JP5631625B2 - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents
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Description
2.ジルコンのヤング率は約300GPaと非常に大きい。従って、燃料極層が積層体の支持層として機能する場合、支持層としての燃料極層の剛性を高めることができる。この結果、積層体の平坦化、薄板化に有利となる。
3.SOFC使用中においては、上記還元処理後の燃料極層内の上記第2物質(Ni等)の粒成長(シンタリング)が発生し得る。この粒成長により、燃料極層内において上記第2物質(Ni等)同士の接触により接続・形成される導電経路(具体的には、電子が通る経路)が変化することで、一般には燃料極層の導電率が低下する。燃料極層にジルコンを含ませることで、この粒成長が抑制される効果が発生し得る。即ち、粒成長による燃料極層の導電率の低下が抑制される効果が発生し得る。
4.SOFC使用中において、ジルコンそのものが燃料極層の被毒源となることはない。
図1は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池(以下、単に「燃料電池」と称呼する。)10の斜視図である。図2は、燃料電池10をy軸方向からみた部分図であり、図3は、図1に示した3−3線を含むx−z平面と平行な平面に沿って燃料電池を切断した図2に対応する部分断面図であり、図4は、図1に示した4−4線を含むx−z平面と平行な平面に沿って燃料電池を切断した図2に対応する部分断面図である。なお、x軸及びy軸は互いに直交する軸であり、z軸は、x−y平面に垂直な軸である。以下、z軸正方向を「上」方向、z軸負方向を「下」方向と呼ぶこともある。
(1/2)・O2+2e−→O2− (於:空気極層23) …(1)
H2+O2−→H2O+2e− (於:燃料極層21) …(2)
以下、燃料電池10の製造方法の一例について説明する。先ず、積層体20の製造方法について説明する。燃料極層21内に燃料流路24を形成するため、燃料流路24と同形の図11に示す流路形成部材61が準備される。この流路形成部材61は、造孔剤(例えば、セルロース)を用いて周知の手法の1つにより形成される。また、燃料極集電層21aの原料となる粉末62が準備される。この粉末62には、NiO、YSZ、ジルコン、及び造孔剤(例えば、セルロース)のそれぞれの粒子が均一に含まれる。粉末62に造孔剤が含まれているのは、燃料極層21を多孔質とするためである。
以下、積層体20の詳細について説明する。積層体20の部分側面図である図21に示すように、燃料極層21は、燃料極集電層21aと、その上下にそれぞれ形成された燃料極活性層21bとからなる。燃料極集電層21a(上記還元処理後)は、Ni、YSZ、及びジルコン(ZrSiO4)の微細な粒子からなる多孔質層である。燃料極集電層21aに含まれるNi、YSZ、及びZrSiO4の粒子の粒子径はそれぞれ、本例では、0.3〜1.5μm、0.5〜2μm、及び0.7〜2.5μmである。燃料極活性層21b(上記還元処理後)は、Ni、及びYSZの微細な粒子からなる多孔質層である。燃料極活性層21bに含まれるNi、及びYSZの粒子の粒子径はそれぞれ、本例では、0.3〜1.5μm、及び0.5〜2μmである。燃料極活性層21bでは、燃料極集電層21aと比べて、YSZの含有割合(体積%)が大きい。
以下、上述のように、燃料極層21(燃料極集電層21a)内にジルコンが含有されたことによる作用・効果について述べる。
1.ジルコンは、NiO及びYSZと反応しない性質を有する。従って、燃料極層21内のNiO及びYSZの変質を抑制できる。
2.ジルコンのヤング率は約300GPaと非常に大きい。従って、積層体の支持層として機能する燃料極集電層21aの剛性を高めることができる。この結果、積層体の平坦化、薄板化に有利となる。
3.SOFC使用中においては、燃料極層21内のNiの粒成長(シンタリング)が発生し得る。この粒成長により、燃料極層21内においてNi粒子同士の接触により接続・形成される導電経路(具体的には、電子が通る経路)が変化することで、一般には燃料極層21の導電率が低下する。燃料極層21にジルコンを含ませることで、この粒成長が抑制される効果が発生し得る。即ち、粒成長による燃料極層21の導電率の低下が抑制される効果が発生し得る。
4.SOFC使用中において、ジルコンそのものが燃料極層21の被毒源となることはない。
Claims (6)
- 内部に燃料ガスの流路が形成されるとともに前記燃料ガスの流路内を流通する燃料ガスと接触して前記燃料ガスを反応させる燃料極層と、
前記燃料極層の上面及び下面の少なくとも1面に形成され固体電解質からなる電解質層と、
前記電解質層の表面に形成され酸素を含むガスと接触して前記酸素を含むガスを反応させる空気極層と、
を備えた固体酸化物形燃料電池の積層体であって、
前記燃料極層は、酸素イオンを通すための第1物質の粒子と、電子を通すための第2物質の粒子と、ジルコンの粒子とを少なくとも含む焼成体であり、
前記燃料極層は、前記燃料極層の基体である第1燃料極層と、前記第1燃料極層と前記電解質層との間に積層されるとともに前記第1燃料極層に比して前記第1物質の含有割合が大きい第2燃料極層と、を含んで構成されていて、
前記第1燃料極層は、前記第1物質の粒子と、前記第2物質の粒子と、前記ジルコンの粒子とから構成されるとともに前記第1燃料極層の内部に亘って前記ジルコンの粒子が均一に分布し、
前記第2燃料極層は、前記第1物質の粒子と前記第2物質の粒子のみから構成され、
前記第1燃料極層において、前記ジルコンの粒子の含有割合は3〜30体積%である、固体酸化物形燃料電池の積層体。 - 請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池の積層体において、
前記積層体の厚さ方向から前記積層体を視たときの前記積層体の形状は、円形、楕円形、正方形、又は長方形であり、前記円形の直径、前記楕円形の長径、前記正方形の1辺の長さ、又は前記長方形の長辺の長さは、3cm以上である、固体酸化物形燃料電池の積層体。 - 請求項1又は請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池の積層体において、
前記第1燃料極層、前記第2燃料極層、前記電解質層、及び前記空気極層の厚さはそれぞれ、500〜3000μm、及び3〜30μm、1〜20μm、及び3〜50μmである固体酸化物形燃料電池の積層体。 - 請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池の積層体において、
前記第1燃料極層に含まれる前記第1物質の粒子、前記第2物質の粒子、及び前記ジルコンの粒子の粒径はそれぞれ、0.3〜1.5μm、0.5〜2μm、及び0.7〜2.5μmである固体酸化物形燃料電池の積層体。 - 請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池の積層体において、
前記電解質層が前記燃料極層の周囲を囲むように前記燃料極層の表面に形成され、前記空気極層が前記電解質層における前記燃料極層の上面に形成された部分の上面及び前記電解質層における前記燃料極層の下面に形成された部分の下面にそれぞれ形成された固体酸化物形燃料電池の積層体。 - 複数の請求項1乃至請求項5の何れか一項に記載の積層体と、前記複数の積層体を配置・固定する導電体からなる集電固定部材と、からなるスタック構造体を備え、
隣り合う2つの前記積層体が前記積層体の厚さ方向に離間した状態で積み重なり、且つ、前記隣り合う一方の積層体の前記燃料極層の接続部と前記隣り合う他方の積層体の前記空気極層の接続部とが前記集電固定部材を介して電気的に接続されていて、
前記隣り合う2つの積層体の間に形成された空間に前記酸素を含むガスの流路が区画・形成された固体酸化物形燃料電池。
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