JP2017183209A - Fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、燃料電池及びその製造方法に関する。 The present disclosure relates to a fuel cell and a manufacturing method thereof.
従来から、燃料極、空気極および電解質を含む複数のセルをインターコネクタにより電気的に接続した燃料電池が知られている。
例えば、特許文献1〜6には、基体上に複数のセルが特定方向に沿って配列され、隣接するセル間をインターコネクタで接続した横縞型の燃料電池が開示されている。
Conventionally, a fuel cell in which a plurality of cells including a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte are electrically connected by an interconnector is known.
For example,
燃料電池では、電解質およびインターコネクタは緻密膜として形成されており、空気極側のガスと燃料極側のガスとを分離している。しかし、電解質およびインターコネクタの重なり部分において、例えば電解質とインターコネクタの一体焼結時における収縮差に起因して欠陥が生じることがある。仮に、電解質やインターコネクタに欠陥が存在すると、燃料電池セルのガス分離性が損なわれる。電解質やインターコネクタの欠陥を介して燃料極側に酸素が漏洩すると、燃料極や基体を構成する材料の酸化に起因して体積膨張が起こることがある。燃料極や基体の体積膨張は、燃料電池セルの損傷の原因となり得る。
この点、特許文献1〜6には、電解質とインターコネクタの重なり部分における欠陥に起因した燃料電池セルの損傷を抑制するための具体的構成が開示されていない。
In the fuel cell, the electrolyte and the interconnector are formed as a dense film, and separate the gas on the air electrode side and the gas on the fuel electrode side. However, in the overlapping portion of the electrolyte and the interconnector, a defect may occur due to, for example, a shrinkage difference during integral sintering of the electrolyte and the interconnector. If there is a defect in the electrolyte or interconnector, the gas separation property of the fuel cell is impaired. If oxygen leaks to the fuel electrode side through defects in the electrolyte or interconnector, volume expansion may occur due to oxidation of the material constituting the fuel electrode or the substrate. The volume expansion of the fuel electrode or the substrate can cause damage to the fuel cell.
In this regard,
本発明の少なくとも幾つかの実施形態の目的は、燃料極や基体の体積膨張に起因した損傷発生を抑制可能な燃料電池及びその製造方法を提供することである。 An object of at least some embodiments of the present invention is to provide a fuel cell capable of suppressing the occurrence of damage due to volume expansion of a fuel electrode and a substrate, and a method for manufacturing the same.
(1)本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る燃料電池は、
燃料極、空気極および固体電解質をそれぞれ含む複数のセルと、
前記セル間を電気的に接続する少なくとも一つのインターコネクタと、
前記インターコネクタ及び前記固体電解質の重なり部分を覆うように、該重なり部分に対して前記燃料極側又は前記空気極側に設けられた緻密膜と、
を備える。
(1) A fuel cell according to at least some embodiments of the present invention includes:
A plurality of cells each including a fuel electrode, an air electrode and a solid electrolyte;
At least one interconnector for electrically connecting the cells;
A dense membrane provided on the fuel electrode side or the air electrode side with respect to the overlapping portion so as to cover the overlapping portion of the interconnector and the solid electrolyte;
Is provided.
上記(1)の構成によれば、仮にインターコネクタ及び固体電解質の重なり部分に欠陥が生じても、重なり部分に対して燃料極側又は空気極側に設けた緻密膜によって、重なり部分の欠陥を介した燃料極側への酸素の漏洩を阻止できる。これにより、燃料極や基体を構成する材料の酸化に起因した体積膨張を抑制し、燃料電池セルの信頼性を高めることができる。
また、緻密膜の形成により、燃料電池の強度が増加し、燃料極又は基体の体積膨張に起因して発生する応力に対する尤度が増加することによっても、燃料電池セルの信頼性を高めることができる。
According to the configuration of (1) above, even if a defect occurs in the overlapping portion of the interconnector and the solid electrolyte, the overlapping portion is not defective by the dense film provided on the fuel electrode side or the air electrode side with respect to the overlapping portion. Oxygen leakage to the fuel electrode side can be prevented. Thereby, the volume expansion resulting from the oxidation of the material which comprises a fuel electrode or a base | substrate can be suppressed, and the reliability of a fuel cell can be improved.
In addition, the formation of the dense film increases the strength of the fuel cell, and increases the likelihood of the stress generated due to the volume expansion of the fuel electrode or the substrate, thereby improving the reliability of the fuel cell. it can.
(2)幾つかの実施形態では、上記(1)の構成において、
前記燃料極または前記複数のセルを支持する基体の少なくとも一方は、Niを含有する。
(2) In some embodiments, in the configuration of (1) above,
At least one of the fuel electrode or the substrate supporting the plurality of cells contains Ni.
上記(2)の構成のように、基体又は燃料極の少なくとも一方がNiを含有する場合、空気極側からの酸素の漏洩が発生すると、Niを含む基体又は燃料極の酸化に伴う体積膨張によって燃料電池セルの損傷に至る可能性がある。
この点、上記(1)で述べたように、欠陥が生じやすいインターコネクタ及び固体電解質の重なり部分を覆うように緻密膜を設けることで、基体又は燃料極がNiを含有する場合であっても、信頼性が高い燃料電池セルを実現できる。
When at least one of the substrate and the fuel electrode contains Ni as in the configuration of (2) above, when oxygen leaks from the air electrode side, the volume expansion associated with the oxidation of the substrate or fuel electrode containing Ni occurs. There is a possibility of damaging the fuel cell.
In this regard, as described in (1) above, even if the substrate or the fuel electrode contains Ni by providing a dense film so as to cover the overlapping portion of the interconnector and the solid electrolyte that are likely to cause defects. A highly reliable fuel cell can be realized.
(3)幾つかの実施形態では、上記(1)又は(2)の構成において、
前記緻密膜は、10%以下の気孔率を有する。
なお、本明細書において、ある部材の「気孔率」とは、当該部材の全体積に占める気孔体積の割合を意味する。
(3) In some embodiments, in the above configuration (1) or (2),
The dense film has a porosity of 10% or less.
In this specification, the “porosity” of a member means the ratio of the pore volume to the total volume of the member.
上記(3)の構成によれば、インターコネクタ及び前記固体電解質の重なり部分を覆う緻密膜の気孔率を10%以下にすることで、仮にインターコネクタ及び固体電解質の重なり部分に欠陥が生じても、欠陥を介した燃料極側への酸素の漏洩を効果的に阻止することができる。よって、燃料極や基体を構成する材料の酸化に起因した体積膨張を効果的に抑制し、燃料電池セルの信頼性をより一層高めることができる。 According to the configuration of (3) above, even if a defect occurs in the overlapping portion of the interconnector and the solid electrolyte by setting the porosity of the dense film covering the overlapping portion of the interconnector and the solid electrolyte to 10% or less. Thus, leakage of oxygen to the fuel electrode side through the defect can be effectively prevented. Therefore, the volume expansion resulting from the oxidation of the material which comprises a fuel electrode or a base | substrate can be suppressed effectively, and the reliability of a fuel cell can be improved further.
(4)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(3)の何れかの構成において、
前記空気極と前記燃料極とが前記固体電解質又は前記インターコネクタを挟んで対向する領域への前記緻密膜のはみ出し面積Sは、前記緻密膜が形成されている領域の総面積をStotalとしたとき、S/Stotal≦0.5の関係を満たす。
(4) In some embodiments, in any one of the above configurations (1) to (3),
The protruding area S of the dense film to the area where the air electrode and the fuel electrode face each other with the solid electrolyte or the interconnector interposed therebetween is the total area of the area where the dense film is formed as S total Then, the relationship S / S total ≦ 0.5 is satisfied.
燃料電池における反応は次のようにして起こる。燃料電池の運転時に空気極側に供給される酸素含有ガス(例えば空気)が、空気極と固体電解質との界面において解離して、酸素イオンが生成される。固体電解質中を空気極側から燃料極側に向かって移動した酸素イオンは、燃料極と固体電解質との界面において燃料(例えば水素や一酸化炭素)と反応する。このように、固体電解質が酸素イオンを燃料極側に移動させることで、固体電解質と燃料極との界面における反応が実現されるようになっている。
上記(4)の構成によれば、空気極と燃料極とが固体電解質又はインターコネクタを挟んで対向する領域への緻密膜のはみ出し率(S/Stotal)を0.5以下としたので、緻密膜が電子及び酸素イオンの移動の妨げとなりにくい。よって、緻密膜に起因した燃料電池の発電性能低下を抑制しつつ、緻密膜によって、インターコネクタと固体電解質との重なり部分における欠陥を介した酸素の漏洩を抑制し、燃料電池セルの信頼性を確保することができる。
The reaction in the fuel cell occurs as follows. Oxygen-containing gas (for example, air) supplied to the air electrode during the operation of the fuel cell is dissociated at the interface between the air electrode and the solid electrolyte, and oxygen ions are generated. Oxygen ions that have moved through the solid electrolyte from the air electrode side toward the fuel electrode side react with fuel (for example, hydrogen or carbon monoxide) at the interface between the fuel electrode and the solid electrolyte. Thus, the reaction at the interface between the solid electrolyte and the fuel electrode is realized by the solid electrolyte moving oxygen ions to the fuel electrode side.
According to the configuration of (4) above, the protruding rate (S / S total ) of the dense membrane to the region where the air electrode and the fuel electrode face each other across the solid electrolyte or interconnector is 0.5 or less. The dense film is unlikely to hinder the movement of electrons and oxygen ions. Therefore, while suppressing the power generation performance degradation of the fuel cell due to the dense membrane, the dense membrane suppresses oxygen leakage through defects in the overlapping portion between the interconnector and the solid electrolyte, thereby improving the reliability of the fuel cell. Can be secured.
(5)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(4)の何れかの構成において、
前記緻密膜は、前記インターコネクタの主成分である材料、ジルコニア、又は、アルミナの少なくとも一つを含む。
(5) In some embodiments, in any one of the above configurations (1) to (4),
The dense film includes at least one of a material that is a main component of the interconnector, zirconia, or alumina.
上記(5)の構成によれば、耐熱性や、燃料電池セル内における安定性(周辺材と反応性なし)や、緻密性に優れた緻密膜を実現することができ、燃料電池セルの信頼性をより一層高めることができる。 According to the configuration of (5) above, a dense film excellent in heat resistance, stability in the fuel cell (no reactivity with peripheral materials), and denseness can be realized, and the reliability of the fuel cell The sex can be further enhanced.
(6)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(5)の何れかの構成において、
前記緻密膜は、酸化状態に比べて還元状態において融点が低くなる第1材料を含み、
前記緻密膜は、前記重なり部分を覆うように該重なり部分に対して前記空気極側に設けられる。
(6) In some embodiments, in any one of the above configurations (1) to (5),
The dense film includes a first material having a lower melting point in a reduced state than in an oxidized state,
The dense film is provided on the air electrode side with respect to the overlapping portion so as to cover the overlapping portion.
固体電解質又はインターコネクタに欠陥が存在すると、当該欠陥を介して空気極側に供給される燃料と酸素とが反応し、欠陥近傍において局所的に温度が上昇する。また、上記(6)の構成では、固体電解質とインターコネクタとの重なり部分を覆うように空気極側に第1材料を含む緻密膜が設けられており、該欠陥の存在により燃料雰囲気下(還元条件下)に曝された空気極側の緻密膜は、第1材料の特性により融点が低下する。このため、欠陥近傍における局所的な温度上昇と、緻密膜を構成する第1材料の融点低下とがあいまって、固体電解質又はインターコネクタの欠陥の近傍において、第1材料が軟化又は溶融し、第1材料によってガスのリーク経路を閉塞することができる。固体電解質又はインターコネクタの欠陥が閉塞されると、燃料と酸素との反応が抑制されるために温度が低下し、第1材料は固体に戻る。こうして、固体電解質又はインターコネクタの欠陥を自動的に修復可能となり、燃料電池セルの自己修復機能を実現することができる。 If a defect exists in the solid electrolyte or interconnector, the fuel supplied to the air electrode side through the defect reacts with oxygen, and the temperature rises locally in the vicinity of the defect. In the configuration of (6) above, the dense film containing the first material is provided on the air electrode side so as to cover the overlapping portion of the solid electrolyte and the interconnector. The dense film on the air electrode side exposed to (under the condition) has a lower melting point due to the characteristics of the first material. For this reason, the local temperature increase in the vicinity of the defect and the decrease in the melting point of the first material constituting the dense film combine to soften or melt the first material in the vicinity of the defect of the solid electrolyte or interconnector. One material can block a gas leakage path. When the defect of the solid electrolyte or the interconnector is closed, the reaction between the fuel and oxygen is suppressed, the temperature is lowered, and the first material returns to the solid. Thus, defects in the solid electrolyte or interconnector can be automatically repaired, and a self-healing function of the fuel cell can be realized.
(7)一実施形態では、上記(6)の構成において、
前記第1材料は、Fe−Si−Al系化合物である。
(7) In one embodiment, in the configuration of (6) above,
The first material is an Fe—Si—Al-based compound.
上記(7)の構成によれば、酸化状態では融点1400℃以上であるが還元状態において融点が1100℃程度(最低1086℃)となる性質を有するFe−Si−Al系化合物を第1材料として用いることで、固体電解質又はインターコネクタの欠陥を効果的に修復できる。
すなわち、固体電解質又はインターコネクタの欠陥の存在により第1材料(Fe−Si−Al系化合物)が燃料雰囲気下(還元条件下)に曝されると、融点が1100℃程度(最低1086℃)まで低下する。燃料電池の通常運転温度が900℃程度であっても、欠陥近傍における局所的な温度上昇により、第1材料(Fe−Si−Al系化合物)の還元状態における融点に欠陥近傍の温度が到達することが考えられる。欠陥近傍の温度が第1材料の還元状態における融点を超えると、第1材料が溶融し、ガスのリーク経路(欠陥)が閉塞される。固体電解質又はインターコネクタの欠陥が閉塞されると、燃料と酸素との反応が抑制されるために温度が低下し、第1材料は固体に戻る。この過程で、第1材料の溶融物が液相焼結により固化されるので、第1材料は非常に緻密なガスタイト層となり、ガスのリーク経路(欠陥)が効果的に閉塞される。
According to the configuration of (7), the first material is an Fe—Si—Al-based compound having a property that the melting point is 1400 ° C. or higher in the oxidized state but has a melting point of about 1100 ° C. (minimum 1086 ° C.) in the reduced state. By using, the defect of a solid electrolyte or an interconnector can be repaired effectively.
That is, when the first material (Fe-Si-Al compound) is exposed to a fuel atmosphere (reducing conditions) due to the presence of defects in the solid electrolyte or interconnector, the melting point is about 1100 ° C (at least 1086 ° C). descend. Even if the normal operating temperature of the fuel cell is about 900 ° C., the temperature in the vicinity of the defect reaches the melting point in the reduced state of the first material (Fe—Si—Al-based compound) due to a local temperature increase in the vicinity of the defect. It is possible. When the temperature in the vicinity of the defect exceeds the melting point of the first material in the reduced state, the first material is melted and the gas leakage path (defect) is closed. When the defect of the solid electrolyte or the interconnector is closed, the reaction between the fuel and oxygen is suppressed, the temperature is lowered, and the first material returns to the solid. In this process, since the melt of the first material is solidified by liquid phase sintering, the first material becomes a very dense gas tight layer, and the gas leakage path (defect) is effectively blocked.
(8)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(5)の何れかの構成において、
前記緻密膜は、還元状態に比べて酸化状態において融点が低くなる第2材料を含み、
前記緻密膜は、前記重なり部分を覆うように該重なり部分に対して前記燃料極側に設けられる。
(8) In some embodiments, in any one of the above configurations (1) to (5),
The dense film includes a second material having a lower melting point in the oxidized state than in the reduced state,
The dense film is provided on the fuel electrode side with respect to the overlapping portion so as to cover the overlapping portion.
上記(8)の構成によれば、固体電解質又はインターコネクタの表面を覆うように燃料極側に第2材料を含む緻密膜が設けられており、該欠陥の存在により酸化雰囲気下に曝された燃料極側の緻密膜は、第2材料の特性により融点が低下する。このため、欠陥近傍における局所的な温度上昇と、緻密膜を構成する第2材料の融点低下とがあいまって、固体電解質又はインターコネクタの欠陥の近傍において、第2材料が軟化又は溶融し、第2材料によってガスのリーク経路を閉塞することができる。固体電解質又はインターコネクタの欠陥が閉塞されると、燃料と酸素との反応が抑制されるために温度が低下し、第2材料は固体に戻る。こうして、固体電解質又はインターコネクタの欠陥を自動的に修復可能となり、燃料電池セルの自己修復機能を実現することができる。 According to the configuration of (8) above, the dense film containing the second material is provided on the fuel electrode side so as to cover the surface of the solid electrolyte or the interconnector, and the dense film containing the second material is exposed to the oxidizing atmosphere due to the presence of the defect. The dense film on the fuel electrode side has a lower melting point due to the characteristics of the second material. For this reason, the local temperature increase in the vicinity of the defect and the decrease in the melting point of the second material constituting the dense film combine to soften or melt the second material in the vicinity of the defect in the solid electrolyte or interconnector. The gas leakage path can be blocked by the two materials. When the defect of the solid electrolyte or the interconnector is closed, the reaction between the fuel and oxygen is suppressed, the temperature is lowered, and the second material returns to a solid. Thus, defects in the solid electrolyte or interconnector can be automatically repaired, and a self-healing function of the fuel cell can be realized.
(9)一実施形態では、上記(8)の構成において、
前記第2材料は、酸化バナジウムである。
(9) In one embodiment, in the configuration of (8) above,
The second material is vanadium oxide.
上記(9)の構成によれば、還元状態(V2O4)において融点が約1450℃であるが酸化状態(V2O5)となると融点が680℃程度となる性質を有する酸化バナジウムを第2材料として用いることで、固体電解質又はインターコネクタの欠陥を効果的に修復できる。
すなわち、固体電解質又はインターコネクタの欠陥の存在により第2材料(酸化バナジウム)が酸化条件下に曝されると、融点が680℃程度まで低下する。こうして、欠陥近傍の温度が第2材料の酸化状態における融点を超えると、第2材料が溶融し、ガスのリーク経路(欠陥)が閉塞される。固体電解質又はインターコネクタの欠陥が閉塞されると、燃料と酸素との反応が抑制されるために温度が低下し、第2材料は固体に戻る。この過程で、第2材料の溶融物が液相焼結により固化されるので、第2材料は非常に緻密なガスタイト層となり、ガスのリーク経路(欠陥)が効果的に閉塞される。
According to the configuration of the above (9), vanadium oxide having a property that the melting point is about 1450 ° C. in the reduced state (V 2 O 4 ) but the melting point becomes about 680 ° C. when the oxidized state (V 2 O 5 ) is obtained. By using it as the second material, it is possible to effectively repair defects in the solid electrolyte or interconnector.
That is, when the second material (vanadium oxide) is exposed to oxidizing conditions due to the presence of defects in the solid electrolyte or interconnector, the melting point is lowered to about 680 ° C. Thus, when the temperature in the vicinity of the defect exceeds the melting point of the second material in the oxidized state, the second material is melted and the gas leakage path (defect) is closed. When the defect of the solid electrolyte or the interconnector is closed, the reaction between the fuel and oxygen is suppressed, the temperature is lowered, and the second material returns to a solid. In this process, since the melt of the second material is solidified by liquid phase sintering, the second material becomes a very dense gas tight layer, and the gas leakage path (defect) is effectively blocked.
(10)本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る燃料電池の製造方法は、
燃料極、空気極および固体電解質をそれぞれ含む複数のセルを形成するステップと、
隣接する前記セル間を電気的に接続する少なくとも一つのインターコネクタを形成するステップと、
前記インターコネクタ及び前記固体電解質の重なり部分を覆うように、該重なり部分に対して前記燃料極側又は前記空気極側に緻密膜を形成するステップと、
を備える。
(10) A method of manufacturing a fuel cell according to at least some embodiments of the present invention includes:
Forming a plurality of cells each including a fuel electrode, an air electrode and a solid electrolyte;
Forming at least one interconnector for electrically connecting adjacent cells;
Forming a dense film on the fuel electrode side or the air electrode side with respect to the overlapping portion so as to cover the overlapping portion of the interconnector and the solid electrolyte;
Is provided.
上記(10)の方法によれば、インターコネクタと固体電解質の重なり部分を覆う緻密膜を該重なり部分に対して燃料極側又は空気極側に設けるため、信頼性が高い燃料電池を得ることができる。
すなわち、上記(10)の方法により得られた燃料電池では、仮にインターコネクタ及び固体電解質の重なり部分に欠陥が生じても、重なり部分に対して燃料極側又は空気極側に設けた緻密膜によって、重なり部分の欠陥を介した燃料極側への酸素の漏洩を阻止できる。これにより、燃料極や基体を構成する材料の酸化に起因した体積膨張を抑制し、燃料電池セルの信頼性を高めることができる。また、緻密膜の形成により、燃料電池の強度が増加し、燃料極又は基体の体積膨張に起因して発生する応力に対する尤度が増加することによっても、燃料電池セルの信頼性が向上する。
According to the method of (10) above, since the dense film covering the overlapping portion of the interconnector and the solid electrolyte is provided on the fuel electrode side or the air electrode side with respect to the overlapping portion, a highly reliable fuel cell can be obtained. it can.
That is, in the fuel cell obtained by the method of (10) above, even if a defect occurs in the overlapping portion of the interconnector and the solid electrolyte, a dense membrane provided on the fuel electrode side or air electrode side with respect to the overlapping portion. , Leakage of oxygen to the fuel electrode side through defects in the overlapping portion can be prevented. Thereby, the volume expansion resulting from the oxidation of the material which comprises a fuel electrode or a base | substrate can be suppressed, and the reliability of a fuel cell can be improved. In addition, the formation of the dense film increases the strength of the fuel cell and increases the likelihood of the stress generated due to the volume expansion of the fuel electrode or the substrate, thereby improving the reliability of the fuel cell.
(11)幾つかの実施形態では、上記(10)の方法において、
前記燃料極又は前記空気極の一方を成膜し、
前記燃料極又は前記空気極の前記一方の上に前記固体電解質及び前記インターコネクタを成膜し、該固体電解質及び前記インターコネクタを一体焼成した後、
前記緻密膜を形成する。
(11) In some embodiments, in the method of (10) above,
Depositing one of the fuel electrode or the air electrode;
Forming the solid electrolyte and the interconnector on the one of the fuel electrode or the air electrode, and firing the solid electrolyte and the interconnector integrally,
The dense film is formed.
上記(11)の方法によれば、固体電解質及びインターコネクタを一体焼成時に収縮差に起因して重なり部分に欠陥が生じても、当該重なり部分を覆うように緻密膜を後から形成することで、燃料電池の信頼性を効果的に向上させることができる。
また、固体電解質とインターコネクタの一体焼成後に緻密膜を形成することで、一体焼成時における収縮率の制約が存在しないため、緻密膜の膜厚の設定自由度が向上する。
According to the method of (11) above, even if a defect occurs in the overlapping portion due to the difference in shrinkage when the solid electrolyte and the interconnector are integrally fired, a dense film is formed later so as to cover the overlapping portion. The reliability of the fuel cell can be effectively improved.
In addition, since the dense film is formed after the integral firing of the solid electrolyte and the interconnector, there is no restriction on the shrinkage rate during the integral firing, so the degree of freedom in setting the film thickness of the dense film is improved.
(12)幾つかの実施形態では、上記(10)又は(11)の方法において、
前記緻密膜を形成するステップでは、
前記緻密膜の構成材料を塗布した後、
前記燃料極又は前記空気極とともに前記緻密膜を焼成する。
(12) In some embodiments, in the above method (10) or (11),
In the step of forming the dense film,
After applying the constituent material of the dense film,
The dense film is fired together with the fuel electrode or the air electrode.
上記(12)の方法によれば、燃料極又は空気極とともに緻密膜を焼成するようにしたので、緻密膜の形成のための工程の増加を抑制できる。これにより、製造コストの増加を抑制しながら、緻密膜の形成により信頼性が向上した燃料電池を得ることができる。 According to the above method (12), since the dense film is fired together with the fuel electrode or the air electrode, an increase in the steps for forming the dense film can be suppressed. As a result, it is possible to obtain a fuel cell with improved reliability by forming a dense film while suppressing an increase in manufacturing cost.
本発明の少なくとも幾つかの実施形態によれば、仮にインターコネクタ及び固体電解質の重なり部分に欠陥が生じても、重なり部分に対して燃料極側又は空気極側に設けた緻密膜によって、重なり部分の欠陥を介した燃料極側への酸素の漏洩を阻止できる。これにより、燃料極や基体を構成する材料の酸化に起因した体積膨張を抑制し、燃料電池セルの信頼性を高めることができる。
また、緻密膜の形成により、燃料電池の強度が増加し、燃料極又は基体の体積膨張に起因して発生する応力に対する尤度が増加することによっても、燃料電池セルの信頼性を高めることができる。
According to at least some embodiments of the present invention, even if a defect occurs in the overlapping portion of the interconnector and the solid electrolyte, the overlapping portion is formed by the dense film provided on the fuel electrode side or the air electrode side with respect to the overlapping portion. Oxygen leakage to the fuel electrode side through the defects can be prevented. Thereby, the volume expansion resulting from the oxidation of the material which comprises a fuel electrode or a base | substrate can be suppressed, and the reliability of a fuel cell can be improved.
In addition, the formation of the dense film increases the strength of the fuel cell, and increases the likelihood of the stress generated due to the volume expansion of the fuel electrode or the substrate, thereby improving the reliability of the fuel cell. it can.
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。 Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, etc. of the components described in the embodiments or shown in the drawings are not intended to limit the scope of the present invention, but are merely illustrative examples. Absent.
図1は、一実施形態に係る燃料電池100の断面図である。
図1に示すように、幾つかの実施形態では、燃料電池100は、基体103と、基体103上に設けられた複数のセル(燃料電池セル)105と、隣り合うセル105間を電気的に接続するインターコネクタ107と、を備える。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a
As shown in FIG. 1, in some embodiments, the
基体103は、円筒形状の基体管であってもよいし、平板形状の基体板であってもよい。
基体103は、多孔質材により構成されていてもよい。基体103の材料としては、例えば、CaO安定化ZrO2(CSZ)、又はY2O3安定化ZrO2(YSZ)、又はMgAl2O4を挙げることができる。
The
The base 103 may be made of a porous material. Examples of the material of the
基体103上に形成される各々のセル105は、燃料極109、空気極113および固体電解質111を含む。
図1に示す例示的な実施形態では、セル105において、基体103上に燃料極109、固体電解質111、空気極113がこの順で積層されている。この場合、基体103を挟んでセル105とは反対側の空間1に燃料ガスが供給される一方で、セル105及び基体103を挟んで空間1とは反対側の空間2に空気等の酸素含有ガスが供給される。そして、基体103内を燃料ガスが拡散し、燃料極109に燃料ガスが供給されるようになっている。なお、図1に示す例では、燃料ガスと酸素含有ガスとが対向流となっているが、燃料ガスと酸素含有ガスが同一方向に流れるようになっていてもよい。
他の実施形態では、セル105は、空気極113、固体電解質111、燃料極109の順で基体103上に積層される。この場合、図1に示した実施形態とは異なり、基体103を挟んでセル105とは反対側の空間1に酸素含有ガスが供給される一方で、セル105及び基体103を挟んで空間1とは反対側の空間2に燃料ガスが供給される。そして、基体103内を酸素含有ガスが拡散し、空気極113に酸素含有ガスが供給されるようになっている。
Each
In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, in the
In another embodiment, the
燃料電池100における反応は次のようにして起こる。
すなわち、燃料電池100の運転時に空気極113側に供給される酸素含有ガスが、空気極113と固体電解質111との界面において解離して、酸素イオン(O2−)が生成される。固体電解質111中を空気極113側から燃料極109側に向かって移動した酸素イオンは、燃料極109と固体電解質111との界面において燃料(例えば水素や一酸化炭素)と反応する。
The reaction in the
That is, the oxygen-containing gas supplied to the
燃料極109の材料として、例えば、Niとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ni/YSZが用いられる。この場合、燃料極109に含まれるNiは、燃料ガスに対して触媒作用を有する。
この触媒作用は、燃料極109に供給される燃料ガス、例えば、メタン(CH4)と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素(H2)と一酸化炭素(CO)に改質するものである。また、燃料極109は、改質により得られる水素(H2)及び一酸化炭素(CO)と、固体電解質111を介して供給される酸素イオン(O2−)とを固体電解質111との界面付近において電気化学的に反応させて水(H2O)及び二酸化炭素(CO2)を生成する。
As the material of the
This catalytic action is to react a fuel gas supplied to the
空気極113は、例えば、LaSrMnO3系酸化物、又はLaCoO3系酸化物で構成される。この空気極113は、固体電解質111との界面付近において、供給される空気等の酸素含有ガス中の酸素を解離させて酸素イオン(O2−)を生成する。酸素から放出される電子により、燃料電池セル105に起電力が発生する。
The
固体電解質111は、燃料極109と空気極113との間に設けられ、ガスを通しにくい気密性を有する緻密膜として形成される。固体電解質111の材料は、例えば、高温で高い酸素イオン導電性を有するYSZである。この固体電解質111は、空気極113で生成される酸素イオン(O2−)を燃料極109に移動させる一方、燃料ガスと酸素含有ガスを透過させないように気密性を有する。
The
また、インターコネクタ107は、固体電解質111と同様に、ガスを通しにくい気密性を有する緻密膜として形成される。インターコネクタ107は、隣り合う燃料電池セル105において、一方の燃料電池セル105の空気極113と他方の燃料電池セル105の燃料極109とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル105同士を直列に接続する。
インターコネクタ107の材料としては、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有するものを用いることができ、例えば、SrTiO3系などのM1−xLxTiO3(Mはアルカリ土類金属元素、Lはランタノイド元素)で表される導電性ペロブスカイト型酸化物を用いることができる。
In addition, the
The material of the
このように、各々の燃料電池セル105において、緻密膜としての固体電解質111及びインターコネクタ107によって、酸素含有ガスと燃料ガスとが分離されるようになっている。
ところが、固体電解質111およびインターコネクタ107の重なり部分108において、燃料電池の製造時に欠陥が発生することがある。仮に、固体電解質111やインターコネクタ107に欠陥が存在すると、燃料電池セル105のガス分離性が損なわれる。この場合、燃料電池の運転中又は停止時において、固体電解質111やインターコネクタ107の欠陥を介して燃料極109側に酸素含有ガスが漏洩する。そうすると、燃料極109や基体103に含まれるNiが酸素含有ガスによって再酸化され、体積膨張が起こる。燃料極109や基体103の体積膨張は、燃料電池セル105の損傷の原因となり得る。
In this way, in each
However, in the overlapping
図2は、基体103のNiが再酸化された様子を示す図である。
同図に示すように、固体電解質111とインターコネクタ107の重なり部分108において欠陥115が存在する。この欠陥115は、例えば固体電解質111とインターコネクタ107の一体焼結時における収縮差に起因して欠陥が発生する。すなわち、固体電解質111とインターコネクタ107とは、一体焼結時における収縮率は互いに異なるので、一体焼結時における収縮差によって重なり部分108に欠陥115が発生するのである。
燃料電池の製造時において重なり部分108に発生した欠陥115は、燃料電池の運転中および停止時において、基体103(又は燃料極109)側と空気極113側との酸素濃度差により酸素が拡散して基体103(又は燃料極109)側に酸素が侵入するためのリーク経路となり得る。基体103(又は燃料極109)に侵入した酸素は、基体103(又は燃料極109)に含まれるNiと反応し、NiOに変化する(Niの再酸化)。このため、基体103(又は燃料極109)は部分的に体積膨張する。図2には、Niが再酸化された領域(再酸化領域)を符号117で模式的に示している。なお、図2に示す例では、基体103に再酸化領域117が形成されているが、再酸化領域117は燃料極109にも形成され得る。
基体103(又は燃料極109)に再酸化領域117が形成されると、基体103(又は燃料極109)の部分的な体積膨張により、燃料電池セル105の各部に応力が生じ、欠陥115が成長し、基体103(又は燃料極109)への酸素漏洩量が増えて、Niの再酸化が助長される。Niの再酸化に起因した基体103(又は燃料極109)の体積膨張が顕著になり、該体積膨張に起因した応力が、燃料電池100の破壊応力に達した時点で燃料電池100が損傷してしまう。
FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which Ni of the
As shown in the figure, a
The
When the
そこで、幾つかの実施形態では、図1に示すように、燃料電池100は、インターコネクタ107及び固体電解質111の重なり部分108を覆うように重なり部分108に対して燃料極109側又は空気極113側に設けられた緻密膜(酸素侵入抑制膜)120をさらに備える。
これにより、仮にインターコネクタ107及び固体電解質111の重なり部分108に欠陥115(図2参照)が生じても、重なり部分108に対して燃料極109側又は空気極113側に設けた緻密膜120によって、重なり部分108の欠陥115(図2参照)を介した燃料極109側への酸素の漏洩を阻止できる。よって、燃料極109や基体103に含まれる成分(例えばNi)の酸化に起因した体積膨張を抑制し、燃料電池セル105の信頼性を高めることができる。
また、緻密膜120の形成により、燃料電池100の強度が増加し、燃料極109又は基体103の体積膨張に起因して発生する応力に対する尤度が増加することによっても、燃料電池セル105の信頼性を高めることができる。
Therefore, in some embodiments, as illustrated in FIG. 1, the
Thereby, even if a defect 115 (see FIG. 2) occurs in the overlapping
In addition, the formation of the
図1に示す例示的な実施形態では、緻密膜120は、インターコネクタ107及び固体電解質111の重なり部分108に対して、空気極113側(すなわち、重なり部分108を挟んで基体103とは反対側)に設けられている。他の実施形態では、図1とは異なり、空気極113、固体電解質111、燃料極109の順で基体103上に積層されており、重なり部分108を覆う緻密膜120は、燃料極109側(すなわち、重なり部分108を挟んで基体103とは反対側)に設けられている。
このように、重なり部分108を挟んで基体103とは反対側に緻密膜120を設けることで、燃料電池100の製造工程において、インターコネクタ107及び固体電解質111の焼結後に緻密膜120を形成することが可能になる。この場合、インターコネクタ107及び固体電解質111を挟んで基体103とは反対側に位置する電極(図1に示す例では空気極113)とともに緻密膜120を一体焼成することで、製造工程を複雑化することなく、緻密膜120の形成が可能になる。また、インターコネクタ107及び固体電解質111の一体焼成後に、緻密膜120の構成材料を塗布して焼成することで、インターコネクタ107及び固体電解質111の一体焼成時における収縮率の制約を受けることがないため、緻密膜120の膜厚の設定自由度が向上する。
In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the
Thus, by providing the
上述のように、欠陥115(図2参照)が生じやすいインターコネクタ107及び固体電解質111の重なり部分108を覆うように緻密膜120を設けることで、基体103又は燃料極109がNiを含有する場合であっても、信頼性が高い燃料電池セル105を実現できる。
As described above, when the
なお、緻密膜120は、10%以下の気孔率を有していてもよい。
インターコネクタ107及び固体電解質111の重なり部分108を覆う緻密膜120の気孔率を10%以下にすることで、仮にインターコネクタ107及び固体電解質111の重なり部分108に欠陥115(図2参照)が生じても、欠陥115を介した燃料極109側への酸素の漏洩を効果的に阻止することができる。よって、燃料極109や基体103を構成する材料(例えばNi)の酸化に起因した体積膨張を効果的に抑制し、燃料電池セル105の信頼性をより一層高めることができる。
The
By setting the porosity of the
また、緻密膜120は、インターコネクタ107の主成分である材料、ジルコニア、又は、アルミナの少なくとも一つを含んで構成されてもよい。
この場合、耐熱性や、燃料電池セル105内における安定性(周辺材と反応性なし)や、緻密性に優れた緻密膜120を実現することができ、燃料電池セル105の信頼性をより一層高めることができる。
Further, the
In this case, it is possible to realize a
ここで、図3を参照して、緻密膜120の形成範囲について説明する。図3は、緻密膜120の形成範囲の一例を説明するための図である。
Here, the formation range of the
図3に示すように、緻密膜120は、少なくとも、インターコネクタ107及び固体電解質111の重なり部分108の全体を覆うように設けられてもよい。
これにより、インターコネクタ107及び固体電解質111の重なり部分108に発生した欠陥115(図2参照)を緻密膜120によって確実に閉塞することができる。
As shown in FIG. 3, the
Thereby, the defect 115 (see FIG. 2) generated in the overlapping
ところで、燃料電池100では、固体電解質111が酸素イオン(O2−)を燃料極側に移動させることで、固体電解質111と燃料極109との界面における反応が実現されるようになっている。このため、緻密膜120の形成範囲が過大であり、例えば、空気極113と燃料極109とが固体電解質111を挟んで対向する領域200に緻密膜120が大きくはみ出してしまうと、緻密膜120が、固体電解質111を介した酸素イオンの移動の妨げとなり、燃料電池100の発電性能が低下することがある。
そこで、幾つかの実施形態では、緻密膜120の形成範囲は、空気極113と燃料極109とが固体電解質111を挟んで対向する領域200と緻密膜120の形成範囲とがオーバラップする領域300、および、空気極113と燃料極109とがインターコネクタ107を挟んで対向する領域と緻密膜120の形成範囲とがオーバラップする領域300*の総面積S(=上記2つの領域への緻密膜120のはみ出し面積)が、S/Stotal≦0.5の関係を満たすように設定される。ここで、Stotalは、緻密膜120が形成されている領域400の総面積である。
さらに、緻密膜120の形成範囲は、空気極113と燃料極109とが固体電解質111を挟んで対向する領域200の総面積をS*としたとき、緻密膜120のはみ出し面積SがS/S*≦0.2の関係を満たすように設定されてもよい。
By the way, in the
Therefore, in some embodiments, the
Further, the
上述したように、S/Stotal≦0.5の関係またはS/S*≦0.2の関係の少なくとも一方を満たすように緻密膜120の形成範囲を設定することで、空気極113と燃料極109とが固体電解質111又はインターコネクタ107を挟んで対向する領域への緻密膜120の過大なはみ出しを抑制できる。このため、緻密膜120が、電子及び酸素イオンの移動の妨げとなりにくい。よって、緻密膜120に起因した燃料電池100の発電性能低下を抑制しつつ、緻密膜120によって、インターコネクタ107と固体電解質111との重なり部分108における欠陥115(図2参照)を介した酸素の漏洩を抑制し、燃料電池セル105の信頼性を確保することができる。
As described above, by setting the formation range of the
次に、図4〜図7を参照して、緻密膜120として、欠陥修復機能を有する機能膜を用いた構成について説明する。
図4は、一実施形態に係る欠陥修復機能を有する機能膜を緻密膜120として用いた構成を示す断面図である。図5は、図4に示す機能膜の構成材料の一例としてのFe−Al−Si系化合物の酸化状態における三元系状態図である。図6は、図4に示す機能膜の構成材料の一例としてのFe−Al−Si系化合物の還元状態における三元系状態図である。図7は、他の実施形態に係る欠陥修復機能を有する機能膜を緻密膜120として用いた構成を示す断面図である。
Next, a configuration using a functional film having a defect repair function as the
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a configuration in which a functional film having a defect repair function according to an embodiment is used as the
幾つかの実施形態では、図4(A)に示すように、欠陥修復機能を有する緻密膜120Aは、インターコネクタ107と固体電解質111との重なり部分108を覆うように、重なり部分108に対して空気極113側に設けられる。この場合、緻密膜120Aは、酸化状態に比べて還元状態において融点が低くなる第1材料を含む。
In some embodiments, as shown in FIG. 4A, the
図4(A)に示す実施形態によれば、重なり部分108において、固体電解質111及び/又はインターコネクタ107に欠陥115が存在すると、当該欠陥115を介して空気極113側に供給される燃料と酸素とが反応し、欠陥115近傍において局所的に温度が上昇する。また、固体電解質111とインターコネクタ107の重なり部分108を覆うように空気極113側に第1材料を含む緻密膜120Aが設けられており、欠陥115の存在により燃料雰囲気下(還元条件下)に曝された空気極113側の緻密膜120Aは、第1材料の特性により融点が低下する。このため、欠陥115近傍における局所的な温度上昇と、緻密膜120Aを構成する第1材料の融点低下とがあいまって、固体電解質111及び/又はインターコネクタ107の欠陥115の近傍において、第1材料が軟化又は溶融し、図4(B)に示すように、第1材料によってガスのリーク経路が閉塞された閉塞領域122Aが形成される。固体電解質111及び/又はインターコネクタ107の欠陥115が閉塞領域122Aにおいて閉塞されると、燃料と酸素との反応が抑制されるために温度が低下し、第1材料は固体に戻る。こうして、固体電解質111及び/又はインターコネクタ107の欠陥を自動的に修復可能となり、燃料電池セル105の自己修復機能を実現することができる。
According to the embodiment shown in FIG. 4A, when the
一実施形態では、図4に示す緻密膜120Aに含まれる第1材料は、Fe−Si−Al系化合物である。
図5に示すように、Fe−Si−Al系化合物は、酸化状態(Fe2O3−SiO2−Al2O3)において、最低融点が1387℃(≒1660K)であり、相図中の殆どの組成において1400℃(≒1673K)以上の融点を有する。例えば、A点の組成例では約1400℃(≒1673K)の融点を有する。ここで、A点の組成例は、質量分率として、Fe2O3=50%、SiO2=39%、Al2O3=11%である。
一方、図6に示すように、還元状態では、Fe−Si−Al系化合物(FeO−SiO2−Al2O3)では、各成分の比率に応じて低融点化合物が形成される。例えば、図5中のA点に対応する組成例(図6に示すB点)において、1083℃の融点を有する。ここで、B点の組成例は、質量分率として、FeO=47%、SiO2=41%、Al2O3=12%である。なお、図6に示したB点以外の組成であっても、例えば、Alの含有率が極めて低い場合に形成されるFe−SiO2系化合物も1083〜1140℃程度の低融点を示す(FeO・SiO2では融点1140℃、2FeO・SiO2では融点1083℃)。また、3FeO・3SiO2・Al2O3の場合にも、1086℃の低融点を示す。
このように、Fe−Si−Al系化合物では、酸化状態に比べて還元状態において融点が低くなる性質を有するため、欠陥修復機能を有する緻密膜120Aの第1材料として用いることができる。
In one embodiment, the first material included in the
As shown in FIG. 5, the Fe—Si—Al-based compound has a minimum melting point of 1387 ° C. (≈1660 K) in the oxidation state (Fe 2 O 3 —SiO 2 —Al 2 O 3 ), Most compositions have a melting point of 1400 ° C. (≈1673 K) or higher. For example, the composition example at point A has a melting point of about 1400 ° C. (≈1673 K). Here, the composition example of the point A, as mass fraction, Fe 2 O 3 = 50% ,
On the other hand, as shown in FIG. 6, in the reduced state, in the Fe—Si—Al-based compound (FeO—SiO 2 —Al 2 O 3 ), a low melting point compound is formed according to the ratio of each component. For example, the composition example (point B shown in FIG. 6) corresponding to the point A in FIG. 5 has a melting point of 1083 ° C. Here, the composition example B point, as mass fraction, FeO = 47%, SiO 2 = 41%, a Al 2 O 3 = 12%. Note that even if the composition is other than point B shown in FIG. 6, for example, an Fe—
Thus, since the Fe—Si—Al-based compound has a property that the melting point is lower in the reduced state than in the oxidized state, it can be used as the first material of the
このように、酸化状態では融点が概ね1400℃以上であるが還元状態において融点が1100℃程度(最低1086℃)となる性質を有するFe−Si−Al系化合物を第1材料として用いることで、固体電解質111又はインターコネクタ107の欠陥を効果的に修復できる。
すなわち、固体電解質111及び/又はインターコネクタ107の欠陥115の存在により第1材料(Fe−Si−Al系化合物)が燃料雰囲気下(還元条件下)に曝されると、融点が1100℃程度(最低1086℃)まで低下する。燃料電池の通常運転温度が900℃程度であっても、欠陥115近傍における局所的な温度上昇により、第1材料(Fe−Si−Al系化合物)の還元状態における融点に欠陥115近傍の温度が到達することが考えられる。欠陥115近傍の温度が第1材料の還元状態における融点を超えると、第1材料が溶融し、ガスのリーク経路(欠陥)が閉塞領域122Aにて閉塞される。固体電解質111及び/又はインターコネクタ107の欠陥115が閉塞されると、燃料と酸素との反応が抑制されるために温度が低下し、第1材料は固体に戻る。この過程で、第1材料の溶融物が液相焼結により固化されるので、第1材料は非常に緻密なガスタイト層となり、ガスのリーク経路(欠陥)が閉塞領域122Aにて効果的に閉塞される。
Thus, by using as the first material an Fe—Si—Al-based compound having a property that the melting point is approximately 1400 ° C. or higher in the oxidized state but has a melting point of about 1100 ° C. (at least 1086 ° C.) in the reduced state. The defect of the
That is, when the first material (Fe—Si—Al-based compound) is exposed to a fuel atmosphere (reducing conditions) due to the presence of the
他の実施形態では、図7(A)に示すように、欠陥修復機能を有する緻密膜120Bは、インターコネクタ107と固体電解質111との重なり部分108を覆うように、重なり部分108に対して燃料極109側に設けられる。この場合、緻密膜120Bは、還元状態に比べて酸化状態において融点が低くなる第2材料を含む。
なお、図7に示す例示的な実施形態では、基体103側に空気極113が設けられており、インターコネクタ107及び固体電解質111を挟んで基体103とは反対側に燃料極109が設けられている。これにより、インターコネクタ107及び固体電解質111の一体焼成後に緻密膜120Bを成膜し、燃料極109とともに緻密膜120Bを一体焼成することが可能になる。なお、図7に示すセルスタック構造を備えた燃料電池100の製造方法については、図9を参照して後で詳述する。
In another embodiment, as shown in FIG. 7A, the
In the exemplary embodiment shown in FIG. 7, the
図7(A)に示す実施形態によれば、固体電解質111及び/又はインターコネクタ107の表面を覆うように燃料極109側に第2材料を含む緻密膜120Bが設けられており、欠陥115の存在により酸化雰囲気下に曝された燃料極109側の緻密膜120Bは、第2材料の特性により融点が低下する。このため、欠陥115近傍における局所的な温度上昇と、緻密膜120Bを構成する第2材料の融点低下とがあいまって、固体電解質111及び/又はインターコネクタ107の欠陥の近傍において、第2材料が軟化又は溶融し、第2材料によってガスのリーク経路が閉塞された閉塞領域122Bが形成される。固体電解質111及び/又はインターコネクタ107の欠陥115が閉塞領域122Bにて閉塞されると、燃料と酸素との反応が抑制されるために温度が低下し、第2材料は固体に戻る。こうして、固体電解質111及び/又はインターコネクタ107の欠陥115を自動的に修復可能となり、燃料電池セル105の自己修復機能を実現することができる。
According to the embodiment shown in FIG. 7A, the
一実施形態では、図7に示す緻密膜120Bに含まれる第2材料は、酸化バナジウムである。
In one embodiment, the second material included in the
このように、還元状態(V2O4)において融点が約1450℃であるが酸化状態(V2O5)となると融点が680℃程度となる性質を有する酸化バナジウムを第2材料として用いることで、固体電解質111及び/又はインターコネクタ107の欠陥115を効果的に修復できる。
すなわち、固体電解質111及び/又はインターコネクタ107の欠陥115の存在により第2材料(酸化バナジウム)が酸化条件下に曝されると、融点が680℃程度まで低下する。こうして、欠陥115近傍の温度が第2材料の酸化状態における融点を超えると、第2材料が溶融し、ガスのリーク経路(欠陥)が閉塞領域122Bにて閉塞される。固体電解質111及び/又はインターコネクタ107の欠陥が閉塞されると、燃料と酸素との反応が抑制されるために温度が低下し、第2材料は固体に戻る。この過程で、第2材料の溶融物が液相焼結により固化されるので、第2材料は非常に緻密なガスタイト層となり、ガスのリーク経路(欠陥)が閉塞領域122Bにて効果的に閉塞される。
As described above, vanadium oxide having a property of having a melting point of about 1450 ° C. in the reduced state (V 2 O 4 ) but having a melting point of about 680 ° C. in the oxidized state (V 2 O 5 ) is used as the second material. Thus, the
That is, when the second material (vanadium oxide) is exposed to oxidizing conditions due to the presence of the
続いて、図8〜図9を参照して、幾つかの実施形態に係る燃料電池100の製造方法について説明する。図8は、一実施形態に係る燃料電池の製造方法を示すフローチャートである。図9は、他の実施形態に係る燃料電池の製造方法を示すフローチャートである。
Then, with reference to FIGS. 8-9, the manufacturing method of the
図8に示すように、まず基体103を作製する(ステップS10)。基体103は、円筒形状の基体管であってもよいし、平板形状の基体板であってもよい。また、基体103は、多孔質材により構成されていてもよい。基体103の材料としては、例えば、CaO安定化ZrO2(CSZ)、又はY2O3安定化ZrO2(YSZ)、又はMgAl2O4を挙げることができる。
As shown in FIG. 8, first, the
続いて、燃料極109、固体電解質111及びインターコネクタ107を基体103上に成膜する(ステップS12)。この際、基体103上に燃料極109を成膜した後、固体電解質111及びインターコネクタ107の成膜を行う。各部材の成膜は、ペースト状の構成材料を印刷により基体103上に塗布することで行ってもよい。
燃料極109の構成材料として、Niとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物(例えば、Ni/YSZ)を挙げることができる。固体電解質111の構成材料として、高温で高い酸素イオン導電性を有するYSZを用いることができる。また、インターコネクタ107の構成材料は、SrTiO3系などのM1−xLxTiO3(Mはアルカリ土類金属元素、Lはランタノイド元素)で表される導電性ペロブスカイト型酸化物を用いることができる。
Subsequently, the
As a constituent material of the
次に、基体103上に成膜された燃料極109、固体電解質111及びインターコネクタ107を一体焼成する(ステップS14)。この際の焼成温度は、例えば1400℃程度としてもよい。
Next, the
続いて、インターコネクタ107及び固体電解質111の重なり部分108を覆うように緻密膜120の構成材料を塗布により成膜する(ステップS16)。
緻密膜120の構成材料は、インターコネクタ107の主成分である材料、ジルコニア、アルミナを含んでいてもよい。また、緻密膜120に欠陥修復機能を持たせたい場合、緻密膜120A(図4参照)の構成材料は、酸化状態に比べて還元状態において融点が低くなる第1材料を含んでいてもよい。この場合、第1材料は、酸化状態では融点1400℃以上であるが還元状態において融点が1100℃程度(最低1086℃)となる性質を有するFe−Si−Al系化合物であってもよい。
Subsequently, the constituent material of the
The constituent material of the
緻密膜120を成膜した後、空気極113を成膜する(ステップS18)。
空気極113の構成材料としては、例えば、LaSrMnO3系酸化物、又はLaCoO3系酸化物を用いることができる。空気極113の成膜は、ペースト状の構成材料を印刷により塗布することで行ってもよい。
After forming the
As a constituent material of the
次に、空気極113とともに緻密膜120を一体焼成する(ステップS20)。この際、欠陥修復機能を有する緻密膜120Aの場合、酸化状態における第1材料の比較的高い融点(例えば、Fe2O3−SiO2−Al2O3では1387℃以上の融点)よりも低い温度でステップS20の一体焼成を行ってもよい。これにより、酸化条件下でステップS20の焼成を行えば、緻密膜120Aを構成する第1材料が溶融状態とならないため、緻密膜120Aの所望の形状を保持したまま焼結させることができる。
なお、ステップS20における一体焼成温度は、例えば1000〜1300℃の範囲内で設定してもよい。
Next, the
In addition, you may set the integral baking temperature in step S20 within the range of 1000-1300 degreeC, for example.
ステップS10〜S20により、基体103と、基体103上に設けられた複数のセル(燃料電池セル)105と、隣り合うセル105間を電気的に接続するインターコネクタ107と、インターコネクタ107及び固体電解質111の重なり部分108を覆う緻密膜120と、を備えるセルスタックが得られる。
Through steps S10 to S20,
こうして得られたセルスタックを還元させる(ステップS22)。最後に、燃料電池100が複数のセルスタックの集合からなる場合には、複数のセルスタックを組み立てることで、最終製品としての燃料電池100を得る(ステップS24)。
The cell stack thus obtained is reduced (step S22). Finally, when the
図8に示す実施形態では、燃料極109、空気極113および固体電解質111をそれぞれ含む複数のセル105を基体103上に形成し(ステップS12〜S14、ステップS18〜S20)、隣接するセル105間を電気的に接続する少なくとも一つのインターコネクタ10を形成するとともに(ステップS12〜S14)、インターコネクタ107及び固体電解質111の重なり部分108を覆うように、該重なり部分108に対して空気極113側に緻密膜120を形成している(ステップS16及びS20)。
この方法によれば、インターコネクタ107と固体電解質111の重なり部分108を覆う緻密膜120を該重なり部分108に対して空気極113側に設けるため、信頼性が高い燃料電池100を得ることができる。
すなわち、上記方法により得られた燃料電池100では、仮にインターコネクタ107及び固体電解質111の重なり部分108に欠陥が生じても、重なり部分108に対して空気極113側に設けた緻密膜120によって、重なり部分108の欠陥115を介した燃料極109側への酸素の漏洩を阻止できる。これにより、燃料極109や基体103を構成する材料の酸化に起因した体積膨張を抑制し、燃料電池セル105の信頼性を高めることができる。また、緻密膜120の形成により、燃料電池100の強度が増加し、燃料極109又は基体103の体積膨張に起因して発生する応力に対する尤度が増加することによっても、燃料電池セル105の信頼性が向上する。
In the embodiment shown in FIG. 8, a plurality of
According to this method, since the
That is, in the
また、図8に示す実施形態では、基体103上に燃料極109を成膜し(ステップS12)、この燃料極109の上に固体電解質111及びインターコネクタ107を成膜し(ステップS12)、該固体電解質111及びインターコネクタ107を一体焼成した後(ステップS14)、緻密膜120を形成するようにしている(ステップS16及びS20)。
これにより、固体電解質111及びインターコネクタ107を一体焼成時に収縮差に起因して重なり部分108に欠陥115が生じても、当該重なり部分108を覆うように緻密膜120を後から形成することで、燃料電池100の信頼性を効果的に向上させることができる。
また、固体電解質111とインターコネクタ107の一体焼成後に緻密膜120を形成することで、一体焼成時における収縮率の制約が存在しないため、緻密膜120の膜厚の設定自由度が向上する。
In the embodiment shown in FIG. 8, the
Thereby, even if the
In addition, since the
さらに、図8に示す実施形態では、緻密膜120を形成するに際して、緻密膜120の構成材料を塗布した後、空気極113とともに緻密膜120を焼成するようになっている(ステップS16及びS20)。
これにより、空気極113とともに緻密膜120を焼成可能となり、緻密膜120の形成のための工程の増加を抑制できる。これにより、製造コストの増加を抑制しながら、緻密膜120の形成により信頼性が向上した燃料電池100を得ることができる。
Further, in the embodiment shown in FIG. 8, when the
Thereby, the
他の幾つかの実施形態では、図9に示すように、まず基体103を作製する(ステップS110)。
In some other embodiments, as shown in FIG. 9, the
続いて、空気極113、固体電解質111及びインターコネクタ107を基体103上に成膜する(ステップS112)。この際、基体103上に空気極113を成膜した後、固体電解質111及びインターコネクタ107の成膜を行う。各部材の成膜は、ペースト状の構成材料を印刷により基体103上に塗布することで行ってもよい。
Subsequently, the
次に、基体103上に成膜された空気極113、固体電解質111及びインターコネクタ107を一体焼成する(ステップS114)。この際の焼成温度は、例えば1400℃程度としてもよい。
Next, the
続いて、インターコネクタ107及び固体電解質111の重なり部分108を覆うように緻密膜120の構成材料を塗布により成膜する(ステップS16)。
緻密膜120の構成材料は、インターコネクタ107の主成分である材料、ジルコニア、アルミナを含んでいてもよい。また、緻密膜120に欠陥修復機能を持たせたい場合、緻密膜120B(図7参照)の構成材料は、還元状態に比べて酸化状態において融点が低くなる第2材料を含んでいてもよい。この場合、第2材料は、還元状態(V2O4)において融点が約1450℃であるが酸化状態(V2O5)となると融点が680℃程度となる性質を有する酸化バナジウムであってもよい。
Subsequently, the constituent material of the
The constituent material of the
緻密膜120を成膜した後、燃料極109を成膜する(ステップS118)。
After the
次に、燃料極109とともに緻密膜120を一体焼成する(ステップS120)。この際、欠陥修復機能を有する緻密膜120Bの場合、還元状態における第2材料の比較的高い融点(例えば、V2O4では約1450℃の融点)よりも低い温度でステップS120の一体焼成を行ってもよい。これにより、還元条件下でステップS120の焼成を行えば、緻密膜120Bを構成する第2材料が溶融状態とならないため、緻密膜120Bの所望の形状を保持したまま焼結させることができる。
なお、ステップS120における一体焼成温度は、例えば1000〜1300℃の範囲内で設定してもよい。
Next, the
In addition, you may set the integral baking temperature in step S120 within the range of 1000-1300 degreeC, for example.
ステップS110〜S120により、基体103と、基体103上に設けられた複数のセル(燃料電池セル)105と、隣り合うセル105間を電気的に接続するインターコネクタ107と、インターコネクタ107及び固体電解質111の重なり部分108を覆う緻密膜120と、を備えるセルスタックが得られる。
Through steps S110 to S120,
こうして得られたセルスタックを還元させる(ステップS122)。最後に、燃料電池100が複数のセルスタックの集合からなる場合には、複数のセルスタックを組み立てることで、最終製品としての燃料電池100を得る(ステップS124)。
The cell stack thus obtained is reduced (step S122). Finally, when the
図9に示す実施形態では、燃料極109、空気極113および固体電解質111をそれぞれ含む複数のセル105を基体103上に形成し(ステップS112〜S114、ステップS118〜S120)、隣接するセル105間を電気的に接続する少なくとも一つのインターコネクタ10を形成するとともに(ステップS112〜S114)、インターコネクタ107及び固体電解質111の重なり部分108を覆うように、該重なり部分108に対して燃料極109側に緻密膜120を形成している(ステップS116及びS120)。
この方法によれば、インターコネクタ107と固体電解質111の重なり部分108を覆う緻密膜120を該重なり部分108に対して燃料極109側に設けるため、信頼性が高い燃料電池100を得ることができる。
In the embodiment shown in FIG. 9, a plurality of
According to this method, since the
また、図9に示す実施形態では、基体103上に空気極113を成膜し(ステップS112)、この空気極113の上に固体電解質111及びインターコネクタ107を成膜し(ステップS112)、該固体電解質111及びインターコネクタ107を一体焼成した後(ステップS114)、緻密膜120を形成するようにしている(ステップS116及びS120)。
これにより、固体電解質111及びインターコネクタ107を一体焼成時に収縮差に起因して重なり部分108に欠陥115が生じても、当該重なり部分108を覆うように緻密膜120を後から形成することで、燃料電池100の信頼性を効果的に向上させることができる。
また、固体電解質111とインターコネクタ107の一体焼成後に緻密膜120を形成することで、一体焼成時における収縮率の制約が存在しないため、緻密膜120の膜厚の設定自由度が向上する。
In the embodiment shown in FIG. 9, the
Thereby, even if the
In addition, since the
さらに、図9に示す実施形態では、緻密膜120を形成するに際して、緻密膜120の構成材料を塗布した後、燃料極109とともに緻密膜120を焼成するようにした(ステップS116及びS120)。
これにより、燃料極109とともに緻密膜120を焼成可能となり、緻密膜120の形成のための工程の増加を抑制できる。これにより、製造コストの増加を抑制しながら、緻密膜120の形成により信頼性が向上した燃料電池100を得ることができる。
Furthermore, in the embodiment shown in FIG. 9, when forming the
Thereby, the
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes forms obtained by modifying the above-described embodiments and forms obtained by appropriately combining these forms.
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
For example, an expression indicating that things such as “identical”, “equal”, and “homogeneous” are in an equal state not only represents an exactly equal state, but also has a tolerance or a difference that can provide the same function. It also represents the existing state.
For example, expressions representing shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes represent not only geometrically strict shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes, but also irregularities and chamfers as long as the same effects can be obtained. A shape including a part or the like is also expressed.
In addition, the expression “comprising”, “including”, or “having” one constituent element is not an exclusive expression for excluding the existence of another constituent element.
1,2 空間
100 燃料電池
103 基体
105 セル(燃料電池セル)
107 インターコネクタ
108 重なり部分
109 燃料極
111 固体電解質
113 空気極
115 欠陥
117 再酸化領域
120,120A,120B 緻密膜
122A,122B 閉塞領域
1, 2
Claims (12)
前記セル間を電気的に接続する少なくとも一つのインターコネクタと、
前記インターコネクタ及び前記固体電解質の重なり部分を覆うように、該重なり部分に対して前記燃料極側又は前記空気極側に設けられた緻密膜と、
を備えることを特徴とする燃料電池。 A plurality of cells each including a fuel electrode, an air electrode and a solid electrolyte;
At least one interconnector for electrically connecting the cells;
A dense membrane provided on the fuel electrode side or the air electrode side with respect to the overlapping portion so as to cover the overlapping portion of the interconnector and the solid electrolyte;
A fuel cell comprising:
前記緻密膜は、前記重なり部分を覆うように該重なり部分に対して前記空気極側に設けられていることを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載の燃料電池。 The dense film includes a first material having a lower melting point in a reduced state than in an oxidized state,
The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the dense film is provided on the air electrode side with respect to the overlapping portion so as to cover the overlapping portion.
前記緻密膜は、前記重なり部分を覆うように該重なり部分に対して前記燃料極側に設けられていることを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載の燃料電池。 The dense film includes a second material having a lower melting point in the oxidized state than in the reduced state,
The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the dense film is provided on the fuel electrode side with respect to the overlapping portion so as to cover the overlapping portion.
隣接する前記セル間を電気的に接続する少なくとも一つのインターコネクタを形成するステップと、
前記インターコネクタ及び前記固体電解質の重なり部分を覆うように、該重なり部分に対して前記燃料極側又は前記空気極側に緻密膜を形成するステップと、
を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。 Forming a plurality of cells each including a fuel electrode, an air electrode and a solid electrolyte;
Forming at least one interconnector for electrically connecting adjacent cells;
Forming a dense film on the fuel electrode side or the air electrode side with respect to the overlapping portion so as to cover the overlapping portion of the interconnector and the solid electrolyte;
A method of manufacturing a fuel cell comprising:
前記燃料極又は前記空気極の前記一方の上に前記固体電解質及び前記インターコネクタを成膜し、該固体電解質及び前記インターコネクタを一体焼成した後、
前記緻密膜を形成する
ことを特徴とする請求項10に記載の燃料電池の製造方法。 Depositing one of the fuel electrode or the air electrode;
Forming the solid electrolyte and the interconnector on the one of the fuel electrode or the air electrode, and firing the solid electrolyte and the interconnector integrally,
The method of manufacturing a fuel cell according to claim 10, wherein the dense film is formed.
前記緻密膜の構成材料を塗布した後、
前記燃料極又は前記空気極とともに前記緻密膜を焼成する
ことを特徴とする請求項10又は11に記載の燃料電池の製造方法。 In the step of forming the dense film,
After applying the constituent material of the dense film,
The method for producing a fuel cell according to claim 10 or 11, wherein the dense film is fired together with the fuel electrode or the air electrode.
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JP2020140856A (en) * | 2019-02-28 | 2020-09-03 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | Fuel battery cell stack, fuel cell module, power generation system, and method for manufacturing fuel battery cell stack |
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