JP2011228280A - 固体酸化物形燃料電池及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、ガス透過可能な金属で形成された支持基板1と、支持基板上に配置され、多孔質の金属で形成された中間部材2と、中間部材上に配置される燃料極3と、燃料極上に配置される電解質4と、電解質上に配置される空気極5と、を備え、燃料極、電解質、及び空気極の総厚が、100μm以下であり、また、電解質の膜厚よりも燃料極及び空気極の厚さが大きい。
【選択図】図1
Description
そこで、本発明は、ガス拡散性を向上させ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目的とする。
続いて、燃料極3及び空気極5について説明する。燃料極3及び空気極5は、セラミックス粉末材料により形成することができる。このとき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。
(実施例1)
実施例1として、図1に示すような固体酸化物形燃料電池を作製した。以下、その手順を示す。まず、燃料極用の材料としてNiO粉末(平均粒径1μm)と、GDC(Gd0.1Ce0.90x)粉末(平均粒径1μm)とを、重量比で7:3となるように混合し、混合物を作製した。その後、この混合物にセルロース系バインダー樹脂を添加して、上記混合物の割合が80重量%となるように燃料極ペーストを作製した。つまり、上記混合物と、バインダー樹脂との重量比が80:20となるようにした。燃料極ペーストの粘度はスクリーン印刷に適した5×105mPa・sとした。
1μm)を使用し、PLD法に用いるためのターゲットとしてLSGMペレットを作製し
た。
とした。
基板−ターゲット距離50mmの条件で燃料極上に形成した。なお、電解質は直径12mmの円形であり、膜厚は5μmである。これに続いて、電解質の上面に燃料極と同様の塗布面積(直径11mmの円形)で上述した空気極ペーストをスクリーン印刷法により塗布し厚み20μmとなるように印刷した。そして、130℃で15分間乾燥し、1000℃で1時間焼結することで空気極を形成した。こうして、実施例1に係る燃料電池を作製した。
実施例1との相違点として、まず、気孔率が30%である中間部材を使用した。中間部材は、気孔率のみが実施例1と相違し、その他の材料、気孔径などは同じである。これを実施例1と同様の方法で支持基板と拡散接合した。その後、実施例1と同様の方法で燃料極、電解質、空気極を形成することで実施例2に係る燃料電池を作製した。
実施例1との相違点として、まず、気孔率が80%である中間部材を使用した。中間部材は、気孔率のみが実施例1と相違し、その他の材料、気孔径などは同じである。これを実施例1と同様の方法で支持基板と拡散接合した。その後、実施例1と同様の方法で燃料極、電解質、空気極を形成することで実施例3に係る燃料電池を作製した。
実施例1との相違点として、燃料極の膜厚が異なるセルを作製した。具体的には、燃料極の厚みが、10μm(実施例4)、40μm(実施例5)、60μm(実施例6)となるように上述したスクリーン印刷法により作製した。その後、実施例1と同様の方法で、電解質、空気極を形成することで実施例4〜6に係る燃料電池を作製した。
(実施例7〜9)
実施例1との相違点として、空気極の膜厚が異なるセルを作製した。実施例1と同様の方法で、燃料極、電解質を形成し、その後、空気極の厚みが、10μm(実施例7)、40μm(実施例8)、60μm(実施例9)となるように上述したスクリーン印刷法により形成することで実施例7〜9に係る燃料電池を作製した。
(実施例10)
実施例1との相違点として、Ni−Fe(質量比9:1)である中間部材を使用した。なお、中間部材の厚さや気孔径などは実施例1と同じである。形成された厚さ0.1mmで気孔の径が約20μmで気孔率が60%の発泡金属を準備した。これを実施例1と同様の方法で支持基板と拡散接合した。その後、実施例1と同様の方法で燃料極、電解質、空気極を形成することで実施例10に係る燃料電池を作製した。
比較例1として、実施例と同じ支持基板を用い、めっき法により、実施例1と同じ厚みで中間層を形成したところ、支持基板の貫通孔以外の場所に気孔径3μm、気孔率10%の中間層が形成された。すなわち、中間層には、上記気孔に加え、支持基板の貫通孔と連続する穴が形成されている。しかしながら、その後、実施例1と同様の方法でこの中間上に燃料極を形成しようとしたが、穴へ燃料極ペーストが落ちてしまい燃料極を形成することできなかった。
実施例1との相違点として、燃料極の膜厚を変更して、燃料極、電解質、及び空気極の総厚が100μmを超えるセルを作製した。なお、燃料極の厚みが80μmとなるように上述したスクリーン印刷法により作製した。その後、実施例1と同様の方法で、電解質、空気極を形成することで比較例2に係る燃料電池を作製した。
実施例1との相違点として、空気極の膜厚を変更して、燃料極、電解質、及び空気極の総厚が100μmを超えるセルを作製した。実施例1と同様の方法で、燃料極、電解質を形成した。その後空気極の厚みが80μmとなるように上述したスクリーン印刷法により作製することで比較例3に係る燃料電池を作製した。
上記実施例1〜10および比較例2〜3で作製した燃料電池について、水素30mlと空気60mlをそれぞれ分離して流し、約600℃における、性能評価を行った。その結果を以下の表1に示す。なお、比較例1は、作製できなかったため、評価していない。
2 中間部材
3 燃料極
4 電解質
5 空気極
Claims (13)
- ガス透過可能な金属で形成された支持基板と、
前記支持基板上に配置され、多孔質の金属で形成された中間部材と、
前記中間部材上に配置される燃料極と、
前記燃料極上に配置される電解質と、
前記電解質上に配置される空気極と、
を備え、
前記燃料極、電解質、及び空気極の総厚が、100μm以下であり、かつ前記電解質の膜厚よりも前記燃料極及び空気極の厚さが大きい、固体酸化物形燃料電池。 - 前記支持基板には、前記中間部材の気孔の径よりも大きい径のガス流路が複数形成されている、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記支持基板は、緻密な材料に複数の貫通孔を形成することで形成され、当該貫通孔が前記ガス流路を構成する、請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記中間部材の気孔率が30〜80%である、請求項1から3のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記支持基板のガス流路の径が50〜500μmである、請求項2から4のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記支持基板及び中間部材は、Crを含有する、請求項1から5のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記支持基板または前記中間部材の少なくとも一方は、Ni−Fe系合金で形成される、請求項1から5のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記支持基板と中間部材とは、拡散接合により接合されている、請求項1から7のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
- ガス透過可能な金属からなる支持基板を準備するステップと、
前記金属基板上に配置され、金属で形成された多孔質からなる中間部材を準備するステップと、
前記支持基板と中間部材とを拡散接合するステップと、
前記中間部材上に燃料極を形成するステップと、
前記燃料極上に電解質を形成するステップと、
前記電解質上に空気極を形成するステップと、
を備えている、固体酸化物形燃料電池の製造方法。 - 前記燃料極、電解質、及び空気極の総厚が、100μm以下であり、かつ電解質の膜厚よりも各電極の厚さが大きい、請求項9に記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。
- 前記燃料極、電解質、及び空気極は、印刷により形成されている、請求項10に記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。
- 前記支持基板には、前記中間部材の気孔の径よりも大きい径の複数のガス流路が形成される、請求項9から11のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。
- 前記支持基板は、緻密な材料に複数の貫通孔を形成することで形成され、当該貫通孔が前記ガス流路を形成する、請求項12に記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。
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