JP2017188437A - 電気化学セル - Google Patents
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Abstract
【課題】シール膜のクラックを抑制可能な電気化学セルを提供する。
【解決手段】燃料電池１は、絶縁性かつ多孔質の支持基板２と、支持基板２上に配置される発電部１０と、支持基板２の外表面を覆う緻密質のシール膜３とを備える。支持基板２は、シール膜３との界面から１０μｍ以内の外周領域２１と、界面から１０μｍ超の内部領域２２とを有する。外周領域２１の平均気孔率Ｐ１は、内部領域２２の平均気孔率Ｐ２よりも大きい。内部領域２２の平均気孔率Ｐ２は、シール膜３の平均気孔率Ｐ３よりも大きい。
【選択図】図３
【解決手段】燃料電池１は、絶縁性かつ多孔質の支持基板２と、支持基板２上に配置される発電部１０と、支持基板２の外表面を覆う緻密質のシール膜３とを備える。支持基板２は、シール膜３との界面から１０μｍ以内の外周領域２１と、界面から１０μｍ超の内部領域２２とを有する。外周領域２１の平均気孔率Ｐ１は、内部領域２２の平均気孔率Ｐ２よりも大きい。内部領域２２の平均気孔率Ｐ２は、シール膜３の平均気孔率Ｐ３よりも大きい。
【選択図】図３
Description
本発明は、電気化学セルに関する。
従来、電気化学セルの一種として、絶縁性かつ多孔質の支持基板と、支持基板上に配置される発電部と、支持基板の外表面を覆う緻密質のシール膜とを備える燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。
ところで、燃料電池の稼働時、シール膜にクラックが発生する場合がある。本発明者等が鋭意検討した結果、シール膜にクラックが発生するのは、シール膜と支持基板の熱膨張率差に起因する熱応力がシール膜に生じることが原因であるという知見を得た。
本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、シール膜のクラックを抑制可能な電気化学セルを提供することを目的とする。
電気化学セルは、多孔質の支持基板と、支持基板上に配置される発電部と、支持基板の外表面を覆う緻密質のシール膜とを備える。支持基板は、シール膜との界面から１０μｍ以内の外周領域と、界面から１０μｍ超の内部領域とを有する。外周領域の平均気孔率は、内部領域の平均気孔率よりも大きい。内部領域の平均気孔率は、シール膜の平均気孔率よりも大きい。
本発明によれば、シール膜のクラックを抑制可能な電気化学セルを提供することができる。
（燃料電池１の構成）
本実施形態に係る燃料電池１の構成について、図面を参照しながら説明する。図１は、燃料電池１の斜視図である。
本実施形態に係る燃料電池１の構成について、図面を参照しながら説明する。図１は、燃料電池１の斜視図である。
燃料電池１は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）である。燃料電池１は、支持基板２、シール膜３、６つの発電部１０及びインターコネクタ２０を備える。
（１）支持基板２
支持基板２は、長手方向に延びる扁平な板状に形成される。支持基板２は、第１主面Ｓ１、第２主面Ｓ２、第１側面Ｓ３及び第２側面Ｓ４を有する。
支持基板２は、長手方向に延びる扁平な板状に形成される。支持基板２は、第１主面Ｓ１、第２主面Ｓ２、第１側面Ｓ３及び第２側面Ｓ４を有する。
第１主面Ｓ１は、第２主面Ｓ２の反対側に設けられる。第１主面Ｓ１と第２主面Ｓ２それぞれは、支持基板２の長手方向と短手方向に広がる板面である。短手方向は、長手方向に垂直な方向である。第１側面Ｓ３は、第１主面Ｓ１と第２主面Ｓ２に連なる。第２側面Ｓ４は、第１主面Ｓ１と第２主面Ｓ２に連なる。第２側面Ｓ４は、第１側面Ｓ３の反対側に設けられる。本実施形態において、第１側面Ｓ３及び第２側面Ｓ４それぞれは曲面状に形成される。
第１主面Ｓ１、第２主面Ｓ２、第１側面Ｓ３及び第２側面Ｓ４は、支持基板２の外表面である。ただし、本実施形態において、第１主面Ｓ１及び第２主面Ｓ２のうち６つの発電部が配置される領域は、支持基板２の外表面に含まれないものとする。
支持基板２の厚み方向における厚さは特に制限されないが、１ｍｍ〜１０ｍｍとすることができる。厚み方向は、長手方向と短手方向に垂直な方向である。支持基板２の内部には、６本のガス流路２ａが形成される。各ガス流路２ａは、支持基板２の長手方向に沿って延びる。本実施形態では、発電時、各ガス流路２ａに燃料ガスが流される。なお、ガス流路２ａの本数は、６本に限られない。
支持基板２は、電気絶縁性の多孔質材料を主成分として含有する。支持基板２を構成する材料としては、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシアアルミナスピネル）とＭｇＯ（酸化マグネシウム）の混合物、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）、８ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、Ｙ２Ｏ３（イットリア）、ＣＺＯ（カルシウムジルコネート）などの絶縁性セラミックスを用いることができる。本明細書において、「主成分として含有する」とは、対象成分を８０重量％以上含有することを意味する。
支持基板２は、燃料ガスの改質反応を促す触媒として機能する遷移金属又は当該遷移金属の酸化物を含んでいてもよい。遷移金属としては、Ｎｉ（ニッケル）が好適である。
支持基板２の内部構成については後述する。
（２）シール膜３
シール膜３は、支持基板２の外表面を覆う。すなわち、シール膜３は、第１主面Ｓ１のうち３つの発電部以外の領域、第２主面Ｓ２のうち３つの発電部以外の領域、第１側面Ｓ３の全面及び第２側面Ｓ４の全面を覆っている。
シール膜３は、支持基板２の外表面を覆う。すなわち、シール膜３は、第１主面Ｓ１のうち３つの発電部以外の領域、第２主面Ｓ２のうち３つの発電部以外の領域、第１側面Ｓ３の全面及び第２側面Ｓ４の全面を覆っている。
シール膜３は、電子伝導性を有さない緻密質材料によって構成される。シール膜３は、ジルコニア、マグネシア、アルミナを主成分として含むことができる。シール膜３を構成する材料としては、例えば、３ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、８ＹＳＺ、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、Ｙ２Ｏ３（イットリア）、ＭｇＯ（マグネシア）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＭｇＡｌ２Ｏ３（マグネシアアルミナスピネル）などを用いることができる。
シール膜３の厚さは特に制限されないが、例えば３μｍ〜５０μｍとすることができる。本実施形態において、シール膜３は、後述する固体電解質層５と一体的に形成される。シール膜３は、単層構造であってもよいし、多層構造であってもよい。また、シール膜３は、固体電解質層５と同一の材料によって構成されていてもよいし、固体電解質層５と異なる材料によって構成されていてもよい。シール膜３が多層構造である場合、各層は異なる材料によって構成されていてもよい。
（３）発電部１０
６つの発電部１０は、支持基板２上に配置される。各発電部は、同様の構成を有する。
６つの発電部１０は、支持基板２上に配置される。各発電部は、同様の構成を有する。
ここで、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。各発電部１０は、燃料極４、固体電解質層５、反応防止層６、空気極７及び空気極集電層８を備える。
燃料極４は、支持基板２上に配置される。燃料極４は、アノードとして機能する。燃料極４は、燃料極集電層４１と燃料極活性層４２を有する。
燃料極集電層４１は、支持基板２上に配置される。燃料極集電層４１は、ＮｉＯを含み、電子伝導性を有する物質によって構成される。燃料極集電層４１は、酸素イオン伝導性を有する物質を含んでいてもよい。燃料極集電層４１は、例えば、ＮｉＯ−８ＹＳＺ、ＮｉＯ−Ｙ２Ｏ３、ＮｉＯ−ＣＳＺなどによって構成することができる。燃料極集電層４１の厚さは特に制限されないが、５０μｍ〜５００μｍとすることができる。燃料極集電層４１は多孔質であればよく、その気孔率は特に制限されないが、２５％〜５０％とすることができる。
燃料極活性層４２は、燃料極集電層４１上に配置される。燃料極活性層４２は、電子伝導性を有する物質と酸素イオン伝導性を有する物質とによって構成される。燃料極活性層４２は、例えば、ＮｉＯ−８ＹＳＺやＮｉＯ−ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）などによって構成することができる。燃料極活性層４２における酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合は、燃料極集電層４１における酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合よりも大きいことが好ましい。燃料極活性層４２の厚さは特に制限されないが、５μｍ〜３０μｍとすることができる。燃料極活性層４２の気孔率は特に制限されないが、２５％〜５０％とすることができる。
固体電解質層５は、燃料極４上に配置される。本実施形態において、固体電解質層５は、シール膜３（図１参照）と一体的に形成される。固体電解質層５は、イオン伝導性を有し、かつ、電子伝導性を有さない緻密質材料によって構成される。固体電解質層５は、ジルコニアを主成分として含むことができる。固体電解質層５を構成する材料としては、例えば、３ＹＳＺ、８ＹＳＺ、ＳｃＳＺなどを用いることができる。固体電解質層５の気孔率は、支持基板２や燃料極４の気孔率よりも低い。固体電解質層５の気孔率は、２０％以下とすることができ、１０％以下であることが好ましい。固体電解質層５の厚さは特に制限されないが、３μｍ〜５０μｍとすることができる。
反応防止層６は、固体電解質層５上に配置される。反応防止層７を構成する材料としては、例えば、セリア及びセリアに固溶した希土類金属酸化物を含むセリア系材料を用いることができる。このようなセリア系材料としては、ＧＤＣやＳＤＣ（サマリウムドープセリア）などが挙げられる。反応防止膜６の厚さは特に制限されないが、３μｍ〜５０μｍとすることができる。
空気極７は、反応防止層６上に配置される。空気極７は、混合導電性を有する多孔質材料によって構成される。空気極７を構成する材料としては、例えば、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ＬＳＣＦ、ランタンストロンチウムコバルトフェライト）、（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ３（ＬＳＦ、ランタンストロンチウムフェライト）、Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ３（ＬＮＦ、ランタンニッケルフェライト）、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（ＬＳＣ、ランタンストロンチウムコバルタイト）などが挙げられる。空気極７の厚さは特に制限されないが、１０〜１００μｍとすることができる。
空気極集電層８は、空気極７上に配置される。空気極集電層８は、電子伝導性を有する多孔質材料によって構成される。空気極集電層８は、例えば、ＬＳＣＦ、ＬＳＣ、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）などによって構成することができる。また、空気極集電層８は、上述した接続部材３０と同じ材料によって構成されていてもよい。空気極集電層８の厚さは特に制限されないが、５０μｍ〜５００μｍとすることができる。
（４）インターコネクタ２０
インターコネクタ２０は、燃料極４上に配置される。インターコネクタ２０は、隣接する２つの発電部１０を電気的に接続する。インターコネクタ２０は、一方の発電部１０の燃料極４と他方の発電部１０の空気極集電層７の間に介挿される。
インターコネクタ２０は、燃料極４上に配置される。インターコネクタ２０は、隣接する２つの発電部１０を電気的に接続する。インターコネクタ２０は、一方の発電部１０の燃料極４と他方の発電部１０の空気極集電層７の間に介挿される。
インターコネクタ２０は、支持基板２や燃料極４に比べて緻密質な層である。インターコネクタ２０は、例えば、ＬａＣｒＯ３（ランタンクロマイト）、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ３（ストロンチウムチタネート）などによって構成することができる。インターコネクタ２０は燃料極４よりも緻密であればよく、その気孔率は特に制限されないが、２０％以下が好ましく、１０％以下がより好ましい。インターコネクタ２０の厚さは特に制限されないが、１０μｍ〜１００μｍとすることができる。
（支持基板２の内部構成）
図３は、図１のＢ−Ｂ断面図である。支持基板２は、外周領域２１と内部領域２２とを有する。
図３は、図１のＢ−Ｂ断面図である。支持基板２は、外周領域２１と内部領域２２とを有する。
外周領域２１は、内部領域２２を取り囲む。外周領域２１は、全体として筒状に形成される。外周領域２１は、支持基板２のうちシール膜３との界面から１０μｍ以内の領域である。支持基板２とシール膜３との界面は、支持基板２の第１主面Ｓ１、第２主面Ｓ２、第１側面Ｓ３及び第２側面Ｓ４のことである。
内部領域２２は、外周領域２１の内部に配置される。内部領域２２は、板状に形成される。内部領域２２の内部には、６本のガス流路２ａが形成される。内部領域２２は、支持基板２のうちシール膜３との界面から１０μｍ超の領域である。すなわち、内部領域２２は、支持基板２とシール膜３との界面から１０μｍ超離れている。
外周領域２１の平均気孔率Ｐ１は、内部領域２２の平均気孔率Ｐ２よりも大きい。内部領域２２の平均気孔率Ｐ２は、シール膜３の平均気孔率Ｐ３よりも大きい。外周領域２１の平均気孔率Ｐ１は、内部領域２２の平均気孔率Ｐ２よりも大きいため、外周領域２１のヤング率は、内部領域２２のヤング率よりも小さい。このように、相対的にヤング率の低い外周領域２１をシール膜３と内部領域２２の間に介挿させることによって、燃料電池１の稼働時に、シール膜３と支持基板２の熱膨張率差に起因する熱応力がシール膜３に生じることを抑制できる。その結果、シール膜３にクラックが発生することを抑制できる。
外周領域２１の平均気孔率Ｐ１は、内部領域２２の平均気孔率Ｐ２よりも５ポイント以上大きいことが好ましい。外周領域の平均気孔率Ｐ１は、２５〜７０％とすることができる。内部領域２２の平均気孔率Ｐ２は、２０〜５０％とすることができる。シール層３の平均気孔率は１０％以下とすることができ、７％以下が好ましく、５％以下がより好ましい。シール膜３の平均気孔率Ｐ３は、上述した固体電解質層５の気孔率と同等にすることができる。
外周領域２１の平均気孔率Ｐ１は、外周領域２１の断面の１０スポット（観察範囲１２μｍ×９μｍ）をＳＥＭ(走査型電子顕微鏡)によって７５００倍で観察し、各ＳＥＭ画像における気孔の占有面積率を算術平均することによって得られる。ＳＥＭで観察する１０スポットは、外周領域２１を周方向に１１等分する位置に設定するものとする。内部領域２２の平均気孔率Ｐ２及びシール膜３の平均気孔率Ｐ３は、外周領域２１の平均気孔率Ｐ１と同じ手法で得られる。内部領域２２Ｓ及びシール膜３それぞれをＳＥＭで観察する１０スポットは、外周領域２１をＳＥＭで観察した１０スポットと厚み方向に隣接する位置に設定するものとする。
外周領域２１における気孔の平均円相当径Ｒ１は特に制限されないが、０.５μｍ〜３μｍとすることができ、０.５μｍ以上が好ましい。内部領域２２における気孔の平均円相当径Ｒ２は、外周領域２１における気孔の平均円相当径Ｒ１より小さくすることができる。内部領域２２における気孔の平均円相当径Ｒ２は特に制限されないが、０．２μｍ〜２．５μｍとすることができ、２．５μｍ以下が好ましい。シール膜３における気孔の平均円相当径Ｒ３は、内部領域２２における気孔の平均円相当径Ｒ２より小さくすることができる。シール膜３における気孔の平均円相当径Ｒ３は特に制限されないが、０.１μｍ〜２μｍとすることができ、２μｍ以下が好ましい。
本実施形態において、気孔の円相当径は、ＳＥＭ画像において気孔の断面積と同じ面積を有する円の直径である。気孔の平均円相当径は、１つのＳＥＭ画像から無作為に選出した２０個の気孔の円相当径を算術平均することによって得られる。
外周領域２１を構成するセラミックス粒子の平均円相当径Ｄ１は特に制限されないが、０.２μｍ〜２μｍとすることができ、２μｍ以下が好ましい。外周領域２１を構成するセラミックス粒子の平均接合幅Ｌ１は、０.２μｍ〜２μｍとすることができ、２μｍ以下が好ましい。内部領域２２を構成するセラミックス粒子の平均円相当径Ｄ２は特に制限されないが、０.５μｍ〜５μｍとすることができ、０.５μｍ以上が好ましい。内部領域２２を構成するセラミックス粒子の平均接合幅Ｌ２は、０.２μｍ〜５μｍとすることができ、０.２μｍ以上が好ましい。
セラミックス粒子の円相当径は、ＳＥＭ画像においてセラミックス粒子の断面積と同じ面積を有する円の直径である。セラミックス粒子の平均円相当径は、１つのＳＥＭ画像から無作為に選出した２０個のセラミックス粒子の円相当径を算術平均することによって得られる。
セラミックス粒子の平均接合幅は、互いに結合されたセラミックス粒子どうしのネック太さを示す指標である。セラミックス粒子の平均接合幅は、１つのＳＥＭ画像から無作為に選出した２０箇所の接合部分の幅を算術平均することによって得られる。
（燃料電池１の製造方法）
燃料電池１の製造方法の一例について説明する。
燃料電池１の製造方法の一例について説明する。
まず、上述した支持基板材料粉末に造孔材とバインダーを添加して調製した坏土を押出成形することによって、６本のガス流路２ａを有する内部領域２２の成形体を形成する。内部領域２２の成形体に用いる支持基板材料の平均粒径は、０.５μｍ〜３μｍとすることができる。造孔材の添加量を調整することによって、内部領域２２の平均気孔率を制御できる。
次に、上述した支持基板材料に造孔材とバインダーを添加して調製した外周領域用スラリーを用いてテープ成形する。そして、成形したテープを内部領域２２の成形体に巻き回す。これによって、外周領域２１の成形体が形成される。外周領域２１の成形体に用いる支持基板材料の平均粒径は、０.５μｍ〜５μｍとすることができる。造孔材の添加量を調整することによって、外周領域２１の平均気孔率を制御できる。外周領域２１の厚みは、テープ厚によって調整できる。
次に、燃料極材料をペースト化して、支持基板２の成形体上にスクリーン印刷することによって、燃料極４の成形体を形成する。
次に、インターコネクタ材料をペースト化して、燃料極４の成形体上にスクリーン印刷することによって、インターコネクタ２０の成形体を形成する。
次に、固体電解質材料をペースト化して燃料極４の成形体上に固体電解質材料をスクリーン印刷することによって、固体電解質層５の成形体を形成する。この際、固体電解質材料のペーストを支持基板２の露出面全体を覆うようにスクリーン印刷することによって、シール膜３の成形体を一体的に作製することができる。
次に、固体電解質層５の成形体上に反応防止層材料をディップ成形することによって、反応防止層６の成形体を形成する。
次に、支持基板２、シール膜３、燃料極４、インターコネクタ２０、固体電解質層５及び反応防止層６の成形体を共焼成（１３００〜１６００℃、２〜２０時間）する。
次に、空気極材料をペースト化して固体電解質層５上にスクリーン印刷することによって、空気極７の成形体を形成する。続いて、空気極集電層材料をペースト化して空気極７の成形体上にスクリーン印刷することによって、空気極集電層８の成形体を形成する。
次に、空気極７及び空気極集電層８の成形体を焼成（９００〜１１００℃、１〜２０時間）する。
（他の実施形態）
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。
上記実施形態では、本発明にかかる支持基板を固体酸化物型燃料電池に適用した場合について説明したが、本発明にかかる支持基板は、固体酸化物型燃料電池のほか、固体酸化物型電解セルを含む固体酸化物型電気化学セルに適用可能である。
上記実施形態では、支持基板２の全体に外周領域２１を形成することとしたが、支持基板２の一部のみに外周領域２１を形成してもよい。この場合であっても、少なくとも外周領域２１を形成した領域では、シール膜３のクラックを抑制することができる。
以下において本発明に係る燃料電池の実施例について説明するが、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。
（サンプルＮｏ．１〜１０）
まず、ＭｇＯ粉末（平均粒径０.５μｍ〜３μｍ）にバインダー（セルロース）と造孔材（グラファイト）を添加して調製した坏土を押出成形することによって、６本のガス流路を有する内部領域の成形体を形成した。この際、造孔材の添加量を調整することによって、表１に示すように内部領域の平均気孔率をサンプル毎に変更した。
まず、ＭｇＯ粉末（平均粒径０.５μｍ〜３μｍ）にバインダー（セルロース）と造孔材（グラファイト）を添加して調製した坏土を押出成形することによって、６本のガス流路を有する内部領域の成形体を形成した。この際、造孔材の添加量を調整することによって、表１に示すように内部領域の平均気孔率をサンプル毎に変更した。
次に、ＭｇＯ粉末（平均粒径０.５μｍ〜５μｍ）にバインダー（セルロース）と造孔材（グラファイト）を添加して調製した外周領域用スラリーを用いてテープ成形した。この際、造孔材の添加量を調整することによって、表１に示すように外周領域の平均気孔率をサンプル毎に変更した。そして、成形したテープを内部領域の成形体に巻き回すことによって、外周領域の成形体を形成した。
次に、ＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末の複合材料（ＮｉＯ粉末：ＹＳＺ粉末＝５０ｖｏｌ％：５０ｖｏｌ％）にバインダ（セルロース）を添加したスラリーを支持基板の成形体上に印刷することによって、燃料極集電層の成形体を形成した。
次に、ＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末の複合材料（ＮｉＯ粉末：ＹＳＺ粉末＝５０ｖｏｌ％：５０ｖｏｌ％）にバインダー（セルロース）を添加したスラリーを燃料極集電層の成形体上に印刷することによって、燃料極活性層の成形体を形成した。
次に、ＬａＣｒＯ３粉末にバインダーとしてセルロースを添加したスラリーを燃料極集電層の成形体上に印刷することによって、インターコネクタの成形体を形成した。
次に、８ＹＳＺ粉末にバインダーとしてセルロースを添加したスラリーを燃料極活性層の成形体上に印刷することによって、固体電解質膜の成形体を形成した。この際、固体電解質膜用のスラリーを、支持基板のうち外周領域の成形体の外表面全体に印刷することによって、シール膜の成形体を固体電解質膜の成形体と一体的に形成した。
次に、ＧＤＣ粉末にバインダーとしてセルロースを添加したスラリーを固体電解質膜の成形体上に印刷することによって、反応防止膜の成形体を形成した。
次に、支持基板、燃料極、インターコネクタ、固体電解質膜及び反応防止膜の成形体を焼成（大気雰囲気、１４００℃、２時間）した。支持基板のうち外周領域の厚みは、１０μｍであった。
次に、ＬＳＣＦ粉末にバインダーとしてセルロースを添加したスラリーを反応防止膜上に印刷することによって、空気極の成形体を形成した。
次に、ＬＳＣＦ粉末にバインダーとしてセルロースを添加したスラリーを空気極の成形体上に印刷することによって、空気極集電層の成形体を形成した。
次に、空気極と空気極集電層それぞれの成形体を焼成（大気雰囲気、１４００℃、２時間）した。以上によって、サンプルＮｏ．１〜１０に係る燃料電池が完成した。
（サンプルＮｏ．１１〜１３）
支持基板に外周領域を設けなかった以外はサンプルＮｏ．１と同じ工程にて、サンプルＮｏ．１１〜１３に係る燃料電池を作製した。
支持基板に外周領域を設けなかった以外はサンプルＮｏ．１と同じ工程にて、サンプルＮｏ．１１〜１３に係る燃料電池を作製した。
（シール膜と支持基板の気孔率）
シール膜の断面上の１０スポット（観察範囲１２μｍ×９μｍ）を、ＳＥＭ(日本電子社製、型式ＪＳＭ−６６１０ＬＶ)を用いて７５００倍で観察し、各ＳＥＭ画像における気孔の占有面積率を算術平均することによって、シール膜における気孔率を算出した。外周領域をＳＥＭで観察した１０スポットは、外周領域を周方向に１１等分する位置に設定し、内部領域２２Ｓ及びシール膜３それぞれをＳＥＭで観察した１０スポットは、外周領域をＳＥＭで観察した１０スポットと厚み方向に隣接する位置に設定した。また、同様の手法によって、内部領域及び外周領域それぞれの平均気孔率を算出した。気孔率の算出結果を表１にまとめて示す。
シール膜の断面上の１０スポット（観察範囲１２μｍ×９μｍ）を、ＳＥＭ(日本電子社製、型式ＪＳＭ−６６１０ＬＶ)を用いて７５００倍で観察し、各ＳＥＭ画像における気孔の占有面積率を算術平均することによって、シール膜における気孔率を算出した。外周領域をＳＥＭで観察した１０スポットは、外周領域を周方向に１１等分する位置に設定し、内部領域２２Ｓ及びシール膜３それぞれをＳＥＭで観察した１０スポットは、外周領域をＳＥＭで観察した１０スポットと厚み方向に隣接する位置に設定した。また、同様の手法によって、内部領域及び外周領域それぞれの平均気孔率を算出した。気孔率の算出結果を表１にまとめて示す。
（燃料電池の熱サイクル試験）
サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．１３について熱サイクル試験を行った。
サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．１３について熱サイクル試験を行った。
具体的には、まず、常温から７５０℃まで９０分かけて昇温した後、７５０℃に維持した状態で４％水素ガス（Ａｒガスに対して４％の水素ガス）を燃料極側に供給することで還元処理を行った。
そして、燃料電池の初期出力を測定した。次に、４％水素ガスの供給を継続して還元雰囲気を維持しながら１００℃以下になるまで降温した。そして、昇温工程と降温工程を１サイクルとして、２０サイクル繰り返した。
その後、シール膜と支持基板の断面を顕微鏡で観察することによって、シール膜におけるクラックの有無を確認した。確認結果を表１にまとめて示す。表１では、１０視野において１０μｍ以上のクラックが３個以上だったサンプルが×と評価され、クラックが１個以上２個以下だったサンプルが○、クラックが無かった（０個であった）サンプルは◎と評価されている。
表１に示すように、相対的に気孔率の高い外周領域をシール膜と内部領域との間に介挿させたサンプルＮｏ．１〜１０では、シール膜にクラックが発生することを抑制できた。これは、相対的にヤング率の小さい外周領域をシール膜と内部領域の間に介挿させることによって、燃料電池の稼働時に、シール膜と支持基板の熱膨張率差に起因する熱応力がシール膜に生じることを抑制できたためである。
特に、外周領域２１の平均気孔率を内部領域２２の平均気孔率よりも５ポイント以上大きくしたサンプルＮｏ．１〜７では、クラック発生を０にすることができた。
１ 燃料電池
２ 支持基板
２１ 内部領域
２２ 外周領域
２ａ ガス流路
Ｓ１ 第１主面
Ｓ２ 第２主面
Ｓ３ 第１側面
Ｓ４ 第２側面
３ シール膜
４ 燃料極
５ 固体電解質層
６ 反応防止層
７ 空気極
８ 空気極集電層
１０ 発電部
２０ インターコネクタ
２ 支持基板
２１ 内部領域
２２ 外周領域
２ａ ガス流路
Ｓ１ 第１主面
Ｓ２ 第２主面
Ｓ３ 第１側面
Ｓ４ 第２側面
３ シール膜
４ 燃料極
５ 固体電解質層
６ 反応防止層
７ 空気極
８ 空気極集電層
１０ 発電部
２０ インターコネクタ
Claims (1)
- 絶縁性かつ多孔質の支持基板と、
前記支持基板上に配置される発電部と、
前記支持基板の外表面を覆う緻密質のシール膜と、
を備え、
前記支持基板は、前記シール膜との界面から１０μｍ以内の外周領域と、前記界面から１０μｍ超の内部領域とを有し、
前記外周領域の平均気孔率は、前記内部領域の平均気孔率よりも大きく、
前記内部領域の平均気孔率は、前記シール膜の平均気孔率よりも大きい、
電気化学セル。
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|---|---|---|---|---|
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