JP2018174065A - 電気化学反応単セル、電気化学反応セルスタック、および、電気化学反応セルスタックの製造方法 - Google Patents
電気化学反応単セル、電気化学反応セルスタック、および、電気化学反応セルスタックの製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2018174065A JP2018174065A JP2017070961A JP2017070961A JP2018174065A JP 2018174065 A JP2018174065 A JP 2018174065A JP 2017070961 A JP2017070961 A JP 2017070961A JP 2017070961 A JP2017070961 A JP 2017070961A JP 2018174065 A JP2018174065 A JP 2018174065A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrochemical reaction
- active layer
- single cell
- air electrode
- cracks
- 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
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
A−1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1のII−IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1のIII−IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ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、燃料電池スタック100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4以降についても同様である。
一対のエンドプレート104,106は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
図4は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図5は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。
図2および図4に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通孔132を介して、空気室166に供給される。また、図3および図5に示すように、燃料ガス導入マニホールド171の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して燃料ガス導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通孔142を介して、燃料室176に供給される。
図6は、単セル110の詳細構成を示す説明図である。図6には、図4の領域X1における単セル110のXZ断面構成が示されている。
上述した構成の燃料電池スタック100の製造方法は、例えば以下の通りである。図9は、燃料電池スタック100の製造方法の一例を示すフローチャートである。
はじめに、電解質層112と燃料極116との積層体を形成する(S110)。具体的には、YSZ粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるジオクチルフタレート(DOP)と、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、電解質層用グリーンシートを得る。また、NiOの粉末とYSZの粉末との混合粉末に対して、造孔材である有機ビーズと、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、燃料極用グリーンシートを得る。電解質層用グリーンシートと燃料極用グリーンシートとを貼り付けて乾燥させ、例えば1400℃にて焼成を行うことによって、電解質層112と燃料極116との積層体を得る。
次に、中間層180を形成する(S120)。具体的には、GDC粉末に、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを加えて混合し、粘度を調整して中間層用ペーストを調製する。得られた中間層用ペーストを、上述した電解質層112と燃料極116との積層体における電解質層112側の表面に例えばスクリーン印刷によって塗布し、例えば1180℃にて焼成を行う。これにより、中間層180が形成され、燃料極116と電解質層112と中間層180との積層体(以下、「中間積層体L」という)が作製される(図6参照)。
次に、空気極114を形成する。はじめに、LSCF粉末と、GDC粉末と、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを混合し、粘度を調整して、活性層220を形成するための材料である活性層用ペーストP2を調製する(S130)。
図10は、横亀裂割合と電子およびイオンの伝導性との関係を示す説明図である。図10の左側の図に示すように、空気極114の活性層220に、横亀裂SCが多く発生するほど、電子および酸素イオンが、空気極114から電解質層112へと横亀裂SCを迂回しつつ移動する迂回経路(左側の図の太い矢印参照)が多くなることによって、単セル110および燃料電池スタック100の発電効率が低下する。また、横亀裂SCは、縦亀裂LCに比べて、活性層220と該活性層220に隣接する他の層(集電層210や中間層180)との界面に対する傾き角度が小さい。このため、横亀裂SCは、縦亀裂LCに比べて、空気極114の活性層220と他の層との剥離の起点(左側の図の符号P参照)になり易い。すなわち、空気極114の活性層220に横亀裂SCが多く発生するほど、空気極114の活性層220と他の層との剥離が生じ易くなる。
複数の単セル110のサンプルを作製し、作製された複数の単セル110のサンプルを用いて各種性能評価を行った。図11は、性能評価結果を示す説明図である。以下、この性能評価について説明する。
図11に示すように、空気極114の活性層220と中間層180との剥離の有無および初期特性についての評価は、サンプル1〜12を対象として行った。各サンプルでは、活性層220におけるGDCの含有率(wt%)と中間層180における気孔率%と活性層220における横亀裂割合%との内の少なくとも1つが互いに異なる。なお、活性層220におけるGDCの含有率は、空気極114の活性層220の断面(Z軸方向に略平行な断面)をEPMAにて観察し、活性層220における定量分析(分析範囲は任意であるが広い方が好ましい)の結果から算出した。また、中間層180の気孔率は、中間層180のSEM断面写真を用い、インターセプト法(例えば、水谷惟恭著、「セラミックプロセシング」、技報堂出版、1985年3月、p.193−p.195参照)によって算出した。また、活性層220における横亀裂割合は、各サンプルの破断面Mにおける20視野を1万倍以上の倍率の電子顕微鏡で観察した場合、該20視野に存在する複数の亀裂Cのそれぞれについて、横亀裂SCと縦亀裂LCとのいずれかに判別し、横亀裂SCおよび縦亀裂LCの合計数に対する横亀裂SCの数の割合を、横亀裂割合とした。なお、各サンプルでは、さらに、各サンプルの製造時におけるGDCの焼成温度(上記第1焼成工程における焼成温度)およびLSCFの焼成温度(上記第2焼成工程における焼成温度)は、1000(℃)〜1250(℃)である。各サンプルについて、上述の活性層220の形成工程では次のように調整した。サンプル1〜5,9〜12については、乾燥温度を140℃、乾燥時間を0.5時間〜5時間に調整して作製した。サンプル6〜8については、乾燥温度を140℃、乾燥時間を12時間、または、乾燥温度を200℃、乾燥時間を5時間に調整して作製した。
上述したように、本性能評価では、空気極114の活性層220と中間層180との剥離の有無および初期特性についての評価を行った。
作製した各サンプルの単セル110における空気極114の活性層220の表面に市販のセロハン粘着テープを貼り、セロハン粘着テープを剥がす際の活性層220の剥離の有無を確認した。
作製された各単セル110を用いた燃料電池スタック100について、約700℃で空気極114に酸化剤ガスOGを供給し、燃料極116に燃料ガスFGを供給し、電流密度が0.55(A/cm2)のときの単セル110の出力電圧を測定し、その測定値を初期電圧Vo(定格発電運転前の出力電圧)とした。初期電圧Voが0.92(V)以上である場合には最良(◎)と判定し、初期電圧Voが0.91(V)以上、0.92(V)未満である場合には良好(〇)と判定し、初期電圧Voが0.90(V)以上、0.91(V)未満である場合には合格(△)と判定し、初期電圧Voが0.90(V)未満である場合には不合格(×)と判定した。
(横亀裂割合について)
図11に示すように、活性層220における横亀裂割合が50%より高いサンプル8では、空気極114の活性層220の剥離は無かったが、初期特性の評価では不合格(×)と判定された。横亀裂割合が40%より高く、かつ、50%以下であるサンプル6,7では、活性層220の剥離は無く、また、初期特性の評価では合格(△)と判定された。横亀裂割合が19%以上であり、かつ、40%以下であるサンプル1,4,5,11,12では、活性層220の剥離は無く、また、初期特性の評価では良好(〇)と判定された。また、横亀裂割合が19%未満であるサンプル2,3,9.10では、活性層220の剥離は無く、また、初期特性の評価では最良(◎)と判定された。これらの評価結果からも、上述したように、空気極114の活性層220が、破断した際の破断面Mに横亀裂割合が50%未満である特定領域220Aが存在する構成である場合、横亀裂割合が50%以上である場合に比べて、単セル110の初期特性低下を抑制し、また、空気極114の活性層220の剥離を抑制することができることが分かる。また、横亀裂割合が40%未満である場合、横亀裂割合が40%以上である場合に比べて、単セル110の初期特性が向上することが分かる。さらに、横亀裂割合が19%未満である場合、横亀裂割合が19%以上である場合に比べて、単セル110の初期特性がさらに向上することが分かる。
活性層220におけるGDCの含有率が50(wt%)であるサンプル1〜8の内、中間層180における気孔率が15%以下であるサンプル2,3では、活性層220の剥離は無く、また、初期特性の評価では最良(◎)と判定された。この評価結果によれば、電解質層112と空気極114との間に配置されている中間層180の気孔率が15%以下である場合、中間層180の気孔率が15%より高い場合に比べて、中間層180内の気孔の存在により空気極114から電解質層112へと繋がるイオン導電経路が長くなることに起因して単セル110の特性が低下することを抑制することができることが分かる。
GDCの含有率が25(wt%)未満であるサンプル12では、活性層220の剥離は無かった。しかし、GDCの含有率が25(wt%)以上である場合、GDCの含有率が25(wt%)未満である場合に比べて、空気極114の活性層220と中間層180との接触面積が大きいため、活性層220と中間層180との熱膨張差による剥離を抑制することができることが想定される。また、GDCの含有率が70(wt%)より高いサンプル11では、初期特性の評価で良好(〇)と判定された。しかし、GDCの含有率が70(wt%)以下である場合、GDCの含有率が70(wt%)より高い場合に比べて、イオン伝導性がペロブスカイト型酸化物に比べて低い希土類ドープセリアの含有率が低いため、希土類ドープセリアの含有率に起因する単セル110の性能低下を抑制することができることが想定される。
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。
Claims (10)
- 固体酸化物を含む電解質層と、
前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を備える電気化学反応単セルにおいて、
前記空気極は、ペロブスカイト型酸化物と希土類ドープセリアとを含有する活性層を有し、
前記活性層は、
前記第1の方向の一方側から応力を受けた場合に生じる少なくとも1つの破断面に、
互いの形状が同じである一対の境界線の間の領域である亀裂が複数存在し、かつ、
前記複数の亀裂の内、前記第1の方向に直交し、かつ前記破断面に平行な第2の方向の寸法が前記第1の方向の寸法より長い特定亀裂の数の割合が50%未満である、
特定領域が存在するように構成されていることを特徴とする、電気化学反応単セル。 - 請求項1に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記特定領域が存在する破断面における20視野を1万倍以上の倍率の電子顕微鏡で観察した場合、前記20視野に存在する前記亀裂の内、前記特定亀裂の数の割合が40%未満であることを特徴とする、電気化学反応単セル。 - 請求項2に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記20視野に存在する前記亀裂の内、前記特定亀裂の数の割合が19%未満であることを特徴とする、電気化学反応単セル。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルにおいて、
さらに、前記電解質層と前記空気極との間に配置され、希土類ドープセリアを含有する中間層を備え、
前記中間層の気孔率は15%以下であることを特徴とする、電気化学反応単セル。 - 請求項4に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記中間層が含有する前記希土類ドープセリアは、GDCを含むことを特徴とする、電気化学反応単セル。 - 請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルにおいて、
さらに、前記電解質層と前記空気極との間に配置され、希土類ドープセリアを含有する中間層を備え、
前記活性層における前記希土類ドープセリアの含有率は、25(wt%)以上、70(wt%)以下であることを特徴とする、電気化学反応単セル。 - 請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記ペロブスカイト型酸化物は、コバルト系のペロブスカイト型酸化物を含むことを特徴とする、電気化学反応単セル。 - 請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記活性層が含有する前記希土類ドープセリアは、GDCを含むことを特徴とする、電気化学反応単セル。 - 前記第1の方向に並べて配列された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において、
前記複数の電気化学反応単セルの少なくとも1つは、請求項1から請求項8までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルであることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 - 固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を備え、前記空気極が活性層を有する電気化学反応単セルを、複数備える電気化学反応セルスタックの製造方法において、
性能評価前の前記電気化学反応単セルを複数含む電気化学反応単セル群を準備する工程と、
前記電気化学反応単セル群の内、特定の前記性能評価前の電気化学反応単セルについて、
前記活性層に前記第1の方向の一方側から応力を加えて前記活性層を破断させ、
破断された活性層に生じた破断面における特定領域において、互いの形状が同じである一対の境界線の間の領域である複数の亀裂の内、前記第1の方向に直交し、かつ前記破断面に平行な第2の方向の寸法が前記第1の方向の寸法より長い特定亀裂の数の割合を特定し、
前記特定亀裂の数の割合に応じて、前記特定の性能評価前の電気化学反応単セルの性能を評価する工程と、
前記特定の性能評価前の電気化学反応単セルの性能が基準レベル以上であったことを条件に、前記電気化学反応単セル群に含まれる複数の前記性能評価前の電気化学反応単セルを用いて前記電気化学反応セルスタックを組み立てる工程と、を備えることを特徴とする、電気化学反応セルスタックの製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017070961A JP2018174065A (ja) | 2017-03-31 | 2017-03-31 | 電気化学反応単セル、電気化学反応セルスタック、および、電気化学反応セルスタックの製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017070961A JP2018174065A (ja) | 2017-03-31 | 2017-03-31 | 電気化学反応単セル、電気化学反応セルスタック、および、電気化学反応セルスタックの製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2018174065A true JP2018174065A (ja) | 2018-11-08 |
Family
ID=64107486
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017070961A Pending JP2018174065A (ja) | 2017-03-31 | 2017-03-31 | 電気化学反応単セル、電気化学反応セルスタック、および、電気化学反応セルスタックの製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2018174065A (ja) |
-
2017
- 2017-03-31 JP JP2017070961A patent/JP2018174065A/ja active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7079220B2 (ja) | 電気化学反応セルスタック | |
JP6290471B1 (ja) | 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック | |
JP6560621B2 (ja) | 電気化学反応単セル、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体、および、電気化学反応セルスタック | |
JP6804868B2 (ja) | 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック | |
JP6774287B2 (ja) | 電気化学反応単セルの製造方法および電気化学反応セルスタックの製造方法 | |
JP6678461B2 (ja) | 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック | |
JP2018181683A (ja) | 電気化学反応単セル、および、電気化学反応セルスタック | |
JP7152142B2 (ja) | 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック | |
JP6993162B2 (ja) | 電気化学反応単セル、および、電気化学反応セルスタック | |
JP6605969B2 (ja) | 電気化学反応単セル、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体、および、電気化学反応セルスタック | |
JP6754249B2 (ja) | 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック | |
JP6737662B2 (ja) | 電気化学反応セルスタック | |
JP6539179B2 (ja) | 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック | |
JP6780920B2 (ja) | 燃料電池単セルおよび燃料電池スタック | |
JP2018174065A (ja) | 電気化学反応単セル、電気化学反応セルスタック、および、電気化学反応セルスタックの製造方法 | |
JP7016334B2 (ja) | 電気化学反応単セル、および、電気化学反応セルスタック | |
JP7465849B2 (ja) | 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック | |
JP7132982B2 (ja) | 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック | |
JP7245210B2 (ja) | 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック | |
JP7121083B2 (ja) | 空気極材料、電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック | |
CN108701839B (zh) | 电化学反应单体电池和电化学反应电池堆 | |
JP7096644B2 (ja) | 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック | |
JP2023180295A (ja) | 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック | |
JP2018056019A (ja) | 電気化学反応単セルの製造方法および電気化学反応セルスタックの製造方法 | |
JP2022028167A (ja) | 電気化学反応単セル |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20191108 |
|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20191224 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20201001 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20201006 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20210406 |