JP2008084721A - Solid oxide fuel cell and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell and a method for producing the same.
燃料電池とは外部からの燃料供給と燃焼生成物の排気とを連続的に行いながら、燃料が酸化する際に発生する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換できる電池である。燃料電池の種類は電解質により分類され、電解質にイオン伝導性を持つ固体酸化物を用いたものを固体酸化物形燃料電池と呼んでいる。この固体酸化物形燃料電池としては、種々のものが提案されているが、例えば特許文献1には、その強度や耐熱衝撃性を向上させるため、支持体で燃料極(アノード)、電解質、空気極(カソード)からなる単セルを支持する単室型の燃料電池が開示されている。
上記燃料電池では、ガス透過性の観点から支持体を多孔質とし、この支持体の気孔を介して支持体上に形成された燃料極に混合ガスを供給している。しかし、このような多孔質の支持体では、その支持体上へ燃料極を印刷等により形成する際に燃料極が支持体の気孔内へしみ込んでしまい、燃料極を均一な膜厚で成膜することが困難となる。このため、燃料極上面に凹凸が発生し、その上面に形成される電解質の形成も困難となる。その結果、量産時に電池性能の安定性や再現性が乏しくなり、ひいては歩留まりが低下する。 In the fuel cell described above, the support is porous from the viewpoint of gas permeability, and the mixed gas is supplied to the fuel electrode formed on the support through the pores of the support. However, in such a porous support, when the fuel electrode is formed on the support by printing or the like, the fuel electrode penetrates into the pores of the support, and the fuel electrode is formed with a uniform film thickness. Difficult to do. For this reason, irregularities occur on the upper surface of the fuel electrode, and it becomes difficult to form an electrolyte formed on the upper surface. As a result, the stability and reproducibility of the battery performance during mass production becomes poor, and as a result, the yield decreases.
そこで、本発明は、強度や耐熱衝撃性を向上させつつ、歩留まりを向上させることができる固体酸化物形燃料電池及びその製造方法を提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide the solid oxide fuel cell which can improve a yield, improving the intensity | strength and thermal shock resistance, and its manufacturing method.
本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、上記課題を解決するためになされたものであり、多孔質の基板と、前記基板の一方面側に開口した気孔内に充填された水素透過性材料からなる充填部材と、前記基板の一方面側に形成された燃料極と、前記燃料極上に形成された電解質と、前記電解質上に形成された空気極と、を備え、前記基板の一方面と前記充填部材とで平滑面が形成され、前記基板の少なくとも一部は、前記平滑面を介して前記燃料極と接着している。 The solid oxide fuel cell according to the present invention has been made to solve the above problems, and is a porous substrate and a hydrogen-permeable material filled in pores opened on one side of the substrate. A filling member comprising: a fuel electrode formed on one surface of the substrate; an electrolyte formed on the fuel electrode; and an air electrode formed on the electrolyte; and one surface of the substrate A smooth surface is formed with the filling member, and at least a part of the substrate is bonded to the fuel electrode through the smooth surface.
この構成によれば、多孔質の基板の一方面側に開口した気孔内に充填部材が充填されて、基板の一方面と充填部材とで平滑面が形成されているため、基板の一方面上に形成する燃料極が基板の気孔内にしみ込む等といった問題が発生せず、燃料極を均一な膜厚に形成することができる。このため、その燃料極上に形成される電解質を容易に形成することが可能となり、歩留まりを向上させることができる。ところで、水素透過性材料は水素の吸蔵放出により水素脆化し、その結果破壊されることがある。しかし上記構成によれば、充填部材は、基板と燃料極との間に層として介在しているのではなく、基板の気孔内に充填されている。このため、燃料極は、平滑面における基板と直接接着している。すなわち、基板の一方面において充填部材の充填されていない部分は、燃料極と直接接着している。したがって、仮に水素透過性材料が水素脆化して破壊されても、基板と燃料極とが剥離されることを防止することができる。 According to this configuration, the filling member is filled in the pores opened on the one surface side of the porous substrate, and the smooth surface is formed by the one surface of the substrate and the filling member. Therefore, the fuel electrode can be formed in a uniform film thickness without causing a problem that the fuel electrode is formed in the pores of the substrate. For this reason, the electrolyte formed on the fuel electrode can be easily formed, and the yield can be improved. By the way, the hydrogen permeable material may become hydrogen embrittled due to occlusion and release of hydrogen, and as a result may be destroyed. However, according to the above configuration, the filling member is not interposed as a layer between the substrate and the fuel electrode, but is filled in the pores of the substrate. For this reason, the fuel electrode is directly bonded to the substrate on the smooth surface. That is, the portion of the substrate that is not filled with the filling member is directly bonded to the fuel electrode. Therefore, even if the hydrogen permeable material is hydrogen embrittled and destroyed, it is possible to prevent the substrate and the fuel electrode from being separated.
上記基板の気孔率は20〜60%とすることが好ましい。このように、気孔率を20%以上とすることで、ガス透過性を確保することができる一方、気孔率を60%以下とすることで、基板と燃料極との接着面積を確保し、基板と燃料極との剥離をより確実に防止することができる。 The porosity of the substrate is preferably 20 to 60%. As described above, by setting the porosity to 20% or more, gas permeability can be secured, while by setting the porosity to 60% or less, a bonding area between the substrate and the fuel electrode is secured, and the substrate And the fuel electrode can be prevented more reliably.
また、上記充填部材として種々の材料を用いることができるが、パラジウム、バナジウム、ニオブ、タンタルからなる群から選択された少なくとも一つから構成されていることが好ましい。 Various materials can be used as the filling member, and it is preferable that the filling member is made of at least one selected from the group consisting of palladium, vanadium, niobium, and tantalum.
また、燃料極を均一な膜厚で成膜するため、上記平滑面の表面粗さRaは5μm以内であることが好ましい。 In order to form the fuel electrode with a uniform film thickness, the surface roughness Ra of the smooth surface is preferably within 5 μm.
また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の製造方法は、上記課題を解決するためになされたものであり、多孔質の基板を準備する工程と、前記基板の一方面側に開口した気孔内に、水素透過性材料からなる充填部材を充填する工程と、前記基板の少なくとも一部が露出するよう、前記充填部材を研磨する工程と、前記研磨工程後の基板の一方面上に燃料極を形成する工程と、前記燃料極上に電解質を形成する工程と、前記電解質上に空気極を形成する工程と、を備えている。 In addition, a method for producing a solid oxide fuel cell according to the present invention is made to solve the above-described problems, and includes a step of preparing a porous substrate and pores opened on one side of the substrate. A filling member made of a hydrogen permeable material, a step of polishing the filling member so that at least a part of the substrate is exposed, and a fuel electrode on one surface of the substrate after the polishing step. , A step of forming an electrolyte on the fuel electrode, and a step of forming an air electrode on the electrolyte.
この製造方法によれば、まず、基板の気孔内を埋めるように充填部材を形成し、その後に気孔内から出ている充填部材を研磨するため、気孔内に充填された充填部材以外の水素透過性材料を取り除いて、充填部材を基板の気孔内のみに確実に充填させることができ、容易に平滑面を形成することを可能とする。 According to this manufacturing method, first, the filling member is formed so as to fill the pores of the substrate, and then the filling member coming out of the pores is polished, so that hydrogen permeation other than the filling member filled in the pores is performed. By removing the conductive material, the filling member can be reliably filled only into the pores of the substrate, and a smooth surface can be easily formed.
本発明によれば、強度や耐熱衝撃性を向上させつつ、歩留まりを向上させることができる固体酸化物形燃料電池及びその製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the solid oxide fuel cell which can improve a yield, improving a intensity | strength and a thermal shock resistance, and its manufacturing method can be provided.
以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池及びその製造方法の実施形態を添付図面に従って説明する。図1は本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の正面断面図、図2は図1のA―A線断面図であり本実施形態に係る基板の平面図である。なお、説明の簡便化のため、各図面中の各構成の大きさや形状の比例関係等は実物と異なっている。 Embodiments of a solid oxide fuel cell and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a front sectional view of a solid oxide fuel cell according to the present embodiment, and FIG. 2 is a sectional view taken along line AA of FIG. 1, and is a plan view of a substrate according to the present embodiment. For simplification of description, the proportionality of the size and shape of each component in each drawing is different from the actual product.
図1及び図2に示すように、固体酸化物形燃料電池1は、平面視矩形状の多孔質からなる基板2を備え、その上面(一方面)21に薄膜状の燃料極3,電解質4及び空気極5がこの順で形成されている。燃料極3及び電解質4は基板2とほぼ同じ形状で薄膜状に形成されており、空気極5は電解質4上にやや小さく平面視矩形状で薄膜状に形成されている。また、基板2は多孔質であるために複数の気孔を有しており、ガス透過性の観点及び基板2と燃料極3との剥離防止の観点からその気孔率を20〜60%とするのが好ましい。この基板2の気孔の内、上面21側に開口した気孔22内には水素透過性の材料からなる充填部材6が充填されており、基板2の上面21と充填部材6とで平滑面8を形成している。また、燃料極3は、気孔22内に充填された充填部材6と、基板2の上面21において充填部材6が充填されていない部分と接着するようにして、基板2の上面21に形成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the solid oxide fuel cell 1 includes a
次に、上記燃料電池1を構成する材料について説明する。 Next, materials constituting the fuel cell 1 will be described.
充填部材6は、水素透過性を有する材料を用いることができ、具体的には、パラジウムやバナジウム、ニオブ、タンタルなど用いることができる。
For the
基板2は、例えば、耐熱性の観点から、Pt,Au,Ag,Ni,Cu,SUS等の導電性金属、或いは金属系材料,又はLa(Cr,Mg)O3,(La,Ca)CrO3,(La,Sr)CrO3などのランタン・クロマイト系等の導電性セラミックス材料によって形成することができ、これらのうちの1種を単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。基板2の厚さは、その強度等の観点から基板2の厚さは、その強度等の観点から200〜3000μmとすることが好ましく、500〜1000μmとすることがさらに好ましい。
The
燃料極3は、例えば、金属触媒と酸化物イオン導電体からなるセラミックス粉末材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる金属触媒としては、ニッケル、鉄、コバルトや、貴金属(白金、ルテニウム、パラジウム等)等の還元性雰囲気中で安定で、水素酸化活性を有する材料を用いることができる。また、酸化物イオン導電体としては、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型構造を有するものとしては、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などを挙げることができる。また、ペロブスカイト型構造を有するものとしてはストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物を挙げることができる。上記材料の中では、酸化物イオン導電体とニッケルとの混合物で、燃料極3を形成することが好ましい。なお、酸化物イオン導電体からなるセラミックス材料とニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、ニッケルへの粉末修飾などの形態であってもよい。また、上述したセラミックス材料は、1種類を単独で、或いは2種類以上を混合して使用することができる。また、燃料極3は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。
As the
電解質4の材料としては、固体酸化物形燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。
As the material of the
空気極5を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型構造等を有するCo,Fe,Ni,Cr又はMn等からなる金属酸化物を用いることができる。具体的には(Sm,Sr)CoO3,(La,Sr)MnO3,(La,Sr)CoO3,(La,Sr)(Fe,Co)O3,(La,Sr)(Fe,Co,Ni)O3などの酸化物が挙げられ、好ましくは、(La,Sr)MnO3である。上述したセラミックス材料は、1種を単独で、或いは2種以上を混合して使用することができる。
As the ceramic powder material forming the
燃料極3、電解質4及び空気極5を、セラミックス粉末材料から形成する場合、用いられる粉末の平均粒径は、好ましくは10nm〜100μmであり、さらに好ましくは50nm〜50μmであり、特に好ましくは100nm〜10μmである。なお、平均粒径は、例えば、JISZ8901にしたがって計測することができる。
When the
上記燃料極3、及び空気極5は、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより形成される。より詳細には、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が50〜95重量%となるように、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。また、電解質4も、上記燃料極3及び空気極5と同様に、上述した材料を主成分として、バインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより成型されるが、上記主成分とバインダーとの混合において、上記主成分の割合が80重量%以上となるように混合されることが好ましい。そして、燃料極3及び空気極5の膜厚は、焼結後に5〜100μmとなるように形成することが好ましく、10〜30μmとすることがさらに好ましい。また、電解質4の膜厚は、1〜100μmであることが好ましく、10〜50μmであることがさらに好ましい。
The
次に、上述した燃料電池1の製造方法について図3を参照しつつ説明する。図3は、燃料電池1の製造方法を示す説明図である。 Next, a method for manufacturing the above-described fuel cell 1 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an explanatory view showing a method for manufacturing the fuel cell 1.
まず、上述した材料からなる多孔質基板2を準備する(図3(a))。
First, the
この基板2の上面21に充填部材6を形成する。より詳細には、スパッタ法やスクリーン印刷、ディップコート等により水素透過性材料を気孔22内に充填させて、気孔22内に充填部材6を形成する。このように充填部材6を形成するとき、気孔22の容積は実際には非常に小さいものであるので、充填部材6は、気孔22内を一瞬で満たした後に気孔22内から溢れ出て、基板2の上面21上に層となって形成される(図3(b))。
The filling
次に、砥石研磨やバフ研磨等の公知の研磨工程によって、基板2の上面21上に層となって形成されている充填部材6を基板2の上面21の一部が露出するまで研磨し、基板2の上面21と、気孔22内に充填された充填部材6とで平滑面8を形成する(図3(c))。この平滑面8の表面粗さRaは5μm以内であることが好ましい。
Next, the filling
このように形成された平滑面8上に燃料極ペ−ストをスクリーン印刷により塗布した後、所定の時間及び温度で乾燥・焼結することにより燃料極3を形成する(図3(d))。
After the fuel electrode paste is applied by screen printing on the
そして、燃料極3上に電解質ペーストをスクリーン印刷法によって塗布し、所定時間及び温度で乾燥・焼結することにより電解質4を形成する(図3(e))。なお、電解質4は、種々の方法で形成することができるが、燃料極3および空気極5を多孔体として形成するには、これらよりも低温で焼結することが好ましく、例えば真空法、溶射法等による低温焼成手法で形成することができる。
Then, an electrolyte paste is applied onto the
続いて、電解質4上に、空気極ペーストをスクリーン印刷法によって塗布し、所定時間及び温度で乾燥・焼結することにより空気極5を形成する。以上の工程により、固体酸化物形燃料電池1が形成される(図3(f))。
Subsequently, an air electrode paste is applied on the
次に、上記のように構成された燃料電池1の発電動作について図4を参照しつつ説明する。 Next, the power generation operation of the fuel cell 1 configured as described above will be described with reference to FIG.
まず、隔壁7を設けるなど公知の方法で、燃料極3と空気極5とを隔壁6及び電解質4によって上下に隔離する。このように固体酸化物形燃料電池1を二室型として構成し、水素、又はメタン、エタンなどの炭化水素からなる燃料ガスを燃料極3側に、空気などの酸化剤ガスを空気極5側に、それぞれ高温の状態(例えば400〜1000℃)で供給する。空気極5側に供給された酸化剤ガスは空気極5に直接供給される。また、燃料極3側に供給された燃料ガスは、基板2内を透過して上面21まで進む。基板2の上面21における気孔22内は充填部材6によって埋められているが、充填部材6は水素透過性材料から構成されているため、燃料ガス中の水素が充填部材6を透過して燃料極3に供給される。このように燃料極3に燃料ガスを空気極5に酸化剤ガスを供給すると、燃料極3と空気極5との間で電解質4を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。
First, the
以上のように、本実施形態によれば、多孔質の基板2の上面21側に開口した気孔22内に充填部材6が充填されて、基板2の上面21と充填部材6とで平滑面8が形成されているため、基板2の上面21上に形成する燃料極3が基板2の気孔22内にしみ込む等といった問題が発生せず、燃料極3を均一な膜厚に形成することができる。このため、その燃料極3上に形成される電解質4を容易に形成することが可能となり、歩留まりを向上させることができる。また、充填部材6は、基板2と燃料極3との間に層として介在しているのではなく、基板2の気孔22内のみに充填されているので、燃料極3は、基板2の上面21において充填部材6が充填されていない部分と直接接着している。このため、仮に水素透過性材料である充填部材6が水素脆化して破壊されても、基板2と燃料極3とが剥離されることを防止することができる。
As described above, according to the present embodiment, the filling
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these, A various change is possible unless it deviates from the meaning of this invention.
例えば、上記実施形態では、二室型の燃料電池としているが、単室型の固体酸化物形燃料電池1として使用することができる。この場合は上記実施形態のように隔壁7等で燃料極3と空気極5とを隔離する必要が無く、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを燃料電池1に供給することができる。
For example, in the above embodiment, a two-chamber fuel cell is used, but the single-chamber solid oxide fuel cell 1 can be used. In this case, it is not necessary to separate the
また、上記実施形態では、各ペーストの塗布にスクリーン印刷法を用いているが、これに限定されるものではなく、ドクターブレード法、スプレーコート法、スピンコート法、電気泳動法、CVD,EVD,スパッタリング法、転写法等の印刷方法等、その他一般的な印刷法を用いることができる。また、印刷後の後工程として、CIP(静水圧プレス)、HIP(熱間静水圧プレス)、ホットプレス、その他の一般的なプレス工程を用いることができる。 Moreover, in the said embodiment, although the screen printing method is used for application | coating of each paste, it is not limited to this, A doctor blade method, a spray coat method, a spin coat method, an electrophoresis method, CVD, EVD, Other general printing methods such as a sputtering method and a printing method such as a transfer method can be used. Moreover, as a post-process after printing, CIP (hydrostatic pressure press), HIP (hot isostatic press), hot press, and other general press processes can be used.
1 固体酸化物形燃料電池
2 基板
21 上面(一方面)
22気孔
3 燃料極
4 電解質
5 空気極
6 充填部材
8 平滑面
1 Solid
22
Claims (5)
前記基板の一方面側に開口した気孔内に充填された水素透過性材料からなる充填部材と、
前記基板の一方面側に形成された燃料極と、
前記燃料極上に形成された電解質と、
前記電解質上に形成された空気極と、を備え、
前記基板の一方面と前記充填部材とで平滑面が形成され、
前記基板の少なくとも一部は、前記平滑面を介して前記燃料極と接着している、固体酸化物形燃料電池。 A porous substrate;
A filling member made of a hydrogen permeable material filled in pores opened on one side of the substrate;
A fuel electrode formed on one side of the substrate;
An electrolyte formed on the fuel electrode;
An air electrode formed on the electrolyte,
A smooth surface is formed by the one surface of the substrate and the filling member,
A solid oxide fuel cell, wherein at least a part of the substrate is bonded to the fuel electrode through the smooth surface.
前記基板の一方面側に開口した気孔内に、水素透過性材料からなる充填部材を充填する工程と、
前記基板の少なくとも一部が露出するよう、前記充填部材を研磨する工程と、
前記研磨工程後の基板の一方面上に燃料極を形成する工程と、
前記燃料極上に電解質を形成する工程と、
前記電解質上に空気極を形成する工程と、
を備えた、固体酸化物形燃料電池の製造方法。 Preparing a porous substrate; and
Filling the pores opened on one side of the substrate with a filling member made of a hydrogen permeable material;
Polishing the filling member such that at least a portion of the substrate is exposed;
Forming a fuel electrode on one surface of the substrate after the polishing step;
Forming an electrolyte on the fuel electrode;
Forming an air electrode on the electrolyte;
A method for producing a solid oxide fuel cell.
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