JP2020187864A

JP2020187864A - 電気化学セル、電気化学セルスタック、燃料電池および水素製造装置

Info

Publication number: JP2020187864A
Application number: JP2019090040A
Authority: JP
Inventors: 憲和長田; Norikazu Osada; 洋静垂井; Hiroyasu Tarui; 国彦和田; Kunihiko Wada
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2019-05-10
Filing date: 2019-05-10
Publication date: 2020-11-19

Abstract

【課題】長時間動作させてもセルの性能が低下しにくい電気化学セル、電気化学セルスタック、燃料電池および水素製造装置を提供すること。【解決手段】本発明の実施形態によれば、水素極に積層される電解質層と、前記電解質層に積層される反応防止層と、を備え、前記電解質層および前記反応防止層の少なくともいずれかの層には、この層の側面の一方から他方の向きに延びた孔部が設けられる。また、本発明の実施形態によれば、この孔部の厚さは、反応防止層の積層方向の厚さに対して５％以上２０％以下であることが好ましい。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電気化学セル、電気化学セルスタック、燃料電池および水素製造装置に関する。

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）または水素製造装置の水素製造セル（ＳＯＥＣ：ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＥｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓＣｅｌｌ）に用いられる固体酸化物電気化学セル（ＳＯＣ：ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＣｅｌｌ）は、水素極、電解質層、酸素極を順次積層して形成される。この電気化学セルは、使用する酸素極材料により作製時の焼成過程や高温（例えば５００〜１０００℃）での運転時に電解質層（例えばＺｒＯ２系酸化物）および酸素極（例えばＬａＣｏＯ３系酸化物）の界面付近で高抵抗相が形成され、セルの性能を低下させることが知られている。そこで、電解質層および酸素極の間に反応防止層（例えばＣｅＯ２系酸化物）を設けることで、高抵抗相を形成しにくくする技術が知られている。

特許第４９１３２６０号公報特許第４９８８０７２号公報

しかしながら、反応防止層を設けた電気化学セルを高温で長時間動作させると、反応防止層の形態が変化し、電解質層および酸素極それぞれを構成する成分元素（あるいはイオン）が反応防止層の内部を拡散する。これは、電気化学セルを高温で長時間動作させると高抵抗相が形成されやすくなることを示しており、セルの性能を低下させる可能性がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、長時間動作させてもセルの性能が低下しにくい電気化学セル、燃料電池および水素製造装置を提供することである。

上記の課題を解決するために、実施形態の電気化学セルは、水素極に積層される電解質層と、前記電解質層に積層される反応防止層と、を備え、前記電解質層および前記反応防止層の少なくともいずれかの層には、この層の側面の一方から他方の向きに延びた孔部が設けられる。

本発明の実施形態によれば、長時間動作させてもセルの性能が低下しにくくなる。

第一の実施形態に係る電気化学セルの構成を示す模式図である。第二の実施形態に係る電気化学セルの構成を示す模式図である。

（第一の実施形態）

図１は、第一の実施形態に係るの構成を示す模式図である。以降の説明においては、電気化学セルをセル、電気化学セルスタックをセルスタックと表記して説明する。また、積層方向とは、後述する水素極２、電解質層３、反応防止層４、および酸素極５を積層する方向（ｚ方向）を、面方向とは、積層方向と垂直な方向（ｘ方向またはｙ方向）をそれぞれ示す。

図１に示すように、セル１は、水素極２と、電解質層３と、反応防止層４と、酸素極５を備える。セル１は平板型のセルであり、セルスタック、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、および高温水蒸気電解を利用した水素製造装置の水素製造セル（ＳＯＥＣ）に搭載される。ここでいうセルスタックとは、セルが複数積層された積層体であり、かつそのうちの少なくとも一層に本実施形態のセル１が含まれるものを示す。

水素極２は、平板型の電極である。水素極２の材料には、金属粒子と金属酸化物を含む焼結体を用いることができる。ここでいう金属粒子は、例えばニッケル、コバルト、鉄と銅の少なくとも一つが挙げられる。また、ここでいう金属酸化物は、例えばＹ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ２の少なくとも一種の安定化剤を含む安定化ジルコニアや、Ｓｍ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｙ_２Ｏ３の少なくとも一種の酸化物をドープしたセリアが挙げられる。なお、本実施形態では水素極支持型のセルを例示して説明するが、例えば電解質支持型や酸素極支持型のセルでもよい。また、本実施形態の変形例として、水素極、電解質、および酸素極とは別に支持体を設ける構成としてもよい。

電解質層３は、水素極２に積層された平板型の薄膜である。電解質層３の材料には、例えばＹ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ２の少なくとも一種の安定化剤を含む安定化ジルコニアや、Ｓｍ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３とＹ２Ｏ３の少なくとも一種の酸化物をドープしたセリアが挙げられる。

反応防止層４は、電解質層３と酸素極５との間に設けられる平板型の薄膜である。反応防止層４には孔部４ａが設けられ、この孔部４ａが反応防止層４の側面の一方から他方の向きに延びている。ここでいう側面の一方から他方の向きに延びているとは、面方向（ｘ方向およびｙ方向）に延びている場合だけでなく、積層方向と斜交する向きに延びている場合や、側面の一方から他方の向きに曲線状に延びている場合も含むこととする。また、側面の一方から他方の向きに延びているとは、その向きを示しており、必ずしも孔部４ａの端部が反応防止層４の側面の少なくとも一つと接する必要はない。すなわち、図１に示すように、孔部４ａが反応防止層４の内部に存在する場合も含まれている。さらに、側面の一方から他方の向きとは、互いに対向する側面の一方から他方の向きに限らず、例えば隣接する側面の一方から他方の向きも含まれている。

本実施形態では、反応防止層４の内部に孔部４ａが設けられる場合を図示しているが、反応防止層４はこの孔部４ａの他に、一般的な孔部を含んでいてもよい。ただし、この反応防止層４の多孔度は、２５％以下であることが好ましい。これは、反応防止層４がイオン伝導性を備えると共に、酸素極５から電解質３への反応ガスの漏洩を防ぐためである。

また、孔部４ａの厚さは、反応防止層４の積層方向の厚さに対して５％以上２０％以下であることが好ましい。この厚さが５％以上２０％以下であることが好ましい理由は、後述するように、電解質層３や酸素極５の構成元素の一部を積層方向に拡散しにくくさせるためである。

反応防止層４の材料には、Ｓｍ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３とＹ２Ｏ３の少なくとも一種の酸化物をドープしたセリアが挙げられる。

酸素極５は、平板型の薄膜電極であり、反応防止層４に積層される。酸素極５の材料には、ペロブスカイト型酸化物やこれらの一部を置換した酸化物、例えばＬａＳｒＣｏＦｅ酸化物、ＬａＳｒＭｎ酸化物（ＬＳＭ）、ＬａＳｒＣｏ酸化物（ＬＳＣ）、ＬａＳｒＦｅ酸化物（ＬＳＦ）、ＬａＮｉＦｅ酸化物（ＬＮＦ）や、電解質や反応防止層に用いる固体酸化物との混合体、例えばＬＳＭ−ＹＳＺ、ＬＳＭ−ＳｃＳＺ、ＬＳＣ−ＧＤＣ、ＬＳＣＦ−ＧＤＣ等が挙げられる。

化学反応に伴ってセル１の温度が上昇すると、電解質層３や酸素極５の構成元素の一部が高い駆動力を持って反応防止層４内部を通過し、電解質層３から酸素極５、または酸素極５から電解質層３に拡散しようとする。しかしながら、本実施形態では反応防止層４の孔部４ａが反応防止層４の側面の一方から他方の向きに延びているため、電解質層３や酸素極５の構成元素の一部は積層方向に拡散しにくくなる。これにより、反応防止層４と、電解質層３または酸素極５との界面で、高抵抗相を形成しにくくすることができる。したがって、反応防止層４は従来よりもイオン伝導性を向上させることができる。

上述した第一の実施形態によれば、反応防止層４に側面の一方から他方の向きに延びた孔部４ａを設けることで、反応防止層４と電解質層３または酸素極５との界面における高抵抗相の形成を抑え、長時間動作させても性能が低下しにくいセルを提供することができる。

（第二の実施形態）

図２は、第二の実施形態に係る電気化学セルの構成を示す模式図である。以降の説明においては、第一の実施形態と異なる箇所について説明し、それ以外の箇所については、第一の実施形態と同じものとして同じ図番を付し、その説明を省略する。

図２に示すように、セル１０は、水素極２と、電解質層１３と、反応防止層１４と、酸素極５を備える。

電解質層１３は、水素極２に積層された平板型の薄膜である。電解質層３には孔部１３ａが設けられ、この孔部１３ａが電解質層１３の側面の一方から他方の向きに延びている。ここでいう側面の一方から他方の向きに延びているとは、第一の実施形態における孔部４ａと同様である。

本実施形態では、電解質層１３の内部に孔部１３ａが設けられる場合を図示しているが、電解質層１３はこの孔部１３ａの他に、一般的な孔部を含んでいてもよい。ただし、この電解質層１３の多孔度は、２５％以下であることが好ましい。これは、電解質層１３が電気伝導性を備えると共に、水素極２または酸素極５に導かれる反応ガスの一方が電解質層１３を通過して他方に漏洩しないようにするためである。

また、孔部１３ａの厚さは、電解質層３の積層方向の厚さに対して５％以上２０％以下であることが好ましい。この厚さが５％以上２０％以下であることが好ましい理由は、電解質層３の構成元素の一部を反応防止層４に拡散しにくくさせるためである。

反応防止層１４は、電解質層１３と酸素極５との間に設けられる平板型の薄膜である。この反応防止層１４は、一般的な電気化学セルに用いられる反応防止層である。

上述した第二の実施形態によれば、電解質層１３に側面の一方から他方の向きに延びた孔部１３ａを設けることで、電解質層１３を構成する元素が反応防止層４へ拡散しにくくなり、第一の実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、第一および第二の実施形態の変形例として、これらの実施形態を組み合わせて、反応防止層と電解質層の双方に側面の一方から他方の向きに延びた孔部を設けてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１、１０．セル、２．水素極、３、１３．電解質層、４、１４．反応防止層、４ａ、１３ａ．孔部、５．酸素極

Claims

水素極に積層される電解質層と、
前記電解質層に積層される反応防止層と、
を備え、
前記電解質層および前記反応防止層の少なくともいずれかの層には、この層の側面の一方から他方の向きに延びた孔部が設けられる電気化学セル。
前記孔部の厚さは、反応防止層の積層方向の厚さに対して５％以上２０％以下である請求項１に記載された電気化学セル。
前記孔部は前記反応防止層に設けられ、この電解質層の多孔度は２５％以下である請求項１または２に記載された電気化学セル。
前記孔部は前記電解質層に設けられ、この電解質層の多孔度は２５％以下である請求項１から３のいずれかに記載された電気化学セル。
請求項１から４のいずれかに記載の電気化学セルを備える電気化学セルスタック。
請求項１から４のいずれかに記載の電気化学セルを備える燃料電池。
請求項１から４のいずれかに記載の電気化学セルを備える水素製造装置。