JP2017021945A - 固体酸化物形電気化学セル、固体酸化物形電気化学セルの製造方法、固体酸化物形燃料電池、及び高温水蒸気電気分解装置 - Google Patents
固体酸化物形電気化学セル、固体酸化物形電気化学セルの製造方法、固体酸化物形燃料電池、及び高温水蒸気電気分解装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2017021945A JP2017021945A JP2015137507A JP2015137507A JP2017021945A JP 2017021945 A JP2017021945 A JP 2017021945A JP 2015137507 A JP2015137507 A JP 2015137507A JP 2015137507 A JP2015137507 A JP 2015137507A JP 2017021945 A JP2017021945 A JP 2017021945A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrolyte layer
- solid electrolyte
- electrochemical cell
- solid oxide
- solid
- 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.)
- Granted
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 147
- 239000007787 solid Substances 0.000 title claims abstract description 96
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 title abstract description 11
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 199
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 86
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 238000010304 firing Methods 0.000 claims description 33
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 30
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 9
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims description 5
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims description 5
- 238000010248 power generation Methods 0.000 abstract description 39
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N Magnesium oxide Chemical compound [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 42
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 42
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 36
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 22
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 22
- 239000000463 material Substances 0.000 description 22
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 17
- AHKZTVQIVOEVFO-UHFFFAOYSA-N oxide(2-) Chemical compound [O-2] AHKZTVQIVOEVFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 12
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 11
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 11
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 10
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 8
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 8
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 8
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 8
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 7
- ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 2-Butanone Chemical compound CCC(C)=O ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 6
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 6
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 6
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 6
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 5
- 238000000921 elemental analysis Methods 0.000 description 5
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 5
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 description 5
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 4
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 4
- 229920002037 poly(vinyl butyral) polymer Polymers 0.000 description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 4
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 4
- 229910001233 yttria-stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 4
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010344 co-firing Methods 0.000 description 3
- 229910021320 cobalt-lanthanum-strontium oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 3
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 description 3
- 229910000480 nickel oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N oxonickel Chemical compound [Ni]=O GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 3
- WUOACPNHFRMFPN-SECBINFHSA-N (S)-(-)-alpha-terpineol Chemical compound CC1=CC[C@@H](C(C)(C)O)CC1 WUOACPNHFRMFPN-SECBINFHSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- OVKDFILSBMEKLT-UHFFFAOYSA-N alpha-Terpineol Natural products CC(=C)C1(O)CCC(C)=CC1 OVKDFILSBMEKLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229940088601 alpha-terpineol Drugs 0.000 description 2
- 239000011324 bead Substances 0.000 description 2
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 2
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 2
- CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N ceric oxide Chemical compound O=[Ce]=O CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000422 cerium(IV) oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004927 clay Substances 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 2
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 2
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 2
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 2
- 229910052705 radium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 2
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- OAYXUHPQHDHDDZ-UHFFFAOYSA-N 2-(2-butoxyethoxy)ethanol Chemical compound CCCCOCCOCCO OAYXUHPQHDHDDZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001856 Ethyl cellulose Substances 0.000 description 1
- ZZSNKZQZMQGXPY-UHFFFAOYSA-N Ethyl cellulose Chemical compound CCOCC1OC(OC)C(OCC)C(OCC)C1OC1C(O)C(O)C(OC)C(CO)O1 ZZSNKZQZMQGXPY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002141 La0.6Sr0.4CoO3-δ Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- 239000005388 borosilicate glass Substances 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000007606 doctor blade method Methods 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 229920001249 ethyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- 235000019325 ethyl cellulose Nutrition 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 229910002119 nickel–yttria stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004230 steam cracking Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
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
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
【解決手段】固体電解質層2と燃料極3と空気極4とを有し、燃料極3はMn、Fe、Co、Ni、及びCuのうちの少なくとも1つの遷移元素を含有し、空気極4はMn、Fe、Co、Ni、及びCuのうちの少なくとも1つの遷移元素を含有し、固体電解質層2は自身の厚さが100μm以下であり、Gaを含有するペロブスカイト型酸化物aを有し、燃料極3に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合が0.5質量%以下であり、かつ、空気極4に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合が0.5質量%以下である第1領域を有し、その厚さが5μm以上である固体酸化物形電気化学セル1。
【選択図】図1
Description
本発明の別の課題は、固体電解質層内での短絡を抑制することにより、高い起電力を有すると共に発電能力に優れた固体酸化物形電気化学セルの製造方法を提供することである。
本発明のまた別の課題は、固体電解質層内での短絡を抑制することにより、高い起電力を有すると共に発電能力に優れた固体酸化物形燃料電池を提供することである。
本発明のさらに別の課題は、固体電解質層内での短絡を抑制することにより、水の分解能力に優れた高温水蒸気電気分解装置を提供することである。
(1)固体電解質層と、前記固体電解質層の一方の側に形成されてなる燃料極と、前記固体電解質層の他方の側に形成されてなる空気極とを有する固体酸化物形電気化学セルであって、
前記燃料極は、Mn、Fe、Co、Ni、及びCuのうちの少なくとも1つの遷移元素を含有し、
前記空気極は、Mn、Fe、Co、Ni、及びCuのうちの少なくとも1つの遷移元素を含有し、
前記固体電解質層は、自身の厚さが100μm以下であり、Gaを含有するペロブスカイト型酸化物aを有し、前記固体電解質層の切断面を電子線プローブマイクロアナライザーに付属の波長分散型X線分光器により点分析したときに、検出された全元素のうち原子番号1〜8の元素を除く元素の合計質量に対する、前記燃料極に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合が0.5質量%以下であり、かつ、前記空気極に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合が0.5質量%以下である第1領域を有し、前記固体電解質層の膜厚方向における前記第1領域の厚さが5μm以上であることを特徴とする固体酸化物形電気化学セルである。
(2)前記(1)に記載の固体酸化物形電気化学セルにおいて、前記ペロブスカイト型酸化物aは、(La1−αSrα)(Ga1−βMgβ)O3−δ(0.05≦α<0.2、0.05≦β<0.2)である。
(3)前記(1)又は前記(2)に記載の固体酸化物形電気化学セルにおいて、前記固体電解質層は、前記固体電解質層の切断面を電子線プローブマイクロアナライザーに付属の波長分散型X線分光器により点分析したときに、検出された全元素のうち原子番号1〜8の元素を除く元素の合計質量に対する、前記燃料極に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合が0.5質量%を超える第2領域を有し、前記固体電解質層の膜厚方向における前記第2領域の厚さが20μm以下である。
(4)前記(1)〜前記(3)のいずれか一つに記載の固体酸化物形電気化学セルにおいて、前記燃料極に含まれる遷移元素のうち、少なくとも1つは、Niである。
(5)前記(1)〜前記(4)のいずれか一つに記載の固体酸化物形電気化学セルにおいて、前記固体電解質層は、前記固体電解質層の切断面を電子線プローブマイクロアナライザーに付属の波長分散型X線分光器により点分析したときに、検出された全元素のうち原子番号1〜8の元素を除く元素の合計質量に対する、前記空気極に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合が0.5質量%を超える第3領域を有し、前記固体電解質層の膜厚方向における前記第3領域の厚さが20μm以下である。
(6)前記(1)〜前記(5)のいずれか一つに記載の固体酸化物形電気化学セルにおいて、前記空気極に含まれる遷移元素のうち、少なくとも1つは、Coである。
(7)前記(1)〜前記(6)のいずれか一つに記載の固体酸化物形電気化学セルの製造方法であって、前記燃料極となる未焼成燃料極の表面に前記固体電解質層となる未焼成固体電解質層を形成し、1320℃以下の温度で焼成して同時焼成体を形成する工程を有することを特徴とする固体酸化物形電気化学セルの製造方法である。
(8)前記(7)に記載の固体酸化物形電気化学セルの製造方法において、前記同時焼成体の表面に前記空気極となる未焼成空気極を形成し、1100℃以下の温度で焼成する工程を有する。
(9)前記(1)〜前記(6)のいずれか一つに記載の固体酸化物形電気化学セルを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池である。
(10)前記(1)〜前記(6)のいずれか一つに記載の固体酸化物形電気化学セルを有することを特徴とする高温水蒸気分解装置である。
(2)(La1−αSrα)(Ga1−βMgβ)O3−δ(0.05≦α<0.2、0.05≦β<0.2)は、Gaを含有するペロブスカイト型酸化物の中でも、特に酸化物イオンの伝導率が高い。また、βが小さくなるほど固体電解質中のMgOの偏析が少なくなる。MgOが固体電解質層中に偏析していると、MgOは燃料極及び空気極に含有される遷移元素と反応して固溶体を形成し易いため、燃料極及び空気極から固体電解質層へと遷移元素が拡散し易くなる。しかしながら、前述した一般式で示されるペロブスカイト型酸化物aは、βが0.2より小さいことからMgOの偏析が少ないので、燃料極及び空気極から固体電解質層への遷移元素の拡散がより一層抑制される。したがって、この発明によると、固体電解質層の厚さを薄く形成しつつ短絡を抑制することができ、また、固体電解質層における酸化物イオンの伝導性に優れ、その結果として高い起電力を有すると共に発電能力に優れた固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。
(3)この発明における固体電解質層は、燃料極に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合が0.5質量%を超える第2領域を有し、固体電解質層の膜厚方向における第2領域の厚さが20μm以下である。したがって、この発明によると、固体電解質層内での電気的な短絡をより一層抑制することができ、高い起電力及び発電能力に優れた固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。
(4)この発明によると、燃料極に含まれる遷移元素のうち、少なくとも1つがNiであるので、高い反応活性と電子伝導性を有する燃料極を備えた高性能な固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。
(5)この発明における固体電解質層は、空気極に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合が0.5質量%を超える第3領域を有し、固体電解質層の膜厚方向における第3領域の厚さが20μm以下である。したがって、この発明によると、固体電解質層内での電気的な短絡をより一層抑制することができ、高い起電力及び発電能力に優れた固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。
(6)この発明によると、空気極に含まれる遷移元素のうち、少なくとも1つがCoであるので、高い反応活性と酸化物イオン伝導性を有する空気極を備えた高性能な固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。
(7)前記(7)に記載の固体酸化物形電気化学セルの製造方法によると、燃料極となる未焼成燃料極の表面に固体電解質層となる未焼成固体電解質層を形成し、1320℃以下の温度で焼成して同時焼成体を形成するので、燃料極から固体電解質層へのNi等の遷移元素の拡散を低減することができ、それによって電気的な短絡を抑制することができ、高い起電力を有すると共に発電能力に優れた固体酸化物形電気化学セルを製造することができる。
(8)前記(8)に記載の固体酸化物形電気化学セルの製造方法によると、前記同時焼成体の表面に空気極となる未焼成空気極を形成し、1100℃以下の温度で焼成するので、空気極から固体電解質層へのCo等の遷移元素の拡散を低減することができ、それによって電気的な短絡を抑制することができ、高い起電力を有すると共に発電能力に優れた固体酸化物形電気化学セルを製造することができる。
(9)前記(9)に係る発明によると、電気的な短絡を起こし難く、高い起電力を有すると共に発電能力に優れた固体酸化物形燃料電池を提供することができる。
(10)前記(10)に係る発明によると、電気的な短絡を起こし難く、水の分解能力に優れた高温水蒸気電気分解装置を提供することができる。
(La1−αSrα)(Ga1−βMgβ)O3−δ(0.05≦α<0.2、0.05≦β<0.2)・・・一般式(I)
また、一般式(I)において、βが0.2より小さくなるほど固体電解質中のMgOの偏析が少なくなる。MgOが固体電解質層中に偏析していると、MgOは燃料極及び空気極に含有される遷移元素と反応して固溶体を形成し易いため、燃料極及び空気極から固体電解質層へと遷移元素が拡散し易くなる。しかしながら、一般式(I)で示されるペロブスカイト型酸化物aは、βが0.2より小さいことからMgOの偏析が少ないので、燃料極及び空気極から固体電解質層への遷移元素の拡散がより一層抑制される。したがって、固体電解質層が一般式(I)に示されるペロブスカイト型酸化物aにより形成されていると、固体電解質層の厚さを薄く形成しても短絡を抑制することができ、また、固体電解質層における酸化物イオンの伝導性に優れ、その結果として高い起電力を有すると共に発電能力に優れた固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。
なお、点分析は、EPMAに付属のWDSにより、加速電圧15kV、照射電流50nA、スポット径1μmで行う。また、EPMAのWDS分析では、軽元素の分析精度が低いので、検出された全元素のうち原子番号1〜8の元素を除いた元素の合計質量を基準として、Ni等の遷移元素の合計質量の割合Rf及びRaを算出する。
なお、筒型の単セルの断面形状は、円形に制限されず、楕円形、多角形等であってもよい。また、本発明における単セルの形状は筒型には制限されず、平板型であってもよい。平板型の単セルは、板状の固体電解質層の一方の面に燃料極が設けられ、燃料極が設けられている面の反対側の面に空気極が設けられる。
酸化ニッケルと、ZrO2含有セラミック等のセラミックとの混合粉末に、バインダー及び造孔材の粉末を加え、十分に混合した後に、水を添加することにより粘土状の混合物を得る。この粘土状の混合物を押出成形機に投入し、所定の形状に形成することにより、未焼成燃料極が得られる。
ペロブスカイト型酸化物aの粉末、又は焼成によりペロブスカイト型酸化物aが形成されるよう配合された各種酸化物の粉末の混合物に、ポリビニルブチラール等に代表されるバインダー、分散剤、可塑剤、及び溶媒を混合し、固体電解質層形成用スラリーが得られる。
次に、前記未焼成燃料極の表面を必要に応じてマスキングした後に、固体電解質層形成用スラリーに未焼成燃料極を浸漬させ、ゆっくりと引き上げることにより、未焼成燃料極の表面に未焼成固体電解質層の被膜が形成された未焼成電解質成形体が得られる。
その後、未焼成電解質成形体を、1320℃以下、好ましくは1300℃〜1320℃の条件下で、未焼成固体電解質層及び未焼成燃料極を同時焼成する。焼成後に、固体電解質層及び燃料極からなる同時焼成体が得られる。
LSC等の空気極を形成する材料に、必要に応じてAg等の他の粉末を混合し、バインダー、分散剤、可塑剤、及び溶媒を混合し、空気極形成用スラリーを作製する。
前記同時焼成体の表面を必要に応じてマスキングした後に、この同時焼成体を前記空気極形成用スラリーに浸漬させ、その後ゆっくりと引き上げることにより、同時焼成体における固体電解質層の表面に未焼成空気極の被膜が形成された未焼成空気極成形体が得られる。
その後、未焼成空気極成形体を、1100℃以下の条件下、好ましくは900℃〜1100℃の条件下で、未焼成空気極の被膜を焼き付けることにより、空気極が形成される。これにより、空気極、固体電解質層、及び燃料極を有する単セルが得られる。
例えば、酸化マグネシウム粉末と、セルロース系バインダーと、造孔材とを混ぜ、水を加えて混合して粘土状体を得る。この粘土状体を押出成形機に投入し、絶縁性多孔体34において配列溝や位置決め凸部27となる部分が形成されるようにシートを成形する。このシートを約1500℃の温度で焼成を行った後に、所定の寸法に切断し、連通孔を開けることによって、燃料電池スタック31を作製するのに適した形状の絶縁性多孔体34が形成される。
例えば、LSCF粉末、α−テルピネオール、及びアミン系分散剤を混合することにより導電性集積用材料層成形用ペーストが得られる。
例えば、酸化マグネシウム、α−テルピネオール、及びアミン系分散剤を混合することにより絶縁性材料層成形用ペーストが得られる。
絶縁性多孔体34における所定の位置に、絶縁性材料層成形用ペーストを塗布する。次に、絶縁性材料層成形用ペーストの表面における所定の位置に、導電性材料層成形用ペーストを塗布する。さらに、絶縁性多孔体34の配列溝25に、単セル1を配置する。具体的には、単セル1には所定の位置に金属シール層41を設けておき、この金属シール層41の位置と絶縁性多孔体34における連通孔32の位置とが対応するように、単セル1を配置すればよい。単セル1が埋め込まれた絶縁性多孔体34同士を、多数積層することにより積層体が得られる。この積層体を、大気中において約1000℃で2時間焼成することにより、スタック体が得られる。
例えば、軟化点が700℃であり、平均粒子径が4μmの硼珪酸系ガラス粉末に、ポリビニルブチラール、アミン系分散剤、及び可塑剤を適量添加し、エタノールとトルエンを溶媒としてスラリーが得られる。得られたスラリーを用いて、ドクターブレード法により厚さ約300μmのガラスシートを成形する。このガラスシートに、打ち抜き加工を行い、単セルが貫挿される多数の貫通孔が形成される。
<試験体の作製>
酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニア(以下、「YSZ」と称することがある。)との混合粉末を、製造後の燃料極が還元された状態においてNi:YSZ=50:50(体積%)の比率となるように、酸化ニッケルとYSZとを秤量し、混合することにより作製した。この秤量した混合粉末に、セルロース系バインダーと、造孔材としてポリメタクリル酸メチル(PMMA)のビーズ粉末とを加え、十分に混合した後、水を添加して粘土体を得た。前記ビーズ粉末の添加量は、製造後の燃料極において、NiO及びYSZの体積に対し気孔の体積が60%となるように調節した。粘土体を、押出成形機に投入して、外径12.5mmの円筒状の未焼成燃料極を作製した。
作製した発電評価形態の試験体を、電気炉内に設置後、アノード端子とカソード端子を電圧計及びインピーダンス測定装置(solartron製SI1287、1255B)に接続した。次に、燃料極側に窒素ガス、空気極側に空気を連続して流した状態で、電気炉の炉内温度を700℃まで昇温した後、燃料極側の窒素ガスを水素ガスに切り替えて燃料極の還元処理を行った。還元処理後、炉内温度を500℃まで降温し、500℃における開回路起電力及び電流を50mA/cm2で通電したときの発電出力を測定した。これらの結果を表1に示す。
開回路起電力及び発電出力を測定後、燃料極側に水素ガスを流した状態で、炉内温度を室温まで降温した。
電気炉から取り出した試験体をエポキシ樹脂に埋めて、単セルの軸線に直交する方向に切断し、燃料極、固体電解質層、及び空気極が露出する切断面を形成した。この切断面に機械研磨を施した後、クロスポリッシャー加工にて平滑な面を形成した。得られた平滑面において、固体電解質層をX線回折装置(XRD)にて分析したところ、ペロブスカイト型酸化物aが同定された。
前記平滑面にカーボン蒸着を施すことにより、元素分析をするための分析面を得た。元素分析には、波長分散型X線分光器(WDS)を搭載した電子プローブマイクロアナライザ(FE−EPMA)を使用し(日本電子株式会社製、JXA−8500F)、加速電圧15kV、照射電流50nAにて元素分析を行った。
試験番号3〜6の試験体について前記分析面における固体電解質層の中央付近において元素分析を行ったところ、原料として使用したペロブスカイト型酸化物aに含まれる元素の原子数比と、ほぼ同じであった。
なお、前記割合Rf及びRaは、検出された全元素のうち原子番号1〜8の元素を除く元素の合計質量を基準にして算出した。
2 固体電解質層
3 燃料極
4 空気極
25 配列溝
27 位置決め用凸部
31 固体酸化物形燃料電池スタック
32 連通孔
33 ガスシール層
34 絶縁性多孔体
35 導電性集積用材料層
35a 第1導電性集積用材料層
35b 第2導電性集積用材料層
39 燃料ガス導通孔
40 絶縁性材料層
41 金属シール層
42 電気接続パス
43 リアクターセル層状部
Claims (10)
- 固体電解質層と、前記固体電解質層の一方の側に形成されてなる燃料極と、前記固体電解質層の他方の側に形成されてなる空気極とを有する固体酸化物形電気化学セルであって、
前記燃料極は、Mn、Fe、Co、Ni、及びCuのうちの少なくとも1つの遷移元素を含有し、
前記空気極は、Mn、Fe、Co、Ni、及びCuのうちの少なくとも1つの遷移元素を含有し、
前記固体電解質層は、自身の厚さが100μm以下であり、Gaを含有するペロブスカイト型酸化物aを有し、前記固体電解質層の切断面を電子線プローブマイクロアナライザーに付属の波長分散型X線分光器により点分析したときに、検出された全元素のうち原子番号1〜8の元素を除く元素の合計質量に対する、前記燃料極に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合が0.5質量%以下であり、かつ、前記空気極に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合が0.5質量%以下である第1領域を有し、前記固体電解質層の膜厚方向における前記第1領域の厚さが5μm以上であることを特徴とする固体酸化物形電気化学セル。 - 前記ペロブスカイト型酸化物aは、(La1−αSrα)(Ga1−βMgβ)O3−δ(0.05≦α<0.2、0.05≦β<0.2)であることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形電気化学セル。
- 前記固体電解質層は、前記固体電解質層の切断面を電子線プローブマイクロアナライザーに付属の波長分散型X線分光器により点分析したときに、検出された全元素のうち原子番号1〜8の元素を除く元素の合計質量に対する、前記燃料極に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合が0.5質量%を超える第2領域を有し、前記固体電解質層の膜厚方向における前記第2領域の厚さが20μm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の固体酸化物形電気化学セル。
- 前記燃料極に含まれる遷移元素のうち、少なくとも1つは、Niであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の固体酸化物形電気化学セル。
- 前記固体電解質層は、前記固体電解質層の切断面を電子線プローブマイクロアナライザーに付属の波長分散型X線分光器により点分析したときに、検出された全元素のうち原子番号1〜8の元素を除く元素の合計質量に対する、前記空気極に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合が0.5質量%を超える第3領域を有し、前記固体電解質層の膜厚方向における前記第3領域の厚さが20μm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の固体酸化物形電気化学セル。
- 前記空気極に含まれる遷移元素のうち、少なくとも1つは、Coであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の固体酸化物形電気化学セル。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の固体酸化物形電気化学セルの製造方法であって、前記燃料極となる未焼成燃料極の表面に前記固体電解質層となる未焼成固体電解質層を形成し、1320℃以下の温度で焼成して同時焼成体を形成する工程を有することを特徴とする固体酸化物形電気化学セルの製造方法。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の固体酸化物形電気化学セルの製造方法であって、前記同時焼成体の表面に前記空気極となる未焼成空気極を形成し、1100℃以下の温度で焼成する工程を有することを特徴とする請求項7に記載の固体酸化物形電気化学セルの製造方法。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の固体酸化物形電気化学セルを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の固体酸化物形電気化学セルを有することを特徴とする高温水蒸気分解装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015137507A JP6317710B2 (ja) | 2015-07-09 | 2015-07-09 | 固体酸化物形電気化学セル、固体酸化物形電気化学セルの製造方法、固体酸化物形燃料電池、及び高温水蒸気電気分解装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015137507A JP6317710B2 (ja) | 2015-07-09 | 2015-07-09 | 固体酸化物形電気化学セル、固体酸化物形電気化学セルの製造方法、固体酸化物形燃料電池、及び高温水蒸気電気分解装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2017021945A true JP2017021945A (ja) | 2017-01-26 |
JP6317710B2 JP6317710B2 (ja) | 2018-04-25 |
Family
ID=57889757
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2015137507A Active JP6317710B2 (ja) | 2015-07-09 | 2015-07-09 | 固体酸化物形電気化学セル、固体酸化物形電気化学セルの製造方法、固体酸化物形燃料電池、及び高温水蒸気電気分解装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6317710B2 (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019036414A (ja) * | 2017-08-10 | 2019-03-07 | Toto株式会社 | 固体酸化物形燃料電池 |
WO2021040557A1 (ru) * | 2019-08-30 | 2021-03-04 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Электрохимический способ нанесения двухслойного электропроводящего защитного покрытия интерконнектора |
RU2783260C1 (ru) * | 2019-08-30 | 2022-11-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Электрохимический способ нанесения двухслойного электропроводящего защитного покрытия интерконнектора |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20030228508A1 (en) * | 2002-06-10 | 2003-12-11 | David Champion | Fuel cells utilizing non-porous nanofilm microchannel architecture |
JP2004355928A (ja) * | 2003-05-28 | 2004-12-16 | Kyocera Corp | 電気化学素子及びその製法 |
JP2006294517A (ja) * | 2005-04-13 | 2006-10-26 | Kansai Electric Power Co Inc:The | Ga系固体電解質材料の製造方法 |
WO2011158490A1 (ja) * | 2010-06-16 | 2011-12-22 | パナソニック株式会社 | 圧電体膜、インクジェットヘッド、インクジェットヘッドを用いて画像を形成する方法、角速度センサ、角速度センサを用いて角速度を測定する方法、圧電発電素子ならびに圧電発電素子を用いた発電方法 |
JP2013008592A (ja) * | 2011-06-24 | 2013-01-10 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 固体酸化物形燃料電池 |
WO2013114794A1 (ja) * | 2012-02-03 | 2013-08-08 | パナソニック株式会社 | 圧電体膜、インクジェットヘッド、インクジェットヘッドを用いて画像を形成する方法、角速度センサ、角速度センサを用いて角速度を測定する方法、圧電発電素子ならびに圧電発電素子を用いた発電方法 |
JP2014067564A (ja) * | 2012-09-25 | 2014-04-17 | Nippon Shokubai Co Ltd | 固体酸化物形燃料電池及びそれを用いた発電方法 |
JP2015088490A (ja) * | 2013-09-27 | 2015-05-07 | Toto株式会社 | 固体酸化物形燃料電池セルスタック |
-
2015
- 2015-07-09 JP JP2015137507A patent/JP6317710B2/ja active Active
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20030228508A1 (en) * | 2002-06-10 | 2003-12-11 | David Champion | Fuel cells utilizing non-porous nanofilm microchannel architecture |
JP2004355928A (ja) * | 2003-05-28 | 2004-12-16 | Kyocera Corp | 電気化学素子及びその製法 |
JP2006294517A (ja) * | 2005-04-13 | 2006-10-26 | Kansai Electric Power Co Inc:The | Ga系固体電解質材料の製造方法 |
WO2011158490A1 (ja) * | 2010-06-16 | 2011-12-22 | パナソニック株式会社 | 圧電体膜、インクジェットヘッド、インクジェットヘッドを用いて画像を形成する方法、角速度センサ、角速度センサを用いて角速度を測定する方法、圧電発電素子ならびに圧電発電素子を用いた発電方法 |
JP2013008592A (ja) * | 2011-06-24 | 2013-01-10 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 固体酸化物形燃料電池 |
WO2013114794A1 (ja) * | 2012-02-03 | 2013-08-08 | パナソニック株式会社 | 圧電体膜、インクジェットヘッド、インクジェットヘッドを用いて画像を形成する方法、角速度センサ、角速度センサを用いて角速度を測定する方法、圧電発電素子ならびに圧電発電素子を用いた発電方法 |
JP2014067564A (ja) * | 2012-09-25 | 2014-04-17 | Nippon Shokubai Co Ltd | 固体酸化物形燃料電池及びそれを用いた発電方法 |
JP2015088490A (ja) * | 2013-09-27 | 2015-05-07 | Toto株式会社 | 固体酸化物形燃料電池セルスタック |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019036414A (ja) * | 2017-08-10 | 2019-03-07 | Toto株式会社 | 固体酸化物形燃料電池 |
WO2021040557A1 (ru) * | 2019-08-30 | 2021-03-04 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Электрохимический способ нанесения двухслойного электропроводящего защитного покрытия интерконнектора |
RU2783260C1 (ru) * | 2019-08-30 | 2022-11-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Электрохимический способ нанесения двухслойного электропроводящего защитного покрытия интерконнектора |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6317710B2 (ja) | 2018-04-25 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101953959B1 (ko) | 고체 산화물형 연료 전지 셀, 그 제조 방법, 연료 전지 셀 스택, 및 고체 산화물형 연료 전지 | |
US20030148160A1 (en) | Anode-supported tubular solid oxide fuel cell stack and method of fabricating the same | |
EP2495791B1 (en) | Fuel cell, cell stack, fuel cell module, and fuel cell device | |
JP2016174004A (ja) | 固体酸化物型燃料電池 | |
US10014542B2 (en) | Cell, cell stack device, module, and module storage device | |
JP2016115592A (ja) | 固体酸化物形電気化学セル、固体酸化物形燃料電池、高温水蒸気電気分解装置 | |
JP6317710B2 (ja) | 固体酸化物形電気化学セル、固体酸化物形電気化学セルの製造方法、固体酸化物形燃料電池、及び高温水蒸気電気分解装置 | |
JP5642855B1 (ja) | 燃料電池 | |
JP4559068B2 (ja) | 固体電解質形燃料電池の製造方法 | |
JP5108988B1 (ja) | 固体酸化物形燃料電池 | |
US20200099062A1 (en) | Cell, cell stack device, module, and module housing device | |
JP6381493B2 (ja) | 固体酸化物形電気化学セル、固体酸化物形燃料電池、及び高温水蒸気電気分解装置 | |
JP6317711B2 (ja) | 固体酸化物形電気化学セル、固体酸化物形燃料電池、及び高温水蒸気電気分解装置 | |
CN111244498A (zh) | 燃料电池和燃料电池堆 | |
JP2016072216A (ja) | 固体酸化物形燃料電池セルスタック | |
JP6401106B2 (ja) | セル、セルスタック装置、モジュール、およびモジュール収容装置 | |
JP6154207B2 (ja) | 固体酸化物形燃料電池及びその製造方法 | |
JP5714738B1 (ja) | 燃料電池 | |
JP6712119B2 (ja) | 固体酸化物形燃料電池セルスタック | |
JP2014067692A (ja) | 燃料電池セル | |
JP2012099463A (ja) | 固体酸化物形燃料電池 | |
JP2013149349A (ja) | 積層型固体酸化物形燃料電池 | |
JP2016072214A (ja) | 固体酸化物形燃料電池セルスタック | |
JP2017027864A (ja) | 集電部材及び燃料電池 | |
JP5824499B2 (ja) | 燃料電池 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20170306 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20171219 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20171220 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20180216 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20180306 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20180330 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6317710 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |