JP2018073486A - 固体酸化物形燃料電池および該燃料電池の反応抑止層形成用材料 - Google Patents
固体酸化物形燃料電池および該燃料電池の反応抑止層形成用材料 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2018073486A JP2018073486A JP2016208145A JP2016208145A JP2018073486A JP 2018073486 A JP2018073486 A JP 2018073486A JP 2016208145 A JP2016208145 A JP 2016208145A JP 2016208145 A JP2016208145 A JP 2016208145A JP 2018073486 A JP2018073486 A JP 2018073486A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- cerium
- oxide particles
- containing oxide
- layer
- reaction
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
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
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
SOFCを構成する最小単位のセル(単セル)は、酸素イオン伝導体からなる緻密構造の層状の固体電解質と、該固体電解質層の一方の面に形成された多孔質構造の空気極(カソード)と、該固体電解質層の他方の面に形成された多孔質構造の燃料極(アノード)とから構成されている。そして、単セルのカソード形成側の固体電解質の表面に空気等に代表されるO2含有ガスが供給され、アノード形成側の固体電解質の表面にはH2等の燃料ガスが供給される。そして電池反応として、空気中のO2ガスがカソードで還元されて生成された酸素イオンが固体電解質を通過し、アノードにおいてH2ガス等の燃料ガスを酸化することによって外部負荷に電子を放出する。これに伴い、電気エネルギーを発生させる。
典型的には、酸化ニッケル(NiO)およびYSZの混合物に、造孔剤、溶剤、ビヒクル(樹脂)等を添加し混合して得たスラリー状(ペースト状)の材料をドクターブレード法等によってシート状に成形し、さらに当該シートを所望数だけ積層してアノード支持体層を形成する。そして形成したアノード支持体層上に固体電解質層、反応抑止層、カソード層を順次積層(形成)し、得られた積層体を焼成(即ち共焼成)することによって、アノード支持型SOFC(単セル)を製造する。
低温作動化を効果的に実現する一助としてカソード材料が検討されている。例えば、電子導電性と酸素イオン導電性とを示すいわゆる電子−酸素イオン混合導電体材料を用いてカソードを構成することによって、電極/電解質/気相の接する三相界面だけでなく、カソード表面においても電極反応を進行させ、電極活性を高めることが期待されている。かかるカソード材料として、ペロブスカイト型酸化物材料であるランタンコバルタイト系材料(例えばLaSrCoO3−δ系材料)やランタンストロンチウムコバルトフェライト(LSCF)系材料が挙げられる。
しかしながら、かかるセリア系材料は、一般に焼結性が低く、例えば一般的な構成のSOFCの焼結温度である1300〜1400℃の温度域では緻密化が充分とはいえない。そのため、発電時にカソード材料(例えばLSCF)が反応抑止層の空隙を拡散して固体電解質層(例えばYSZ層)に到達し、該固体電解質層と反応することで、不純物層(例えばストロンチウムジルコネート層)を形成する場合があり得る。かかる不純物層の形成は、発電性能が劣化する要因になり得る。
このようなペースト状反応抑止層形成用材料(以下、「反応抑止層形成用ペースト」ともいう。)によると、当該反応抑止層形成用ペーストを対象とする固体電解質層(或いは該固体電解質層を焼成により形成するためのグリーンシート)上に塗布等によって付与することにより、所定厚さの反応抑止層を均質に形成することができる。
例えば、上記セリウム含有酸化物粒子を含む反応抑止層形成用材料から形成された反応抑止層は従来に比して緻密性が高く(空隙が少なく)、かつ、セリウム含有酸化物粒子(焼結体)の粒界に高濃度のCeが存在する。そのため、該粒界および空隙を通じたカソード材料の固体電解質層への拡散(ひいてはカソード材料と固体電解質層との反応)が抑制され、耐久性と発電性能の高いSOFCが提供される。
ここで開示される反応抑止層形成用材料は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)の固体電解質層とカソードとの間に配置される反応抑止層を形成するための材料である。かかる反応抑止層形成用材料は、図1に示すように、主成分としてセリウム含有酸化物粒子1を含む。セリウム含有酸化物粒子1は、該粒子1の表面部が中心部に比べてCeの濃度が高い。典型的には、セリウム含有酸化物粒子1は、相対的にCeの濃度が低いコア2と、相対的にCeの濃度が高いシェル3とからなるコアシェル構造を有する。このように表面部と中心部とでCe濃度に差を設けたコアシェル構造のセリウム含有酸化物粒子1を用いることで、カソード材料の固体電解質層への拡散を防いで発電性能の劣化を抑制し得る、耐久性の高いSOFCが実現され得る。
このような効果が得られる理由としては、特に限定的に解釈されるものではないが、例えば以下のように考えられる。すなわち、一般的な反応抑止層形成用材料であるセリア系材料(例えばGDC)は、焼結性が低く、例えば一般的な構成のSOFCの焼結温度である1300〜1400℃の温度域では緻密化が充分とはいえない。そのため、発電時にカソード材料が反応抑止層の空隙を拡散して固体電解質層に到達し、該固体電解質層と反応することで、不純物層を形成する場合があり得る。かかる不純物層の形成は、発電性能が劣化する要因になり得る。これに対し、上記セリウム含有酸化物粒子1によれば、中心部におけるCe濃度を表面部よりも低くすることで、反応抑止層の焼結性(例えば、一般的な構成のSOFCの焼結温度である1300〜1400℃の温度域における焼結性)を向上させることができる。その結果、反応抑止層の緻密性が向上し、カソード材料が反応抑止層の空隙を通じて固体電解質層に拡散する事象が解消または緩和され、SOFCの耐久性を高めることができる。
ここで、反応抑止層の緻密性を高めるために、セリウム含有酸化物粒子1全体のCe濃度を低くして反応抑止層の焼結性を高めようとすると、その背反として、反応抑止層を構成するセリウム含有酸化物粒子間の粒界ではカソード材料が拡散しやすくなるため、該粒界を通じてカソード材料が固体電解質層に拡散してしまう。
そのため、本構成では、特にカソード材料が拡散しやすい部位であるセリウム含有酸化物粒子間の粒界(すなわちセリウム含有酸化物粒子1の表面部)のCe濃度を、中心部のCe濃度に比べて高くする。このように、セリウム含有酸化物粒子1の表面部と中心部とでCe濃度に適度な差を設け、反応抑止層の焼結性および粒界におけるカソード材料の拡散性を適切に調整することにより、反応抑止層全体の緻密性を高めつつ(空隙を減らしつつ)、粒界におけるカソード材料の拡散を抑制することができる。結果、カソード材料の固体電解質層への拡散を防いで発電性能の劣化を抑制し得る、耐久性の高いSOFCが実現され得る。
ここに開示される技術は、反応抑止層形成用材料に含まれるセリウム含有酸化物粒子の全質量のうち表面Ce濃化型セリウム含有酸化物粒子の合計割合が90質量%よりも大きい態様で好ましく実施され得る。上記表面Ce濃化型セリウム含有酸化物粒子の割合は、より好ましくは95質量%以上、さらに好ましくは98質量%以上、特に好ましくは99質量%以上である。なかでも、反応抑止層形成用材料に含まれるセリウム含有酸化物粒子の100質量%が表面Ce濃化型セリウム含有酸化物粒子である反応抑止層形成用材料が好ましい。
ここで開示される反応抑止層形成用材料は、上述のセリウム含有酸化物粒子以外の添加物を含んでいてもよい。例えば、上述したように、ここで開示される反応抑止層形成用材料は、ペースト状に調製されていてもよい。当該ペースト状の反応抑止層形成用材料(以下、反応抑止層形成用ペーストともいう。)には、少なくとも1種の分散媒(溶媒)が含まれている。この分散媒としては、上記セリウム含有酸化物粒子を好適に分散できるもののうち、一種または二種以上を特に限定することなく用いることができる。かかる分散媒は有機系溶媒、無機系溶媒のいずれを用いてもよい。有機系溶媒としては、例えば、アルコール系溶剤、エーテル系溶剤、エステル系溶剤、ケトン系溶剤、または他の有機溶剤が挙げられる。例えば、テルピネオール、ブチルジグリコールアセテート、イソブチルアルコール、チルセロソルブアセテート、ブチルカルビトールアセテート、ブチルカルビトール、エチレングリコール、トルエン、キシレン、ミネラルスピリット等が好適に用いられる。また、無機系溶媒としては、水または水を主体とする混合溶媒であることが好ましい。該混合溶媒を構成する水以外の溶媒としては、例えば、水と均一に混合し得る有機系溶剤(低級アルコール、低級ケトン等)の一種または二種以上を適宜選択して用いることができる。かかるペーストにおける分散媒(溶媒)の含有率は、特に限定されないが、ペースト全体の凡そ10質量%〜50質量%(典型的には20質量%〜35質量%)が好ましい。かかる反応抑止層形成用ペーストは、当該反応抑止層形成用ペーストを固体電解質層(或いは該固体電解質層を焼成により形成するためのグリーンシート)上に付与することが容易であるため好ましい。また、塗布等によって付与することにより、容易に所定厚さの反応抑止層を形成できるため好ましい。
ここに開示される反応抑止層形成用材料は、さらにバインダとして種々の樹脂成分を含むことができる。このような樹脂成分を加えることによって、反応抑止層形成用材料の固体電解質層上への付与が更に容易になる。かかる樹脂成分はペーストを調製するのに良好な粘性および塗膜形成能(例えば、印刷性や付着性等を含む。)を付与し得るものであればよく、従来のこの種のペーストに用いられているものを特に制限なく使用することができる。例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アルキド樹脂、セルロース系高分子、ポリビニルアルコール、ロジン樹脂等を主体とするものが挙げられる。このうち、特にエチルセルロース等のセルロース系高分子が含まれているのが好ましい。
以上、ここで開示される反応抑止層形成用材料について説明した。かかる反応抑止層形成用材料は、例えば、固体酸化物形燃料電池(すなわちSOFC)の固体電解質層と空気極(カソード)との反応を抑止する反応抑止層形成用材料として好適に用いることができる。以下、ここに開示される反応抑止層形成用材料を用いて構成されるSOFCの具体的な実施態様を示しながら、本発明が提供するSOFCについて説明する。
出発原料としてのセリウム含有酸化物粒子のコアを構成する金属源(Zr、La、NdおよびCeの何れか1種または2種以上の金属元素)を含む水性溶液(塩溶液)を用意した。この塩溶液にアンモニア(NH3)を添加し、適当な速度で混合・攪拌することにより、上記金属元素の水酸化物を析出させた。得られた水酸化物を洗浄、乾燥して仮焼成することにより、前駆体を形成した。次いで、所定量のCe源を水に溶解させた溶解液(酸溶液)に上記得られた前駆体を混合し、アンモニア(NH3)を添加し、適当な速度で混合・攪拌することにより、Ceの水酸化物を前駆体の表面に析出させた。次いで、Ceの水酸化物が析出した前駆体を洗浄、乾燥して焼成することにより、表面部が中心部に比べてCeの濃度が高い例1〜9の表面Ce濃化型セリウム含有酸化物粒子(コアシェル粒子)を作製した。各例のセリウム含有酸化物粒子の表面部では、シェルを構成するセリウム酸化物(典型的にはセリア)とコアを構成する金属酸化物とが混在もしくは固溶している。ここでは、セリウム含有酸化物粒子の表面部におけるセリアの量(ひいてはCe濃度)は、前駆体に対するCe源の添加量を変えることによって調整した。すなわち、前駆体に対するCe源の添加量が増えるに従い、セリウム含有酸化物粒子の表面部におけるセリアの量(ひいてはCe濃度)は増大傾向となる。
上記作製した例1〜12のSOFCを下記の条件で運転させた際の出力密度を測定し、電圧0.8Vにおける出力(W/cm2)を初期の発電性能として、表1に示した。
運転温度:700℃
燃料極供給ガス:H2ガス(50ml/min)
空気極供給ガス:Air(100ml/min)
また、例1〜12のSOFCを上記の条件で1000時間連続して運転を行う耐久試験を実施した。そして、上記耐久試験後における出力密度を電圧0.8Vで測定し、[(初期の発電性能−耐久試験後の発電性能)/初期の発電性能]×100により劣化率(%)を算出した。結果を表1の該当欄に示す。
2 コア
3 シェル
12 支持体
14 燃料極
20 固体電解質層
30 反応抑止層
40 空気極
100 固体酸化物形燃料電池
Claims (8)
- 固体電解質層と空気極との間に反応抑止層が配置された固体酸化物形燃料電池であって、
前記反応抑止層は、粒状のセリウム含有酸化物粒子の焼結体からなり、
前記セリウム含有酸化物粒子は、該粒子の表面部が中心部に比べてCeの濃度が高い、固体酸化物形燃料電池。 - 前記セリウム含有酸化物粒子の前記表面部におけるCeの濃度が、前記中心部におけるCeの濃度よりも10mol%以上高い、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記セリウム含有酸化物粒子の前記表面部におけるCeの濃度が、20mol%〜80mol%である、請求項1または2に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記セリウム含有酸化物粒子の前記中心部は、Ce、La、NdおよびZrからなる群の中から選択される1種または2種以上を構成金属元素として有する酸化物を含む、請求項1〜3の何れか一つに記載の固体酸化物形燃料電池。
- 固体酸化物形燃料電池の反応抑止層を形成するための材料であって、
粒状のセリウム含有酸化物粒子を含み、
前記セリウム含有酸化物粒子は、該粒子の表面部が中心部に比べてCeの濃度が高い、反応抑止層形成用材料。 - 前記セリウム含有酸化物粒子の前記表面部におけるCeの濃度が、前記中心部におけるCeの濃度よりも10mol%以上高い、請求項5に記載の反応抑止層形成用材料。
- 前記セリウム含有酸化物粒子の前記表面部におけるCeの濃度が、20mol%〜80mol%である、請求項5または6に記載の反応抑止層形成用材料。
- 前記セリウム含有酸化物粒子の前記中心部は、Ce、La、NdおよびZrからなる群の中から選択される1種または2種以上を構成金属元素として有する酸化物を含む、請求項5〜7の何れか一つに記載の反応抑止層形成用材料。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016208145A JP6779744B2 (ja) | 2016-10-24 | 2016-10-24 | 固体酸化物形燃料電池および該燃料電池の反応抑止層形成用材料 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016208145A JP6779744B2 (ja) | 2016-10-24 | 2016-10-24 | 固体酸化物形燃料電池および該燃料電池の反応抑止層形成用材料 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2018073486A true JP2018073486A (ja) | 2018-05-10 |
JP6779744B2 JP6779744B2 (ja) | 2020-11-04 |
Family
ID=62111682
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2016208145A Active JP6779744B2 (ja) | 2016-10-24 | 2016-10-24 | 固体酸化物形燃料電池および該燃料電池の反応抑止層形成用材料 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6779744B2 (ja) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006278090A (ja) * | 2005-03-29 | 2006-10-12 | Kyocera Corp | 燃料電池セル及び燃料電池 |
JP2006351406A (ja) * | 2005-06-17 | 2006-12-28 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | セリアコートsofc用空気極粉末、その製造方法および空気極の製造方法 |
JP2009272291A (ja) * | 2008-02-08 | 2009-11-19 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 固体酸化物形燃料電池 |
JP2010267631A (ja) * | 2010-07-28 | 2010-11-25 | Kyocera Corp | 燃料電池セル及び燃料電池 |
JP2016004710A (ja) * | 2014-06-18 | 2016-01-12 | 株式会社ノリタケカンパニーリミテド | 固体電解質形燃料電池および該燃料電池の反応抑止層形成用材料 |
-
2016
- 2016-10-24 JP JP2016208145A patent/JP6779744B2/ja active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006278090A (ja) * | 2005-03-29 | 2006-10-12 | Kyocera Corp | 燃料電池セル及び燃料電池 |
JP2006351406A (ja) * | 2005-06-17 | 2006-12-28 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | セリアコートsofc用空気極粉末、その製造方法および空気極の製造方法 |
JP2009272291A (ja) * | 2008-02-08 | 2009-11-19 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 固体酸化物形燃料電池 |
JP2010267631A (ja) * | 2010-07-28 | 2010-11-25 | Kyocera Corp | 燃料電池セル及び燃料電池 |
JP2016004710A (ja) * | 2014-06-18 | 2016-01-12 | 株式会社ノリタケカンパニーリミテド | 固体電解質形燃料電池および該燃料電池の反応抑止層形成用材料 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6779744B2 (ja) | 2020-11-04 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108832136B (zh) | 一种固体氧化物电池用复合氧电极及其制备方法 | |
JPWO2006092912A1 (ja) | 固体酸化物形燃料電池用セル及び固体酸化物形燃料電池用セルの製造方法 | |
KR101521420B1 (ko) | 고체 산화물형 연료 전지용 산화 니켈 분말 재료와 그 제조 방법, 및 그것을 이용한 연료극 재료, 연료극, 및 고체 산화물형 연료 전지 | |
JP6573243B2 (ja) | 空気極組成物、空気極およびこれを含む燃料電池 | |
JP6491936B2 (ja) | 固体酸化物形燃料電池の製造方法、固体酸化物形燃料電池のハーフセルグリーンシートおよび固体酸化物形燃料電池 | |
JP5260209B2 (ja) | 固体酸化物形燃料電池用セルの製造方法および固体酸化物形燃料電池用セル | |
CN113258111A (zh) | 一种无隔离层锆基阳极支撑固体氧化物电池 | |
KR101186929B1 (ko) | 고체 산화물 연료 전지용 금속 산화물 박막의 저온 무수축 제조 방법 | |
JP2017022111A (ja) | 積層体 | |
JP5611249B2 (ja) | 固体酸化物形燃料電池および該燃料電池のカソード形成用材料 | |
JP2007200664A (ja) | 固体電解質型燃料電池の製造方法 | |
JP2014207215A (ja) | 固体酸化物形燃料電池ハーフセル、及び固体酸化物形燃料電池 | |
US9914649B2 (en) | Electro-catalytic conformal coatings and method for making the same | |
JP6433168B2 (ja) | 固体電解質形燃料電池および該燃料電池の反応抑止層形成用材料 | |
JP2020167092A (ja) | 固体酸化物形燃料電池の支持体形成用材料およびその利用 | |
JP4496749B2 (ja) | 固体酸化物型燃料電池 | |
JP6779744B2 (ja) | 固体酸化物形燃料電池および該燃料電池の反応抑止層形成用材料 | |
JP2016071930A (ja) | 固体酸化物型燃料電池セルの製造方法 | |
JP2008257943A (ja) | 固体酸化物形燃料電池用電極及び該電極を有する固体酸化物形燃料電池 | |
JP2008077998A (ja) | 固体酸化物形燃料電池 | |
JP2018063871A (ja) | 電気化学セル用燃料極、およびそれを含む電気化学セル | |
JP6779745B2 (ja) | 固体酸化物形燃料電池および該燃料電池のカソード形成用材料 | |
JP2015076210A (ja) | 電極、並びに、固体酸化物形燃料電池及び電解装置 | |
JP5091433B2 (ja) | 固体電解質型燃料電池及びその製造方法 | |
KR20160054897A (ko) | 고체산화물 연료전지 집전체용 페이스트 조성물, 이를 포함하는 집전체 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20180622 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20190417 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20190509 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20190708 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20191205 |
|
A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20200131 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20200403 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20201001 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20201014 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6779744 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |