JP2021026947A - Method for forming metal support cell catalyst layer, and metal support cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、メタルサポートセル触媒層形成方法、およびメタルサポートセルに関する。 The present invention relates to a method for forming a metal support cell catalyst layer and a metal support cell.
燃料電池の単セルは、アノード電極層と、カソード電極層と、アノード電極層とカソード電極層との間の電解質層とを備えている。アノード電極層の触媒層は、触媒成分を含む含浸液をアノード電極層に含浸させる含浸工程と、含浸液の溶液成分を除去する乾燥工程と、触媒成分を定着させる焼成工程と、を経て形成される（例えば、特許文献１を参照）。一般的に、単セルは、乾燥工程において、ホットプレートなどによる加熱によって乾燥され、焼成工程において、電気炉などによる加熱によって焼成される。 A single cell of a fuel cell includes an anode electrode layer, a cathode electrode layer, and an electrolyte layer between the anode electrode layer and the cathode electrode layer. The catalyst layer of the anode electrode layer is formed through an impregnation step of impregnating the anode electrode layer with an impregnating solution containing a catalyst component, a drying step of removing the solution component of the impregnating solution, and a firing step of fixing the catalyst component. (See, for example, Patent Document 1). Generally, a single cell is dried by heating with a hot plate or the like in a drying step, and is fired by heating with an electric furnace or the like in a firing step.
ホットプレートや電気炉は、ともに単セルの外部から加熱するタイプの加熱装置である。乾燥工程および焼成工程のそれぞれにおいて独立した加熱装置を適用するため、触媒層を形成する装置は、構成が比較的複雑なものとなる。さらに、単セルの外部から加熱するため、触媒層を形成する時のエネルギー効率を高めることが難しいという問題がある。 Both the hot plate and the electric furnace are heating devices of the type that heat from the outside of a single cell. Since independent heating devices are applied in each of the drying step and the firing step, the device for forming the catalyst layer has a relatively complicated structure. Further, since heating is performed from the outside of the single cell, there is a problem that it is difficult to improve the energy efficiency when forming the catalyst layer.
ところで、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ。以下、単に「ＳＯＦＣ」という。）には、サポート層を有するサポートセルが適用されている。サポート層は、セラミックスまたは金属により構成され、ガス透過性を有する。金属より構成されたサポート層を有するメタルサポートセル（ＭＳＣ：Ｍｅｔａｌ−Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ Ｃｅｌｌ）は、機械的強度、急速起動性等に優れている。 By the way, a support cell having a support layer is applied to a solid oxide fuel cell (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell; hereinafter, simply referred to as “SOFC”). The support layer is made of ceramics or metal and has gas permeability. A metal support cell (MSC: Metal-Supported Cell) having a support layer made of metal is excellent in mechanical strength, rapid startability, and the like.
そこで、本発明の目的は、ガス透過性を有する金属サポート層を有するメタルサポートセルにおいて触媒層を効率的に形成することが可能な、メタルサポートセルの触媒層形成方法、およびそのような方法によって触媒層が形成されたメタルサポートセルを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is a method for forming a catalyst layer of a metal support cell, which can efficiently form a catalyst layer in a metal support cell having a metal support layer having gas permeability, and such a method. It is an object of the present invention to provide a metal support cell in which a catalyst layer is formed.
上記目的を達成するための本発明は、アノード電極層と、カソード電極層と、前記アノード電極層と前記カソード電極層との間の電解質層と、前記アノード電極層側に配置されガス透過性を有する金属サポート層とを有するメタルサポートセルの触媒層形成方法において、前記メタルサポートセルを触媒層形成装置に配置する配置工程と、前記メタルサポートセルの前記金属サポート層に触媒成分を含む触媒含浸溶液を含浸する含浸工程と、前記触媒層形成装置の誘導コイルに通電し前記金属サポート層を複数回誘導加熱する誘導加熱工程と、を有する。前記誘導加熱工程は、前記触媒含浸溶液の含浸を促進する含浸促進工程と、前記触媒含浸溶液の溶液成分を除去する溶液除去工程と、溶液が除去された触媒成分を前記アノード電極層と前記電解質層との界面に定着させる触媒焼成工程と、を有することを特徴とする。 In the present invention for achieving the above object, the anode electrode layer, the cathode electrode layer, the electrolyte layer between the anode electrode layer and the cathode electrode layer, and the gas permeability are arranged on the anode electrode layer side. In the method for forming a catalyst layer of a metal support cell having a metal support layer having the metal support layer, a step of arranging the metal support cell in a catalyst layer forming apparatus and a catalyst impregnation solution containing a catalyst component in the metal support layer of the metal support cell. It has an impregnation step of impregnating the metal support layer, and an induction heating step of energizing the induction coil of the catalyst layer forming apparatus to induce and heat the metal support layer a plurality of times. The induction heating step includes an impregnation promotion step for promoting impregnation of the catalyst impregnated solution, a solution removing step for removing the solution component of the catalyst impregnated solution, and the catalyst component from which the solution has been removed to the anode electrode layer and the electrolyte. It is characterized by having a catalyst firing step of fixing at an interface with a layer.
また、本発明は、上記のメタルサポートセル触媒層形成方法によって作成されてなるメタルサポートセルである。 Further, the present invention is a metal support cell produced by the above-mentioned metal support cell catalyst layer forming method.
本発明によれば、誘導コイルに通電し金属サポート層を複数回誘導加熱する誘導加熱工程において、メタルサポートセルへの含浸液の含浸を促進し、乾燥および焼成を実施することから、メタルサポートセルにおいて触媒層を効率的に形成することが可能な、メタルサポートセルの触媒層形成方法、およびそのような方法によって触媒層が形成されたメタルサポートセルを提供できる。 According to the present invention, in the induction heating step of energizing the induction coil and inducing and heating the metal support layer a plurality of times, the metal support cell is impregnated with the impregnating liquid, dried and fired. A method for forming a catalyst layer of a metal support cell capable of efficiently forming a catalyst layer in the above method, and a metal support cell in which a catalyst layer is formed by such a method can be provided.
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the attached drawings. The following description does not limit the technical scope and meaning of terms described in the claims. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation and may differ from the actual ratios.
図１は、本発明の実施形態に係るメタルサポートセルの触媒層形成方法の手順を示す概略フローチャートである。 FIG. 1 is a schematic flowchart showing a procedure of a catalyst layer forming method for a metal support cell according to an embodiment of the present invention.
図１のフローチャートを参照して、メタルサポートセルの触媒層形成方法は、メタルサポートセルを触媒層形成装置に配置する配置工程（ステップＳ１０）と、メタルサポートセルの金属サポート層に触媒成分を含む触媒含浸溶液を含浸する含浸工程（ステップＳ３０）と、触媒層形成装置の誘導コイルに通電し金属サポート層を複数回誘導加熱する誘導加熱工程（ステップＳ２０、Ｓ４０、Ｓ５０）と、を有する。誘導加熱工程は、触媒含浸溶液の含浸を促進する含浸促進工程（ステップＳ２０）と、触媒含浸溶液の溶液成分を除去する溶液除去工程（ステップＳ４０）と、溶液が除去された触媒成分をアノード電極層と電解質層との界面に定着させる触媒焼成工程（ステップＳ５０）と、を有する。 With reference to the flowchart of FIG. 1, the method for forming the catalyst layer of the metal support cell includes an arrangement step (step S10) of arranging the metal support cell in the catalyst layer forming apparatus and a catalyst component in the metal support layer of the metal support cell. It has an impregnation step (step S30) of impregnating the catalyst impregnation solution and an induction heating step (steps S20, S40, S50) of energizing the induction coil of the catalyst layer forming apparatus to induce and heat the metal support layer a plurality of times. The induction heating step includes an impregnation promotion step (step S20) for promoting impregnation of the catalyst impregnated solution, a solution removing step (step S40) for removing the solution component of the catalyst impregnated solution, and an anode electrode for the catalyst component from which the solution has been removed. It has a catalyst firing step (step S50) of fixing at the interface between the layer and the electrolyte layer.
本実施形態のメタルサポートセルの触媒層形成方法によれば、誘導コイルに通電し金属サポート層を複数回誘導加熱する誘導加熱工程において、金属サポート層のみを選択的に加熱して、メタルサポートセルへの含浸液の含浸を促進し、乾燥およびか焼・触媒焼成を実施している。触媒はアノード電極層と電解質層との界面近傍に析出する。 According to the method for forming a catalyst layer of a metal support cell of the present embodiment, in an induction heating step in which an induction coil is energized and the metal support layer is induced and heated a plurality of times, only the metal support layer is selectively heated to obtain the metal support cell. The impregnation of the impregnating liquid is promoted, and drying, calcination, and catalytic firing are carried out. The catalyst precipitates near the interface between the anode electrode layer and the electrolyte layer.
触媒含浸溶液を所望の位置（アノード電極層と電解質層との界面近傍）まで含浸させるためには、金属サポート層に接触するアノード電極層への入口部分が所定温度以上に加熱されていること、界面近傍に含浸液が到達するまで溶媒が残っていることが必要である。熱が加わりすぎると、界面近傍に含浸溶液が到達する前に、含浸液の溶媒が揮発し切ってしまう。本実施形態では、金属サポート層のみを選択的に加熱できるため、含浸工程（ステップＳ３０）において溶媒の揮発を抑えながら、触媒含浸溶液を界面近傍まで含浸でき、多くの触媒粒子を界面近傍に到達させることができる。含浸を促進できるため、触媒成分が金属サポート層を閉塞することがなく、金属サポート層のガス透過性が維持される。触媒濃度を上げた触媒含浸溶液を用いる場合、含浸液の粘度が高くなって含浸させ難くなる。このような場合でも、金属サポート層のみを選択的に加熱し、含浸液の粘度を低下させた状態で含浸を促進できる。このため、触媒濃度を上げ、１回の含浸によって、触媒層の形成を完了することが可能となる。 In order to impregnate the catalyst impregnation solution to a desired position (near the interface between the anode electrode layer and the electrolyte layer), the inlet portion to the anode electrode layer in contact with the metal support layer must be heated to a predetermined temperature or higher. It is necessary that the solvent remains until the impregnating solution reaches the vicinity of the interface. If too much heat is applied, the solvent of the impregnating solution will be completely volatilized before the impregnating solution reaches the vicinity of the interface. In the present embodiment, since only the metal support layer can be selectively heated, the catalyst impregnation solution can be impregnated to the vicinity of the interface while suppressing the volatilization of the solvent in the impregnation step (step S30), and many catalyst particles reach the vicinity of the interface. Can be made to. Since the impregnation can be promoted, the catalyst component does not block the metal support layer, and the gas permeability of the metal support layer is maintained. When a catalyst impregnation solution having an increased catalyst concentration is used, the viscosity of the impregnation solution becomes high and impregnation becomes difficult. Even in such a case, impregnation can be promoted in a state where only the metal support layer is selectively heated to reduce the viscosity of the impregnating solution. Therefore, it is possible to complete the formation of the catalyst layer by increasing the catalyst concentration and impregnating the catalyst once.
含浸促進工程（ステップＳ２０）のみならず、溶液除去工程（ステップＳ４０）および触媒焼成工程（ステップＳ５０）にも誘導加熱を適用している。外部から加熱するタイプのホットプレートや電気炉などを乾燥および焼成の工程ごとに独立して適用する場合に比較して、触媒層形成装置の構成が簡素なものとなり、エネルギーロスを抑えることができる。 Induction heating is applied not only to the impregnation acceleration step (step S20) but also to the solution removing step (step S40) and the catalyst firing step (step S50). Compared to the case where a hot plate or electric furnace that heats from the outside is applied independently for each drying and firing process, the configuration of the catalyst layer forming apparatus is simplified and energy loss can be suppressed. ..
誘導加熱を適用することによって、金属サポート層を効率的に発熱させ、メタルサポートセル全体の昇温速度を早くできる。この結果、触媒層を形成する工程全体のリードタイムが短縮される。 By applying induction heating, the metal support layer can be efficiently heated and the heating rate of the entire metal support cell can be increased. As a result, the lead time of the entire process of forming the catalyst layer is shortened.
このように、本実施形態によれば、メタルサポートセルにおいて触媒層を効率的に形成することが可能となる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to efficiently form the catalyst layer in the metal support cell.
本実施形態では、誘導加熱工程における含浸促進工程（ステップＳ２０）は、含浸工程（ステップＳ３０）の前に実施している。このようにすれば、金属サポート層は、含浸工程（ステップＳ３０）を実施するときにはすでに十分に昇温されている。この結果、触媒含浸溶液の含浸を早くできる。 In the present embodiment, the impregnation promotion step (step S20) in the induction heating step is performed before the impregnation step (step S30). In this way, the metal support layer has already been sufficiently heated when the impregnation step (step S30) is performed. As a result, the impregnation of the catalyst impregnation solution can be accelerated.
上記のメタルサポートセルの触媒層形成方法によって作成されてなるメタルサポートセルによれば、触媒層を効率的に形成できることから、製造の容易化およびコストの低減を図ることができる。 According to the metal support cell produced by the catalyst layer forming method of the metal support cell described above, the catalyst layer can be efficiently formed, so that the production can be facilitated and the cost can be reduced.
図２は、本発明の実施形態に係るメタルサポートセル１０を示す断面図である。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing a metal support cell 10 according to an embodiment of the present invention.
メタルサポートセル１０は、アノード電極層５０と、カソード電極層３０と、アノード電極層５０とカソード電極層３０との間の電解質層４０と、アノード電極層５０側に配置されガス透過性を有する金属サポート層６０とを有する。触媒層５５は、アノード電極層５０と電解質層４０との界面近傍に形成される。 The metal support cell 10 is a metal having gas permeability, which is arranged on the anode electrode layer 50, the cathode electrode layer 30, the electrolyte layer 40 between the anode electrode layer 50 and the cathode electrode layer 30, and the anode electrode layer 50 side. It has a support layer 60. The catalyst layer 55 is formed near the interface between the anode electrode layer 50 and the electrolyte layer 40.
本実施形態のメタルサポートセル１０は、ＳＯＦＣに用いられる。メタルサポートセル１０は、カソード電極層３０、電解質層４０、アノード電極層５０および金属サポート層６０を積層して構成される。以下、カソード電極層３０およびアノード電極層５０を総称して電極層３０、５０と称することもある。 The metal support cell 10 of this embodiment is used for SOFC. The metal support cell 10 is formed by laminating a cathode electrode layer 30, an electrolyte layer 40, an anode electrode layer 50, and a metal support layer 60. Hereinafter, the cathode electrode layer 30 and the anode electrode layer 50 may be collectively referred to as electrode layers 30 and 50.
電極層３０、５０および電解質層４０は、電解質電極接合体２０を構成する。電解質層４０は、アノード電極層５０を介して金属サポート層６０に固着されている。金属サポート層６０は、電解質電極接合体２０を支持する。メタルサポートセル１０は、電解質支持型セルや電極支持型セルに比べて機械的強度、急速起動性等に優れるためＳＯＦＣに好適に使用することができる。 The electrode layers 30 and 50 and the electrolyte layer 40 constitute the electrolyte electrode joint 20. The electrolyte layer 40 is fixed to the metal support layer 60 via the anode electrode layer 50. The metal support layer 60 supports the electrolyte electrode joint 20. The metal support cell 10 is more excellent in mechanical strength, rapid startability, etc. than the electrolyte-supported cell and the electrode-supported cell, and therefore can be suitably used for SOFC.
（電解質電極接合体２０）
電解質電極接合体２０は、電解質層４０の一方の面にカソード電極層３０、他方の面にアノード電極層５０を積層して構成される。
(Electrolyte electrode joint 20)
The electrolyte electrode joint 20 is configured by laminating a cathode electrode layer 30 on one surface of the electrolyte layer 40 and an anode electrode layer 50 on the other surface.
（カソード電極層３０）
カソード電極層３０は、酸化剤極であって、カソードガス（例えば空気に含まれる酸素）と電子を反応させて、酸素分子を酸化物イオンに変換する。カソード電極層３０は、酸化雰囲気に耐性を有し、カソードガスを透過させるガス透過性および電気（電子およびイオン）伝導度が高い。さらに、カソード電極層３０は、酸素分子を酸素イオンに変換する触媒機能を有する。
(Cathode electrode layer 30)
The cathode electrode layer 30 is an oxidant electrode, and reacts electrons with a cathode gas (for example, oxygen contained in air) to convert oxygen molecules into oxide ions. The cathode electrode layer 30 has resistance to an oxidizing atmosphere, and has high gas permeability and electrical (electron and ion) conductivity for allowing the cathode gas to pass through. Further, the cathode electrode layer 30 has a catalytic function of converting oxygen molecules into oxygen ions.
カソード電極層３０の形成材料は、例えば、ランタン、ストロンチウム、マンガン、コバルト等からなる酸化物が挙げられる。 Examples of the material for forming the cathode electrode layer 30 include oxides made of lanthanum, strontium, manganese, cobalt and the like.
（電解質層４０）
電解質層４０は、アノードガスとカソードガスを分離する機能を有する。電解質層４０は、カソード電極層３０からアノード電極層５０に向かって酸化物イオンを通過させつつ、ガスと電子を通過させない。酸素イオンが発電の伝導体である場合には、電解質層４０は、酸素イオンの伝導性が高い材料から形成されることが好ましい。
(Electrolyte layer 40)
The electrolyte layer 40 has a function of separating the anode gas and the cathode gas. The electrolyte layer 40 allows oxide ions to pass from the cathode electrode layer 30 toward the anode electrode layer 50, but does not allow gas and electrons to pass through. When the oxygen ion is a conductor for power generation, the electrolyte layer 40 is preferably formed of a material having high oxygen ion conductivity.
電解質層４０は、アノードガスやカソードガスを遮蔽し、高いイオン伝導性を発現するために、緻密に構成される。電解質層４０の緻密度は、ガス遮蔽性を有する限りにおいて特に限定されないが、９０％以上あることが好ましく、９６％以上であることがより好ましく、９８％以上であることが特に好ましい。 The electrolyte layer 40 is densely configured in order to shield the anode gas and the cathode gas and exhibit high ionic conductivity. The density of the electrolyte layer 40 is not particularly limited as long as it has a gas shielding property, but is preferably 90% or more, more preferably 96% or more, and particularly preferably 98% or more.
電解質層４０の形成材料は、特に限定されないが、例えば、希土類酸化物（例えば、Ｙ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等から選択される１種または２種以上）をドープした安定化ジルコニア、セリア系固溶体、ペロブスカイト型酸化物（例えば、ＳｒＣｅＯ３、ＢａＣｅＯ３、ＣａＺｒＯ３、ＳｒＺｒＯ３等）等の固体酸化物セラミックスなどが挙げられる。 The material for forming the electrolyte layer 40 is not particularly limited, but for example, rare earth oxides (for example, Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Nd 2 O 3). Stabilized zirconia, ceria-based solid solution, perovskite-type oxide (for example, SrCeO 3 , BaCeO 3 , CaZrO 3 , SrZrO 3, etc.) doped with one or more selected from Can be mentioned.
（アノード電極層５０）
アノード電極層５０は、燃料極であって、アノードガス（例えば水素）と酸化物イオンを反応させて、アノードガスの酸化物を生成するとともに電子を取り出す。アノード電極層５０は、還元雰囲気に耐性を有し、アノードガスを透過させるガス透過性および電気（電子およびイオン）伝導度が高い。さらに、アノード電極層５０は、アノードガスを酸化物イオンと反応させる触媒機能を有する。アノード電極層５０の形成材料としては、例えば、ＮｉやＦｅ等の金属や、該金属と上記電解質層４０の形成材料として挙げたセラミックスとのサーメットなどが挙げられる。
(Anode electrode layer 50)
The anode electrode layer 50 is a fuel electrode, and reacts an anode gas (for example, hydrogen) with an oxide ion to generate an oxide of the anode gas and extract electrons. The anode electrode layer 50 has resistance to a reducing atmosphere, and has high gas permeability and electrical (electron and ion) conductivity for allowing the anode gas to permeate. Further, the anode electrode layer 50 has a catalytic function of reacting the anode gas with oxide ions. Examples of the material for forming the anode electrode layer 50 include a metal such as Ni and Fe, and a cermet of the metal and the ceramics mentioned as the material for forming the electrolyte layer 40.
アノード電極層５０は、複数の空孔が形成された多孔体である。アノード電極層５０内の空孔には、触媒が含浸される。アノード電極層５０の触媒としては、水素酸化活性を有し、還元性雰囲気中で安定な金属及び／又は合金から成るアノード触媒を使用でき、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｃｏ合金、Ｎｉ−Ｃｕ合金、Ｐｄ−Ｐｔ合金等を挙げることができる。 The anode electrode layer 50 is a porous body in which a plurality of pores are formed. The pores in the anode electrode layer 50 are impregnated with the catalyst. As the catalyst of the anode electrode layer 50, an anode catalyst composed of a metal and / or alloy having hydrogen oxidizing activity and stable in a reducing atmosphere can be used, and for example, nickel (Ni), palladium (Pd), platinum ( Pt), ruthenium (Ru), Ni—Fe alloy, Ni—Co alloy, Fe—Co alloy, Ni—Cu alloy, Pd—Pt alloy and the like can be mentioned.
（金属サポート層６０）
金属サポート層６０は、電解質電極接合体２０をアノード電極層５０の側から支持するものである。金属サポート層６０によって電解質電極接合体２０を支持することによって、電解質電極接合体２０の機械的強度を向上させて破損を抑制することができる。
(Metal support layer 60)
The metal support layer 60 supports the electrolyte electrode joint 20 from the side of the anode electrode layer 50. By supporting the electrolyte electrode joint 20 with the metal support layer 60, the mechanical strength of the electrolyte electrode joint 20 can be improved and damage can be suppressed.
金属サポート層６０は、ガス透過性および電子伝導性を有する多孔質の金属から形成される。金属サポート層６０を形成する材料としては、高酸化性および高耐熱性を備える金属材料であれば特に限定されないが、例えば、フェライト系ステンレス鋼が挙げられる。フェライト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４２０、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４４０等のＳＵＳ４００系が挙げられる。特に、Ｃｒｏｆｅｒ（登録商標）２２合金（ＴｈｙｓｓｅｎＫｒｕｐｐ・ＶＤＭ社製）、ＺＭＧ（登録商標）２３２Ｇ１０（日立金属株式会社製）、ＩＴＭ（Ｐｌａｎｓｅｅ社製）、ＳａｎｅｒｇｙＨＴ（Ｓａｎｄｖｉｋ社製）などが好適に用いられる。 The metal support layer 60 is formed of a porous metal having gas permeability and electron conductivity. The material for forming the metal support layer 60 is not particularly limited as long as it is a metal material having high oxidation property and high heat resistance, and examples thereof include ferritic stainless steel. Examples of ferritic stainless steels include SUS400 series such as SUS410, SUS420, SUS430 and SUS440. In particular, Crofer (registered trademark) 22 alloy (ThyssenKrupp, manufactured by VDM), ZMG (registered trademark) 232G10 (manufactured by Hitachi Metals, Ltd.), ITM (manufactured by Plansee), SanergyHT (manufactured by Sandvik) and the like are preferably used. ..
なお、金属サポート層６０は、上記の材料から形成する場合に限られず、例えば、微小な通孔を有するエキスパンドメタルから形成することができる。 The metal support layer 60 is not limited to the case where it is formed from the above-mentioned material, and can be formed from, for example, an expanded metal having a minute through hole.
図３は、触媒層形成装置２００を示す模式図である。図４Ａは、配置工程を実施したときの触媒層形成装置２００を示す模式図、図４Ｂは、誘導加熱工程の含浸促進工程を実施しているときの触媒層形成装置２００を示す模式図、図４Ｃは、含浸工程を実施しているときの触媒層形成装置２００を示す模式図である。図４Ｄおよび図４Ｅは、誘導加熱工程の溶液除去工程および触媒焼成工程を実施しているときの触媒層形成装置２００を示す模式図である。図５は、触媒層形成装置２００の誘導加熱部２１０を示す斜視図である。図６Ａは、触媒層形成装置２００の含浸部２２０を示す断面図、図６Ｂは、触媒層形成装置２００の含浸部２２０の改変例を示す断面図である。 FIG. 3 is a schematic view showing the catalyst layer forming apparatus 200. FIG. 4A is a schematic view showing a catalyst layer forming apparatus 200 when the arrangement step is carried out, and FIG. 4B is a schematic view and a view showing the catalyst layer forming apparatus 200 when the impregnation promotion step of the induction heating step is being carried out. FIG. 4C is a schematic view showing the catalyst layer forming apparatus 200 when the impregnation step is being carried out. 4D and 4E are schematic views showing a catalyst layer forming apparatus 200 when the solution removing step and the catalyst firing step of the induction heating step are being carried out. FIG. 5 is a perspective view showing an induction heating unit 210 of the catalyst layer forming apparatus 200. FIG. 6A is a cross-sectional view showing an impregnated portion 220 of the catalyst layer forming apparatus 200, and FIG. 6B is a sectional view showing a modified example of the impregnated portion 220 of the catalyst layer forming apparatus 200.
触媒層形成装置２００は、メタルサポートセル１０の金属サポート層６０を誘導加熱する誘導加熱部２１０と、メタルサポートセル１０の金属サポート層６０に触媒含浸溶液を含浸する含浸部２２０と、を有する。触媒層形成装置２００はさらに、メタルサポートセル１０を誘導加熱部２１０に搬入したり、メタルサポートセル１０を誘導加熱部２１０と含浸部２２０との間で移動したり、メタルサポートセル１０を誘導加熱部２１０から搬出したりする搬送部２３０を有する。搬送部２３０は、メタルサポートセル１０を側方から挟持して移動可能な例えばロボット２３１を有する。 The catalyst layer forming apparatus 200 includes an induction heating unit 210 that induces and heats the metal support layer 60 of the metal support cell 10, and an impregnation unit 220 that impregnates the metal support layer 60 of the metal support cell 10 with a catalyst impregnation solution. The catalyst layer forming apparatus 200 further carries the metal support cell 10 into the induction heating unit 210, moves the metal support cell 10 between the induction heating unit 210 and the impregnation unit 220, and induces heating the metal support cell 10. It has a transport unit 230 that carries out from the unit 210. The transport unit 230 has, for example, a robot 231 that can move by sandwiching the metal support cell 10 from the side.
図３および図５に示すように、誘導加熱部２１０は、誘導コイル２１１と、誘導コイル２１１に高周波電流を流す電源２１２と、誘導コイル２１１を移動自在なロボット２１３と、を有する。電源２１２は、整流器やインバータを有する。ロボット２１３によって誘導コイル２１１をメタルサポートセル１０に向かい合わせ、電源２１２から誘導コイル２１１に高周波電流を流す。誘導コイル２１１に高周波電流が流れると、図３に破線によって示されるように、誘導コイル２１１を取り巻くように磁力線２１４（磁束）が発生する。誘導コイル２１１から発生した磁力線２１４によって、メタルサポートセル１０の金属サポート層６０に渦電流が誘起される。金属サポート層６０は、渦電流によってジュール熱が発生し、誘導加熱される。誘導コイル２１１は、メタルサポートセル１０に近づけることが好ましい。また、誘導コイル２１１とメタルサポートセル１０との間には、発生した磁力線２１４が金属サポート層６０を通ることを阻害することがないように、何も挟まないのが好ましい、このため、搬送部２３０のロボット２３１は、メタルサポートセル１０を側方から挟持することが好ましい。 As shown in FIGS. 3 and 5, the induction heating unit 210 includes an induction coil 211, a power supply 212 for passing a high-frequency current through the induction coil 211, and a robot 213 that can move the induction coil 211. The power supply 212 has a rectifier and an inverter. The induction coil 211 is made to face the metal support cell 10 by the robot 213, and a high-frequency current is passed from the power supply 212 to the induction coil 211. When a high-frequency current flows through the induction coil 211, magnetic flux lines 214 (magnetic flux) are generated so as to surround the induction coil 211, as shown by a broken line in FIG. Eddy currents are induced in the metal support layer 60 of the metal support cell 10 by the magnetic field lines 214 generated from the induction coil 211. The metal support layer 60 is induced and heated by generating Joule heat due to an eddy current. The induction coil 211 is preferably close to the metal support cell 10. Further, it is preferable that nothing is sandwiched between the induction coil 211 and the metal support cell 10 so that the generated magnetic field lines 214 do not interfere with passing through the metal support layer 60. Therefore, the transport unit It is preferable that the robot 231 of 230 sandwiches the metal support cell 10 from the side.
図示例では、メタルサポートセル１０は、金属サポート層６０の側を鉛直上方に向くように誘導加熱部２１０に配置される。金属サポート層６０を誘導コイル２１１に向かい合わせることによって、金属サポート層６０に磁力線２１４が通り易くなり、金属サポート層６０を効率的に誘導加熱できる。 In the illustrated example, the metal support cell 10 is arranged in the induction heating unit 210 so that the side of the metal support layer 60 faces vertically upward. By facing the metal support layer 60 toward the induction coil 211, the magnetic field lines 214 can easily pass through the metal support layer 60, and the metal support layer 60 can be efficiently induced and heated.
なお、誘導コイル２１１を移動自在なロボット２１３を誘導加熱部２１０に配置する場合を示したが、誘導コイル２１１の位置を固定したまま、搬送部２３０のロボット２３１によって把持したメタルサポートセル１０を誘導コイル２１１に向かい合わせるように改変できる。 Although the case where the robot 213 which can move the induction coil 211 is arranged in the induction heating unit 210 is shown, the metal support cell 10 gripped by the robot 231 of the transport unit 230 is guided while the position of the induction coil 211 is fixed. It can be modified to face the coil 211.
図３および図６Ａに示すように、含浸部２２０は、触媒成分を含む触媒含浸溶液を金属サポート層６０に滴下する滴下器具２２１と、滴下器具２２１に供給する触媒含浸溶液を貯留するタンク２２２と、滴下器具２２１を移動自在なロボット２２３と、を有する。滴下器具２２１は、ピペット、シリンジ、スポイトなどを使用できる。触媒含浸溶液は、触媒成分を溶媒に溶かして予め定められた溶質濃度（ｍｏｌ／Ｌ）に調整されている。ロボット２２３によって滴下器具２２１をメタルサポートセル１０の金属サポート層６０の上方に移動し、滴下器具２２１から触媒含浸溶液を滴下する。触媒含浸溶液は、鉛直上方から滴下することによって、毛細管現象と重量による沈降効果とが相まって、金属サポート層６０に含浸する。 As shown in FIGS. 3 and 6A, the impregnation unit 220 includes a dropping device 221 that drops a catalyst impregnating solution containing a catalyst component onto the metal support layer 60, and a tank 222 that stores a catalyst impregnating solution to be supplied to the dropping device 221. , A robot 223 that can move the dropping device 221 and the like. As the dropping device 221, a pipette, a syringe, a dropper or the like can be used. The catalyst impregnated solution is adjusted to a predetermined solute concentration (mol / L) by dissolving the catalyst component in a solvent. The dropping device 221 is moved above the metal support layer 60 of the metal support cell 10 by the robot 223, and the catalyst impregnated solution is dropped from the dropping device 221. The catalyst-impregnated solution is impregnated into the metal support layer 60 by dropping from vertically above, in combination with the capillary phenomenon and the settling effect due to the weight.
含浸部２２０は、触媒含浸溶液を鉛直上方から滴下する構成に限定されない。例えば、図６Ｂに示すように、毛細管現象によって下方から吸い上げる構成に改変できる。この場合、メタルサポートセル１０の金属サポート層６０の下面を触媒含浸溶液に接触させる。所定の時間経過後に、メタルサポートセル１０は、金属サポート層６０の側を鉛直上方に向くように天地反転される。この後、触媒含浸溶液は、毛細管現象と重量による沈降効果とによって金属サポート層６０にさらに含浸する。 The impregnation portion 220 is not limited to a configuration in which the catalyst impregnation solution is dropped vertically from above. For example, as shown in FIG. 6B, it can be modified to suck up from below by capillarity. In this case, the lower surface of the metal support layer 60 of the metal support cell 10 is brought into contact with the catalyst impregnation solution. After a lapse of a predetermined time, the metal support cell 10 is turned upside down so that the side of the metal support layer 60 faces vertically upward. After this, the catalyst impregnated solution further impregnates the metal support layer 60 by the capillary phenomenon and the settling effect by weight.
触媒層形成装置２００は、誘導加熱部２１０、含浸部２２０、および搬送部２３０の作動を制御するコントローラ２４０を有する。コントローラ２４０は、ＣＰＵ、制御プログラムが記録されたメモリー、タイマーなどを有する。触媒層形成装置２００は、金属サポート層６０の温度を検出する温度センサー（不図示）を有する。温度センサーによって検出した金属サポート層６０の温度に関する信号はコントローラ２４０のＣＰＵに入力される。温度センサーは、金属サポート層６０に接触して温度を検出するプローブを有するセンサーや、金属サポート層６０に非接触の状態で温度を検出する赤外線センサーなどが用いられる。 The catalyst layer forming apparatus 200 has a controller 240 that controls the operation of the induction heating unit 210, the impregnation unit 220, and the transport unit 230. The controller 240 has a CPU, a memory in which a control program is recorded, a timer, and the like. The catalyst layer forming apparatus 200 has a temperature sensor (not shown) that detects the temperature of the metal support layer 60. The signal regarding the temperature of the metal support layer 60 detected by the temperature sensor is input to the CPU of the controller 240. As the temperature sensor, a sensor having a probe that detects the temperature in contact with the metal support layer 60, an infrared sensor that detects the temperature in a non-contact state with the metal support layer 60, and the like are used.
コントローラ２４０は、誘導加熱部２１０のロボット２１３や電源２１２の作動を制御する。これによって、ロボット２１３は誘導コイル２１１をメタルサポートセル１０に向かい合わせ、電源２１２は誘導コイル２１１に高周波電流を流す。コントローラ２４０は、含浸部２２０のロボット２２３や滴下器具２２１の作動を制御する。これによって、ロボット２２３は滴下器具２２１をメタルサポートセル１０の金属サポート層６０の上方に移動し、滴下器具２２１から触媒含浸溶液を滴下する。コントローラ２４０は、搬送部２３０のロボット２３１の作動を制御する。これによって、メタルサポートセル１０は、誘導加熱部２１０に搬入され、誘導加熱部２１０と含浸部２２０との間で移動され、誘導加熱部２１０から搬出される。 The controller 240 controls the operation of the robot 213 of the induction heating unit 210 and the power supply 212. As a result, the robot 213 directs the induction coil 211 toward the metal support cell 10, and the power supply 212 causes a high-frequency current to flow through the induction coil 211. The controller 240 controls the operation of the robot 223 of the impregnation unit 220 and the dropping device 221. As a result, the robot 223 moves the dropping device 221 above the metal support layer 60 of the metal support cell 10 and drops the catalyst impregnated solution from the dropping device 221. The controller 240 controls the operation of the robot 231 of the transport unit 230. As a result, the metal support cell 10 is carried into the induction heating unit 210, moved between the induction heating unit 210 and the impregnation unit 220, and is carried out from the induction heating unit 210.
図３、図４Ａ〜図４Ｅを参照しつつ、触媒層形成装置２００におけるメタルサポートセル１０の触媒層形成手順を説明する。 The catalyst layer forming procedure of the metal support cell 10 in the catalyst layer forming apparatus 200 will be described with reference to FIGS. 3 and 4A to 4E.
図４Ａに示すように、コントローラ２４０は、搬送部２３０のロボット２３１の作動を制御し、メタルサポートセル１０を触媒層形成装置２００に配置する（図１のステップＳ１０：配置工程）。 As shown in FIG. 4A, the controller 240 controls the operation of the robot 231 of the transport unit 230 and arranges the metal support cell 10 in the catalyst layer forming apparatus 200 (step S10 in FIG. 1: arrangement step).
図４Ｂに示すように、コントローラ２４０は、誘導加熱部２１０のロボット２１３や電源２１２の作動を制御し、ロボット２１３によって誘導コイル２１１をメタルサポートセル１０に向かい合わせ、電源２１２から誘導コイル２１１に高周波電流を流す。誘導コイル２１１に高周波電流が流れると、図４Ｂに破線によって示されるように、誘導コイル２１１を取り巻くように磁力線２１４が発生する。誘導コイル２１１から発生した磁力線２１４によって、メタルサポートセル１０の金属サポート層６０に渦電流が誘起される。金属サポート層６０は、渦電流によってジュール熱が発生し、誘導加熱される。金属サポート層６０の温度は、触媒含浸溶液の含浸を促進するのに適した予め定められた温度（Ｔ１）まで上昇する（図１のステップＳ２０：含浸促進工程）。含浸促進工程の誘導電流を、Ｉ１とする。 As shown in FIG. 4B, the controller 240 controls the operation of the robot 213 and the power supply 212 of the induction heating unit 210, causes the induction coil 211 to face the metal support cell 10 by the robot 213, and has a high frequency from the power supply 212 to the induction coil 211. Apply an electric current. When a high-frequency current flows through the induction coil 211, magnetic field lines 214 are generated so as to surround the induction coil 211, as shown by a broken line in FIG. 4B. Eddy currents are induced in the metal support layer 60 of the metal support cell 10 by the magnetic field lines 214 generated from the induction coil 211. The metal support layer 60 is induced and heated by generating Joule heat due to an eddy current. The temperature of the metal support layer 60 rises to a predetermined temperature (T1) suitable for promoting the impregnation of the catalyst impregnation solution (step S20 in FIG. 1: impregnation promotion step). The induced current in the impregnation promotion step is I1.
予め設定された温度まで金属サポート層６０の予熱が終了すると、図４Ｃに示すように、コントローラ２４０は、搬送部２３０のロボット２３１の作動を制御し、メタルサポートセル１０を、誘導加熱部２１０から含浸部２２０に移動する。コントローラ２４０は、含浸部２２０のロボット２２３や滴下器具２２１の作動を制御し、ロボット２２３によって滴下器具２２１をメタルサポートセル１０の金属サポート層６０の上方に移動し、滴下器具２２１から触媒含浸溶液を滴下する。触媒含浸溶液は、鉛直上方から滴下することによって、毛細管現象と重量による沈降効果とが相まって、金属サポート層６０に含浸する（図１のステップＳ３０：含浸工程）。触媒粒子は、アノード電極層５０と電解質層４０との界面近傍まで浸透する。 When the preheating of the metal support layer 60 to a preset temperature is completed, as shown in FIG. 4C, the controller 240 controls the operation of the robot 231 of the transport unit 230 to move the metal support cell 10 from the induction heating unit 210. It moves to the impregnated portion 220. The controller 240 controls the operation of the robot 223 and the dropping device 221 of the impregnation unit 220, moves the dropping device 221 above the metal support layer 60 of the metal support cell 10 by the robot 223, and transfers the catalyst impregnation solution from the dropping device 221. Drop. The catalyst-impregnated solution is impregnated into the metal support layer 60 by dropping from vertically above, in combination with the capillary phenomenon and the settling effect due to weight (step S30 in FIG. 1: impregnation step). The catalyst particles penetrate to the vicinity of the interface between the anode electrode layer 50 and the electrolyte layer 40.
予め定められた保持時間が経過して、含浸が終了すると、図４Ｄに示すように、コントローラ２４０は、搬送部２３０のロボット２３１の作動を制御し、メタルサポートセル１０を、含浸部２２０から誘導加熱部２１０に移動する。コントローラ２４０は、誘導加熱部２１０のロボット２１３や電源２１２の作動を制御し、ロボット２１３によって誘導コイル２１１をメタルサポートセル１０に向かい合わせ、電源２１２から誘導コイル２１１に高周波電流を流す。含浸促進工程のときと同様に、誘導コイル２１１に高周波電流が流れると、図４Ｄに破線によって示されるように、磁力線２１４が発生し、金属サポート層６０は誘導加熱される。金属サポート層６０の温度は、触媒含浸溶液の溶液成分を除去するのに適した予め定められた温度（Ｔ２）まで上昇する（図１のステップＳ４０：溶液除去工程）。溶液除去工程の誘導電流を、Ｉ２（Ｉ２＞Ｉ１）とする。 When the impregnation is completed after the predetermined holding time has elapsed, as shown in FIG. 4D, the controller 240 controls the operation of the robot 231 of the transport unit 230 and guides the metal support cell 10 from the impregnation unit 220. Move to the heating unit 210. The controller 240 controls the operation of the robot 213 and the power supply 212 of the induction heating unit 210, causes the induction coil 211 to face the metal support cell 10 by the robot 213, and causes a high frequency current to flow from the power supply 212 to the induction coil 211. When a high-frequency current flows through the induction coil 211 as in the impregnation promotion step, magnetic field lines 214 are generated and the metal support layer 60 is induced and heated, as shown by a broken line in FIG. 4D. The temperature of the metal support layer 60 rises to a predetermined temperature (T2) suitable for removing the solution component of the catalyst impregnated solution (step S40 in FIG. 1: solution removing step). The induced current in the solution removing step is I2 (I2> I1).
予め定められた保持時間が経過して、含浸液に含まれる溶媒や界面活性材などの有機成分の除去が終了すると、図４Ｅに示すように、コントローラ２４０は、電源２１２から誘導コイル２１１に高周波電流を流す。溶液除去工程のときと同様に、誘導コイル２１１に高周波電流が流れると、図４Ｅに破線によって示されるように、磁力線２１４が発生し、金属サポート層６０は誘導加熱される。金属サポート層６０の温度は、溶液が除去された触媒成分をアノード電極層５０と電解質層４０との界面に定着させるのに適した予め定められた温度（Ｔ３）まで上昇する（図１のステップＳ５０：触媒焼成工程）。触媒焼成工程の誘導電流を、Ｉ３（Ｉ３＞Ｉ２＞Ｉ１）とする。 After the predetermined holding time has elapsed and the removal of organic components such as the solvent and the surfactant contained in the impregnating liquid is completed, the controller 240 has a high frequency from the power supply 212 to the induction coil 211 as shown in FIG. 4E. Apply an electric current. When a high-frequency current flows through the induction coil 211 as in the solution removing step, magnetic field lines 214 are generated and the metal support layer 60 is induced and heated, as shown by a broken line in FIG. 4E. The temperature of the metal support layer 60 rises to a predetermined temperature (T3) suitable for fixing the catalyst component from which the solution has been removed to the interface between the anode electrode layer 50 and the electrolyte layer 40 (step of FIG. 1). S50: catalyst firing step). The induced current in the catalyst firing step is I3 (I3> I2> I1).
予め定められた保持時間が経過して、イオンとして溶媒に溶けていた金属を析出させて触媒層５５の形成が終了すると、コントローラ２４０は、搬送部２３０のロボット２３１の作動を制御し、メタルサポートセル１０を、誘導加熱部２１０から搬出する。 When the predetermined holding time elapses and the metal dissolved in the solvent is precipitated as ions to complete the formation of the catalyst layer 55, the controller 240 controls the operation of the robot 231 of the transport unit 230 to support the metal. The cell 10 is carried out from the induction heating unit 210.
触媒層形成装置２００におけるメタルサポートセル１０の触媒層形成手順によれば、誘導加熱部２１０の誘導コイル２１１に通電し金属サポート層６０を複数回誘導加熱する誘導加熱において、金属サポート層６０のみを選択的に加熱して、メタルサポートセル１０への含浸液の含浸を促進し、乾燥およびか焼・触媒焼成を実施している。 According to the catalyst layer forming procedure of the metal support cell 10 in the catalyst layer forming apparatus 200, only the metal support layer 60 is heated in the induction heating in which the induction coil 211 of the induction heating unit 210 is energized and the metal support layer 60 is induced and heated a plurality of times. The metal support cell 10 is selectively heated to promote impregnation of the impregnating liquid into the metal support cell 10, and drying and firing / catalytic firing are carried out.
誘導加熱部２１０において金属サポート層６０のみを選択的に加熱できるため（図４Ｂ）、含浸工程（図４Ｃ）において溶媒の揮発を抑えながら、触媒含浸溶液を所望の位置に含浸できる。 Since only the metal support layer 60 can be selectively heated in the induction heating unit 210 (FIG. 4B), the catalyst impregnation solution can be impregnated at a desired position while suppressing the volatilization of the solvent in the impregnation step (FIG. 4C).
含浸促進工程（図４Ｂ）のみならず、溶液除去工程（図４Ｄ）および触媒焼成工程（図４Ｅ）にも誘導加熱部２１０を使用している。外部から加熱するタイプのホットプレートや電気炉などを乾燥および焼成の工程ごとに独立して適用する場合に比較して、触媒層形成装置２００の構成が簡素なものとなり、エネルギーロスを抑えることができる。 The induction heating unit 210 is used not only in the impregnation acceleration step (FIG. 4B) but also in the solution removing step (FIG. 4D) and the catalyst firing step (FIG. 4E). Compared to the case where a hot plate or electric furnace that heats from the outside is applied independently for each drying and firing process, the configuration of the catalyst layer forming apparatus 200 is simplified and energy loss can be suppressed. it can.
誘導加熱を適用することによって、金属サポート層６０を効率的に発熱させ、メタルサポートセル１０全体の昇温速度を早くできる。この結果、触媒層５５を形成する工程全体のリードタイムが短縮される。 By applying the induction heating, the metal support layer 60 can be efficiently generated by heat, and the heating rate of the entire metal support cell 10 can be increased. As a result, the lead time of the entire process of forming the catalyst layer 55 is shortened.
このように、本実施形態の触媒層形成装置２００によれば、メタルサポートセル１０において触媒層５５を効率的に形成することが可能となる。 As described above, according to the catalyst layer forming apparatus 200 of the present embodiment, the catalyst layer 55 can be efficiently formed in the metal support cell 10.
本実施形態の触媒層形成装置２００では、誘導加熱部２１０における含浸促進工程（図４Ｂ）は、含浸工程（図４Ｃ）の前に実施している。このようにすれば、金属サポート層６０は、含浸工程（図４Ｃ）を実施するときにはすでに十分に昇温されている。この結果、触媒含浸溶液の含浸を早くできる。 In the catalyst layer forming apparatus 200 of the present embodiment, the impregnation promotion step (FIG. 4B) in the induction heating unit 210 is performed before the impregnation step (FIG. 4C). In this way, the metal support layer 60 has already been sufficiently heated when the impregnation step (FIG. 4C) is performed. As a result, the impregnation of the catalyst impregnation solution can be accelerated.
誘導加熱される金属サポート層６０の温度は、触媒焼成工程時の温度（Ｔ３）＞溶液除去工程の温度（Ｔ２）＞含浸促進工程の温度（Ｔ１）の関係にある。このため、含浸促進工程において金属サポート層６０に生じる誘導電流（Ｉ１）、溶液除去工程において金属サポート層６０に生じる誘導電流（Ｉ２）、および触媒焼成工程において金属サポート層６０に生じる誘導電流（Ｉ３）の大きさは、Ｉ３＞Ｉ２＞Ｉ１なる関係である。各工程において要求される金属サポート層６０の温度は、その温度に比例して、誘導電流を大きくすることによって容易に調整できる。誘導電流の大きさは、電源２１２から誘導コイル２１１に流す高周波電流の周波数などを調整することによって容易に調整できる。 The temperature of the metal support layer 60 that is induced to be heated has a relationship of the temperature in the catalyst firing step (T3)> the temperature in the solution removing step (T2)> the temperature in the impregnation promotion step (T1). Therefore, the induced current (I1) generated in the metal support layer 60 in the impregnation promotion step, the induced current (I2) generated in the metal support layer 60 in the solution removing step, and the induced current (I3) generated in the metal support layer 60 in the catalyst firing step. ) Is in the relationship of I3> I2> I1. The temperature of the metal support layer 60 required in each step can be easily adjusted by increasing the induced current in proportion to the temperature. The magnitude of the induced current can be easily adjusted by adjusting the frequency of the high-frequency current flowing from the power supply 212 to the induction coil 211.
図７〜図１０を参照して、上述のようにして触媒層５５を形成したメタルサポートセル１０を有する燃料電池スタック１について説明する。以下の説明の便宜のため、ＸＹＺ直交座標系を図中に示す。Ｘ軸およびＹ軸は水平方向、Ｚ軸は上下方向にそれぞれ平行な軸を示す。 A fuel cell stack 1 having a metal support cell 10 having a catalyst layer 55 formed as described above will be described with reference to FIGS. 7 to 10. The XYZ Cartesian coordinate system is shown in the figure for convenience of the following description. The X-axis and Y-axis indicate horizontal axes, and the Z-axis indicates vertical axes.
図７は、燃料電池スタック１を示す分解斜視図である。燃料電池スタック１は、複数のセルユニット１Ｕを上下方向に積層して構成される。以下、図中にＺ軸で示す燃料電池スタック１の上下方向を「積層方向」とも称する。また、セルユニット１Ｕを構成する各層の面方向は、ＸＹ面方向に相当する。 FIG. 7 is an exploded perspective view showing the fuel cell stack 1. The fuel cell stack 1 is configured by stacking a plurality of cell units 1U in the vertical direction. Hereinafter, the vertical direction of the fuel cell stack 1 indicated by the Z axis in the figure is also referred to as a “stacking direction”. Further, the plane direction of each layer constituting the cell unit 1U corresponds to the XY plane direction.
（セルユニット１Ｕ）
図８は、セルユニット１Ｕの分解斜視図である。図８に示すように、セルユニット１Ｕは、メタルサポートセルアッセンブリー１Ａ、ガスの流路を区画形成する流路部１２１を備えるセパレータ１２０、および集電補助層１３０を積層して構成される。なお、メタルサポートセルアッセンブリー１Ａと集電補助層１３０との間に両者を導通接触させる接点材を配置してもよいし、集電補助層１３０を省く構造としてもよい。
(Cell unit 1U)
FIG. 8 is an exploded perspective view of the cell unit 1U. As shown in FIG. 8, the cell unit 1U is configured by laminating a metal support cell assembly 1A, a separator 120 having a flow path portion 121 for partitioning a gas flow path, and a current collecting auxiliary layer 130. A contact material for conducting conductive contact between the metal support cell assembly 1A and the current collecting auxiliary layer 130 may be arranged, or the current collecting auxiliary layer 130 may be omitted.
図９は、メタルサポートセルアッセンブリー１Ａの分解斜視図であり、図１０は、メタルサポートセルアッセンブリー１Ａの部分断面図である。図９および図１０に示すように、メタルサポートセルアッセンブリー１Ａは、メタルサポートセル１０と、メタルサポートセル１０の周囲を囲曉して保持する金属フレーム７０と、を有する。 FIG. 9 is an exploded perspective view of the metal support cell assembly 1A, and FIG. 10 is a partial cross-sectional view of the metal support cell assembly 1A. As shown in FIGS. 9 and 10, the metal support cell assembly 1A includes a metal support cell 10 and a metal frame 70 that surrounds and holds the periphery of the metal support cell 10.
金属フレーム７０は、メタルサポートセル１０の電解質層４０に焼結結合される。焼結結合は、面接合であるため、点接合の溶接に比べて接合強度が高くなる。また、金属フレーム７０および電解質層４０は、緻密でありガス遮蔽性を有する。このため、金属フレーム７０および電解質層４０を接合することによって、ガスのシール機能を確保できる。 The metal frame 70 is sintered and bonded to the electrolyte layer 40 of the metal support cell 10. Since the sintered bond is a surface bond, the bond strength is higher than that of the point weld. Further, the metal frame 70 and the electrolyte layer 40 are dense and have a gas shielding property. Therefore, the gas sealing function can be ensured by joining the metal frame 70 and the electrolyte layer 40.
（金属フレーム７０）
金属フレーム７０は、図９および図１０に示すように、メタルサポートセル１０を周囲から保持するものである。図９に示すように、金属フレーム７０は、開口部７０Ｈを有する。金属フレーム７０の開口部７０Ｈに、メタルサポートセル１０が配置される。メタルサポートセル１０の電解質層４０は、金属フレーム７０の開口部７０Ｈの内縁に焼結結合により面接合される。
(Metal frame 70)
As shown in FIGS. 9 and 10, the metal frame 70 holds the metal support cell 10 from the surroundings. As shown in FIG. 9, the metal frame 70 has an opening 70H. The metal support cell 10 is arranged in the opening 70H of the metal frame 70. The electrolyte layer 40 of the metal support cell 10 is surface-bonded to the inner edge of the opening 70H of the metal frame 70 by a sintering bond.
金属フレーム７０は、ガスを透過させない緻密な金属材料、例えば、ステンレスから形成される。金属フレーム７０の緻密度は、ガス遮蔽性を有する限りにおいて特に限定されないが、９０％以上あることが好ましく、９６％以上であることがより好ましく、９８％以上であることが特に好ましい。金属フレーム７０の表面は、絶縁処理が施されている。 The metal frame 70 is made of a dense metal material that is impermeable to gas, such as stainless steel. The density of the metal frame 70 is not particularly limited as long as it has a gas shielding property, but is preferably 90% or more, more preferably 96% or more, and particularly preferably 98% or more. The surface of the metal frame 70 is insulated.
金属フレーム７０は、図９に示すように、アノードガスが流通するアノードガス流入口７０ａおよびアノードガス流出口７０ｂと、カソードガスが流通するカソードガス流入口７０ｃおよびカソードガス流出口７０ｄと、を有している。 As shown in FIG. 9, the metal frame 70 has an anode gas inlet 70a and an anode gas outlet 70b through which the anode gas flows, and a cathode gas inlet 70c and a cathode gas outlet 70d through which the cathode gas flows. doing.
（セパレータ１２０）
図８に示すように、セパレータ１２０の流路部１２１は、凹凸形状が一方向（Ｙ方向）に延在するように略直線状に形成されている。従って、流路部１２１に沿って流れるガスの流れ方向は、Ｙ方向となる。
(Separator 120)
As shown in FIG. 8, the flow path portion 121 of the separator 120 is formed in a substantially linear shape so that the uneven shape extends in one direction (Y direction). Therefore, the flow direction of the gas flowing along the flow path portion 121 is the Y direction.
図８に示すように、セパレータ１２０は、アノードガスが流通するアノードガス流入口１２５ａおよびアノードガス流出口１２５ｂと、カソードガスが流通するカソードガス流入口１２５ｃおよびカソードガス流出口１２５ｄと、を有している。 As shown in FIG. 8, the separator 120 has an anode gas inlet 125a and an anode gas outlet 125b through which the anode gas flows, and a cathode gas inlet 125c and a cathode gas outlet 125d through which the cathode gas flows. ing.
（集電補助層１３０）
集電補助層１３０は、ガスを通す空間を形成しつつ面圧を均等にして、メタルサポートセル１０とセパレータ１２０との電気的な接触を補助する。集電補助層１３０は、例えば、金網状のエキスパンドメタル等によって形成することができる。
(Current collector auxiliary layer 130)
The current collecting auxiliary layer 130 assists the electrical contact between the metal support cell 10 and the separator 120 by equalizing the surface pressure while forming a space through which gas passes. The current collecting auxiliary layer 130 can be formed of, for example, a wire mesh-like expanded metal or the like.
（変形例１）
図１１は、変形例１のメタルサポートセル１０の触媒層形成方法の手順を示す概略フローチャートである。図１２Ａは、変形例１のメタルサポートセル１０を示す断面図、図１２Ｂは、触媒５６を担持したアノード電極層５０を示す断面図、アノード電極層５０と電解質層４０との界面に触媒５６を担持した状態を示す断面図である。
(Modification example 1)
FIG. 11 is a schematic flowchart showing the procedure of the catalyst layer forming method of the metal support cell 10 of the modified example 1. FIG. 12A is a cross-sectional view showing the metal support cell 10 of the modified example 1, FIG. 12B is a cross-sectional view showing the anode electrode layer 50 carrying the catalyst 56, and the catalyst 56 is placed at the interface between the anode electrode layer 50 and the electrolyte layer 40. It is sectional drawing which shows the supported state.
図１１のフローチャートを参照して、変形例１のメタルサポートセル１０の触媒層形成方法は、複数の触媒層５５ａ、５５ｂを形成する点において、実施形態の形成方法と相違する。変形例１の形成方法は、実施形態と同様に、配置工程（ステップＳ１０）と、含浸工程（ステップＳ３０）と、触媒層形成装置２００の誘導コイル２１１に通電し金属サポート層６０を複数回誘導加熱する誘導加熱工程（ステップＳ２０、Ｓ４０、Ｓ５０）と、を有する。誘導加熱工程は、含浸促進工程（ステップＳ２０）と、溶液除去工程（ステップＳ４０）と、触媒焼成工程（ステップＳ５０）と、を有する。ステップＳ６０において、複数の触媒層５５ａ、５５ｂの形成が終了したか否かを判断する。複数の触媒層５５ａ、５５ｂの形成が終了していない場合（ステップＳ６０：ＮＯ）、処理はステップＳ２０に戻り、含浸促進工程（ステップＳ２０）、含浸工程（ステップＳ３０）、溶液除去工程（ステップＳ４０）、および触媒焼成工程（ステップＳ５０）を実施する。複数回の含浸工程（ステップＳ３０）は、触媒濃度が異なる触媒含浸溶液を含浸させる。一方、複数の触媒層５５ａ、５５ｂの形成が終了した場合（ステップＳ６０：ＹＥＳ）、処理は終了する。なお、形成する複数の触媒層が２層に限られないことはいうまでもない。 With reference to the flowchart of FIG. 11, the catalyst layer forming method of the metal support cell 10 of the first modification differs from the forming method of the embodiment in that a plurality of catalyst layers 55a and 55b are formed. Similar to the embodiment, the method of forming the first modification is the arrangement step (step S10), the impregnation step (step S30), and the induction coil 211 of the catalyst layer forming apparatus 200 is energized to induce the metal support layer 60 a plurality of times. It has an induction heating step (steps S20, S40, S50) for heating. The induction heating step includes an impregnation promotion step (step S20), a solution removing step (step S40), and a catalyst firing step (step S50). In step S60, it is determined whether or not the formation of the plurality of catalyst layers 55a and 55b is completed. When the formation of the plurality of catalyst layers 55a and 55b is not completed (step S60: NO), the treatment returns to step S20, and the impregnation promotion step (step S20), the impregnation step (step S30), and the solution removing step (step S40). ), And the catalyst firing step (step S50). The plurality of impregnation steps (step S30) impregnate the catalyst impregnation solutions having different catalyst concentrations. On the other hand, when the formation of the plurality of catalyst layers 55a and 55b is completed (step S60: YES), the treatment is completed. Needless to say, the plurality of catalyst layers to be formed is not limited to two layers.
このように、変形例１の形成方法では、含浸工程、誘導加熱工程における含浸促進工程、溶液除去工程、および触媒焼成工程を複数回繰り返すことによって複数の触媒層５５ａ、５５ｂを形成する。 As described above, in the formation method of the modified example 1, a plurality of catalyst layers 55a and 55b are formed by repeating the impregnation step, the impregnation promotion step in the induction heating step, the solution removing step, and the catalyst firing step a plurality of times.
さらに、変形例１の形成方法では、複数回の含浸工程は、触媒濃度が異なる触媒含浸溶液を含浸させ、複数の触媒層５５ａ、５５ｂを形成する。 Further, in the formation method of the first modification, the plurality of impregnation steps impregnate the catalyst impregnation solutions having different catalyst concentrations to form the plurality of catalyst layers 55a and 55b.
図１２Ａに示すように、変形例１のメタルサポートセル１０の触媒層形成方法によれば、実施形態の作用・効果に加えて、複数の触媒層５５ａ、５５ｂを形成することができる。第１層目の触媒層５５ａは、アノード電極層５０と電解質層４０との界面に形成される。第２層目の触媒層５ｂは、第１層目の触媒層５５ａから若干離間した位置に形成することができる。アノード電極層５０は、電解質層４０との界面だけではなく、界面から離間した位置にも触媒５６を担持することができる。これによって、触媒５６の機能を十分に発揮させ、発電性能の向上を図ることができる。 As shown in FIG. 12A, according to the catalyst layer forming method of the metal support cell 10 of the first modification, a plurality of catalyst layers 55a and 55b can be formed in addition to the actions and effects of the embodiment. The catalyst layer 55a of the first layer is formed at the interface between the anode electrode layer 50 and the electrolyte layer 40. The catalyst layer 5b of the second layer can be formed at a position slightly separated from the catalyst layer 55a of the first layer. The anode electrode layer 50 can support the catalyst 56 not only at the interface with the electrolyte layer 40 but also at a position separated from the interface. As a result, the function of the catalyst 56 can be fully exerted and the power generation performance can be improved.
さらに、複数回の含浸工程は、触媒濃度が異なる触媒含浸溶液を含浸させている。このようにすれば、図１２Ｂおよび図１２Ｃに示すように、触媒５６の分布濃度が異なる複数の触媒層５５ａ、５５ｂを形成することができる。２回目の触媒含浸溶液の触媒濃度を小さくすることにより、アノード電極層５０と電解質層４０との界面においては触媒５６の分布濃度が大きくなり（図１２Ｃ）、界面から離間した位置においては触媒５６の分布濃度が小さくなる。なお、図１２Ｂおよび図１２Ｃにおいて符号５７は、電解質骨格を示している。 Further, the plurality of impregnation steps impregnate the catalyst impregnation solutions having different catalyst concentrations. In this way, as shown in FIGS. 12B and 12C, a plurality of catalyst layers 55a and 55b having different distribution concentrations of the catalyst 56 can be formed. By reducing the catalyst concentration of the second catalyst impregnation solution, the distribution concentration of the catalyst 56 increases at the interface between the anode electrode layer 50 and the electrolyte layer 40 (FIG. 12C), and the catalyst 56 is located at a position away from the interface. The distribution concentration of is small. In addition, in FIG. 12B and FIG. 12C, reference numeral 57 indicates an electrolyte skeleton.
（変形例２、変形例３）
図１３は、変形例２のメタルサポートセル１０において２回目以降の含浸工程を実施した領域を示す平面図である。図１４は、変形例３のメタルサポートセル１０において２回目以降の含浸工程を実施した領域を示す平面図である。図１３および図１４において、白抜き矢印８１は、燃料入口におけるガス流れを示し、白抜き矢印８２は、燃料出口におけるガス流れを示している。
(Modification 2 and Modification 3)
FIG. 13 is a plan view showing a region where the second and subsequent impregnation steps are performed in the metal support cell 10 of the modified example 2. FIG. 14 is a plan view showing a region where the second and subsequent impregnation steps are performed in the metal support cell 10 of the modified example 3. In FIGS. 13 and 14, the white arrow 81 indicates the gas flow at the fuel inlet, and the white arrow 82 indicates the gas flow at the fuel outlet.
変形例２および変形例３の形成方法は、メタルサポートセル１０を平面視して２回目以降の含浸工程を一部の領域に実施している点で変形例１と相違する。変形例１の形成方法は、メタルサポートセル１０を平面視した状態において複数回の含浸工程を同じ領域に実施している。 The method of forming the modified example 2 and the modified example 3 is different from the modified example 1 in that the second and subsequent impregnation steps are carried out in a part of the region with the metal support cell 10 viewed in a plan view. In the method of forming the first modification, the impregnation step is performed a plurality of times in the same region while the metal support cell 10 is viewed in a plan view.
図１３に示すように、メタルサポートセル１０においてガス流れ（図１３において左側から右側への流れ）に対して外周側（図１３において上方側および下方側）は、外部への放熱の影響を受けやすい。このため、メタルサポートセル１０の外周側は、内側領域に比べて低温になりやすい。電極層３０、５０は、平面視した面方向において温度のバラツキが生じると、面方向において劣化が不均一になる。その結果、電極層３０、５０に応力が作用したときに割れやひびなどが生じて、ガスリークが生じる虞がある。 As shown in FIG. 13, in the metal support cell 10, the outer peripheral side (upper side and lower side in FIG. 13) of the gas flow (flow from the left side to the right side in FIG. 13) is affected by heat dissipation to the outside. Cheap. Therefore, the outer peripheral side of the metal support cell 10 tends to have a lower temperature than the inner region. When the temperature of the electrode layers 30 and 50 varies in the plane direction, the deterioration becomes non-uniform in the plane direction. As a result, when stress acts on the electrode layers 30 and 50, cracks and cracks may occur, resulting in a gas leak.
そこで、変形例２の形成方法は、２回目以降の含浸工程は、メタルサポートセル１０においてガス流れに対して外周側となる部位８３にのみ実施する。 Therefore, in the method of forming the modified example 2, the second and subsequent impregnation steps are performed only on the portion 83 of the metal support cell 10 that is on the outer peripheral side with respect to the gas flow.
このようにすれば、外周側における触媒の担持量が多くなり、発電性能が高まり、内側領域との温度差を小さくできる。電極層３０、５０は、平面視した面方向において温度のバラツキが小さく、面方向において劣化が均一になる。その結果、電極層３０、５０に応力が作用しても割れやひびなどが生じることがなく、ガスリークの発生を抑えることができる。 By doing so, the amount of the catalyst supported on the outer peripheral side is increased, the power generation performance is enhanced, and the temperature difference from the inner region can be reduced. The temperature of the electrode layers 30 and 50 varies little in the plane direction and the deterioration becomes uniform in the plane direction. As a result, even if stress acts on the electrode layers 30 and 50, cracks and cracks do not occur, and the occurrence of gas leak can be suppressed.
炭化水素燃料の改質は、メタルサポートセル１０の燃料入口側において促進させる必要がある。 The reforming of the hydrocarbon fuel needs to be promoted on the fuel inlet side of the metal support cell 10.
そこで、図１４に示すように変形例３の形成方法は、２回目以降の含浸工程は、メタルサポートセル１０において燃料ガスの入口側となる部位８４にのみ実施する。 Therefore, as shown in FIG. 14, in the method of forming the modified example 3, the second and subsequent impregnation steps are performed only on the portion 84 on the inlet side of the fuel gas in the metal support cell 10.
このようにすれば、燃料入口側における触媒の担持量が多くなり、炭化水素燃料の内部改質を促進できる。その結果、炭化水素燃料を水素に転化してアノード電極層５０に供給でき、発電性能を高めることができる。 By doing so, the amount of the catalyst supported on the fuel inlet side increases, and the internal reforming of the hydrocarbon fuel can be promoted. As a result, the hydrocarbon fuel can be converted into hydrogen and supplied to the anode electrode layer 50, and the power generation performance can be improved.
変形例２および変形例３の形成方法において、複数回の含浸工程は、触媒濃度が異なる触媒含浸溶液を含浸させ、複数の触媒層５５を形成することができる。さらに、複数回の含浸工程は、触媒含浸溶液の触媒濃度を異ならせるだけでなく、触媒成分を異ならせることができる。例えば、変形例３の形成方法において、２回目以降の触媒成分は内部改質を一層促進する成分を含むことができる。 In the methods for forming the modified examples 2 and 3, the plurality of impregnation steps can impregnate the catalyst impregnated solutions having different catalyst concentrations to form the plurality of catalyst layers 55. Further, the multiple impregnation steps can not only make the catalyst concentration of the catalyst impregnation solution different, but also make the catalyst components different. For example, in the formation method of Modification 3, the catalyst component from the second time onward may contain a component that further promotes internal modification.
（変形例４）
図１５は、変形例４の誘導コイル２１１をメタルサポートセル１０の金属サポート層６０の側から見た平面図である。
(Modification example 4)
FIG. 15 is a plan view of the induction coil 211 of the modified example 4 as viewed from the side of the metal support layer 60 of the metal support cell 10.
金属サポート層６０を誘導加熱してメタルサポートセル１０を加熱する場合、メタルサポートセル１０の外周部は外部への放熱量が大きい。このため、メタルサポートセル１０の外周部は、中心部に比べて低温になりやすい。誘導加熱時にメタルサポートセル１０の外周部と中心部との間の温度差が過大になると、メタルサポートセル１０に熱応力が作用し、割れやひびなどの不具合が生じる虞がある。 When the metal support layer 60 is induced and heated to heat the metal support cell 10, the outer peripheral portion of the metal support cell 10 has a large amount of heat radiation to the outside. Therefore, the outer peripheral portion of the metal support cell 10 tends to have a lower temperature than the central portion. If the temperature difference between the outer peripheral portion and the central portion of the metal support cell 10 becomes excessive during induction heating, thermal stress acts on the metal support cell 10, which may cause problems such as cracks and cracks.
図１５に示すように、変形例４の誘導コイル２１１は、メタルサポートセル１０の金属サポート層６０の側から見て、メタルサポートセル１０の外周縁に沿う形状を有する第１コイル部２４１と、第１コイル部２４１の内側に配置されメタルサポートセル１０の中心部に位置する第２コイル部２４２とを有する。 As shown in FIG. 15, the induction coil 211 of the modified example 4 has a first coil portion 241 having a shape along the outer peripheral edge of the metal support cell 10 when viewed from the side of the metal support layer 60 of the metal support cell 10. It has a second coil portion 242 arranged inside the first coil portion 241 and located at the center of the metal support cell 10.
上記の誘導コイル２１１を使用する変形例４の形成方法では、誘導加熱工程における含浸促進工程、溶液除去工程、および触媒焼成工程は、メタルサポートセル１０の外周部および中心部を加熱する。 In the method of forming the modified example 4 using the induction coil 211 described above, the impregnation promotion step, the solution removing step, and the catalyst firing step in the induction heating step heat the outer peripheral portion and the central portion of the metal support cell 10.
ここに、「メタルサポートセル１０の外周部および中心部を加熱する」とは、メタルサポートセル１０の外周部から放熱されることを考慮して、メタルサポートセル１０を平面視した面方向において、面内の温度分布をできるだけ均一に加熱することを意図したものである。したがって、メタルサポートセル１０の外周部および中心部は、特定の部分に限定されるものではなく、メタルサポートセル１０の大きさや形状（正方形か、または長方形かなど）などに応じて変動する。 Here, "heating the outer peripheral portion and the central portion of the metal support cell 10" means that heat is dissipated from the outer peripheral portion of the metal support cell 10 in the plane direction of the metal support cell 10 in a plan view. It is intended to heat the in-plane temperature distribution as uniformly as possible. Therefore, the outer peripheral portion and the central portion of the metal support cell 10 are not limited to a specific portion, but vary depending on the size and shape (square or rectangular, etc.) of the metal support cell 10.
このようにすれば、メタルサポートセル１０の外周部は、放熱量が大きいものの、誘導コイル２１１の第１コイル部２４１によって十分に誘導加熱される。メタルサポートセル１０は、平面視した面方向において、面内の温度分布が均一になる。その結果、メタルサポートセル１０に作用する熱応力が緩和され、誘導加熱時の割れやひびなどの不具合が生じることを防止して、メタルサポートセル１０に触媒層５５を形成できる。 In this way, the outer peripheral portion of the metal support cell 10 is sufficiently induced and heated by the first coil portion 241 of the induction coil 211, although the amount of heat radiation is large. In the metal support cell 10, the temperature distribution in the plane becomes uniform in the plane direction in a plan view. As a result, the thermal stress acting on the metal support cell 10 is relaxed, and problems such as cracks and cracks during induction heating can be prevented, and the catalyst layer 55 can be formed on the metal support cell 10.
（変形例５および変形例６）
図１６および図１７は、変形例５および変形例６の誘導コイル２１１をメタルサポートセル１０の金属サポート層６０の側から見た平面図である。
(Modification 5 and Modification 6)
16 and 17 are plan views of the induction coils 211 of the modified examples 5 and 6 as viewed from the side of the metal support layer 60 of the metal support cell 10.
変形例５および変形例６は、変形例４と同様に、誘導加熱工程における含浸促進工程、溶液除去工程、および触媒焼成工程は、メタルサポートセル１０の外周部および中心部を加熱する。 In the modified examples 5 and 6, similarly to the modified example 4, the impregnation promotion step, the solution removing step, and the catalyst firing step in the induction heating step heat the outer peripheral portion and the central portion of the metal support cell 10.
図１６に示すように、変形例５の誘導コイル２１１は、変形例２（図１３を参照）のメタルサポートセル１０の触媒層５５を形成するのに適している。誘導コイル２１１は、メタルサポートセル１０の金属サポート層６０の側から見て、２回目以降の含浸工程を実施する領域（部位８３）に沿う形状を有する第１コイル部２４３および第２コイル部２４４と、第１コイル部２４３と第２コイル部２４４との間の中央位置に配置されメタルサポートセル１０の中心部に位置する第３コイル部２４５とを有する。 As shown in FIG. 16, the induction coil 211 of the modified example 5 is suitable for forming the catalyst layer 55 of the metal support cell 10 of the modified example 2 (see FIG. 13). The induction coil 211 has a shape along a region (site 83) where the second and subsequent impregnation steps are performed when viewed from the side of the metal support layer 60 of the metal support cell 10, and the first coil portion 243 and the second coil portion 244 have a shape. And a third coil portion 245 located at the center of the metal support cell 10 and located at the center between the first coil portion 243 and the second coil portion 244.
図１７に示すように、変形例６の誘導コイル２１１は、変形例３（図１４を参照）のメタルサポートセル１０の触媒層５５を形成するのに適している。誘導コイル２１１は、メタルサポートセル１０の金属サポート層６０の側から見て、２回目以降の含浸工程を実施する領域（部位８４）に沿う形状を有する第１コイル部２４６と、第１コイル部２４６の反対側に位置する第２コイル部２４７と、第１コイル部２４６と第２コイル部２４７との間の中央位置に配置されメタルサポートセル１０の中心部に位置する第３コイル部２４８とを有する。 As shown in FIG. 17, the induction coil 211 of the modification 6 is suitable for forming the catalyst layer 55 of the metal support cell 10 of the modification 3 (see FIG. 14). The induction coil 211 has a first coil portion 246 and a first coil portion having a shape along a region (site 84) where the second and subsequent impregnation steps are performed when viewed from the side of the metal support layer 60 of the metal support cell 10. A second coil portion 247 located on the opposite side of the 246, and a third coil portion 248 located at the center between the first coil portion 246 and the second coil portion 247 and located at the center of the metal support cell 10. Has.
このようにすれば、メタルサポートセル１０の外周部は、放熱量が大きいものの、誘導コイル２１１の第１コイル部２４３、２４６および第２コイル部２４４、２４７によって十分に誘導加熱される。メタルサポートセル１０は、平面視した面方向において、面内の温度分布が均一になる。その結果、メタルサポートセル１０に作用する熱応力が緩和され、誘導加熱時の割れやひびなどの不具合が生じることを防止して、メタルサポートセル１０に触媒層５５を形成できる。 In this way, the outer peripheral portion of the metal support cell 10 is sufficiently induced and heated by the first coil portions 243 and 246 and the second coil portions 244 and 247 of the induction coil 211, although the amount of heat radiation is large. In the metal support cell 10, the temperature distribution in the plane becomes uniform in the plane direction in a plan view. As a result, the thermal stress acting on the metal support cell 10 is relaxed, and problems such as cracks and cracks during induction heating can be prevented, and the catalyst layer 55 can be formed on the metal support cell 10.
さらに、変形例５の誘導コイル２１１を適用することによって、変形例２（図１３を参照）のメタルサポートセル１０の触媒層５５を好適に形成できる。また、変形例６の誘導コイル２１１を適用することによって、変形例３（図１４を参照）のメタルサポートセル１０の触媒層５５を好適に形成できる。 Further, by applying the induction coil 211 of the modification 5, the catalyst layer 55 of the metal support cell 10 of the modification 2 (see FIG. 13) can be suitably formed. Further, by applying the induction coil 211 of the modification 6, the catalyst layer 55 of the metal support cell 10 of the modification 3 (see FIG. 14) can be suitably formed.
（変形例７）
図１８は、変形例７の誘導コイル２１１をメタルサポートセル１０の金属サポート層６０の側から見た平面図である。図１８において、白抜き矢印８１は、燃料入口におけるガス流れを示し、白抜き矢印８２は、燃料出口におけるガス流れを示している。
(Modification 7)
FIG. 18 is a plan view of the induction coil 211 of the modified example 7 as viewed from the side of the metal support layer 60 of the metal support cell 10. In FIG. 18, the white arrow 81 indicates the gas flow at the fuel inlet, and the white arrow 82 indicates the gas flow at the fuel outlet.
メタルサポートセル１０は、燃料入口側において優先的に発電する。このため、メタルサポートセル１０の発電分布は、平面視した面方向において不均一になる。その結果、電極層３０，５０は、面方向において劣化が不均一になる。ところで、発電性能は、含浸する触媒の担持位置を電解質層４０に近づけるほど向上する。したがって、メタルサポートセル１０の厚み方向における触媒担持位置を変えることによって、メタルサポートセル１０の面内の発電分布を均一化することが可能となる。 The metal support cell 10 preferentially generates electricity on the fuel inlet side. Therefore, the power generation distribution of the metal support cell 10 becomes non-uniform in the plane direction in a plan view. As a result, the electrode layers 30 and 50 deteriorate unevenly in the plane direction. By the way, the power generation performance is improved as the supporting position of the impregnated catalyst is brought closer to the electrolyte layer 40. Therefore, by changing the catalyst-supporting position in the thickness direction of the metal support cell 10, it is possible to make the power generation distribution in the plane of the metal support cell 10 uniform.
図１８に示すように、変形例７の誘導コイル２１１は、メタルサポートセル１０の金属サポート層６０の側から見て、メタルサポートセル１０におけるガス流れ（図１８において左側から右側への流れ）に沿って複数個のコイル部を有する。図示例では、第１コイル部２５１〜第５コイル部２５５の５個のコイル部２５１、２５２、２５３、２５４、２５５を有する。第１コイル部２５１〜第５コイル部２５５は、それぞれのコイル部２５１〜２５５に供給される高周波電流の周波数などを独立して調整することができる。これによって、金属サポート層６０に誘起される誘導電流の大きさは、それぞれのコイル部２５１〜２５５が対向する位置ごとに異ならせることができる。その結果、金属サポート層６０は、それぞれのコイル部２５１〜２５５が対向する位置ごとに、誘導加熱による加熱温度を異ならせることができる。 As shown in FIG. 18, the induction coil 211 of the modified example 7 has a gas flow in the metal support cell 10 (flow from the left side to the right side in FIG. 18) when viewed from the side of the metal support layer 60 of the metal support cell 10. It has a plurality of coil portions along the line. In the illustrated example, the first coil portion 251 to the fifth coil portion 255 have five coil portions 251 and 252, 253, 254, and 255. The first coil portions 251 to the fifth coil portions 255 can independently adjust the frequency of the high frequency current supplied to the respective coil portions 251 to 255. As a result, the magnitude of the induced current induced in the metal support layer 60 can be made different for each position where the coil portions 251 to 255 face each other. As a result, the metal support layer 60 can have different heating temperatures due to induction heating for each of the positions where the coil portions 251 to 255 face each other.
上記の誘導コイル２１１を使用する変形例７の形成方法では、誘導加熱工程における含浸促進工程は、メタルサポートセル１０において燃料ガスの流れ方向に誘導電流の大きさを異ならせることによって、メタルサポートセル１０の厚み方向の触媒担持位置を異ならせている。 In the method of forming the modified example 7 using the induction coil 211 described above, the impregnation promotion step in the induction heating step is performed by making the magnitude of the induced current different in the flow direction of the fuel gas in the metal support cell 10. The catalyst supporting positions in the thickness direction of 10 are different.
金属サポート層６０に誘起される誘導電流の大きさを、それぞれのコイル部２５１〜２５５が対向する位置ごとに異ならせることによって、金属サポート層６０は、それぞれのコイル部２５１〜２５５が対向する位置ごとに、誘導加熱による加熱温度が異なる。加熱温度が低く設定された部位は、触媒含浸溶液が含浸しにくい条件となる。このため、メタルサポートセル１０の厚み方向の触媒担持位置を、電解質層４０から離れた位置にできる。一方、加熱温度が高く設定された部位は、触媒含浸溶液が含浸し易い条件となる。このため、メタルサポートセル１０の厚み方向の触媒担持位置を、電解質層４０に近づいた位置にできる。 By making the magnitude of the induced current induced in the metal support layer 60 different for each position where the coil portions 251 to 255 face each other, the metal support layer 60 has a position where the coil portions 251 to 255 face each other. The heating temperature by induction heating is different for each. The portion where the heating temperature is set low is a condition in which the catalyst impregnation solution is difficult to impregnate. Therefore, the catalyst supporting position in the thickness direction of the metal support cell 10 can be set to a position away from the electrolyte layer 40. On the other hand, the portion where the heating temperature is set high is a condition in which the catalyst impregnation solution is easily impregnated. Therefore, the catalyst supporting position in the thickness direction of the metal support cell 10 can be set to a position close to the electrolyte layer 40.
変形例７の形成方法では、メタルサポートセル１０において燃料ガスの流れ方向の下流側の部位は、上流側の部位に比べて、誘導電流の大きさを大きくすることによって、メタルサポートセル１０の厚み方向の触媒担持位置を電解質層４０に近づけている。 In the method of forming the modified example 7, in the metal support cell 10, the portion on the downstream side in the flow direction of the fuel gas has a thickness of the metal support cell 10 by increasing the magnitude of the induced current as compared with the portion on the upstream side. The catalyst supporting position in the direction is brought closer to the electrolyte layer 40.
誘導電流の大きさを上記のように変えることによって、燃料ガスの上流側の領域においては、加熱温度が低く設定されるため、触媒含浸溶液が含浸しにくい条件となる。このため、メタルサポートセル１０の厚み方向の触媒担持位置を、電解質層４０から離れた位置にできる。一方、燃料ガスの下流側の領域においては、加熱温度が高く設定されるため、触媒含浸溶液が含浸し易い条件となる。このため、メタルサポートセル１０の厚み方向の触媒担持位置を、電解質層４０に近づいた位置にできる。第１コイル部２５１から第５コイル部２５５にかけて誘導電流を段階的に大きくしても、メタルサポートセル１０の加熱温度は燃料ガスの上流側から下流側に向かうに連れて連続的に高くなる。したがって、図１８に２点鎖線によって示すように、メタルサポートセル１０の厚み方向の触媒担持位置は、連続的に傾斜し、上流側から下流側に向かうに連れて電解質層４０に近づく。この結果、燃料ガスの上流側においては発電性能が抑えられ、下流側においては発電性能が向上し、メタルサポートセル１０の面内の発電分布を均一化できる。発電分布の均一化によって、電極層の面方向における劣化も均一化できる。 By changing the magnitude of the induced current as described above, the heating temperature is set low in the region on the upstream side of the fuel gas, so that the catalyst impregnating solution is difficult to impregnate. Therefore, the catalyst supporting position in the thickness direction of the metal support cell 10 can be set to a position away from the electrolyte layer 40. On the other hand, in the region on the downstream side of the fuel gas, the heating temperature is set high, so that the catalyst impregnating solution is easily impregnated. Therefore, the catalyst supporting position in the thickness direction of the metal support cell 10 can be set to a position close to the electrolyte layer 40. Even if the induced current is gradually increased from the first coil portion 251 to the fifth coil portion 255, the heating temperature of the metal support cell 10 continuously increases from the upstream side to the downstream side of the fuel gas. Therefore, as shown by the alternate long and short dash line in FIG. 18, the catalyst-supporting position in the thickness direction of the metal support cell 10 is continuously inclined and approaches the electrolyte layer 40 from the upstream side to the downstream side. As a result, the power generation performance is suppressed on the upstream side of the fuel gas, the power generation performance is improved on the downstream side, and the power generation distribution in the plane of the metal support cell 10 can be made uniform. By making the power generation distribution uniform, the deterioration of the electrode layer in the plane direction can also be made uniform.
１０ メタルサポートセル、
２０ 電解質電極接合体、
３０ カソード電極層、
４０ 電解質層、
５０ アノード電極層、
５５ 触媒層、
５５ａ 触媒層、
５５ｂ 触媒層、
５６ 触媒、
５７ 電解質骨格、
６０ 金属サポート層、
８１ 燃料入口におけるガス流れ、
８２ 燃料出口におけるガス流れ、
８３ ２回目以降の含浸工程を実施する部位、
８４ ２回目以降の含浸工程を実施する部位、
２００ 触媒層形成装置、
２１０ 誘導加熱部、
２１１ 誘導コイル、
２１２ 電源、
２１３ 誘導加熱部のロボット、
２１４ 磁力線、
２２０ 含浸部、
２２１ 滴下器具、
２２２ タンク、
２２３ 含浸部のロボット、
２３０ 搬送部、
２３１ 搬送部のロボット、
２４０ コントローラ、
２４１ 第１コイル部、
２４２ 第２コイル部、
２４３ 第１コイル部、
２４４ 第２コイル部、
２４５ 第３コイル部、
２４６ 第１コイル部、
２４７ 第２コイル部、
２４８ 第３コイル部、
２５１〜２５５ 第１〜第５コイル部。
10 metal support cell,
20 Electrolyte electrode junction,
30 Cathode electrode layer,
40 Electrolyte layer,
50 Anode electrode layer,
55 catalyst layer,
55a catalyst layer,
55b catalyst layer,
56 catalyst,
57 Electrolyte skeleton,
60 metal support layer,
81 Gas flow at the fuel inlet,
82 Gas flow at the fuel outlet,
83 Sites where the second and subsequent impregnation steps are performed,
84 Sites where the second and subsequent impregnation steps are performed,
200 catalyst layer forming apparatus,
210 Induction heating unit,
211 induction coil,
212 power supply,
213 Robot of induction heating part,
214 magnetic field lines,
220 impregnation part,
221 Dripping device,
222 tank,
223 Impregnated robot,
230 transport section,
231 Transport unit robot,
240 controller,
241 1st coil part,
242 2nd coil part,
243 1st coil part,
244 2nd coil part,
245 3rd coil part,
246 1st coil part,
247 2nd coil part,
248 3rd coil part,
251 to 255 1st to 5th coil sections.
Claims (11)
前記メタルサポートセルを触媒層形成装置に配置する配置工程と、
前記メタルサポートセルの前記金属サポート層に触媒成分を含む触媒含浸溶液を含浸する含浸工程と、
前記触媒層形成装置の誘導コイルに通電し前記金属サポート層を複数回誘導加熱する誘導加熱工程と、を有し、
前記誘導加熱工程は、
前記触媒含浸溶液の含浸を促進する含浸促進工程と、
前記触媒含浸溶液の溶液成分を除去する溶液除去工程と、
溶液が除去された触媒成分を前記アノード電極層と前記電解質層との界面に定着させる触媒焼成工程と、を有することを特徴とするメタルサポートセル触媒層形成方法。 A metal support cell having an anode electrode layer, a cathode electrode layer, an electrolyte layer between the anode electrode layer and the cathode electrode layer, and a metal support layer arranged on the anode electrode layer side and having gas permeability. In the method of forming the catalyst layer,
The arrangement step of arranging the metal support cell in the catalyst layer forming apparatus, and
An impregnation step of impregnating the metal support layer of the metal support cell with a catalyst impregnation solution containing a catalyst component, and
It has an induction heating step of energizing the induction coil of the catalyst layer forming apparatus and inducing heating the metal support layer a plurality of times.
The induction heating step is
An impregnation promotion step for promoting impregnation of the catalyst impregnation solution and
A solution removing step of removing the solution component of the catalyst impregnated solution and
A method for forming a metal support cell catalyst layer, which comprises a catalyst firing step of fixing a catalyst component from which a solution has been removed to an interface between the anode electrode layer and the electrolyte layer.
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