JP2012204149A - アノード支持型ハーフセル及びこれを用いたアノード支持型セル - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明のアノード支持型ハーフセルは、アノード支持基板と、前記アノード支持基板に積層された電解質層とを有するアノード支持型ハーフセルであって、電解質層が上面となるように載置し、レーザー光学式三次元形状測定装置を使用し、電解質層表面にレーザー光を照射してその反射光を三次元解析することにより求められる電解質層周縁端部の高さ(h1)と、周縁端部からハーフセルの中心方向に3mmの位置における電解質層の高さ(h2)との差(Δh)が100μm以下であることを特徴とする。
【選択図】なし
Description
また、アノード支持基板に関するものではないが、特許文献2には、固体電解質自立膜に使用されるセラミックシートについて、その周縁端部のバリ高さを±100μm以下にすることで、燃料電池の性能を向上できることが記載されている(引用文献2(段落[0016])参照)。
前記アノード層は、前記アノード支持基板と同様に、導電性を与えるための導電成分と、支持基板の骨格成分となるセラミック質を主たる構成素材とする。導電成分、骨格成分としては、前記アノード支持基板と同様のものが挙げられる。
本発明のアノード支持型セルは、前記アノード支持型ハーフセルにおいて、前記電解質の前記アノード層が積層された面と反対の面に、カソード層が形成されている。上述したように前記アノード支持型ハーフセルは、周縁部の反りが低減されているため、スクリーン印刷によりカソード層を安定して形成できる。よって、本発明のアノード支持型セルは、カソード層の厚さが均一であり、且つ、印刷抜けによる欠陥が低減されている。また、本発明のアノード支持型セルは、周縁部の反りが低減されており、セルスタックとして多層積層した場合でも割れや破損を生じ難く、且つ、周縁部のシール性に優れている。
本発明の固体酸化物形燃料電池は、上記アノード支持型セルを有することを特徴とする。上記アノード支持型セルは、その周縁部の反りが低減されている。そのため、上記アノード支持型セルを有する固体酸化物型燃料電池は、アノード支持型セルの割れによる劣化が抑制され、長寿命であるとともに、周縁部のシール性に優れ、動作時のガス漏れが抑制され、発電効率が向上する。
アノード支持型ハーフセルを電解質層が上面となるように載置し、レーザー光学式非接触三次元形状測定装置(UBM社製、商品名「UBM1−14型」マイクロフォーカス エキスパート)を使用し、電解質層表面にレーザー光を照射してその反射光を三次元解析することにより、電解質層周縁端部の高さ(h1)と、その周縁端部からハーフセルの中心方向に3mmの位置における電解質層の高さ(h2)を測定し、差(Δh)を求めた。
なお、測定装置の仕様は、光源;半導体レーザー(780nm)、スポット径;1μm、垂直分離能;0.01μmであり、スキャンピッチは0.2mmとした。
製造例で作製したアノード支持型ハーフセルを切断し、走査型電子顕微鏡を用いて断面の10,000倍拡大写真を撮影した。得られた断面拡大写真における任意の厚さ方向5μm×平面方向10μmの領域をMicrosoft社の画像作成用ソフトであるペイント(登録商標)Ver.5.1に取り込み、白黒表示に変換した。かかる画像では、空隙部分は黒色で表示され、充填部分は白色で表示される。得られた画像をImage Metrology社製のイメージ解析ソフトである走査型プローブイメージプロセッサーVer.4.5.1.0(以下、「SPIP」という)を用いて、画像に占める空隙部分の割合を求めた。なお、処理前の画像では黒色と白色の中間である灰色部分が存在するが、誤差を低減するために、SPIPにおける0〜20,000のグレースケールを8,000に設定することにより黒色部分と白色部分とのコントラストを明確にした。
表面が平滑で平行度を保った2枚のアルミナ板(ニッカトー社製、「SSA−S」)にハーフセルを挟んだ状態で設置した。上部アルミナ板の上から、材料試験機(インストロン社製、「4301型」)を用いて圧縮荷重をかけていき、ハーフセルが割れた際の圧縮荷重を測定した。圧縮荷重は、2.0kN(200kgf)を最大とし、圧縮荷重2.0kNでも割れない場合は、「割れなし」と評価した。
製造例で得られた一辺75mmの正方形のアノード支持型ハーフセル上に、カソード層ペーストを、一辺60mmの正方形にスクリーン印刷することで、カソード層グリーンシートを形成した。
ここでカソードペーストは以下の様にして調整した。カソード粉末としてLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3粒子(セイミケミカル社製)60質量部、バインダーとしてエチルセルロース(和光純薬工業社製)5質量部、溶媒としてα−テルピネオール(和光純薬工業社製)40質量部、可塑剤としてジブチルフタレート(和光純薬工業社製)6質量部、分散剤としてソルビタン酸エステル系界面活性剤(三洋化成社製、商品名「イオネット(登録商標)S−80」)5質量部を乳鉢を用いて混合した後、3本ロールミル(EXAKT technologies社製、型式「M−80S」、ロール材質;アルミナ)を用いて解砕した。
製造例で得たアノード支持型ハーフセルを厚さ方向に切断し、切断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察することにより、各層の厚さを測定した。
1−1.アノード支持基板グリーンシートの作製
導電成分としての酸化ニッケル(正同化学社製、平均粒子径0.7μm、90体積%径1.2μm)60質量部、骨格成分としての3モル%イットリア安定化ジルコニア粉末(第一希元素社製、商品名「HSY−3.0」、平均粒子径0.7μm、90体積%径1.9μm)40質量部、空孔形成剤としてのカーボンブラック(SECカーボン社製、SGP−3、平均粒子径3.3μm、10体積%径1.5μm)10質量部、溶媒としてのトルエン60質量部とエタノール40質量部の混合溶剤、バインダーとしてのブチラール樹脂(積水化学社製、品名「BM−S」)10質量部、可塑剤としてのジブチルフタレート(和光純薬工業社製)3質量部、分散剤としてのソルビタン脂肪酸エステル系界面活性剤2質量部を、ボールミルにより混合し、スラリーを調製した。
得られたスラリーを使用し、ドクターブレード法によりシート成形し、70℃で5時間乾燥させて、厚さ300μmのアノード支持基板グリーンシートを作製した。
導電成分としての酸化ニッケル(キシダ化学社製、平均粒子径0.75μm、90体積%径1.4μm)60質量部、骨格成分としての3モル%イットリア安定化ジルコニア粉末(第一希元素社製、商品名「HSY−3.0」、平均粒子径0.7μm、90体積%径1.9μm)40質量部、空孔形成剤としてのカーボンブラック(SECカーボン社製、SGP−3、平均粒子径3.3μm、10体積%径1.5μm)6質量部、溶媒としてのトルエン60質量部とエタノール40質量部の混合溶剤、バインダーとしてのブチラール樹脂(積水化学社製、品名「BM−S」)10質量部、可塑剤としてのジブチルフタレート(和光純薬工業社製)3質量部、分散剤としてのソルビタン脂肪酸エステル系界面活性剤2質量部を、ボールミルにより混合し、スラリーを調製した。
得られたスラリーを使用し、ドクターブレード法によりシート成形し、100℃で1時間乾燥させて、厚さ20μmのアノード層グリーンシートを作製した。
上記で得たアノード支持基板グリーンシートの上部に上記で得たアノード層グリーンシートを積層した。アノード支持基板グリーンシートとアノード層グリーンシートを積層したものを、ホットプレス機を用いて、60℃、0.5MPa、30秒間熱プレスし、積層体を作製した。
セラミックス粉末として、スカンジア安定化ジルコニア未焼結粉末(第一希元素社製、商品名「10Sc1CeSZ」、平均粒子径0.60μm)60質量部、バインダーとしてエチルセルロース(和光純薬工業社製)を5質量部、溶媒としてα−テルピネオール(和光純薬工業社製)を40質量部、可塑剤としてジブチルフタレート(和光純薬工業社製)を6質量部、分散剤としてソルビタン酸エステル系界面活性剤(三洋化成社製、商品名「イオネットS−80」)5質量部を、乳鉢を用いて混合した後、3本ロールミル(EXAKT technologies社製、型式「M−80S」、ロール材質;アルミナ)を用いて解砕した。
製造例1と同様にして、アノード支持基板グリーンシート、アノード層前駆体及び電解質層前駆体の積層体を作製した。ただし、打ち抜く大きさを、一辺が77mmの正方形状にした。その後、製造例1と同様に、該積層体を1300℃、2時間焼成して、多層焼成体を作製した。焼成後の多層焼成体は、一辺が65mmの正方形状であった。また、アノード支持基板の厚さは、250μm、アノード層の厚さは15μm、電解質層の厚さは10μmであった。
Claims (5)
- アノード支持基板と、前記アノード支持基板に積層された電解質層とを有するアノード支持型ハーフセルであって、
電解質層が上面となるように載置し、レーザー光学式三次元形状測定装置を使用し、電解質層表面にレーザー光を照射してその反射光を三次元解析することにより求められる電解質層周縁端部の高さ(h1)と、その周縁端部からハーフセルの中心方向に3mmの位置における電解質層の高さ(h2)との差(Δh)が100μm以下であることを特徴とするアノード支持型ハーフセル。 - 前記アノード支持基板が、ニッケル、コバルト、鉄及びこれらの酸化物よりなる群から選択される少なくとも1種と、安定化ジルコニア、セリア及びランタンガレートよりなる群から選択される少なくとも1種とを含み、
前記電解質層が安定化ジルコニア、セリア及びランタンガレートよりなる群から選択される少なくとも1種を含む請求項1に記載のアノード支持型ハーフセル。 - 前記アノード支持基板の厚さ(T1)と前記電解質層の厚さ(T2)との比(T2/T1)が0.003〜0.35である請求項1又は2に記載のアノード支持型ハーフセル。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載のアノード支持型ハーフセルにカソード層を形成したことを特徴とするアノード支持型セル。
- 請求項4に記載のアノード支持型セルを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
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