JP2014075339A - 固体酸化物形燃料電池セル及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】多孔質支持体の表面に、燃料極、固体電解質、及び空気極が順次積層されてなる固体酸化物形燃料電池セルであって、前記多孔質支持体は、フォルステライトを含んでなり、さらに、カルシウム元素(Ca)を、CaO換算で0.2質量%を超え2質量%以下含んでなる、固体酸化物形燃料電池セル。
【選択図】図1
Description
支持体はフォルステライト結晶を主成分とし、他にMgO、SiO2、不純物由来の酸化物を含んでいる。燃料電池セルは500℃を超える温度で長時間運転される。その際、支持体が水素ガスにより還元雰囲気下に置かれると、フォルステライト結晶ではないSiO2成分がSiOに還元され、支持体から揮散してガス流路の低温部分、特に、モジュールにおける排気口付近に析出することで、流路閉塞による性能低下に至るものである。
また、前記固体電解質は、好ましくは一般式La1-aSraGa1-b-cMgbCocO3(但し、0.05≦a≦0.3、0<b<0.3、0≦c≦0.15)で表される。
本発明の燃料電池セルにおいて、多孔質支持体は、Mg元素及びSi元素が、それぞれMgO及びSiO2換算で、合計で90質量%、好ましくは95質量%、より好ましくは98質量%以上含んでなることが好ましい。本発明の燃料電池セルにおいて、多孔質支持体は、X線回折により得られるフォルステライト結晶の第一回折線(すなわち、強度の最も大きい回折線)のピーク強度を100としたときに、それ以外の結晶成分の第一回折線のピーク強度の総和が5以下であることが、より好ましい。
フォルステライトを含有する原料粉体に、溶媒(水、アルコールなど)を添加して坏土を作製する。このとき、任意成分として、分散剤、バインダー、消泡剤、造孔剤等を添加してもよい。作製した坏土を成形し、乾燥し、次いで仮焼(800℃以上1100℃未満)して多孔質支持体を得る。坏土の成形には、シート成形法、プレス成形法、押出成形法などが用いられるが、内部にガス流路が形成される多孔質支持体の場合は、押出成形法が好ましい。複層の多孔質支持体を成形する場合は、複層を一体的に押出成形する「多層押出成形」の他、上層をコーティングや印刷により成形する方法を用いることもできる。コーティングは、原料スラリーをコーティングするスラリーコート法、テープキャスティング法、ドクターブレード法、転写法などが挙げられる。印刷は、スクリーン印刷法やインクジェット法などが挙げられる。
(多孔質支持体用坏土の作製)
1.0質量%のCaOを含むフォルステライト粉末を平均粒子径が0.7μmとなるよう調節した。該粉末100重量部を溶媒(水)20重量部、バインダー(メチルセルロース系水溶性高分子)8重量部、及び造孔剤(平均粒子径5μmのアクリル系樹脂粒子)15重量部を高速ミキサーで混合後、混練器(ニーダー)で混練し、真空土練装置で脱気し、押し出し成形用の坏土を調製した。ここで、平均粒子径はJIS R 1629にて測定し、50%径にて示した値である(以下同様)。
0.02質量%のCaOを含むフォルステライト粉末を平均粒子径が0.7μmとなるよう調節した。該粉末20重量部を溶媒(エタノール)100重量部、バインダー(エチルセルロース)2重量部、及び分散剤(ノニオン性界面活性剤)1重量部をボールミルで十分に攪拌してスラリーを調製した。
NiO粉末と10YSZ(10mol%Y2O3−90mol%ZrO2)粉末とを重量比65:35で湿式混合し乾燥粉末を得た。平均粒子径は0.7μmとなるよう調節した。該粉末40重量部を溶媒(エタノール)100重量部、バインダー(エチルセルロース)2重量部、分散剤(ノニオン性界面活性剤)1重量部と混合した後、十分攪拌してスラリーを調製した。なお、「10mol%Y2O3−90mol%ZrO2」は、Y原子およびZr原子の総量に対する、Y原子の濃度が10mol%、Zr原子の濃度が90mol%であることを意味する。
NiOとGDC10(10mol%Gd2O3−90mol%CeO2)の混合物を共沈法で作製後、熱処理を行い燃料極触媒層粉末を得た。NiOとGDC10の混合比は重量比で50/50とした。平均粒子径は0.5μmとなるよう調節した。該粉末20重量部を溶媒(エタノール)100重量部、バインダー(エチルセルロース)2重量部、分散剤(ノニオン性界面活性剤)1重量部と混合した後、十分攪拌してスラリーを調製した。なお、「10mol%Gd2O3−90mol%CeO2」は、Gd原子およびCe原子の総量に対する、Gd原子の濃度が10mol%、Ce原子の濃度が90mol%であることを意味する。
反応抑制層の材料として、前記したセリウム系複合酸化物(LDC40。すなわち、40mol%のLa2O3−60mol%のCeO2)の粉末10重量部を用いた。焼結助剤としてGa2O3粉末を0.04重量部混合し、さらに溶媒(エタノール)100重量部、バインダー(エチルセルロース)2重量部、分散剤(ノニオン性界面活性剤)1重量部と混合した後、十分攪拌してスラリーを調製した。なお、「40mol%のLa2O3−60mol%のCeO2」は、La原子およびCe原子の総量に対する、La原子の濃度が40mol%、Ce原子の濃度が60mol%であることを意味する。
固体電解質層の材料として、La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3の組成のLSGM粉末を用いた。LSGM粉末40重量部を溶媒(エタノール)100重量部、バインダー(エチルセルロース)2重量部、分散剤(ノニオン性界面活性剤)1重量部と混合した後、十分攪拌してスラリーを調製した。
空気極の材料として、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3の組成の粉末を用いた。該粉末40重量部を溶媒(エタノール)100重量部、バインダー(エチルセルロース)2重量部、分散剤(ノニオン性界面活性剤)1重量部と混合した後、十分攪拌してスラリーを調製した。
上記のようにして得られた坏土並びに各スラリーを用いて、以下の方法で固体酸化物形燃料電池セルを作製した。
前記多孔質支持体用坏土から押出し成形法によって円筒状成形体を作製した。室温で乾燥した後、1050℃で2時間熱処理した。次に、スラリーコート法により高純度フォルステライト層を形成し、1050℃で2時間熱処理して多孔質支持体を作製した。この多孔質支持体上に、スラリーコート法により燃料極層、燃料極触媒層、反応抑制層、固体電解質層の順番で成形した。これら積層成形体を1300℃で2時間共焼成した。次に、空気極の面積が17.3cm2になるようにセルへマスキングをし、固体電解質層の表面に空気極層を成形し、1100℃で2時間焼成した。なお、多孔質支持体は、共焼成後の寸法で、外径10mm、肉厚1mmとし、高純度フォルステライト層の厚さが50μmであった。作製した固体酸化物形燃料電池セルは、燃料極層の厚さが100μmであり、燃料極触媒層の厚さが10μmであり、反応抑制層の厚みが10μmであり、固体電解質層の厚みが30μmであり、空気極の厚みが20μmであった。なお、多孔質支持体の外径は成膜していない個所をマイクロメータで測定した。膜厚はシステムの発電試験後にセルを切断して、断面をSEMで30〜2000倍の任意の倍率にて観察し、膜厚の最大値と最小値を足して2で割ったものである。切断箇所は空気極の成膜してある部分の中央部とした。
得られた固体酸化物形燃料電池セルを用いて、発電試験を行った。燃料極側の集電は、燃料極の露出部に集電金属を銀ペーストで張り合わせて焼き付けた。空気極側の集電は、空気極表面に銀ペーストを塗布した後、空気極の端部に集電金属を銀ペーストで張り合わせて焼き付けた。
発電条件は以下である。
燃料ガス :(H2+3%H2O)とN2の混合ガス(混合比はH2:N2=7:4(vol:vol))
燃料利用率:75%
酸化ガス :空気
運転温度 :700℃
電流密度 :0.2A/cm2
この条件で発電試験を行い、運転0時間後の起電力;OCV(V)と初期電位(V0)と連続運転5000時間後の電位(V5000)とを測定した。耐久性能は、5000時間連続運転後の電位を初期電位で割り100を乗じた値(V5000*100/V0)とした。結果を表1に示す。
多孔質支持体用坏土に使用するフォルステライト粉末のCaO含有量を0.5、0.25、1.5、2.0質量%とした以外は実施例1と同様にして固体酸化物形燃料電池セルを作製し、発電試験を行った。結果を表1に示す。
多孔質支持体用坏土に使用するフォルステライト粉末のCaO含有量を5.0質量%とした以外は実施例1と同様にして固体酸化物形燃料電池セルを作製し、発電試験を行った。結果を表1に示す。
多孔質支持体用坏土に使用するフォルステライト粉末のCaO含有量を0.1質量%とした以外は実施例1と同様にして固体酸化物形燃料電池セルを作製し、発電試験を行った。結果を表1に示す。
※2:4000h経過後、急激に性能が低下したため試験を中止した。排気ガス流路80の上端付近がSiOによって閉塞されていた。
(固体電解質層用スラリーBの作製)
固体電解質層の材料として、10YSZ(10mol%Y2O3−90mol%ZrO2)粉末を用いた。10YSZ粉末40重量部を溶媒(エタノール)100重量部、バインダー(エチルセルロース)2重量部、分散剤(ノニオン性界面活性剤)1重量部と混合した後、十分攪拌してスラリーを調製した。なお、「10mol%Y2O3−90mol%ZrO2」は、Y原子およびZr原子の総量に対する、Y原子の濃度が10mol%、Zr原子の濃度が90mol%であることを意味する。
第2固体電解質層の材料として、前記したGDC10(10mol%Gd2O3−90mol%CeO2)粉末を用いた。GDC10粉末10重量部を溶媒(エタノール)100重量部、バインダー(エチルセルロース)2重量部、分散剤(ノニオン性界面活性剤)1重量部と混合した後、十分攪拌してスラリーを調製した。なお、「10mol%Gd2O3−90mol%CeO2」は、Gd原子およびCe原子の総量に対する、Gd原子の濃度が10mol%、Ce原子の濃度が90mol%であることを意味する。
CaO含有量が0.5質量%の、実施例2で使用したのと同じ多孔質支持体用坏土、前記高純度フォルステライト層用スラリー、前記燃料極層用スラリー、前記燃料極触媒層用スラリー、前記固体電解質層用スラリーB、前記第2固体電解質層用スラリー、及び、前記空気極用スラリーを用いて、以下の方法で固体酸化物形燃料電池セルを作製した。
実施例2で使用した多孔質支持体用坏土から押出し成形法によって円筒状成形体を作製した。室温で乾燥した後、1050℃で2時間熱処理した。次に、前記高純度フォルステライト層用スラリーを用いてスラリーコート法により高純度フォルステライト層を形成し、1050℃で2時間熱処理して多孔質支持体を作製した。さらに、スラリーコート法により燃料極層、燃料極触媒層、固体電解質層、第2固体電解質層の順番で成形した。これら積層成形体を1300℃で2時間共焼成した。次に、空気極の面積が17.3cm2になるようにセルへマスキングをし、第2固体電解質層の表面に空気極層を成形し、1100℃で2時間焼成した。なお、多孔質支持体は、共焼成後の寸法で、外径10mm、肉厚1mmとし、高純度フォルステライト層の厚さが50μmであった。作製した固体酸化物形燃料電池セルは、燃料極層の厚さが100μmであり、燃料極触媒層の厚さが10μmであり、固体電解質層の厚みが30μmであり、第2固体電解質層の厚みが5μmであり、空気極の厚みが20μmであった。なお、多孔質支持体の外径は成膜していない個所をマイクロメータで測定した。膜厚はシステムの発電試験後にセルを切断して、断面をSEMで30〜2000倍の任意の倍率にて観察し、膜厚の最大値と最小値を足して2で割ったものである。切断箇所は空気極の成膜してある部分の中央部とした。得られた固体酸化物形燃料電池セルについて、実施例1と同様にして発電試験を行った。結果を表2に示す。
(多孔質支持体用坏土の作製)
2.6質量%のCaOを含むフォルステライト粉末を平均粒子径が1.3μmとなるよう調節した。該粉末100重量部を溶媒(水)20重量部、バインダー(メチルセルロース)7重量部、潤滑剤(脂肪酸エステル)0.4重量部、及び造孔剤(平均粒子径5μmのアクリル系樹脂粒子)10重量部と高速ミキサーで混合後、混練器(ニーダー)で混練し、真空土練装置で脱気し、押し出し成形用の坏土を調製した。ここで、平均粒子径はJIS R 1629にて測定し、50%径にて示した値である。
2.6質量%のCaOを含むフォルステライト粉末を使用して調製した多孔質支持体用坏土、前記燃料極層用スラリー、前記燃料極触媒層用スラリー、前記固体電解質層用スラリーB、前記第2固体電解質層用スラリー、及び前記空気極用スラリーを用いて、以下の方法で固体酸化物形燃料電池セルを作製した。
前記多孔質支持体用坏土から押出し成形法によって円筒状成形体を作製した。室温で乾燥した後、1100℃で2時間熱処理して多孔質支持体を作製した。この多孔質支持体上に、スラリーコート法により燃料極層、燃料極触媒層、固体電解質層、第2固体電解質層の順番で成形した。これら積層成形体を1300℃で2時間共焼成した。次に、空気極の面積が17.3cm2になるようにセルへマスキングをし、第2固体電解質層の表面に空気極層を成形し、1100℃で2時間焼成した。なお、多孔質支持体は、共焼成後の寸法で、外径10mm、肉厚1mmとした。作製した固体酸化物形燃料電池セルは、燃料極層の厚さが100μmであり、燃料極触媒層の厚さが10μmであり、固体電解質層の厚みが30μmであり、第2固体電解質層の厚みが5μmであり、空気極の厚みが20μmであった。なお、多孔質支持体の外径は成膜していない個所をマイクロメータで測定した。膜厚はシステムの発電試験後にセルを切断して、断面をSEMで30〜2000倍の任意の倍率にて観察し、膜厚の最大値と最小値を足して2で割ったものである。切断箇所は空気極の成膜してある部分の中央部とした。得られた固体酸化物形燃料電池セルについて、実施例1と同様にして発電試験を行った。結果を表3に示す。
固体酸化物形燃料電池セルの破断面を走査型電子顕微鏡(日立製作所製S−4100)により、加速電圧15kV、2次電子画像、倍率100〜10000倍で観察し、固体電解質層の組織の形状を評価した。
また、固体酸化物形燃料電池セルの切断面を研磨した面をEPMA(島津製作所製島津電子線マイクロアナライザーEPMA−8705)にて元素分析し、固体電解質層の構成元素が均等に分布しているかどうかを観察した。
「◎」は、固体電解質が10YSZ結晶からなる緻密体で、支持体と燃料極の間に瞭な中間層の形成が見つからない場合、
「○」は、固体電解質が10YSZM結晶からなるが、中間層が観察される場合、
「×」は、Caが拡散してしまい、10YSZ結晶相が緻密にならない場合、
を、それぞれ示す。
Claims (6)
- 多孔質支持体の表面に、燃料極、固体電解質、及び空気極が順次積層されてなる固体酸化物形燃料電池セルであって、
前記多孔質支持体は、フォルステライトを含んでなり、さらに、カルシウム元素(Ca)をCaO換算で0.2質量%を超え2質量%以下含んでなる、
固体酸化物形燃料電池セル。 - 前記固体電解質は、Sr及びMgがドープされたランタンガレート系酸化物を含んでなる、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
- 前記固体電解質は、一般式La1-aSraGa1-b-cMgbCocO3(但し、0.05≦a≦0.3、0<b<0.3、0≦c≦0.15)で表される、請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
- 前記多孔質支持体は、少なくとも2つの層からなる積層体である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
- 多孔質支持体の表面に、燃料極、固体電解質、及び空気電極が順次積層されてなる固体酸化物形燃料電池セルの製造方法であって、
フォルステライトを含み、さらに、カルシウム元素(Ca)を、CaO換算で0.2質量%を超え2質量%以下含む成形体を焼成して前記多孔質支持体を形成することを含む固体酸化物形燃料電池セルの製造方法。 - 前記成形体は、Ca含有量の異なる少なくとも2つの層からなり、前記燃料極が積層される側の層以外の層における少なくとも1つの層において、Ca含有量がMO換算で0.2質量%を超え2質量%以下である、請求項5に記載の製造方法。
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