞散。此外,由于上述比例为0.029以下,因此,能够抑制密封性等云母本来的特性下降。
并且,若Mg2SiO4的(120)面的强度峰值相对于KMg3(Si3Al)O10(OH)2的(003)面的强度峰值的比例为0.003以上,则能够更加可靠地抑制Si的飞散。此外,若上述比例为0.15以下,则能够更有效地抑制密封性等云母本来的特性下降。
B.变形例:
本说明书公开的技术并不限于上述实施方式,能够在不脱离其主旨的范围内变形为各种方式,例如也能够进行如下的变形。
在上述实施方式中,例示了间隔物149作为云母制构件、构造构件,但并不限定于此,也可以针对由云母形成的空气极侧框130应用本发明。此外,若燃料极侧框140是由云母形成的结构,则也可以针对该燃料极侧框140应用本发明。此外,也可以针对在SOFC以外的部件中使用的云母制构件应用本发明。
此外,在上述实施方式中,优选的是,间隔物149的X射线衍射图案中的上述强度峰值比为0.001以上且0.029以下,但并不限定于此,例如强度峰值比也可以为0.03以上。总之,只要是具有至少在XRD中包括KMg3(Si3Al)O10(OH)2的强度峰值和Mg2SiO4的强度峰值的结晶构造的云母制构件即可。
此外,在上述实施方式中,包含于燃料电池堆100的发电单位102的个数只是一个例子,发电单位102的个数能够根据燃料电池堆100所要求的输出电压等适当决定。
此外,在上述实施方式中,螺母24拧紧于螺栓22的两侧,但也可以设为这样的结构,螺栓22具有头部,螺母24只拧紧于螺栓22的与头部相反的一侧。
此外,在上述实施方式中,端板104、端板106作为输出端子发挥功能,但也可以是分别与端板104、端板106相连接的独立构件(例如分别在端板104和发电单位102之间、在端板106和发电单位102之间配置的导电板)来替代端板104、端板106而作为输出端子发挥功能。
此外,在上述实施方式中,利用各螺栓22的轴部的外周面和各连通孔108的内周面之间的空间作为各歧管,但也可以替代该设计而在各螺栓22的轴部形成轴向上的孔,利用该孔作为各歧管。此外,也可以独立于供各螺栓22插入的各连通孔108地另外设置各歧管。
此外,在上述实施方式中,在两个发电单位102相邻地配置的情况下,一个互连器150被相邻的两个发电单位102共有,但在该情况下,也可以是两个发电单位102具有各自的互连器150。此外,在上述实施方式中,在燃料电池堆100中位于最上方的发电单位102的上侧的互连器150、位于最下方的发电单位102的下侧的互连器150被省略,但也可以设为不省略这些互连器150。
此外,在上述实施方式中,燃料极侧集电体144既可以与空气极侧集电体134是相同的结构,也可以与相邻于燃料极侧集电体144的互连器150是一体构件。此外,也可以是,空气极侧框130不是绝缘体,而燃料极侧框140是绝缘体。此外,空气极侧框130、燃料极侧框140也可以是多层结构。
此外,形成上述实施方式的各构件的材料只是例示,各构件也可以由其他的材料形成。
此外,在上述实施方式中,对城市燃气进行改性而获得了富含氢的燃料气体FG,但既可以从LP气体、灯油、甲醇、汽油等其他的原料获得燃料气体FG,也可以利用纯氢作为燃料气体FG。
此外,在上述实施方式(或变形例,以下相同)中,包含于燃料电池堆100的所有的单体电池110设为满足上述实施例范围的结构,但是,只要包含于燃料电池堆100的至少1个发电单位102成为这样的结构,就能够同时实现单体电池110的发电特性的提高和强度的维持。
此外,在上述实施方式中以利用包含于燃料气体的氢和包含于氧化剂气体的氧之间的电化学反应进行发电的SOFC为对象,但本发明也同样能够应用于利用水的电分解反应来生成氢的固体氧化物形的电解池(SOEC)的最小单位即电解池单位、具有多个电解池单位的电解池堆。另外,电解池堆的结构像例如日本特开2016-81813号所述的那样是众所周知的,因此在此不详细叙述,大致是与上述的实施方式的燃料电池堆100相同的结构。即,将上述的实施方式的燃料电池堆100当作电解池堆、将发电单位102当作电解池单位即可。但是,在电解池堆运转时,空气极114成为正极(阳极)、燃料极116成为负极(阴极),以这样的方式在两电极间施加电压,并且经由连通孔108来供给作为原料气体的水蒸气。由此,在各电解池单位中引起水的电分解反应,在燃料室176产生氢气,经由连通孔108将氢取出到电解池堆的外部。在这样的结构的电解池单位和电解池堆中也与上述实施方式同样地,只要将燃料极116设为上述实施方式的结构,就能够同时实现电解池的电化学反应特性的提高和强度的维持。
附图标记说明
22、螺栓;24、螺母;26、绝缘片;27、气体通路构件;28、主体部;29、分支部;100、燃料电池堆;102、发电单位;104、106、端板;108、连通孔;110、单体电池;112、电解质层;114、空气极;116、燃料极;120、分隔件;121、孔;124、接合部;130、空气极侧框;131、孔;132、氧化剂气体供给连通孔;133、氧化剂气体排出连通孔;134、空气极侧集电体;135、集电体元件;140、燃料极侧框;141、孔;142、燃料气体供给连通孔;143、燃料气体排出连通孔;144、燃料极侧集电体;145、电极相对部;146、互连器相对部;147、连接部;149、间隔物;150、互连器;161、氧化剂气体导入歧管;162、氧化剂气体排出歧管;166、空气室;171、燃料气体导入歧管;172、燃料气体排出歧管;176、燃料室;FG、燃料气体;FOG、燃料废气;OG、氧化剂气体;OOG、氧化剂废气。
Claims (3)
1.一种电化学反应电池堆,其具有在第1方向上排列地配置的多个电化学反应单位,
该电化学反应电池堆的特征在于,
所述多个电化学反应单位的至少1个具有:单体电池,该单体电池包括电解质层、空气极以及燃料极,该空气极和燃料极夹着所述电解质层在所述第1方向上彼此相对;以及构造构件,该构造构件面向空气室或燃料室,所述空气室面向所述空气极,所述燃料室面向所述燃料极,
所述构造构件由云母制构件形成,在所述构造构件配置于所述至少1个的电化学反应单位之前,通过以1000℃以上的温度加热4小时以上,从而所述构造构件具有结晶构造,该结晶构造在X射线结晶构造解析XRD中包括KMg3(Si3Al)O10(OH)2的强度峰值和Mg2SiO4的强度峰值,
所述Mg2SiO4的(120)面的强度峰值相对于所述KMg3(Si3Al)O10(OH)2的(003)面的强度峰值的比例为0.001以上,
所述Mg2SiO4的(120)面的强度峰值相对于所述KMg3(Si3Al)O10(OH)2的(003)面的强度峰值的比例为0.15以下。
2.根据权利要求1所述的电化学反应电池堆,其特征在于,
所述Mg2SiO4的(120)面的强度峰值相对于所述KMg3(Si3Al)O10(OH)2的(003)面的强度峰值的比例为0.003以上。
3.根据权利要求1或2所述的电化学反应电池堆,其特征在于,
所述Mg2SiO4的(120)面的强度峰值相对于所述KMg3(Si3Al)O10(OH)2的(003)面的强度峰值的比例为0.029以下。
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