JP5624085B2 - 固体酸化物形燃料電池の製造方法及び固体酸化物形燃料電池 - Google Patents
固体酸化物形燃料電池の製造方法及び固体酸化物形燃料電池 Download PDFInfo
- Publication number
- JP5624085B2 JP5624085B2 JP2012140026A JP2012140026A JP5624085B2 JP 5624085 B2 JP5624085 B2 JP 5624085B2 JP 2012140026 A JP2012140026 A JP 2012140026A JP 2012140026 A JP2012140026 A JP 2012140026A JP 5624085 B2 JP5624085 B2 JP 5624085B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel electrode
- electrode
- temperature
- nickel
- electrolyte
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
電解質電極接合体は、燃料極と空気極が、固体電解質層の対向する面にそれぞれ接合して設けられた焼結体よりなる。
99wt%10Sc1CeSZ−1wt%Al2O3などである。
単セル状態の電解質電極接合体、又は単セルが多数積層された状態の電解質電極接合体に対して、ポストシンタリングプロセスが実行される。ポストシンタリングプロセスは、(1)高温還元処理、(2)通電処理、(3)含浸処理、(4)高温熱処理の4つの工程の少なくとも1つを含んでなる。
本工程においては、完成後のSOFCが発電に使用される際の燃料極の温度よりも50℃を超えて高い温度で、電解質電極接合体を構成する燃料極が水素還元される。この工程によって、SOFC全体の耐久性及び発電性能が向上する。つまり、時間経過に対する出力電圧の低下が抑制され、長期に渡って出力電圧が高い状態が維持される。なお、SOFCが発電に使用される際、SOFCは全体が製造者又は使用者が設定した一定の温度(運転温度)に保たれ、その結果、燃料極も一定の温度に保たれる。つまり、本工程においては、SOFC使用時に想定される燃料極の温度よりも50℃を超えて高い温度で、燃料極の還元を行う。還元ガスとしては水素を含む還元性のガスを用い、望ましくは純水素を用いる。
本工程においては、燃料極を水素還元した後、電解質電極接合体に通電を行う。電解質電極接合体への通電を行うのに先立って、燃料極を水素還元するのは、燃料極の還元がある程度進行して金属ニッケルの割合が大きくなり、燃料極の電気伝導性が高められていなければ、電解質電極接合体への通電自体を行うことができないからである。上記(1)の高温還元処理や、下記(3)の含浸処理に先立つ水素還元が本工程の前に実行されていれば、本工程における電解質電極接合体への通電の前に、別途水素還元処理を行う必要はない。本工程より前に燃料極の水素還元が行われていない場合には、通電に先立って、燃料極の水素還元を行う必要があるが、燃料極を構成する酸化ニッケル粒子、及びニッケル粒子の表面酸化物を十分に還元できるのであれば、還元温度をはじめ、還元反応の条件は特に指定されない。
本工程においては、燃料極を水素還元した後、電解質電極接合体を構成する燃料極に、焼結防止剤を含む溶液を含浸させるものである。本工程において、焼結防止剤の含浸に先立って、燃料極を水素還元するのは、還元された状態のニッケル粒子の比表面積を増やしておき、かつ表面に焼結防止剤を担持し、SOFCの運転中にニッケル粒子が焼結を起こすのを防止することが必要だからである。上記(1)の高温還元処理や、(2)の通電処理に先立つ水素還元が本工程の前に実行されていれば、本工程における焼結防止剤の含浸の前に、別途水素還元処理を行う必要はない。本工程より前に燃料極の水素還元が行われていない場合には、含浸に先立って、燃料極の水素還元を行う必要があるが、燃料極を構成する酸化ニッケル粒子、及びニッケル粒子の表面酸化物を十分に還元できるのであれば、還元時の温度をはじめ、還元反応の条件は特に指定されない。
本工程においては、電解質電極接合体を完成後のSOFCが発電に使用される際の燃料極の温度よりも高い温度において、電解質電極接合体を水素ガス雰囲気下で熱処理(エージング)する。この工程によって、SOFCの発電性能及び耐久性が向上する。
ポストシンタリングプロセスを構成する(1)〜(4)の工程は、以上のように、いずれか単独で実行しても、SOFCの発電性能及び耐久性を向上させる効果を有するが、相互に組み合わせることで、これらの効果をさらに高めることが可能である。
酸化ニッケル粉末とイットリア安定ジルコニア(YSZ)粉末とを混合し、セルロース系バインダーと、造孔材としてポリメタクリル酸メチル(PMMA)ビーズ粉末を加え、十分に混合した後、水を添加して粘土状になるまで混合した。ここで、酸化ニッケル粉末の平均粒径は0.5μmであり、酸化ニッケルとYSZの混合比は50:50とした。
<(1)高温還元処理>
(処理方法)
上記で得た電解質電極接合体に対して水素雰囲気化で還元処理を行い、発電に使用できるSOFCを得た。還元温度は、750℃又は700℃とした。水素の濃度は100%とし、還元時間は1時間とした。また、比較用に、それらと同じロットで製造された電解質電極接合体に対して、還元温度を650℃として、同様に還元処理を行った。
還元処理を経て得たそれぞれのSOFCに対して、発電を行い、耐久試験を実施した。発電時の温度は燃料極の温度が650℃となるように調整した。この際、燃料極には窒素希釈水素(水素:4.3ml/min.、窒素:21ml/min.)を供給し、空気極には空気を100ml/min.の速度で供給した。発電は、定負荷条件で行い、負荷電流は、還元温度750℃のSOFC及び対応する比較用SOFCについては0.435Aとし、還元温度700℃のSOFC及び対応する比較用SOFCについては0.69Aとした。
図1に、SOFCの出力電圧の時間変化を示す。図1(a)の還元温度750℃の場合には、還元温度650℃の場合と比べて、初期(運転開始からおおむね10時間以内)の出力電圧の低下はあるものの、その後の電圧低下の傾きは、還元温度が650℃の場合よりも緩やかになっている。出力電圧低下の傾きは、還元温度750℃の場合に、還元温度650℃の場合の約1/2にまで小さくなっている。そして、運転時間が100時間になる付近で、還元温度750℃のSOFCの出力電圧が、還元温度650℃のSOFCの出力電圧を上回るようになっている。
(処理方法)
まず、上記で得られた電解質電極接合体について、他の処理を施さずに、水素還元を行った(還元温度650℃)。その後、燃料極に燃料ガス(水素:30ml/min.、窒素:20ml/min.を、空気極に空気100ml/min.を供給しながら、電解質電極接合体に通電を行った。通電は、空気極に対する燃料極の電位が1.0V〜1.5Vになる状態と、0.5〜0.7Vになる状態とが交互に複数回もたらされるように行った。各領域の電位を保つ時間は、一定ではなかったが、5〜25分程度であった。2つの領域の電位を1度ずつ与える過程を1サイクルとして、7サイクルの通電を行い総通電時間は160時間であった。なお、上記のような電位をSOFCに与えるために必要な負荷電流は、おおむね±1Aの範囲であった。
通電処理の効果を見積もるため、SOFCの発電特性を評価した。まず、水素還元を行った後、通電処理を行う前のSOFCについて、発電特性の評価を行った。つまり、電圧−電流特性及び電力−電流特性を計測した。その後、SOFCに上記の通電処理を施して、再び同様に発電特性を評価した。なお、発電特性評価時の温度は650℃とし、燃料極に窒素希釈水素(水素:30ml/min.、窒素:21ml/min.)を供給し、空気極に空気を供給した(100ml/min.)。
図2に通電処理の前後における発電特性を示す。これを見ると、通電処理を経ることで、SOFCの出力電圧及び電力が上昇していることが分かる。特に、大電流側での出力電圧の低下が抑制されていることから、SOFCの分極抵抗が低下されていることが分かる。以上のように、通電処理によって、SOFCの発電性能が向上されている。また、通電処理を施したSOFCについては、試験中に時間が経過しても、安定した出力電圧が得られた。このことは、通電処理によってSOFCの耐久性も向上していることを意味している。
(処理方法)
まず、上記で得られた電解質電極接合体について、他の処理を施さずに、水素還元を行った(還元温度650℃)。その後、固形分20%の濃度で粒径30〜80nmのセリアナノ粒子を酸性水溶液中に分散させたセリアゾル(日産化学社製、「CE−20A」)を電解質電極接合体の中空部から燃料極表面に滴下し、セリアゾルを燃料極に含浸させた。滴下量は、燃料極の1cm2あたり0.02mlとした。その後、燃料極を十分に乾燥させた。
含浸処理の効果を見積もるため、含浸処理したSOFCセルと未処理のSOFCセルについて、耐久試験を行った。まず、水素還元を経た後、含浸処理していないSOFCについて、発電を行って出力電圧の経時変化を計測した。同様に、同じロットのSOFCセルを水素還元した後、含浸処理を施したセルについて、出力電圧の時間変化を計測した。負荷電流は0.33Aとした。
図3に含浸処理を施さない場合(含浸前)と含浸処理を施した場合(含浸後)のSOFCについて、出力電圧の時間変化を示す。これによると、含浸処理を行うことで、初期の出力電圧が向上している。さらに、この高い出力電圧は、時間の経過に伴って、非常に緩やかにしか減少していない。つまり、含浸処理を経ることで、高いSOFCの発電性能と耐久性が得られている。
(処理方法)
上記(1)〜(3)の処理をこの順に施した電解質電極接合体に対して、水素ガス雰囲気中(水素濃度50%、窒素濃度50%)、750℃でのエージングを、24時間行った。
上記エージングを行う前と行った後のSOFCに対して、それぞれ耐久試験を行った。負荷電流は0.45Aとした
図5に、エージングを行う前後のSOFCの出力電圧の時間変化を示す。これを見ると、初期の出力電圧は、エージングの有無でほとんど変わらないものの、エージングを経ることで、出力電圧の経時的な低下が大きく抑制されている。長時間経過後の出力電圧は、エージングを経ることで、高くなっている。つまり、エージングによって、SOFCの長期耐久性と、耐久後の性能向上が達成されている。
11 金属ニッケル
12 酸化ニッケル
Claims (9)
- 固体電解質層の一方の面に空気極が設けられ、他方の面にニッケル及び酸化ニッケルの少なくとも一方の粒子を含む原料よりなる燃料極が設けられた電解質電極接合体を焼成を経て形成する工程に次いで、
燃料極が水素還元された状態の前記電解質電極接合体において、燃料極が空気極に対して負の電位を有するようにして、空気極に対して0.5〜0.7Vの範囲の電位と、1.0〜1.5Vの範囲の電位とを、燃料極に交互に繰り返して印加する通電を行う通電処理工程と、
燃料極を構成するニッケル及び酸化ニッケルの粒子の焼結を防止する焼結防止剤となる物質を含む溶液を、前記電解質電極接合体を構成する水素還元された状態の燃料極に含浸させる含浸処理工程の少なくとも1つの工程を含むことを特徴とする固体酸化物形燃料電池の製造方法。 - 前記焼結防止剤はセリアのナノ粒子であり、ゾルの状態で前記電解質電極接合体を構成する燃料極に含浸されることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。
- 完成後の固体酸化物形燃料電池が運転される際の燃料極の温度よりも50℃を超えて高い温度で、前記電解質電極接合体を構成する燃料極を水素を含む雰囲気ガスで還元する高温還元処理工程と、
完成後の固体電解質型燃料電池が運転される際の燃料極の温度よりも高い温度で前記電解質電極接合体を水素を含むガス雰囲気下で熱処理する高温熱処理工程の少なくとも1つの工程を、さらに含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。 - 前記高温還元処理工程の後に前記含浸処理工程を実行することを特徴とする請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。
- 前記高温還元処理工程における還元温度が、完成後の固体酸化物形燃料電池が運転される際の燃料極の温度よりも150℃高い温度以下であることを特徴とする請求項3または4に記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。
- 前記高温熱処理工程における熱処理の温度が、完成後の固体酸化物形燃料電池が運転される際の燃料極の温度よりも50〜100℃高い温度であることを特徴とする請求項3〜5のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。
- 固体電解質層の一方の面に空気極が設けられ、他方の面にニッケル及び酸化ニッケルの少なくとも一方の粒子を含む原料よりなる燃料極が設けられた電解質電極接合体を焼成を経て形成する工程に次いで、
燃料極が水素還元された状態の前記電解質電極接合体に、燃料極が空気極に対して負の電位を有するようにして、通電を行う通電処理工程と、
完成後の固体電解質型燃料電池が運転される際の燃料極の温度よりも高い温度で前記電解質電極接合体を水素を含むガス雰囲気下で熱処理する高温熱処理工程とを、この順に実行することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の製造方法。 - 固体電解質層の一方の面に空気極が設けられ、他方の面にニッケル及び酸化ニッケルの少なくとも一方の粒子を含む原料よりなる燃料極が設けられた電解質電極接合体を焼成を経て形成する工程に次いで、
完成後の固体酸化物形燃料電池が運転される際の燃料極の温度よりも50℃を超えて高い温度で、前記電解質電極接合体を構成する燃料極を水素を含む雰囲気ガスで還元する高温還元処理工程を実行し、その後に、
燃料極が水素還元された状態の前記電解質電極接合体に、燃料極が空気極に対して負の電位を有するようにして、通電を行う通電処理工程、および
燃料極を構成するニッケル及び酸化ニッケルの粒子の焼結を防止する焼結防止剤となる物質を含む溶液を、前記電解質電極接合体を構成する水素還元された状態の燃料極に含浸させる含浸処理工程の少なくとも1つの工程を実行し、さらにその後に、
完成後の固体電解質型燃料電池が運転される際の燃料極の温度よりも高い温度で前記電解質電極接合体を水素を含むガス雰囲気下で熱処理する高温熱処理工程を実行することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の製造方法。 - 固体電解質層の一方の面に空気極が接合され、他方の面にニッケル及び酸化ニッケルの少なくとも一方の粒子を含む原料を焼結してなる燃料極が接合され、請求項1〜8のいずれかに記載の製造方法によって製造されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012140026A JP5624085B2 (ja) | 2012-06-21 | 2012-06-21 | 固体酸化物形燃料電池の製造方法及び固体酸化物形燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012140026A JP5624085B2 (ja) | 2012-06-21 | 2012-06-21 | 固体酸化物形燃料電池の製造方法及び固体酸化物形燃料電池 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2014006978A JP2014006978A (ja) | 2014-01-16 |
JP5624085B2 true JP5624085B2 (ja) | 2014-11-12 |
Family
ID=50104539
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012140026A Expired - Fee Related JP5624085B2 (ja) | 2012-06-21 | 2012-06-21 | 固体酸化物形燃料電池の製造方法及び固体酸化物形燃料電池 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5624085B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6841663B2 (ja) * | 2017-01-10 | 2021-03-10 | 森村Sofcテクノロジー株式会社 | 電気化学反応セルスタックの製造方法 |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0589833A (ja) * | 1991-09-27 | 1993-04-09 | Toshiba Lighting & Technol Corp | けい光ランプ |
JP2000353530A (ja) * | 1999-04-08 | 2000-12-19 | Toto Ltd | NiO及び/又はNi/YSZ複合粉末の製造方法及びそれを用いた固体電解質型燃料電池の製造方法 |
JP2004259594A (ja) * | 2003-02-26 | 2004-09-16 | Tokyo Electric Power Co Inc:The | 電極、その製造方法及び燃料電池 |
JP2007157630A (ja) * | 2005-12-08 | 2007-06-21 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 膜電極接合体の製造方法、膜電極接合体及び高分子電解質形燃料電池 |
JP4832982B2 (ja) * | 2006-07-31 | 2011-12-07 | 東京瓦斯株式会社 | 固体酸化物形燃料電池のアノード還元法 |
JP5329869B2 (ja) * | 2008-08-13 | 2013-10-30 | 株式会社東芝 | 固体酸化物型電気化学セル、およびその製造方法 |
JP2010061829A (ja) * | 2008-09-01 | 2010-03-18 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 固体酸化物形燃料電池の運転方法 |
JP5435264B2 (ja) * | 2009-06-23 | 2014-03-05 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム、燃料電池システムの通電処理方法、燃料電池の初期性能改善用電流値探出方法及び燃料電池 |
-
2012
- 2012-06-21 JP JP2012140026A patent/JP5624085B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2014006978A (ja) | 2014-01-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5469795B2 (ja) | サーメット電解質を用いたアノード支持固体酸化物燃料電池 | |
JP6437821B2 (ja) | 機械的健全性および効率を向上させた固体酸化物型燃料電池用複合アノード | |
JP5591526B2 (ja) | 固体酸化物セル及び固体酸化物セルスタック | |
US20070141423A1 (en) | Tubular electrochemical reactor cell and electrochemical reactor system which is composed of the cell | |
JP2007529852A5 (ja) | ||
Tomov et al. | Performance optimization of LSCF/Gd: CeO 2 composite cathodes via single-step inkjet printing infiltration | |
JP5218419B2 (ja) | 固体酸化物形燃料電池用の酸化ニッケル粉末材料とその製造方法、並びにそれを用いた燃料極材料、燃料極、及び固体酸化物形燃料電池 | |
JP2008004422A (ja) | 固体酸化物形燃料電池用電極及び固体酸化物形燃料電池並びにその製造方法 | |
KR20130123189A (ko) | 고체산화물 연료전지용 음극 지지체 및 그 제조방법과 이를 포함한 고체산화물 연료전지 | |
JP6573243B2 (ja) | 空気極組成物、空気極およびこれを含む燃料電池 | |
KR20120121570A (ko) | 고속혼합에 의한 니켈/지르코니아 코어쉘 형성방법 및 이를 이용 고온열처리에 의해 균일 배열 나노구조 연료극막 제조방법 | |
JP4534188B2 (ja) | 燃料電池用電極材料及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池 | |
JP2006351406A (ja) | セリアコートsofc用空気極粉末、その製造方法および空気極の製造方法 | |
US20140170531A1 (en) | Powder mixture for layer in a solid oxide fuel cell | |
JP6664132B2 (ja) | 多孔質構造体とその製造方法、及びそれを用いた電気化学セルとその製造方法 | |
JP2004265746A (ja) | 固体酸化物形燃料電池 | |
EP3054511B1 (en) | Method for manufacturing anode support of solid oxide fuel cell, and anode support of solid oxide fuel cell | |
KR102214601B1 (ko) | 코발트 산화물 나노 입자가 함침된 lsm-esb 계열 복합 공기극 및 그 제조 방법 | |
KR101146349B1 (ko) | 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 제조방법 | |
JP5624085B2 (ja) | 固体酸化物形燃料電池の製造方法及び固体酸化物形燃料電池 | |
WO2014027442A1 (ja) | 固体酸化物型燃料電池の支持体を兼ねる燃料極および燃料極支持型の固体酸化物型燃料電池 | |
WO2013115001A1 (ja) | 燃料電池用電解質、固体酸化物形燃料電池及びその製造方法 | |
JP2008234927A (ja) | 固体酸化物形燃料電池の製造方法 | |
CA3016512C (en) | Method for manufacturing fuel cell stack | |
RU2523693C1 (ru) | Способ получения твердооксидного топливного элемента с двухслойным несущим катодом |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20140414 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20140520 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20140718 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20140909 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20140925 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5624085 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |