JP2016072213A - 固体酸化物形燃料電池セルスタック - Google Patents

固体酸化物形燃料電池セルスタック Download PDF

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Abstract

【課題】 導電性、ガスシール性および固体電解質との密着性に優れたインターコネクタを有する固体酸化物形燃料電池セルスタックの提供。
【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

本発明は、固体酸化物形燃料電池セルスタックに関する。具体的には、導電性およびガスシール性に優れたインターコネクタを有してなる固体酸化物形燃料電池セルスタックに関する。
燃料電池は、熱エネルギーや運動エネルギーの過程を経由する熱機関と異なり、天然ガスや水素などの燃料を、固体電解質を介して空気中の酸素と反応させ、燃料の持っている化学エネルギーから連続的に直接電気エネルギーを得るエネルギー変換器である。その中で、固体酸化物形燃料電池は、固体電解質として固体酸化物(セラミック)を用い、燃料極を負極、空気極を正極とした電池として作動する燃料電池である。また、固体酸化物形燃料電池は高いエネルギー変換効率が得られるという利点を有するものとして知られている。
固体酸化物形燃料電池は、単電池あたりの出力が小さいため、複数の単電池を直列に接続することによって出力を高めて発電を行っている。隣接する単電池を電気的に接続する部材はインターコネクタと呼ばれている。その材料として、セラミックを用いたインターコネクタ(以下、セラミックインターコネクタとも言う)が知られている。セラミックインターコネクタの特性として、ガスを透過させないガスシール性、導電性、酸化物イオン絶縁性、および固体電解質との密着性が求められている。
一般に、セラミックインターコネクタは厚みが薄くないと(例えば、おおよそ100μm以下)十分な導電性が得られない。しかしながら、十分な導電性を得るためにセラミックインターコネクタの厚みを薄くし、このような厚みの薄いセラミックインターコネクタを多孔質な電極(燃料極や空気極)の表面に形成しようとすると、多孔質な電極にセラミックインターコネクタが取り込まれてしまうおそれがある。これにより、セラミックインターコネクタを形成できないおそれや、形成できたとしても薄いためガスシール性が十分に得られないおそれがある。
セラミックインターコネクタのガスシール性が低いと、燃料ガスがセラミックインターコネクタの燃料極側から空気極側に漏れてしまい、空気と混ざってしまうため好ましくない。セラミックインターコネクタのガスシール性を高めるためには、セラミックインターコネクタの緻密性を高める必要があり、セラミックインターコネクタを緻密に焼結することが求められる。また、セラミックインターコネクタの導電性が低いと、セラミックインターコネクタの抵抗が大きくなり、燃料電池の出力が低下してしまう。さらに、セラミックインターコネクタの酸化物イオン絶縁性が低いと、セラミックインターコネクタの空気極側から燃料極側に酸化物イオンがリークしてしまい、燃料電池の効率が低下してしまう。加えて、固体電解質とセラミックインターコネクタとの密着性が低いと、固体電解質とセラミックインターコネクタとの間にクラック等の隙間が生じてしまい、この隙間から燃料ガスが漏れてしまう。
セラミックインターコネクタの材料として、ランタンクロマイト(LaCrO)系インターコネクタが広く用いられている。このLaCrO系インターコネクタは、一般に導電性は高いが、焼結が困難であることが知られている。また、クロム(Cr)を含むため、いわゆるCr被毒が発生するおそれがある。
また、セラミックインターコネクタの材料として、SrLaTiO3−δで表されるSLT系インターコネクタが広く用いられている。このSLT系インターコネクタは、LaCrO系インターコネクタに比べ、導電性が低いが、焼結性が良好であることが知られている。SLT系インターコネクタは、例えば、絶縁体であるSrTiOの結晶格子中のSrサイトをランタン(La)で置換し、SrLaTiO3−δ(SLT)とすることで、SrLaTiO3−δ(SLT)の結晶格子中のTiサイトのTi4+を一部Ti3+に変化させることによって導電性を発現させている。なお、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。
特開2008-270203号公報(特許文献1)は、気密性を良好に保ちながら、導電性の向上及び固体電解質との密着性の向上を同時に実現するSLT系のセラミックインターコネクタの提供を目的としている。この目的を実現するために、このセラミックインターコネクタを、燃料極側に形成される気密性重視部分と、空気極側に形成され、気密性重視部分よりも導電率が高い導電性重視部分との2層構造とすることが記載されている。この文献によれば、気密性重視部分の材料はSr1−3x/2LaTi1+y3−δを用い、導電性重視部分の材料はSr1−3z/2LaTiOを用いるとされている。気密性重視部分では、過剰のSrは焼結を阻害してしまうため好ましくなく、Laは多すぎても少なすぎてもセラミックインターコネクタの導電性は低下してしまうため、0.15≦x≦0.4であるとされている。また、Tiはセラミックインターコネクタの密着性及び導電性を向上させる観点から0.2≦y≦0.4であるとされている。導電性重視部分では、導電性を向上させるためにSrに対するLaの置換率が重要であり、0.2≦z≦0.4であるとされている。
また、特開2013-030270号公報(特許文献2)には、SrLnTiO3−δと、Ni、Fe、CoおよびCuのうち少なくとも1種の遷移金属とを含有し、少なくとも2層構造を有するセラミックインターコネクタが開示されている。この文献によれば、2層構造は、燃料極側に形成される相対密度が95%未満の多孔質層(第1層)と、空気極側に形成される相対密度が95%以上の緻密層(第2層)であり、多孔質層により高い導電性が得られ、緻密層により良好なガスシール性が得られるとされている。
しかしながら、特許文献1に記載のインターコネクタは、気密性重視部分と導電性重視部分とからなる2層構造とされ、各層の機能が分けられたものであり、燃料極側に設けられた気密性重視部分によって、優れた気密性と導電性とを両立するのは困難である。また、特許文献2に記載のインターコネクタのうち燃料極側に設けられた第1層は、多孔質とすることで導電性を得たものであり、緻密性により導電性を得たものではない。
特開2008-270203号公報 特開2013-030270号公報
本発明者らは、今般、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、緻密でかつ導電性を有する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でき、インターコネクタを薄い層として形成できるとの知見を得た。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、良好な導電性が得られるとの知見を得た。さらに、中間層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が得られるとの知見を得た。そして、このような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できるとの知見を得た。本発明は以上の知見に基づくものである。
従って、本発明は、導電性、ガスシール性および固体電解質との密着性に優れた中間層およびインターコネクタを有する固体酸化物形燃料電池セルスタックの提供をその目的としている。
そして、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックは、
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、
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。
本発明による横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックの正面図である。 本発明による縦縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを構成する縦縞型固体酸化物形燃料電池セルユニットの部分断面図である。 本発明による縦縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを示す斜視図である。 本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックを構成する隣接する発電素子近傍の一つの態様の断面模式図である。 本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックを構成する隣接する発電素子近傍の別の態様を示す模式図である。 本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックを構成する隣接する発電素子近傍の別の態様を示す模式図である。 本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックを構成する隣接する発電素子近傍の別の態様を示す模式図である。 本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックを構成する隣接する発電素子近傍の別の態様を示す模式図である。 本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックを構成する隣接する発電素子近傍の別の態様を示す模式図である。 本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックを構成する発電素子のさらに別の態様を示す模式図である。
定義
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、いわゆる縦縞型固体酸化物形燃料電池および横縞型固体酸化物形燃料電池の双方を包含する。本発明において、縦縞型固体酸化物形燃料電池とは、1つの支持体の表面に1つの発電素子が形成されている固体酸化物形燃料電池を意味する。なお、支持体は、燃料極又は空気極を兼ねていても良い。例えば、支持体として機能する燃料極の表面に固体電解質、および空気極が順次積層された固体酸化物形燃料電池が挙げられる。横縞型固体酸化物形燃料電池とは、1つの支持体の表面に複数の発電素子が形成されている固体酸化物形燃料電池を意味する。
本発明において、固体酸化物形燃料電池セルスタックとは、発電素子が複数集合したものを意味する。
本発明の固体酸化物形燃料電池セルスタックを用いた固体酸化物形燃料電池システムは、特定のものに限定されず、その製造方法やこれを構成する他の材料等はいずれも公知のものを使用することができる。
発電素子
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。
支持体
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。
本発明では、このような支持体として、多孔質であり、ガス透過性を有し、発電素子を支持するための機械的強度を有し、そして電気絶縁性を有するものであれば、特に限定されず用いることができる。支持体の材料としては、MgO、カルシア安定化ジルコニア(CSZ)、フォルステライトからなる群から選ばれる一種以上を用いることができる。支持体の好ましい厚さは0.5〜2mmである。
内側電極および外側電極
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。
本発明の好ましい態様によれば、内側電極は燃料極である。その理由は次の通りである。すなわち、支持体ならびに集電層はガス透過性が良好な多孔質構造を採用する。支持体は発電素子の構造を保持する必要がある。そのため、支持体は導電性だけが要求される集電層より厚くなる。つまり、支持体は集電層よりガスの透過性は悪くなる傾向がある。また、酸素ガスと水素ガスの拡散速度を比較すると、一般に水素ガスの方が酸素ガスより数倍速い。これらのことから、内側電極が空気極である場合は、支持体を水素に比べて透過し難い酸素が透過することとなるので、内側電極が燃料極である場合と比較すると、ガス拡散過電圧が大きくなる。その結果、発電性能が低下する傾向にある。従って、内側電極が燃料極である場合の方が発電性能に優れる。なお、内側電極が燃料極である場合、外側電極は空気極となる。
燃料極
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。
このような燃料極を構成する材料として、例えばNiO/ジルコニウム含有酸化物、NiO/セリウム含有酸化物などが挙げられ、少なくともこれらのいずれかを含んでなる。ここで、NiO/ジルコニウム含有酸化物とは、NiOとジルコニウム含有酸化物とが、所定の比率で均一に混合されたものを意味する。また、NiO/セリウム含有酸化物とは、NiOとセリウム含有酸化物とが、所定の比率で均一に混合されたものを意味する。NiO/ジルコニウム含有酸化物のジルコニウム含有酸化物としては、例えばCaO、Y、Scのうちの1種以上をドープしたジルコニウム含有酸化物などが挙げられる。NiO/セリウム含有酸化物のセリウム含有酸化物としては、一般式Ce1−yLn(但し、LnはLa、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、およびYから選択されるいずれか1種以上の組み合わせであり、0.05≦y≦0.50)などが挙げられる。なお、NiOは燃料雰囲気下で還元されてNiとなるため、前記酸化物はそれぞれNi/ジルコニウム含有酸化物又はNi/セリウム含有酸化物となる。
本発明において、燃料極は単層であっても、又は複層であっても良い。内側電極が複層の燃料極である場合の例としては、支持体側にNi/YSZ(イットリア安定化ジルコニア)を用い、固体電解質側にNi/GDC(Gd−CeO)(すなわち、燃料極触媒層)を用いる。燃料極の好ましい厚さは10〜200μmである。燃料極触媒層の好ましい厚さは0〜30μmである。
中間層
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。
(気孔率)
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。
<SEM画像から得る方法>
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
本発明において、中間層が上記方法によって得られる所望の気孔率を有するものであることを確認するために、以下の方法により求められる気孔率を一つの指標とすることができる。
<アルキメデス法にて測定して得る方法>
中間層の原料粉末を900kgf/cm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。
(導電性)
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/cm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。
(結晶安定性)
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。
中間層の原料粉末を900kgf/cm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700℃大気雰囲気下で10時間熱処理した後、乳鉢でBET1m/g〜3m/gになるまで粉砕する。得られた粉砕物を粉末X線回折装置(XRD)にて2θ=20°〜90°における回折強度を測定する。その後、この粉砕物を700℃水素雰囲気下で10時間熱処理した後、得られた粉砕物を同様の測定方法にて粉末X線回折装置にて2θ=20°〜90°における回折強度を測定する。得られた回折強度を比較し、結晶構造の変化が無いことを確認することで結晶が安定であることを確認する。
(組成)
本発明において、中間層は、一般式SrLaTi1−c−d3−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SrLaTi1−c−d3−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SrLaTi1−c−d3−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SrLaTi1−c−d3−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、LaTi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。
中間層において、ペロブスカイト型酸化物が含まれているか否かは、X線回折装置(XRD)を用いて中間層を分析することにより、判断することができる。
中間層に含まれるペロブスカイト型酸化物の組成および割合は、以下の方法にて特定することができる。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切り出し、収束イオンビーム−走査型電子顕微鏡(Focused Ion Beam‐Scanning Electron Microscope。以下、FIB−SEMという)を用いて厚みが100nm〜200nmの薄膜に加工する。これを走査透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法(Scanning Transmission Electron Microscope−Energy Dispersive X−ray spectrometry。以下、STEM−EDXという)により評価することで元素マッピングを得る。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中間層に含まれるペロブスカイト型酸化物の組成および割合を得ることができる。
本発明において、中間層は、例えば焼成時に他の部材、すなわち燃料極、空気極、固体電解質およびインターコネクタ等から中間層に拡散される元素を不可避成分として含んでいても良い。このような元素としては、Ni、Y、Gd、Ce、Zr、La、Sr、Ga、Mg、Co、Feなどが挙げられる。拡散する元素の量は、各部材の構成材料、結晶構造、焼成温度、焼成の態様(例えば、逐次焼成や共焼成)などに応じて変化する。
本発明の好ましい態様によれば、前記一般式で表されるペロブスカイト型酸化物において、SrおよびLaの各組成比は、酸素量が2.95以上3.00以下となる組成である。酸素量が2.95以上であることにより、安定なペロブスカイト構造を保つことができ、TiO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。
酸素量(3−δ)は、前記一般式で表されるペロブスカイト型酸化物において、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である。本発明においては、各元素の価数として、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価として計算する。
本発明の好ましい態様によれば、前記一般式で表されるペロブスカイト型酸化物において、元素Aおよび元素Bの各組成比は、0.1≦c≦0.3、0.3≦d≦0.6である。Tiの組成比は1−c−dで求められる。
本発明の好ましい態様によれば、前記一般式で表されるペロブスカイト型酸化物において、SrおよびLaの各組成比は、0.2≦a≦0.5、0.4≦b≦0.7である。さらに好ましくは0.29≦a≦0.4、0.5≦b≦0.6である。これにより気孔率が低く、導電率が高い中間層を形成することが可能となる。
本発明の好ましい態様によれば、前記一般式で表されるペロブスカイト型酸化物において、元素Aおよび元素Bの各組成比は、0.1≦c≦0.25、0.3≦d≦0.5である。
本発明のより好ましい態様によれば、前記一般式で表されるペロブスカイト型酸化物において、元素AはNbであり、元素BはFeである。この態様において、中間層は、導電キャリアとしてSLTのTiサイトがFeで置換されている。よって、導電性が向上する。一方、Feで置換されたSLTは、TiサイトがFeで置換されることにより酸素欠損が生じ、酸化物イオン伝導性が発現してしまう傾向がある。しかし、本発明を構成する中間層は、Feで置換されたSLTのTiサイトに4価のTiよりも原子価が高い5価のNbがさらに置換されているため、酸素欠損による酸化物イオン伝導性の発現を抑制することができる。つまり、SLTのTiサイトをFeで置換することで導電性を向上し、さらにFeで置換されたSLTのTiサイトをNbで置換することで酸化物イオン伝導性の発現を抑制することにより、導電性と酸化物イオン絶縁性とを両立できる中間層を得ることができる。
また、上記態様において、中間層は、Feの組成比が特定の範囲に制御されている。つまり、Feの組成比が上述のdの範囲を満たすことが好ましい。これにより、焼成時における中間層から固体電解質への元素拡散を制御しつつ、中間層と固体電解質との良好な密着性と、良好な導電性とを両立している。さらに、FeとNbの組成比を特定の範囲とすることが好ましい。つまり、上述のcとdの範囲を満たすことが好ましい。これにより、一層優れた中間層と固体電解質との密着性および導電性を実現している。
(厚み)
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。
インターコネクタ
(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SrLaTiO3−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SrLaTiO3−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SrLaTiO3−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SrLaTiO3−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SrTiO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、SrLaTi1−zNb3−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、インターコネクタは、例えば焼成時に他の部材、すなわち燃料極、空気極、固体電解質および中間層等からインターコネクタに拡散される元素を不可避成分として含んでいても良い。このような元素としては、Ni、Y、Gd、Ce、Zr、La、Sr、Ga、Mg、Coなどが挙げられる。拡散する元素の量は、各部材の構成材料、結晶構造、焼成温度、焼成の態様(例えば、逐次焼成や共焼成)などに応じて変化する。
インターコネクタにおいて、ペロブスカイト型酸化物が含まれているか否かは、中間層と同様の方法にて判断することができる。
インターコネクタに含まれているペロブスカイト型酸化物の組成及び割合は、中間層と同様の方法にて得ることができる。
本発明において、インターコネクタはFeを含有しないのが好ましい。これにより、酸化物イオン伝導性の発現を抑制することができる。中間層がFeを含有する場合、酸化物イオン伝導性を完全に抑制することは難しい。よって、中間層をインターコネクタとして用いると、酸化物イオン伝導性を完全に抑制することができず、酸化物イオンのリークが発生してしまうおそれがある。これにより燃料電池の出力が低下してしまうため、望ましくない。したがって、本発明ではインターコネクタと中間層とを別の層として設けている。
(厚み)
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。
(導電率)
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。
(気孔率)
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。
導電部
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。
本発明において、導電部の導電率は0.03S/cm以上であることが好ましく、さらに好ましくは0.05S/cm以上である。また、導電率は高ければ高いほど良いため上限は無いが、0.15S/cm以下であることが好ましく、さらに好ましくは0.13S/cm以下である。これにより、導電部における出力低下を抑え、固体酸化物形燃料電池セルスタックとして高い発電性能を発揮することが可能となる。
導電部の導電率は以下の方法によって求めることが出来る。後述する評価条件において、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端子との間の電位差Aを測定する。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する。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する。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発電素子の燃料極との端子間の電位差Bを測定する。測定した電位差を用いて、下記の式から導電率を求める。
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 :(H+3%HO)とNの混合ガス(混合比はH:N=7:4(vol:vol))
酸化ガス :空気
運転温度 :700℃
電流 :1A
空気極
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。
このような空気極を構成する材料として、例えばLa1−xSrCoO(但し、x=0.1〜0.3)及びLaCo1−xNi(但し、x=0.1〜0.6)などのランタンコバルト系酸化物、LaSrFeO系とLaSrCoO系の固溶体であるランタンフェライト系酸化物(La1−mSrCo1−nFe(但し、0.05<m<0.50、0<n<1))などが挙げられる。空気極は、単層であっても、又は複層であっても良い。外側電極が複層の空気極である場合の例としては、固体電解質側にLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8(すなわち、空気極触媒層)を用い、最表層にLa0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2(すなわち、空気極)を用いることができる。空気極の好ましい厚さは0.2〜30μmである。
固体電解質
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−aSrGa1−b−cMgCo3−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−xLa(但し、0.3<x<0.5))が挙げられる。好適には、Ce0.6La0.4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。
本発明において、固体電解質および中間層の双方がストロンチウムを含むのが好ましい。本発明の好ましい態様によれば、固体電解質に含まれるストロンチウム量は中間層に含まれるストロンチウム量よりも少ない。具体的には、固体電解質は、酸素を除いた元素換算で、組成中にストロンチウムを15mol%以下含むことが好ましく、2.5mol%以上15mol%以下含むことがより好ましい。すなわち、固体電解質は上述した一般式La1−aSrGa1−b−cMgCo3−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)を含んでなることが好ましい。
集電層
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、La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.23−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。
固体酸化物形燃料電池セルスタックの構造
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。
図2は、本発明の一つの態様である縦縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを構成する縦縞型固体酸化物形燃料電池セルユニットの部分断面図である。縦縞型固体酸化物形燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子86とを備えてなる。燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の多孔質支持体91上に内側電極層90と、外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある固体電解質94とを備えてなる。また、縦縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックでは、例えばAgなどの金属や導電性セラミックスでインターコネクタと空気極とを接続させる。
燃料電池セル84の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。内側電極層90の上部90aは、固体電解質94と外側電極層92に対して露出された外周面90bと上端面90cとを備える。内側電極端子86は、導電性のシール材96を介して内側電極層90の外周面90bと接続され、さらに、内側電極層90の上端面90cとは直接接触することにより、内側電極層90と電気的に接続されている。内側電極端子86の中心部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路98が形成されている。
図3は、本発明の一つの態様として、縦縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを示す斜視図である。縦縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック14は、16本の縦縞型固体酸化物形燃料電池セルユニット16を備え、これら縦縞型固体酸化物形燃料電池セルユニット16の下端側及び上端側が、それぞれセラミック製の下支持板68及び上支持板100により支持されている。これら下支持板68及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴68a及び100aがそれぞれ形成されている。
縦縞型固体酸化物形燃料電池セルユニット16には、集電体102及び外部端子104が取り付けられている。この集電体102は、燃料極である内側電極層90に取り付けられた内側電極端子86と電気的に接続される燃料極用接続部102aと、空気極である外側電極層92の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部102bとにより一体的に形成されている。空気極用接続部102bは、外側電極層92の表面を上下方向に延びる鉛直部102cと、この鉛直部102cから外側電極層92の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部102dとから形成されている。また、燃料極用接続部102aは、空気極用接続部102bの鉛直部102cから燃料電池セルユニット16の上下方向に位置する内側電極端子86に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。
縦縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック14の端(図3では左端の奥側及び手前側)に位置する2個の縦縞型固体酸化物形燃料電池セルユニット16の上側端及び下側端の内側電極端子86には、それぞれ外部端子104が接続されている。これらの外部端子104は、隣接する縦縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック14の端にある縦縞型固体酸化物形燃料電池セルユニット16の外部端子104(図示せず)に接続され、上述したように、16本の縦縞型固体酸化物形燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されるようになっている。
図4は、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックの一つの態様を示す模式図であり、横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックにおいて隣接する発電素子近傍を示す。支持体201の表面に燃料極202、固体電解質204および空気極206が順次積層されている。隣接する一方の発電素子の空気極206と、他方の発電素子の燃料極202とがインターコネクタ205によって電気的に接続されている。燃料極202とインターコネクタ205との間に中間層203が設けられている。
図5は、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックの一つの態様を示す模式図であり、横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックにおいて隣接する発電素子の一方の発電素子近傍を示す。図5では、図4に対し中間層203が燃料極202の側面を覆っている。
図6は、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックの一つの態様を示す模式図であり、横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックにおいて隣接する発電素子の一方の発電素子近傍を示す。図6では、図4に対し中間層203とインターコネクタ205との間に固体電解質204が設けられている。
図7は、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックの一つの態様を示す模式図であり、横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックにおいて隣接する発電素子の一方の発電素子近傍を示す。図7では、図4に対し中間層203とインターコネクタ205との間に固体電解質204が設けられている。燃料極202の表面の一部に固体電解質204が接している。
固体電解質204は緻密であるため、固体電解質204を中間層203とインターコネクタ205との間に設けることにより、ガスシール性をさらに向上させることができる。
図8は、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックの一つの態様を示す模式図であり、横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックにおいて隣接する発電素子の一方の発電素子近傍を示す。図8では、図4に対し中間層203が燃料極202の側面を覆い、かつ中間層203とインターコネクタ205との間に固体電解質204が設けられている。
図9は、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックの一つの態様を示す模式図であり、横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックにおいて隣接する発電素子の一方の発電素子近傍を示す。図9では、図4に対し燃料極202とインターコネクタ205との間に中間層203と固体電解質204との双方が設けられている。
図10は、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックの一つの態様を示す模式図であり、縦縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックにおいて隣接する発電素子の一方の発電素子近傍を示す。図10は、支持体を兼ねた燃料極202の表面に、固体電解質204および空気極206が順次積層されている。燃料極202とインターコネクタ205との間に中間層203が設けられている。
固体酸化物形燃料電池セルスタックの製造方法
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。
支持体は例えば以下のように作製することができる。先ず、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、消泡剤もしくは造孔剤またはこれらの組合せ等を添加してもよい。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支持体を成形する場合は、押出成形法を用いるのが好ましい。複層の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。コーティング方法の具体例としては、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。印刷方法の具体例としては、スクリーン印刷法やインクジェット印刷方法などが挙げられる。次いで、作製した坏土を成形し、乾燥して支持体前駆体を得る。この支持体前駆体は、好ましくは、次いで仮焼(800℃以上1100℃未満)して多孔質な支持体の仮焼体を得て、その後支持体の仮焼体を、単独で焼成して支持体を得てもよく、又は、少なくとも燃料極等と共に焼成して支持体を得てもよい。焼成温度は、1100℃以上1400℃未満が好ましい。
中間層およびインターコネクタは例えば以下のように作製することができる。まず、各原料粉末を作製する。原料粉末の作製は、例えば固相法により行うことができる。すなわち、原料となる金属酸化物の粉末を所望の組成比となるように秤量し、溶液中で混合した後に溶媒を除去して得られた粉末を、例えば1150℃で焼成、そして粉砕して原料粉末を作製する。この原料粉末に、溶媒(水、アルコールなど)、必要に応じて分散剤、バインダー等の成形助剤を添加して、スラリー又はペーストを作製する。このスラリー又はペーストをコーティングし、乾燥(80℃以上1100℃以下、好ましくは300℃以上1100℃以下)することで得られる乾燥被膜を形成した後、焼成(1100℃以上1400℃未満、好ましくは1250℃以上1400℃未満)することによって中間層およびインターコネクタを得ることができる。コーティングは、既に説明したのと同様の方法を用いることができる。あるいは、各乾燥被膜は、予め転写シートとして形成し、転写フィルムを被積層体に貼り付けることにより設けても良い。
燃料極、固体電解質および空気極は例えば以下のように作製することができる。各原料粉末に、溶媒(水、アルコールなど)、必要に応じて分散剤、バインダー等の成形助剤を添加して、スラリー又はペーストを作製する。このスラリー又はペーストをコーティングし、乾燥(80℃以上1100℃以下、好ましくは300℃以上1100℃以下)することで得られる乾燥被膜を形成した後、焼成(1100℃以上1400℃未満、好ましくは1250℃以上1400℃未満)することによって燃料極、固体電解質および空気極を得ることができる。コーティングは、既に説明したのと同様の方法を用いることができる。あるいは、各乾燥被膜は、予め転写シートとして形成し、転写フィルムを被積層体に貼り付けることにより設けても良い。
本発明の製造方法の好ましい態様によれば、焼成は、各層を形成する都度行うことが好ましい。つまり、本態様によれば、支持体又はその仮焼体の表面に、燃料極の乾燥被膜を形成後、焼成して燃料極を形成する工程と、固体電解質の乾燥被膜を形成、焼成して固体電解質を形成する工程と、中間層の乾燥被膜を形成、焼成して中間層を形成する工程と、インターコネクタの乾燥被膜を形成後、焼成してインターコネクタを形成する工程と、空気極の乾燥被膜を形成後、焼成して空気極を形成する工程とを少なくとも含んでなる。また、集電層の形成は、空気極の形成後に行う。
本発明の製造方法の別の好ましい態様によれば、支持体又はその仮焼体を作製し、支持体又はその仮焼体の表面に燃料極の乾燥被膜を形成し、中間層の乾燥被膜を形成し、固体電解質の乾燥被膜を形成し、支持体、燃料極、中間層および固体電解質の乾燥被膜からなる積層成形体を共焼成(1250℃以上1400℃未満)し、その後インターコネクタの乾燥被膜を形成し、インターコネクタを焼成(1100℃以上1400℃未満、好ましくは1250℃以上1400℃未満)し、空気極の乾燥被膜を形成し、そしこれら全体を焼成することを含んでなる。
本発明による製造方法の上記態様にあっては、支持体又はその仮焼体に燃料極、中間層および固体電解質の各乾燥被膜を形成後、これらからなる積層成形体を一度に焼成する共焼成を行っている。この態様にあっては、固体電解質や中間層がドーパントの拡散等により変性しないように、焼成は酸化雰囲気下で行なうことが好ましい。より好適には、空気と酸素の混合ガスを用い、酸素濃度は20質量%以上30質量%以下の雰囲気で焼成を行う。
本発明による製造方法の上記態様にあっては、少なくとも中間層および固体電解質が共焼成により得られることが好ましい。焼成時において、中間層に含まれている元素と固体電解質に含まれている元素が相互に拡散し合う。すなわち、中間層に含まれている元素と固体電解質に含まれている元素が同じ場合、相互に拡散し合う。このような元素としては、ストロンチウムやランタンが挙げられる。これにより、中間層と固体電解質との密着性を向上することができる。
本発明を以下の実施例および比較例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。
実施例1
(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MgSiO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)。
(燃料極層用スラリーの作製)
NiO粉末と10YSZ(10mol%Y−90mol%ZrO)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。
(燃料極触媒層用スラリーの作製)
NiO粉末とGDC10(10mol%GdO1.5−90mol%CeO)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。
(反応抑制層用スラリーの作製)
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%CeO)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Ga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。
(固体電解質用スラリーの作製)
固体電解質の材料として、La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2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。
(空気極用スラリーの作製)
空気極の材料として、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8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)
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Sr0.37La0.52Ti0.50Nb0.10Fe0.403−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。
(中間層用スラリーの作製)
中間層の材料として、Sr0.37La0.52Ti0.50Nb0.10Fe0.403−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。
(インターコネクタ用原料粉末の作製)
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。
(インターコネクタ用スラリーの作製)
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。
(固体酸化物形燃料電池セルスタックの作製)
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。
多孔質である支持体用坏土A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時間熱処理して支持体の仮焼体を作製した。この支持体表面に、スラリーコート法により燃料極、燃料極触媒層、中間層、反応抑制層、固体電解質の順番で成膜し、乾燥させて乾燥被膜が積層された積層成形体を得た。この積層成形体を1300℃で2時間共焼成した。
次に、得られた焼成体にインターコネクタをスラリーコート法により成膜した。これらを1250℃で2時間焼成した。
次に、固体電解質の表面に空気極を成形し、1100℃で2時間焼成し、固体酸化物形燃料電池セルスタックを作製した。なお、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スタックは、燃料極の厚さが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、固体電解質の厚みが30μmであり、空気極の厚みが20μmであった。また、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。各層の厚みは作製した固体酸化物形燃料電池セルスタックを切断して、断面をSEMで30〜2000倍の任意の倍率にて観察し、得られた厚みの最大値と最小値を足して2で割ったものである。切断箇所は空気極が成膜してある部分の中央部とした。また、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2〜13
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。
比較例1
実施例1に対して、中間層の材料としてSr0.40La0.55Ti0.60Fe0.403−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、LaTi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。
比較例2
実施例1に対して、中間層の材料としてSr0.77La0.09Ti0.90Nb0.05Fe0.053−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、TiO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。
比較例3
実施例1に対して、中間層の材料として、Sr0.30La0.55Ti0.90Nb0.05Fe0.053−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4
実施例1に対して、中間層の材料として、Sr0.40La0.55Ti0.30Fe0.703−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5
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。
Figure 2016072213
評価
(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。
(中間層の酸素量の算出)
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。
(気孔率の測定1)
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/cm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。
(導電率の測定)
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/cm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。
(不純物相の同定)
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/cm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BET1m/g〜3m/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TiO,LaTi、FeTiOであることを同定した。結果を表2に示す。
(中間層およびインターコネクタの厚みの測定)
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。
(気孔率の測定2)
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
(OCVの測定)
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。
以下の発電条件で発電試験を行い、運転0時間後の起電力;OCV(V)を測定した。結果を表2に示す。
燃料ガス:(H+3%HO)とNの混合ガス(混合比はH:N=7:4(vol:vol))
酸化ガス:空気
運転温度:700℃
(端子電圧の測定)
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 :(H+3%HO)とNの混合ガス(混合比はH:N=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/cm
(導電部の導電率の測定)
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 :(H+3%HO)とNの混合ガス(混合比はH:N=7:4(vol:vol))
酸化ガス :空気
運転温度 :700℃
電流 :1A
導電部の導電率は以下の式から算出した。
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。
(限界燃料利用率の測定)
上述の発電試験の条件において、電流密度0.4A/cm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。
Figure 2016072213
10:発電素子、210:固体酸化物形燃料電池セルスタック、201:支持体、202:燃料極、203:中間層、204:固体電解質、205:インターコネクタ、206:空気極

Claims (9)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 前記中間層が、SrLaTi1−c−d3−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。
  7. 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。
  8. 前記中間層が、SrLaTi1−c−dNbFe3−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。
  9. 前記インターコネクタが、SrLaTiO3−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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