JP2016071983A - 固体酸化物形燃料電池用燃料極材料及びその製造方法、並びに、固体酸化物形燃料電池用ハーフセル及びそれを備えた固体酸化物形燃料電池用単セル - Google Patents
固体酸化物形燃料電池用燃料極材料及びその製造方法、並びに、固体酸化物形燃料電池用ハーフセル及びそれを備えた固体酸化物形燃料電池用単セル Download PDFInfo
- Publication number
- JP2016071983A JP2016071983A JP2014197868A JP2014197868A JP2016071983A JP 2016071983 A JP2016071983 A JP 2016071983A JP 2014197868 A JP2014197868 A JP 2014197868A JP 2014197868 A JP2014197868 A JP 2014197868A JP 2016071983 A JP2016071983 A JP 2016071983A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- powder
- nickel oxide
- fuel electrode
- oxide powder
- average particle
- 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)
- Inert Electrodes (AREA)
Abstract
【課題】優れた初期の発電性能と、その発電性能を長時間安定して維持することができる高い耐久性とを有する燃料極を高い歩留りで製造できる、固体酸化物形燃料電池用燃料極材料を提供する。【解決手段】本発明の固体酸化物形燃料電池用燃料極材料は、混合酸化ニッケル粉末(A)と、安定化ジルコニア粉末(B)及びドープセリア粉末(C)からなる群から選択される少なくともいずれか1種の粉末(D)と、を含む。混合酸化ニッケル粉末(A1)は、第1の酸化ニッケル粉末(A1)と、前記第1の酸化ニッケル粉末(A1)よりも小さい平均粒子径を有する第2の酸化ニッケル粉末(A2)との混合物である。前記第1の酸化ニッケル粉末(A1)の平均粒子径、前記第2の酸化ニッケル粉末(A2)の平均粒子径及び前記粉末(D)の平均粒子径が、前記粉末(A1)の平均粒子径>前記粉末(D)の平均粒子径>前記粉末(A2)の平均粒子径、の関係を満たす。【選択図】図1
Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池用燃料極材料及びその製造方法と、固体酸化物形燃料電池用ハーフセル及びそれを備えた固体酸化物形燃料電池用単セルとに関する。
近年、燃料電池は、クリーンエネルギー源として注目されている。燃料電池のうち、電解質に固体のセラミックを使用している固体酸化物形燃料電池(以下、「SOFC」と記載する。)は、作動温度が高いため排熱を利用でき、さらに高効率で電力を得ることができる等の長所を有しており、家庭用電源から大規模発電まで幅広い分野での活用が期待されている。
SOFCは、基本構造として、空気極と燃料極との間にセラミックからなる電解質層が配置された構造を有する。例えば平型のSOFCは、空気極、電解質層及び燃料極を重ね合わせたものを単セルとし、この単セルがインターコネクタを挟んで複数積み重ねられることによって高出力を得る。
SOFCの燃料極としては、ニッケル−ジルコニアのサーメット(焼結体)が一般的に用いられている。ニッケル−ジルコニアのサーメットからなる燃料極は、優れた初期の発電性能を有する。しかし、SOFCの使用のたびに燃料極が高温雰囲気にさらされることにより、燃料極中のニッケルが凝集して燃料極の発電性能が低下してしまうという問題が指摘されている。こうした問題を解決するために、例えば特許文献1では、燃料極材料として、比較的大きな粒径を有するジルコニア粗粒子群及び比較的小さな粒径を有するジルコニア微粒子群の2種のジルコニア粒子群と、酸化ニッケル又はニッケル粒子群との混合物を用いることが提案されている。この混合物では、各粒子群の粒径が、ジルコニア粗粒子群>酸化ニッケル又はニッケル粒子群>ジルコニア微粒子群の関係を満たしている。この混合物を用いて作製された燃料極は、初期の発電性能を長時間安定して維持することができる。
近年、より高出力の発電性能を有するSOFCが求められており、燃料極についても、さらなる発電性能の向上が求められている。また、上記従来の燃料極材料は、初期の発電性能を長時間安定して維持する燃料極を実現することは可能であるが、燃料極製造時にクラック及び貫通孔の発生を低減して歩留りを向上させることまでは考慮されていない。
そこで、本発明は、より優れた初期の発電性能と、その初期の発電性能を長時間安定して維持することができる高い耐久性とを有する燃料極を、高い歩留りで製造することが可能なSOFC用燃料極材料を提供することを目的とする。さらに、本発明は、より優れた初期の発電性能と、その初期の発電性能を長時間安定して維持することができる高い耐久性とを有するSOFCを実現することが可能な、SOFC用ハーフセル及びSOFC用単セルを提供することも目的とする。
本発明は、
第1の酸化ニッケル粉末(A1)と、前記第1の酸化ニッケル粉末(A1)よりも小さい平均粒子径を有する第2の酸化ニッケル粉末(A2)との混合物である混合酸化ニッケル粉末(A)と、
安定化ジルコニア粉末(B)及びドープセリア粉末(C)からなる群から選択される少なくともいずれか1種の粉末(D)と、
を含み、
前記第1の酸化ニッケル粉末(A1)の平均粒子径、前記第2の酸化ニッケル粉末(A2)の平均粒子径及び前記粉末(D)の平均粒子径が、前記粉末(A1)の平均粒子径>前記粉末(D)の平均粒子径>前記粉末(A2)の平均粒子径、の関係を満たす、
SOFC用燃料極材料を提供する。
第1の酸化ニッケル粉末(A1)と、前記第1の酸化ニッケル粉末(A1)よりも小さい平均粒子径を有する第2の酸化ニッケル粉末(A2)との混合物である混合酸化ニッケル粉末(A)と、
安定化ジルコニア粉末(B)及びドープセリア粉末(C)からなる群から選択される少なくともいずれか1種の粉末(D)と、
を含み、
前記第1の酸化ニッケル粉末(A1)の平均粒子径、前記第2の酸化ニッケル粉末(A2)の平均粒子径及び前記粉末(D)の平均粒子径が、前記粉末(A1)の平均粒子径>前記粉末(D)の平均粒子径>前記粉末(A2)の平均粒子径、の関係を満たす、
SOFC用燃料極材料を提供する。
本発明は、さらに、上記本発明のSOFC用燃料極材料を製造する方法であって、
(I)前記第1の酸化ニッケル粉末(A1)及び前記第2の酸化ニッケル粉末(A2)を準備し、前記第1の酸化ニッケル粉末(A1)及び前記第2の酸化ニッケル粉末(A2)を混合して前記混合酸化ニッケル粉末(A)を調製する工程と、
(II)前記安定化ジルコニア粉末(B)及び前記ドープセリア粉末(C)からなる群から選択される少なくともいずれか1種の前記粉末(D)を準備する工程と、
(III)前記混合酸化ニッケル粉末(A)及び前記粉末(D)を混合して、前記混合酸化ニッケル粉末(A)及び前記粉末(D)を含む混合物を調製する工程と、
を含む、SOFC用燃料極材料の製造方法も提供する。
(I)前記第1の酸化ニッケル粉末(A1)及び前記第2の酸化ニッケル粉末(A2)を準備し、前記第1の酸化ニッケル粉末(A1)及び前記第2の酸化ニッケル粉末(A2)を混合して前記混合酸化ニッケル粉末(A)を調製する工程と、
(II)前記安定化ジルコニア粉末(B)及び前記ドープセリア粉末(C)からなる群から選択される少なくともいずれか1種の前記粉末(D)を準備する工程と、
(III)前記混合酸化ニッケル粉末(A)及び前記粉末(D)を混合して、前記混合酸化ニッケル粉末(A)及び前記粉末(D)を含む混合物を調製する工程と、
を含む、SOFC用燃料極材料の製造方法も提供する。
また、本発明は、燃料極と、前記燃料極の一方の主面に配置された電解質層とを備えたSOFC用ハーフセルであって、前記燃料極が、上記本発明のSOFC用燃料極材料を用いて作製されている、SOFC用ハーフセルも提供する。
また、本発明は、上記本発明のSOFC用ハーフセルと、前記電解質層の前記燃料極と反対側に配置された空気極と、を備えた、SOFC用単セルも提供する。
本発明のSOFC用燃料極材料及びその製造方法によれば、より優れた初期の発電性能と、その初期の発電性能を長時間安定して維持することができる高い耐久性とを有する燃料極を、高い歩留りで提供することができる。また、本発明のSOFC用ハーフセル及びSOFC用単セルは、本発明のSOFC用燃料極材料を用いて作製された燃料極を備えているので、より優れた初期の発電性能と、その初期の発電性能を長時間安定して維持することができる高い耐久性とを有するSOFCを実現できる。
(実施形態1)
本発明のSOFC用燃料極材料の実施形態について、具体的に説明する。
本発明のSOFC用燃料極材料の実施形態について、具体的に説明する。
本実施形態のSOFC用燃料極材料は、混合酸化ニッケル粉末(A)と、安定化ジルコニア粉末(B)及びドープセリア粉末(C)からなる群から選択される少なくともいずれか1種の粉末(D)と、を含んでいる。混合酸化ニッケル粉末(A)は、第1の酸化ニッケル粉末(A1)と、第1の酸化ニッケル粉末(A1)よりも小さい平均粒子径を有する第2の酸化ニッケル粉末(A2)との混合物である。第1の酸化ニッケル粉末(A1)の平均粒子径、第2の酸化ニッケル粉末(A2)の平均粒子径及び粉末(D)の平均粒子径は、
粉末(A1)の平均粒子径>粉末(D)の平均粒子径>粉末(A2)の平均粒子径、
の関係を満たしている。なお、本明細書における平均粒子径とは、体積基準の累積粒度分布から求められるメジアン径、すなわち体積累積が50%に相当する粒子径(D50)のことである。ここで、本明細書において特定される粉末の粒子径とは、レーザ回折散乱法に基づいて測定される粒径のことである。
粉末(A1)の平均粒子径>粉末(D)の平均粒子径>粉末(A2)の平均粒子径、
の関係を満たしている。なお、本明細書における平均粒子径とは、体積基準の累積粒度分布から求められるメジアン径、すなわち体積累積が50%に相当する粒子径(D50)のことである。ここで、本明細書において特定される粉末の粒子径とは、レーザ回折散乱法に基づいて測定される粒径のことである。
本実施形態のSOFC用燃料極材料は、種々のタイプのSOFCの燃料極に用いることができる。例えば、本実施形態のSOFC用燃料極材料は、電解質支持型セル(ESC)の燃料極層、並びに、燃料極支持型セル(ASC)の燃料極支持基板及び燃料極層に適用可能である。SOFC用燃料極は、導電成分と骨格成分とを含む材料によって形成される。本実施形態のSOFC用燃料極材料において、混合酸化ニッケル粉末(A)は導電成分として、粉末(D)は骨格成分として、それぞれ機能する。
導電成分として、比較的大きい平均粒子径を有する第1の酸化ニッケル粉末(A1)と比較的小さい平均粒子径を有する第2の酸化ニッケル粉末(A2)との混合物を用いることにより、第1の酸化ニッケル粉末(A1)同士の隙間及び第1の酸化ニッケル粉末(A1)と粉末(D)との隙間に、第2の酸化ニッケル粉末(A2)が分散され得るので、十分な電流パスが確保できる。さらに、平均粒子径が互いに異なる粉末(粉末(A1)及び粉末(A2))が混合されることにより、酸化ニッケル粉末の表面積が増加して酸化ニッケル粉末と粉末(D)との界面も増加するので、電気化学反応場(三相界面)も増加する。さらに、平均粒子径が互いに異なる2種の酸化ニッケル粉末と、さらにこれら酸化ニッケル粉末の間の平均粒子径を有する粉末(D)とが混合されることにより、酸化ニッケル粒子の凝集が抑制されるため、酸化ニッケル粒子の凝集に起因する電流パスの遮断も改善できる。また、このような酸化ニッケル粒子の凝集を抑制する効果は、燃料極の製造時だけでなく、使用時に高温雰囲気にさらされることで生じる凝集に対しても発揮される。これらの理由により、本実施形態のSOFC用燃料極材料によれば、より優れた初期の発電性能と、その初期の発電性能を長時間安定して維持することができる高い耐久性とを有する燃料極を実現できる。さらに、本実施形態のSOFC用燃料極材料は、平均粒子径が上記関係を有する複数種の粉末(粉末(A1)、粉末(A2)及び粉末(D))を含むことにより、燃料極形成時の収縮を緩和できるので、製造段階で燃料極に発生するクラック、欠け及び割れの欠陥発生を抑制できる。その結果、歩留りが向上する。
混合酸化ニッケル粉末(A)を構成する第1の酸化ニッケル粉末(A1)及び第2の酸化ニッケル粉末(A2)の平均粒子径は、上記関係を満たす限りにおいて特には限定されないが、第1の酸化ニッケル粉末(A1)の平均粒子径は0.6〜3.0μmであることが好ましく、0.7〜2μmであることがより好ましく、0.8〜1.5μmであることが特に好ましい。また、第2の酸化ニッケル粉末(A2)の平均粒子径は、0.08〜0.5μmであることが好ましく、0.1〜0.4μmであることがより好ましく、0.12〜0.3μmであることが特に好ましい。これらの平均粒子径を有する第1の酸化ニッケル粉末(A1)及び第2の酸化ニッケル粉末(A2)によれば、燃料極の初期の発電性能及び耐久性をより向上させることができる。
第1の酸化ニッケル粉末(A1)の平均粒子径に対する第2の酸化ニッケル粉末(A2)の平均粒子径の比(粉末(A2)の平均粒子径/粉末(A1)の平均粒子径)は、特には限定されないが、0.3以下が好ましく、0.2以下がより好ましく、0.15以下が特に好ましい。これにより、粉末の表面積の増加による三相界面のさらなる増加によって初期の発電性能をさらに向上させることができ、また、燃料極形成時の収縮をより一層緩和することができるので歩留りをさらに向上させることもできる。
混合酸化ニッケル粉末(A)において、第1の酸化ニッケル粉末(A1)及び第2の酸化ニッケル粉末(A2)の混合比率は特には限定されないが、第1の酸化ニッケル粉末(A1)の含有率が10〜50質量%、第2の酸化ニッケル粉末(A2)の含有率が50〜90質量%であることが好ましい。より好ましくは第1の酸化ニッケル粉末(A1)の含有率が20〜40質量%、第2の酸化ニッケル粉末(A2)の含有率が60〜80質量%であることであり、特に好ましくは第1の酸化ニッケル粉末(A1)の含有率が25〜35質量%、第2の酸化ニッケル粉末(A2)の含有率が65〜75質量%であることである。第1の酸化ニッケル粉末(A1)及び第2の酸化ニッケル粉末(A2)がこのような混合比率を満たすことにより、燃料極の初期の発電性能及び耐久性をさらに向上させることができる。
混合酸化ニッケル粉末(A)の粒度分布は、これを構成する第1の酸化ニッケル粉末(A1)及び第2の酸化ニッケル粉末(A2)の粒度分布によるため、特には限定されないが、体積基準の累積粒度分布における10%粒子径(D10)及び90%粒子径(D90)が、D90/D10≦6.0を満たすことが好ましく、D90/D10≦4.5を満たすことがより好ましく、D90/D10≦3.0を満たすことが特に好ましい。このような粒度分布を有する混合酸化ニッケル粉末(A)によれば、燃料極の初期の発電性能及び耐久性をより向上させることができる。
第1の酸化ニッケル粉末(A1)及び第2の酸化ニッケル粉末(A2)はいずれも、酸化ニッケル粉末を熱処理することによって凝集酸化ニッケル粉末とし、該凝集酸化ニッケル粉末を粉砕することによって得られるものであることが好ましい。熱処理の雰囲気は特に限定されないが、酸化性雰囲気(例えば空気雰囲気)が好ましい。熱処理温度は1300〜1500℃の範囲が好ましい。粉砕方法は特に限定されず、乾式法でも湿式法でもよいが、湿式法(湿式粉砕)が好ましい。
骨格成分として用いられる安定化ジルコニア粉末(B)としては、例えば、希土類金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物を安定化剤として含む安定化ジルコニアを用いることができる。例えば、Sc、Y、Yb及びCe等の希土類金属の酸化物1.0〜15モル%を安定化剤として含む安定化ジルコニア、及び、Mg及びCa等のアルカリ土類金属の酸化物5〜20モル%を安定化剤として含む安定化ジルコニアが例示される。これらは、必要に応じて2種類以上を併用されることも可能である。これらの安定化ジルコニアの中で特に好ましいのは、イットリアで安定化されたジルコニア(YSZ)、及び、スカンジアで安定化されたジルコニア(ScSZ)である。また、ドープセリア粉末(C)としては、Gd、Sm、Y等の希土類元素の酸化物等をドープしたセリア等を用いることができる。
安定化ジルコニア粉末(B)の平均粒子径及びドープセリア粉末(C)の平均粒子径は、上記関係を満たす限りにおいて特には限定されない。粉末(D)として安定化ジルコニア粉末(B)及びドープセリア粉末(C)の混合粉末が用いられる場合、混合粉末の平均粒子径、すなわち、粉末(D)の平均粒子径が、第2の酸化ニッケル粉末(A2)の平均粒子径を超え、かつ第1の酸化ニッケル粉末(A1)の平均粒子径未満であればよいが、好ましくは、安定化ジルコニア粉末(B)の平均粒子径及びドープセリア粉末(C)の平均粒子径のそれぞれが、第2の酸化ニッケル粉末(A2)の平均粒子径を超え、かつ第1の酸化ニッケル粉末(A1)の平均粒子径未満であることである。すなわち、第1の酸化ニッケル粉末(A1)の平均粒子径、第2の酸化ニッケル粉末(A2)の平均粒子径、安定化ジルコニア粉末(B)の平均粒子径及びドープセリア粉末(C)の平均粒子径が、
粉末(A1)の平均粒子径>(粉末(B)の平均粒子径及び粉末(C)の平均粒子径)>粉末(A2)の平均粒子径、
の関係を満たすことが好ましい。
粉末(A1)の平均粒子径>(粉末(B)の平均粒子径及び粉末(C)の平均粒子径)>粉末(A2)の平均粒子径、
の関係を満たすことが好ましい。
粉末(D)の平均粒子径は、特に限定されないが、0.11〜1.5μmであることが好ましく、0.12〜1.2μmであることがより好ましく、0.15〜1.0μmであることが特に好ましい。また、粉末(D)を構成する安定化ジルコニア粉末(B)の平均粒子径及びドープセリア粉末(C)の平均粒子径が、共に、0.11〜1.5μmであることが好ましく、0.12〜1.2μmであることがより好ましく、0.15〜1.0μmであることが特に好ましい。これらの平均粒子径を有する安定化ジルコニア粉末(B)及びドープセリア粉末(C)によれば、燃料極の初期の発電性能及び耐久性をより向上させることができる。
粉末(D)は、安定化ジルコニア粉末及び/又はドープセリア粉末を、すなわち、安定化ジルコニア粉末、ドープセリア粉末又はこれらの混合粉末を、1300℃〜1500℃で熱処理し、得られた凝集粉末を粉砕することによって上述した好ましい粒度分布を有する粉末に制御されたものであることが好ましい。熱処理の雰囲気は特に限定されないが、酸化性雰囲気(例えば空気雰囲気)が好ましい。粉砕方法は特に限定されず、乾式法でも湿式法でもよいが、湿式法(湿式粉砕)が好ましい。
本実施形態のSOFC用燃料極材料において、混合酸化ニッケル粉末(A)及び粉末(D)の混合比率は特には限定されないが、混合酸化ニッケル粉末(A)の含有率が45〜75質量%、粉末(D)の含有率が25〜55質量%であることが好ましい。より好ましくは混合酸化ニッケル粉末(A)の含有率が50〜70質量%、粉末(D)の含有率が30〜50質量%であること、特に好ましくは合酸化ニッケル粉末(A)の含有率が55〜65質量%、粉末(D)の含有率が35〜45質量%であることである。このような混合比率によれば、燃料極の初期の発電性能及び耐久性をより向上させることができる。
本実施形態のSOFC用燃料極材料は、特性に影響を及ぼさない程度であれば、粉末(A1)、粉末(A2)及び粉末(D)以外の他の成分を含んでいてもよい。SOFC用燃料極材料に他の成分が含まれる場合は、その含有率は、0.15質量%以下が好ましく、0.1質量%以下がより好ましい。本実施形態のSOFC用燃料極材料は、粉末(A1)、粉末(A2)及び粉末(D)からなることが特に好ましい。
次に、本実施形態のSOFC用燃料極材料の製造方法について説明する。本実施形態のSOFC用燃料極材料は、例えば、
(I)第1の酸化ニッケル粉末(A1)及び第2の酸化ニッケル粉末(A2)を準備し、第1の酸化ニッケル粉末(A1)及び第2の酸化ニッケル粉末(A2)を混合して混合酸化ニッケル粉末(A)を調製する工程と、
(II)安定化ジルコニア粉末(B)及びドープセリア粉末(C)からなる群から選択される少なくともいずれか1種の粉末(D)を準備する工程と、
(III)混合酸化ニッケル粉末(A)及び粉末(D)を混合して、混合酸化ニッケル粉末(A)及び粉末(D)を含む混合物を調製する工程と、
を含む、製造方法によって得ることができる。
(I)第1の酸化ニッケル粉末(A1)及び第2の酸化ニッケル粉末(A2)を準備し、第1の酸化ニッケル粉末(A1)及び第2の酸化ニッケル粉末(A2)を混合して混合酸化ニッケル粉末(A)を調製する工程と、
(II)安定化ジルコニア粉末(B)及びドープセリア粉末(C)からなる群から選択される少なくともいずれか1種の粉末(D)を準備する工程と、
(III)混合酸化ニッケル粉末(A)及び粉末(D)を混合して、混合酸化ニッケル粉末(A)及び粉末(D)を含む混合物を調製する工程と、
を含む、製造方法によって得ることができる。
工程(I)で準備される第1の酸化ニッケル粉末(A1)及び第2の酸化ニッケル粉末(A2)は、酸化ニッケル粉末を1300〜1500℃で熱処理し、得られた凝集酸化ニッケル粉末を粉砕することによって得られるものであることが好ましい。工程(I)は、酸化ニッケル粉末を1300〜1500℃で熱処理し、得られた凝集酸化ニッケル粉末を粉砕することによって、第1の酸化ニッケル粉末(A1)及び第2の酸化ニッケル粉末(A2)を得る工程を含んでいてもよい。
上記熱処理において、雰囲気は特に限定されないが、酸化性雰囲気(例えば空気雰囲気)が好ましい。また上記粉砕の方法は特に限定されず、乾式法でも湿式法でもよいが、湿式法(湿式粉砕)が好ましい。
工程(II)で準備される粉末(D)は、安定化ジルコニア粉末及び/又はドープセリア粉末を1300℃〜1500℃で熱処理し、得られた凝集粉末を粉砕することによって得られるものであることが好ましい。工程(II)は、安定化ジルコニア粉末及び/又はドープセリア粉末を1300℃〜1500℃で熱処理し、得られた凝集粉末を粉砕することによって粉末(D)を得る工程を含んでいてもよい。
上記熱処理の雰囲気は特に限定されないが、酸化性雰囲気(例えば空気雰囲気)が好ましい。粉砕方法は特に限定されず、乾式法でも湿式法でもよいが、湿式法(湿式粉砕)が好ましい。
(実施形態2)
本発明のSOFC用ハーフセルの実施形態及びSOFC用単セルの実施形態について説明する。
本発明のSOFC用ハーフセルの実施形態及びSOFC用単セルの実施形態について説明する。
本実施形態のSOFC用ハーフセル及びSOFC用単セルは、燃料極が実施形態1で説明したSOFC用燃料極材料によって作製されていればよいため、そのタイプは限定されない。前記単セルとは、電解質層と該電解質層を挟むようにして一対の電極(燃料極及び空気極)が配置された構成を有するセルを意味する。前記ハーフセルとは、前記単セルにおいて空気極が設けられていない構成を有するセルを意味する。
本実施形態のSOFC用ハーフセル及びSOFC用単セルは、例えば電解質支持型セル(ESC)であってもよいし、燃料極支持型セル(ASC)であってもよい。本実施形態では、SOFC用ハーフセル及びSOFC用単セルが燃料極支持型セルである場合を例に挙げて説明する。
図1に、本実施形態の燃料極支持型セルの断面図を示す。本実施形態の燃料極支持型セル1は、燃料極11と、空気極12と、燃料極11と空気極12との間に配置された電解質層13と、を備えている。電解質層13と空気極12との間には、反応防止層14がさらに設けられている。なお、反応防止層14は必要に応じて設けられればよく、反応防止層14が設けられない場合もある。
燃料極11は、燃料極支持基板111と、燃料極支持基板111の電解質層13側の面上に配置された燃料極層112と、によって形成されている。なお、燃料極層112が支持体として作用し得る場合、すなわち、支持基板を兼ねることができる場合は、燃料極支持基板111を別途設けなくてもよい。電解質層13、反応防止層14及び空気極12は、燃料極支持基板111によって支持されている。
燃料極支持基板111及び燃料極層112には、実施形態1で説明したSOFC用燃料極材料を用いることができる。
燃料極支持基板111の厚さは、特に限定されないが、例えば100μm以上が好ましく、120μm以上がより好ましく、150μm以上がさらに好ましい。また、燃料極支持基板111の厚さは、3mm以下が好ましく、2mm以下がより好ましく、1mm以下がさらに好ましく、500μm以下が特に好ましい。燃料極支持基板111の厚さが上記範囲内であれば、燃料極支持基板111の機械的強度とガス通過性とをバランス良く両立しやすくなる。
燃料極層112の厚さは、特に限定されないが、例えば5μm以上が好ましく、7μm以上がより好ましく、10μm以上がさらに好ましい。また、燃料極層112の厚さは、100μm以下が好ましく、50μm以下がより好ましく、30μm以下がさらに好ましい。燃料極層112の厚さが上記範囲内であれば、電極反応が効率的に行われ、燃料極支持型セルとした場合に、発電性能がより良好となる。なお、燃料極層112が支持基板を兼ねる場合は、燃料極層112の厚さの好ましい範囲は、上述した燃料極支持基板111の厚さの好ましい範囲と同様である。
電解質層13には、一般的なSOFCの電解質層が適用できるので、その材料は特に限定されない。詳しくは、電解質層13は、セラミック質を主成分として含む。セラミック質としては、通常、SOFCの電解質層の材料として用いられるものであれば特に限定されない。例えば、イットリア、セリア、スカンジア、イッテルビア等で安定化されたジルコニア;イットリア、サマリア、ガドリニア等でドープされたセリア;ランタンガレート、及びランタンガレートのランタン又はガリウムの一部がストロンチウム、カルシウム、バリウム、マグネシウム、アルミニウム、インジウム、コバルト、鉄、ニッケル、銅等で置換されたランタンガレート型ペロブスカイト構造酸化物、等を使用することができる。これらは単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、イットリア、スカンジア、イッテルビア等で安定化されたジルコニアが好適である。
特に、セラミック質として、3モル%以上10モル%以下のイットリアで安定化されたジルコニア、4モル%以上12モル%以下のスカンジアで安定化されたジルコニア、8モル%以上12モル%以下のスカンジアで安定化されたジルコニア、4モル%以上15モル%以下のイッテルビアで安定化されたジルコニア、8〜12モル%のスカンジアと0.5〜5モル%のセリアで安定化されたジルコニアを用いることが好ましい。また、これらの安定化ジルコニアに、アルミナ、シリカ、チタニア等を焼結助剤や分散強化剤として添加した材料も好適に用いることができる。
電解質層13の厚さは、特に限定されないが、例えば3μm以上が好ましく、4μm以上がより好ましく、5μm以上がさらに好ましい。また、電解質層13の厚さは、50μm以下が好ましく、30μm以下がより好ましく、20μm以下がさらに好ましい。電解質層13の厚さが上記範囲内であれば、燃料極支持型セルとした場合に、ガスのクロスリークを防ぎつつも、発電性能がより良好となる。
反応防止層14は、セル作製時又は発電中の高温雰囲気下において、電解質層13と空気極12との間で起こる絶縁物質の生成を抑える効果、あるいは、発電を促進させる効果を期待できるものである。一般には、酸化物イオン伝導性を有する材料であり、Gd、Sm及びY等の希土類元素の酸化物等がドープされたセリアが用いられる。
空気極12は、一般に、電子伝導性に優れ、酸化雰囲気下でも安定な、ペロブスカイト形酸化物が用いられる。具体的には、La0.8Sr0.2MnO3、La0.6Sr0.4CoO3、La0.6Sr0.4FeO3及びLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3等のランタンの一部をストロンチウムで置換したランタンマンガナイト、ランタンフェライト及びランタンコバルタイト等が好適に用いられる。また、空気極12にイオン伝導性を付与するために、Sc、Y及びCe等の希土類金属の酸化物やアルカリ土類金属酸化物を安定化剤として2.5〜15モル%で含む安定化ジルコニアや、希土類元素酸化物等をドープしたセリアを適宜混合することも可能である。
空気極12の厚さは、特に限定されないが、例えば5μm以上が好ましく、7μm以上がより好ましく、10μm以上がさらに好ましい。また、空気極12の厚さは、80μm以下が好ましく、70μm以下がより好ましく、60μm以下がさらに好ましい。空気極12の厚さが上記範囲内であれば、電極反応が効率的に行われ、燃料極支持型セルとした場合に、発電性能がより良好となる。
本実施形態の燃料極支持型セル1は、燃料極の材料として実施形態1のSOFC用燃料極材料を用いているので、優れた初期の発電性能と、その初期の発電性能を長時間安定して維持することができる高い耐久性とを有する。
本実施形態の燃料極支持型のハーフセルは、燃料極支持型セル1において空気極12が設けられていない構成を有する。したがって、本実施形態の燃料極支持型のハーフセルも、空気極をさらに備えることによって、優れた初期の発電性能と、その初期の発電性能を長時間安定して維持することができる高い耐久性とを有するものとなる。
次に、燃料極支持型セル1の製造方法について説明する。燃料極支持型セル1を製造する方法の一例は、燃料極11、電解質層13及び反応防止層14を含み、且つ所定の形状を有する多層焼成体を作製する工程と、所定の形状を有する多層焼成体において、燃料極11と反対側の面に空気極12を作製する工程と、を含む方法である。
多層焼成体は、
(1)燃料極支持基板111用のグリーンシート上に、燃料極層112用のグリーン層(燃料極層112を設けない構成の場合は不要)と、電解質層13用のグリーン層と、反応防止層14用のグリーン層(反応防止層14を設けない構成の場合は不要)と、が順に積み重ねられた積層体を形成した後、これら全体を一括して焼成する方法、
又は、
(2)燃料極支持基板111用のグリーンシートを焼成して燃料極支持基板111を作製し、その上に燃料極層112用のグリーン層(燃料極層112を設けない構成の場合は不要)と、電解質層13用のグリーン層と、反応防止層14用のグリーン層(反応防止層14を設けない構成の場合は不要)と、が順に積み重ねられた積層体を形成した後、これらを焼成する方法、
を用いて作製できる。ここでは、(1)の方法を例に挙げて、多層焼成体の作製方法を説明する。
(1)燃料極支持基板111用のグリーンシート上に、燃料極層112用のグリーン層(燃料極層112を設けない構成の場合は不要)と、電解質層13用のグリーン層と、反応防止層14用のグリーン層(反応防止層14を設けない構成の場合は不要)と、が順に積み重ねられた積層体を形成した後、これら全体を一括して焼成する方法、
又は、
(2)燃料極支持基板111用のグリーンシートを焼成して燃料極支持基板111を作製し、その上に燃料極層112用のグリーン層(燃料極層112を設けない構成の場合は不要)と、電解質層13用のグリーン層と、反応防止層14用のグリーン層(反応防止層14を設けない構成の場合は不要)と、が順に積み重ねられた積層体を形成した後、これらを焼成する方法、
を用いて作製できる。ここでは、(1)の方法を例に挙げて、多層焼成体の作製方法を説明する。
まず、燃料極支持基板111用のグリーンシートを準備する。燃料極支持基板111用のグリーンシートは、原料粉末である実施形態1で説明したSOFC用燃料極材料と、空孔形成剤と、バインダー及び溶剤とを混合し、さらに必要に応じて分散剤及び可塑剤等を添加してスラリーを調製し、このスラリーをドクターブレード法、カレンダーロール法、押出し法等の任意の方法で所定の厚さを有するシート状に成形し、これを乾燥させて溶剤を揮発除去することによって、得られる。空孔形成剤、バインダー、溶剤、分散剤及び可塑剤等は、SOFCの燃料極支持基板の製造方法において公知となっている空孔形成剤、バインダー、溶剤、分散剤及び可塑剤等の中から適宜選択できる。
燃料極支持基板111用のグリーンシート上に、燃料極層112用のペーストを用いて、燃料極層112用のグリーン層が形成される。燃料極層112用のペーストは、原料粉末である実施形態1で説明したSOFC用燃料極材料と、空孔形成剤と、バインダー及び溶剤とを混合し、さらに必要に応じて分散剤及び可塑剤等を添加することによって、調製される。このペーストを燃料極支持基板111用のグリーンシート上に、スクリーン印刷等の方法を用いて塗布し、これを乾燥させることによって、燃料極層112用のグリーン層が形成される。空孔形成剤、バインダー、溶剤、分散剤及び可塑剤等は、SOFCの燃料極層の製造方法において公知となっている空孔形成剤、バインダー、溶剤、分散剤及び可塑剤等の中から適宜選択できる。
燃料極層112用のグリーン層の上に、電解質層13用のペーストを用いて、電解質層13用のグリーン層が形成される。電解質層13用のペーストは、少なくともセラミック質の原料となるセラミック粉末と溶剤とを混合して作製される。電解質層13用のペーストに用いられる溶剤は、特に限定されず、SOFCの電解質層の製造方法において公知となっている溶剤の中から適宜選択できる。
電解質層13用のペーストには、セラミック粉末及び溶剤に加えて、バインダー、分散剤、可塑剤、界面活性剤、消泡剤等を添加してもよい。バインダー、分散剤及び可塑剤は、成膜する電解質層13の材料に合わせて、SOFCの電解質層の製造方法において公知となっているバインダー、分散剤、可塑剤、界面活性剤、消泡剤等の中から適宜選択できる。
電解質層13用のグリーン層上に、反応防止層14用のグリーン層を形成する。反応防止層14用のグリーン層も、燃料極層112及び電解質層13と同様に、反応防止層14を構成する原料粉末を含むペーストを調製し、それを電解質層13用のグリーン層上に塗布し、乾燥させることによって形成できる。
燃料極支持基板111用のグリーンシート上に、燃料極層112用のグリーン層と、電解質層13用のグリーン層と、反応防止層を設ける構成の場合は反応防止層用のグリーン層と、が順に積み重ねられることによって形成された積層体が、一括して焼成される。積層体の焼成温度は、特に限定されないが、1100℃以上が好ましく、1200℃以上がより好ましく、1250℃以上がさらに好ましい。また、焼成温度は、1500℃以下が好ましく、1400℃以下がより好ましく、1350℃以下がさらに好ましい。また、焼成時の焼成時間は、特に限定されないが、0.1時間以上が好ましく、0.5時間以上がより好ましく、1時間以上がさらに好ましい。また、焼成時間は、10時間以下が好ましく、7時間以下がより好ましく、5時間以下がさらに好ましい。
以上のような方法によって、多層焼成体が得られる。所定の形状を有する多層焼成体を得る方法は特に限定されないが、焼成後の収縮を考慮して、焼成後に目的の形状になるように、燃料極支持基板111用のグリーンシート上に、燃料極層112用のグリーン層と、電解質層13用のグリーン層と、反応防止層14用のグリーン層とが順に積み重ねられることによって形成された積層体を、切断及び/又は打ち抜きしてから焼成してもよいし、前記積層体を焼成して得られた多層焼成体をレーザ又はセラミックカッターを用いて切断してもよい。
以上の方法により、本実施形態の燃料極支持型のハーフセルが得られる。
次に、所定の形状を有する多層焼成体(ハーフセル)において、燃料極11と反対側の面上に、空気極12を作製する。空気極12用のペーストを用いて空気極12用のグリーン層を形成し、それを焼成することによって空気極12が作製される。空気極12用のペーストは、空気極12を構成する原料粉末、バインダー及び溶剤と、必要により分散剤及び可塑剤等とを共に均一に混合することによって、調製される。バインダー、溶剤、分散剤及び可塑剤等は、SOFCの空気極層の製造方法において公知となっているバインダー、溶剤、分散剤及び可塑剤等の中から適宜選択できる。調製したペーストを、多層焼成体上にスクリーン印刷等により塗布し、乾燥させることによって、空気極12用のグリーン層が形成される。これを焼成することによって、空気極12が作製される。焼成温度は、特に限定されないが、800℃以上が好ましく、850℃以上がより好ましく、950℃以上がさらに好ましい。また、焼成温度は、1300℃以下が好ましく、1250℃以下がより好ましく、1200℃以下がさらに好ましい。また、焼成時の焼成時間は、特に限定されないが、0.1時間以上が好ましく、0.5時間以上がより好ましく、1時間以上がさらに好ましい。また、焼成時間は、10時間以下が好ましく、7時間以下がより好ましく、5時間以下がさらに好ましい。
以上のような方法によって、燃料極支持型セル1を製造することができる。
次に、本発明について、実施例を用いて具体的に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施例によって何ら限定されるものではない。
<実施例1>
[各粉末の調製]
(1)酸化ニッケル粉末の調製
酸化ニッケル粉末(正同化学社製、平均粒子径:1.2μm)を磁製るつぼに入れ上蓋をして1350℃で5時間熱処理して、凝集酸化ニッケル粉末(RN)を得た(平均粒子径:3.8μm)。凝集酸化ニッケル粉末(RN)を1Lナイロンポットに入れ、イソプロパノール及び5mmφジルコニアボールとともに、60回転/分で4時間、湿式粉砕を行った。次いで、ロータリーエバポレーターで、80℃に加熱しながら真空排気してイソプロパノールを系外に排出し、平均粒子径1.0μmの熱処理酸化ニッケル粉末(N1)を調製した。凝集酸化ニッケル粉末(RN)から熱処理酸化ニッケル粉末(N1)を調製する際に行った湿式粉砕の粉砕時間を変えることにより、種々の平均粒子径を有する熱処理酸化ニッケル粉末を調製した。例えば平均粒子径0.15μmの熱処理酸化ニッケル粉末(N2)は湿式粉砕時間を24時間にして調製した。調製した熱処理酸化ニッケル粉末を、平均粒子径で示すと次のとおりである:0.07μm、0.08μm、0.15μm、0.2μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、1.0μm、3.0μm、3.2μm。なお、凝集酸化ニッケル粉末(RN)及び各平均粒子径の熱処理酸化ニッケル粉末の粒度分布と平均粒子径は、分散媒として0.2質量%メタリン酸ナトリウム水溶液を用い、測定前には3分間超音波照射してレーザ回折式粒度分布測定装置(堀場製作所製、製品名:LA−920)で測定し、体積基準の累積粒度分布から求めたものである。
[各粉末の調製]
(1)酸化ニッケル粉末の調製
酸化ニッケル粉末(正同化学社製、平均粒子径:1.2μm)を磁製るつぼに入れ上蓋をして1350℃で5時間熱処理して、凝集酸化ニッケル粉末(RN)を得た(平均粒子径:3.8μm)。凝集酸化ニッケル粉末(RN)を1Lナイロンポットに入れ、イソプロパノール及び5mmφジルコニアボールとともに、60回転/分で4時間、湿式粉砕を行った。次いで、ロータリーエバポレーターで、80℃に加熱しながら真空排気してイソプロパノールを系外に排出し、平均粒子径1.0μmの熱処理酸化ニッケル粉末(N1)を調製した。凝集酸化ニッケル粉末(RN)から熱処理酸化ニッケル粉末(N1)を調製する際に行った湿式粉砕の粉砕時間を変えることにより、種々の平均粒子径を有する熱処理酸化ニッケル粉末を調製した。例えば平均粒子径0.15μmの熱処理酸化ニッケル粉末(N2)は湿式粉砕時間を24時間にして調製した。調製した熱処理酸化ニッケル粉末を、平均粒子径で示すと次のとおりである:0.07μm、0.08μm、0.15μm、0.2μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、1.0μm、3.0μm、3.2μm。なお、凝集酸化ニッケル粉末(RN)及び各平均粒子径の熱処理酸化ニッケル粉末の粒度分布と平均粒子径は、分散媒として0.2質量%メタリン酸ナトリウム水溶液を用い、測定前には3分間超音波照射してレーザ回折式粒度分布測定装置(堀場製作所製、製品名:LA−920)で測定し、体積基準の累積粒度分布から求めたものである。
(2)安定化ジルコニア粉末の調製
8モル%イットリア安定化ジルコニア粉末(第一稀元素社製、HSY−8.0、平均粒子径:0.5μm)を磁製るつぼに入れ上蓋をして1350℃で5時間熱処理して、凝集ジルコニア粉末(RZ)を得た(平均粒子径:4.2μm)。その凝集ジルコニア粉末(RZ)を1Lナイロンポットに入れ、イソプロパノール、5mmφジルコニアボールとともに、60回転/分で24時間、湿式粉砕を行った。次いで、ロータリーエバポレーターで、80℃に加熱しながら真空排気してイソプロパノールを系外に排出し、平均粒子径0.2μmの熱処理ジルコニア粉末(Z1)を調製した。凝集ジルコニア粉末(RZ)から熱処理ジルコニア粉末(Z1)を調製する際に行った湿式粉砕の粉砕時間を変えることにより、種々の平均粒子径を有する熱処理ジルコニア粉末を調製した。調製した熱処理ジルコニア粉末を、平均粒子径で示すと次のとおりである:0.10μm、0.11μm、0.20μm、0.60μm、1.4μm、1.6μm。なお、凝集ジルコニア粉末(RZ)及び各平均粒子径の熱処理ジルコニア粉末の平均粒子径は、上記凝集酸化ニッケル粉末(RN)及び各平均粒子径の熱処理酸化ニッケル粉末の場合と同様にして測定した。
8モル%イットリア安定化ジルコニア粉末(第一稀元素社製、HSY−8.0、平均粒子径:0.5μm)を磁製るつぼに入れ上蓋をして1350℃で5時間熱処理して、凝集ジルコニア粉末(RZ)を得た(平均粒子径:4.2μm)。その凝集ジルコニア粉末(RZ)を1Lナイロンポットに入れ、イソプロパノール、5mmφジルコニアボールとともに、60回転/分で24時間、湿式粉砕を行った。次いで、ロータリーエバポレーターで、80℃に加熱しながら真空排気してイソプロパノールを系外に排出し、平均粒子径0.2μmの熱処理ジルコニア粉末(Z1)を調製した。凝集ジルコニア粉末(RZ)から熱処理ジルコニア粉末(Z1)を調製する際に行った湿式粉砕の粉砕時間を変えることにより、種々の平均粒子径を有する熱処理ジルコニア粉末を調製した。調製した熱処理ジルコニア粉末を、平均粒子径で示すと次のとおりである:0.10μm、0.11μm、0.20μm、0.60μm、1.4μm、1.6μm。なお、凝集ジルコニア粉末(RZ)及び各平均粒子径の熱処理ジルコニア粉末の平均粒子径は、上記凝集酸化ニッケル粉末(RN)及び各平均粒子径の熱処理酸化ニッケル粉末の場合と同様にして測定した。
(3)ドープセリア粉末の調製
20モル%ガドリニアが固溶されたセリア粉末(AGCセイミケミカル社製、平均粒子径:0.5μm)を用いた以外は上記(2)と同様にして、1350℃で5時間熱処理して凝集セリア粉末を調製した後、湿式粉砕処理及び乾燥することによって、平均粒子径0.6μmの熱処理ドープセリア粉末(C1)を調製した。なお、この熱処理ドープセリア粉末(C1)の平均粒子径は、上記凝集酸化ニッケル粉末(RN)及び各平均粒子径の酸化ニッケル粉末の場合と同様にして測定した。
20モル%ガドリニアが固溶されたセリア粉末(AGCセイミケミカル社製、平均粒子径:0.5μm)を用いた以外は上記(2)と同様にして、1350℃で5時間熱処理して凝集セリア粉末を調製した後、湿式粉砕処理及び乾燥することによって、平均粒子径0.6μmの熱処理ドープセリア粉末(C1)を調製した。なお、この熱処理ドープセリア粉末(C1)の平均粒子径は、上記凝集酸化ニッケル粉末(RN)及び各平均粒子径の酸化ニッケル粉末の場合と同様にして測定した。
[SOFC用単セルの作製]
(1)燃料極支持基板グリーンシートの作製
上記方法で調製された平均粒子径1.0μm熱処理酸化ニッケル粉末(N1)30質量部、平均粒子径0.15μmの熱処理酸化ニッケル粉末(N2)30質量部及び平均粒子径0.2μmの熱処理ジルコニア粉末(Z1)40質量部と、さらに、空孔形成剤として市販のカーボンブラック3質量部、市販のアクリル樹脂からなるバインダー15質量部、可塑剤としてαオレフィン・無水マレイン酸共重合物2質量部、分散剤としてカルボキシル基含有ポリマー変性物2質量部、及び、溶剤としてトルエン30質量部及び酢酸エチル24質量部を、ボールミルにより混合して、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、80℃で2時間乾燥させて、燃料極支持基板グリーンシートを作製した。なお、作製したグリーンシートの厚みについては、焼成後の厚みが300μmになるように調整した。
(1)燃料極支持基板グリーンシートの作製
上記方法で調製された平均粒子径1.0μm熱処理酸化ニッケル粉末(N1)30質量部、平均粒子径0.15μmの熱処理酸化ニッケル粉末(N2)30質量部及び平均粒子径0.2μmの熱処理ジルコニア粉末(Z1)40質量部と、さらに、空孔形成剤として市販のカーボンブラック3質量部、市販のアクリル樹脂からなるバインダー15質量部、可塑剤としてαオレフィン・無水マレイン酸共重合物2質量部、分散剤としてカルボキシル基含有ポリマー変性物2質量部、及び、溶剤としてトルエン30質量部及び酢酸エチル24質量部を、ボールミルにより混合して、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、80℃で2時間乾燥させて、燃料極支持基板グリーンシートを作製した。なお、作製したグリーンシートの厚みについては、焼成後の厚みが300μmになるように調整した。
(2)燃料極層用ペーストの作製
上記方法で調製された熱処理酸化ニッケル粉末(N1)30質量部、熱処理酸化ニッケル粉末(N2)30質量部、及び熱処理ジルコニア粉末(Z1)40質量部と、さらにこれら3種の粉末の合計100質量部に対して、市販のメタクリル樹脂からなるバインダー12質量部、可塑剤として市販のジブチルフタレート5質量部及び分散剤として市販のソルビタン脂肪酸エステル系界面活性剤8質量部を混合した後、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、燃料極層用ペーストを作製した。
上記方法で調製された熱処理酸化ニッケル粉末(N1)30質量部、熱処理酸化ニッケル粉末(N2)30質量部、及び熱処理ジルコニア粉末(Z1)40質量部と、さらにこれら3種の粉末の合計100質量部に対して、市販のメタクリル樹脂からなるバインダー12質量部、可塑剤として市販のジブチルフタレート5質量部及び分散剤として市販のソルビタン脂肪酸エステル系界面活性剤8質量部を混合した後、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、燃料極層用ペーストを作製した。
(3)電解質層用ペーストの作製
セラミックス質としての8モル%イットリア安定化ジルコニア粉末(第一稀元素社製、HSY−8.0、平均粒子径:0.5μm)100質量部、バインダーとして市販のエチルセルロース7.5質量部、溶剤として市販のα−テルピネオール67.5質量部、可塑剤として市販のジブチルフタレート6質量部及び分散剤として市販のソルビタン酸エステル系界面活性剤10質量部を、予備混合した後、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、電解質層用ペーストを作製した。
セラミックス質としての8モル%イットリア安定化ジルコニア粉末(第一稀元素社製、HSY−8.0、平均粒子径:0.5μm)100質量部、バインダーとして市販のエチルセルロース7.5質量部、溶剤として市販のα−テルピネオール67.5質量部、可塑剤として市販のジブチルフタレート6質量部及び分散剤として市販のソルビタン酸エステル系界面活性剤10質量部を、予備混合した後、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、電解質層用ペーストを作製した。
(4)反応防止層用ペーストの作製
セラミックス質として20モル%ガドリニアが固溶されたセリア粉末(AGCセイミケミカル社製、平均粒子径:0.5μm)100質量部、バインダーとして市販のエチルセルロース7.5質量部、溶剤として市販のα−テルピネオール67.5質量部、可塑剤として市販のジブチルフタレート8質量部及び分散剤として市販のソルビタン酸エステル系界面活性剤20質量部を、予備混合した後、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、電解質層用ペーストを作製した。
セラミックス質として20モル%ガドリニアが固溶されたセリア粉末(AGCセイミケミカル社製、平均粒子径:0.5μm)100質量部、バインダーとして市販のエチルセルロース7.5質量部、溶剤として市販のα−テルピネオール67.5質量部、可塑剤として市販のジブチルフタレート8質量部及び分散剤として市販のソルビタン酸エステル系界面活性剤20質量部を、予備混合した後、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、電解質層用ペーストを作製した。
(5)燃料極層用グリーン層の形成
燃料極層用ペーストをスクリーン印刷により、上記で得た燃料極支持基板グリーンシート上に、焼成後の厚さが15μmとなるように印刷し、80℃で30分間乾燥させ、燃料極層用グリーン層を形成した。
燃料極層用ペーストをスクリーン印刷により、上記で得た燃料極支持基板グリーンシート上に、焼成後の厚さが15μmとなるように印刷し、80℃で30分間乾燥させ、燃料極層用グリーン層を形成した。
(6)電解質層用グリーン層の形成
上記電解質層用ペーストをスクリーン印刷により、上記で得た燃料極層用グリーン層上に、焼成後の厚さが10μmとなるように印刷し、80℃で30分間乾燥させ、電解質層用グリーン層を形成した。
上記電解質層用ペーストをスクリーン印刷により、上記で得た燃料極層用グリーン層上に、焼成後の厚さが10μmとなるように印刷し、80℃で30分間乾燥させ、電解質層用グリーン層を形成した。
(7)反応防止層用グリーン層の形成
上記反応防止層用ペーストをスクリーン印刷により、上記で得た電解質層用グリーン層上に、焼成後の厚さが2μm以下となるように印刷し、80℃で30分間乾燥させ、反応防止層用グリーン層を形成した。
上記反応防止層用ペーストをスクリーン印刷により、上記で得た電解質層用グリーン層上に、焼成後の厚さが2μm以下となるように印刷し、80℃で30分間乾燥させ、反応防止層用グリーン層を形成した。
(8)焼成
上記反応防止層用ペーストの乾燥後、上記で得た反応防止層用グリーン層、電解質層用グリーン層、燃料極層用グリーン層が塗布され積層された燃料極支持基板グリーンシートを、焼成後の1辺が6cmの正方形になるように打ち抜いた。打ち抜いた後、1350℃、空気雰囲気下で3時間焼成して、燃料極支持型ハーフセルを得た。
上記反応防止層用ペーストの乾燥後、上記で得た反応防止層用グリーン層、電解質層用グリーン層、燃料極層用グリーン層が塗布され積層された燃料極支持基板グリーンシートを、焼成後の1辺が6cmの正方形になるように打ち抜いた。打ち抜いた後、1350℃、空気雰囲気下で3時間焼成して、燃料極支持型ハーフセルを得た。
(9)空気極層用ペーストの調製
La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3(AGCセイミケミカル社製、平均粒子径:0.6μm)80質量部と20モル%ガドリニアが固溶されたセリア粉末(AGCセイミケミカル社製、平均粒子径:0.5μm)20質量部とを混合し、さらにバインダーとしてエチルセルロースを2質量%と、溶剤としてα−テルピネオールを30質量部と加え、3本ロールミルを用いて混練し、空気極層用ペーストとした。
La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3(AGCセイミケミカル社製、平均粒子径:0.6μm)80質量部と20モル%ガドリニアが固溶されたセリア粉末(AGCセイミケミカル社製、平均粒子径:0.5μm)20質量部とを混合し、さらにバインダーとしてエチルセルロースを2質量%と、溶剤としてα−テルピネオールを30質量部と加え、3本ロールミルを用いて混練し、空気極層用ペーストとした。
(10)空気極層の形成
燃料極支持型ハーフセルの反応防止層面上に、スクリーン印刷により、上記空気極層用ペーストを1cm×1cmの正方形に塗布し、100℃で30分乾燥させ、空気極層用グリーン層を形成した。この空気極層用グリーン層を、1000℃で2時間焼成し、実施例1に係るSOFC用単セルを得た。
燃料極支持型ハーフセルの反応防止層面上に、スクリーン印刷により、上記空気極層用ペーストを1cm×1cmの正方形に塗布し、100℃で30分乾燥させ、空気極層用グリーン層を形成した。この空気極層用グリーン層を、1000℃で2時間焼成し、実施例1に係るSOFC用単セルを得た。
<実施例2〜5及び比較例1〜7>
実施例1の[SOFC用単セルの作製]における、「(1)燃料極支持基板グリーンシートの作製」におけるスラリーと、「(2)燃料極層用ペーストの調製」において、熱処理酸化ニッケル粉末(N1)30質量部、熱処理酸化ニッケル粉末(N2)30質量部、及び熱処理ジルコニア粉末(Z1)40質量部の代わりに表1に示した平均粒子径の熱処理酸化ニッケル粉末(2種または1種)及び熱処理ジルコニア粉末または熱処理ドープセリア粉末を、表1に示した質量比で用いる以外は、実施例1と同様にして、実施例2〜5及び比較例1〜7に係るそれぞれのSOFC用単セルを作製した。
実施例1の[SOFC用単セルの作製]における、「(1)燃料極支持基板グリーンシートの作製」におけるスラリーと、「(2)燃料極層用ペーストの調製」において、熱処理酸化ニッケル粉末(N1)30質量部、熱処理酸化ニッケル粉末(N2)30質量部、及び熱処理ジルコニア粉末(Z1)40質量部の代わりに表1に示した平均粒子径の熱処理酸化ニッケル粉末(2種または1種)及び熱処理ジルコニア粉末または熱処理ドープセリア粉末を、表1に示した質量比で用いる以外は、実施例1と同様にして、実施例2〜5及び比較例1〜7に係るそれぞれのSOFC用単セルを作製した。
<電池性能評価試験>
実施例1〜5及び比較例1〜7のSOFC用単セルについて、以下の方法で電池性能を評価した。SOFCの燃料極に100mL/分の窒素を、空気極に100mL/分の空気を供給しつつ、100℃/時間の速度で測定温度(750℃)まで昇温した。昇温後、燃料極及び空気極の出口側のガスについて、流量計で流量を測定し、漏れが無いことを確認した。次いで、水素6mL/分及び窒素194mL/分の加湿した混合ガスを燃料極へ、200mL/分の空気を空気極へ供給した。1時間以上経過後に起電力が発生し、ガスの漏れが無いことを再度確認した後、燃料極側のガスについて、加湿器を流通後のガスが、水素と水蒸気が合計で200mL/分の流量になるように調整して供給し、起電力が安定してから10分以上経過後に、起電力が理論起電力の95%〜100%の範囲にあることを確認してから、電流−電圧特性による電池性能評価試験を実施した。得られた電流−電圧特性から、0.4A/cm2における電圧を求めて、初期出力密度(W/cm2)を算出した。さらに300時間経過後の出力密度を求め、初期出力密度からの劣化率(300時間での劣化率)を求めた。実施例1〜5及び比較例1〜7の電池性能評価試験の結果を表1に示す。
実施例1〜5及び比較例1〜7のSOFC用単セルについて、以下の方法で電池性能を評価した。SOFCの燃料極に100mL/分の窒素を、空気極に100mL/分の空気を供給しつつ、100℃/時間の速度で測定温度(750℃)まで昇温した。昇温後、燃料極及び空気極の出口側のガスについて、流量計で流量を測定し、漏れが無いことを確認した。次いで、水素6mL/分及び窒素194mL/分の加湿した混合ガスを燃料極へ、200mL/分の空気を空気極へ供給した。1時間以上経過後に起電力が発生し、ガスの漏れが無いことを再度確認した後、燃料極側のガスについて、加湿器を流通後のガスが、水素と水蒸気が合計で200mL/分の流量になるように調整して供給し、起電力が安定してから10分以上経過後に、起電力が理論起電力の95%〜100%の範囲にあることを確認してから、電流−電圧特性による電池性能評価試験を実施した。得られた電流−電圧特性から、0.4A/cm2における電圧を求めて、初期出力密度(W/cm2)を算出した。さらに300時間経過後の出力密度を求め、初期出力密度からの劣化率(300時間での劣化率)を求めた。実施例1〜5及び比較例1〜7の電池性能評価試験の結果を表1に示す。
<歩留まり検査>
実施例1の[SOFC用単セルの作製]における、「(5)燃料極層用グリーン層の形成」において、燃料極支持基板上に塗布して乾燥させた燃料極層用グリーン層の150mm四方領域で1mm以上の大きさのクラックの有無を目視で検査した。クラックが確認された燃料極支持基板/燃料極層用グリーン層の積層体の枚数を、燃料極形成時クラック発生枚数として表1に示す。クラックの検査は10枚の燃料極支持基板/燃料極層用グリーン層の積層体に対して実施された。なお、燃料極層用グリーン層形成時点でクラックがあるものは電池として使用できない。また実施例1の[SOFC用単セルの作製]における、「(8)焼成」において、燃料極層用グリーン層形成時にクラックがなかった燃料極支持型ハーフセルの燃料極支持基板側100mm四方領域にエタノールを十分に付着させた後、1分以内に反対側の反応防止層側のにじみがあった箇所を貫通孔として検査した。表2には、貫通孔の検査に供されたハーフセル全枚数(燃料極層用グリーン層形成時にクラックがなかったハーフセル全枚数)に確認された貫通孔の総数が示されている。なお、焼成後ハーフセルにて貫通孔があるものは電池として使用できない。実施例1〜5及び比較例1〜7の歩留まり検査の結果を表1に示す。
実施例1の[SOFC用単セルの作製]における、「(5)燃料極層用グリーン層の形成」において、燃料極支持基板上に塗布して乾燥させた燃料極層用グリーン層の150mm四方領域で1mm以上の大きさのクラックの有無を目視で検査した。クラックが確認された燃料極支持基板/燃料極層用グリーン層の積層体の枚数を、燃料極形成時クラック発生枚数として表1に示す。クラックの検査は10枚の燃料極支持基板/燃料極層用グリーン層の積層体に対して実施された。なお、燃料極層用グリーン層形成時点でクラックがあるものは電池として使用できない。また実施例1の[SOFC用単セルの作製]における、「(8)焼成」において、燃料極層用グリーン層形成時にクラックがなかった燃料極支持型ハーフセルの燃料極支持基板側100mm四方領域にエタノールを十分に付着させた後、1分以内に反対側の反応防止層側のにじみがあった箇所を貫通孔として検査した。表2には、貫通孔の検査に供されたハーフセル全枚数(燃料極層用グリーン層形成時にクラックがなかったハーフセル全枚数)に確認された貫通孔の総数が示されている。なお、焼成後ハーフセルにて貫通孔があるものは電池として使用できない。実施例1〜5及び比較例1〜7の歩留まり検査の結果を表1に示す。
表1に示された結果から、本発明のSOFC用燃料極材料を用いて燃料極が作製された実施例1〜5のセルは、優れた初期の発電性能と耐久性との両方を備えていた。これに対し、本発明のSOFC用燃料極材料を用いずに燃料極が作製された比較例1〜7のセルは、初期の発電性能及び耐久性のうちいずれか一方の性能が劣っており、両方の性能を共に優れたものとすることができなかった。また、実施例1〜5の歩留りも、比較例1〜7と比較して大幅に改善されていた。
本発明のSOFC用燃料極材料によれば、優れた初期の発電性能と、その初期の発電性能を長時間安定して維持することができる高い耐久性とを有する燃料極を、高い歩留りで提供することができる。また、本発明のSOFC用ハーフセル及びSOFC用単セルは、優れた初期の発電性能と、その初期の発電性能を長時間安定して維持することができる高い耐久性とを有するSOFCを実現できる。したがって、本発明は、種々のSOFCへの適用が可能であり、特に高耐久性が求められるSOFCへも適用できる。
1 燃料極支持型セル
11 燃料極
12 空気極
13 電解質層
14 反応防止層
111 燃料極支持基板
112 燃料極層
11 燃料極
12 空気極
13 電解質層
14 反応防止層
111 燃料極支持基板
112 燃料極層
Claims (10)
- 第1の酸化ニッケル粉末(A1)と、前記第1の酸化ニッケル粉末(A1)よりも小さい平均粒子径を有する第2の酸化ニッケル粉末(A2)との混合物である混合酸化ニッケル粉末(A)と、
安定化ジルコニア粉末(B)及びドープセリア粉末(C)からなる群から選択される少なくともいずれか1種の粉末(D)と、
を含み、
前記第1の酸化ニッケル粉末(A1)の平均粒子径、前記第2の酸化ニッケル粉末(A2)の平均粒子径及び前記粉末(D)の平均粒子径が、前記粉末(A1)の平均粒子径>前記粉末(D)の平均粒子径>前記粉末(A2)の平均粒子径、の関係を満たす、
固体酸化物形燃料電池用燃料極材料。 - 前記第1の酸化ニッケル粉末(A1)の平均粒子径が0.6〜3.0μmであり、
前記第2の酸化ニッケル粉末(A2)の平均粒子径が0.08〜0.5μmであり、かつ
前記粉末(D)の平均粒子径が0.11〜1.5μmである、
請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池用燃料極材料。 - 前記混合酸化ニッケル粉末(A)において、前記第1の酸化ニッケル粉末(A1)の含有率が10〜50質量%であり、前記第2の酸化ニッケル粉末(A2)の含有率が50〜90質量%である、
請求項1又は2に記載の固体酸化物形燃料電池用燃料極材料。 - 前記混合酸化ニッケル粉末(A)の含有率が45〜75質量%であり、前記粉末(D)の含有率が25〜55質量%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用燃料極材料。 - 前記混合酸化ニッケル粉末(A)の体積基準の累積粒度分布における10%粒子径(D10)及び90%粒子径(D90)が、D90/D10≦6.0を満たす、
請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池用燃料極材料。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池用燃料極材料を製造する方法であって、
(I)前記第1の酸化ニッケル粉末(A1)及び前記第2の酸化ニッケル粉末(A2)を準備し、前記第1の酸化ニッケル粉末(A1)及び前記第2の酸化ニッケル粉末(A2)を混合して前記混合酸化ニッケル粉末(A)を調製する工程と、
(II)前記安定化ジルコニア粉末(B)及び前記ドープセリア粉末(C)からなる群から選択される少なくともいずれか1種の前記粉末(D)を準備する工程と、
(III)前記混合酸化ニッケル粉末(A)及び前記粉末(D)を混合して、前記混合酸化ニッケル粉末(A)及び前記粉末(D)を含む混合物を調製する工程と、
を含む、固体酸化物形燃料電池用燃料極材料の製造方法。 - 前記第1の酸化ニッケル粉末(A1)及び前記第2の酸化ニッケル粉末(A2)は、酸化ニッケル粉末を1300〜1500℃で熱処理し、得られた凝集酸化ニッケル粉末を粉砕することによって得られるものである、
請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池用燃料極材料の製造方法。 - 前記粉末(D)は、安定化ジルコニア粉末及び/又はドープセリア粉末を1300℃〜1500℃で熱処理し、得られた凝集粉末を粉砕することによって得られるものである、
請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池用燃料極材料の製造方法。 - 燃料極と、前記燃料極の一方の主面に配置された電解質層とを備えた固体酸化物形燃料電池用ハーフセルであって、
前記燃料極が、請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池用燃料極材料を用いて作製されている、
固体酸化物形燃料電池用ハーフセル。 - 請求項9に記載の固体酸化物形燃料電池用ハーフセルと、前記電解質層の前記燃料極と反対側に配置された空気極と、を備えた、
固体酸化物形燃料電池用単セル。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014197868A JP2016071983A (ja) | 2014-09-29 | 2014-09-29 | 固体酸化物形燃料電池用燃料極材料及びその製造方法、並びに、固体酸化物形燃料電池用ハーフセル及びそれを備えた固体酸化物形燃料電池用単セル |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014197868A JP2016071983A (ja) | 2014-09-29 | 2014-09-29 | 固体酸化物形燃料電池用燃料極材料及びその製造方法、並びに、固体酸化物形燃料電池用ハーフセル及びそれを備えた固体酸化物形燃料電池用単セル |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2016071983A true JP2016071983A (ja) | 2016-05-09 |
Family
ID=55864870
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014197868A Pending JP2016071983A (ja) | 2014-09-29 | 2014-09-29 | 固体酸化物形燃料電池用燃料極材料及びその製造方法、並びに、固体酸化物形燃料電池用ハーフセル及びそれを備えた固体酸化物形燃料電池用単セル |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2016071983A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018152200A (ja) * | 2017-03-10 | 2018-09-27 | 株式会社日本触媒 | 固体酸化物形電気化学セル用ハーフセル、固体酸化物形電気化学セル及び固体酸化物形電気化学セル用ハーフセルの製造方法 |
JP2022156004A (ja) * | 2021-03-31 | 2022-10-14 | 森村Sofcテクノロジー株式会社 | 燃料電池単セル、燃料電池スタック、および燃料電池単セルの製造方法 |
-
2014
- 2014-09-29 JP JP2014197868A patent/JP2016071983A/ja active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018152200A (ja) * | 2017-03-10 | 2018-09-27 | 株式会社日本触媒 | 固体酸化物形電気化学セル用ハーフセル、固体酸化物形電気化学セル及び固体酸化物形電気化学セル用ハーフセルの製造方法 |
JP2022156004A (ja) * | 2021-03-31 | 2022-10-14 | 森村Sofcテクノロジー株式会社 | 燃料電池単セル、燃料電池スタック、および燃料電池単セルの製造方法 |
JP7328274B2 (ja) | 2021-03-31 | 2023-08-16 | 森村Sofcテクノロジー株式会社 | 燃料電池単セル、燃料電池スタック、および燃料電池単セルの製造方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6018639B2 (ja) | 固体酸化物形燃料電池ハーフセル及び固体酸化物形燃料電池 | |
US9318766B2 (en) | Technique for designing and manufacturing solid oxide fuel cell having improved output capability in mid to low temperature | |
JP2009140730A (ja) | 固体酸化物形燃料電池用の燃料極材料およびその製造方法 | |
Misono et al. | Ni-SDC cermet anode fabricated from NiO–SDC composite powder for intermediate temperature SOFC | |
JP2017022111A (ja) | 積層体 | |
JP6338342B2 (ja) | 固体酸化物形燃料電池ハーフセル、及び固体酸化物形燃料電池 | |
JP2015088284A (ja) | 固体酸化物形燃料電池 | |
JP7089838B2 (ja) | 固体酸化物形燃料電池用単セル及びその製造方法、並びに、固体酸化物形燃料電池用カソード及びその製造方法 | |
JP2016072037A (ja) | 固体酸化物形燃料電池用単セルの製造方法、固体酸化物形燃料電池用カソード及び固体酸化物形燃料電池用単セル | |
JP6808544B2 (ja) | 固体酸化物形電気化学セル用ハーフセル、固体酸化物形電気化学セル及び固体酸化物形電気化学セル用ハーフセルの製造方法 | |
JP2016071983A (ja) | 固体酸化物形燃料電池用燃料極材料及びその製造方法、並びに、固体酸化物形燃料電池用ハーフセル及びそれを備えた固体酸化物形燃料電池用単セル | |
JP2013229311A (ja) | 固体酸化物形燃料電池 | |
KR102111859B1 (ko) | 고체산화물 연료 전지 및 이를 포함하는 전지 모듈 | |
JP5452277B2 (ja) | アノード支持型ハーフセルの製造方法 | |
JPWO2014148110A1 (ja) | 固体酸化物型燃料電池 | |
JP2014067562A (ja) | 固体酸化物形燃料電池及びそれを用いた発電方法 | |
JP2013077397A (ja) | 固体酸化物形燃料電池 | |
JP2016207384A (ja) | 固体酸化物形燃料電池用セラミックスグリーン積層体を製造する方法、固体酸化物形燃料電池用ハーフセルを製造する方法、固体酸化物形燃料電池用単セルを製造する方法、固体酸化物形燃料電池用セラミックスグリーン積層体、固体酸化物形燃料電池用ハーフセル、及び固体酸化物形燃料電池用単セル | |
JP6199680B2 (ja) | 固体酸化物形燃料電池のハーフセル及び固体酸化物形燃料電池セル | |
JP2015185246A (ja) | アノード支持基板及びアノード支持型セル | |
JP6254200B2 (ja) | 固体酸化物形燃料電池の製造方法 | |
JP2013077396A (ja) | アノード支持基板及びこれを用いたアノード支持型セル | |
JP6694249B2 (ja) | 固体酸化物形燃料電池用電極支持型ハーフセルの製造方法 | |
JP2016072046A (ja) | 固体酸化物形燃料電池用ハーフセル及び固体酸化物形燃料電池用単セル | |
JP2016072047A (ja) | 固体酸化物形燃料電池用ハーフセル及び固体酸化物形燃料電池用単セル |