JP2017204347A - Electrochemical reaction single cell, and method for manufacturing electrochemical reaction single cell - Google Patents
Electrochemical reaction single cell, and method for manufacturing electrochemical reaction single cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP2017204347A JP2017204347A JP2016094242A JP2016094242A JP2017204347A JP 2017204347 A JP2017204347 A JP 2017204347A JP 2016094242 A JP2016094242 A JP 2016094242A JP 2016094242 A JP2016094242 A JP 2016094242A JP 2017204347 A JP2017204347 A JP 2017204347A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- single cell
- electrochemical reaction
- support
- electrolyte layer
- air electrode
- 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.)
- Pending
Links
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
- Fuel Cell (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Abstract
Description
本明細書によって開示される技術は、電気化学反応単セルに関する。 The technology disclosed by the present specification relates to an electrochemical reaction unit cell.
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の1つとして、固体酸化物を含む電解質層を備える固体酸化物形の燃料電池(以下、「SOFC」という)が知られている。SOFCの構成単位である燃料電池単セル(以下、「単セル」という)として、燃料極として機能する筒状の支持体と、支持体の内表面側に配置された筒状の電解質層と、電解質層の内表面側に配置された筒状の空気極とを備える構成の単セル(以下、「チューブ型単セル」という)が知られている(例えば、特許文献1参照)。チューブ型単セルでは、チューブ型単セルの外側に燃料ガスが供給され、チューブ型単セルの中空空間に酸化剤ガスが供給され、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応により電気エネルギーが生成される。 One type of fuel cell that generates electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen is a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOFC”) having an electrolyte layer containing a solid oxide. It has been. As a fuel cell single cell (hereinafter referred to as “single cell”) that is a constituent unit of SOFC, a cylindrical support functioning as a fuel electrode, a cylindrical electrolyte layer disposed on the inner surface side of the support, A single cell (hereinafter referred to as “tube type single cell”) having a cylindrical air electrode disposed on the inner surface side of an electrolyte layer is known (for example, see Patent Document 1). In the tube type single cell, fuel gas is supplied to the outside of the tube type single cell, oxidant gas is supplied to the hollow space of the tube type single cell, and hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidant gas are mixed. Electrical energy is generated by the electrochemical reaction.
上述した構成のチューブ型単セルでは、チューブ型単セルの外側に供給された燃料ガスを支持体(燃料極)内に進入・拡散させるため、支持体の気孔率を高くする必要がある。そのため、チューブ型単セルの支持体の強度を十分に高くすることができないという問題がある。このような問題のため、例えば、チューブ型単セルに酸化剤ガスの供給・排出用の配管を接続するための継手が取り付けられる構成では、取り付け部分の締め付け力を十分に大きくできずにガス漏れが発生したり、継手の取り付け箇所に生ずる応力に耐えられずに支持体が折損したりするおそれがある。また、例えば、複数のチューブ型単セルをまとめてスタック構成とするため、複数の穴が形成された板状部材の各穴にチューブ型単セルが挿入された状態で板状部材と各チューブ型単セルとを接合する場合に、接合箇所に生ずる応力に耐えられずに支持体が折損するおそれがある。 In the tube-type single cell having the above-described configuration, the fuel gas supplied to the outside of the tube-type single cell enters and diffuses into the support (fuel electrode). Therefore, it is necessary to increase the porosity of the support. Therefore, there exists a problem that the intensity | strength of the support body of a tube type single cell cannot fully be made high. Due to such problems, for example, in a configuration in which a joint for connecting a pipe for supplying and discharging oxidant gas to a tube type single cell is attached, the tightening force of the attachment portion cannot be increased sufficiently, and gas leakage occurs. May occur, or the support may be broken without being able to withstand the stress generated at the joint mounting location. Also, for example, in order to collect a plurality of tube-type single cells into a stack configuration, the plate-like member and each tube type with the tube-type single cell inserted into each hole of the plate-like member formed with a plurality of holes. When joining with a single cell, there exists a possibility that a support body may be broken without being able to endure the stress which arises in a joining location.
なお、このような課題は、SOFCの単セルに限らず、他のタイプの燃料電池(金属−空気電池システムを含む)の単セルにも共通の課題である。また、このような課題は、燃料電池単セル限らず、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う電解セルの構成単位である電解単セルにも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて電気化学反応単セルという。 Such a problem is not limited to the SOFC single cell, but is common to other types of fuel cells (including metal-air battery systems). Such a problem is not limited to a single fuel cell, but is also common to electrolytic single cells that are constituent units of electrolytic cells that generate hydrogen using an electrolysis reaction of water. In this specification, the fuel cell unit cell and the electrolysis unit cell are collectively referred to as an electrochemical reaction unit cell.
本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。 In this specification, the technique which can solve the subject mentioned above is disclosed.
本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。 The technology disclosed in the present specification can be realized as, for example, the following forms.
(1)本明細書に開示される電気化学反応単セルは、電気化学反応単セルにおいて、第1の方向に延びる両端開放の筒状であり、ガス透過性および導電性を有する多孔質部分と、前記第1の方向において前記多孔質部分と並ぶように配置され、前記多孔質部分より気孔率が低い緻密部分と、を含み、燃料極として機能する支持体と、前記支持体の内表面側に配置され、前記第1の方向に延びる筒状であり、前記多孔質部分より気孔率が低い電解質層と、前記電解質層の内表面側に配置され、前記第1の方向に延びる筒状であり、前記電解質層より気孔率が高い空気極と、を備える。本電気化学反応単セルによれば、多孔質部分の存在により支持体のガス透過性を維持しつつ、継手等との接合を緻密部分において行うことにより、ガス漏れや支持体の折損の発生を抑制することができる。 (1) The electrochemical reaction unit cell disclosed in the present specification is an electrochemical reaction unit cell having a cylindrical shape with both ends open in the first direction and having gas permeability and conductivity. A support portion that is arranged to be aligned with the porous portion in the first direction and has a lower porosity than the porous portion, and functions as a fuel electrode, and an inner surface side of the support portion An electrolyte layer having a lower porosity than the porous portion, and a cylindrical shape that is disposed on the inner surface side of the electrolyte layer and extends in the first direction. And an air electrode having a higher porosity than the electrolyte layer. According to the present electrochemical reaction single cell, the gas permeability of the support is maintained by the presence of the porous portion, and joining with a joint or the like is performed in the dense portion, thereby causing gas leakage or breakage of the support. Can be suppressed.
(2)上記電気化学反応単セルにおいて、前記支持体は、さらに、前記第1の方向において前記多孔質部分と前記緻密部分との間に配置され、前記多孔質部分より気孔率が低く、かつ、前記緻密部分より気孔率が高い中間部分を含む構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、中間部分の存在により、多孔質部分の気孔率を高く維持したまま、多孔質部分と緻密部分との間の気孔率傾斜を緩和することができ、支持体を構成する各部分の界面での折損の発生を抑制することができる。 (2) In the electrochemical reaction single cell, the support is further disposed between the porous portion and the dense portion in the first direction, and has a lower porosity than the porous portion, and The intermediate portion may have a higher porosity than the dense portion. According to the present electrochemical reaction single cell, the presence of the intermediate portion can alleviate the porosity gradient between the porous portion and the dense portion while maintaining the porosity of the porous portion high, and the support It is possible to suppress the occurrence of breakage at the interface of each part constituting the.
(3)上記電気化学反応単セルにおいて、前記多孔質部分の形成材料と前記緻密部分の形成材料と前記中間部分の形成材料とは、同一組成である構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、支持体を構成する各部分の熱膨張率を等しくすることができ、焼成時や運転時等における各部分間の熱膨張差による支持体の折損の発生を抑制することができる。 (3) In the electrochemical reaction single cell, the formation material of the porous portion, the formation material of the dense portion, and the formation material of the intermediate portion may have the same composition. According to the present electrochemical reaction single cell, the thermal expansion coefficient of each part constituting the support can be made equal, and the breakage of the support due to the difference in thermal expansion between each part during firing or operation can be prevented. Can be suppressed.
(4)上記電気化学反応単セルにおいて、前記緻密部分は、前記第1の方向における前記支持体の少なくとも一方の端に配置されている構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、継手等との接合を支持体の両端に配置された緻密部分において行うことにより、継手等の配置の最適化を実現しつつ、ガス漏れや支持体の折損の発生を抑制することができる。 (4) In the electrochemical reaction single cell, the dense portion may be arranged at at least one end of the support in the first direction. According to this electrochemical reaction single cell, gas leakage and breakage of the support are achieved while optimizing the arrangement of the joints, etc., by performing bonding with the joints, etc., in the dense portions arranged at both ends of the support. Can be suppressed.
(5)上記電気化学反応単セルにおいて、前記緻密部分は、導電性を有する構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、支持体の端部の折損の発生を抑制しつつ支持体の導通部分の面積を確保することができ、また、支持体の両端に配置された導電性を有する緻密部分から容易に端子取り出しを行うことができ、構成の簡素化、装置の小型化を実現することができる。 (5) In the electrochemical reaction single cell, the dense portion may be configured to have conductivity. According to the present electrochemical reaction single cell, the area of the conductive portion of the support can be secured while suppressing the occurrence of breakage of the end of the support, and the conductivity disposed at both ends of the support can be secured. The terminal can be easily taken out from the dense part, and the structure can be simplified and the apparatus can be downsized.
(6)上記電気化学反応単セルにおいて、前記第1の方向において、前記電解質層の一端は、前記支持体の一端と同じ位置であるか、前記支持体の一端より他端側に位置しており、前記空気極の一端は、前記電解質層の一端より他端側に位置している構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、導電性を有する緻密部分と空気極との間の距離を確保して、両者の間の短絡の発生を抑制することができる。 (6) In the above electrochemical reaction unit cell, in the first direction, one end of the electrolyte layer is located at the same position as one end of the support or on the other end side from one end of the support. The one end of the air electrode may be located on the other end side from the one end of the electrolyte layer. According to the present electrochemical reaction single cell, the distance between the dense portion having conductivity and the air electrode can be secured, and the occurrence of a short circuit between them can be suppressed.
(7)上記電気化学反応単セルにおいて、さらに、前記電解質層の内表面側、かつ、前記空気極の外表面側に配置され、前記電解質層より気孔率が高く、前記第1の方向に延びる筒状の中間層を備える構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、電解質層と空気極とを多孔質な中間層を介して接合することができ、比較的緻密な電解質層と比較的多孔質な空気極とが接する構成と比較して、電解質層と空気極との接合性を向上させることができる。 (7) In the above electrochemical reaction single cell, it is further disposed on the inner surface side of the electrolyte layer and on the outer surface side of the air electrode, has a higher porosity than the electrolyte layer, and extends in the first direction. It is good also as a structure provided with a cylindrical intermediate | middle layer. According to this electrochemical reaction single cell, the electrolyte layer and the air electrode can be joined via the porous intermediate layer, and the relatively dense electrolyte layer and the relatively porous air electrode are in contact with each other. In comparison, the bondability between the electrolyte layer and the air electrode can be improved.
(8)上記電気化学反応単セルにおいて、前記中間層は、前記電解質層を構成する材料と前記空気極を構成する材料との混合材料により形成されている構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、電解質層と空気極との熱膨張率差を緩和することができ、焼成時や運転時等における熱膨張差による層間剥離の発生を抑制することができる。 (8) In the electrochemical reaction single cell, the intermediate layer may be formed of a mixed material of a material constituting the electrolyte layer and a material constituting the air electrode. According to this electrochemical reaction single cell, the difference in thermal expansion coefficient between the electrolyte layer and the air electrode can be reduced, and the occurrence of delamination due to the difference in thermal expansion during firing or operation can be suppressed.
(9)上記電気化学反応単セルにおいて、前記電解質層は、YSZと、ScSZと、GDCと、LSGMと、の少なくとも1つにより形成されている構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、電気化学反応の反応性を向上させることができる。 (9) In the electrochemical reaction single cell, the electrolyte layer may be formed of at least one of YSZ, ScSZ, GDC, and LSGM. According to the present electrochemical reaction single cell, the reactivity of the electrochemical reaction can be improved.
(10)上記電気化学反応単セルにおいて、前記多孔質部分は、NiとYSZとの混合物と、NiとGDCとの混合物と、の少なくとも1つにより形成されている構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、電気化学反応の反応性を向上させることができる。 (10) In the electrochemical reaction single cell, the porous portion may be formed of at least one of a mixture of Ni and YSZ and a mixture of Ni and GDC. According to the present electrochemical reaction single cell, the reactivity of the electrochemical reaction can be improved.
(11)本明細書に開示される電気化学反応単セルの製造方法は、第1の方向に延びる両端開放の筒状であり、ガス透過性および導電性を有する多孔質部分と、前記第1の方向において前記多孔質部分と並ぶように配置され、前記多孔質部分より気孔率が低い緻密部分と、を含み、燃料極として機能する支持体と、前記支持体の内表面側に配置され、前記第1の方向に延びる筒状であり、前記多孔質部分より気孔率が低い電解質層と、前記電解質層の内表面側に配置され、前記第1の方向に延びる筒状であり、前記電解質層より気孔率が高い空気極と、を備える電気化学反応単セルの製造方法において、前記支持体の形成材料と前記電解質層の形成材料とを同時焼成することにより前記支持体と前記電解質層との第1の接合体を作製する第1の焼成工程と、前記第1の接合体における内表面側に前記空気極の形成材料を配置して焼成することにより前記第1の接合体と前記空気極との第2の接合体を作製する第2の焼成工程と、を備える。本電気化学反応単セルの製造方法によれば、空気極を、支持体と電解質層とを同時焼成する第1の焼成工程とは別の第2の焼成工程で作製することにより、空気極の気孔率が過度に低くなることを抑制することができるため、空気極におけるガス透過性の低下を抑制できると共に、三層界面の減少を抑制することができる。 (11) The method for producing an electrochemical reaction single cell disclosed in the present specification is a cylindrical shape having open ends extending in a first direction, and has a porous portion having gas permeability and conductivity, and the first portion. A dense portion having a lower porosity than the porous portion, and a support functioning as a fuel electrode, disposed on the inner surface side of the support, A cylindrical shape extending in the first direction, having a lower porosity than the porous portion; and a cylindrical shape disposed on an inner surface side of the electrolyte layer and extending in the first direction; In the method for producing an electrochemical reaction single cell comprising an air electrode having a higher porosity than the layer, the support and the electrolyte layer are formed by simultaneously firing the material for forming the support and the material for forming the electrolyte layer. First to produce the first joined body A firing step and a second joined body of the first joined body and the air electrode are produced by disposing and firing the air electrode forming material on the inner surface side of the first joined body. 2 firing steps. According to the method for producing an electrochemical reaction single cell, the air electrode is produced in a second firing step different from the first firing step in which the support and the electrolyte layer are simultaneously fired. Since it can suppress that a porosity becomes low too much, while being able to suppress the fall of the gas permeability in an air electrode, the reduction | decrease of a three-layer interface can be suppressed.
(12)上記電気化学反応単セルの製造方法において、前記第2の焼成工程は、ディップコート法により、前記第1の接合体における内表面側に前記空気極の形成材料を塗布する工程を含み、前記製造方法は、さらに、前記第2の焼成工程の後に、前記第1の方向における前記第2の接合体の端部を削除して、前記第1の方向における前記支持体の端の位置と前記空気極の端の位置とを揃える削除工程を備える構成としてもよい。本電気化学反応単セルの製造方法によれば、製造される単セルの容量の低下を抑制しつつ、第1の方向における単セルの寸法を小さくすることができる。 (12) In the method for manufacturing an electrochemical reaction single cell, the second baking step includes a step of applying the air electrode forming material to the inner surface side of the first bonded body by a dip coating method. In the manufacturing method, after the second baking step, the end of the second bonded body in the first direction is deleted, and the position of the end of the support in the first direction is deleted. It is good also as a structure provided with the deletion process which arranges and the position of the end of the air electrode. According to the method for producing an electrochemical reaction single cell, the size of the single cell in the first direction can be reduced while suppressing a decrease in the capacity of the produced single cell.
(13)上記電気化学反応単セルの製造方法において、前記第1の接合体は、前記支持体の形成材料と前記電解質層の形成材料に加えて、前記電解質層より気孔率が高い中間層の形成材料を同時焼成することにより形成される前記支持体と前記電解質層と前記中間層との接合体であり、前記第2の焼成工程は、ディップコート法により、前記支持体と前記電解質層と前記中間層との接合体における内表面側に前記空気極の形成材料を塗布する工程を含むことを特徴とする構成としてもよい。本電気化学反応単セルの製造方法によれば、比較的多孔質な中間層の存在により、ディップコートの際の空気極の形成材料の塗布性を向上させることができる。 (13) In the method for producing an electrochemical reaction single cell, the first bonded body includes an intermediate layer having a higher porosity than the electrolyte layer, in addition to the material for forming the support and the material for forming the electrolyte layer. It is a joined body of the support, the electrolyte layer, and the intermediate layer formed by simultaneously firing the forming material, and the second firing step is performed by the dip coating method, and the support, the electrolyte layer, It is good also as a structure including the process of apply | coating the formation material of the said air electrode to the inner surface side in a joined body with the said intermediate | middle layer. According to the method for producing an electrochemical reaction single cell, the presence of the relatively porous intermediate layer can improve the applicability of the air electrode forming material during dip coating.
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気化学反応単セル(燃料電池単セルまたは電解単セル)、複数の電気化学反応単セルを備える電気化学反応セルスタック(燃料電池スタックまたは電解セルスタック)、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。 The technology disclosed in this specification can be realized in various forms. For example, an electrochemical reaction single cell (fuel cell single cell or electrolytic single cell), a plurality of electrochemical reaction single cells It can be realized in the form of an electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolytic cell stack), a manufacturing method thereof, and the like.
A.実施形態:
A−1.構成:
(燃料電池単セルモジュール102の構成)
図1は、本実施形態における燃料電池単セルモジュール(以下、「単セルモジュール」という)102の外観構成を示す説明図であり、図2は、本実施形態における単セルモジュール102の断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、単セルモジュール102は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図3以降についても同様である。Z軸方向(上下方向)は、特許請求の範囲における第1の方向に相当する。
A. Embodiment:
A-1. Constitution:
(Configuration of fuel cell single cell module 102)
FIG. 1 is an explanatory view showing an external configuration of a fuel cell single cell module (hereinafter referred to as “single cell module”) 102 in the present embodiment, and FIG. 2 shows a cross-sectional configuration of the
単セルモジュール102は、燃料電池単セル(以下、「単セル」という)110と、単セル110の両端付近に取り付けられた接続部材200とを備える。単セルモジュール102は、例えば、Z軸方向に互いに対向する2枚の金属板310の間に固定されて使用される。具体的には、単セルモジュール102の下側の接続部材200が下側の金属板310に固定され、上側の接続部材200が上側の金属板310に固定される。2枚の金属板310の間には、1つの単セルモジュール102が設置されるとしてもよいし、複数の単セルモジュール102が設置されるとしてもよい。なお、2枚の金属板310の間の空間は、燃料ガスFG(例えば都市ガスを改質した水素リッチなガス)が流れる燃料ガス流路176を構成している。
The
(単セル110の構成)
図3は、本実施形態における単セル110の断面構成を示す説明図である。また、図4は、本実施形態における単セル110および接続部材200の断面構成を示す説明図である。図3には、図2のIII−IIIの位置における単セル110のXY断面構成が示されており、図4には、図2のX1部の断面構成が拡大して示されている。
(Configuration of single cell 110)
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a cross-sectional configuration of the
単セル110は、全体として略円筒状(チューブ状)の外観構成を有しており、支持体116と、電解質層112と、中間層113と、空気極層114とを備える。支持体116と電解質層112と中間層113と空気極層114とは、いずれも、Z軸方向に延びる両端開放の略円筒形状である。支持体116は、単セル110の最外側に配置され、電解質層112は、支持体116の内表面側に配置され、空気極層114は、電解質層112の内表面側に配置されている。中間層113は、電解質層112の内表面側、かつ、空気極層114の外表面側(すなわち、電解質層112と空気極層114との間)に配置されている。
The
支持体116は、単セル110を構成する他の層(電解質層112、中間層113、空気極層114)を支持すると共に、燃料極として機能する層である。支持体116は、いずれも略円筒状の部分である多孔質部分116aと、緻密部分116bと、中間部分116cとから構成されている。多孔質部分116aは、Z軸方向における支持体116の中央付近を構成し、緻密部分116bは、支持体116の両端付近を構成し、中間部分116cは、多孔質部分116aと各緻密部分116bとの間の部分を構成している。すなわち、多孔質部分116aと緻密部分116bと中間部分116cとは、Z軸方向において互いに並ぶように配置されている。
The
本実施形態では、支持体116の多孔質部分116aと緻密部分116bと中間部分116cとは、同一組成の材料、具体的には、NiとYSZとの混合物とNiとGDCとの混合物との少なくとも1つにより形成されている。支持体116の多孔質部分116aと緻密部分116bと中間部分116cとは、いずれもNiを含むため、導電性を有する。
In the present embodiment, the
支持体116の多孔質部分116aと緻密部分116bと中間部分116cとは、気孔率が互いに異なる。多孔質部分116aの気孔率は、例えば約40〜60%であり、緻密部分116bの気孔率は、例えば約0〜5%であり、中間部分116cの気孔率は、例えば約10〜20%である。すなわち、緻密部分116bの気孔率は、多孔質部分116aの気孔率より低い。多孔質部分116aはガス透過性を有する一方、緻密部分116bはガス透過性を有さない。また、中間部分116cの気孔率は、多孔質部分116aの気孔率より低く、かつ、緻密部分116bの気孔率より高い。中間部分116cはガス透過性を有するが、ガス透過性の程度は多孔質部分116aのガス透過性の程度より低い。なお、支持体116を構成する各部分の内、互いに隣接する2つの部分の気孔率の差は、20%以下であることが好ましい。また、多孔質部分116aの気孔率は、ある程度のガス透過性を確保するため40%以上であることが好ましく、ある程度の構造的強度を確保するため60%以下であることが好ましい。
The
電解質層112は、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)と、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)と、GDC(ガドリニウムドープセリア)と、LSGM(ランタンストロンチウムガリウムマグネシウム)との少なくとも1つにより形成されている。このように、本実施形態の単セル110は、電解質としてこれらの固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。電解質層112の気孔率は、支持体116の多孔質部分116aの気孔率より低い。すなわち、電解質層112は、比較的緻密な層である。
The
空気極層114は、例えば、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄)、LSM(ランタンストロンチウムマンガン)、LNF(ランタンニッケル鉄)等)により形成されている。空気極層114の気孔率は、電解質層112の気孔率より高い。すなわち、空気極層114は、比較的多孔質な層である。空気極層114の内表面が面する空間(単セル110の中空空間)は、酸化剤ガスOG(例えば空気)が流れる酸化剤ガス流路166を構成している。
The
中間層113は、上述した電解質層112を構成する材料と、上述した空気極層114を構成する材料との混合材料(例えば、YSZとLSMとの混合材料)により形成されている。中間層113の気孔率は、電解質層112の気孔率より高い。すなわち、中間層113は、比較的多孔質な層である。
The
図2および図4に示すように、本実施形態では、単セル110を構成する各層のZ方向の長さは、支持体116が最も長く、電解質層112および中間層113が次に長く、空気極層114が最も短い。すなわち、図4に示すように、電解質層112および中間層113の下端は、支持体116の下端より上端側に位置しており、空気極層114の下端は、電解質層112の下端より上端側に位置している。単セル110の上端側の構成についても同様である。
As shown in FIGS. 2 and 4, in this embodiment, the length of each layer constituting the
(接続部材200の構成)
図1および図2に示すように、各接続部材200は、単セル110を金属板310に固定すると共に、単セル110に酸化剤ガス配管320(酸化剤ガス供給配管320iおよび酸化剤ガス排出配管320o)を接続するための部材である。以下、図4を参照して、下側(酸化剤ガス供給配管320iが接続される側)の接続部材200の構成について説明する。上側の接続部材200の構成も同様である。
(Configuration of connecting member 200)
As shown in FIGS. 1 and 2, each connecting
図4に示すように、接続部材200は、継手金具210と、ガスシール複合体240と、押圧金具230と、固定金具220とを備えている。
As shown in FIG. 4, the connecting
継手金具210は、単セル110に酸化剤ガス配管320(酸化剤ガス供給配管320i)を接続するための継手であり、例えばSUS316等の金属により形成されている。継手金具210は、鍔部213と、鍔部213から上方に延びる略円筒状の第1筒状部211と、鍔部213から下方に延びる略円筒状の第2筒状部212とを備える。第1筒状部211および第2筒状部212の外周面には、ねじが形成されている。第1筒状部211の中空空間には、単セル110の端部が鍔部213に当接する状態で挿入されている。なお、単セル110の端部が鍔部213に接していなくてもよい。第2筒状部212には、酸化剤ガス供給配管320iが螺号している。これにより、酸化剤ガス供給配管320iの内部空間は、継手金具210の内部空間を介して、単セル110の中空空間により構成される酸化剤ガス流路166と連通する。また、継手金具210は、鍔部213の部分において金属板310に固定されている。
The
ガスシール複合体240は、酸化剤ガスOGが流れる空間と燃料ガスFGが流れる空間との間をシールするための部材であり、単セル110の端部(支持体116が緻密部分116bにより構成された部分)の外周面と、継手金具210の第1筒状部211の内周面との間の空間に配置されている。ガスシール複合体240は、単セル110の端部の外周側に嵌められた環状の第1および第2ガスケット部材241,242と、第1および第2ガスケット部材241,242の間に配置された環状のガラスシール部243とから構成されている。第1および第2ガスケット部材241,242は、例えば膨張黒鉛により形成された耐熱性のガスケット部材である。第2ガスケット部材242は、継手金具210の鍔部213に当接するように配置され、第1ガスケット部材241は、ガラスシール部243を挟んで第2ガスケット部材242の上方に配置されている。また、ガラスシール部243は、例えばホウ珪酸ガラスにより形成されており、単セル110が使用される環境温度(例えば550〜1000℃)において、軟化して周囲に密着し、第1および第2ガスケット部材241,242と共にガスシール機能を発揮する。
The
押圧金具230は、ガスシール複合体240を押圧するための略円筒状の部材であり、例えばSUS316等の金属により形成されている。押圧金具230は、単セル110の端部の外周側に嵌められ、ガスシール複合体240の上端(第1ガスケット部材241の上端)に当接している。
The
固定金具220は、接続部材200を固定するための筒状部材であり、例えばSUS316等の金属により形成されている。固定金具220は、略円筒状の押圧板221と、押圧板221の外周端から下方に延びる筒状部222とを備えている。押圧板221の下面は、押圧金具230の上面に当接している。また、筒状部222の内周面には、ねじが形成されている。固定金具220の筒状部222の内周面のねじと、継手金具210の第1筒状部211の外周面のねじとを螺合させて締め付けると、押圧板221が押圧金具230を下方に押圧し、押圧金具230がガスシール複合体240を下方に押圧する。これにより、ガスシール複合体240を構成する第1および第2ガスケット部材241,242が圧縮され、ガスシール複合体240のガスシール性が確保される。
The fixing
A−2.単セルモジュール102の動作:
図1および図2に示すように、2枚の金属板310により区画された燃料ガス流路176に燃料ガスFGが供給されると、供給された燃料ガスFGは、単セル110の最外側に配置された多孔質の支持体116(主として支持体116の多孔質部分116a)内に進入して拡散する。また、酸化剤ガス供給配管320iから単セル110の中空空間により構成される酸化剤ガス流路166に酸化剤ガスOGが供給されると、供給された酸化剤ガスOGは、単セル110の最内側に配置された多孔質の空気極層114(およびそれに隣接する多孔質の中間層113)内に進入して拡散する。このような燃料ガスFGおよび酸化剤ガスOGの供給を行いつつ、単セル110を所定の温度(例えば550℃〜1000℃程度)まで加熱すると、燃料ガスFGに含まれる水素と酸化剤ガスOGに含まれる酸素との電気化学反応により電気エネルギーが生成される。単セル110において生成された電気エネルギーは、支持体116と空気極層114とを接続する外部回路により取り出される。なお、酸化剤ガス流路166を通過した酸化剤ガスOGは、酸化剤ガス排出配管320oに排出される。
A-2. Operation of the single cell module 102:
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, when the fuel gas FG is supplied to the fuel
A−3.単セルモジュール102の製造方法:
次に、単セルモジュール102の製造方法について説明する。図5は、本実施形態における単セルモジュール102の製造方法を示すフローチャートである。はじめに、支持体116を構成する各部分(多孔質部分116a、緻密部分116b、中間部分116c)を形成するための材料を準備する(S102)。本実施形態では、支持体116を構成する各部分を形成するための材料は、同一組成の材料(例えばNiOとYSZとの60:40wt%の混合物)である。ただし、支持体116を構成する各部分を形成するための材料は、造孔材(例えば有機ビーズ)の添加量が互いに異なる。多孔質部分116aを形成するための材料には、比較的多い量の(例えば20wt%)造孔材が添加され、中間部分116cを形成するための材料には、比較的少ない量の(例えば5wt%)造孔材が添加され、緻密部分116bを形成するための材料には、造孔材が添加されない(または、中間部分116cより少ない量の造孔材が添加される)。
A-3. Manufacturing method of the single cell module 102:
Next, a method for manufacturing the
次に、支持体116の各部分を形成するための材料を順にゴム型枠に充填して加圧することにより、支持体成形体60を作製する(S104)。図6は、支持体成形体60の作製方法を示す説明図である。支持体成形体60の作製の際には、図6(a)に示すように、平板状の基台51の上にゴム型53が配置されたゴム型枠が用いられる。ゴム型53には、支持体116の外形に対応した略中空円柱状の内部孔55が形成されており、内部孔55内には、支持体116の中空空間の形状に対応した略円柱状の中心ピン57が配置されている。これにより、内部孔55の内周面と中心ピン57の外周面との間に、略中空円筒状の型枠孔59が形成される。
Next, a support body molded
支持体成形体60の作製の際には、まず、ゴム型53の型枠孔59内に、支持体116の緻密部分116bを形成するための材料61を充填する(図6(a))。次に、型枠孔59内に、支持体116の中間部分116cを形成するための材料62を充填する(図6(b))。その後は、同様に、型枠孔59内に、支持体116の多孔質部分116aを形成するための材料63を充填し(図6(c))、次に、型枠孔59内に、支持体116の中間部分116cを形成するための材料62を再度充填し(図6(d))、次に、型枠孔59内に、支持体116の緻密部分116bを形成するための材料61を再度充填する(図6(e))。
When producing the support molded
次に、図6(f)に示すように、ゴム型53の上部に上部金型52を設置する。上部金型52の下面には略円筒状の凸部が形成されており、ゴム型53の上部に上部金型52を設置すると、上部金型52の凸部が型枠孔59内に挿入されて、型枠孔59内に充填された上側の材料61に当接する。この状態で、ゴム型53の外側から所定の圧力P(例えば100MPa)をかけてプレス成形する。このようなプレス成形により、図6(g)に示す支持体成形体60が作製される。
Next, as shown in FIG. 6 (f), the
次に、作製された支持体成形体60に対して、大気中で所定の条件(例えば、1100℃、1時間)の熱処理を行うことにより、支持体成形体60の仮焼体を作製する(S106)。
Next, the calcined body of the support molded
次に、ディップコート法により、支持体成形体60の仮焼体に、電解質層112の形成材料(例えばYSZ)のスラリーを塗布する(S108)。この際、支持体成形体60の仮焼体の外周面はマスキングテープでマスクされるため、支持体成形体60の仮焼体の内表面のみに電解質層112の形成材料のスラリーが塗布される。さらに、同様にマスクした状態でのディップコート法により、塗布された電解質層112の形成材料の内表面に、中間層113の形成材料(例えばYSZとLSMとの混合材料)のスラリーを塗布する(S110)。
Next, a slurry of a material for forming the electrolyte layer 112 (for example, YSZ) is applied to the calcined body of the support molded
次に、電解質層112および中間層113の形成材料が塗布された支持体成形体60を、大気中で所定の条件(例えば、1400℃、2時間)で焼成する(S112)。これにより、支持体116と電解質層112と中間層113との形成材料が同時焼成され、支持体116と電解質層112と中間層113とから構成される接合体(以下、「第1の接合体」という)が作製される。
Next, the support molded
次に、第1の接合体の外周面をマスクした状態でのディップコート法により、第1の接合体の内表面に、空気極層114の形成材料(例えばLSM)のスラリーを塗布する(S114)。次に、空気極層114の形成材料が塗布された第1の接合体を、大気中で所定の条件(例えば、1200℃、2時間)で焼成する(S116)。これにより、空気極層114の形成材料が焼成され、第1の接合体と空気極層114とから構成される接合体(以下、「第2の接合体」という)、すなわち単セル110が作製される。
Next, a slurry of a material for forming the air electrode layer 114 (for example, LSM) is applied to the inner surface of the first bonded body by a dip coating method with the outer peripheral surface of the first bonded body masked (S114). ). Next, the first bonded body to which the material for forming the
次に、単セル110の両端に、接続部材200を取り付け、窒素中で所定の条件(例えば、550℃、5時間)でガラス熱処理を行う(S118)。これにより、ガスシール複合体240によるシール性が確保され、単セル110と2つの接続部材200とから構成される単セルモジュール102の製造が完了する。
Next, the
A−4.本実施形態の効果:
以上説明したように、本実施形態の単セルモジュール102を構成する単セル110は、支持体116と、電解質層112と、空気極層114とを備える。支持体116は、Z軸方向に延びる両端開放の筒状であり、ガス透過性および導電性を有する多孔質部分116aと、Z軸方向において多孔質部分116aと並ぶように配置され、多孔質部分116aより気孔率が低い緻密部分116bとを含み、燃料極として機能する。電解質層112は、支持体116の内表面側に配置され、Z軸方向に延びる筒状であり、多孔質部分116aより気孔率が低い。空気極層114は、電解質層112の内表面側に配置され、Z軸方向に延びる筒状であり、電解質層112より気孔率が高い。このような構成の本実施形態の単セル110によれば、多孔質部分116aの存在により支持体116のガス透過性を維持しつつ、接続部材200との接合を緻密部分116bにおいて行うことにより、ガス漏れや支持体116の折損の発生を抑制することができる。
A-4. Effects of this embodiment:
As described above, the
なお、本実施形態の単セル110では、電解質層112が支持体116の内表面側に配置されるため、電解質層112が支持体116の外表面側に配置される構成と比較して、電解質層112に傷やピンホールが発生することを抑制することができ、このような傷やピンホールを原因とするクロスリークの発生を抑制することができる。
In the
また、本実施形態の単セル110では、支持体116が、さらに中間部分116cを含む。中間部分116cは、Z軸方向において多孔質部分116aと緻密部分116bとの間に配置され、多孔質部分116aより気孔率が低く、かつ、緻密部分116bより気孔率が高い。そのため、本実施形態の単セル110によれば、中間部分116cの存在により、多孔質部分116aの気孔率を高く維持したまま、多孔質部分116aと緻密部分116bとの間の気孔率傾斜を緩和することができ、支持体116を構成する各部分の界面での折損の発生を抑制することができる。
In the
また、本実施形態の単セル110では、多孔質部分116aの形成材料と緻密部分116bの形成材料と中間部分116cの形成材料とが同一組成である。そのため、本実施形態の単セル110によれば、支持体116を構成する各部分の熱膨張率を等しくすることができ、焼成時や発電運転時等における各部分間の熱膨張差による支持体116の折損の発生を抑制することができる。
In the
また、本実施形態の単セル110では、緻密部分116bが、Z軸方向における支持体116の両端に配置されている。そのため、本実施形態の単セル110によれば、酸化剤ガス配管320との接続のための接続部材200等との接合を支持体116の両端に配置された緻密部分116bにおいて行うことにより、接続部材200等の配置の最適化を実現しつつ、ガス漏れや支持体116の折損の発生を抑制することができる。
Further, in the
また、本実施形態の単セル110では、多孔質部分116aや中間部分116cに加えて、緻密部分116bも導電性を有する。そのため、本実施形態の単セル110によれば、支持体116の端部の折損の発生を抑制しつつ、支持体116の導通部分の面積を確保することができる。また、本実施形態の単セル110によれば、支持体116の両端に配置された導電性を有する緻密部分116bから容易に端子取り出しを行うことができ、構成の簡素化、装置の小型化を実現することができる。
In the
また、本実施形態の単セル110では、Z軸方向において、電解質層112の下端(または上端)は、支持体116の下端(または上端)より上端側(または下端側)に位置しており、空気極層114の下端(または上端)は、電解質層112の下端(または上端)より上端(または下端側)に位置している。そのため、本実施形態の単セル110によれば、導電性を有する緻密部分116bと空気極層114との間の距離を確保して、両者の間の短絡の発生を抑制することができる。
In the
また、本実施形態の単セル110は、さらに中間層113を備える。中間層113は、電解質層112の内表面側、かつ、空気極層114の外表面側に配置され、電解質層112より気孔率が高く、Z軸方向に延びる筒状である。そのため、本実施形態の単セル110によれば、電解質層112と空気極層114とを多孔質な中間層113を介して接合することができ、比較的緻密な電解質層112と比較的多孔質な空気極層114とが接する構成と比較して、電解質層112と空気極層114との接合性を向上させることができる。
The
また、本実施形態の単セル110では、中間層113が、電解質層112を構成する材料と空気極層114を構成する材料との混合材料により形成されている。そのため、本実施形態の単セル110によれば、電解質層112と空気極層114との熱膨張率差を緩和することができ、焼成時や発電運転時等における熱膨張差による層間剥離の発生を抑制することができる。
Further, in the
また、本実施形態の単セル110では、電解質層112は、YSZと、ScSZと、GDCと、LSGMと、の少なくとも1つにより形成されている。そのため、本実施形態の単セル110によれば、発電反応性を向上させることができる。
In the
また、本実施形態の単セル110では、多孔質部分116aは、NiとYSZとの混合物と、NiとGDCとの混合物と、の少なくとも1つにより形成されている。そのため、本実施形態の単セル110によれば、発電反応性を向上させることができる。
In the
また、本実施形態の単セルモジュール102(単セル110)の製造方法は、支持体116の形成材料と電解質層112の形成材料とを同時焼成することにより支持体116と電解質層112との第1の接合体を作製する第1の焼成工程(S112)と、第1の接合体における内表面側に空気極層114の形成材料を配置して焼成することにより第1の接合体と空気極層114との第2の接合体を作製する第2の焼成工程(S116)とを備える。そのため、本実施形態の単セルモジュール102(単セル110)の製造方法によれば、空気極層114を、支持体116と電解質層112とを同時焼成する第1の焼成工程とは別の第2の焼成工程で作製することにより、空気極層114の気孔率が過度に低くなることを抑制することができるため、空気極層114におけるガス透過性の低下を抑制できると共に、三層界面の減少を抑制することができる。
Further, in the manufacturing method of the single cell module 102 (single cell 110) of the present embodiment, the material of the
また、本実施形態の単セルモジュール102(単セル110)の製造方法では、第1の接合体は、支持体116の形成材料と電解質層112の形成材料に加えて、電解質層112より気孔率が高い中間層113の形成材料を同時焼成することにより形成される、支持体116と電解質層112と中間層113との接合体であり、第2の焼成工程は、ディップコート法により、上記第1の接合体における内表面側に空気極層114の形成材料を塗布する工程を含む。そのため、本実施形態の単セルモジュール102(単セル110)の製造方法によれば、比較的多孔質な中間層113の存在により、ディップコートの際の空気極層114の形成材料の塗布性を向上させることができる。
Further, in the manufacturing method of the single cell module 102 (single cell 110) of the present embodiment, the first bonded body has a porosity higher than that of the
A−5.性能評価:
構成が互いに異なる複数の単セルモジュールの実施例および比較例を作製し、各種性能評価を行った。以下、実施した性能評価について説明する。なお、以下の説明では、理解の容易のために、上述した実施形態と同一構成ではない構成要素に対しても同一の符号を付す場合がある。
A-5. Performance evaluation:
Examples and comparative examples of a plurality of single cell modules having different configurations were produced, and various performance evaluations were performed. Hereinafter, the performance evaluation performed will be described. In the following description, components that are not the same in configuration as the above-described embodiment may be denoted by the same reference numerals for easy understanding.
A−5−1.単セル110と接続部材200との接合箇所でのガス漏れ抑制性能の評価:
(単セルモジュール102の実施例1の作製)
支持体116の多孔質部分116a、緻密部分116b、中間部分116cの形成材料として、NiOとYSZとの60:40wt%の混合物を準備した。多孔質部分116aの形成材料には20wt%の造孔材(有機ビーズ)を添加し、中間部分116cの形成材料には5wt%の造孔材を添加し、緻密部分116bの形成材料には造孔材を添加しなかった。支持体116の各部分の形成材料を順にゴム型枠に充填して100MPaで加圧することにより、支持体成形体60を作製した(図6参照)。得られた支持体成形体60に対して大気中で1100℃1時間の熱処理を行うことにより、支持体成形体60の仮焼体を得た。得られた支持体成形体60の仮焼体の内表面に、電解質層112の形成材料であるYSZのスラリーをディップコート法により塗布した。さらに、YSZのスラリーの上に、中間層113の形成材料であるYSZとLSMとの50:50vol%の混合物に造孔材としての有機ビーズを20wt%添加した材料のスラリーをディップコート法により塗布した。その後、大気中で1400℃、2時間の焼成を行うことにより、支持体116と電解質層112と中間層113とから構成される接合体(第1の接合体)を得た。さらに、第1の接合体の内表面に、空気極層114の形成材料であるLSMのスラリーをディップコート法により塗布し、大気中で1200℃、2時間の焼成を行うことにより、単セル110を得た。得られた単セル110の両端に、膨張黒鉛製の第1,第2ガスケット部材241,242とガラスシール部243とから構成されるガスシール複合体240とSUS316により形成された継手金具210とを備える接続部材200を接合し、窒素中で550℃、5時間のガラス熱処理を行うことにより、単セルモジュール102の実施例1を得た。
A-5-1. Evaluation of Gas Leakage Suppression Performance at the Joint Location of
(Production of Example 1 of the single cell module 102)
As a material for forming the
(単セルモジュール102の比較例1の作製)
単セルモジュール102の比較例1は、上述した実施例1と比較して、支持体116全体が多孔質部分116aにより構成されている点と、ガスシール複合体240がガラスシール部243を備えず、膨張黒鉛製のガスケット部材241のみから構成される点とが異なっている。すなわち、比較例1の作製の際には、支持体116の形成材料としてNiOとYSZとの60:40wt%の混合物(20wt%の造孔材添加あり)を準備し、この材料をゴム型枠に充填して100MPaで加圧することにより支持体成形体60を作製し、支持体成形体60に対して大気中で1100℃1時間の熱処理を行うことにより支持体成形体60の仮焼体を得、支持体成形体60の仮焼体の内表面に電解質層112の形成材料であるYSZのスラリーをディップコート法により塗布し、さらにYSZのスラリーの上に中間層113の形成材料であるYSZとLSMとの50:50vol%の混合物に造孔材としての有機ビーズを20wt%添加した材料のスラリーをディップコート法により塗布し、大気中で1400℃、2時間の焼成を行うことにより第1の接合体を得、第1の接合体の内表面に空気極層114の形成材料であるLSMのスラリーをディップコート法により塗布し、大気中で1200℃、2時間の焼成を行うことにより単セル110を得た。得られた単セル110の両端に、膨張黒鉛製のガスケット部材241とSUS316により形成された継手金具210とを備える接続部材200を接合し、単セルモジュール102の比較例1を得た。なお、比較例1の単セル110の両端に、膨張黒鉛製の第1,第2ガスケット部材241,242とガラスシール部243とから構成されるガスシール複合体240を取り付けて窒素中で550℃、5時間のガラス熱処理を行うと、ガラスの溶融による圧縮応力によって単セル110(支持体116)が折損した。
(Preparation of Comparative Example 1 of the single cell module 102)
Compared with Example 1 described above, Comparative Example 1 of the
(第1のガス漏れ試験)
単セルモジュール102の実施例1および比較例1を用いて第1のガス漏れ試験を行った。各単セルモジュール102の一方の端を金属ブラインドにて封止し、もう一方の端の接続部材200の内側から約0.8MPaGの圧力でHeガスを供給し、単セルモジュール102の外側に漏れたHeガス量を石鹸膜流量計に計測した。単セルモジュール102の実施例1では、Heガス量は検出下限以下であったが、単セルモジュール102の比較例1では、1ml/minのHeガス漏れが検出された。この第1のガス漏れ試験の結果より、支持体116の緻密部分116bで接続部材200との接合を行うことにより、ガス漏れの発生を抑制できることが確認された。
(First gas leak test)
A first gas leak test was performed using Example 1 and Comparative Example 1 of the
A−5−2.クロスリーク抑制性能の評価:
(評価用モジュールの実施例2の作製)
支持体116の多孔質部分116a、緻密部分116b、中間部分116cの形成材料として、NiOとYSZとの60:40wt%の混合物を準備した。多孔質部分116aの形成材料には20wt%の造孔材(有機ビーズ)を添加し、中間部分116cの形成材料には5wt%の造孔材を添加し、緻密部分116bの形成材料には造孔材を添加しなかった。支持体116の各部分の形成材料を順にゴム型枠に充填して100MPaで加圧することにより、支持体成形体60を作製した(図6参照)。得られた支持体成形体60に対して大気中で1100℃1時間の熱処理を行うことにより、支持体成形体60の仮焼体を得た。得られた支持体成形体60の仮焼体の内表面に、電解質層112の形成材料であるYSZのスラリーをディップコート法により塗布し、焼成用セッターの上に直置きして乾燥させ、その後、大気中で1400℃、2時間の焼成を行うことにより支持体116と電解質層112とから構成される接合体を得た。得られた接合体の両端に、膨張黒鉛製のガスケット部材241とSUS316により形成された継手金具210とを備える接続部材200を接合し、評価用モジュールの実施例2を得た。
A-5-2. Evaluation of cross leak suppression performance:
(Production of Evaluation Module Example 2)
As a material for forming the
(評価用モジュールの比較例2の作製)
評価用モジュールの比較例2は、上述した実施例2と比較して、支持体116全体が多孔質部分116aにより構成されている点と、支持体116の内表面側ではなく外表面側に電解質層112が形成されている点とが異なっている。すなわち、比較例2の作製の際には、支持体116の形成材料としてNiOとYSZとの60:40wt%の混合物(20wt%の造孔材添加あり)を準備し、この材料をゴム型枠に充填して100MPaで加圧することにより支持体成形体60を作製し、支持体成形体60に対して大気中で1100℃1時間の熱処理を行うことにより、支持体成形体60の仮焼体を得、支持体成形体60の仮焼体の外表面に電解質層112の形成材料であるYSZのスラリーをディップコート法により塗布し、焼成用セッターの上に直置きして乾燥させ、その後、大気中で1400℃、2時間の焼成を行うことにより支持体116と電解質層112とから構成される接合体を得、接合体の両端に、膨張黒鉛製のガスケット部材241とSUS316により形成された継手金具210とを備える接続部材200を接合し、評価用モジュールの比較例2を得た。
(Production of Evaluation Module Comparative Example 2)
In Comparative Example 2 of the evaluation module, compared to Example 2 described above, the electrolyte is not formed on the inner surface side but on the outer surface side of the
(第2のガス漏れ試験)
評価用モジュールの実施例2および比較例2を用いて第2のガス漏れ試験を行った。各評価用モジュールの一方の端を金属ブラインドにて封止し、もう一方の端の接続部材200の内側から約0.8MPaGの圧力でHeガスを供給し、評価用モジュールの外側に漏れたHeガス量を石鹸膜流量計に計測した。評価用モジュールの実施例2では、Heガス量は検出下限以下であったが、評価用モジュールの比較例2では、10ml/min程度のHeガス漏れが検出された。ガス漏れした箇所を特定するために、赤インクの入った水に評価用モジュールの比較例2を浸したところ、電解質層112の表面に赤インクの染み込みが数箇所確認された。評価用モジュールの比較例2では、支持体116の外表面側に電解質層112が形成されているため、電解質層112に傷やピンホールが発生したものと考えられる。このような電解質層112の傷やピンホールは、クロスリークの原因になるため好ましくない。一方、評価用モジュールの実施例2を同様に調べたところ、赤インクの染み込みが全くなく、クロスリークの原因となる電解質層112の傷やピンホールの発生が抑制されていることが確認された。この第2のガス漏れ試験の結果より、電解質層112を支持体116の内表面側に形成することにより、クロスリークの発生を抑制できることが確認された。
(Second gas leak test)
A second gas leak test was performed using the evaluation module of Example 2 and Comparative Example 2. One end of each evaluation module is sealed with a metal blind, He gas is supplied at a pressure of about 0.8 MPaG from the inside of the
B.変形例:
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
B. Variations:
The technology disclosed in the present specification is not limited to the above-described embodiment, and can be modified into various forms without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
上記実施形態における単セルモジュール102の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、支持体116の緻密部分116bが導電性を有するとしているが、緻密部分116bが導電性を有しないとしてもよい。また、上記実施形態では、緻密部分116bが支持体116の両端部に配置されているが、緻密部分116bが支持体116の一方の端部のみに配置されるとしてもよいし、緻密部分116bが支持体116の端部以外の部分に配置されるとしてもよい。また、上記実施形態では、単セル110を構成する各層のZ方向の長さは、支持体116が最も長く、電解質層112および中間層113が次に長く、空気極層114が最も短いが、これらの長さの関係(これら各層の端部の位置関係)は任意に変更可能である。例えば、電解質層112および中間層113の長さが支持体116の長さと同じであってもよい。また、上記実施形態では、単セル110を構成する各層は、両端開放の略円筒形状であるとしているが、各層が片端開放形状であってもよいし、各層の断面形状が円以外の形状(例えば楕円)であってもよい。
The configuration of the
また、上記実施形態では、支持体116が中間部分116cを備えるとしているが、支持体116が中間部分116cを備えず、多孔質部分116aと緻密部分116bとから構成されているとしてもよい。また、上記実施形態では、単セル110が中間層113を備えるとしているが、単セル110が中間層113を備えず、支持体116と電解質層112と空気極層114とから構成されているとしてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the
また、上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。例えば、上記実施形態では、支持体116を構成する多孔質部分116aの形成材料と緻密部分116bの形成材料と中間部分116cの形成材料とが同一組成であるとしているが、これらの形成材料の少なくとも1つが異なる組成であってもよい。また、上記実施形態では、中間層113が電解質層112を構成する材料と空気極層114を構成する材料との混合材料により形成されるとしているが、中間層113の形成材料は任意に変更可能である。
Moreover, the material which forms each member in the said embodiment is an illustration to the last, and each member may be formed with another material. For example, in the above embodiment, the forming material of the
また、上記実施形態における単セルモジュール102の製造方法はあくまで一例であり、種々変形可能である。図7は、変形例における単セルモジュール102の製造方法の流れを示すフローチャートである。図7に示す変形例の製造方法では、第2の接合体の作製(S116)の後に、第2の接合体の端部を削除する工程(S117)が実行される点が、図5に示した実施形態の製造方法と異なる。この削除工程では、第2の接合体の端部を切断や研磨によって削除し、Z軸方向における支持体116の端の位置と空気極層114の端の位置とを揃える工程である。このような変形例の製造方法によれば、製造される単セル110の発電容量の低下を抑制しつつ、Z軸方向における単セル110の寸法を小さくすることができる。また、このような変形例の製造方法によれば、製造される複数の単セル110によりスタックを構成する際の配線取り回しを容易にすることができる。
Moreover, the manufacturing method of the
また、上記実施形態では、単セル110が単セルモジュール102として使用されているが、単セル110は他の形態として使用されてもよい。図8は、複数の単セル110が燃料電池スタック100を構成している変形例を示す説明図である。図8に示す燃料電池スタック100は、複数の単セル110が集積された集積体10が縦方向に3段積層された構成を有している。各集積体10は、互いに略平行に配置された複数の単セル110の両端付近が、例えばセラミックスにより形成された保持部材22により保持された構成を有している。各単セル110は、例えばガラスを含むシール材31を介して保持部材22に接合されている。最上段の保持部材22の上面には、例えばセラミックスにより形成された板部材28が配置されている。図8に示すような構成の燃料電池スタック100においても、各単セル110の保持部材22との接合箇所(図8の例では両端部)において支持体116が緻密部分116bにより構成されていれば、単セル110の折損の発生を抑制することができる。
Moreover, in the said embodiment, although the
また、上記実施形態では、燃料ガスFGに含まれる水素と酸化剤ガスOGに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うSOFCを対象としているが、本発明は、支持体116の外周面に金属(例えば鉄)が配置され、単セル110の外側に水蒸気を供給することによって金属と水蒸気との反応により水素を発生させ、発生した水素を支持体116に供給する構成の金属−空気電池システムにも同様に適用可能である。
In the above-described embodiment, the SOFC that generates power using the electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel gas FG and oxygen contained in the oxidant gas OG is targeted. A metal having a structure in which a metal (for example, iron) is disposed on the outer peripheral surface, hydrogen is generated by a reaction between the metal and water vapor by supplying water vapor to the outside of the
また、上記実施形態では、燃料ガスFGに含まれる水素と酸化剤ガスOGに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うSOFCを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル(SOEC)の最小単位である電解単セルや、複数の電解単セルを備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解単セルの構成は、例えば特開2014−207120号に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池単セル110と同様の構成である。電解単セルの運転の際には、空気極層114がプラス(陽極)で支持体116がマイナス(陰極)となるように両電極間に電圧が印加されると共に、原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解単セルにおいて水の電気分解反応が起こり、支持体116において水素ガスが発生する。このような構成の電解単セルにおいても、支持体116を上記実施形態と同様の構成とすれば、ガス漏れや支持体116の折損の発生を抑制することができる。
Further, in the above-described embodiment, the SOFC that generates power using the electrochemical reaction between the hydrogen contained in the fuel gas FG and the oxygen contained in the oxidant gas OG is targeted. The present invention is also applicable to an electrolytic single cell that is the minimum unit of a solid oxide electrolytic cell (SOEC) that generates hydrogen by using a reaction, and an electrolytic cell stack including a plurality of electrolytic single cells. The configuration of the electrolytic cell is well-known as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-207120 and will not be described in detail here. However, the configuration is generally the same as that of the fuel cell
10:集積体 22:保持部材 28:板部材 31:シール材 51:基台 52:上部金型 53:ゴム型 55:内部孔 57:中心ピン 59:型枠孔 60:支持体成形体 61:材料 62:材料 63:材料 100:燃料電池スタック 102:燃料電池単セルモジュール 110:燃料電池単セル 112:電解質層 113:中間層 114:空気極層 116:支持体 116a:多孔質部分 116b:緻密部分 116c:中間部分 166:酸化剤ガス流路 176:燃料ガス流路 200:接続部材 210:継手金具 211:第1筒状部 212:第2筒状部 213:鍔部 220:固定金具 221:押圧板 222:筒状部 230:押圧金具 240:ガスシール複合体 241:第1ガスケット部材 242:第2ガスケット部材 243:ガラスシール部 310:金属板 320i:酸化剤ガス供給配管 320o:酸化剤ガス排出配管
10: Accumulated body 22: Holding member 28: Plate member 31: Sealing material 51: Base 52: Upper mold 53: Rubber mold 55: Internal hole 57: Center pin 59: Form hole 60: Support body molded body 61: Material 62: Material 63: Material 100: Fuel cell stack 102: Fuel cell single cell module 110: Fuel cell single cell 112: Electrolyte layer 113: Intermediate layer 114: Air electrode layer 116:
Claims (13)
第1の方向に延びる両端開放の筒状であり、ガス透過性および導電性を有する多孔質部分と、前記第1の方向において前記多孔質部分と並ぶように配置され、前記多孔質部分より気孔率が低い緻密部分と、を含み、燃料極として機能する支持体と、
前記支持体の内表面側に配置され、前記第1の方向に延びる筒状であり、前記多孔質部分より気孔率が低い電解質層と、
前記電解質層の内表面側に配置され、前記第1の方向に延びる筒状であり、前記電解質層より気孔率が高い空気極と、を備えることを特徴とする、電気化学反応単セル。 In an electrochemical reaction single cell,
A cylindrical portion having both ends open in the first direction and having a gas permeable and conductive porous portion, and arranged in line with the porous portion in the first direction. A dense part having a low rate, and a support functioning as a fuel electrode;
An electrolyte layer disposed on the inner surface side of the support and extending in the first direction, having a lower porosity than the porous portion;
An electrochemical reaction unit cell comprising: an air electrode that is disposed on an inner surface side of the electrolyte layer and extends in the first direction and has a higher porosity than the electrolyte layer.
前記支持体は、さらに、前記第1の方向において前記多孔質部分と前記緻密部分との間に配置され、前記多孔質部分より気孔率が低く、かつ、前記緻密部分より気孔率が高い中間部分を含むことを特徴とする、電気化学反応単セル。 The electrochemical reaction single cell according to claim 1,
The support is further disposed between the porous portion and the dense portion in the first direction, and has a lower porosity than the porous portion and a higher porosity than the dense portion. An electrochemical reaction single cell comprising:
前記多孔質部分の形成材料と前記緻密部分の形成材料と前記中間部分の形成材料とは、同一組成であることを特徴とする、電気化学反応単セル。 The electrochemical reaction single cell according to claim 2,
The electrochemical reaction unit cell, wherein the porous portion forming material, the dense portion forming material, and the intermediate portion forming material have the same composition.
前記緻密部分は、前記第1の方向における前記支持体の少なくとも一方の端に配置されていることを特徴とする、電気化学反応単セル。 In the electrochemical reaction single cell as described in any one of Claim 1- Claim 3,
The electrochemical reaction unit cell, wherein the dense portion is disposed at at least one end of the support in the first direction.
前記緻密部分は、導電性を有することを特徴とする、電気化学反応単セル。 The electrochemical reaction single cell according to claim 4,
The electrochemical reaction unit cell, wherein the dense portion has conductivity.
前記第1の方向において、
前記電解質層の一端は、前記支持体の一端と同じ位置であるか、前記支持体の一端より他端側に位置しており、
前記空気極の一端は、前記電解質層の一端より他端側に位置していることを特徴とする、電気化学反応単セル。 The electrochemical reaction single cell according to claim 5,
In the first direction,
One end of the electrolyte layer is at the same position as one end of the support, or is located on the other end side from one end of the support,
One end of the air electrode is located on the other end side from one end of the electrolyte layer.
前記電解質層の内表面側、かつ、前記空気極の外表面側に配置され、前記電解質層より気孔率が高く、前記第1の方向に延びる筒状の中間層を備えることを特徴とする、電気化学反応単セル。 The electrochemical reaction single cell according to any one of claims 1 to 6, further comprising:
It is disposed on the inner surface side of the electrolyte layer and on the outer surface side of the air electrode, and has a cylindrical intermediate layer that has a higher porosity than the electrolyte layer and extends in the first direction. Electrochemical reaction single cell.
前記中間層は、前記電解質層を構成する材料と前記空気極を構成する材料との混合材料により形成されていることを特徴とする、電気化学反応単セル。 The electrochemical reaction single cell according to claim 7,
The electrochemical reaction unit cell, wherein the intermediate layer is made of a mixed material of a material constituting the electrolyte layer and a material constituting the air electrode.
前記電解質層は、YSZと、ScSZと、GDCと、LSGMと、の少なくとも1つにより形成されていることを特徴とする、電気化学反応単セル。 In the electrochemical reaction single cell according to any one of claims 1 to 8,
The electrochemical reaction unit cell, wherein the electrolyte layer is formed of at least one of YSZ, ScSZ, GDC, and LSGM.
前記多孔質部分は、NiとYSZとの混合物と、NiとGDCとの混合物と、の少なくとも1つにより形成されていることを特徴とする、電気化学反応単セル。 The electrochemical reaction single cell according to any one of claims 1 to 9,
The electrochemical reaction unit cell, wherein the porous portion is formed of at least one of a mixture of Ni and YSZ and a mixture of Ni and GDC.
前記支持体の形成材料と前記電解質層の形成材料とを同時焼成することにより前記支持体と前記電解質層との第1の接合体を作製する第1の焼成工程と、
前記第1の接合体における内表面側に前記空気極の形成材料を配置して焼成することにより前記第1の接合体と前記空気極との第2の接合体を作製する第2の焼成工程と、
を備えることを特徴とする、電気化学反応単セルの製造方法。 A cylindrical portion having both ends open in the first direction and having a gas permeable and conductive porous portion, and arranged in line with the porous portion in the first direction. A support portion that functions as a fuel electrode, and a cylindrical shape that is disposed on the inner surface side of the support and extends in the first direction, and has a porosity higher than that of the porous portion. A method for producing an electrochemical reaction unit cell comprising: a low electrolyte layer; and an air electrode that is disposed on an inner surface side of the electrolyte layer and extends in the first direction and has a higher porosity than the electrolyte layer. In
A first firing step for producing a first joined body of the support and the electrolyte layer by simultaneously firing the material for forming the support and the material for forming the electrolyte layer;
A second firing step for producing a second joined body of the first joined body and the air electrode by disposing and firing the air electrode forming material on the inner surface side of the first joined body. When,
A method for producing an electrochemical reaction single cell, comprising:
前記第2の焼成工程は、ディップコート法により、前記第1の接合体における内表面側に前記空気極の形成材料を塗布する工程を含み、
前記製造方法は、さらに、
前記第2の焼成工程の後に、前記第1の方向における前記第2の接合体の端部を削除して、前記第1の方向における前記支持体の端の位置と前記空気極の端の位置とを揃える削除工程を備えることを特徴とする、電気化学反応単セルの製造方法。 The method for producing an electrochemical reaction unit cell according to claim 11,
The second firing step includes a step of applying the air electrode forming material on the inner surface side of the first bonded body by a dip coating method,
The manufacturing method further includes:
After the second firing step, the end of the second bonded body in the first direction is deleted, and the position of the end of the support and the position of the end of the air electrode in the first direction A method for producing an electrochemical reaction single cell, comprising a deletion step of aligning
前記第1の接合体は、前記支持体の形成材料と前記電解質層の形成材料に加えて、前記電解質層より気孔率が高い中間層の形成材料を同時焼成することにより形成される前記支持体と前記電解質層と前記中間層との接合体であり、
前記第2の焼成工程は、ディップコート法により、前記支持体と前記電解質層と前記中間層との接合体における内表面側に前記空気極の形成材料を塗布する工程を含むことを特徴とする、電気化学反応単セルの製造方法。 In the manufacturing method of the electrochemical reaction single cell of Claim 11 or Claim 12,
The first bonded body is formed by simultaneously firing an intermediate layer forming material having a higher porosity than the electrolyte layer, in addition to the support forming material and the electrolyte layer forming material. And a joined body of the electrolyte layer and the intermediate layer,
The second firing step includes a step of applying the air electrode forming material on the inner surface side of the joined body of the support, the electrolyte layer, and the intermediate layer by a dip coating method. The manufacturing method of an electrochemical reaction single cell.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016094242A JP2017204347A (en) | 2016-05-10 | 2016-05-10 | Electrochemical reaction single cell, and method for manufacturing electrochemical reaction single cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016094242A JP2017204347A (en) | 2016-05-10 | 2016-05-10 | Electrochemical reaction single cell, and method for manufacturing electrochemical reaction single cell |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2017204347A true JP2017204347A (en) | 2017-11-16 |
Family
ID=60321468
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2016094242A Pending JP2017204347A (en) | 2016-05-10 | 2016-05-10 | Electrochemical reaction single cell, and method for manufacturing electrochemical reaction single cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2017204347A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2022112590A (en) * | 2021-01-22 | 2022-08-03 | 森村Sofcテクノロジー株式会社 | Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack |
-
2016
- 2016-05-10 JP JP2016094242A patent/JP2017204347A/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2022112590A (en) * | 2021-01-22 | 2022-08-03 | 森村Sofcテクノロジー株式会社 | Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack |
JP7368402B2 (en) | 2021-01-22 | 2023-10-24 | 森村Sofcテクノロジー株式会社 | Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN1322619C (en) | Fuel cell and its making method | |
US10665870B2 (en) | Electrochemical reaction unit and fuel cell stack | |
CA2988369C (en) | Solid oxide fuel cell | |
JP3495654B2 (en) | Cell tube seal structure | |
JP5734215B2 (en) | Solid oxide fuel cell | |
US20140287348A1 (en) | Method for manufacturing a unit cell of a solid oxide fuel cell | |
JP2017204347A (en) | Electrochemical reaction single cell, and method for manufacturing electrochemical reaction single cell | |
JP5858862B2 (en) | Electrochemical equipment | |
JP7368402B2 (en) | Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack | |
CN113488689B (en) | Solid oxide fuel cell stack and method for preparing the same | |
JP6166151B2 (en) | Cell, cell stack device, module, and module storage device | |
KR20180093087A (en) | Fuel cell power generation unit and fuel cell stack | |
CN109075364B (en) | Flat plate type solid oxide fuel cell | |
JP6518755B1 (en) | Fuel electrode of solid oxide fuel cell, laminate, and fuel cell | |
JP5904701B2 (en) | Sealing material and electrochemical device | |
JP6389959B2 (en) | Fuel cell stack and fuel cell stack manufacturing method | |
JP6754249B2 (en) | Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack | |
JP7465849B2 (en) | Electrochemical reaction single cells and electrochemical reaction cell stacks | |
JP6605969B2 (en) | Electrochemical reaction single cell, interconnector-electrochemical reaction single cell complex, and electrochemical reaction cell stack | |
KR20150077489A (en) | Cell for metal supported solid oxide fuel cell and method for manufacturing the same | |
JP6486716B2 (en) | Fuel cell, fuel cell manufacturing method, and fuel cell repair method | |
JP2015159027A (en) | Electrolytic cell, cell stack device, electrolytic module and electrolytic device | |
JP7366090B2 (en) | Method of manufacturing the composite | |
JP2013222505A (en) | Fuel battery and manufacturing method thereof | |
JP2019009083A (en) | Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack |