JP2023148149A - Electrode layer formation method, electrode layer, electrochemical element, electrochemical module, solid oxide fuel cell, solid oxide electrolytic cell, electrochemical device, and energy system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電極層形成方法、電極層、並びに、電極層を備えた電気化学素子、電気化学モジュール、固体酸化物形燃料電池、固体酸化物形電解セル、電気化学装置及びエネルギーシステムに関する。 The present invention relates to a method for forming an electrode layer, an electrode layer, and an electrochemical element, an electrochemical module, a solid oxide fuel cell, a solid oxide electrolytic cell, an electrochemical device, and an energy system including the electrode layer.
従来の電解質支持型の固体酸化物形燃料電池(SOFC)や電極支持型のSOFCでは、層間の十分な密着強度や良質な電極層や電解質層を得るために、高温(例えば1400℃程度)での焼成が行われる。 In conventional electrolyte-supported solid oxide fuel cells (SOFCs) and electrode-supported SOFCs, in order to obtain sufficient interlayer adhesion strength and high-quality electrode and electrolyte layers, high temperatures (for example, around 1400°C) are required. is fired.
近年では、堅牢性向上のため、金属基板上に燃料極、空気極及び電解質層を支持させる金属支持型のSOFCが開発されている。 In recent years, metal-supported SOFCs in which a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte layer are supported on a metal substrate have been developed to improve robustness.
金属支持型のSOFCの製造に際しては、高温(例えば1400℃程度)の熱処理を行うと、金属支持体の表面にCrなどを含む厚い金属酸化膜が形成され、クラックや剥離が生じ易くなったり、金属支持体からのCr等の元素拡散によりSOFCの構成要素(電極層、電解質層)に影響を及ぼしたりすることで、SOFCの性能や耐久性が低下する場合がある。 When manufacturing a metal-supported SOFC, if heat treatment is performed at a high temperature (for example, about 1400°C), a thick metal oxide film containing Cr etc. will be formed on the surface of the metal support, making it easy to crack or peel off. Diffusion of elements such as Cr from the metal support may affect the constituent elements (electrode layer, electrolyte layer) of the SOFC, resulting in a decrease in the performance and durability of the SOFC.
そこで、従来から金属支持型のSOFCを製造する際の手法として、例えば、特許文献1記載の方法が提案されている。
Therefore, for example, a method described in
特許文献1記載の方法は、未焼成の燃料極層を950~1100℃の温度の非還元条件下で15~60分予備焼成する工程や、水素などの気体還元剤を用いた還元性雰囲気下、950~1100℃の温度の下で、15~60分間焼成する工程などを行うことで、燃料極層を形成する方法である。
The method described in
ところが、上記特許文献1記載の方法では、水素を含むガスを供給しながら950~1100℃の高温下で焼成を行う必要がある。そのため、ガスを適切に処理すべく、防爆仕様の設備などを必要とし、多大な設備コストを要するという問題がある。
However, in the method described in
本発明は上記実情に鑑みなされたものであり、焼成時に水素の供給が不要であり、製造に必要な設備コストを抑えられる電極層形成方法、電極層、並びに、電極層を備えた電気化学素子、電気化学モジュール、固体酸化物形燃料電池、固体酸化物形電解セル、電気化学装置及びエネルギーシステムの提供を、その目的とする。 The present invention was made in view of the above circumstances, and provides an electrode layer forming method, an electrode layer, and an electrochemical element equipped with an electrode layer that does not require the supply of hydrogen during firing and can reduce equipment costs required for manufacturing. , an electrochemical module, a solid oxide fuel cell, a solid oxide electrolytic cell, an electrochemical device, and an energy system.
上記目的を達成するための本発明に係る電極層形成方法の特徴構成は、
金属支持体上に電極層を形成する方法であって、
前記金属支持体上に電極層を積層する電極層積層ステップと、
前記金属支持体上に積層した前記電極層を焼成する焼成ステップと、を有し、
前記焼成ステップは、酸素の分圧が4.0×10-8bar以上4.0×10-6bar以下の雰囲気下で行う点にある。
The characteristic structure of the electrode layer forming method according to the present invention for achieving the above object is as follows:
A method of forming an electrode layer on a metal support, the method comprising:
an electrode layer lamination step of laminating an electrode layer on the metal support;
a firing step of firing the electrode layer laminated on the metal support,
The firing step is performed in an atmosphere in which the partial pressure of oxygen is 4.0×10 −8 bar or more and 4.0×10 −6 bar or less.
本願発明者は、鋭意研究を重ねた結果、金属支持体上に電極層を形成する際に、水素を供給することなく実現可能な酸素分圧4.0×10-8bar以上4.0×10-6bar以下の雰囲気下での焼成により、金属支持体との密着強度が高く、良質な電極層を形成できることを見出し、本発明を完成させるに至った。 As a result of extensive research, the inventor of the present application has found that when forming an electrode layer on a metal support, an oxygen partial pressure of 4.0×10 −8 bar or more that can be achieved without supplying hydrogen is 4.0× It was discovered that a high quality electrode layer with high adhesion strength to the metal support could be formed by firing in an atmosphere of 10 −6 bar or less, leading to the completion of the present invention.
即ち、上記特徴構成によれば、金属支持体との密着強度が高く、良質な電極層を金属支持体上に形成できる。そして、焼成時に水素の供給が不要であり、製造に必要な設備コストを抑えられる。 That is, according to the above characteristic structure, it is possible to form a high-quality electrode layer on the metal support with high adhesion strength to the metal support. Further, there is no need to supply hydrogen during firing, and the cost of equipment required for manufacturing can be reduced.
本発明の電極層形成方法の更なる特徴構成は、
前記焼成ステップは、露点が10℃以上70℃以下の不活性ガス雰囲気下で行う点にある。
Further characteristic configurations of the electrode layer forming method of the present invention are:
The firing step is performed under an inert gas atmosphere having a dew point of 10° C. or more and 70° C. or less.
上記特徴構成によれば、水素を供給することなく、加湿した不活性ガスのみで酸素分圧4.0×10-8bar以上4.0×10-6bar以下の雰囲気を実現できる。 According to the characteristic configuration described above, an atmosphere with an oxygen partial pressure of 4.0×10 −8 bar to 4.0×10 −6 bar can be achieved using only humidified inert gas without supplying hydrogen.
本発明の電極層形成方法の更なる特徴構成は、
前記不活性ガスが窒素である点にある。
Further characteristic configurations of the electrode layer forming method of the present invention are:
The inert gas is nitrogen.
窒素は、比較的安価であり、取り扱いに特殊な設備が不要である。したがって、上記特徴構成によれば、電極層の形成に掛かるコストを抑えられる。 Nitrogen is relatively inexpensive and does not require special equipment to handle. Therefore, according to the characteristic configuration described above, the cost required for forming the electrode layer can be suppressed.
本発明の電極層形成方法の更なる特徴構成は、
前記焼成ステップは、800℃以上1100℃以下の温度で行う点にある。
Further characteristic configurations of the electrode layer forming method of the present invention are:
The firing step is performed at a temperature of 800°C or more and 1100°C or less.
焼成時の温度が低すぎると良質な電極層が形成されない虞がある一方、焼成時の温度が高すぎると金属支持体が損傷する可能性がある。しかしながら、上記特徴構成によれば、良質な電極層を形成でき、且つ、金属支持体の損傷も抑制できる。 If the firing temperature is too low, a good quality electrode layer may not be formed, while if the firing temperature is too high, the metal support may be damaged. However, according to the above characteristic structure, a high quality electrode layer can be formed and damage to the metal support can be suppressed.
本発明の電極層形成方法の更なる特徴構成は、
前記焼成ステップを行う前に、油分を除去する脱脂ステップを行う点にある。
Further characteristic configurations of the electrode layer forming method of the present invention are:
Before performing the firing step, a degreasing step for removing oil is performed.
上記特徴構成によれば、油脂などの汚れに起因する電極層の成膜不良を抑えられ、電気化学素子などの良好な品質を確保することができる。 According to the above-described characteristic configuration, it is possible to suppress defects in film formation of the electrode layer due to dirt such as oil and fat, and to ensure good quality of the electrochemical element and the like.
本発明の電極層形成方法の更なる特徴構成は、
前記脱脂ステップは、150℃以上650℃以下の温度で行う点にある。
Further characteristic configurations of the electrode layer forming method of the present invention are:
The degreasing step is performed at a temperature of 150°C or more and 650°C or less.
脱脂時の温度が低すぎると油脂などの汚れの除去が不十分になる虞がある一方、脱脂時の温度が高すぎると金属支持体が損傷する可能性や良質な電極層が形成されない可能性がある。しかしながら上記特徴構成によれば、油脂などの汚れを適切に除去しつつ、且つ、金属支持体の損傷も抑制でき、良質な電極層を形成できる。 If the temperature during degreasing is too low, there is a risk that dirt such as oil and fat will not be removed sufficiently, while if the temperature during degreasing is too high, the metal support may be damaged or a high-quality electrode layer may not be formed. There is. However, according to the above characteristic structure, it is possible to appropriately remove stains such as oil and fat, and also to suppress damage to the metal support, thereby forming a high-quality electrode layer.
本発明に係る電極層の特徴構成は、
金属支持体上に形成され、引張強度が1.2MN/m2以上である点にある。
The characteristic structure of the electrode layer according to the present invention is as follows:
It is formed on a metal support and has a tensile strength of 1.2 MN/m 2 or more.
上記特徴構成によれば、金属支持体との密着強度が高く、これを備えた電気化学素子等の強度(信頼性)や耐久性、性能が優れたものとなる。 According to the above characteristic structure, the adhesion strength with the metal support is high, and the electrochemical element and the like equipped with the same have excellent strength (reliability), durability, and performance.
本発明に係る電極層の更なる特徴構成は、
ニッケル系化合物、セリア系酸化物、ジルコニア系酸化物、ペロブスカイト系複合酸化物から選択される少なくとも1つ又はこれらの組み合わせからなる点にある。
Further characteristic configurations of the electrode layer according to the present invention are:
It consists of at least one selected from nickel-based compounds, ceria-based oxides, zirconia-based oxides, and perovskite-based composite oxides, or a combination thereof.
上記特徴構成によれば、ナノ複合構造が形成され、十分な電極性能を備えたものとなる。 According to the above characteristic configuration, a nanocomposite structure is formed and has sufficient electrode performance.
本発明に係る電極層の更なる特徴構成は、
気孔率が5%以上である点にある。
Further characteristic configurations of the electrode layer according to the present invention are:
The point is that the porosity is 5% or more.
上記特徴構成によれば、三次元的なガスの拡散パスが形成され、電極性能を高められる。 According to the characteristic configuration described above, a three-dimensional gas diffusion path is formed, and the electrode performance can be improved.
本発明に係る電極層の更なる特徴構成は、
前記金属支持体上に形成された拡散防止層上に形成される点にある。
Further characteristic configurations of the electrode layer according to the present invention are:
It is formed on the diffusion prevention layer formed on the metal support.
上記特徴構成によれば、例えばCrを含む金属支持体から電極層へのCrなどの拡散を抑制できる。 According to the above characteristic configuration, it is possible to suppress the diffusion of Cr and the like from the metal support containing Cr to the electrode layer.
本発明に係る電極層の更なる特徴構成は、
前記拡散防止層の厚さが3μm以下である点にある。
Further characteristic configurations of the electrode layer according to the present invention are:
The thickness of the diffusion prevention layer is 3 μm or less.
拡散防止層が厚すぎると電気抵抗が高くなり過ぎる虞がある。しかしながら、上記特徴構成によれば、Crなどの拡散抑制と電気抵抗の低さとを両立させることができる。 If the diffusion prevention layer is too thick, the electrical resistance may become too high. However, according to the above-mentioned characteristic configuration, it is possible to achieve both suppression of diffusion of Cr and the like and low electrical resistance.
本発明に係る電気化学素子の特徴構成は、
上記電極層と、
前記電極層の上に配置された電解質層と、
前記電解質層の上に配置された対極電極層と、を少なくとも有する点にある。
The characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention is as follows:
the electrode layer;
an electrolyte layer disposed on the electrode layer;
and a counter electrode layer disposed on the electrolyte layer.
上記特徴構成によれば、金属支持体と電極層の密着強度が高く、電気化学素子が強度(信頼性)や耐久性、性能に優れたものとなる。 According to the above characteristic structure, the adhesion strength between the metal support and the electrode layer is high, and the electrochemical element has excellent strength (reliability), durability, and performance.
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、
前記電極層と前記電解質層との間に中間層を有する点にある。
Further characteristic configurations of the electrochemical device according to the present invention are:
The present invention has an intermediate layer between the electrode layer and the electrolyte layer.
上記特徴構成によれば、電極層の構成材料と電解質層の構成材料との反応を効果的に抑制でき、電気化学素子の性能の長期安定性を向上できる。 According to the above characteristic configuration, the reaction between the constituent materials of the electrode layer and the constituent materials of the electrolyte layer can be effectively suppressed, and the long-term stability of the performance of the electrochemical element can be improved.
本発明に係る電気化学モジュールの特徴構成は、
上記電気化学素子が複数集合した状態で配置される点にある。
The characteristic configuration of the electrochemical module according to the present invention is as follows:
The point is that a plurality of the electrochemical elements are arranged in a group.
上記特徴構成によれば、電気化学素子が複数集合した状態で配置されることで、材料コストと加工コストを抑制しつつ、コンパクトで高性能な、強度と信頼性に優れた電気化学モジュールが実現できる。そして、例えば、電気化学モジュールを燃料電池として動作させる場合には、大きな発電出力を得ることも可能となる。 According to the above characteristic configuration, by arranging multiple electrochemical elements in a group, a compact, high-performance electrochemical module with excellent strength and reliability is realized while suppressing material and processing costs. can. For example, when the electrochemical module is operated as a fuel cell, it is also possible to obtain a large power generation output.
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の特徴構成は、
上記電気化学素子を備え、前記電気化学素子で発電反応を生じさせる点にある。
The characteristic structure of the solid oxide fuel cell according to the present invention is as follows:
The present invention includes the electrochemical element described above, and causes a power generation reaction to occur in the electrochemical element.
上記特徴構成によれば、強度(信頼性)や耐久性、性能に優れた電気化学素子を備えた固体酸化物形燃料電池として発電反応を行うことができるので、高信頼性・高耐久性・高性能な固体酸化物形燃料電池を得ることができる。 According to the above characteristic configuration, power generation reactions can be performed as a solid oxide fuel cell equipped with an electrochemical element with excellent strength (reliability), durability, and performance. A high-performance solid oxide fuel cell can be obtained.
本発明に係る固体酸化物形電解セルの特徴構成は、
上記電気化学素子を備え、前記電気化学素子で電解反応を生じさせる点にある。
The characteristic configuration of the solid oxide electrolytic cell according to the present invention is as follows:
The present invention includes the electrochemical element described above, and causes an electrolytic reaction to occur in the electrochemical element.
上記特徴構成によれば、強度(信頼性)や耐久性、性能に優れた電気化学素子を備えた固体酸化物形電解セルとして電解反応によるガスの生成を行うことができるので、高信頼性・高耐久性・高性能な固体酸化物形電解セルを得ることができる。 According to the above characteristic configuration, gas can be generated by electrolytic reaction as a solid oxide electrolytic cell equipped with an electrochemical element with excellent strength (reliability), durability, and performance, so that gas can be generated with high reliability and A solid oxide electrolytic cell with high durability and high performance can be obtained.
本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、
上記電気化学素子或いは上記電気化学モジュールと、
前記電気化学素子又は前記電気化学モジュールに供給する還元性成分を生成する、或いは、前記電気化学素子又は前記電気化学モジュールで生成する還元性成分を含有するガスを変換する燃料変換器と、を少なくとも有する点にある。
The characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention is as follows:
The electrochemical element or the electrochemical module;
a fuel converter that generates a reducing component to be supplied to the electrochemical element or the electrochemical module, or converts a gas containing a reducing component that is generated in the electrochemical element or the electrochemical module; It is in the point of having.
上記特徴構成によれば、電気化学素子又は電気化学モジュールを燃料電池として動作させる場合、都市ガス等の既存の原燃料供給インフラを用いて供給される天然ガス等を基に、改質器などの燃料変換器により水素を生成するように構成でき、耐久性・信頼性及び性能に優れた電気化学素子又は電気化学モジュールを備えた電気化学装置を実現できる。また、電気化学モジュールから流通される未利用の燃料ガスをリサイクルするシステムを構築し易くなるため、高効率な電気化学装置を実現できる。
一方、電気化学素子又は電気化学モジュールを電解セルとして動作させる場合は、電極層に水蒸気や二酸化炭素を含有するガスが流通され、電極層と対極電極層との間に電圧が印加される。そうすると、電極層において電子e-と水H2Oや二酸化炭素分子CO2が反応して、水素H2や一酸化炭素COと酸素イオンO2-となる。発生した酸素イオンO2-は、電解質層を通って対極電極層へ移動する。そして、対極電極層において、酸素イオンO2-が電子を放出して酸素O2となる。以上の反応により、水蒸気を含有するガスが流通する場合には、水H2Oが水素H2と酸素O2とに分解され、二酸化炭素分子CO2を含有するガスが流通する場合には、一酸化炭素COと酸素O2とに電気分解される。
したがって、水蒸気と二酸化炭素分子CO2とを含有するガスが流通される場合は、上記電気分解により電気化学素子又は電気化学モジュールで生成した水素及び一酸化炭素等から炭化水素などの種々の化合物を合成する燃料変換器を設けることができる。これにより、燃料変換器が生成した炭化水素等を電気化学素子又は電気化学モジュールに流通する、或いは本システム・装置外に取り出して別途燃料や化学原料として利用することが可能となる。
According to the above characteristic configuration, when an electrochemical element or an electrochemical module is operated as a fuel cell, a reformer, etc. It is possible to realize an electrochemical device including an electrochemical element or an electrochemical module that can be configured to generate hydrogen using a fuel converter and has excellent durability, reliability, and performance. Furthermore, since it becomes easier to construct a system for recycling unused fuel gas distributed from the electrochemical module, a highly efficient electrochemical device can be realized.
On the other hand, when an electrochemical element or an electrochemical module is operated as an electrolytic cell, a gas containing water vapor or carbon dioxide is passed through the electrode layer, and a voltage is applied between the electrode layer and the counter electrode layer. Then, in the electrode layer, the electron e - reacts with water H 2 O and carbon dioxide molecule CO 2 to form hydrogen H 2 , carbon monoxide CO, and oxygen ion O 2 - . The generated oxygen ions O 2- move to the counter electrode layer through the electrolyte layer. Then, in the counter electrode layer, the oxygen ions O 2- release electrons and become oxygen O 2 . As a result of the above reaction, when a gas containing water vapor flows, water H2O is decomposed into hydrogen H2 and oxygen O2 , and when a gas containing carbon dioxide molecules CO2 flows, It is electrolyzed into carbon monoxide CO and oxygen O2 .
Therefore, when a gas containing water vapor and carbon dioxide molecules CO2 is distributed, various compounds such as hydrocarbons are extracted from the hydrogen and carbon monoxide generated in the electrochemical element or electrochemical module by the electrolysis. A synthetic fuel converter can be provided. This allows the hydrocarbons and the like generated by the fuel converter to flow to the electrochemical element or the electrochemical module, or to be taken out of the system/apparatus and used separately as fuel or chemical raw materials.
本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、
上記電気化学素子或いは上記電気化学モジュールと、
前記電気化学素子又は前記電気化学モジュールから電力を取り出す、或いは、前記電気化学素子又は前記電気化学モジュールに電力を流通する電力変換器と、を少なくとも有する点にある。
The characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention is as follows:
The electrochemical element or the electrochemical module;
The present invention includes at least a power converter that extracts electric power from the electrochemical element or the electrochemical module, or distributes electric power to the electrochemical element or the electrochemical module.
上記特徴構成によれば、電力変換器は、電気化学素子又は電気化学モジュールが発電した電力を取り出し、或いは、電気化学素子又は電気化学モジュールに電力を流通することができる。これにより、上記のように電気化学素子又は電気化学モジュールは、燃料電池として作用し、或いは、電解セルとして作用する。したがって、上記特徴構成によれば、燃料等の化学的エネルギーを電気エネルギーに変換する、或いは、電気エネルギーを燃料等の化学的エネルギーに変換する効率が向上した電気化学装置を実現できる。尚、例えば、電力変換器としてインバータを用いる場合、燃料電池として動作させる際は、インバータによって昇圧したり、直流を交流に変換したりすることができるため、電気化学素子又は電気化学モジュールで得られる電気出力を利用しやすくなるので好ましい。また、電解セルとして動作させる際は、交流電源から直流を得て、電気化学素子又は電気化学モジュールへ直流の電力供給できる電気化学装置を構築できるので好ましい。 According to the above characteristic configuration, the power converter can take out the electric power generated by the electrochemical element or the electrochemical module, or can distribute the electric power to the electrochemical element or the electrochemical module. Thereby, as described above, the electrochemical element or electrochemical module acts as a fuel cell or as an electrolytic cell. Therefore, according to the characteristic structure described above, it is possible to realize an electrochemical device with improved efficiency in converting chemical energy such as fuel into electrical energy, or converting electrical energy into chemical energy such as fuel. For example, when using an inverter as a power converter, when operating as a fuel cell, the inverter can boost the voltage or convert direct current to alternating current. This is preferable because it makes it easier to use the electrical output. Further, when operating as an electrolytic cell, it is preferable because an electrochemical device can be constructed that can obtain direct current from an alternating current power source and supply direct current power to an electrochemical element or an electrochemical module.
本発明に係るエネルギーシステムの特徴構成は、
上記電気化学装置と、
前記電気化学装置から排出される熱を再利用する排熱利用部と、を少なくとも有する点にある。
The characteristic configuration of the energy system according to the present invention is as follows:
The above electrochemical device,
The present invention includes at least an exhaust heat utilization section that reuses heat discharged from the electrochemical device.
上記特徴構成によれば、耐久性・信頼性及び性能に優れ、かつエネルギー効率にも優れたエネルギーシステムを実現できる。また、電気化学装置から排出される未利用の燃料ガスの燃焼熱を利用して発電する発電システムと組み合わせてエネルギー効率に優れたハイブリッドシステムを実現することも可能である。 According to the above characteristic configuration, it is possible to realize an energy system that is excellent in durability, reliability, performance, and energy efficiency. It is also possible to realize a hybrid system with excellent energy efficiency by combining it with a power generation system that generates electricity using the combustion heat of unused fuel gas discharged from the electrochemical device.
以下、実施形態に係る電極層2、電極層2の形成方法、電極層2を備えた金属支持型電気化学素子E、金属支持型電気化学素子Eの製造方法、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)、電気化学モジュールM、電気化学装置Y及びエネルギーシステムZについて説明する。本実施形態において、金属支持型電気化学素子Eは、水素を含む燃料ガスと空気(酸化剤ガス)の供給を受けて発電する固体酸化物形燃料電池の構成要素として用いる。尚、以下、層の位置関係などを表す際、例えば電解質層4から見て対極電極層6の側を「上」又は「上側」、電極層2の側を「下」又は「下側」という場合がある。また、金属支持体1における電極層2が形成されている側の面を「表側の面」、反対側の面を「裏側の面」という場合がある。
Hereinafter, an
(電気化学素子)
図1に示すように、金属支持型電気化学素子Eは、金属支持体1と、電極層2と、電極層2の上に形成された中間層3と、中間層3の上に形成された電解質層4と、電解質層4の上に形成された反応防止層5と、反応防止層5の上に形成された対極電極層6とを有した金属支持型の電気化学素子である。つまり、対極電極層6は電解質層4の上に形成され、反応防止層5は電解質層4と対極電極層6との間に形成されている。電極層2は多孔質であり、電解質層4は緻密である。
(electrochemical device)
As shown in FIG. 1, the metal-supported electrochemical device E includes a
(金属支持体)
金属支持体1は、電極層2、中間層3、電解質層4、反応防止層5及び対極電極層6を支持して金属支持型電気化学素子Eの強度を保つ。つまり、金属支持体1は、電気化学素子の構成要素を支持する支持体としての役割を担う。
(metal support)
The
金属支持体1の材料としては、電子伝導性、耐熱性、耐酸化性及び耐腐食性に優れた材料が用いられる。例えば、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、ニッケル基合金などが用いられる。特に、クロムを含む合金が好適に用いられる。本実施形態では、金属支持体1は、Crを18質量%以上25質量%以下含有するFe-Cr系合金を用いているが、Mnを0.05質量%以上含有するFe-Cr系合金、Tiを0.15質量%以上1.0質量%以下含有するFe-Cr系合金、Zrを0.15質量%以上1.0質量%以下含有するFe-Cr系合金、Ti及びZrを含有しTiとZrとの合計の含有量が0.15質量%以上1.0質量%以下であるFe-Cr系合金、Cuを0.10質量%以上1.0質量%以下含有するFe-Cr系合金であると特に好適である。
尚、金属支持体1がフェライト系ステンレス材から構成されると、安価で強度が高い金属支持型電気化学素子を実現できるので好ましい。
As the material for the
It is preferable that the
金属支持体1は全体として板状である。金属支持体1は、支持体として金属支持型電気化学素子Eを形成するのに充分な強度を有すれば良く、その厚さは、強度を確保するという観点で、例えば、0.1mm以上であると好ましく、0.15mm以上であるとより好ましく、0.2mm以上であると更に好ましい。また、その厚さは、コストを抑制するという観点で、例えば、2mm以下であると好ましく、1mm以下であるとより好ましく、0.5mm以下であると更に好ましい。そして、金属支持体1は、電極層2が設けられる面(表側の面)から裏側の面へ貫通する複数の貫通孔1aを有する。本実施形態において、金属支持体1は、金属板の表側の面と裏側の面とを貫通するように、パンチング加工やエッチング加工、レーザー加工などの、機械的、化学的あるいは光学的穿孔加工(孔加工)などにより、複数の貫通孔1aを設けた金属板である。これにより、金属支持体1の裏側の面から電極層2側への燃料ガス及び空気の供給をスムーズにできるので高性能な金属支持型電気化学素子を実現できる。
尚、板状の金属支持体1を曲げたりして、例えば箱状、円筒状などの形状に変形させて使用することも可能である。
The
Note that it is also possible to use the plate-shaped
金属支持体1の表面には、拡散防止層としての金属酸化物層1bが設けられる。即ち、金属支持体1と後述する電極層2との間に、拡散防止層が形成されている。金属酸化物層1bは、金属支持体1の外部に露出した面だけでなく、電極層2との接触面(界面)及び貫通孔1aの内側の面にも設けられる。この金属酸化物層1bにより、金属支持体1と電極層2との間の元素相互拡散を抑制できる。例えば、金属支持体1としてクロムを含有するフェライト系ステンレスを用いた場合は、金属酸化物層1bが主にクロム酸化物となる。そして、金属支持体1のクロム原子等が電極層2や電解質層4へ拡散することを、クロム酸化物を主成分とする金属酸化物層1bが抑制する。金属酸化物層1bの厚さは、拡散防止性能の高さと電気抵抗の低さを両立させることのできる厚みであれば良く、最大厚さが3μm以下であることが好ましい。尚、サブミクロンオーダーであることがより好ましく、具体的には、平均的な厚さが0.3μm以上0.7μm以下程度であることがより好ましい。また、最小厚さは約0.1μm以上であることがより好ましい。また、最大厚さが約1.1μm以下であることが好ましい。
A
尚、金属酸化物層1bは、種々の手法により形成され得るが、金属支持体1の表面を酸化させて金属酸化物とする手法が好適に利用される。また、金属支持体1の表面に、金属酸化物層1bをスパッタリング法やPLD法等のPVD法、CVD法、スプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジション法、パウダージェットデポジション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)などにより形成しても良いし、メッキと酸化処理によって形成しても良い。更に、金属酸化物層1bは導電性の高いスピネル相などを含んでも良い。
Although the
(電極層)
電極層2は、図1に示すように、金属支持体1の貫通孔1aが形成された領域を覆うように金属支持体1の表面に薄層の状態で設けることができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、1μm~100μm程度、好ましくは、5μm~50μmとすることができる。このような厚さにすると、高価な電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電極性能を確保することが可能となる。また、金属支持体1における貫通孔1aが設けられた領域は、その全体が電極層2に覆われている。つまり、貫通孔1aは、金属支持体1における電極層2が形成された領域の内側に形成されている。換言すれば、全ての貫通孔1aは、電極層2に面して設けられている。
(electrode layer)
As shown in FIG. 1, the
電極層2の材料としては、ニッケル系化合物、セリア系酸化物、ジルコニア系酸化物、ペロブスカイト系複合酸化物から選択される少なくとも1つ又はこれらを組み合わせて用いることができる。例えば、NiO-GDC、Ni-GDC、NiO-YSZ、Ni-YSZ、CuO-CeO2、Cu-CeO2などの複合材を用いることができる。これらの例では、GDC、YSZ、CeO2を複合材の骨材と呼ぶことができる。以上の材料を用いて構成される電極層2は、アノードとして機能する。これらの材料を用いることで、ナノ複合構造が形成され、電極層2が十分な電極性能を備えたものとなる。
As the material for the
尚、電極層2は、低温焼成法(例えば1100℃より高い高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法)やスプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジション法、パウダージェットデポジション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法やパルスレーザーデポジション法など)、CVD法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能なプロセスにより、例えば、1100℃より高い高温域での焼成を用いずに、良好な電極層2が得られる。そのため、金属支持体1を傷めることなく、また、金属支持体1と電極層2との元素拡散を抑制することができ、耐久性に優れた金属支持型電気化学素子を実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
The
本実施形態において、電極層2は、後述する酸素の分圧が4.0×10-8bar以上4.0×10-6bar以下の雰囲気下で行う焼成ステップを経て形成されることにより、引張強度が1.2MN/m2以上となっており、金属支持体1との密着性に優れ、また、中間層3との密着性も良好なものになっている。そのため、金属支持型電気化学素子が強度(信頼性)や耐久性、性能に優れたものとなっている。
In this embodiment, the
電極層2は、気体透過性を持たせるため、その内部及び表面に複数の細孔を有する。即ち、電極層2は、多孔質な層として形成される。電極層2の気孔率は、三次元的なガスの拡散パスを形成するという観点から、5%以上であることが好ましく、5%以上60%以下であることがより好ましい。また、電極層2は、例えば、その緻密度が40%より大きく95%未満となるように形成される。細孔のサイズは、電気化学反応を行う際に円滑な反応が進行するのに適したサイズを適宜選ぶことができる。尚、緻密度とは、層を構成する材料の空間に占める割合であって、(1-気孔率)と表すことができ、また、相対密度と同等である。
The
(中間層)
中間層3は、図1に示すように、電極層2を覆った状態で、電極層2の上に薄層の状態で形成することができる。このように、中間層3は、多孔質である電極層2の上に緻密な電解質層4を形成するために、両者を連続的に接続させ、金属支持型電気化学素子Eの製造時や運転時にかかる各種の応力を緩和する緩衝効果を有する層として、両者の間に配置される。そのため、中間層3は、あえて緻密度が電解質層4に比べて小さくなるように形成される。また、中間層3は、あえて緻密度が電極層2に比べて大きくなるように形成される。これによって中間層3は、金属支持体1上に多孔質な電極層2と緻密な電解質層4が形成された場合であっても、各層間で、各種の応力を吸収・緩和して、金属支持型電気化学素子Eの性能・信頼性・安定性を高める効果をも有する。尚、薄層とする場合は、その厚さを、例えば、1μm~100μm程度、好ましくは2μm~50μm程度、より好ましくは4μm~25μm程度とすることができる。このような厚さにすると、高価な中間層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な性能を確保することが可能となる。
(middle class)
The
中間層3の材料としては、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、SSZ(スカンジウム安定化ジルコニア)やGDC(ガドリニウム・ドープ・セリア)、YDC(イットリウム・ドープ・セリア)、SDC(サマリウム・ドープ・セリア)等を用いることができる。特にセリア系のセラミックスが好適に用いられる。
Examples of the material for the
中間層3は、低温焼成法(例えば1100℃より高い高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法)やスプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジション法、パウダージェットデポジション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能な成膜プロセスにより、例えば、1100℃より高い高温域での焼成を用いずに中間層3が得られる。そのため、金属支持体1を傷めることなく、金属支持体1と電極層2との元素相互拡散を抑制することができ、耐久性に優れた金属支持型電気化学素子Eを実現できる。また、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
The
尚、本実施形態において、中間層3は、酸素イオン(酸化物イオン)伝導体や、酸素イオン(酸化物イオン)及び電子の双方の伝導性を有する混合伝導体であると好ましい。このような性質を有する中間層3は、金属支持型電気化学素子Eへの適用に適している。
In this embodiment, the
(電解質層)
電解質層4は、図1に示すように、中間層3の上に薄層の状態で形成される。また、厚さが10μm以下の薄膜の状態で形成することもできる。本実施形態において、電解質層4は、中間層3の上と金属支持体1の上とにわたって(跨って)設けられる。このように構成し、電解質層4を金属支持体1に接合することで、金属支持型電気化学素子Eを全体として堅牢性に優れたものとすることができる。
(electrolyte layer)
The
また、電解質層4は、金属支持体1の表側の面であって貫通孔1aが設けられた領域よりも大きな領域に設けられる。つまり、貫通孔1aは、金属支持体1における電解質層4が形成された領域の内側に形成されている。これにより、電解質層4の周囲において、電極層2及び中間層3からのガスのリークを抑制することができる。説明すると、金属支持型電気化学素子EをSOFCの構成要素として用いる場合、SOFCの作動時には、金属支持体1の裏側から貫通孔1aを通じて電極層2へガスが供給される。電解質層4が金属支持体1に接している部位においては、ガスケット等の別部材を設けることなく、ガスのリークを抑制することができる。尚、本実施形態では、電解質層4によって電極層2の周囲を全て覆っているが、電極層2及び中間層3の上部に電解質層4を設け、周囲にガスケット等を設ける構成としてもよい。
Further, the
電解質層4の材料としては、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、SSZ(スカンジウム安定化ジルコニア)やGDC(ガドリニウム・ドープ・セリア)、YDC(イットリウム・ドープ・セリア)、SDC(サマリウム・ドープ・セリア)、LSGM(ストロンチウム・マグネシウム添加ランタンガレート)等の酸素イオンを伝導する電解質材料や、ペロブスカイト型酸化物等の水素イオンを伝導する電解質材料を用いることができる。特に、ジルコニア系のセラミックスが好適に用いられる。電解質層4をジルコニア系セラミックスとすると、金属支持型電気化学素子Eを用いたSOFCの稼働温度をセリア系セラミックスや種々の水素イオン伝導性材料に比べて高くすることができる。例えば、本実施形態のように、金属支持型電気化学素子EをSOFCに用いる場合、電解質層4の材料としてYSZのような650℃程度以上の高温域でも高い電解質性能を発揮できる材料を用い、システムの原燃料に都市ガスやLPG等の炭化水素系の原燃料を用い、原燃料を水蒸気改質等によってSOFCのアノードガスとするシステム構成とすると、SOFCのセルスタックで生じる熱を原燃料ガスの改質に用いる高効率なSOFCシステムを構築することができる。尚、本実施形態において、電解質層4は安定化ジルコニアを含有している。
Materials for the
電解質層4は、低温焼成法(例えば1100℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法)やスプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジション法、パウダージェットデポジション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能な成膜プロセスにより、例えば、1100℃を越える高温域での焼成を用いずに、緻密で気密性及びガスバリア性の高い電解質層4が得られる。そのため、金属支持体1の損傷を抑制し、また、金属支持体1と電極層2との元素拡散を抑制することができ、性能・耐久性に優れた金属支持型電気化学素子Eを実現できる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、スプレーコーティング法を用いると、緻密で気密性及びガスバリア性の高い電解質層4が低温域で容易に得られやすいので更に好ましい。
The
電解質層4は、アノードガスやカソードガスのガスリークを遮蔽し、且つ、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4の緻密度は90%以上が好ましく、95%以上であるとより好ましく、98%以上であると更に好ましい。電解質層4は、均一な層である場合は、その緻密度が95%以上であると好ましく、98%以上であるとより好ましい。また、電解質層4が、複数の層状に構成されているような場合は、そのうちの少なくとも一部が、緻密度が98%以上である層(緻密電解質層)を含んでいると好ましく、99%以上である層(緻密電解質層)を含んでいるとより好ましい。このような緻密電解質層が電解質層の一部に含まれていると、電解質層が複数の層状に構成されている場合であっても、緻密で気密性及びガスバリア性の高い電解質層を形成しやすくできるからである。
The
(反応防止層)
反応防止層5は、電解質層4の上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを例えば、1μm~100μm程度、好ましくは2μm~50μm程度、より好ましくは3μm~15μm程度とすることができる。このような厚さにすると、高価な反応防止層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な性能を確保することが可能となる。
(reaction prevention layer)
The
反応防止層5の材料としては、電解質層4の成分と対極電極層6の成分との間の反応を防止できる材料であれば良いが、例えばセリア系材料等が用いられる。また、反応防止層5の材料として、Sm、Gd及びYからなる群から選ばれる元素のうち少なくとも1つを含有する材料が好適に用いられる。尚、Sm、Gd及びYからなる群から選ばれる元素のうち少なくとも1つを含有し、これら元素の含有率の合計が1.0質量%以上10質量%以下であるとよい。反応防止層5を電解質層4と対極電極層6との間に導入することにより、対極電極層6の構成材料と電解質層4の構成材料との反応が効果的に抑制され、金属支持型電気化学素子Eの性能の長期安定性を向上できる。
The material for the
反応防止層5は、酸素イオン(酸化物イオン)伝導性を有することが好ましい。また、酸素イオン(酸化物イオン)及び電子の双方の伝導性を有する混合伝導体であると更に好ましい。このような性質を有する反応防止層5は、金属支持型電気化学素子Eへの適用に適している。
Preferably, the
反応防止層5の形成は、1100℃以下の処理温度で形成できる方法を適宜用いて行うと、金属支持体1の損傷を抑制し、また、金属支持体1と電極層2との元素拡散を抑制でき、性能・耐久性に優れた金属支持型電気化学素子Eを実現できるので好ましい。例えば、低温焼成法(例えば、1100℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法)、スプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジション法、パウダージェットデポジション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などを適宜用いて行うことができる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
When the
(対極電極層)
対極電極層6は、反応防止層5の上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、1μm~100μm程度、好ましくは、5μm~50μmとすることができる。このような厚さにすると、高価な対極電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電極性能を確保することが可能となる。
(Counter electrode layer)
The counter electrode layer 6 can be formed as a thin layer on the
対極電極層6の材料としては、例えば、LSCF、LSM等の複合酸化物、セリア系酸化物及びこれらの混合物を用いることができる。特に、対極電極層6が、La、Sr、Sm、Mn、Co及びFeからなる群から選ばれる2種類以上の元素を含有するペロブスカイト型酸化物を含むことが好ましい。以上の材料を用いて構成される対極電極層6は、カソードとして機能する。 As the material for the counter electrode layer 6, for example, composite oxides such as LSCF and LSM, ceria-based oxides, and mixtures thereof can be used. In particular, it is preferable that the counter electrode layer 6 contains a perovskite oxide containing two or more elements selected from the group consisting of La, Sr, Sm, Mn, Co, and Fe. The counter electrode layer 6 made of the above materials functions as a cathode.
尚、対極電極層6の形成は、1100℃以下の処理温度で形成できる方法を適宜用いて行うと、金属支持体1の損傷を抑制し、また、金属支持体1と電極層2との元素拡散を抑制でき、性能・耐久性に優れた金属支持型電気化学素子Eを実現できるので好ましい。例えば、低温焼成法(例えば、1100℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法)、スプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジション法、パウダージェットデポジション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PDV法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などを適宜用いて行うことができる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
Note that if the formation of the counter electrode layer 6 is performed using a method that can be formed at a processing temperature of 1100° C. or lower, damage to the
(金属支持型電気化学素子の製造方法)
次に、金属支持型電気化学素子Eの製造方法について説明する。本実施形態に係る金属支持型電気化学素子Eの製造方法は、電極層形成ステップ、中間層形成ステップ、電解質層形成ステップ、反応防止層形成ステップ及び対極電極層形成ステップを含み、電極層形成ステップが電極層積層ステップと、脱脂ステップと、焼成ステップとを含む。本実施形態における電極層形成ステップが電極層形成方法に相当する。
(Method for manufacturing metal-supported electrochemical device)
Next, a method for manufacturing the metal-supported electrochemical device E will be described. The method for manufacturing the metal-supported electrochemical device E according to the present embodiment includes an electrode layer forming step, an intermediate layer forming step, an electrolyte layer forming step, a reaction prevention layer forming step, and a counter electrode layer forming step, and the electrode layer forming step The method includes an electrode layer lamination step, a degreasing step, and a baking step. The electrode layer forming step in this embodiment corresponds to an electrode layer forming method.
(電極層形成ステップ)
電極層形成ステップでは、金属支持体1上に電極層2が薄膜の状態で形成される。電極層2の形成は、上述した成膜方法を用いることができるが、金属支持体1の劣化を抑制すべく、1100℃以下の低温域で使用可能な成膜方法を用いることが好ましい。
(Electrode layer formation step)
In the electrode layer forming step, the
電極層形成ステップを低温焼成法で行う場合には、具体的には以下の例のように行う。まず、電極層2の材料粉末と溶媒(分散媒)とを混合して材料ペーストを作成し、金属支持体1の表側の面に塗布する(電極層積層ステップ)。次に、電極層2を圧縮成形し(電極層平滑化ステップ)、所定温度で加熱する(脱脂ステップ)。その後、1100℃以下で焼成する(焼成ステップ)。電極層2の圧縮成形は、例えば、CIP(Cold Isostatic Pressing ;冷間静水圧加圧)成形、ロール加圧成形、RIP(Rubber Isostatic Pressing;ゴム型等方圧加圧)成形などにより行うことができる。また、電極層平滑化ステップと電極層焼成ステップの順序を入れ替えることもできる。尚、電極層平滑化ステップは、ラップ成形やレベリング処理、表面の切削・研磨処理などを施すことによって行うことでもできる。また、脱脂ステップは、150℃以上650℃以下の温度で加熱する工程であることが好ましい。脱脂ステップを行うことによって、油脂などの汚れに起因する電極層2の成膜不良を抑えられる。
When the electrode layer forming step is performed by a low-temperature firing method, specifically, it is performed as in the following example. First, a material paste is prepared by mixing the material powder of the
また、本実施形態において、電極層形成ステップでの焼成ステップを行った際に、金属支持体1の表面に金属酸化物層1b(拡散防止層)が形成される。尚、電極層形成ステップでの焼成ステップを行う前に、別途、拡散防止層を形成する工程を行うようにしてもよい。
Further, in this embodiment, when the firing step in the electrode layer forming step is performed, a
本実施形態において、焼成ステップは、酸素の分圧が4.0×10-8bar以上4.0×10-6bar以下となるように調整した雰囲気下で行う。このように、焼成ステップを酸素の分圧が4.0×10-8bar以上4.0×10-6bar以下の雰囲気下で行うことで、電極層2が1.2MN/m2以上の引張強度を有するものとなる。したがって金属支持体1から電極層2が剥離し難くなり、また、後述する中間層形成ステップにおいて形成される中間層3との密着強度も高くなるため、耐久性に優れた金属支持型電気化学素子Eを実現できる。酸素の分圧は、7.5×10-8bar以上3.0×10-6bar以下であることが好ましく、2.9×10-7bar以上1.5×10-6bar以下であることがより好ましい。酸素の分圧が低すぎても高すぎても、電極層2の引張強度が低下し、金属支持体1から電極層2が剥離し易くなる。
In this embodiment, the firing step is performed in an atmosphere adjusted such that the partial pressure of oxygen is 4.0×10 −8 bar or more and 4.0×10 −6 bar or less. As described above, by performing the firing step in an atmosphere in which the partial pressure of oxygen is 4.0×10 −8 bar or more and 4.0×10 −6 bar or less, the electrode layer 2 can be It has tensile strength. Therefore, the
具体的に、焼成ステップは、水素を供給することなく、露点が10℃以上70℃以下の不活性ガス雰囲気下で行う。露点が10℃以上70℃以下であることで、金属支持体1が劣化しない程度の焼成温度に加熱した際に、焼成を酸素の分圧が4.0×10-8bar以上4.0×10-6bar以下の雰囲気下において行うことができる。尚、露点は、上記のように10℃以上70℃以下であることが好ましく、20℃以上60℃以下であることがより好ましい。また、不活性ガスとしては、例えば窒素を用いることができる。
Specifically, the firing step is performed in an inert gas atmosphere with a dew point of 10° C. or more and 70° C. or less without supplying hydrogen. By having a dew point of 10° C. or more and 70° C. or less, when the
また、焼成ステップは、金属支持体1の劣化を抑制すべく、800℃以上1100℃以下で行う。特に、1050℃以下で行うことが好ましく、1000℃以下で行うことがより好ましい。
Further, the firing step is performed at a temperature of 800° C. or more and 1100° C. or less in order to suppress deterioration of the
(中間層形成ステップ)
中間層形成ステップでは、電極層2を覆う形態で、電極層2の上に中間層3が薄層の状態で形成される。中間層3の形成は、上述した成膜方法を用いることができるが、金属支持体1の劣化を抑制すべく、1100℃以下の低温域で使用可能な成膜方法を用いることが好ましい。
(Intermediate layer formation step)
In the intermediate layer forming step, a thin
中間層形成ステップを低温焼成法で行う場合には、具体的には以下の例のように行う。まず、中間層3の材料粉末と溶媒(分散媒)とを混合して材料ペーストを作製し、電極層2の表側の面に塗布する。そして中間層3を圧縮成形し(中間層平滑化工程)、1100℃以下で焼成する(中間層焼成工程)。中間層3の圧縮成形は、例えば、CIP成形、ロール加圧成形、RIP成形などにより行うことができる。また、中間層3の焼成は、800℃以上1100℃以下の温度で行うと好適である。このような温度であると、金属支持体1の損傷・劣化を抑制しつつ、強度の高い中間層3を形成できるためである。また、中間層3の焼成を1050℃以下で行うとより好ましく、1000℃以下で行うと更に好ましい。これは、中間層3の焼成温度を低下させる程に、金属支持体1の損傷・劣化をより抑制しつつ、金属支持型電気化学素子Eを形成できるからである。尚、中間層平滑化工程と中間層焼成工程の順序を入れ替えることもできる。また、中間層平滑化工程は、ラップ成形やレベリング処理、表面の切削・研磨処理などを施すことによって行うことでもできる。
When the intermediate layer forming step is performed by a low temperature firing method, specifically, it is performed as in the following example. First, a material paste is prepared by mixing the material powder for the
(電解質層形成ステップ)
電解質層形成ステップでは、電極層2及び中間層3を覆った状態で、電解質層4が中間層3の上に薄層の状態で形成される。電解質層4の形成は、上述した低温域で使用可能な成膜方法を用いることができるが、スプレーコーティング法を用いることが好ましい。特に、緻密で気密性及びガスバリア性能の高い、良質な電解質層4を1100℃以下の温度域で形成する上では、エアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジション法、パウダージェットデポジション法、パーティクルジェットデポジション法のいずれかを用いることがより好ましい。本実施形態では、エアロゾルデポジション法を用いて電解質層4を形成する。具体的には、エアロゾル化した電解質層4の材料粉末(本実施形態ではYSZやSSZなどの安定化ジルコニアの微粉末)を金属支持体1上の中間層3に向けて噴射し、電解質層4を形成する。
(Electrolyte layer formation step)
In the electrolyte layer forming step, the
(反応防止層形成ステップ)
反応防止層形成ステップでは、電解質層4の上に反応防止層5が薄層の状態で形成される。反応防止層5の形成は、上述した成膜方法を用いることができるが、金属支持体1の劣化を抑制すべく、1100℃以下の低温域で使用可能な成膜方法を用いることが好ましい。
(Reaction prevention layer formation step)
In the reaction prevention layer forming step, a
(対極電極層形成ステップ)
対極電極層形成ステップでは、対極電極層6が反応防止層5の上に薄層の状態で形成される。対極電極層6の形成は、上述した成膜方法を用いることができるが、金属支持体1の劣化を抑制すべく、1100℃以下の低温域で使用可能な成膜方法を用いることが好ましい。
(Counter electrode layer formation step)
In the counter electrode layer forming step, the counter electrode layer 6 is formed as a thin layer on the
以上のようにして、電極層2が1.2MN/m2以上の引張強度を有したものとし、電極層2と金属支持体1や中間層3との密着性を向上させ、強度(信頼性)や耐久性、性能に優れた金属支持型電気化学素子Eを製造できる。そして、この金属支持型電気化学素子Eの電極層2を焼成する際に、水素の供給が不要であるため、製造に必要な設備コストを抑えられる。
As described above, the
(固体酸化物形燃料電池)
金属支持型電気化学素子Eを上記のような構成とすることで、当該金属支持型電気化学素子Eを固体酸化物形燃料電池の発電セルとして用いることができる。つまり、金属支持型電気化学素子Eで発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池を実現できる。
(Solid oxide fuel cell)
By configuring the metal-supported electrochemical device E as described above, the metal-supported electrochemical device E can be used as a power generation cell of a solid oxide fuel cell. In other words, it is possible to realize a solid oxide fuel cell in which the metal-supported electrochemical element E generates a power generation reaction.
例えば、金属支持体1の裏側の面から貫通孔1aを通じて第一ガスとしての水素を含む燃料ガスを電極層2へ流通し、対極電極層6へ第二ガスとしての空気を流通し、所定の作動温度(例えば、500℃以上900℃以下)に維持する。そうすると、電解質層4に酸素イオンを伝導する電解質材料を用いた場合には、対極電極層6において空気に含まれる酸素O2が電子e-と反応して酸素イオンO2-が生成される。その酸素イオンO2-が電解質層4を通って電極層2へ移動する。電極層2においては、流通された燃料ガスに含まれる水素H2が酸素イオンO2-と反応し、水H2Oと電子e-が生成される。
For example, a fuel gas containing hydrogen as a first gas is passed from the back surface of the
電解質層4に水素イオンを伝導する電解質材料を用いた場合には、電極層2において流通された燃料ガスに含まれる水素H2が電子e-を放出して水素イオンH+が生成される。その水素イオンH+が電解質層4を通って対極電極層6へ移動する。対極電極層6において空気に含まれる酸素O2と水素イオンH+、電子e-が反応し水H2Oが生成される。
When an electrolyte material that conducts hydrogen ions is used for the
以上の反応により、電極層2と対極電極層6との間に電気化学出力として起電力が発生する。この場合、電極層2は燃料電池の燃料極(アノード)として機能し、対極電極層6は空気極(カソード)として機能する。
Due to the above reaction, an electromotive force is generated between the
尚、定格運転時に650℃以上の温度域で運転可能な固体酸化物形燃料電池であると、都市ガス等の炭化水素系ガスを原燃料とする燃料システムにおいて、原燃料を水素に変換する際に必要となる熱を燃料電池の排熱で賄うことが可能なシステムを構築できるため、燃料電池システムの発電効率を高めることができるので、より好ましい。また、定格運転時に900℃以下の温度域で運転される固体酸化物形燃料電池であると、金属支持型電気化学素子EからのCr揮発の抑制効果が高められるのでより好ましく、定格運転時に850℃以下の温度域で運転される固体酸化物形燃料電池であると、Cr揮発の抑制効果を更に高められるので更に好ましい。 In addition, solid oxide fuel cells that can operate in a temperature range of 650°C or higher during rated operation can be used to convert raw fuel into hydrogen in fuel systems that use hydrocarbon gas such as city gas as raw fuel. This is more preferable because it is possible to construct a system in which the heat required for the fuel cell system can be covered by the exhaust heat of the fuel cell, and the power generation efficiency of the fuel cell system can be increased. In addition, it is more preferable to use a solid oxide fuel cell that operates at a temperature of 900°C or lower during rated operation because the effect of suppressing Cr volatilization from the metal-supported electrochemical element E is enhanced. A solid oxide fuel cell operated in a temperature range of .degree. C. or lower is more preferable because the effect of suppressing Cr volatilization can be further enhanced.
(電気化学モジュール)
次に、図2を参照して電気化学モジュールMについて説明する。電気化学モジュールMは、金属支持体1と金属支持体1の裏面に取り付けられたU字部材9とで筒状支持体が形成された状態の金属支持型電気化学素子Eを備えている。そして、この金属支持型電気化学素子Eが集電部材26を挟んで複数積層(複数集合)されて電気化学モジュールMが構成されている。尚、本実施形態では、集電部材26が、金属支持型電気化学素子Eの対極電極層6とU字部材9とに接合され、両者を電気的に接続しているが、金属支持型電気化学素子Eの対極電極層6とU字部材9とを直接電気的に接続する構成としてもよい。
(Electrochemistry module)
Next, the electrochemical module M will be explained with reference to FIG. The electrochemical module M includes a metal supported electrochemical element E in which a cylindrical support is formed by a
また、電気化学モジュールMは、ガスマニホールド17、終端部材及び電流引出し部を有する。複数積層された金属支持型電気化学素子Eは、筒状支持体の一方の開口端部がガスマニホールド17に接続されて、ガスマニホールド17から気体の供給を受ける。供給された気体は、筒状支持体の内部を通流し、金属支持体1の貫通孔1aを通って電極層2に供給される。
The electrochemical module M also includes a
(電気化学装置及びエネルギーシステム)
次に、図3を参照して、上記電気化学モジュールMを用いて構築した電気化学装置Y及びエネルギーシステムZについて説明する。
(Electrochemical equipment and energy system)
Next, with reference to FIG. 3, an electrochemical device Y and an energy system Z constructed using the electrochemical module M will be described.
図3に示すように、エネルギーシステムZは、電気化学装置Yと、電気化学装置Yから流通される熱を再利用する排熱利用部としての熱交換器53とを有する。
As shown in FIG. 3, the energy system Z includes an electrochemical device Y and a
本実施形態において、電気化学装置Yは、電気化学モジュールMと、脱硫器31及び改質器34からなる燃料変換器と、電気化学モジュールMに対して燃料変換器で生成された還元成分を含有する燃料ガスを供給する燃料供給部46と、電気化学モジュールMから電力を取り出す出力部としての電力変換器の一種であるインバータ38とを有する。
In this embodiment, the electrochemical device Y includes an electrochemical module M, a fuel converter including a
より具体的に言えば、電気化学装置Yは、脱硫器31や改質水タンク32、気化器33、改質器34、ブロア35、燃焼部36、インバータ38、制御部39、電気化学モジュールM、収納容器40等を有する。
More specifically, the electrochemical device Y includes a
脱硫器31は、都市ガス等の炭化水素系の原燃料に含まれる硫黄化合物成分を除去(脱硫)する。原燃料中に硫黄化合物が含有される場合、脱硫器31を備えることにより、硫黄化合物による改質器34あるいは金属支持型電気化学素子Eに対する影響を抑制することができる。気化器33は、改質水タンク32から供給される改質水から水蒸気を生成する。改質器34は、気化器33にて生成された水蒸気を用いて脱硫器31にて脱硫された原燃料を水蒸気改質して、水素を含む改質ガスを生成する。
The
電気化学モジュールMは、改質器34から供給された改質ガスと、ブロア35から供給された空気とを用いて、電気化学反応させて発電する。燃焼部36は、電気化学モジュールMから排出される反応排ガスと空気とを混合させて、反応排ガス中の可燃成分を燃焼させる。
The electrochemical module M uses the reformed gas supplied from the
電気化学モジュールMは、複数の金属支持型電気化学素子Eとガスマニホールド17とを有する。複数の金属支持型電気化学素子Eは互いに電気的に接続された状態で並列して配置され、金属支持型電気化学素子Eの一方の端部(下端部)がガスマニホールド17に固定されている。金属支持型電気化学素子Eは、ガスマニホールド17を通じて供給される改質ガスと、ブロア35から供給された空気とを電気化学反応させて発電する。
The electrochemical module M includes a plurality of metal-supported electrochemical elements E and a
インバータ38は、電気化学モジュールMの出力電力を調整して、商用系統(図示省略)から受電する電力と同じ電圧及び同じ周波数にする。制御部39は電気化学装置Y及びエネルギーシステムZの運転を制御する。
The
気化器33、改質器34、電気化学モジュールM及び燃焼部36は、収納容器40内に収納される。そして、改質器34は、燃焼部36での反応排ガスの燃焼により発生する燃焼熱を用いて原燃料の改質処理を行う。
The
原燃料は、昇圧ポンプ41の作動により原燃料供給路42を通して脱硫器31に供給される。改質水タンク32の改質水は、改質水ポンプ43の作動により改質水供給路44を通して気化器33に供給される。そして、原燃料供給路42は脱硫器31よりも下流側の部位で、改質水供給路44に合流されており、収納容器40外にて合流された改質水と原燃料とが収納容器40内に備えられた気化器33に供給される。
The raw fuel is supplied to the
改質水は気化器33にて気化され水蒸気となる。気化器33にて生成された水蒸気を含む原燃料は、水蒸気含有原燃料供給路45を通して改質器34に供給される。改質器34にて原燃料が水蒸気改質され、水素ガスを主成分とする改質ガス(還元性成分を有する第一ガス)が生成される。改質器34にて生成された改質ガスは、燃料供給部46を通して電気化学モジュールMのガスマニホールド17に供給される。
The reformed water is vaporized in the
ガスマニホールド17に供給された改質ガスは、複数の金属支持型電気化学素子Eに対して分配され、金属支持型電気化学素子Eとガスマニホールド17との接続部である下端から金属支持型電気化学素子Eに供給される。改質ガス中の主に水素(還元性成分)が、金属支持型電気化学素子Eにて電気化学反応に使用される。反応に用いられなかった残余の水素ガスを含む反応排ガスが、金属支持型電気化学素子Eの上端から燃焼部36に排出される。
The reformed gas supplied to the
反応排ガスは、燃焼部36で燃焼され、燃焼排ガスとなって燃焼排ガス排出口50から収納容器40の外部に排出される。燃焼排ガス排出口50には、燃焼触媒部51(例えば、白金系触媒)が配置され、燃焼排ガスに含有される一酸化炭素や水素等の還元性成分を燃焼除去される。燃焼排ガス排出口50から排出された燃焼排ガスは、燃焼排ガス排出路52により熱交換器53に送られる。
The reaction exhaust gas is combusted in the
熱交換器53は、燃焼部36における燃焼で生じた燃焼排ガスと、供給される冷水とを熱交換させ、温水を生成する。即ち、熱交換器53は、電気化学装置Yから排出される熱を再利用する排熱利用部として動作する。
The
尚、排熱利用部の代わりに、電気化学モジュールMから(燃焼されずに)排出される反応排ガスを利用する反応排ガス利用部を設けてもよい。反応排ガスには、金属支持型電気化学素子Eにて反応に用いられなかった残余の水素ガスが含まれる。反応排ガス利用部では、残余の水素ガスを利用して、燃焼による熱利用や、燃料電池等による発電が行われ、エネルギーの有効利用がなされる。 Note that instead of the exhaust heat utilization section, a reaction exhaust gas utilization section that utilizes the reaction exhaust gas discharged (without being combusted) from the electrochemical module M may be provided. The reaction exhaust gas contains residual hydrogen gas that was not used in the reaction in the metal-supported electrochemical element E. In the reaction exhaust gas utilization section, the remaining hydrogen gas is utilized for heat utilization through combustion and power generation using a fuel cell or the like, thereby effectively utilizing energy.
〔実施例・比較例〕
以下、実施例及び比較例について説明する。
[Example/Comparative example]
Examples and comparative examples will be described below.
〔電極層の形成〕
実施例1として、厚さ0.3mm、直径25mmの円形の金属板に対して、中心から半径2.5mmの領域にレーザー加工により貫通孔1aを複数設けて、金属支持体1を作製した。
[Formation of electrode layer]
As Example 1, a
次に、60質量%のNiO粉末と40質量%のGDC粉末とを混合し、有機バインダーと有機溶媒(分散媒)とを加えてペーストを作製した。そのペーストを用いて、金属支持体1の中心から半径5mmの領域に電極層2を積層した(電極層積層ステップ)。尚、電極層2の形成にはスクリーン印刷を用いた。
Next, 60% by mass of NiO powder and 40% by mass of GDC powder were mixed, and an organic binder and an organic solvent (dispersion medium) were added to prepare a paste. Using the paste, the
その後、電極層2を積層した金属支持体1に対して、空気中にて450℃で脱脂処理を行った(脱脂ステップ)。
Thereafter, the
しかる後、脱脂処理後の金属支持体1に対して、焼成温度850℃で酸素分圧が7.27×10-8barとなるように調整した露点温度20℃の加湿窒素ガス雰囲気下で1時間焼成処理を行った(焼成ステップ)。
Thereafter, the degreased
実施例2~7並びに比較例1及び2についても、焼成ステップでの焼成温度、露点温度及び酸素分圧を下記表1に示す条件に変更した点を除き、同様の手順で金属支持体1上に電極層2を形成した。
For Examples 2 to 7 and Comparative Examples 1 and 2, the same procedure was followed except that the firing temperature, dew point temperature, and oxygen partial pressure in the firing step were changed to the conditions shown in Table 1 below. An
〔引張強度測定〕
金属支持体1上に形成した電極層2の引張強度を測定した。具体的に、引張強度は、以下の手順で測定した。
[Tensile strength measurement]
The tensile strength of the
まず、RS PRO社のフォースゲージ(型式:111-3690)の先端にフック形状のアタッチメントを取り付け、そのフックの先端に丸カンボルトを引っ掛けた。その後、ハンドルで高さ調節が可能な平台スタンドにフォースゲージを垂直方向に固定した。平台スタンドの平台部分にネジ穴を二つあけ、そこにワッシャー付きのネジを取り付けられる状態とした。平台の上に電極層2が中央に積層されている金属支持体1を置き、金属支持体1の電極層2が形成されていない部分をワッシャーと平台で挟み込み、ネジで固定した。金属支持体1上に形成された電極層2には、止めネジの先端を接着剤で接着した。止めネジの電極層2と接続されていない方の先端にスペーサーを取り付け、フォースゲージの先端に引っ掛けた丸カンボルトと接続した。しかる後、フォースゲージの高さを調節しながら電極層2を垂直方向に引っ張り、金属支持体1から剥離するまでにかかった荷重を測定した。得られた荷重は重力加速度を乗じて単位をNに変換した。また、光学顕微鏡で接着剤が電極層2と接していた面積を測定し、測定面積を算出した。剥離するまでにかかった荷重を測定面積で除して、引張強度N/m2を算出した。
First, I attached a hook-shaped attachment to the tip of an RS PRO force gauge (model: 111-3690), and hooked a round bolt to the tip of the hook. The force gauge was then fixed vertically on a flat stand whose height could be adjusted using a handle. Two screw holes were drilled in the flat part of the flat stand so that screws with washers could be attached to them. The
引張強度測定の結果については、表1にまとめた。表1から分かるように、焼成時の酸素分圧が4.0×10-8bar以上4.0×10-6bar以下である実施例1~7については、いずれも引張強度が1.2MN/m2以上と高い値となっている。これに対し、焼成時の酸素分圧が4.0×10-8bar未満である比較例1、及び4.0×10-6barより大きい比較例2は、いずれも引張強度が実施例1~7と比較して極端に低くなっている。 The results of tensile strength measurements are summarized in Table 1. As can be seen from Table 1, for Examples 1 to 7 in which the oxygen partial pressure during firing was 4.0 × 10 -8 bar to 4.0 × 10 -6 bar, the tensile strength was 1.2 MN. / m2 or more, which is a high value. On the other hand, Comparative Example 1, in which the oxygen partial pressure during firing was less than 4.0×10 −8 bar, and Comparative Example 2, in which the oxygen partial pressure was greater than 4.0×10 −6 bar, both had a tensile strength similar to that of Example 1. This is extremely low compared to ~7.
〔中間層の形成〕
また、実施例1~7並びに比較例1及び2について、上記と同様にして金属支持体1上に電極層2を形成した後、当該電極層2上に中間層3を形成した。具体的には、まず、GDCの微粉末に有機バインダーと有機溶媒(分散媒)を加えてペーストを作製した。そのペーストを用いて、スクリーン印刷により、電極層2を形成した金属支持体1の中心から半径6mmの領域に中間層3を積層した。その後、中間層3を積層した金属支持体1に対して、圧縮成形した後、焼成処理を行うことで、表面が平坦な中間層3を形成した(中間層形成ステップ)。
[Formation of intermediate layer]
Further, for Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 and 2, the
上記のように中間層形成ステップで中間層3を形成した結果、表1に示すように、焼成時の酸素分圧が4.0×10-8bar以上4.0×10-6bar以下である実施例1~7については、中間層3の剥離が見られなかった一方、焼成時の酸素分圧が上記範囲外の比較例1及び2については、中間層3が剥離していた。尚、図4~図6は、中間層形成ステップ後の金属支持体1を撮影した画像である。図4は実施例4、図5は実施例6に関する画像であり、中間層3が剥離していない状態であることが分かる。一方、図6は比較例2に関する画像であり、画像中の白い領域が中間層3の剥離により現れた電極層2である。
As a result of forming the
〔別実施形態〕
〔1〕上記実施形態では、焼成ステップの前に脱脂ステップを行う態様としたが、これに限られるものでなく、脱脂ステップを行わない態様であってもよい。
[Another embodiment]
[1] In the above embodiment, the degreasing step is performed before the firing step, but the present invention is not limited to this, and the degreasing step may not be performed.
〔2〕上記実施形態では、露点を10℃以上70℃以下、焼成温度を800℃以上1100℃以下とし、焼成を酸素の分圧が4.0×10-8bar以上4.0×10-6bar以下の雰囲気下で行うようにしているが、これに限られるものではない。酸素の分圧は、露点と焼成温度とをパラメータとして、これらを変更することによって決まるものである。したがって、焼成時の雰囲気が、酸素の分圧が4.0×10-8bar以上4.0×10-6bar以下となれば、露点及び焼成温度は必ずしも上記範囲内である必要はなく、所望の酸素分圧となるように、露点及び焼成温度のうちいずれか一方又は双方を上記範囲外の値としてもよい。 [2] In the above embodiment, the dew point is 10°C or more and 70°C or less, the firing temperature is 800°C or more and 1100°C or less, and the firing is performed at an oxygen partial pressure of 4.0×10 −8 bar or more and 4.0×10 −8 bar or more . Although the process is carried out under an atmosphere of 6 bar or less, the present invention is not limited thereto. The partial pressure of oxygen is determined by changing the dew point and firing temperature as parameters. Therefore, as long as the atmosphere during firing has an oxygen partial pressure of 4.0 x 10 -8 bar or more and 4.0 x 10 -6 bar or less, the dew point and firing temperature do not necessarily have to be within the above range. Either or both of the dew point and firing temperature may be set to a value outside the above range so as to obtain a desired oxygen partial pressure.
〔3〕上記実施形態では、金属支持型電気化学素子Eを製造する際に、中間層形成ステップや反応防止層形成ステップを行い、金属支持型電気化学素子Eが中間層3や反応防止層5を備える態様としたが、これに限られるものではなく、中間層3や反応防止層5を備えていない態様であってもよい。尚、中間層3を備えていない態様である場合、電極層2の上に電解質層4が形成された状態となり、反応防止層5を備えていない態様である場合、電解質層4の上に対極電極層6が形成された状態となる。
[3] In the above embodiment, when manufacturing the metal-supported electrochemical device E, the intermediate layer formation step and the reaction prevention layer formation step are performed, so that the metal-supported electrochemical device E does not have the
〔4〕上記実施形態では、金属支持型電気化学素子Eを固体酸化物形燃料電池に用いたが、この金属支持型電気化学素子Eは、固体酸化物形電解セルや、固体酸化物を利用した酸素センサ等に利用することもできる。
金属支持型電気化学素子Eを電解セルとして動作させる場合、電極層2に水蒸気や二酸化炭素を含有するガスを流通し、電極層2と対極電極層6との間に電圧を印加する。そうすると、電極層2において電子e-と水H2Oや二酸化炭素分子CO2とが反応し、水素H2や一酸化炭素COと酸素イオンO2-となる。酸素イオンO2-は、電解質層4を通って対極電極層6へ移動する。そして、対極電極層6において酸素イオンO2-が電子を放出して酸素O2となる。以上の反応により、水H2Oが水素H2と酸素O2とに電気分解される。二酸化炭素分子CO2を含有するガスが流通される場合は一酸化炭素COと酸素O2とに電気分解される。
図7には、金属支持型電気化学素子Eを上述した電解反応によるガスの生成を行う電解セルとして動作させる場合の電気化学装置Y1及びエネルギーシステムZ1の一例を示した。同図に示すように、エネルギーシステムZ1は、電気化学装置Y1と、電気化学装置Y1から流通される熱を再利用する排熱利用部としての2つの熱交換器90,92とを有する。
この実施形態において、電気化学装置Y1は、電気化学モジュールMと、電気化学モジュールMで生成された水素などを基に炭化水素を合成する燃料変換器91と、電気化学モジュールMに電力を流通する電力変換器93とを有する。
この電気化学装置Y1において、電気化学モジュールMは、複数の金属支持型電気化学素子Eと2つのガスマニホールド17,171とを有する。複数の金属支持型電気化学素子Eは、互いに電気的に接続された状態で並列して配置される。金属支持型電気化学素子Eは、一方の端部(下端部)がガスマニホールド17に固定されており、他方の端部(上端部)がガスマニホールド171に固定されている。金属支持型電気化学素子Eの一方の端部におけるガスマニホールド17は、水蒸気及び二酸化炭素の供給を受ける。そして、金属支持型電気化学素子Eで上述の反応により生成した水素及び一酸化炭素等が、他方の端部と連通するガスマニホールド171によって収集される。
また、この実施形態においては、熱交換器90を、燃料変換器91で起きる反応によって生ずる反応熱と水とを熱交換させ気化する排熱利用部として動作させるとともに、熱交換器92を、金属支持型電気化学素子Eによって生ずる排熱と水蒸気及び二酸化炭素とを熱交換させ予熱する排熱利用部として動作させる構成とすることで、エネルギー効率を高められるようになっている。
また、電力変換器93は、電気化学モジュールMの金属支持型電気化学素子Eに電力を流通する。これにより、金属支持型電気化学素子Eは、電解セルとして作用する。
よって、上記構成によれば、電気エネルギーを燃料等の化学的エネルギーに変換する効率を向上できる電気化学装置Y1及びエネルギーシステムZ1を実現できる。
[4] In the above embodiment, the metal-supported electrochemical device E was used in a solid oxide fuel cell, but this metal-supported electrochemical device E can also be used in a solid oxide electrolytic cell or a solid oxide electrolytic cell. It can also be used for oxygen sensors, etc.
When the metal supported electrochemical element E is operated as an electrolytic cell, a gas containing water vapor or carbon dioxide is passed through the
FIG. 7 shows an example of an electrochemical device Y1 and an energy system Z1 in which the metal-supported electrochemical element E is operated as an electrolytic cell that generates gas by the electrolytic reaction described above. As shown in the figure, the energy system Z1 includes an electrochemical device Y1 and two
In this embodiment, the electrochemical device Y1 distributes electric power to the electrochemical module M, a
In this electrochemical device Y1, an electrochemical module M includes a plurality of metal-supported electrochemical elements E and two
Further, in this embodiment, the
Further, the
Therefore, according to the above configuration, it is possible to realize the electrochemical device Y1 and the energy system Z1 that can improve the efficiency of converting electrical energy into chemical energy such as fuel.
〔5〕上記実施形態では、金属支持型電気化学素子Eを電気化学モジュールMとして複数組み合わせて用いる態様としたが、これに限られるものではなく、単独で用いることも可能である。 [5] In the above embodiment, a plurality of metal-supported electrochemical elements E are used in combination as the electrochemical module M, but the present invention is not limited to this, and it is also possible to use them alone.
〔6〕上記実施形態では、エネルギーシステムZ,Z1が、電気化学装置Y,Y1から排出される熱を再利用する排熱利用部を備える態様としたが、これに限られるものではなく、排熱利用部を備えていない態様であってもよい。 [6] In the above embodiments, the energy systems Z and Z1 are provided with an exhaust heat utilization section that reuses the heat discharged from the electrochemical devices Y and Y1, but the present invention is not limited to this. It may also be an embodiment that does not include a heat utilization section.
〔7〕上記実施形態では、電極層2の材料として例えばNiO-GDC、Ni-GDC、NiO-YSZ、Ni-YSZ、CuO-CeO2、Cu-CeO2などの複合材を用い、対極電極層6の材料として例えばLSCF、LSM等の複合酸化物を用い、電極層2に水素ガスを流通して燃料極(アノード)とし、対極電極層6に空気を流通して空気極(カソード)とし、固体酸化物形燃料電池の発電セルとして用いる態様としたが、これに限られるものではない。このような構成を変更して、電極層2を空気極とし、対極電極層6を燃料極とすることが可能なように、金属支持型電気化学素子Eを構成する態様であってもよい。即ち、電極層2の材料として、例えばLSCF、LSM等の複合酸化物を用い、対極電極層6の材料として、例えばNiO-GDC、Ni-GDC、NiO-YSZ、Ni-YSZ、CuO-CeO2、Cu-CeO2などの複合材を用いる。このように構成した金属支持型電気化学素子Eであれば、電極層2に空気を流通して空気極とし、対極電極層6に水素ガスを流通して燃料極とし、金属支持型電気化学素子Eを固体酸化物形燃料電池の発電セルとして用いることができる。
[7] In the above embodiment, a composite material such as NiO-GDC, Ni-GDC, NiO-YSZ, Ni-YSZ, CuO-CeO 2 , Cu-CeO 2 is used as the material of the
〔8〕上記実施形態では、電気化学モジュールMが、金属支持体1と金属支持体1の裏面に取り付けられたU字部材9とで筒状支持体が形成された状態の金属支持型電気化学素子Eを備える態様としたが、これに限られるものではない。例えば、図8に示すように、金属支持型電気化学素子Eを、セル間接続部材71を間に挟んで積層することで、電気化学モジュールMを構成する態様であってもよい。
この場合、セル間接続部材71は、導電性を有し、且つ気体透過性を有さない板状の部材であり、表面と裏面とに互いに直交する溝72が形成されている。尚、セル間接続部材71は、ステンレス等の金属や、金属酸化物を用いることができる。
そして、このセル間接続部材71を間に挟んで金属支持型電気化学素子Eを積層すると、溝72を通じて気体を金属支持型電気化学素子Eに供給できる。詳しくは、一方の面に形成された溝72が第一気体流路72aとなり、金属支持型電気化学素子Eの表側、即ち、対極電極層6に気体を供給する。また、他方の面に形成された溝72が第二気体流路72bとなり、金属支持型電気化学素子Eの裏側、即ち、金属支持体1の裏側の面から貫通孔1aを通じて電極層2へ気体を供給する。
このように構成した電気化学モジュールMを固体酸化物形燃料電池の発電セルとして動作させる場合は、第一気体流路72aに空気を供給し、第二気体流路72bに水素を供給する。そうすると金属支持型電気化学素子Eにて発電反応が進行し、起電力・電流が発生する。発生した電力は、積層された金属支持型電気化学素子Eの両端のセル間接続部材71から、電気化学モジュールMの外部に取り出される。
尚、溝72は、セル間接続部材71の表面に形成されるものと裏面に形成されるものとが互いに並行であってもよい。
[8] In the above embodiment, the electrochemical module M is a metal-supported electrochemical module in which a cylindrical support is formed by the
In this case, the
Then, by stacking the metal-supported electrochemical elements E with the
When the electrochemical module M configured in this manner is operated as a power generation cell of a solid oxide fuel cell, air is supplied to the first
Note that the
〔9〕上記実施形態では、金属支持型電気化学素子Eを主に平板型や円筒平板型の固体酸化物形燃料電池に用いる態様としたが、これに限られるものではなく、円筒型の固体酸化物形燃料電池などの素子に利用することもできる。 [9] In the above embodiment, the metal-supported electrochemical device E is mainly used in a flat plate type or a cylindrical flat type solid oxide fuel cell, but is not limited to this. It can also be used in elements such as oxide fuel cells.
〔10〕上記実施形態では、電気化学装置Yが、複数の金属支持型電気化学素子Eを有する電気化学モジュールMを備える態様としたが、これに限られるものではない。例えば、電気化学装置が一つの金属支持型電気化学素子Eを備える態様であってもよい。 [10] In the above embodiment, the electrochemical device Y includes the electrochemical module M having a plurality of metal-supported electrochemical elements E, but the present invention is not limited to this. For example, the electrochemical device may include one metal-supported electrochemical element E.
尚、上記実施形態(別実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。 It should be noted that the configuration disclosed in the above embodiment (including other embodiments, the same applies hereinafter) can be applied in combination with the configuration disclosed in other embodiments, as long as there is no contradiction, and The embodiments disclosed in this specification are illustrative, and the embodiments of the present invention are not limited thereto, and can be modified as appropriate without departing from the purpose of the present invention.
1 :金属支持体
1b :金属酸化物膜(拡散防止層)
2 :電極層
3 :中間層
4 :電解質層
5 :反応防止層
6 :対極電極層
31 :脱硫器(燃料変換器)
34 :改質器(燃料変換器)
38 :インバータ(電力変換器)
53 :熱交換器(排熱利用部)
90,92:熱交換器(排熱利用部)
91 :燃料変換器
93 :電力変換器
E :金属支持型電気化学素子
M :電気化学モジュール
Y,Y1:電気化学装置
Z,Z1:エネルギーシステム
1:
2: Electrode layer 3: Intermediate layer 4: Electrolyte layer 5: Reaction prevention layer 6: Counter electrode layer 31: Desulfurizer (fuel converter)
34: Reformer (fuel converter)
38: Inverter (power converter)
53: Heat exchanger (exhaust heat utilization part)
90, 92: Heat exchanger (exhaust heat utilization part)
91: Fuel converter 93: Power converter E: Metal supported electrochemical element M: Electrochemical module Y, Y1: Electrochemical device Z, Z1: Energy system
Claims (19)
前記金属支持体上に電極層を積層する電極層積層ステップと、
前記金属支持体上に積層した前記電極層を焼成する焼成ステップと、を有し、
前記焼成ステップは、酸素の分圧が4.0×10-8bar以上4.0×10-6bar以下の雰囲気下で行う、電極層形成方法。 A method of forming an electrode layer on a metal support, the method comprising:
an electrode layer lamination step of laminating an electrode layer on the metal support;
a firing step of firing the electrode layer laminated on the metal support,
The method for forming an electrode layer, wherein the firing step is performed in an atmosphere with an oxygen partial pressure of 4.0×10 −8 bar or more and 4.0×10 −6 bar or less.
前記電極層の上に配置された電解質層と、
前記電解質層の上に配置された対極電極層と、を少なくとも有する電気化学素子。 The electrode layer according to any one of claims 7 to 11,
an electrolyte layer disposed on the electrode layer;
An electrochemical device comprising at least a counter electrode layer disposed on the electrolyte layer.
前記電気化学素子又は前記電気化学モジュールに供給する還元性成分を生成する、或いは、前記電気化学素子又は前記電気化学モジュールで生成する還元性成分を含有するガスを変換する燃料変換器と、を少なくとも有する電気化学装置。 The electrochemical element according to claim 12 or 13 or the electrochemical module according to claim 14,
a fuel converter that generates a reducing component to be supplied to the electrochemical element or the electrochemical module, or converts a gas containing a reducing component that is generated in the electrochemical element or the electrochemical module; Electrochemical device with.
前記電気化学素子又は前記電気化学モジュールから電力を取り出す、或いは、前記電気化学素子又は前記電気化学モジュールに電力を流通する電力変換器と、を少なくとも有する電気化学装置。 The electrochemical element according to claim 12 or 13 or the electrochemical module according to claim 14,
An electrochemical device comprising at least a power converter that extracts electric power from the electrochemical element or the electrochemical module, or distributes electric power to the electrochemical element or the electrochemical module.
前記電気化学装置から排出される熱を再利用する排熱利用部と、を少なくとも有するエネルギーシステム。
The electrochemical device according to claim 17 or 18,
An energy system comprising at least an exhaust heat utilization section that reuses heat discharged from the electrochemical device.
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