JP5153954B1 - 燃料電池セル - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池セルは、内部に流路を有する平板状の支持基板と、支持基板上に配置され、燃料極活性層と、空気極と、燃料極活性層と空気極との間に配置される固体電解質層と、を有する発電部と、支持基板の外周を覆うシール部と、を備える。シール部は、支持基板上に形成される第1シール膜と、第1シール膜上に形成される第2シール膜と、を有する。第1シール膜は、イットリアを含有している。
【選択図】図3
Description
第1実施形態では、いわゆる縦縞型の固体酸化物型燃料電池セルについて説明する。
縦縞型の固体酸化物型燃料電池セル(以下、「セル」と略称する。)100の構成について、図面を参照しながら説明する。図1は、セル100の構成を示す断面図である。
支持基板10は、扁平断面を有する平板である。支持基板10は、例えば、1mm〜10mm程度の厚みを有する。
インターコネクタ20は、支持基板10の第1平坦面10A上に配置される。インターコネクタ20は、支持基板10を介して、発電部で発生する電流を集電する。インターコネクタ20は、例えば、10μm〜100μm程度の厚みを有する。
発電部30は、支持基板10の第2平坦面10B上に配置される。従って、発電部30は、支持基板10を介して、インターコネクタ20の反対側に配置されている。発電部30は、上述のとおり、燃料極活性層31と、固体電解質層32と、空気極33とによって構成されている。
図2は、固体電解質層32(具体的には、第1シール部32b)の詳細構成を示す図1の部分拡大図である。図3は、支持基板10と固体電解質層32との界面P付近におけるイットリア濃度分布を示す解析画像である。図4は、界面P付近におけるイットリア濃度プロファイルを示すグラフである。
・ Y2O3の易焼結性により欠陥を低減できる。
・ ZrO2を含むことで、第2シール膜32BがYSZで構成される場合に接合性が向上する。
・ 支持基板の還元時に発生する還元収縮に伴う歪に対して、第1シール膜32AがNiOを適度に含むことで応力緩衝効果が得られ、その結果、各シール部の破損が抑制される。
次に、燃料電池セル100の製造方法について説明する。
第2実施形態では、いわゆる横縞型の固体酸化物型燃料電池セルについて説明する。
横縞型の固体酸化物型燃料電池セル(以下、「セル」と略称する。)200の構成について、図面を参照しながら説明する。図5は、セル100の構成を示す斜視図である。図6は、図5のA−A断面図である。
支持基板210は、扁平かつ一方向(z軸方向)に長い形状である。支持基板210は、多孔質材料によって構成されている。支持基板210は、Ni(ニッケル)を含んでいてもよく、Ni‐Y2O3(ニッケル‐イットリア)を主成分として含有していてもよい。ニッケルは酸化物(NiO)であってもよいが、発電時には、NiOは水素ガスによってNiに還元されてもよい。
インターコネクタ220は、図5に示すように、2つの発電部230に接続されている。インターコネクタ220は、クロマイト系材料を主成分として含有する。クロマイト系材料の組成は、次の一般式(1)で表すことができる。
(式(1)において、LnはY及びランタノイド(La,Ce,Eu,Sm,Yb,Gdなど)からなる群より選択される少なくとも1種類の元素であり、AはCa,Sr及びBaからなる群より選択される少なくとも1種類の元素を含有し、Bは、Ti,V,Mn,Fe,Co,Cu,Ni,Zn,Mg及びAlからなる群より選択される少なくとも1種類の元素を含有し、0.025≦x≦0.3、0≦y≦0.22、0≦z≦0.15である。)
(発電部230)
燃料極231は、支持基板210上に配置され、アノードとして機能する。燃料極231は、燃料極集電層231aと燃料極活性層231bとを有する。
(式(2)において、AEは少なくとも1種のアルカリ土類金属であり、Aサイトは、希土類,Al及びCrからなる群から選択される少なくとも1種類の元素を含有し、BサイトはTi及びZrから選択される少なくとも1種類の元素を含有し、Cサイトは、Nb,V,Mn,Cr,Fe,Co,Cu,Ni,Zn,Mg及びAlからなる群から選択される少なくとも1種類の元素を含有し、0≦x≦0.3,0≦y≦0.22,−0.1≦z≦0.1である。)
また、燃料極集電層231aは、式(2)で表される酸化物以外の成分を含有してもよく、例えばニッケルを含有していてもよい。ニッケルは、酸化物(NiO)であってもよいが、発電時には、NiOはNiに還元されてもよい。燃料極集電層231aの厚みは、50〜500μm程度とすることができる。
支持基板210の厚みD2 :1〜10mm
支持基板210の長さD3 :5〜50cm
支持基板210の外面から流路21までの距離D4:0.1〜4mm
インターコネクタ220の厚み :10〜100μm
固体電解質層232の厚み :3〜50μm
空気極233の厚み :10〜100μm
集電層234の厚み :50〜500μm
ただし、本発明はこれらの数値に限定されない。
図7は、固体電解質層232(具体的には、第1シール部232b)の詳細構成を示す図6の部分拡大図である。
・ Y2O3の易焼結性により欠陥を低減できる。
・ ZrO2を含むことで、第2シール膜232BがYSZで構成される場合に接合性が向上する。
・ 燃料極の還元時に発生する還元収縮に伴う歪に対して、第1シール膜232AがNiOを適度に含むことで応力緩衝効果が得られ、その結果、各シール部の破損が抑制される。
≪他の実施形態≫
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。
以下のようにして、燃料極集電層を支持基板とする燃料極支持型セルのサンプルNo.1〜No.14を作製した。
サンプルNo.1〜No.14を800℃で水素雰囲気に5時間暴露し、常温まで降温させた後、セルの断面を顕微鏡で観察することによって第2シール膜におけるクラックの有無を確認した。観察結果を表1及び表2に示す。なお、表1及び表2では、各サンプル(n=10個)のいずれにもクラックが無いものを○、いずれか1つにでもクラックあれば×と評価した。
10 支持基板
20 インターコネクタ
30 発電部
31 燃料極
32 固体電解質層
32A 第1シール膜
32B 第2シール膜
33 空気極
Claims (5)
- 酸化ニッケル及び/又はニッケルとイットリアによって構成され、内部に流路を有する平板状の支持基板と、
前記支持基板上に配置され、燃料極活性層と、空気極と、前記燃料極活性層と前記空気極との間に配置される固体電解質層と、を有する発電部と、
前記発電部に接続され、前記支持基板の少なくとも側面を覆うシール部と、
を備え、
前記シール部は、前記支持基板上に形成される第1シール膜と、前記第1シール膜上に形成される第2シール膜と、を有し、
前記第1シール膜は、酸化ニッケル及び/又はニッケルとイットリアとジルコニアによって構成され、
前記第2シール膜は、イットリア安定化ジルコニアによって構成されており、
前記支持基板は、ガス透過性であり、
前記第1シール膜及び前記第2シール膜それぞれは、ガス遮断性である、
燃料電池セル。 - 前記第1シール膜における平均イットリア濃度は、前記第2シール膜における平均イットリア濃度よりも高い、
請求項1に記載の燃料電池セル。 - 前記第1シール膜におけるイットリア濃度の平均値は、12mol%以上かつ31mol%以下である、
請求項2に記載の燃料電池セル。 - 前記第1シール膜の厚みは、1μm以上20μm以下である、
請求項1乃至3のいずれかに記載の燃料電池セル。 - 前記固体電解質層は、イットリア安定化ジルコニアを含み、
前記シール部は、前記固体電解質層と一体的に連結される、
請求項1乃至4のいずれかに記載の燃料電池セル。
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