JP5160241B2 - 固体酸化物形燃料電池用セル及びその製造方法 - Google Patents
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Description
そして、このようなSOFC用セルでは、例えば700〜900℃程度の作動温度で作動し、空気極側から燃料極側への電解質膜を介した酸化物イオンの移動に伴って、一対の電極の間に起電力が発生し、その起電力を外部に取り出し利用することができる。
このような空気極のCr被毒は、空気極における酸化物イオンの生成のための酸素の還元反応を阻害し、空気極の電気抵抗を増加させ、更には合金等のCr濃度を減少させることにより合金等自体の耐熱性の低下などの問題を引き起こし、結果、SOFCの性能低下を招く場合がある。
即ち、上記n型半導体被膜として、酸化物の標準生成自由エネルギーで、使用温度において、WO3以下である酸化物は、酸化力が小さく、Cr(III)からCr(VI)への酸化が抑制できるためであると推定できる。
即ち、上記n型半導体被膜として、水溶液中の標準電極電位が−0.029V以下である酸化物は、酸化力が小さく、Cr(III)からCr(VI)への酸化が抑制できるためであると推定できる。
また、上記被膜形成処理において合金等に形成するn型半導体被膜をWO3被膜とすることで、このWO3被膜と合金等との境界部における酸素分圧の平衡解離圧を非常に小さいもの(1000℃において10-12atm以下)とすることができ、Cr(VI)の酸化物の生成をより良好に抑制することができるCr(VI)の酸化物抑制状態とすることができる。
また、上記被膜形成処理において合金等に形成するn型半導体被膜をSiO2被膜とすることで、このSiO2被膜と合金等との境界部における酸素分圧の平衡解離圧を非常に小さいもの(1000℃において10-26atm以下)とすることができ、Cr(VI)の酸化物の生成をより良好に抑制することができるCr(VI)の酸化物抑制状態とすることができる。
また、上記被膜形成処理において合金等に形成するn型半導体被膜をCaTiO3被膜とすることで、このCaTiO3被膜と合金等との境界部における酸素分圧の平衡解離圧を非常に小さいもの(1000℃において10-26atm以下)とすることができ、Cr(VI)の酸化物の生成をより良好に抑制することができるCr(VI)の酸化物抑制状態とすることができる。
また、上記被膜形成処理において合金等に形成するn型半導体被膜をBaTiO3被膜とすることで、このBaTiO3被膜と合金等との境界部における酸素分圧の平衡解離圧を非常に小さいもの(1000℃において10-26atm以下)とすることができ、Cr(VI)の酸化物の生成をより良好に抑制することができるCr(VI)の酸化物抑制状態とすることができる。
また、記被膜形成処理において合金等に形成するn型半導体被膜をSm2O3被膜とすることで、このSm2O3被膜と合金等との境界部における酸素分圧の平衡解離圧を非常に小さいもの(1000℃において10-37atm以下)とすることができ、Cr(VI)の酸化物の生成をより良好に抑制することができるCr(VI)の酸化物抑制状態とすることができる。
また、上記被膜形成処理において合金等に形成するn型半導体被膜をMgTiO3被膜とすることで、このMgTiO3被膜と合金等との境界部におけ
る酸素分圧の平衡解離圧を非常に小さいもの(1000℃において10-26atm以下)とすることができ、Cr(VI)の酸化物の生成をより良好に抑制することができるCr(VI)の酸化物抑制状態とすることができる。
また、上記被膜形成処理において合金等に形成するn型半導体被膜を、例えば上述したTiO 2 被膜、WO 3 被膜、SiO2被膜、CaTiO3被膜、BaTiO3被膜、及び、Sm2O3被膜、及び、MgTiO3被膜から選択される複数種のn型半導体被膜を組み合わせて形成して、Cr(VI)の酸化物の生成をより良好に抑制することができるCr(VI)の酸化物抑制状態とすることができる。
前記合金又は酸化物の表面に、TiO 2 被膜、WO 3 被膜、SiO 2 被膜、CaTiO 3 被膜、BaTiO 3 被膜、Sm 2 O 3 被膜、及び、MgTiO 3 被膜から選ばれる少なくとも一つのn型半導体被膜を形成してなる点にある。
そして、この本発明に係るSOFC用セルの特徴構成によれば、上記特徴構成を有するSOFC用セルの製造方法で製造されたSOFC用セルと同様の構成を有することで、合金等の表面に複数種を組み合わせて形成された酸化力の小さなn型半導体被膜により、焼成処理時及び作動時において、空気極へのCr被毒の発生を良好に抑制することができる。
同時に、上記焼成処理における酸化パラメータを、Cr(VI)の酸化物の生成を抑制し得る比較的低い範囲内に設定しながら、その酸化パラメータの設定下限値を、Cr2O3等のCr(III)の酸化物の生成を許容し得る範囲内に制限することで、この焼成処理により、合金の表面にCr2O3の保護被膜を適切な厚さで形成することができる。よって、合金と空気極との接触抵抗のCr2O3の保護被膜による増加をできるだけ少なくしながら、合金の耐熱性を向上することができる。
即ち、空気極にはLaMnO3、LaCoO3、LaFeO3などをベースにAサイトにSrやCaを、ドープしたものが主に使用されている。この中でもLaCoO3系やLaFeO3系の空気極が最も還元されやすく、1000℃では、酸素分圧P(O2)が10-7atm以下でLa2O3と金属CoやFeに還元される。また、同様にLaMnO3系の空気極は、1000℃では、酸素分圧P(O2)が10-17atm以下で還元される。
そして、焼成処理時に、空気極が還元されてしまうと、作動時に空気極に本来求められる酸素を酸化物イオンに還元する機能や電導性が低下してしまう恐れがある。当然のことながら、焼成処理時に空気極が還元されることはできるだけ避けなければならない。
よって、焼成処理における酸化剤分圧及び焼成温度の酸化パラメータは、Cr(III)の酸化物の生成を許容し且つCr(VI)の酸化物の生成を抑制する範囲内のうち、更には、空気極が還元されない酸化パラメータの範囲内に設定することが望ましいといえる。
図23に示すCr(VI)の代表的な化合物であるCrO3の蒸気圧の酸素分圧依存性を参照して、酸素分圧P(O2)が大気圧と10-2atmのときでは、酸素分圧P(O2)が10-2atmのときのほうがCrO3の蒸気圧P(CrO3)は約1/30に抑制できることになる。更に望ましくは、上記焼成処理における酸化パラメータを、Cr(VI)の酸化物の生成を抑制し得る比較的低い範囲内に設定しながら、その酸化パラメータの設定下限値を、LaCoO3等の空気極用の部材が還元されない範囲内に制限することである。
即ち、上記Cr(VI)の酸化物の蒸気圧は、上記のような酸化剤分圧と焼成温度との酸化パラメータが高くなるほど大きくなる傾向があることから、この焼成処理における酸化パラメータの設定上限値を、Cr(VI)の酸化物の生成が抑制される範囲内に制限することで、焼成処理における空気極のCr被毒が良好に抑制される。例えば、焼成温度が1000℃程度である場合には、図23に示すCr(VI)の酸化物の蒸気圧P(CrO 3 )の特性を参照して、酸化剤分圧としての酸素分圧P(O 2 )を10 -2 atm以下に設定し、水蒸気分圧P(H 2 O)を、水素分圧P(H 2 )に対する比P(H 2 O)/P(H 2 )で、10 7 程度(即ち、Cr(VI)の酸化物の蒸気圧を大気圧下の1/30程度以下に抑えられる範囲)以下に設定することで、Cr(VI)の酸化物の生成を抑制することができる。
更に、焼成処理における酸化パラメータの設定下限値を、Cr(III)の酸化物の生成を許容する範囲内に制限することで、この焼成処理において、インタコネクト1の表面には、適切な厚さでCr(III)の酸化物であるCr 2 O 3 の保護被膜が形成されることになる。例えば、焼成温度が1000℃程度である場合には、図23を参照して、酸化剤分圧としての酸素分圧P(O 2 )を10 -23 atm以上に設定し、水蒸気分圧P(H 2 O)を、水素分圧P(H 2 )に対する比P(H 2 O)/P(H 2 )で、10 -3 程度以上に設定することで、Cr(III)の酸化物の生成を許容することができる。
例えば、焼成温度を1000℃〜1150℃程度とし、水蒸気分圧が極めて小さいものである場合の焼成処理においては、図23に示すCr(VI)の酸化物の蒸気圧P(CrO3)の特性を参照して、Cr(III)の酸化物の生成を許容することができる酸素分圧P(O2)は10-23atm以上であり、一方Cr(VI)の酸化物の生成を抑制することができる酸素分圧P(O2)は10-2atm以下(即ち、Cr(VI)の酸化物の蒸気圧を大気圧下の1/30程度以下に抑えられる範囲)であることから、酸素分圧P(O2)の好適な設定範囲は10-23atm以上且つ10-2atm以下の範囲となる。
酸化剤雰囲気中にて、前記焼成処理における焼成温度未満の加熱温度で加熱して前記有機バインダーを燃焼させるバインダー燃焼処理を行った後に、
1000℃〜1150℃の焼成温度で前記焼成処理を行う点にある。
また、上記バインダー燃焼処理における加熱温度が、上記焼成温度における焼成温度よりも低い温度に設定されているので、Cr(VI)の酸化物の生成を抑制し、空気極のCr被毒の発生を抑制することができる。
図1及び図2に示すSOFC用セルCは、酸化物イオン電導性の固体酸化物の緻密体からなる電解質膜30の一方面側に、酸化物イオン及び電子電導性の多孔体からなる空気極31を接合すると共に、同電解質膜30の他方面側に電子電導性の多孔体からなる燃料極32を接合してなる単セル3を備える。
更に、SOFC用セルCは、この単セル3を、空気極31又は燃料極32に対して電子の授受を行うと共に空気及び水素を供給するための溝2が形成された一対の電子電導性の合金又は酸化物からなるインタコネクト1により、適宜外周縁部においてガスシール体を挟持した状態で挟み込んだ構造を有する。そして、空気極31側の上記溝2が、空気極31とインタコネクト1とが密着配置されることで、空気極31に空気を供給するための空気流路2aとして機能し、一方、燃料極32側の上記溝2が、燃料極32とインタコネクト1とが密着配置されることで、燃料極32に水素を供給するための燃料流路2bとして機能する。
このセルスタックにおいて、積層方向の両端部に配置されたインタコネクト1は、燃料流路2b又は空気流路2aの一方のみが形成されるものであればよく、その他の中間に配置されたインタコネクト1は、一方の面に燃料流路2bが形成され他方の面に空気流路2aが形成されるものを利用することができる。尚、かかる積層構造のセルスタックでは、上記インタコネクト1をセパレータと呼ぶ場合がある。
このようなセルスタックの構造を有するSOFCを一般的に平板型SOFCと呼ぶ。本実施形態では、一例として平板型SOFCについて説明するが、本願発明は、その他の構造のSOFCについても適用可能である。
そして、このように空気極31のCr被毒が発生すると、作動時において、空気極31と電解質膜30との界面や電極内部で起こるO2−の生成のための酸素の還元反応が阻害されてしまい、更には、このCrが空気極31にドープされているSrやCaなどを奪ってSrCr2O4、SrCrO4やCaCr204、CaCrO4などの高抵抗化合物が形成され、また、SrやCaが無くなることによる空気極31自身の電気抵抗が増加することで、SOFCの性能低下を招く場合がある。また、合金等に含有されているCr量が減少し、合金等自体の耐熱性が低下する場合もある。
よって、この焼成処理では、インタコネクト1に含まれるCrが、価数が6+のCr(VI)となって酸化することが抑制されるので、気相状態のCr(VI)の酸化物であるCrO3やCrO2(OH)2の生成が充分に抑制され、そのCr(VI)の酸化物の空気極31側への移動に起因する空気極31のCr被毒の発生を良好に抑制することができる。また、合金等のCr含有量の低下も抑制できるため、合金等自体の耐熱性の低下も抑制できる。
本第一実施形態では、上記Cr(VI)酸化物抑制状態を、焼成処理を行う前に、インタコネクト1の少なくとも空気極31に対する境界面1a(図2参照)を含む表面に、酸化力の小さなn型半導体被膜として機能するTiO2被膜(チタニア被膜)を形成することで実現している。
上記第一実施形態のように焼成処理を行う前にインタコネクト等に使用される合金の表面に乾式成膜法によりn型半導体被膜であるTiO2被膜を形成して製造した模擬SOFC用セル(実施例1−1)と、合金の表面にTiO2被膜等のn型半導体被膜を形成せずに製造した模擬SOFC用セル(比較例1)との夫々について、合金と空気極との接合部付近の断面のCr分布を観察した実験結果を、以下に示す。
尚、実施例1−1及び比較例1の模擬SOFC用セルは、共に、合金をFe−Cr系合金(Cr含有量:22wt%)とし、空気極を(La,Sr)(Co,Fe)O3としたものである。
尚、図3に、実施例1−1の模擬SOFC用セルの作動温度での保持後のCr分布の分析結果を、図4に、比較例1の模擬SOFC用セルの作動温度での保持後のCr分布の分析結果を示す。尚、これらの図面において、合金におけるCr濃度は約22%であり、空気極において色調が最も薄い領域のCr濃度は略0%(図面において空気極での薄いグレーの領域)である。また、これら分布を示す図面において、写真図の横幅が約130μmに相当している。
一方、比較例1のTiO2被膜を合金に形成しなかった模擬SOFC用セルでは、図4に示すように、空気極において合金に近い領域(図4において空気極での濃いグレーの領域)ではCr濃度が約10%〜14%程度と高くなっており、その領域よりも合金から若干離れた領域でも2%〜10%程度となっており、空気極におけるCr被毒が非常に進行しているのが確認できた。尚、200h後の合金の面抵抗は14mΩ・cm2であった。
上記第一実施形態のように焼成処理を行う前にインタコネクト等に使用される合金の表面に乾式成膜法によりn型半導体被膜であるTiO2被膜を形成して製造した模擬SOFC用セル(実施例1−2)と、合金の表面にTiO2被膜等のn型半導体被膜を形成せずに製造した模擬SOFC用セル(比較例2)との夫々について、合金と空気極との接合部付近の断面のCr分布を観察した実験結果を、以下に示す。
尚、実施例1−2及び比較例2の模擬SOFC用セルは、共に、合金をFe−Cr系合金(Cr含有量:22wt%)とし、空気極を(La,Sr)(Co,Fe)O3としたものである。
尚、図5に、実施例1−2の模擬SOFC用セルの焼成処理後のCr分布の分析結果を、図22に、比較例2の模擬SOFC用セルの焼成処理後のCr分布の分析結果を示す。尚、これらの図面において、合金におけるCr濃度は約22%であり、空気極において色調が最も薄い領域のCr濃度は略0%(図面において空気極での薄いグレーの領域)である。これら分布を示す図面において、写真図の横幅が約130μmに相当している。
一方、比較例2のTiO2被膜を合金に形成しなかった模擬SOFC用セルでは、図22に示すように、空気極において合金に近い領域(図22において空気極での濃いグレーの領域)ではCr濃度が約10%〜14%程度と高くなっており、その領域よりも合金から若干離れた領域でも2%〜10%程度となっており、空気極におけるCr被毒が非常に進行しているのが確認できた。
上記第一実施形態のように焼成処理を行う前にインタコネクト等に使用される合金の表面に湿式成膜法によりn型半導体被膜であるTiO2被膜を形成して製造した模擬SOFC用セル(実施例1−3)と、合金の表面にTiO2被膜等のn型半導体被膜を形成せずに製造した模擬SOFC用セル(比較例2)との夫々について、合金と空気極との接合部付近の断面のCr分布を観察した実験結果を、以下に示す。
尚、実施例1−3及び比較例2の模擬SOFC用セルは、共に、合金をFe−Cr系合金(Cr含有量:22wt%)とし、空気極を(La,Sr)(Co,Fe)O3としたものである。
尚、図6に、実施例1−3の模擬SOFC用セルの焼成処理後のCr分布の分析結果を、図22に、比較例2の模擬SOFC用セルの焼成処理後のCr分布の分析結果を示す。尚、これらの図面において、合金におけるCr濃度は約22%であり、空気極において色調が最も薄い領域のCr濃度は略0%(図面において空気極での薄いグレーの領域)である。これら分布を示す図面において、写真図の横幅が約130μmに相当している。
一方、比較例2のTiO2被膜を合金に形成しなかった模擬SOFC用セルでは、図22に示すように、空気極において合金に近い領域(図22において空気極での濃いグレーの領域)ではCr濃度が約10%〜14%程度と高くなっており、その領域よりも合金から若干離れた領域でも2%〜10%程度となっており、空気極におけるCr被毒が非常に進行しているのが確認できた。
上記第一実施形態のように焼成処理を行う前にインタコネクト等に使用される合金の表面にディップコーティング法によりn型半導体被膜であるTiO2被膜を形成して製造した模擬SOFC用セル(実施例1−4)について、合金と空気極との接合部付近の断面のCr分布を観察した実験結果を、以下に示す。
尚、実施例1−4の模擬SOFC用セルは、合金をFe−Cr系合金(Cr含有量:22wt%)とし、空気極を(La,Sr)(Co,Fe)O3としたものである。
尚、図7に、実施例1−4の模擬SOFC用セルの焼成処理後のCr分布の分析結果を示す。尚、これらの図面において、合金におけるCr濃度は約22%であり、空気極において色調が最も薄い領域のCr濃度は略0%(図面において空気極での薄いグレーの領域)である。これら分布を示す図面において、写真図の横幅が約130μmに相当している。
本第二参考形態では、上記Cr(VI)酸化物抑制状態を、焼成処理を行う前に、インタコネクト1の少なくとも空気極31に対する境界面1a(図2参照)を含む表面に、酸化力の小さなn型半導体被膜として機能するY2O3被膜(イットリア被膜)を形成することで実現している。
上記第二参考形態のように焼成処理を行う前にインタコネクト等に使用される合金の表面に乾式成膜法によりn型半導体被膜であるY2O3被膜を形成して製造した模擬SOFC用セル(参考例2)と、合金の表面にY2O3被膜等のn型半導体被膜を形成せずに製造した模擬SOFC用セル(比較例2)との夫々について、合金と空気極との接合部付近の断面のCr分布を観察した実験結果を、以下に示す。
尚、参考例2及び比較例2の模擬SOFC用セルは、共に、合金をFe−Cr系合金(Cr含有量:22wt%)とし、空気極を(La,Sr)(Co,Fe)O3としたものである。
尚、図8に、参考例2の模擬SOFC用セルの焼成処理後のCr分布の分析結果を、図22に、比較例2の模擬SOFC用セルの焼成処理後のCr分布の分析結果を示す。尚、これらの図面において、合金におけるCr濃度は約22%であり、空気極において色調が最も薄い領域のCr濃度は略0%(図面において空気極での薄いグレーの領域)である。これら分布を示す図面において、写真図の横幅が約130μmに相当している。
一方、比較例2のY2O3被膜を合金に形成しなかった模擬SOFC用セルでは、図22に示すように、空気極において合金に近い領域(図22において空気極での濃いグレーの領域)ではCr濃度が約10%〜14%程度と高くなっており、その領域よりも合金から若干離れた領域でも2%〜10%程度となっており、空気極におけるCr被毒が非常に進行しているのが確認できた。
本第三実施形態では、上記Cr(VI)酸化物抑制状態を、焼成処理を行う前に、インタコネクト1の少なくとも空気極31に対する境界面1a(図2参照)を含む表面に、酸化力の小さなn型半導体被膜として機能するWO3被膜(酸化タングステン被膜)を形成することで実現している。
上記第三実施形態のように焼成処理を行う前にインタコネクト等に使用される合金の表面に乾式成膜法によりn型半導体被膜であるWO3被膜を形成して製造した模擬SOFC用セル(実施例3)と、合金の表面にWO3被膜等のn型半導体被膜を形成せずに製造した模擬SOFC用セル(比較例2)との夫々について、合金と空気極との接合部付近の断面のCr分布を観察した実験結果を、以下に示す。
尚、実施例3及び比較例2の模擬SOFC用セルは、共に、合金をFe−Cr系合金(Cr含有量:22wt%)とし、空気極を(La,Sr)(Co,Fe)O3としたものである。
尚、図9に、実施例3の模擬SOFC用セルの焼成処理後のCr分布の分析結果を、図22に、比較例2の模擬SOFC用セルの焼成処理後のCr分布の分析結果を示す。尚、これらの図面において、合金におけるCr濃度は約22%であり、空気極において色調が最も薄い領域のCr濃度は略0%(図面において空気極での薄いグレーの領域)である。これら分布を示す図面において、写真図の横幅が約130μmに相当している。
一方、比較例2のWO3被膜を合金に形成しなかった模擬SOFC用セルでは、図22に示すように、空気極において合金に近い領域(図22において空気極での濃いグレーの領域)ではCr濃度が約10%〜14%程度と高くなっており、その領域よりも合金から若干離れた領域でも2%〜10%程度となっており、空気極におけるCr被毒が非常に進行しているのが確認できた。
本第四実施形態では、上記Cr(VI)酸化物抑制状態を、焼成処理を行う前に、インタコネクト1の少なくとも空気極31に対する境界面1a(図2参照)を含む表面に、酸化力の小さなn型半導体被膜として機能するSiO2被膜を形成することで実現している。
上記第四実施形態のように焼成処理を行う前にインタコネクト等に使用される合金の表面に乾式成膜法によりn型半導体被膜であるSiO2被膜を形成して製造した模擬SOFC用セル(実施例4)と、合金の表面にSiO2被膜等のn型半導体被膜を形成せずに製造した模擬SOFC用セル(比較例1)との夫々について、合金と空気極との接合部付近の断面のCr分布を観察した実験結果を、以下に示す。
尚、実施例4及び比較例1の模擬SOFC用セルは、共に、合金をFe−Cr系合金(Cr含有量:22wt%)とし、空気極を(La,Sr)(Co,Fe)O3としたものである。
尚、図10に、実施例4の模擬SOFC用セルの作動温度での保持後のCr分布の分析結果を、図4に、比較例1の模擬SOFC用セルの作動温度での保持後のCr分布の分析結果を示す。尚、これらの図面において、合金におけるCr濃度は約22%であり、空気極において色調が最も薄い領域のCr濃度は略0%(図面において空気極での薄いグレーの領域)である。また、これら分布を示す図面において、写真図の横幅が約130μmに相当している。
一方、比較例1のSiO2被膜を合金に形成しなかった模擬SOFC用セルでは、図4に示すように、空気極において合金に近い領域(図4において空気極での濃いグレーの領域)ではCr濃度が約10%〜14%程度と高くなっており、その領域よりも合金から若干離れた領域でも2%〜10%程度となっており、空気極におけるCr被毒が非常に進行しているのが確認できた。尚、200h後の合金の面抵抗は14mΩ・cm2であった。
本第五実施形態では、上記Cr(VI)酸化物抑制状態を、焼成処理を行う前に、インタコネクト1の少なくとも空気極31に対する境界面1a(図2参照)を含む表面に、酸化力の小さなn型半導体被膜として機能するCaTiO3被膜(チタン酸カルシウム)を形成することで実現している。
上記第五実施形態のように焼成処理を行う前にインタコネクト等に使用される合金の表面に乾式成膜法によりn型半導体被膜であるCaTiO3被膜を形成して製造した模擬SOFC用セル(実施例5)と、合金の表面にCaTiO3被膜等のn型半導体被膜を形成せずに製造した模擬SOFC用セル(比較例1)との夫々について、合金と空気極との接合部付近の断面のCr分布を観察した実験結果を、以下に示す。
尚、実施例5及び比較例1の模擬SOFC用セルは、共に、合金をFe−Cr系合金(Cr含有量:22wt%)とし、空気極を(La,Sr)(Co,Fe)O3としたものである。
尚、図11に、実施例5の模擬SOFC用セルの作動温度での保持後のCr分布の分析結果を、図4に、比較例1の模擬SOFC用セルの作動温度での保持後のCr分布の分析結果を示す。尚、これらの図面において、合金におけるCr濃度は約22%であり、空気極において色調が最も薄い領域のCr濃度は略0%(図面において空気極での薄いグレーの領域)である。また、これら分布を示す図面において、写真図の横幅が約130μmに相当している。
一方、比較例1のCaTiO3被膜を合金に形成しなかった模擬SOFC用セルでは、図4に示すように、空気極において合金に近い領域(図4において空気極での濃いグレーの領域)ではCr濃度が約10%〜14%程度と高くなっており、その領域よりも合金から若干離れた領域でも2%〜10%程度となっており、空気極におけるCr被毒が非常に進行しているのが確認できた。尚、200h後の合金の面抵抗は14mΩ・cm2であった。
本第六実施形態では、上記Cr(VI)酸化物抑制状態を、焼成処理を行う前に、インタコネクト1の少なくとも空気極31に対する境界面1a(図2参照)を含む表面に、酸化力の小さなn型半導体被膜として機能するBaTiO3被膜(チタン酸バリウム)を形成することで実現している。
上記第六実施形態のように焼成処理を行う前にインタコネクト等に使用される合金の表面に乾式成膜法によりn型半導体被膜であるBaTiO3被膜を形成して製造した模擬SOFC用セル(実施例6)と、合金の表面にBaTiO3被膜等のn型半導体被膜を形成せずに製造した模擬SOFC用セル(比較例1)との夫々について、合金と空気極との接合部付近の断面のCr分布を観察した実験結果を、以下に示す。
尚、実施例6及び比較例1の模擬SOFC用セルは、共に、合金をFe−Cr系合金(Cr含有量:22wt%)とし、空気極を(La,Sr)(Co,Fe)O3としたものである。
尚、図12に、実施例6の模擬SOFC用セルの作動温度での保持後のCr分布の分析結果を、図4に、比較例1の模擬SOFC用セルの作動温度での保持後のCr分布の分析結果を示す。尚、これらの図面において、合金におけるCr濃度は約22%であり、空気極において色調が最も薄い領域のCr濃度は略0%(図面において空気極での薄いグレーの領域)である。また、これら分布を示す図面において、写真図の横幅が約130μmに相当している。
一方、比較例1のBaTiO3被膜を合金に形成しなかった模擬SOFC用セルでは、図4に示すように、空気極において合金に近い領域(図4において空気極での濃いグレーの領域)ではCr濃度が約10%〜14%程度と高くなっており、その領域よりも合金から若干離れた領域でも2%〜10%程度となっており、空気極におけるCr被毒が非常に進行しているのが確認できた。尚、200h後の合金の面抵抗は14mΩ・cm2であった。
本第七実施形態では、上記Cr(VI)酸化物抑制状態を、焼成処理を行う前に、インタコネクト1の少なくとも空気極31に対する境界面1a(図2参照)を含む表面に、酸化力の小さなn型半導体被膜として機能するSm2O3被膜(酸化サマリウム被膜)を形成することで実現している。
上記第七実施形態のように焼成処理を行う前にインタコネクト等に使用される合金の表面に乾式成膜法によりn型半導体被膜であるSm2O3被膜を形成して製造した模擬SOFC用セル(実施例7)について、合金と空気極との接合部付近の断面のCr分布を観察した実験結果を、以下に示す。
尚、実施例7の模擬SOFC用セルは、合金をFe−Cr系合金(Cr含有量:22wt%)とし、空気極を(La,Sr)(Co,Fe)O3としたものである。
尚、図13に、実施例7の模擬SOFC用セルの作動温度での保持後のCr分布の分析結果を示す。尚、これらの図面において、合金におけるCr濃度は約22%であり、空気極において色調が最も薄い領域のCr濃度は略0%(図面において空気極での薄いグレーの領域)である。また、これら分布を示す図面において、写真図の横幅が約130μmに相当している。
本第八実施形態では、上記Cr(VI)酸化物抑制状態を、焼成処理を行う前に、インタコネクト1の少なくとも空気極31に対する境界面1a(図2参照)を含む表面に、酸化力の小さなn型半導体被膜として機能するMgTiO3被膜(チタン酸マグネシウム被膜)を形成することで実現している。
上記第八実施形態のように焼成処理を行う前にインタコネクト等に使用される合金の表面に乾式成膜法によりn型半導体被膜であるMgTiO3被膜を形成して製造した模擬SOFC用セル(実施例8)について、合金と空気極との接合部付近の断面のCr分布を観察した実験結果を、以下に示す。
尚、実施例8の模擬SOFC用セルは、合金をFe−Cr系合金(Cr含有量:22wt%)とし、空気極を(La,Sr)(Co,Fe)O3としたものである。
尚、図14に、実施例8の模擬SOFC用セルの焼成処理後のCr分布の分析結果を示す。尚、これらの図面において、合金におけるCr濃度は約22%であり、空気極において色調が最も薄い領域のCr濃度は略0%(図面において空気極での薄いグレーの領域)である。また、これら分布を示す図面において、写真図の横幅が約130μmに相当している。
尚、上記第一〜第八実施形態において、上記Cr(VI)酸化物抑制状態を実現してCr被毒を抑制するために、インタコネクト1の少なくとも空気極31に対する境界面1a(図2参照)を含む表面に形成する被膜としては、酸化力の小さなもので、常温において安定で且つ電導性の観点からn型半導体被膜が望ましい。更には、酸化力の小さいという観点から、当該n型半導体被膜は、下記第1条件、第2条件、及び、第3条件の少なくとも一つを満たしていることが望ましい。
上記n型半導体被膜としては、標準生成自由エネルギー(酸素の平衡解離圧)に関するエリンガム図中で、使用温度において、WO3以下である酸化物が望ましい。
即ち、図27に示すエリンガム図においてWO3よりも上側の化合物では、Cr被毒が発生することが確認できた。これより、酸素の平衡解離圧の大きさでCr飛散の抑制効果の有無を判断することができることがわかる。この理由としては、標準生成自由エネルギーが小さいほど、酸化力が小さく、Cr(III)からCr(VI)への酸化が抑制できるためであると推定できる。
そして、n型半導体被膜としては、SOFCの特性上、熱膨張率は7.5×10 -6 〜13.5×10 -6 /℃が望ましく、この範囲を越えると、熱膨張、熱収縮による被膜の剥離が生じやすくなる。また、毒性・蒸気圧・吸湿性が低いことを考慮し、この第1条件を満たすn型半導体被膜としては、TiO 2 、WO 3 、SiO 2 、CaTiO 3 、BaTiO 3 、Sm2O3、MgTiO3などが望ましい。
上記n型半導体被膜としては、水溶液中(25℃)の標準電極電位が−0.029V以下である酸化物が望ましい。
即ち、各種酸化物の標準電極電位E°/Vについて評価した結果、図28に示すように、標準電極電位E°/Vが−0.029(WO3の標準電極電位)以下である場合にはCr被毒が発生しなかったのに対して、標準電極電位E°/VがWO3よりも大きい場合にはCr被毒が発生することが確認できた。これより、標準電極電位の値でCr飛散の抑制効果の有無を判断することができることがわかる。この理由としては、標準電極電位が低いほど、酸化力が小さく、Cr(III)からCr(VI)への酸化が抑制できるためであると推定できる。
そして、n型半導体被膜としては、SOFCの特性上、熱膨張率は7.5×10 -6 〜13.5×10 -6 /℃が望ましく、この範囲を越えると、熱膨張、熱収縮による被膜の剥離が生じやすくなる。また、毒性・蒸気圧・吸湿性が低いことを考慮し、この第2条件を満たすn型半導体被膜としては、TiO 2 、WO 3 、SiO 2 、CaTiO 3 、BaTiO 3 、Sm2O3、MgTiO3などが望ましい。
上記n型半導体被膜としては、800℃での蒸気圧が同温度でのCr2O3からのCrO3蒸気圧に対して、1/100以下となる酸化物が望ましい。
この理由としては、蒸気圧が高くなると、空気極に被膜材料が飛散し、物性に影響を与える可能性があるためである。
そして、この第3条件を満たすn型半導体被膜としては、図30(一部のみ示す)に示すように、TiO 2 、WO 3 、SiO 2 、CaTiO 3 、BaTiO 3 、Sm 2 O 3 、MgTiO 3 などが望ましい。尚、CaOとTiO2との複合酸化物であるCaTiO3の蒸気圧は、夫々の酸化物の高い方を越えることがないと推測されることから、その蒸気圧はTiO2の蒸気圧以下であると推測される。同様に、BaOとTiO2との複合酸化物であるBaTiO3の蒸気圧は、BaOの蒸気圧以下であると推測され、MgOとTiO2との複合酸化物であるMgTiO3の蒸気圧は、MgOの蒸気圧以下であると推測される。
例えば、TiO2に、Nbなどの酸化物をドープすることで抵抗を下げることができる。
また、BaTiO3に、La,Sm,Nb,Ta,Sbなどの酸化物をドープすることで抵抗を下げることもできる。下記の表1に示すような組成の粉末を作成し、一軸プレス、冷間等方プレス(CIP)を施した後、大気雰囲気中で1300℃の焼成温度で2時間焼成処理を行って、焼結体を得た。その焼結体より切り出した測定用サンプルについて、四端子法により、大気雰囲気中で850℃、750℃、650℃での導電性の測定を行った。その結果を、下記の表1に示す。
また、TiO2では、Ti(IV)とTi(III)の混合酸化物とすることで、抵抗を下げることもできる。
焼成処理を行う前にインタコネクト等に使用される合金の表面に、Al拡散処理により、上述した第1条件、第2条件、及び、第3条件を満たすn型半導体被膜であるAl2O3被膜を形成して製造した模擬SOFC用セル(実施例9)について、合金と空気極との接合部付近の断面のCr分布を観察した実験結果を、以下に示す。
尚、図15(a)に、実施例9の模擬SOFC用セルの焼成処理を行った後に、作動時を想定して800℃で0.5A/cm2の直流電流を流し続けた状態で200時間保持する通電試験後のCr分布の分析結果を、図15(b)に、実施例9の模擬SOFC用セルの焼成処理を行った後に、作動時を想定して800℃で0.5A/cm2の直流電流を流し続けた状態で200時間保持する通電試験後のAl分布の分析結果を示す。尚、図15(a)において、合金におけるCr濃度は約22%であり、空気極において色調が最も薄い領域のCr濃度は略0%(図面において空気極での薄いグレーの領域)である。また、図15(b)において、合金の表面にはAl2O3被膜が約6μmの厚みで形成されていることがわかる。これら分布を示す図面において、写真図の横幅が約130μmに相当している。
上記比較例1及び2とは別の比較例として、焼成処理を行う前にインタコネクト等に使用される合金の表面に、乾式成膜法により、上述した第1条件及び第2条件を満たさないn型半導体被膜であるSnO2被膜を形成して製造した模擬SOFC用セル(比較例3)と、同じく上述した第1条件及び第2条件を満たさないn型半導体被膜であるAg2O被膜を形成して製造した模擬SOFC用セル(比較例4)と、同じく上述した第1条件及び第2条件を満たさないn型半導体被膜であるCuO被膜を形成して製造した模擬SOFC用セル(比較例5)との夫々について、合金と空気極との接合部付近の断面のCr分布を観察した実験結果を、以下に示す。
上記比較例5の模擬SOFC用セルにおいて、焼成の際に、合金の表面に形成したCu層は酸化され、CuOとして存在していると推定され、その合金の表面にCu被膜を形成するための成膜法は、めっきを採用し、Cu被膜の厚みは5μmとした。
尚、図24に、比較例3の模擬SOFC用セルの作動温度での保持後のCr分布の分析結果を、図25に、比較例4の模擬SOFC用セルの作動温度での保持後のCr分布の分析結果を、図26に、比較例5の模擬SOFC用セルの作動温度での保持後のCr分布の分析結果を示す。尚、これらの図面において、合金におけるCr濃度は約22%であり、空気極において色調が最も薄い領域のCr濃度は略0%(図面において空気極での薄いグレーの領域)である。これら分布を示す図面において、写真図の横幅が約130μmに相当している。
本第十実施形態では、上記Cr(VI)酸化物抑制状態を、焼成処理を行う際に、その焼成処理における酸化剤分圧及び温度の酸化パラメータを、Cr(III)の酸化物の生成を許容し且つCr(VI)の酸化物の生成を抑制する範囲内に設定することで実現している。
上記第十実施形態のように焼成処理における酸化剤分圧と焼成温度との酸化パラメータをCr(III)の酸化物の生成を許容し且つCr(VI)の酸化物の生成を抑制する範囲内に設定して製造した模擬SOFC用セル(実施例10)と、上記酸化パラメータの設定を行わず、大気雰囲気中で焼成処理を行って製造した模擬SOFC用セル(比較例2)との夫々について、インタコネクト等に使用される合金と空気極との接合部付近の断面のCr分布を観察した実験結果を、以下に示す。
尚、実施例10及び比較例2の模擬SOFC用セルは、共に、合金をFe−Cr系合金(Cr含有量:22wt%)とし、空気極を(La,Sr)(Co,Fe)O3としたものである。
また、実施例10の模擬SOFC用セルの焼成処理における酸素分圧は10−7atmであり、水蒸気分圧は検出下限界以下の非常に小さいものに抑えてあり、Cr(III)の酸化物の生成を許容し且つCr(VI)の酸化物の生成を抑制する範囲内である。
一方、比較例2の模擬SOFC用セルの焼成処理における酸素分圧は0.2atmであり、水蒸気分圧は0.014atmであり、この酸素分圧及び水蒸気分圧は、Cr(VI)の酸化物の生成を抑制し得る値を越えるものである。
また、実施例10の模擬SOFC用セルについては、上記焼成処理の後に、作動時を想定して、大気雰囲気中で800℃の作動温度で670時間保持した後に、同様にCr分布を分析した。
尚、図16に、実施例10の模擬SOFC用セルの焼成処理後のCr分布の分析結果を、図17に、実施例10の模擬SOFC用セルの作動温度での保持後のCr分布の分析結果を、図22に、比較例2の模擬SOFC用セルの焼成処理後のCr分布の分析結果を示す。尚、これらの図面において、合金におけるCr濃度は約22%であり、空気極において色調が最も薄い領域のCr濃度は略0%(図面において空気極での薄いグレーの領域)である。これら分布を示す図面において、写真図の横幅が約130μmに相当している。
更に、この実施例10の窒素ガス雰囲気中で焼成処理を行った模擬SOFC用セルは、作動温度での保持後においても、図17に示すように、空気極側へのCrの飛散の進行は遅い。尚、この焼成処理後の作動時におけるCr被毒の進行の遅さは、焼成温度としての1000℃〜1150℃程度から作動温度としての800℃への温度低下によるものである。
一方、比較例2の大気雰囲気中で焼成処理を行った模擬SOFC用セルでは、図22に示すように、空気極において、合金に近い領域(図22において空気極での濃いグレーの領域)ではCr濃度が約10%〜14%程度と高くなっており、その領域よりも合金から若干離れた領域でも2%〜10%程度となっており、空気極におけるCr被毒が非常に進行しているのが確認できた。
本第十一実施形態では、上記Cr(VI)酸化物抑制状態を、焼成処理を行う際に、その焼成処理における酸化剤分圧及び温度の酸化パラメータを、上記第十実施形態と同様に、Cr(III)の酸化物の生成を許容し且つCr(VI)の酸化物の生成を抑制する範囲内に設定することで実現しているのに加えて、上記酸化パラメータを、空気極の還元が防止される範囲内に設定している。
上記第十一実施形態のように焼成処理における酸化剤分圧と焼成温度との酸化パラメータをCr(III)の酸化物の生成を許容し且つCr(VI)の酸化物の生成を抑制する範囲内に設定すると共に、上記酸化パラメータを空気極の還元を防止する範囲内に設定製造した模擬SOFC用セル(実施例11)と、上記酸化パラメータの設定を行わず、大気雰囲気中で焼成処理を行って製造した模擬SOFC用セル(比較例2)との夫々について、インタコネクト等に使用される合金と空気極との接合部付近の断面のCr分布を観察した実験結果を、以下に示す。
尚、実施例11及び比較例2の模擬SOFC用セルは、共に、合金をFe−Cr系合金(Cr含有量:22wt%)とし、空気極を(La,Sr)(Co,Fe)O3としたものである。
また、実施例11の模擬SOFC用セルの焼成処理における酸素分圧は10−5atm,10−4atm,10−3atm,10−2atmであり、水蒸気分圧は検出下限界以下の非常に小さいものに抑えてあり、Cr(III)の酸化物の生成を許容し且つCr(VI)の酸化物の生成を抑制する範囲内である上に、空気極の還元を防止する範囲内である。
一方、比較例2の模擬SOFC用セルの焼成処理における酸素分圧は0.2atmであり、水蒸気分圧は0.014atmであり、この酸素分圧及び水蒸気分圧は、Cr(VI)の酸化物の生成を抑制し得る値を越えるものである。
尚、図18に、実施例11の模擬SOFC用セルの酸素分圧10−5atmでの焼成処理後のCr分布の分析結果を、図19に、実施例11の模擬SOFC用セルの酸素分圧10−4atmでの焼成処理後のCr分布の分析結果を、図20に、実施例11の模擬SOFC用セルの酸素分圧10−3atmでの焼成処理後のCr分布の分析結果を、図21に、実施例11の模擬SOFC用セルの酸素分圧10−2atmでの焼成処理後のCr分布の分析結果を、図22に、比較例2の模擬SOFC用セルの焼成処理後のCr分布の分析結果を示す。尚、これらの図面において、合金におけるCr濃度は約22%であり、空気極において色調が最も薄い領域のCr濃度は略0%(図面において空気極での薄いグレーの領域)である。これら分布を示す図面において、写真図の横幅が約130μmに相当している。
一方、比較例2の大気雰囲気中で焼成処理を行った模擬SOFC用セルでは、図22に示すように、空気極において、合金に近い領域(図22において空気極での濃いグレーの領域)ではCr濃度が約10%〜14%程度と高くなっており、その領域よりも合金から若干離れた領域でも2%〜10%程度となっており、空気極におけるCr被毒が非常に進行しているのが確認できた。
尚、この比較例5の模擬SOFC用セルの焼成処理における酸素分圧は2.5×10−2atm、5×10−2atm、1×10−1atm、2×10−1atmであり、水蒸気分圧は検出下限界以下の非常に小さいものに抑えてある条件での試験を行った。図29(a)に酸素分圧2.5×10−2atmでの焼成処理後のCr分布の分析結果を、図29(b)に酸素分圧5×10−2atmでの焼成処理後のCr分布の分析結果を、図29(c)に酸素分圧1×10−1atmでの焼成処理後のCr分布の分析結果を、図29(d)に酸素分圧2×10−1atmでの焼成処理後のCr分布の分析結果を示す。
図29に示すように、何れの酸素分圧においても、合金に近い領域(図29において空気極での濃いグレーの領域)ではCr濃度が比較的高くなっており、Cr飛散が抑制されておらず、空気極におけるCr被毒が進行しているのが確認できた。
よって、焼成雰囲気の酸素分圧は、10−7atm〜10−2atmの範囲内が望ましいといえる。
本第十二実施形態として、合金に対する空気極の接合不良を防止するためのSOFC用セルの製造方法の形態について説明する。
即ち、合金に塗布された空気極の粉末と有機バインダーとの混合物に対して、これまで説明してきた酸化パラメータを制御した焼成処理を実行すると、その有機バインダーが不完全燃焼し、炭素が残存して、合金に対する空気極の接合不良が発生する場合がある。
そこで、本実施形態の方法では、図31に示すように、酸化剤雰囲気中(例えば大気雰囲気中)にて、焼成処理における焼成温度未満且つ有機バインダーの燃焼温度以上の範囲内の加熱温度(例えば500℃程度)で例えば2時間加熱するバインダー燃焼処理を行った後に、これまで説明してきた焼成処理と同様に、酸素含有量が微量(例えば1%)であるアルゴンガス雰囲気中で1000℃〜1150℃の焼成温度で2時間焼成する焼成処理を行う。
すると、上記バインダー燃焼処理において、混合物に含まれる有機バインダーが良好に酸化燃焼することで、その有機バインダー成分の残存による上記接合不良が防止されることが実験により確認できた。
更に、上記バインダー燃焼処理を行って製造した模擬SOFC用セルでは、加熱温度が上記焼成温度における焼成温度よりも低い温度に抑えられていることから、図32に示すように、空気極の略全体においてCr濃度が約0%であり、空気極におけるCr被毒が殆ど認められなかった。
1a:境界面
2a:空気流路
2:溝
2b:燃料流路
3:単セル
30:電解質膜
31:空気極
32:燃料極
C:SOFC用セル(固体酸化物形燃料電池用セル)
Claims (4)
- Crを含有する合金又は酸化物と空気極とを接合してなる固体酸化物形燃料電池用セルの製造方法であって、
前記合金又は酸化物と前記空気極とを接合した状態で焼成する焼成処理を行うにあたり、前記合金又は酸化物の表面に、TiO 2 被膜、WO 3 被膜、SiO 2 被膜、CaTiO 3 被膜、BaTiO 3 被膜、Sm 2 O 3 被膜、及び、MgTiO 3 被膜から選ばれる少なくとも一つのn型半導体被膜を形成する被膜形成処理を行うことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用セルの製造方法。 - 前記焼成処理における酸化剤分圧としての酸素分圧P(O 2 )を10 -23 atm以上10 -2 atm以下に設定し、水蒸気分圧P(H 2 O)を、水素分圧P(H 2 )に対する比P(H 2 O)/P(H 2 )で、10 -3 以上10 7 以下に設定とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池用セルの製造方法。
- 前記合金又は酸化物に対して、前記空気極の粉末と有機バインダーとの混合物を塗布した状態で、
酸化剤雰囲気中にて、前記焼成処理における焼成温度未満の加熱温度で加熱して前記有機バインダーを燃焼させるバインダー燃焼処理を行った後に、
1000℃〜1150℃の焼成温度で前記焼成処理を行うことを特徴とする請求項1または2に記載の固体酸化物形燃料電池用セルの製造方法。 - Crを含有する合金又は酸化物と空気極とを接合してなる固体酸化物形燃料電池用セルであって、
前記合金又は酸化物の表面に、TiO 2 被膜、WO 3 被膜、SiO 2 被膜、CaTiO 3 被膜、BaTiO 3 被膜、Sm 2 O 3 被膜、及び、MgTiO 3 被膜から選ばれる少なくとも一つのn型半導体被膜を形成してなる固体酸化物形燃料電池用セル。
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