JP2015128024A - Method of manufacturing solid electrolyte type fuel battery - Google Patents
Method of manufacturing solid electrolyte type fuel battery Download PDFInfo
- Publication number
- JP2015128024A JP2015128024A JP2013273374A JP2013273374A JP2015128024A JP 2015128024 A JP2015128024 A JP 2015128024A JP 2013273374 A JP2013273374 A JP 2013273374A JP 2013273374 A JP2013273374 A JP 2013273374A JP 2015128024 A JP2015128024 A JP 2015128024A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- flow path
- fuel cell
- gas flow
- solid electrolyte
- path forming
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
この発明は、固体電解質形燃料電池の製造方法に関し、詳しくは、ガス流路を有する固体電解質形燃料電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a solid oxide fuel cell, and more particularly to a method for manufacturing a solid oxide fuel cell having a gas flow path.
固体電解質形燃料電池(固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)ともいう)は、燃料極(アノード):H2+O2−→H2O+2e−、空気極(カソード):(1/2)O2+2e−→O2−の反応により、電気エネルギーを取り出す装置である。電気エネルギーを連続的に取り出すため、反応を連続的に行う必要があり、そのため、アノードガスとしての燃料ガス(例えばH2)およびカソードに供給されるカソードガスとしての空気(O2)等の酸化剤ガスを連続して供給する。 A solid electrolyte fuel cell (also referred to as a solid oxide fuel cell (SOFC)) has a fuel electrode (anode): H 2 + O 2− → H 2 O + 2e − , an air electrode (cathode): (1 / 2) A device that extracts electrical energy by the reaction of O 2 + 2e − → O 2− . In order to continuously extract electric energy, it is necessary to perform the reaction continuously. Therefore, oxidation of fuel gas (for example, H 2 ) as an anode gas and air (O 2 ) as a cathode gas supplied to the cathode is performed. The agent gas is continuously supplied.
このような燃料電池では、両極にガスを供給するガス流路が必要である。ガス流路の形成方法としては、燃料電池セルを形成する各部材を積層した積層体を一体焼結させて固体電解質形燃料電池を作製する際に、ガス流路を形成する箇所にカーボン粉末からなるシートを配置して、焼成により消失させて酸化剤ガス流路および燃料ガス流路を形成することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In such a fuel cell, a gas flow path for supplying gas to both electrodes is necessary. As a method for forming a gas flow path, when a solid electrolyte fuel cell is manufactured by integrally sintering a laminate in which each member forming a fuel battery cell is laminated, carbon powder is formed at a position where the gas flow path is formed. It has been proposed to form an oxidant gas flow path and a fuel gas flow path by disposing a sheet to be eliminated by firing (see, for example, Patent Document 1).
また、連通した気孔を有する多孔質体によって流路を形成することで、燃料電池の機械的強度を高めることが提案されている(例えば、特許文献2参照)。 In addition, it has been proposed to increase the mechanical strength of a fuel cell by forming a flow path with a porous body having communicating pores (see, for example, Patent Document 2).
燃料電池において、反応速度は温度が高いほど速くなる依存性があり、また反応は発熱反応であることが知られている。したがって、燃料ガスや酸化剤ガスの供給量が、燃料電池内の位置に依存してばらつきがあると、燃料電池内部に温度ばらつきが発生する。温度ばらつきがあると、温度が高い部分ほど、早く材質の劣化が発生する。その結果、劣化していない部分が劣化部分を補う形で反応を加速するため、劣化していない部分も温度が上昇して劣化しやすくなるという劣化の連鎖が発生する。この連鎖を発生させないためには、ガスの供給量のばらつき、すなわち、流路における圧力損失のばらつきを少なくすることが重要になる。 In a fuel cell, it is known that the reaction rate has a dependency that the higher the temperature, the faster the reaction rate, and the reaction is an exothermic reaction. Accordingly, if the supply amount of the fuel gas or the oxidant gas varies depending on the position in the fuel cell, temperature variation occurs in the fuel cell. If there is temperature variation, the higher the temperature, the faster the material will deteriorate. As a result, the non-deteriorated portion compensates for the deteriorated portion to accelerate the reaction, so that a deterioration chain occurs in which the non-deteriorated portion is likely to deteriorate due to the temperature rise. In order not to generate this chain, it is important to reduce the variation in the gas supply amount, that is, the variation in the pressure loss in the flow path.
しかし、特許文献1の技術では、前記積層体はプレス成形等の方法により圧着して形成されるが、カーボン粉末からなるシートは、プレス圧によって変形が生じる場合がある。また、固体電解質形燃料電池の内部抵抗を小さくするために固体電解質層を薄くすると、前記積層体に反りが生じやすくなる。このようにして流路に形状のばらつきや変形が生じると、圧力損失にもばらつきが発生することとなる。また、特許文献2の技術では、流路に多孔質体が存在するため、燃料極および空気極におけるガスの接触効率は低下し、また、圧力損失が生じる。ここで、多孔質体の気孔径にばらつきがあると、圧力損失にばらつきが生じることとなる。
However, in the technique of
本発明は上記問題点を解決するものであり、酸化剤ガス流路および燃料ガス流路における圧力損失のばらつきを防ぎ、劣化を起こしにくい固体電解質形燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-described problems, and to provide a method for manufacturing a solid oxide fuel cell that prevents variation in pressure loss in an oxidant gas flow channel and a fuel gas flow channel and is unlikely to cause deterioration. To do.
上記目的を達成するために、本発明の固体電解質形燃料電池の製造方法は、順に積層された空気極層、固体電解質層および燃料極層の積層体から構成される発電要素と、前記空気極層の表面に酸化剤ガスを供給するために、第1の方向に延びるように配置された、複数の酸化剤ガス流路と、前記燃料極層の表面に燃料ガスを供給するために、前記第1の方向と交差する第2の方向に延びるように配置された、複数の燃料ガス流路とを備える固体電解質形燃料電池の製造方法であって、前記固体電解質形燃料電池の構成部材を積層して圧着する積層圧着工程と、前記構成部材を共焼結することによって一体化する焼成工程とを含み、前記積層圧着工程において、実質的に圧着時に厚みが変化しない流路形成用消失材を、前記酸化剤ガス流路および前記燃料ガス流路の側壁部を形成する材料の間に配置し、前記流路形成用消失材として、前記焼成工程において共焼結時の加熱により消失する材料を用いることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a method for manufacturing a solid oxide fuel cell according to the present invention includes an air electrode layer, a solid electrolyte layer, and a stack of fuel electrode layers that are sequentially stacked, and the air electrode. A plurality of oxidant gas flow paths arranged to extend in a first direction for supplying oxidant gas to the surface of the layer; and for supplying fuel gas to the surface of the fuel electrode layer, A solid oxide fuel cell manufacturing method comprising a plurality of fuel gas passages arranged to extend in a second direction intersecting with a first direction, wherein the constituent members of the solid oxide fuel cell are A laminating material for forming a flow path, which includes a laminating and crimping step of laminating and crimping, and a firing step of integrating the constituent members by co-sintering, wherein the thickness does not substantially change during crimping in the laminating and crimping step. The oxidant gas flow path and Wherein arranged between the material forming the side wall portion of the fuel gas channel, as the channel formation loss material, characterized by using a material that disappears by heating during co-sintering in the firing step.
本発明の固体電解質形燃料電池の製造方法において、流路形成用消失材として樹脂フィルムを用いることが好ましい。 In the method for producing a solid oxide fuel cell of the present invention, it is preferable to use a resin film as the flow path forming disappearing material.
また、前記流路形成用消失材として、800℃未満の温度で消失する材料を用いることが好ましい。 Moreover, it is preferable to use a material that disappears at a temperature lower than 800 ° C. as the flow path forming disappearance material.
本発明の固体電解質形燃料電池の製造方法によれば、酸化剤ガス流路および燃料ガス流路における圧力損失のばらつきを防ぐことができ、その結果、劣化を起こしにくい固体電解質形燃料電池を提供することができる。 According to the method for manufacturing a solid oxide fuel cell of the present invention, it is possible to prevent variations in pressure loss in the oxidant gas flow channel and the fuel gas flow channel, and as a result, to provide a solid electrolyte fuel cell that is unlikely to deteriorate. can do.
この発明の上述の目的,その他の目的,特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。 The above object, other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of embodiments with reference to the drawings.
以下、この発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は、以下の例に限定および制限されない。なお、以下で参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited or limited to the following examples. The drawings referred to below are schematically described, and the ratio of the dimensions of objects drawn in the drawings may be different from the ratio of dimensions of actual objects. The dimensional ratio of the object may be different between the drawings.
図1は、本発明の固体電解質形燃料電池の製造方法によって得られる固体電解質形燃料電池の一例であって、固体電解質形燃料電池を構成する部材の積み重ねられた状態を分解して示す分解斜視図である。 FIG. 1 is an example of a solid electrolyte fuel cell obtained by the method for manufacturing a solid oxide fuel cell according to the present invention, and is an exploded perspective view showing an exploded state of members constituting the solid electrolyte fuel cell. FIG.
固体電解質形燃料電池100は、例えば、第1のセパレータ10と、発電要素30と、第2のセパレータ50とを有する。発電要素30は、順に積層された空気極層32、固体電解質層31および燃料極層33の積層体から構成される。空気極層32は空気極32aを、燃料極層33は燃料極33aを有している。第1のセパレータ10には、空気極32aに酸化剤ガスを供給するための複数の酸化剤ガス流路12aが形成されている。また、第2のセパレータ50には、燃料極33aに燃料ガスを供給するための複数の燃料ガス流路52aが形成されている。固体電解質形燃料電池100では、第1のセパレータ10と、発電要素30と、第2のセパレータ50とがこの順番で積層されている。
The solid
なお、本実施形態の固体電解質形燃料電池100は、発電要素30をひとつのみ有している。ただし、本発明においては、この構成に限定されない。本発明の燃料電池は、例えば、発電要素を複数有していてもよい。その場合、隣り合う発電要素は、セパレータにより隔離される。
Note that the solid
本発明の固体電解質形燃料電池の製造方法は、前記の固体電解質形燃料電池の構成部材を積層して圧着する積層圧着工程と、前記構成部材を共焼結することによって一体化する焼成工程とを含む。そして、前記積層圧着工程において、実質的に圧着時に厚みが変化しない流路形成用消失材を、酸化剤ガス流路12aおよび燃料ガス流路52aの側壁部を形成する材料の間に配置する。このとき、前記流路形成用消失材として、前記焼成工程において共焼結時の加熱により消失する材料を用いることで、酸化剤ガス流路12aおよび燃料ガス流路52aを形成する。
The method for producing a solid oxide fuel cell according to the present invention includes a lamination pressure bonding step of laminating and pressing the constituent members of the solid electrolyte fuel cell, and a firing step of integrating the constituent members by co-sintering including. And in the said lamination | stacking crimping | compression-bonding process, the loss | disappearance material for flow path formation in which thickness does not change substantially at the time of crimping | bonding is arrange | positioned between the materials which form the side wall part of the oxidizing
図2は、ガス流路の形成方法を説明する分解斜視図であり、図3は、ガス流路の形成時における流路形成用消失材の配置位置を説明する平面図である。図2および図3においては、図1の固体電解質形燃料電池100における第2の流路形成部材52の燃料ガス流路52aの形成方法を例示しているが、第1の流路形成部材12の燃料ガス流路12aの形成方法も同様である。
FIG. 2 is an exploded perspective view for explaining a method for forming a gas flow path, and FIG. 3 is a plan view for explaining an arrangement position of the flow path forming vanishing material when the gas flow path is formed. 2 and 3 exemplify a method of forming the fuel
図2および図3において、(a)に流路形成用消失材70、(b)および(c)に第2の流路形成部材52を示す。図2は斜視図、図3は平面図であり、各図の(a)〜(c)は、対応する部材を示している。流路形成用消失材70は、第2の流路形成部材52を構成する線状凸部52cを囲むように、燃料ガス流路52aに対応する形状となっている。流路形成用消失材70および第2の流路形成部材52を、1枚のシート状となるように組み合わせた状態の斜視図を、図2(d)に示す。この1枚のシート状となった流路形成用消失材70を含む第2の流路形成部材52のグリーンシートを、発電要素30のグリーンシートと第2のセパレータ本体51のグリーンシートとの間となるように、また、同様にして1枚のシート状としたた流路形成用消失材70を含む第1の流路形成部材12のグリーンシートを、発電要素30のグリーンシートと第1のセパレータ本体11のグリーンシートとの間となるようにして、各部材を図1に示す順に積層して圧着する。圧着後の積層体を焼成して、共焼結させることで一体化する。流路形成用消失材70は共焼結時の加熱により消失する材料を用いているので、図2(d)のシートは、焼成後には、図2(e)で示すように、流路形成部材52のみが残った状態となる。同様に、流路形成用消失材70を含む第1の流路形成部材12のグリーンシートも、流路形成部材52のみが残った状態となる。
2 and 3, (a) shows a flow path forming disappearing
流路形成用消失材70としては、実質的に圧着時に厚みが変化しないことが重要である。圧着時のプレス圧で厚みに実質的に変化が起こらない材料を用いると、焼成前の段階において、流路の形状に歪みやうねりが発生しにくい。このように歪み等が見られない状態で焼成することで、焼成後に形成されるガス流路を均質にすることができる。そのため、ガスを流した際の圧力損失ばらつきを小さくすることができ、燃料電池の劣化を起こりにくくすることができる。ここで、「実質的に」圧着時に厚みが変化しないとは、プレス圧による厚みの変化が±1%以内であることをいう。
It is important for the flow path forming disappearing
流路形成用消失材70としては、樹脂フィルムを用いることが好ましい。樹脂フィルムとしては、PET(ポリエチレンテレフタレート)、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリイミド等のフィルムを用いることができる。
As the flow path forming disappearing
また、流路形成用消失材70としては、800℃未満の温度で消失する材料を用いることが好ましい。より好ましくは、600℃未満で消失する材料であるとよい。固体電解質形燃料電池を構成するセラミックス材料は、焼成時、800℃付近で収縮が始まる。そのため、800℃付近で流路形成用消失材70が消失していると、収縮にムラが起こりにくくなるため好ましい。
Moreover, as the flow path forming disappearing
なお、前記積層圧着工程における圧着のプレス圧は、例えば、1200〜1800kgf/cm2の範囲で行われ、また、前記焼成工程における焼成温度は、例えば、1100〜1400℃の範囲で行われる。 In addition, the press pressure of the crimping | compression-bonding in the said lamination | stacking crimping | compression-bonding process is performed in the range of 1200-1800 kgf / cm < 2 >, for example, and the calcination temperature in the said baking process is performed in the range of 1100-1400 degreeC, for example.
固体電解質形燃料電池100の構成部材は、以下のものを用いることができる。各構成部材を、以下に示す材料をバインダーおよび溶媒と混合、成形して、所定の形状のグリーンシートとして準備する。これらグリーンシートを積層して圧着する積層圧着工程と、得られた積層体を共焼結することによって一体化する焼成工程を経て、固体電解質形燃料電池を得ることができる。
The following can be used for the constituent members of the solid
[発電要素30]
発電要素30は、酸化剤ガス流路(酸化剤ガス用マニホールド)61から供給される酸化剤ガスと、燃料ガス流路(燃料ガス用マニホールド)62から供給される燃料ガスとが反応し、発電が行われる部分である。ここで、酸化剤ガスは、例えば、空気や酸素ガス等の有酸素ガスにより構成することができる。また、燃料ガスは、水素ガスや、一酸化炭素ガスなどの炭化水素ガス等を含むガスとすることができる。
[Power generation element 30]
In the
[固体電解質層31]
発電要素30は、固体電解質層31を備えている。固体電解質層31は、イオン導電性が高いものであることが好ましい。固体電解質層31は、例えば、安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニアなどにより形成することができる。安定化ジルコニアの具体例としては、10mol%イットリア安定化ジルコニア(10YSZ)、11mol%スカンジア安定化ジルコニア(11ScSZ)等が挙げられる。部分安定化ジルコニアの具体例としては、3mol%イットリア部分安定化ジルコニア(3YSZ)、等が挙げられる。また、固体電解質層31は、例えば、SmやGd等がドープされたセリア系酸化物や、LaGaO3を母体とし、LaとGaとの一部をそれぞれSrおよびMgで置換したLa0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O(3−δ)などのペロブスカイト型酸化物などにより形成することもできる。
[Solid electrolyte layer 31]
The
固体電解質層31は、空気極層32と燃料極層33とにより挟持されている。すなわち、固体電解質層31の一主面の上に空気極層32が形成されており、他主面の上に燃料極層33が形成されている。
The
[空気極層32]
空気極層32は、空気極32aを有する。空気極32aは、カソードである。空気極32aにおいては、酸素が電子を取り込んで、酸素イオンが形成される。空気極32aは、多孔質で、伝導率が高く、かつ、高温において固体電解質層31等と固体間反応を起こしにくいものであることが好ましい。空気極32aは、例えば、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)、Snをドープした酸化インジウム、PrCoO3系酸化物、LaCoO3系酸化物、LaMnO3系酸化物などにより形成することができる。LaMnO3系酸化物の具体例としては、例えば、La0.8Sr0.2MnO3(通称:LSM)、La0.8Sr0.2Co0.2Fe0.8O3(通称:LSCF)や、La0.6Ca0.4MnO3(通称:LCM)等が挙げられる。空気極32aは、上記材料の2種以上を混合した混合材料により構成されていてもよい。
[Air electrode layer 32]
The
[燃料極層33]
燃料極層33は、燃料極33aを有する。燃料極33aは、アノードである。燃料極33aにおいては、酸素イオンと燃料ガスとが反応して電子を放出する。燃料極33aは、多孔質で、電子伝導性が高く、かつ、高温において固体電解質層31等と固体間反応を起こしにくいものであることが好ましい。燃料極33aは、例えば、NiO、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)・ニッケル金属の多孔質サーメットや、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)・ニッケル金属の多孔質サーメット等により構成することができる。燃料極層33は、上記材料の2種以上を混合した混合材料により構成されていてもよい。
[Fuel electrode layer 33]
The
[第1のセパレータ10]
発電要素30の空気極層32の上には、第1のセパレータ本体11と、第1の流路形成部材12とにより構成されている第1のセパレータ10が配置されている。第1のセパレータ10には、空気極32aに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路12aが形成されている。この酸化剤ガス流路12aは、酸化剤ガス用マニホールド61からx方向のx1側からx2側に向かって延びている。酸化剤ガス流路12aは、x方向に沿って延びる複数の線状凸部12cによって、酸化剤ガス流路12aの幅方向であるy方向において複数に区画されている。
[First separator 10]
On the
第1のセパレータ本体11および第1の流路形成部材12の材料は、特に限定されない。第1のセパレータ本体11および第1の流路形成部材12のそれぞれは、例えば、イットリア安定化ジルコニアなどの安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニア等により形成することができる。また、第1のセパレータ本体11および第1の流路形成部12のそれぞれは、例えば、希土類金属が添加されたランタンクロマイトやチタン酸ストロンチウムなどの導電性セラミックスやアルミナやケイ酸ジルコニウムなどの絶縁性セラミックスなどによっても形成することができる。
The materials of the
複数の線状凸部12cのそれぞれには、複数のビアホール電極12c1が埋設されている。複数のビアホール電極12c1は、複数の線状凸部12cをz方向に貫通するように形成されている。また、第1のセパレータ本体11には、複数のビアホール電極12c1の位置に対応して複数のビアホール電極11cが形成されている。複数のビアホール電極11cは、第1のセパレータ本体11を貫通するように形成されている。これら複数のビアホール電極11cおよび複数のビアホール電極12c1により、線状凸部12cの第1のセパレータ本体11とは反対側の表面から第1のセパレータ本体11の線状凸部12cとは反対側の表面にまで至る複数のビアホール電極が構成されている。
A plurality of via-hole electrodes 12c1 are embedded in each of the plurality of
ビアホール電極11cおよびビアホール電極12c1の材質は、特に限定されない。ビアホール電極11cおよびビアホール電極12c1のそれぞれは、例えば、Ag−Pd合金、Ag−Pt合金、アルカリ土類金属を添加したランタンクロマイト(LaCrO3)、ランタンフェレート(LaFeO3)や、ランタンストロンチウムマンガナイト(LSM:Lanthanum Strontium Manganite)等により形成することができる。
The material of the via
[第2のセパレータ50]
発電要素30の燃料極層33の上には、第2のセパレータ本体51と、第2の流路形成部材52とにより構成されている第2のセパレータ50が配置されている。第2のセパレータ50には、燃料極33aに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路52aが形成されている。この燃料ガス流路52aは、燃料ガス用マニホールド62からy方向のy1側からy2側に向かって延びている。燃料ガス流路52aは、y方向に沿って延びる複数の線状凸部52cによって、燃料ガス流路52aの幅方向であるx方向において複数に区画されている。
[Second separator 50]
On the
第2のセパレータ本体51および第2の流路形成部材52の材料は、特に限定されない。第2のセパレータ本体51および第2の流路形成部材52のそれぞれは、例えば、安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニア等により形成することができる。また、第2のセパレータ本体51および第2の流路形成部材52のそれぞれは、例えば、希土類金属が添加されたランタンクロマイトやチタン酸ストロンチウムなどの導電性セラミックス、アルミナやケイ酸ジルコニウムなどの絶縁性セラミックスなどによっても形成することができる。
The materials of the
複数の線状凸部52cのそれぞれには、複数のビアホール電極52c1が埋設されている。複数のビアホール電極52c1は、複数の線状凸部52cをz方向に貫通するように形成されている。また、第2のセパレータ本体51には、複数のビアホール電極52c1の位置に対応して複数のビアホール電極51cが形成されている。複数のビアホール電極51cは、第2のセパレータ本体51を貫通するように形成されている。これら複数のビアホール電極51cおよび複数のビアホール電極52c1により、線状凸部52cの第2のセパレータ本体51とは反対側の表面から第2のセパレータ本体51の線状凸部52cとは反対側の表面にまで至る複数のビアホール電極が構成されている。
A plurality of via-hole electrodes 52c1 are embedded in each of the plurality of
ビアホール電極51cおよびビアホール電極52c1の材質は、特に限定されない。ビアホール電極51cおよびビアホール電極52c1のそれぞれは、例えば、Ag−Pd合金、Ag−Pt合金、ニッケル金属、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)・ニッケル金属や、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)・ニッケル金属等により形成することができる。
The material of the via
(実施例1)
図1に示す形状の第2の流路形成部材52を形成するために、流路形成用消失材70として、燃料ガス流路52aに対応する形状(図2(a)参照)のPETフィルム(厚み50μm)を用意した。
Example 1
In order to form the second flow
固体電解質形燃料電池支持構造体100において、第2のセパレータ50は、次の材料粉末を用いたグリーンシートを用いて形成した。
In the solid oxide fuel
添加量12モル%のセリア(CeO2)で安定化されたジルコニア(ZrO2)(セリ
ア安定化ジルコニア:CeSZ)に10重量%のジルコン(ZrSiO4)を添加したも
の(電気絶縁材料)。
10% by weight of zircon (ZrSiO 4 ) added to zirconia (ZrO 2 ) (ceria stabilized zirconia: CeSZ) stabilized with 12 mol% of ceria (CeO 2 ) (electrical insulating material).
前記の材料粉末を用いて、図2(b)および(c)に示す部材で形成される線状凸部52cを含む流路形成部材52について、グリーンシートを以下のように作製した。
Using the material powder, a green sheet was produced as follows for the flow
流路形成部材52については、前記材料粉末と、ポリビニルブチラール系バインダーと、有機溶媒としてのエタノールとトルエンとの混合物(重量比率で混合比が1:4)とを各々の体積分率が、材料粉末15vol%、バインダー15vol%、有機溶媒70vol%となるように混合した。混合した後、ドクターブレード法によりグリーンシートを作製した。グリーンシートの厚みは60μmとした。
For the flow
線状凸部52cを形成するグリーンシートでは、図2(b)に示すように複数のビアホール電極52c1を形成するための貫通孔を形成した。形成された貫通孔には、50重量%の銀と50重量%のパラジウムとからなるペーストを充填することにより、ビアホール電極52c1を形成するための導電性ペースト充填層を作製した。この線状凸部52cを形成するグリーンシートは、前記PETフィルムの空隙部分に配置した。
In the green sheet on which the
第2の流路部材52の他の部分については、図2(c)に示す形状のグリーンシートを用い、図2(a)、(b)および(c)の各部材を組み合わせて、図2(d)に示すシート(流路形成部材用グリーンシート)を作製した。図2(d)のシートを焼成すると、図2(a)に示すの流路形成用消失材70(PETフィルム)が消失し、図2(e)の部材が形成されて、第2の流路形成部材52が作製される。第1の流路形成部材12用のグリーンシートも、同様にして作製した。ここで、流路間の間隔(線状凸部と隣り合う線状凸部との間の距離)は、1mmとなるようにした。
As for other parts of the second
発電要素30を構成する各部材については、材料粉末を以下のとおり準備した。
About each member which comprises the electric
固体電解質層31:添加量10モル%のスカンジア(Sc2O3)と添加量1モル%のセリア(CeO2)で安定化されたジルコニア(ZrO2)(スカンジアセリア安定化ジルコニア:ScCeSZ)。 Solid electrolyte layer 31: zirconia (ZrO 2 ) (scandiaceria stabilized zirconia: ScCeSZ) stabilized with scandia (Sc 2 O 3 ) added in an amount of 10 mol% and ceria (CeO 2 ) added in an amount of 1 mol%.
空気極層32:La0.8Sr0.2MnO360重量%と、添加量10モル%のスカンジア(Sc2O3)と添加量1モル%のセリア(CeO2)で安定化されたジルコニア(ZrO2)(スカンジアセリア安定化ジルコニア:ScCeSZ)40重量%との混合物。 Air electrode layer 32: stabilized with 60% by weight of La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 , 10 mol% of scandia (Sc 2 O 3 ) and 1 mol% of ceria (CeO 2 ). Mixture with 40% by weight of zirconia (ZrO 2 ) (scandiaceria stabilized zirconia: ScCeSZ).
燃料極層33:酸化ニッケル(NiO)60重量%と、添加量10モル%のスカンジア(Sc2O3)と添加量1モル%のセリア(CeO2)で安定化されたジルコニア(ZrO2)(スカンジアセリア安定化ジルコニア:ScCeSZ)40重量%との混合物。 Fuel electrode layer 33: Zirconia (ZrO 2 ) stabilized with 60% by weight of nickel oxide (NiO), scandia (Sc 2 O 3 ) with an addition amount of 10 mol% and ceria (CeO 2 ) with an addition amount of 1 mol% (Scandiaceria stabilized zirconia: ScCeSZ) A mixture with 40% by weight.
固体電解質層31、空気極層32、および燃料極層33のグリーンシートを以下のようにして作製した。
Green sheets of the
焼成後にガス拡散に必要な気孔が十分に形成されるように、空気極層32および燃料極層33のそれぞれの材料粉末100重量部に対してカーボン粉末を20〜40重量部添加した。この混合粉末と、ポリビニルブチラール系バインダーと、有機溶媒としてのエタノールとトルエンとの混合物(重量比率で混合比が1:4)とを各々の体積分率が、材料粉末15vol%、バインダー15vol%、有機溶媒70vol%となるように混合した。混合した後、ドクターブレード法により、空気極層32および燃料極層33のグリーンシートを作製した。
20 to 40 parts by weight of carbon powder was added to 100 parts by weight of the material powder of each of the
固体電解質層31の材料粉末と、ポリビニルブチラール系バインダーと、有機溶媒としてのエタノールとトルエンとの混合物(重量比率で混合比が1:4)とを各々の体積分率が、材料粉末15vol%、バインダー15vol%、有機溶媒70vol%となるように混合した。混合した後、ドクターブレード法により固体電解質層31のグリーンシートを作製した。
The volume fraction of each of the material powder of the
以上のようにして作製された、固体電解質形燃料電池100を構成するグリーンシートを図1に示す順に積層した。この積層体を1500kgf/cm2の圧力、80℃の温度にて5分間、冷間静水圧成形(CIP)することにより圧着した。この圧着体を温度400〜500℃の範囲内で脱脂処理を施した後、温度1100℃〜1400℃の範囲内で6時間保持することにより焼成した。この焼成により、上記のPETフィルム(流路形成用消失材70)は消失した。これにより、酸化剤ガス流路12aおよび燃料ガス流路52aを有する実施例1の固体電解質形燃料電池100を形成することができた。
The green sheets constituting the solid
実施例1の固体電解質形燃料電池100において、第1のセパレータ10の第1のセパレータ本体11の焼成後の厚みは、190μmであり、第1の流路形成部材12の焼成後の厚み(酸化剤ガス流路12aの高さ)は、120μmであった。第2のセパレータ50の第2のセパレータ本体51の焼成後の厚みは、180μmであり、第2の流路形成部材52の焼成後の厚み(燃料ガス流路52aの高さ)は120μmであった。また、発電要素30は、空気極層32(焼成後の厚み:300μm)/固体電解質層31(焼成後の厚み:50μm)/燃料極層33(焼成後の厚み:300μm)の構成であった。
In the solid
(比較例1)
比較例1として、実施例1のPETフィルムに替えて、カーボン粉末とバインダーとからなるシートを用いたほかは、実施例1と同様に固体電解質形燃料電池を作製した。本例においては、焼成により前記カーボン粉末は消失し、これにより、酸化剤ガス流路12aおよび燃料ガス流路52aを形成することができた。前記シートは、カーボン粉末と、ポリビニルブチラール系バインダーと有機溶媒としてのエタノールとトルエンの混合物とを各々の体積分率が、材料粉末15vol%、バインダー15vol%、有機溶媒70vol%となるように混合し、作製したシートである。
(Comparative Example 1)
As Comparative Example 1, a solid electrolyte fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that a sheet made of carbon powder and a binder was used instead of the PET film of Example 1. In this example, the carbon powder disappeared by firing, whereby the
(比較例2)
比較例2として、実施例1のPETフィルムに替えて、アクリル樹脂ビーズとジルコニア粉末とバインダーとからなるシートを用いたほかは、実施例1と同様に固体電解質形燃料電池を作製した。本例においては、焼成により前記アクリル樹脂ビーズは消失し、これにより、酸化剤ガス流路12aおよび燃料ガス流路52aを形成することができた。前記シートは、アクリル樹脂ビーズとジルコニア粉末と、ポリビニルブチラール系バインダーと有機溶媒としてのエタノールとトルエンの混合物とを、各々の体積分率が、材料粉末15vol%、バインダー15vol%、有機溶媒70vol%となるように混合し、作製したシートである。
(Comparative Example 2)
As Comparative Example 2, a solid oxide fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that instead of the PET film of Example 1, a sheet made of acrylic resin beads, zirconia powder, and a binder was used. In this example, the acrylic resin beads disappeared by firing, whereby the
実施例および比較例において得られた固体電解質形燃料電池のガス流路に、ガスを流して圧力損失のばらつきを評価した結果を表1に示す。圧力損失のばらつきは、マニホールドに4×10−3m3/minのN2ガスを流した際に、各流路から出てくるガス量を測定し、その流量のばらつきを、圧力損失ばらつきと定義した。 Table 1 shows the results of evaluating the variation in pressure loss by flowing gas through the gas flow paths of the solid oxide fuel cells obtained in Examples and Comparative Examples. The variation in pressure loss is measured by measuring the amount of gas coming out of each flow path when 4 × 10 −3 m 3 / min N 2 gas is allowed to flow through the manifold. Defined.
流路形成用消失材としてPETフィルムを用いた実施例1では、比較例に比べて圧力損失のばらつきが極めて小さくなっていることがわかる。これは、PETフィルムは、積層グリーンシートの圧着時のプレス圧による変形は生じず、焼成前段階において流路形状に変形が生じなかったためであると考えられる。それに対して、比較例1で用いたカーボン粉末とバインダーとからなるシート、および比較例2で用いたアクリル樹脂ビーズとジルコニア粉末とバインダーとからなるシートの場合には、積層体を圧着する際のプレス圧によって、これらシートに変形が生じてしまい、流路に変形が生じた状態で焼成されたために圧力損失に大きなばらつきが生じたものと考えられる。 In Example 1 using a PET film as the flow path forming disappearance material, it can be seen that the variation in pressure loss is extremely small compared to the comparative example. This is presumably because the PET film was not deformed by the press pressure when the laminated green sheet was pressure-bonded, and the flow path shape was not deformed in the pre-firing stage. On the other hand, in the case of the sheet made of carbon powder and binder used in Comparative Example 1 and the sheet made of acrylic resin beads, zirconia powder and binder used in Comparative Example 2, It is considered that these sheets were deformed by the press pressure, and the pressure loss was greatly varied because the sheets were fired in a state where the flow path was deformed.
このように、実質的に圧着時に厚みが変化しないPETフィルム等の流路消失材を用いて固体電解質形燃料電池の製造を行うことで、酸化剤ガス流路および燃料ガス流路における圧力損失のばらつきの少ない固体電解質形燃料電池を得ることができることがわかる。このような製造方法を採用することにより、劣化を起こしにくい固体電解質形燃料電池を得ることができる。 Thus, by manufacturing a solid oxide fuel cell using a flow path disappearing material such as a PET film whose thickness does not substantially change during pressure bonding, pressure loss in the oxidant gas flow path and the fuel gas flow path is reduced. It can be seen that a solid electrolyte fuel cell with little variation can be obtained. By adopting such a manufacturing method, it is possible to obtain a solid oxide fuel cell that is unlikely to deteriorate.
100 固体電解質形燃料電池
10 第1のセパレータ
11 第1のセパレータ本体
11c ビアホール電極
12 第1の流路形成部材
12a 酸化剤ガス流路
12c 線状凸部
12c1 ビアホール電極
30 発電要素
31 固体電解質層
32 空気極層
32a 空気極
33 燃料極層
33a 燃料極
50 第2のセパレータ
51 第2のセパレータ本体
51c ビアホール電極
52 第2の流路形成部材
52a 燃料ガス流路
52c 線状凸部
52c1 ビアホール電極
61 酸化剤ガス用マニホールド
62 燃料ガス用マニホールド
70 流路形成用消失材
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記空気極層の表面に酸化剤ガスを供給するために、第1の方向に延びるように配置された、複数の酸化剤ガス流路と、
前記燃料極層の表面に燃料ガスを供給するために、前記第1の方向と交差する第2の方向に延びるように配置された、複数の燃料ガス流路と
を備える固体電解質形燃料電池の製造方法であって、
前記固体電解質形燃料電池の構成部材を積層して圧着する積層圧着工程と、
前記構成部材を共焼結することによって一体化する焼成工程とを含み、
前記積層圧着工程において、実質的に圧着時に厚みが変化しない流路形成用消失材を、前記酸化剤ガス流路および前記燃料ガス流路の側壁部を形成する材料の間に配置し、
前記流路形成用消失材として、前記焼成工程において共焼結時の加熱により消失する材料を用いることを特徴とする固体電解質形燃料電池の製造方法。 A power generation element composed of a laminate of an air electrode layer, a solid electrolyte layer, and a fuel electrode layer, which are sequentially stacked;
A plurality of oxidant gas flow paths arranged to extend in a first direction to supply oxidant gas to the surface of the air electrode layer;
A solid oxide fuel cell comprising: a plurality of fuel gas flow paths arranged to extend in a second direction intersecting the first direction to supply fuel gas to the surface of the fuel electrode layer A manufacturing method comprising:
A lamination crimping step of laminating the components of the solid oxide fuel cell and crimping;
And a firing step in which the constituent members are integrated by co-sintering,
In the laminating pressure bonding step, a flow path forming disappearing material whose thickness does not substantially change at the time of pressure bonding is disposed between the materials forming the side walls of the oxidant gas flow path and the fuel gas flow path,
A method for producing a solid oxide fuel cell, wherein a material that disappears by heating during co-sintering in the firing step is used as the flow path forming disappearance material.
The method for producing a solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein a material that disappears at a temperature of less than 800 ° C. is used as the flow path forming disappearance material.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013273374A JP2015128024A (en) | 2013-12-27 | 2013-12-27 | Method of manufacturing solid electrolyte type fuel battery |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013273374A JP2015128024A (en) | 2013-12-27 | 2013-12-27 | Method of manufacturing solid electrolyte type fuel battery |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2015128024A true JP2015128024A (en) | 2015-07-09 |
Family
ID=53837947
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013273374A Pending JP2015128024A (en) | 2013-12-27 | 2013-12-27 | Method of manufacturing solid electrolyte type fuel battery |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2015128024A (en) |
-
2013
- 2013-12-27 JP JP2013273374A patent/JP2015128024A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
WO2018181922A1 (en) | Electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, energy system, solid oxide fuel cell, and method for producing electrochemical element | |
JP5247051B2 (en) | Fuel cell and fuel cell stack, and fuel cell | |
JP2014026926A (en) | Solid oxide fuel cell and cell stack device and fuel cell module | |
WO2014208730A1 (en) | Cell, cell stacker, module, and module storage device | |
JP5645712B2 (en) | Solid oxide fuel cell and fuel cell module | |
JP5686190B2 (en) | Joining material for solid oxide fuel cell, method for producing solid oxide fuel cell, method for producing solid oxide fuel cell module, solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell module | |
JPWO2015115554A1 (en) | Cell, cell stack device and module, and module housing device | |
JP5105840B2 (en) | Flat fuel cell interconnector and method for manufacturing the same, flat fuel cell, flat fuel cell stack and method for manufacturing the same | |
JP5377599B2 (en) | FUEL BATTERY CELL, CELL STACK DEVICE USING THE SAME, FUEL CELL MODULE, AND FUEL CELL DEVICE | |
JP2012074306A (en) | Power generation cell for solid oxide fuel cell | |
JP5489673B2 (en) | FUEL CELL CELL, CELL STACK DEVICE EQUIPPED WITH THE SAME, FUEL CELL MODULE, AND FUEL CELL DEVICE | |
CN108604691B (en) | Battery unit, battery stack device, module, and module housing device | |
JP5888420B2 (en) | Fuel cell | |
JP5294649B2 (en) | Cell stack and fuel cell module | |
JP5404973B1 (en) | Solid oxide fuel cell, fuel cell module, and fuel cell device | |
WO2018174167A1 (en) | Substrate with electrode layer for metal support type electrochemical element, electrochemical element, electrochemical module, solid oxide fuel cell, and manufacturing method | |
JP5289010B2 (en) | Solid oxide fuel cell, fuel cell stack device, fuel cell module and fuel cell device | |
JP2015082389A (en) | Cell, cell stack device, module, and module storing device | |
JP5502365B2 (en) | Half cell for solid oxide fuel cell, solid oxide fuel cell, and method for producing half cell for solid oxide fuel cell | |
JP2015128024A (en) | Method of manufacturing solid electrolyte type fuel battery | |
JP6503746B2 (en) | Method of manufacturing solid electrolyte fuel cell | |
JP2018156955A (en) | Solid oxide fuel cell, cell stack device and fuel cell module | |
JP5062786B1 (en) | Fuel cell structure | |
JP2012114033A (en) | Support medium for fuel battery, fuel battery cell, fuel battery cell device, fuel battery module, and fuel battery device | |
JP2018174116A (en) | Electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, energy system, solid oxide fuel cell, and manufacturing method of electrochemical element |