JP2004063226A - Fuel battery cell, its manufacturing method, and fuel battery - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池セル及びその製法並びに燃料電池に関するものである。
【0002】
【従来技術】
次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セルのセルスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。
【0003】
図4は、従来の固体電解質型燃料電池のセルスタックを示すもので、このセルスタックは、複数の燃料電池セル1(1a、1b)を集合させ、一方の燃料電池セル1aと他方の燃料電池セル1bとの間に金属フェルトからなる集電部材5を介在させ、一方の燃料電池セル1aの燃料側電極7と他方の燃料電池セル1bの酸素側電極11とを電気的に接続して構成されていた。
【0004】
燃料電池セル1(1a、1b)は、円筒状の金属からなる燃料側電極7の外周面に、固体電解質9、導電性セラミックスからなる酸素側電極11を順次設けて構成されており、固体電解質9、酸素側電極11から露出した燃料側電極7には、酸素側電極11に接続しないようにインターコネクタ13が設けられ、燃料側電極11と電気的に接続している。
【0005】
このインターコネクタ13は、燃料側電極7の内部を流れる燃料ガスと、酸素側電極11の外側を流れる酸素含有ガスとを確実に遮断するため、また、燃料ガス及び酸素含有ガスで変質しにくい緻密な導電性セラミックスが用いられている。
【0006】
一方の燃料電池セル1aと他方の燃料電池セル1bとの電気的接続は、一方の燃料電極1aの燃料側電極7を、該燃料側電極7に設けられたインターコネクタ13、集電部材5を介して、他方の燃料電池セル1bの酸素側電極11に接続することにより行われていた。
【0007】
燃料電池は、上記セルスタックを収納容器内に収容して構成され、燃料側電極7内部に燃料(水素)を流し、酸素側電極11に空気(酸素)を流して600〜1000℃で発電される。
【0008】
そして、従来、燃料電池セルは、量産性の点から、燃料側電極7、固体電解質9を同時焼成し、固体電解質9の表面に酸素側電極11を焼き付けて構成されていた。このような燃料電池セルでは、同時焼成時に燃料側電極の構成元素が固体電解質9に拡散することを防止するため、また実質的な電極としての機能を果たすため、燃料側電極7と固体電解質9との間に第1中間層を形成し、酸素側電極11の構成元素の固体電解質9への拡散を防止するため、また実質的な電極としての機能を果たすため、固体電解質9と酸素側電極11との間に第2中間層を形成して構成されていた。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した燃料電池セル1では、中間層形成材料を含有するスラリー中に浸漬したり、スラリーを筆等で塗布したりして(以下総称してスラリーを塗布するという)、中間層を形成していたため、一つの燃料電池セルであっても、部分的に中間層の膜厚の厚い部分や薄い部分が形成されたり、また、燃料電池セル毎に中間層の厚みが異なって厚みバラツキが生じ、これにより、厚みが薄い部分から構成元素が固体電解質に拡散し、固体電解質と中間層との間に絶縁層が形成され、発電量がバラツキ、燃料電池セルの本来の発電量を得ることができないという問題があった。
【0010】
即ち、スラリー塗布法では、中間層の厚みにバラツキが発生し、中間層の厚みが薄い部分が存在する場合には、この部分から燃料側電極、酸素側電極から構成元素が拡散し、固体電解質に拡散して特性が劣化し、燃料電池セルの発電特性が低下するという問題があった。
【0011】
一方、中間層の厚みが厚い部分が存在する場合には、この中間層が抵抗層となり、電極における導電性が低下し、燃料電池セルの発電特性が低下するという問題があった。
【0012】
本発明は、発電特性を向上できる燃料電池セル及びその製法並びに燃料電池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】
本発明の燃料電池セルは、固体電解質の一方側に酸素側電極、他方側に燃料側電極を設けるとともに、前記固体電解質と前記燃料側電極との間、及び前記固体電解質と前記酸素側電極との間に第1、第2中間層をそれぞれ形成してなり、該第1、第2中間層の厚みバラツキがそれぞれ5μm以下であることを特徴とする。
【0014】
このような燃料電池セルでは、固体電解質と燃料側電極との間、及び固体電解質と酸素側電極との間に第1、第2中間層が形成されているため、燃料側電極、酸素側電極の構成元素が固体電解質中に拡散することを抑制でき、固体電解質の特性劣化を防止することができる。
【0015】
また、燃料電池セルにおける中間層の厚みバラツキが5μm以下であるため、中間層の厚みがほぼ一定であり、薄い部分が存在しないので、燃料側電極、酸素側電極の構成元素の固体電解質中への拡散を十分抑制できるとともに、中間層の厚みが極端に厚くなる部分もないため、中間層が抵抗体として機能する部分を無くすことができ、燃料電池セルの発電量を向上できる。
【0016】
また、本発明の燃料電池セルの製法は、固体電解質の一方側に酸素側電極、他方側に燃料側電極を設けるとともに、前記固体電解質と前記燃料側電極との間、及び前記固体電解質と前記酸素側電極との間に第1、第2中間層をそれぞれ形成してなる燃料電池セルの製法であって、シート状第1中間層成形体と、シート状固体電解質成形体と、シート状第2中間層成形体を順次積層してシート状積層体を作製する工程と、該シート状積層体のシート状第1中間層成形体側を燃料側電極成形体表面に、又は前記シート状積層体のシート状第2中間層成形体側を酸素側電極成形体表面に積層して積層成形体を作製する工程と、該積層成形体を焼成する工程とを具備することを特徴とする。
【0017】
この製法では、焼成後、第2中間層又は第1中間層の表面に、酸素側電極材料又は燃料側電極材料を含有する成形体を作製し、熱処理して酸素側電極又は燃料側電極を作製する工程を具備することが望ましい。
【0018】
このような製法では、シート状の成形体を用いて第1、第2中間層を形成するため、第1、第2中間層の厚みを一定の厚みバラツキに容易に制御することができるとともに、第1、第2中間層を形成するためのシート状の成形体を、所定の厚みを有するシート状固体電解質成形体に積層してシート状積層体を作製し、このシート状積層体を、燃料側電極成形体表面又は酸素側電極成形体表面に積層するため、シート状第1中間層成形体とシート状第2中間層成形体の厚みを薄くしても、取り扱いが容易であり、薄いシート状第1中間層成形体、シート状第2中間層成形体を、燃料側電極成形体表面又は酸素側電極成形体表面に容易にかつ確実に積層することができる。
【0019】
また、本発明の燃料電池セルの製法は、固体電解質の一方側に酸素側電極、他方側に燃料側電極を設けるとともに、前記固体電解質と前記燃料側電極との間、及び前記固体電解質と前記酸素側電極との間に第1、第2中間層をそれぞれ形成してなる燃料電池セルの製法であって、シート状第1中間層成形体と、シート状固体電解質成形体と、シート状第2中間層成形体と、シート状酸素側電極成形体とを順次積層してシート状成形体を作製する工程と、該シート状積層体のシート状第1中間層成形体側を燃料側電極成形体表面に積層して積層成形体を作製する工程と、該積層成形体を焼成する工程とを具備することを特徴とする。
【0020】
また、固体電解質の一方側に酸素側電極、他方側に燃料側電極を設けるとともに、前記固体電解質と前記燃料側電極との間、及び前記固体電解質と前記酸素側電極との間に第1、第2中間層をそれぞれ形成してなる燃料電池セルの製法であって、シート状燃料側電極成形体と、シート状第1中間層成形体と、シート状固体電解質成形体と、シート状第2中間層成形体とを順次積層してシート状成形体を作製する工程と、該シート状積層体のシート状第2中間層成形体側を酸素側電極成形体表面に積層して積層成形体を作製する工程と、該積層成形体を焼成する工程とを具備することを特徴とする。
【0021】
このような製法では、第1、第2中間層の厚みを一定の厚みバラツキに容易に制御することができるとともに、シート状第1中間層成形体とシート状第2中間層成形体の厚みを薄くしても、取り扱いが容易であり、薄いシート状第1中間層成形体、シート状第2中間層成形体を、燃料側電極成形体表面又は酸素側電極成形体表面に容易にかつ確実に積層することができ、さらに、この発明では、燃料側電極、第1中間層、固体電解質、第2中間層、酸素側電極を同時焼成により一括して作製することができる。
【0022】
また、本発明の燃料電池セルの製法は、シート状積層体が、熱圧着若しくは冷間静水圧プレスにて作製されることを特徴とする。このような製法を採用することにより、シート状第1中間層成形体、シート状第2中間層成形体と、シート状固体電解質成形体との接合強度を向上でき、焼成後における剥離を抑制できる。
【0023】
また、本発明の燃料電池は、上記した燃料電池セルを複数収納容器内に収納してなるものである。このような燃料電池では、発電量の多い燃料電池セルを用いて構成されるため、発電量を大幅に向上できる。
【0024】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の燃料電池セルの横断面を示すもので、図1の燃料電池セル33は断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状であり、その内部には複数の燃料ガス通路34が形成されている。この燃料電池セル33は、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状の多孔質な金属を主成分とする燃料側電極(内側電極)33aの外面に、緻密質な固体電解質33b、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極(外側電極)33cを順次積層し、酸素側電極33cと反対側の燃料側電極33aの外面にインターコネクタ33dを形成して構成されており、燃料側電極33aが支持体となっている。
【0025】
即ち、燃料電池セル33は、断面形状が、幅方向両端に設けられた弧状部Aと、これらの弧状部Aを連結する一対の平坦部Bとから構成されており、一対の平坦部Bは平坦であり、ほぼ平行に形成されている。これらの一対の平坦部Bは、燃料側電極33aの平坦部にインターコネクタ33d、又は固体電解質33b、酸素側電極33cを形成して構成されている。
【0026】
燃料側電極33aは、Ni、Co、Ti、Ruのうちいずれか一種の金属又は金属酸化物、もしくはこれらの合金又は合金酸化物を主成分とするものであり、これら以外に、外面の固体電解質33bへの接合強度を向上し、固体電解質33bの熱膨張係数に近似させるため、例えば固体電解質材料を含有している。金属又は金属酸化物としては、コストの観点からNi又はNiOが望ましい。
【0027】
この燃料側電極33aの内部には、燃料側電極33aの軸長方向に複数の燃料ガス通路34が形成されている。尚、燃料側電極33aは楕円柱状である必要はなく、円筒状であっても良く、四角筒状であっても良い。
【0028】
この燃料側電極33aの外面に設けられた固体電解質33bは、3〜15モル%のY、希土類元素を含有した部分安定化あるいは安定化ZrO2からなる緻密質なセラミックスが用いられている。この固体電解質33bの厚みは、ガス透過を防止するという点から10〜100μmであることが望ましい。
【0029】
また、酸素側電極33cは、LaFeO3系材料、LaCoO3系材料の少なくとも一種の多孔質の導電性セラミックスから構成されている。酸素側電極33cは、600〜1000℃程度の比較的低温での電気伝導性が高いという点からLaFeO3系材料が望ましい。酸素側電極33cの厚みは、集電性という点から30〜100μmであることが望ましい。
【0030】
燃料側電極33a外面の一部には、その軸長方向に固体電解質33b及び酸素側電極33cが形成されていない部分を有しており、この固体電解質33b及び酸素側電極33cから露出した燃料側電極33aの外面には、導電性セラミックスからなるインターコネクタ33dが形成されている。
【0031】
このインターコネクタ33dの厚みは、緻密性と電気抵抗という点から30〜200μmであることが望ましい。インターコネクタ33dは、LaCrO3系材料の導電性セラミックスから構成されている。インターコネクタ33dは、燃料側電極33aの内外の燃料ガス、酸素含有ガスの漏出を防止するため緻密質とされており、また、インターコネクタ33dは、その内外面が燃料ガス、酸素含有ガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性を有している。
【0032】
このインターコネクタ33dと固体電解質33bとの間には、シール性を向上すべく接合層を介在させても良い。
【0033】
そして、本発明の燃料電池セルは、図2に示すように、固体電解質33bと燃料側電極33aとの間に、燃料側電極33aの構成元素が固体電解質33bに拡散することを防止するための第1中間層33abが形成され、固体電解質33bと酸素側電極33cとの間に、酸素側電極33cの構成元素が固体電解質33bに拡散することを防止するための第2中間層33bcが形成されており、これらの第1、第2中間層33ab、33bcの厚みバラツキはそれぞれ5μm以下とされている。
【0034】
尚、第1中間層33abは、インターコネクタ33dの形成位置を除いて、燃料側電極33aの全面に形成され、第2中間層33bcは、酸素側電極33cが形成された部分のみ形成されている。第1、第2中間層33ab、33bcの厚みバラツキは、図1の下側の平坦部Bにおいて幅方向に所定間隔を置いた3点で測定し、その最大厚みと最小厚みの差とした。
【0035】
第1中間層33abは、例えばYを含有するZrO2と、Ni又はNiOとから構成されており、厚みが10〜50μm、特に10〜30μmとされており、第2中間層33bcは、Sm2O3とCeO2とから構成されており、厚みが1〜20μm、特に1〜10μmとされている。
【0036】
第1、第2中間層33ab、33bcの厚みバラツキを5μm以下としたのは、厚みバラツキが5μmよりも大きいと、第1、第2中間層33ab、33bcの厚みが極端に厚い部分と、極端に薄い部分が形成されることになり、薄い部分では、電極材料の固体電解質33bへの拡散を十分に抑制することができず、一方、厚い部分では、これらの中間層33ab、33bcが抵抗層となり、燃料電池セルの発電量が小さくなるからである。中間層33ab、33bcの厚みバラツキは、特に3μm以下が望ましい。
【0037】
以上のような燃料電池セルの製造方法について説明する。先ず、例えば、NiO粉末と、Yを8モル%含有したZrO2(YSZ)粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合した燃料側電極材料を押出成形して、楕円柱状の燃料側電極成形体を作製し、これを乾燥する。
【0038】
次に、例えば、YSZ粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合した、固体電解質材料を用いてシート状成形体を作製する。
【0039】
また、第1、第2中間層33ab、33bcを形成するシート状成形体を作製する。例えば、Yを含有するZrO2(YSZ)粉末と、Ni又はNiO粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合し、これを用いてシート第1中間層成形体を作製する。また、Sm2O3粉末と、CeO2粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合し、これを用いてシート状第2中間層成形体を作製する。
【0040】
この後、図3に示すように、シート状第1中間層成形体133abと、シート状固体電解質成形体133bと、シート状第2中間層成形体133bcを順次積層し、熱圧着又は冷間静水圧プレスにてシート状積層体135を作製する。この熱圧着又は冷間静水圧プレスにより、シート状第1中間層成形体133ab、シート状固体電解質成形体133b、シート状第2中間層成形体133bcの3層間の接合強度を向上できる。
【0041】
このシート状積層体135のシート状第1中間層成形体133ab側を燃料側電極成形体133a表面に、その両端間が燃料側電極成形体133aの平坦部で所定間隔をおいて離間するように巻き付け、乾燥し、積層成形体を作製する。
【0042】
本発明では、シート状第1中間層成形体133abと、シート状第2中間層成形体133bcを用いて第1、第2中間層33ab、33bcが形成されるため、場所による厚みバラツキを殆どなくすことができる。
【0043】
この後、例えば、LaCrO3系材料と、有機バインダーと、溶媒とを混合した、インターコネクタ材料を用いてシート状成形体を作製し、このシート状成形体を、露出した燃料側電極成形体133aの外面に積層し、燃料側電極成形体133aに、中間層成形体133ab、133bc、シート状固体電解質成形体133b、インターコネクタ33dのシート状成形体が積層された積層成形体を作製する。
【0044】
次に、積層成形体を脱バインダ処理し、酸素含有雰囲気中で1300〜1600℃で同時焼成する。焼成後、例えばLaFeO3系材料からなる酸素側電極材料を含有するスラリーを作製し、これを浸漬塗布法により第2中間層33bcの表面に酸素側電極の成形体を形成する。尚、筆等によりスラリを塗布してもよく、また、スラリーを噴霧装置(スプレードライ)により噴霧し、落下中に乾燥させ、堆積させ、第2中間層の表面に酸素側電極を形成する成形体を作製しても良い。次に、1100〜1300℃の温度で大気中で加熱処理することにより、第2中間層33bcの表面に酸素側電極を作製する。
【0045】
尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記例では、燃料側電極の表面に固体電解質、インターコネクタの成形体が積層された積層成形体を焼成した後、酸素側電極を形成した例について説明したが、例えば、燃料側電極に固体電解質を形成した後、この固体電解質表面に酸素側電極を形成し、その後インターコネクタを形成しても良い。
【0046】
また、上記例では、燃料側電極を支持体としたが、酸素側電極を支持体としても良い。この場合には、シート状第1中間層成形体と、シート状固体電解質成形体と、シート状第2中間層成形体を順次積層してシート状積層体を作製し、このシート状積層体のシート状第2中間層成形体側を支持体となる酸素側電極成形体表面に積層して積層成形体を作製し、これを焼成し、この後、第1中間層上に燃料電極を形成することになる。
【0047】
さらに、上記した例では、第2中間層の表面に酸素側電極を熱処理して形成した例について説明したが、本発明では、シート状第1中間層成形体と、シート状固体電解質成形体と、シート状第2中間層成形体、シート状酸素側電極成形体を順次積層してシート状積層体を作製し、このシート状積層体を支持体となる燃料側電極成形体表面に積層して積層成形体を作製し、これを焼成して燃料電池セルを作製することもできる。この場合には一括焼成により燃料電池セルを作製することができ、工程を削減できる。
【0048】
また、シート状燃料側電極成形体と、シート状第1中間層成形体と、シート状固体電解質成形体と、シート状第2中間層成形体を順次積層してシート状積層体を作製し、このシート状積層体のシート状第2中間層成形体側を支持体となる酸素側電極成形体表面に積層して積層成形体を作製し、これを焼成して燃料電池セルを作製することもできる。この場合にも一括焼成により燃料電池セルを作製することができるため、工程を削減できる。
【0049】
さらに、上記例では、楕円柱型の燃料電池セルについて説明したが、本発明では燃料電池セルの形状は限定されるものではなく、例えば円筒状の燃料電池セルでも良い。さらに、上記例では、インターコネクタが外面に露出した燃料電池セルについて説明したが、インターコネクタを具備しない、即ち、燃料側電極の外面を取り囲むように固体電解質を形成し、この固体電解質の外面を取り囲むようにして酸素側電極を形成した燃料電池セルであっても良い。
【0050】
本発明の燃料電池は、図1、2の燃料電池セルが、収納容器内に収容されて燃料電池が構成されている。
【0051】
【実施例】
先ず、平均粒径0.5μmのNiO粉末と、平均粒径0.5μmのYを8モル%含有したZrO2(YSZ)粉末と、ポアー剤、PVAからなる有機バインダーと、水からなる溶媒とを混合した燃料側電極材料を押出成形して、楕円柱状の燃料側電極成形体を作製し、これを乾燥した。
【0052】
次に、上記YSZ粉末と、アクリル樹脂からなる有機バインダーと、トルエンからなる溶媒とを混合した固体電解質材料を用いて平均厚み45μmのシート状成形体を作製した。
【0053】
また、平均粒径1μmのYSZ粉末と、平均粒径0.5μmのNi粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合し、これを用いて平均厚み15μm、40μmのシート状第1中間層成形体を作製した。さらに、平均粒径1μmのSm2O3粉末と、平均粒径1μmのCeO2粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合し、これを用いて平均厚み10μm、20μmのシート状第2中間層成形体を作製した。
【0054】
この後、シート状第1中間層成形体と、シート状固体電解質成形体と、シート状第2中間層成形体を順次積層し、このシート状積層体を冷間静水圧プレスした。
【0055】
このシート状積層体のシート状第1中間層成形体側を燃料側電極成形体表面に、その両端間が燃料側電極成形体の平坦部で所定間隔をおいて離間するように巻き付け、乾燥した。
【0056】
この後、LaCrO3系材料と、有機バインダーと、溶媒とを混合した、インターコネクタ材料を用いてシート状成形体を作製し、このシート状成形体を、露出した燃料側電極成形体の外面に積層し、燃料側電極成形体に、中間層成形体、固体電解質のシート状成形体、インターコネクタのシート状成形体が積層された積層成形体を作製した。
【0057】
次に、積層成形体を脱バインダ処理し、大気中で1500℃で同時焼成した。焼成後、LaFeO3系材料からなる酸素側電極材料を含有するスラリーを作製し、これを浸漬塗布法により第2中間層の表面に酸素側電極を形成する成形体を作製した。次に、大気中で1150℃で加熱処理することにより、第2中間層の表面に酸素側電極を作製し、図1に示した燃料電池セルを作製した。
【0058】
作製した燃料電池セルの寸法は、弧状部A間の距離で示される幅26mm、平坦部B間で示される厚み3.2mm、長さ185mmであった。また、固体電解質の厚みは30μm、酸素側電極の厚みが50μmであった。
【0059】
これらの燃料電池セルの出力密度を、850℃の温度で0.7Vを印加して測定し、表1に記載した。また、第1、第2中間層の厚みバラツキを、図1での下側の平坦部Bにおいて幅方向に所定間隔を置いた3点で顕微鏡で測定し、その最大厚みと最小厚みの差を算出し、第1、第2中間層の厚みバラツキとしてそれぞれ表1に記載した。厚みの測定個所は、幅方向の中央部と、弧状部A端から5mmの部分を測定した。
【0060】
また、燃料側電極成形体上に、上記したスラリーを厚み15μmとなるようにスクリーン印刷して第1中間層成形体を形成し、この表面に、上記した固体電解質のシート状成形体を積層した後、仮焼し、固体電解質表面に、上記したスラリーを厚み10μmとなるようにスクリーン印刷して第2中間層成形体を形成し、上記したインターコネクタのシート状成形体を積層し、焼成して比較例の燃料電池セルを作製し、燃料電池セルの出力密度と第1、第2中間層の厚みバラツキを上記と同様にして測定し、表1の試料No.3に記載した。
【0061】
【表1】
【0062】
この表1から、本発明の燃料電池セルでは厚みバラツキが5μm以下であり、出力密度が0.4W/cm2以上であるのに対して、比較例の試料No.3では、厚みバラツキが7μm以上であり、出力密度が0.2W/cm2と低かった。
【0063】
比較例の試料No.3において、第1中間層近傍の固体電解質及び第2中間層近傍の固体電解質をEPMA(元素拡散分析)により観測したところ、第1中間層近傍の固体電解質ではY、Niが、第2中間層近傍の固体電解質ではLa、Feがそれぞれに拡散していた。一方、本発明の試料では、第1中間層近傍の固体電解質及び第2中間層近傍の固体電解質には、燃料側電極、酸素側電極材料は拡散していなかった。
【0064】
【発明の効果】
本発明の燃料電池セルでは、第1、第2中間層の厚みバラツキが5μm以下であるため、中間層の厚みがほぼ一定であり、薄い部分が存在しないので、燃料側電極、酸素側電極の構成元素の固体電解質中への拡散を十分抑制できるとともに、中間層の厚みが極端に厚くなる部分もないため、中間層が抵抗体として機能する部分を無くすことができ、燃料電池セルの発電量を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池セルを示す横断面図である。
【図2】図1の一部を拡大して示す横断面図である。
【図3】シート状積層体を燃料側電極成形体表面に巻き付ける状態を示す断面図である。
【図4】インターコネクタが形成された円筒状の燃料電池セルを複数接続した従来のセルスタックを示す横断面図である。
【符号の説明】
33・・・燃料電池セル
33a・・・燃料側電極
33b・・・固体電解質
33c・・・酸素側電極
33ab・・・第1中間層
33bc・・・第2中間層
133a・・・燃料側電極成形体
133b・・・シート状固体電解質成形体
133ab・・・シート状第1中間層成形体
133bc・・・シート状第2中間層成形体
135・・・シート状積層体[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell, a method for producing the same, and a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
In recent years, as a next-generation energy, various fuel cells have been proposed in which a cell stack of fuel cells is housed in a housing.
[0003]
FIG. 4 shows a cell stack of a conventional solid oxide fuel cell. In this cell stack, a plurality of fuel cells 1 (1a, 1b) are assembled, and one fuel cell 1a and the other fuel cell 1a. A current collecting
[0004]
The fuel cell 1 (1a, 1b) is configured by sequentially providing a
[0005]
This
[0006]
The electrical connection between one fuel cell 1a and the other fuel cell 1b is performed by connecting the fuel-
[0007]
The fuel cell is configured by housing the above cell stack in a storage container, and flows fuel (hydrogen) inside the
[0008]
Conventionally, the fuel cell has been configured by simultaneously firing the fuel-
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described fuel cell 1, the intermediate layer is formed by dipping in a slurry containing the intermediate layer forming material or by applying the slurry with a brush or the like (hereinafter collectively referred to as slurry application). Therefore, even with a single fuel cell, a thick part or a thin part of the intermediate layer is partially formed, or the thickness of the intermediate layer differs for each fuel cell, resulting in a thickness variation. As a result, the constituent elements diffuse from the thin portion into the solid electrolyte, an insulating layer is formed between the solid electrolyte and the intermediate layer, the power generation varies, and the original power generation of the fuel cell is obtained. There was a problem that can not be.
[0010]
That is, in the slurry coating method, the thickness of the intermediate layer varies, and when there is a portion where the thickness of the intermediate layer is thin, constituent elements are diffused from this portion from the fuel electrode and the oxygen electrode, and the solid electrolyte is dispersed. And the characteristics are deteriorated, and the power generation characteristics of the fuel cell are degraded.
[0011]
On the other hand, when there is a portion where the thickness of the intermediate layer is large, there is a problem that the intermediate layer becomes a resistance layer, the conductivity of the electrode decreases, and the power generation characteristics of the fuel cell deteriorate.
[0012]
An object of the present invention is to provide a fuel cell, a method for producing the same, and a fuel cell capable of improving power generation characteristics.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The fuel cell of the present invention is provided with an oxygen-side electrode on one side of a solid electrolyte and a fuel-side electrode on the other side, between the solid electrolyte and the fuel-side electrode, and between the solid electrolyte and the oxygen-side electrode. A first and a second intermediate layer are formed between the first and second intermediate layers, respectively, and the first and second intermediate layers each have a thickness variation of 5 μm or less.
[0014]
In such a fuel cell, since the first and second intermediate layers are formed between the solid electrolyte and the fuel-side electrode and between the solid electrolyte and the oxygen-side electrode, the fuel-side electrode and the oxygen-side electrode Can be suppressed from diffusing into the solid electrolyte, and characteristic deterioration of the solid electrolyte can be prevented.
[0015]
In addition, since the thickness variation of the intermediate layer in the fuel cell is 5 μm or less, the thickness of the intermediate layer is almost constant, and there is no thin portion. Diffusion can be sufficiently suppressed, and since there is no portion where the thickness of the intermediate layer is extremely large, a portion where the intermediate layer functions as a resistor can be eliminated, and the power generation amount of the fuel cell unit can be improved.
[0016]
Further, the method of manufacturing a fuel cell according to the present invention includes providing an oxygen-side electrode on one side of the solid electrolyte and a fuel-side electrode on the other side, between the solid electrolyte and the fuel-side electrode, and between the solid electrolyte and the solid electrolyte. A method for producing a fuel cell comprising a first intermediate layer and a second intermediate layer formed between an oxygen-side electrode and a sheet-shaped first intermediate layer molded article, a sheet-shaped solid electrolyte molded article, (2) a step of sequentially laminating the intermediate layer molded bodies to form a sheet-shaped laminated body, and a step of placing the sheet-shaped first intermediate layer molded body side of the sheet-shaped laminated body on the surface of the fuel-side electrode molded body, or It is characterized by comprising a step of laminating the sheet-like second intermediate layer molded body side on the surface of the oxygen-side electrode molded body to produce a laminated molded body, and a step of firing the laminated molded body.
[0017]
In this manufacturing method, after firing, a molded body containing the oxygen-side electrode material or the fuel-side electrode material is produced on the surface of the second intermediate layer or the first intermediate layer, and heat-treated to produce the oxygen-side electrode or the fuel-side electrode. It is desirable to include a step of performing the following.
[0018]
In such a manufacturing method, since the first and second intermediate layers are formed using the sheet-like molded body, the thickness of the first and second intermediate layers can be easily controlled to have a constant thickness variation, and A sheet-like molded body for forming the first and second intermediate layers is laminated on a sheet-like solid electrolyte molded body having a predetermined thickness to produce a sheet-like laminate, and this sheet-like laminate is used as a fuel. Even when the thickness of the sheet-like first intermediate layer molded body and the sheet-like second intermediate layer molded body is reduced, since they are laminated on the surface of the side electrode molded body or the surface of the oxygen-side electrode molded body, handling is easy and the thin sheet is formed. The shaped first intermediate layer molded product and the sheet-shaped second intermediate layer molded product can be easily and reliably laminated on the surface of the fuel-side electrode molded product or the surface of the oxygen-side electrode molded product.
[0019]
Further, the method of manufacturing a fuel cell according to the present invention includes providing an oxygen-side electrode on one side of the solid electrolyte and a fuel-side electrode on the other side, between the solid electrolyte and the fuel-side electrode, and between the solid electrolyte and the solid electrolyte. A method for producing a fuel cell comprising a first intermediate layer and a second intermediate layer formed between an oxygen-side electrode and a sheet-shaped first intermediate layer molded article, a sheet-shaped solid electrolyte molded article, (2) a step of sequentially laminating the intermediate layer molded body and the sheet-shaped oxygen-side electrode molded body to produce a sheet-shaped molded body, and a sheet-shaped first intermediate layer molded body side of the sheet-shaped laminated body being a fuel-side electrode molded body It is characterized by comprising a step of producing a laminated molded body by laminating on a surface, and a step of firing the laminated molded body.
[0020]
Also, an oxygen-side electrode is provided on one side of the solid electrolyte, and a fuel-side electrode is provided on the other side, and between the solid electrolyte and the fuel-side electrode, and between the solid electrolyte and the oxygen-side electrode, A method for producing a fuel cell, comprising forming a second intermediate layer, comprising: a sheet-shaped fuel-side electrode molded body; a sheet-shaped first intermediate layer molded body; a sheet-shaped solid electrolyte molded body; A step of sequentially laminating the intermediate layer molded body to form a sheet-shaped molded body, and laminating a sheet-shaped second intermediate layer molded body side of the sheet-shaped laminated body on the surface of the oxygen-side electrode molded body to produce a laminated molded body And firing the laminated molded body.
[0021]
In such a manufacturing method, the thickness of the first and second intermediate layers can be easily controlled to have a constant thickness variation, and the thickness of the sheet-like first intermediate layer molded article and the sheet-like second intermediate layer molded article can be reduced. Even if it is thin, it is easy to handle, and the thin sheet-like first intermediate layer molded product and the sheet-like second intermediate layer molded product can be easily and reliably applied to the surface of the fuel-side electrode molded product or the surface of the oxygen-side electrode molded product. The fuel-side electrode, the first intermediate layer, the solid electrolyte, the second intermediate layer, and the oxygen-side electrode can be collectively manufactured by simultaneous firing.
[0022]
Further, the method for producing a fuel cell of the present invention is characterized in that the sheet-like laminate is produced by thermocompression bonding or cold isostatic pressing. By employing such a manufacturing method, the bonding strength between the sheet-like first intermediate layer molded body, the sheet-like second intermediate layer molded body, and the sheet-like solid electrolyte molded body can be improved, and peeling after firing can be suppressed. .
[0023]
In addition, the fuel cell of the present invention is one in which the above-described fuel cells are housed in a plurality of storage containers. Since such a fuel cell is configured by using a fuel cell having a large amount of power generation, the amount of power generation can be greatly improved.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows a cross section of a fuel cell unit according to the present invention. The fuel cell unit 33 shown in FIG. 1 has a flat cross section, an elliptical column shape as a whole, and a plurality of fuel gas passages therein. 34 are formed. This fuel cell 33 has a flat
[0025]
That is, the fuel cell 33 has a cross-sectional shape including an arc-shaped portion A provided at both ends in the width direction and a pair of flat portions B connecting these arc-shaped portions A. It is flat and formed substantially parallel. The pair of flat portions B are formed by forming an
[0026]
The fuel-
[0027]
Inside the
[0028]
As the
[0029]
The oxygen-
[0030]
A part of the outer surface of the fuel-
[0031]
The thickness of the
[0032]
A bonding layer may be interposed between the interconnector 33d and the
[0033]
As shown in FIG. 2, the fuel cell of the present invention is provided between the
[0034]
The first intermediate layer 33ab is formed on the entire surface of the fuel-
[0035]
The first intermediate layer 33ab is made of, for example, ZrO 2 containing Y and Ni or NiO, has a thickness of 10 to 50 μm, particularly 10 to 30 μm, and the second intermediate layer 33bc has a thickness of Sm 2. It is composed of O 3 and CeO 2 and has a thickness of 1 to 20 μm, particularly 1 to 10 μm.
[0036]
The reason why the thickness variation of the first and second intermediate layers 33ab and 33bc is set to 5 μm or less is that if the thickness variation is larger than 5 μm, the thickness of the first and second intermediate layers 33ab and 33bc becomes extremely thick, In the thin portion, the diffusion of the electrode material into the
[0037]
A method for manufacturing the above fuel cell will be described. First, for example, a fuel-side electrode material obtained by mixing NiO powder, ZrO 2 (YSZ) powder containing 8 mol% of Y, an organic binder, and a solvent is extruded to form an elliptic column-shaped fuel-side electrode molded body. Is prepared and dried.
[0038]
Next, for example, a sheet-like molded body is produced using a solid electrolyte material obtained by mixing YSZ powder, an organic binder, and a solvent.
[0039]
Further, a sheet-like molded body forming the first and second intermediate layers 33ab and 33bc is produced. For example, a ZrO 2 (YSZ) powder containing Y, Ni or NiO powder, an organic binder, and a solvent are mixed, and the mixture is used to produce a sheet first intermediate layer molded body. Further, Sm 2 O 3 powder, CeO 2 powder, an organic binder, and a solvent are mixed, and the mixture is used to produce a sheet-like second intermediate layer molded body.
[0040]
Thereafter, as shown in FIG. 3, the sheet-like first intermediate layer molded body 133ab, the sheet-like solid electrolyte molded body 133b, and the sheet-like second intermediate layer molded body 133bc are sequentially laminated, and then thermocompression-bonded or cold-statically pressed. The sheet-like laminate 135 is produced by a hydraulic press. By this thermocompression bonding or cold isostatic pressing, the bonding strength between the three layers of the sheet-like first intermediate layer molded body 133ab, the sheet-like solid electrolyte molded body 133b, and the sheet-like second intermediate layer molded body 133bc can be improved.
[0041]
The sheet-like first intermediate layer molded body 133ab side of the sheet-like laminated body 135 is disposed on the surface of the fuel-side electrode molded
[0042]
In the present invention, since the first and second intermediate layers 33ab and 33bc are formed by using the sheet-like first intermediate layer molded body 133ab and the sheet-like second intermediate layer molded body 133bc, thickness variations due to locations are almost eliminated. be able to.
[0043]
Thereafter, for example, a sheet-like molded body is manufactured using an interconnector material obtained by mixing a LaCrO 3 -based material, an organic binder, and a solvent, and the sheet-like molded body is removed from the exposed fuel-side electrode molded
[0044]
Next, the laminated molded body is subjected to a binder removal treatment and simultaneously fired at 1300 to 1600 ° C. in an oxygen-containing atmosphere. After firing, a slurry containing an oxygen-side electrode material made of, for example, a LaFeO 3 -based material is prepared, and a slurry of the oxygen-side electrode is formed on the surface of the second intermediate layer 33bc by dip coating. The slurry may be applied with a brush or the like, or the slurry may be sprayed by a spray device (spray dry), dried and deposited while falling, and formed to form an oxygen-side electrode on the surface of the second intermediate layer. A body may be made. Next, an oxygen-side electrode is formed on the surface of the second intermediate layer 33bc by performing a heat treatment in the air at a temperature of 1100 to 1300 ° C.
[0045]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various changes can be made without changing the gist of the present invention. For example, in the above-described example, the solid electrolyte on the surface of the fuel-side electrode, an example in which the oxygen-side electrode was formed after firing a laminated molded body in which the molded body of the interconnector was laminated was described. After forming the solid electrolyte, an oxygen-side electrode may be formed on the surface of the solid electrolyte, and then an interconnector may be formed.
[0046]
In the above example, the fuel-side electrode is used as the support, but the oxygen-side electrode may be used as the support. In this case, the sheet-like first intermediate layer molded body, the sheet-like solid electrolyte molded body, and the sheet-like second intermediate layer molded body are sequentially laminated to produce a sheet-like laminate. Laminating the sheet-like second intermediate layer molded body side on the surface of the oxygen-side electrode molded body serving as a support to produce a laminated molded body, firing it, and then forming a fuel electrode on the first intermediate layer become.
[0047]
Furthermore, in the above-described example, the example in which the oxygen-side electrode was formed by heat treatment on the surface of the second intermediate layer was described. However, in the present invention, the sheet-like first intermediate layer molded body, the sheet-like solid electrolyte molded body, The sheet-like second intermediate layer molded product and the sheet-like oxygen-side electrode molded product are sequentially laminated to produce a sheet-like laminate, and the sheet-like laminate is laminated on the surface of the fuel-side electrode molded product serving as a support. A fuel cell can also be manufactured by producing a laminated molded body and firing it. In this case, the fuel cells can be manufactured by batch firing, and the number of steps can be reduced.
[0048]
Further, a sheet-like fuel-side electrode molded body, a sheet-like first intermediate layer molded body, a sheet-like solid electrolyte molded body, and a sheet-like second intermediate layer molded body are sequentially laminated to produce a sheet-like laminate. The sheet-like second intermediate layer molded body side of the sheet-like laminate is laminated on the surface of the oxygen-side electrode molded body serving as a support to produce a laminated molded body, which is then fired to produce a fuel cell. . Also in this case, the fuel cells can be manufactured by batch firing, so that the number of steps can be reduced.
[0049]
Further, in the above-described example, the elliptic column fuel cell is described. However, in the present invention, the shape of the fuel cell is not limited, and may be, for example, a cylindrical fuel cell. Further, in the above example, the fuel cell in which the interconnector is exposed on the outer surface has been described, but the interconnector is not provided, that is, a solid electrolyte is formed so as to surround the outer surface of the fuel electrode, and the outer surface of the solid electrolyte is formed. A fuel cell in which an oxygen-side electrode is formed so as to surround it may be used.
[0050]
In the fuel cell of the present invention, the fuel cell of FIGS. 1 and 2 is housed in a housing container to constitute a fuel cell.
[0051]
【Example】
First, a NiO powder having an average particle diameter of 0.5 μm, a ZrO 2 (YSZ) powder containing 8 mol% of Y having an average particle diameter of 0.5 μm, an organic binder including a pore agent and PVA, and a solvent including water The mixture was extruded to produce a fuel-side electrode molded article having an elliptical column shape, and this was dried.
[0052]
Next, a sheet-like molded body having an average thickness of 45 μm was prepared using a solid electrolyte material obtained by mixing the YSZ powder, an organic binder composed of an acrylic resin, and a solvent composed of toluene.
[0053]
Further, a YSZ powder having an average particle size of 1 μm, a Ni powder having an average particle size of 0.5 μm, an organic binder, and a solvent are mixed, and the mixture is used to form a sheet-like first intermediate layer molded product having an average thickness of 15 μm and 40 μm. Was prepared. Further, a Sm 2 O 3 powder having an average particle diameter of 1 μm, a CeO 2 powder having an average particle diameter of 1 μm, an organic binder, and a solvent are mixed, and the mixture is used to form a sheet-like second intermediate layer having an average thickness of 10 μm and 20 μm. A molded body was produced.
[0054]
Thereafter, the sheet-like first intermediate layer molded body, the sheet-like solid electrolyte molded body, and the sheet-like second intermediate layer molded body were sequentially laminated, and the sheet-like laminated body was subjected to cold isostatic pressing.
[0055]
The sheet-like first intermediate layer molded body side of this sheet-like laminate was wound around the surface of the fuel-side electrode molded body so that both ends of the sheet-like laminated body were spaced apart from each other at a predetermined interval at a flat portion of the fuel-side electrode molded body, and dried.
[0056]
Thereafter, a sheet-like molded body is prepared using an interconnector material obtained by mixing a LaCrO 3 -based material, an organic binder, and a solvent, and the sheet-like molded body is attached to the outer surface of the exposed fuel-side electrode molded body. The laminated body was formed by laminating the intermediate-layer molded body, the solid electrolyte sheet-shaped molded body, and the interconnector sheet-shaped molded body on the fuel-side electrode molded body.
[0057]
Next, the laminated molded body was subjected to a binder removal treatment, and was simultaneously fired at 1500 ° C. in the air. After firing, a slurry containing an oxygen-side electrode material made of a LaFeO 3 -based material was prepared, and a slurry was formed by dip coating to form a molded body on which the oxygen-side electrode was formed on the surface of the second intermediate layer. Next, by performing a heat treatment at 1150 ° C. in the air, an oxygen-side electrode was formed on the surface of the second intermediate layer, and the fuel cell shown in FIG. 1 was formed.
[0058]
The dimensions of the produced fuel cell were 26 mm in width indicated by the distance between the arcuate portions A, 3.2 mm in thickness indicated by the distance between the flat portions B, and 185 mm in length. The thickness of the solid electrolyte was 30 μm, and the thickness of the oxygen-side electrode was 50 μm.
[0059]
The output densities of these fuel cells were measured at a temperature of 850 ° C. by applying 0.7 V, and are shown in Table 1. In addition, thickness variations of the first and second intermediate layers are measured with a microscope at three points at predetermined intervals in the width direction in the lower flat portion B in FIG. 1, and the difference between the maximum thickness and the minimum thickness is measured. The calculated values are shown in Table 1 as thickness variations of the first and second intermediate layers. The thickness was measured at the center in the width direction and at a
[0060]
Further, the slurry was screen-printed to a thickness of 15 μm on the fuel-side electrode molded body to form a first intermediate layer molded body, and the solid electrolyte sheet-shaped molded body was laminated on this surface. After that, it is calcined, and the above-mentioned slurry is screen-printed on the surface of the solid electrolyte so as to have a thickness of 10 μm to form a second intermediate layer molded body, and the above-mentioned interconnector sheet-shaped molded body is laminated and fired. The fuel cell of the comparative example was manufactured in the same manner as above, and the output density of the fuel cell and the thickness variation of the first and second intermediate layers were measured in the same manner as described above. No. 3.
[0061]
[Table 1]
[0062]
From Table 1, it can be seen that the fuel cell of the present invention has a thickness variation of 5 μm or less and an output density of 0.4 W / cm 2 or more. In No. 3, the thickness variation was 7 μm or more, and the output density was as low as 0.2 W / cm 2 .
[0063]
Sample No. of Comparative Example 3, the solid electrolyte in the vicinity of the first intermediate layer and the solid electrolyte in the vicinity of the second intermediate layer were observed by EPMA (element diffusion analysis). In the nearby solid electrolyte, La and Fe were diffused respectively. On the other hand, in the sample of the present invention, the fuel electrode and the oxygen electrode material were not diffused into the solid electrolyte near the first intermediate layer and the solid electrolyte near the second intermediate layer.
[0064]
【The invention's effect】
In the fuel cell of the present invention, since the thickness variation of the first and second intermediate layers is 5 μm or less, the thickness of the intermediate layer is substantially constant, and there is no thin portion. The diffusion of the constituent elements into the solid electrolyte can be sufficiently suppressed, and there is no part where the thickness of the intermediate layer is extremely large. Can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a fuel cell unit of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a part of FIG. 1;
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state in which a sheet-like laminate is wound around the surface of a fuel-side electrode molded body.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a conventional cell stack in which a plurality of cylindrical fuel cells having interconnectors are connected.
[Explanation of symbols]
33 ...
Claims (7)
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