JP2016072213A - 固体酸化物形燃料電池セルスタック - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 燃料極、固体電解質および空気極が少なくとも順次積層されてなる複数の発電素子と、前記複数の発電素子のうちの隣接する一方の発電素子の空気極と、他方の発電素子の燃料極とを電気的に接続するインターコネクタとを少なくとも有し、前記複数の発電素子が直列に接続されてなる固体酸化物形燃料電池セルスタックであって、前記インターコネクタと前記隣接する他方の発電素子の燃料極との間に、気孔率が1%以下であり、700℃大気雰囲気下の導電率が0.05S/cm以上である中間層が形成されてなる、固体酸化物形燃料電池セルスタック。
【選択図】図4
Description
燃料極、固体電解質および空気極が少なくとも順次積層されてなる複数の発電素子と、
前記複数の発電素子のうちの隣接する一方の発電素子の空気極と、他方の発電素子の燃料極とを電気的に接続するインターコネクタと
を少なくとも有し、前記複数の発電素子が直列に接続されてなる固体酸化物形燃料電池セルスタックであって、
前記インターコネクタと前記隣接する他方の発電素子の燃料極との間に、気孔率が1%以下であり、700℃大気雰囲気下の導電率が0.05S/cm以上である中間層が形成されてなることを特徴とするものである。
本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックとは、インターコネクタと燃料極との間に当該インターコネクタとは別に中間層が設けられてなり、中間層が後記する要件を満たすものであること以外は、燃料極、固体電解質および空気極が少なくとも順次積層されてなる複数の発電素子と、これらのうちの隣接する一方の発電素子の空気極と他方の発電素子の燃料極とを電気的に接続する前記インターコネクタとを少なくとも有してなる、当業界において通常固体酸化物形燃料電池セルスタックと分類または理解されるものと同一のものを意味する。また、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックは、その形状も限定されず、例えば円筒状、内部にガス流路を複数形成した中空板状などであってもよい。
本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックは複数の発電素子を有し、この発電素子が直列に接続されてなるものである。発電素子は、燃料極、固体電解質、および空気極が少なくとも順次積層された積層体である。
本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックは支持体を有していてもよい。縦縞型固体酸化物形燃料電池である場合は、支持体を有していてもよく、有していなくてもよい。横縞型固体酸化物形燃料電池である場合は、支持体を有する。支持体を有する場合、支持体の表面に燃料極、固体電解質、および空気極が順次積層された発電素子が形成される。横縞型固体酸化物形燃料電池である場合、支持体の表面に複数の発電素子が直列に形成される。
本発明において、燃料極は内側電極であってもよく、外側電極であってもよい。つまり、発電素子は内側電極としての燃料極、固体電解質、および外側電極としての空気極が少なくとも積層された積層体であってもよい。あるいは、発電素子は内側電極としての空気極、固体電解質、および外側電極としての燃料極が少なくとも積層された積層体であってもよい。
本発明において、燃料極は、燃料ガスを透過させるための多孔性、水素を吸着させる触媒活性(電極活性)、導電性、および酸化物イオン伝導性を有する。燃料極の多孔性は支持体のそれより小さくてもよい。
本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックは、インターコネクタと隣接する他方の発電素子の燃料極との間に中間層が形成されてなる。この中間層は、気孔率が1%以下であり、700℃大気雰囲気下の導電率が0.05S/cm以上であり、緻密でかつ導電性を有する。燃料極とインターコネクタとの間に、当該インターコネクタとは別に、緻密な中間層を設けることにより、インターコネクタの形成時にインターコネクタが燃料極に取り込まれてしまうのを抑制することができ、インターコネクタを薄い層として形成できる。また、中間層は導電性を有するため、インターコネクタの導電性を損ねず、良好な導電性を得ることができる。さらに、中間層の緻密性によりインターコネクタのガスシール性を補完することができ、良好なガスシール性を得ることができる。その結果、中間層とインターコネクタとの2層構造により、固体酸化物形燃料電池セルスタックとして優れた導電性とガスシール性を両立することができる。
本発明において、中間層の気孔率は1%以下である。好ましい上限は0.5%以下であり、さらに好ましくは0.4%以下である。また、好ましい下限は0%以上である。これにより、インターコネクタの導電性とガスシール性を補完することができる。気孔率の測定は、以下の方法を用いて行う。
作製した固体酸化物形燃料電池セルスタックから中間層を含むように切り出し、この中間層を走査型電子顕微鏡(例えば日立製作所製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、SEM画像を得る。このSEM画像を画像処理ソフト(例えばWinroofver6.5.1、MITANI CORPORATION社製)によって評価する。これにより、横軸が輝度、縦軸が出現頻度であるヒストグラムを得る。このヒストグラムにおいて、輝度の最小値と最大値の平均値より輝度が低い領域を低輝度領域、平均値より輝度が高い領域を高輝度領域とする。この低輝度領域を気孔と判定し、気孔以外の高輝度領域を中間層と判定することで2値化処理する。その後、下記式から気孔率を得ることができる。
気孔率(%)=低輝度領域の積分値÷全体の出現頻度の積分値×100
中間層の原料粉末を900kgf/cm2の荷重にて一軸プレスし、1300℃で2時間、大気雰囲気下で焼成することにより試験片を得る。この試験片をJIS R 1634の規定に基づき、アルキメデス法により測定し、気孔率を得る。
本発明において、中間層は、700℃大気雰囲気下での導電率が0.05S/cm以上であり、好ましくは0.1S/cm以上である。これにより、インターコネクタの導電性を補完することができる。また、導電率は高ければ高いほど良いため上限は無いが、好ましくは0.16S/cm以下、さらに好ましくは0.15S/cm以下である。導電率は以下の方法により測定することができる。すなわち、導電率を測定するための試験片を、中間層の原料粉末を900kgf/cm2の荷重にて一軸プレスして、1300℃で2時間、大気雰囲気下で焼成することにより作製する。この試験片の導電率をJIS R 1650−2の規定に基づき、直流4端子法によって、大気雰囲気下700℃で測定する。
本発明において、中間層は700℃大気雰囲気下および700℃還元雰囲気下において、結晶構造が変化しない。つまり、中間層は結晶安定性を有する。これにより、固体酸化物形燃料電池セルスタックの運転時に中間層が変質することがなく、インターコネクタのガスシール性を補完することができる。結晶安定性の評価は、以下の方法を用いて行うことができる。
本発明において、中間層は、一般式SraLabTi1−c−dAcBdO3−δ(ただし、a、b、cおよびdは、0.1≦a≦0.8、0.1≦b≦0.8、0.1≦c≦0.3、および0.3≦d≦0.6を満たす正の実数であり、AはNb、VおよびTaから選択される1種以上の元素であり、BはFeおよびCoから選択される1種以上の元素である。)で表されるペロブスカイト型酸化物からなるものであることが好ましい。ここで、「からなる」とは、中間層の主成分が前記一般式SraLabTi1−c−dAcBdO3−δで表されるペロブスカイト型酸化物であることを意味する。中間層がその他の成分、例えば後述する拡散元素を含むものである態様を除外するものではない。換言すると、中間層は前記一般式SraLabTi1−c−dAcBdO3−δで表されるペロブスカイト型酸化物を主成分として含んでなるものであることが好ましい。主成分とは、中間層において、前記一般式SraLabTi1−c−dAcBdO3−δで表されるペロブスカイト型酸化物が80mol%以上含まれていることを意味する。好ましくは90mol%以上、さらに好ましくは95mol%以上含まれている。さらにより好ましくは、中間層は前記一般式で表されるペロブスカイト型酸化物のみからなる。SrおよびLaの組成比は、0.1≦a≦0.8、0.1≦b≦0.8の範囲で、酸素量(3−δ)が3.00以下となる組成が好ましい。これにより、気孔率が低く、緻密な膜を得ることができる。また、安定なペロブスカイト構造を保つことができ、La2Ti2O7のような不純物相が生成されず、焼結阻害による緻密性不良を起こさない。
本発明の好ましい態様によれば、中間層の厚みは、インターコネクタの厚みより大きい。これにより、インターコネクタ形成時にインターコネクタが燃料極に取り込まれるのを防ぐことができる。具体的には、中間層の厚みは10μm以上100μm以下であることが好ましい。厚みが10μm以上であることによりガスシール性を得ることができ、100μm以下であることにより導電性を得ることができる。より好ましい厚みは15μm以上50μm以下である。中間層の厚みは、以下の方法にて求めることができる。まず、作製した固体酸化物形燃料電池セルスタックを中間層が含まれるように切断する。そして、この断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で30〜2000倍の任意の倍率にて3回観察し、得られた値の最大値と最小値を足して2で割ることで厚みを求めることができる。
(組成)
本発明において、インターコネクタはセラミックからなる。つまり、本発明においてインターコネクタはセラミックインターコネクタを意味する。インターコネクタは、一般式SrxLayTiO3−δ(ただし、xおよびyは、0.8≦x+y≦1.0、および0.01<y≦0.1を満たす正の実数である。)で表されるペロブスカイト型酸化物からなるものであることが好ましい。ここで、「からなる」とは、インターコネクタの主成分が前記一般式SrxLayTiO3−δで表されるペロブスカイト型酸化物であることを意味する。すなわち、インターコネクタがその他の成分、例えば後述する拡散元素を含むものである態様を除外するものではない。換言すると、インターコネクタは前記一般式SrxLayTiO3−δで表されるペロブスカイト型酸化物を主成分として含んでなるものであることが好ましい。主成分とは、インターコネクタにおいて、前記一般式SrxLayTiO3−δで表されるペロブスカイト型酸化物が80mol%以上含まれていることを意味する。好ましくは90mol%以上、さらに好ましくは95mol%以上含まれている。さらにより好ましくは、インターコネクタは前記一般式で表されるペロブスカイト型酸化物のみからなる。インターコネクタの主成分がこのような組成比を有する酸化物であることにより、十分な緻密性と導電性を両立することができる。インターコネクタはSrTiO3をベースにLaを置換することで導電性が発現される。本発明のより好ましい態様によれば、SrとLaの組成比は、0.8≦x+y≦0.9、0.01<y≦0.1の関係を満たすものであることが好ましい。これにより、緻密性をさらに高めることができる。また、TiをNbで置換してもよい。これにより、導電性をさらに高めることができる。このような酸化物の好ましい具体例として、SrxLayTi1−zNbzO3−δ(0.8≦x+y≦1.0、0.01<y≦0.1、0.05≦z≦0.2)が挙げられる。
本発明において、インターコネクタの厚みは、中間層の厚みより小さいことが好ましい。具体的には、5μm以上15μm以下であることが好ましい。
本発明において、インターコネクタの導電率は、700℃大気雰囲気下において0.01S/cm以上であることが好ましく、0.02S/cm以上であることがさらに好ましい。また、導電率は高ければ高いほど良いため上限は無いが、0.1S/cm以下であることが好ましく、0.04S/cm以下であることがさらに好ましい。なお、導電率は中間層の導電率を測定する方法と同様の方法で測定できる。
本発明において、インターコネクタの気孔率は、0.8%以上が好ましく、さらに好ましくは1%以上である。上限は2.4%以下が好ましく、1.7%以下がさらに好ましい。なお、気孔率は前述のSEM画像から得る方法を用いて測定できる。
本発明において、中間層とインターコネクタは、一体的な構成として、複数の発電素子のうちの隣接する一方の発電素子の空気極と、他方の発電素子の燃料極とを電気的に接続するものである。したがって、本発明において、中間層とインターコネクタとの一体的な構成を導電部と定義する。
導電率=電流÷(電位差A−電位差B)×(インターコネクタの膜厚+中間層の膜厚)÷インターコネクタの導電面積
なお、インターコネクタの導電面積とは、空気極と中間層とにより挟まれているインターコネクタの面積であり、例えばノギスを用いて求めることができる。
(評価条件)
燃料ガス :(H2+3%H2O)とN2の混合ガス(混合比はH2:N2=7:4(vol:vol))
酸化ガス :空気
運転温度 :700℃
電流 :1A
本発明において、空気極は、酸素を透過させるための多孔性、酸素を吸着させる又はイオン化する触媒活性(電極活性)、導電性、および酸化物イオン伝導性を有する。空気極の多孔性、導電性はそれぞれ集電層のそれより小さくてもよい。
本発明において、固体電解質は、酸化物イオン伝導性、ガスシール性、および電気絶縁性を有する。このような固体電解質を構成する材料として、ランタンガレート系酸化物、固溶種としてY、Ca、およびScから選択される1種以上を固溶した安定化ジルコニアなどが挙げられる。本発明において好適な固体電解質は、Sr及びMgがドープされたランタンガレート系酸化物であり、より好適には一般式La1−aSraGa1−b−cMgbCocO3−δ(但し、0.05≦a≦0.3、0<b<0.3、0≦c≦0.15、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である)で表されるランタンガレート系酸化物(LSGM)である。LSGMはLaGaO3をベースにLaサイトをSrで置換することで酸化物イオン伝導性を発現する。固体電解質は、単層であってもよく、又は複層であってもよい。固体電解質が複層である場合、例えば、燃料極とLSGMからなる固体電解質の間に、反応抑制層を設けることができる。反応抑制層の具体例としては、Laを固溶させたセリア(Ce1−xLaxO2(但し、0.3<x<0.5))が挙げられる。好適には、Ce0.6La0.4O2である。固体電解質の好ましい厚さは5〜60μmである。また、反応抑制層の好ましい厚さは0〜20μmである。
本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックは、外側電極とインターコネクタとを電気的に接続する集電層を有してなる。この集電層は、ガス(酸素)透過性、および空気極より発生した電子をスムーズに流通するための導電性を有する。本発明において、外側電極が空気極である場合、集電層はAgやPtなどの貴金属を含有する導電性ペーストや、La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3−δなどの導電性酸化物を含有するペーストを焼き付けることにより形成できる。また、外側電極が燃料極である場合、集電層は還元されて導電性が得られる、NiOもしくはNiなどの金属酸化物、または金属を含有するペーストを焼き付けることにより形成できる。また、集電層は、ガス透過性を得るために多孔質またはメッシュなどの構造であることが好ましい。集電層の好ましい厚さは10〜200μmである。
図1は、本発明の一つの態様として、横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを示す正面図である。横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック210は、支持体201に13個の発電素子10が直列に接続されている。
本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックの製造方法は、特定のものに限定されるものではない。本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックは、例えば、以下のようにして製造される。なお、以下の説明においては、内側電極が燃料極であり、外側電極が空気極である場合を例として説明する。
(支持体用坏土Aの作製)
高純度フォルステライト(0.05質量%のCaOを含むMg2SiO4原料)粉末を平均粒子径が0.7μmとなるよう調節した。この粉末100重量部と、溶媒(水)20重量部、バインダー(メチルセルロース)8重量部、潤滑剤0.5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 R1629の規定に基づき測定し、50%径にて示した値である(以下同様)。
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。得られた乾燥粉末の平均粒子径が0.7μmとなるよう調節した。この粉末150重量部と、溶媒(カルビトール)100重量部、バインダー(可溶性高分子)6重量部、分散剤(ノニオン性界面活性剤)2重量部、及び消泡剤(有機高分子系)2重量部を混合した後、十分攪拌してスラリーを調製した。
NiO粉末とGDC10(10mol%GdO1.5−90mol%CeO2)粉末との混合物を共沈法で作製後、熱処理を行い、燃料極触媒層用粉末を得た。NiO粉末とGDC10粉末の混合比は重量比で50/50とした。得られた燃料極触媒層用粉末の平均粒子径が0.5μmとなるよう調節した。この粉末100重量部と、溶媒(カルビトール)100重量部、バインダー(可溶性高分子)5重量部、分散剤(ノニオン性界面活性剤)2重量部、及び消泡剤(有機高分子系)2重量部とを混合した後、十分攪拌してスラリーを調製した。
反応抑制層の材料として、セリウム系複合酸化物LDC40(40mol%LaO1.5−60mol%CeO2)の粉末50重量部を用いた。この材料粉末に、焼結助剤としてGa2O3粉末0.04重量部を混合し、さらに溶媒(カルビトール)100重量部、バインダー(可溶性高分子)4重量部、分散剤(ノニオン性界面活性剤)1重量部、及び消泡剤(有機高分子系)1重量部を混合した後、十分攪拌してスラリーを調製した。
固体電解質の材料として、La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3の組成のLSGM粉末を用いた。このLSGM粉末50重量部を、溶媒(カルビトール)100重量部、バインダー(可溶性高分子)4重量部、分散剤(ノニオン性界面活性剤)1重量部、及び消泡剤(有機高分子系)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。この粉末40重量部を、溶媒(カルビトール)100重量部、バインダー(可溶性高分子)2重量部、分散剤(ノニオン性界面活性剤)1重量部、及び消泡剤(有機高分子系)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。
中間層用原料粉末の作製は、固相法により行った。ストロンチウムとランタンとチタンとニオブと鉄とがSr0.37La0.52Ti0.50Nb0.10Fe0.40O3−δに示されるペロブスカイト型酸化物の組成比となるように、原料となる各元素の金属酸化物の粉末を秤量し、溶液中で混合した。その後、溶媒を除去して得られた粉末を、1150℃で焼成、そして粉砕して中間層用原料粉末を作製した。
中間層の材料として、Sr0.37La0.52Ti0.50Nb0.10Fe0.40O3−δの組成の粉末を用いた。この粉末40重量部を、溶媒(カルビトール)100重量部、バインダー(可溶性高分子)4重量部、分散剤(ノニオン性界面活性剤)1重量部、及び消泡剤(有機高分子系)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。
インターコネクタ原料粉末の作製は、固相法により行った。ストロンチウムとランタンとチタンとがSr0.90La0.04TiO3−δに示されるペロブスカイト型酸化物の組成比となるように、原料となる各元素の金属酸化物の粉末を秤量し、溶液中で混合した。その後、溶媒を除去して得られた粉末を、1150℃で焼成、そして粉砕してインターコネクタ原料粉末を作製した。
インターコネクタの材料として、Sr0.90La0.04TiO3−δの組成の粉末を用いた。この粉末40重量部を、溶媒(カルビトール)100重量部、バインダー(可溶性高分子)4重量部、分散剤(ノニオン性界面活性剤)1重量部、及び消泡剤(有機高分子系)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および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スタックを作製した。
実施例1に対して、中間層およびインターコネクタの材料として、表1に記載した組成の粉末を用いた以外は同様に行い、固体酸化物形燃料電池セルスタックを得た。得られた固体酸化物形燃料電池セルスタックについて、以下の各評価を行った。
実施例1に対して、中間層の材料としてSr0.40La0.55Ti0.60Fe0.40O3−δの組成の粉末を用いた以外は同様に行い、固体酸化物形燃料電池セルスタックを得た。得られた固体酸化物形燃料電池セルスタックについて、以下の各評価を行った。比較例1については、気孔率が高く、緻密なプレス体および燃料電池セルが作製できなかった。これは酸素量が3.00を超えているため安定なペロブスカイト構造を保つことができず、La2Ti2O7のような不純物相が生成され、焼結阻害による緻密性不良を起こしてしまったものと考えられる。
実施例1に対して、中間層の材料としてSr0.77La0.09Ti0.90Nb0.05Fe0.05O3−δの組成の粉末を用いた以外は同様に行い、固体酸化物形燃料電池セルスタックを得た。得られた固体酸化物形燃料電池セルスタックについて、以下の各評価を行った。比較例2については、気孔率が高く、緻密なプレス体および燃料電池セルが作製できなかった。これは酸素量が低いため安定なペロブスカイト構造を保つことができず、TiO2のような不純物相が生成され、焼結阻害による緻密性不良を起こしてしまったものと考えられる。
実施例1に対して、中間層の材料として、Sr0.30La0.55Ti0.90Nb0.05Fe0.05O3−δの組成の粉末を用いた以外は同様に行い、固体酸化物形燃料電池セルスタックを得た。得られた固体酸化物形燃料電池セルスタックについて、以下の各評価を行った。
実施例1に対して、中間層の材料として、Sr0.40La0.55Ti0.30Fe0.70O3−δの組成の粉末を用いた以外は同様に行い、固体酸化物形燃料電池セルスタックを得た。得られた固体酸化物形燃料電池セルスタックについて、以下の各評価を行った。
実施例1に対して、中間層を形成せずに、インターコネクタの材料としてSr0.55La0.30TiO3−δの組成の粉末を用いた以外は同様に行い、固体酸化物形燃料電池セルスタックを得た。得られた固体酸化物形燃料電池セルスタックについて、比較例5については、燃料電池セル作製においてインターコネクタの形成ができなかった。これは焼成時にインターコネクタが燃料極に取り込まれてしまったためと考えられる。
(組成の分析)
中間層およびインターコネクタの組成は、作製した固体酸化物形燃料電池セルスタックから中間層およびインターコネクタを切り出し、FIB‐SEMによって100nm〜200nmの薄膜に加工した。この薄膜をSTEM−EDXにより評価することで元素マッピングを得た。この元素マッピングを、薄膜近似法を用いて定量分析することで組成比を分析した。その結果、中間層およびインターコネクタの組成の主成分は原料粉末の組成と同じであることを確認した。
中間層の酸素量として、作製した固体酸化物形燃料電池セルスタックの各組成において、各元素の陽イオンの価数の和と2価の陰イオンである酸化物イオンの価数の和が等しいときの酸素の量を求めた。各元素の陽イオンの価数として、Srを2価、LaおよびFeを3価、TiおよびCoを4価、Nb、VおよびTaを5価として算出した。結果を表2に示す。
中間層およびインターコネクタの気孔率を以下の方法により測定した。各原料粉末を900kgf/cm2の荷重にて一軸プレスし、1300℃で2時間、大気雰囲気下で焼成することにより試験片を作製した。この試験片の気孔率をJIS R 1634の規定に基づき、アルキメデス法によって測定した。結果を表2に示す。
中間層およびインターコネクタの導電率を以下の方法により測定した。各原料粉末を900kgf/cm2の荷重にて一軸プレスし、1300℃で2時間、大気雰囲気下で焼成することにより試験片を作製した。この試験片の導電率をJIS R 1650−2の規定に基づき、直流4端子法によって、大気雰囲気下700℃で測定した。結果を表2に示す。
結晶相中の不純物相を以下の方法により同定した。中間層の原料粉末を900kgf/cm2の荷重にて一軸プレスして、1300℃で2時間焼成することにより試験片を作製した。この試験片を乳鉢でBET1m2/g〜3m2/gになるまで粉砕した。得られた粉砕物を粉末X線回折装置(XRD:PANalytical製)にて2θ=20°〜90°における回折強度を測定した後、ペロプスカイト構造に起因するメインピークを除いたときに残るピークを不純物ピークと判定した。この不純物ピークをICDDカードで照合し、不純物相がTiO2,La2Ti2O7、Fe2TiO4であることを同定した。結果を表2に示す。
各厚みは、以下の方法で測定した。作製した固体酸化物形燃料電池セルスタックを中間層およびインターコネクタが含まれるように切断した。この断面をSEMで30〜2000倍の任意の倍率にて3回観察し、得られた値の最大値と最小値を足して2で割って厚みを求めた。結果を表2に示す。
作製した固体酸化物形燃料電池セルスタックから中間層およびインターコネクタの気孔率を以下のように求めた。まず作製した固体酸化物形燃料電池から中間層を含むように切り出し、この中間層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、SEM画像を得た。このSEM画像を画像処理ソフト(Winroofver6.5.1、MITANI CORPORATION社製)によって評価した。これにより、横軸が輝度、縦軸が出現頻度であるヒストグラムを得た。このヒストグラムにおいて、輝度の最小値と最大値の平均値より輝度が低い領域を低輝度領域、平均値より輝度が高い領域を高輝度領域とした。この低輝度領域を気孔と判定し、気孔以外の高輝度領域を中間層と判定することで2値化処理した。その後、下記式により、中間層の気孔率を得た。なお、インターコネクタの気孔率は、中間層と同様の方法で求めた。結果を表2に示す。
気孔率(%)=低輝度領域の積分値÷全体の出現頻度の積分値×100
得られた固体酸化物形燃料電池セルスタックを用いて、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、隣接する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。
燃料ガス:(H2+3%H2O)とN2の混合ガス(混合比はH2:N2=7:4(vol:vol))
酸化ガス:空気
運転温度:700℃
以下の発電条件において、隣接する一方の発電素子の燃料極と隣接する他方の発電素子の燃料極に電位線および電流線を接続することにより、端子間の電圧を測定した。結果を表2に示す。
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:7%
酸化ガス :空気
運転温度 :700℃
電流密度 :0.4A/cm2
以下の評価条件において、インターコネクタと隣接する一方の発電素子の燃料極に電位線および電流線を接続し、電流を流しながらインターコネクタと隣接する一方の発電素子の燃料極の端子間との電位差Aを測定した。その後、インターコネクタおよび中間層を貫通し、隣接する一方の発電素子の燃料極に到達するよう貫通孔を設け、Agペーストを介して電位線および電流線を貫通孔の下の燃料極に接続した。隣接する他方の発電素子の燃料極にも、電位線および電流線を接続した。電流を流しながらインターコネクタ貫通孔の下の隣接する他方の発電素子の燃料極と隣接する他方の燃料極との端子間の電位差Bを測定した。
燃料ガス :(H2+3%H2O)とN2の混合ガス(混合比はH2:N2=7:4(vol:vol))
酸化ガス :空気
運転温度 :700℃
電流 :1A
導電率=電流÷(電位差A−電位差B)×(インターコネクタの膜厚+中間層の膜厚)÷インターコネクタの導電面積
なお、インターコネクタの導電面積は、空気極と中間層とにより挟まれているインターコネクタの面積であり、ノギスを用いて計測した。結果を表2に示す。
上述の発電試験の条件において、電流密度0.4A/cm2で通電し発電試験を行った。その後、燃料ガスの供給量を徐々に減らし、電位が急降下する直前の水素供給量を測定し、次式から限界燃料利用率を算出した。結果を表2に示す。
限界燃料利用率=(発電に使用される水素量)/(電位が急降下する直前の水素供給量)×100
なお、発電に使用される水素量とは、電流量(C/s)×60(s)×22.4(L/mol)÷ファラデー定数(C/mol)×1/2(価数)×発電素子数で求められる。
Claims (9)
- 燃料極、固体電解質および空気極が少なくとも順次積層されてなる複数の発電素子と、
前記複数の発電素子のうちの隣接する一方の発電素子の空気極と、他方の発電素子の燃料極とを電気的に接続するインターコネクタと
を少なくとも有し、前記複数の発電素子が直列に接続されてなる固体酸化物形燃料電池セルスタックであって、
前記インターコネクタと前記他方の発電素子の燃料極との間に、気孔率が1%以下であり、700℃大気雰囲気下の導電率が0.05S/cm以上である中間層が形成されてなる、固体酸化物形燃料電池セルスタック。 - 前記中間層の導電率が、前記インターコネクタの導電率と実質的に同じかそれよりも高く、かつ、前記中間層の気孔率が前記インターコネクタの気孔率よりも低い、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
- 前記中間層の膜厚が、前記インターコネクタの膜厚よりも大きい、請求項1または2に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
- 前記中間層の膜厚が10μm以上100μm以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
- 前記インターコネクタと前記中間層との間に固体電解質が形成されてなる、請求項1〜4のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
- 前記中間層が、SraLabTi1−c−dAcBdO3−δ(ただし、a、b、cおよびdは、0.1≦a≦0.8、0.1≦b≦0.8、0.1≦c≦0.3、および0.3≦d≦0.6を満たす正の実数であり、AはNb、VおよびTaから選択される1種以上の元素であり、BはFeおよびCoから選択される1種以上の元素である。)で表されるペロブスカイト型酸化物からなるものである、請求項1〜5のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
- 前記中間層の酸素量(3−δ)が3.00以下である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
- 前記中間層が、SraLabTi1−c−dNbcFedO3−δ(ただし、a、b、cおよびdは、0.1≦a≦0.8、0.1≦b≦0.8、0.1≦c≦0.3、および0.3≦d≦0.6を満たす正の実数である。)で表されるペロブスカイト型酸化物からなるものである、請求項1〜7のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
- 前記インターコネクタが、SrxLayTiO3−δ(ただし、xおよびyは、0.8≦x+y≦1.0、および0.01<y≦0.1を満たす正の実数である。)で表されるペロブスカイト型酸化物からなるものである、請求項1〜8のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
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