JP5632518B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
ここに開示される技術は、支持基板を備える固体酸化物型の燃料電池セルに関する。 The technology disclosed herein relates to a solid oxide fuel cell including a support substrate.
従来、MgOとMgAl2O4とNiを含む支持基板と、支持基板上に形成される複数の発電部と、を備える固体酸化物型燃料電池セルが知られている(特許文献1参照)。 Conventionally, a solid oxide fuel cell including a support substrate containing MgO, MgAl 2 O 4, and Ni and a plurality of power generation units formed on the support substrate is known (see Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1の支持基板では、還元雰囲気に曝された場合における還元前後の支持基板の寸法変化が大きいためクラックが発生しやすいという問題がある。 However, the support substrate of Patent Document 1 has a problem that cracks are likely to occur because the dimensional change of the support substrate before and after reduction is large when exposed to a reducing atmosphere.
ここに開示される技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、還元処理によって支持基板にクラックが発生することを抑制可能な燃料電池セルを提供することを目的とする。 The technique disclosed here is made in view of such a situation, and it aims at providing the fuel cell which can suppress that a crack generate | occur | produces in a support substrate by a reduction process.
ここに開示される燃料電池セルは、支持基板と、発電部と、を備える。支持基板は、燃料ガス流路を内部に有し、MgOを含む絶縁性セラミックスを主成分として含有する。発電部は、支持基板上に形成される。発電部は、燃料極と、空気極と、燃料極及び空気極の間に配置される固体電解質層と、を有する。支持基板が還元された場合において、隣接する2つの絶縁性セラミックス粒子の接合長さ平均値は、0.5μm以上かつ2.2μm以下である。支持基板は、Niを含有しない。 The fuel battery cell disclosed here includes a support substrate and a power generation unit. The support substrate has a fuel gas channel inside, and contains an insulating ceramic containing MgO as a main component. The power generation unit is formed on the support substrate. The power generation unit includes a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte layer disposed between the fuel electrode and the air electrode. When the support substrate is reduced, the average joining length of two adjacent insulating ceramic particles is 0.5 μm or more and 2.2 μm or less. The support substrate does not contain Ni.
ここに開示される技術によれば、還元処理によって支持基板にクラックが発生することを抑制可能な燃料電池セルを提供することができる。 According to the technology disclosed herein, it is possible to provide a fuel battery cell capable of suppressing the generation of cracks in the support substrate due to the reduction treatment.
固体酸化物型燃料電池セル(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)の一例として、横縞型燃料電池セル100について説明する。
A horizontal
[横縞型燃料電池セル100の構成]
図1は、横縞型燃料電池セル(以下、単に「セル」と略称する)100の概要を示す斜視図である。図2は、図1のI−I断面図である。
[Configuration of Horizontally Striped Fuel Cell 100]
FIG. 1 is a perspective view showing an outline of a horizontally-striped fuel cell (hereinafter simply referred to as “cell”) 100. 2 is a cross-sectional view taken along the line II of FIG.
図1及び図2に示すように、セル100は、支持基板10と、複数の発電部20と、複数のインターコネクタ30と、集電部40と、を備える。なお、図1では、説明の便宜上、集電部40が省略されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
1.支持基板10
支持基板10は、扁平かつ一方向(以下、「長手方向」という)に延びる板状部材である。支持基板10は、絶縁性を有する多孔質体によって構成される。支持基板10の内部には、支持基板10の長手方向に沿って延びる流路10aが形成されている。発電時には、流路10aに水素などを含む燃料ガスが流されることによって、支持基板10を介して複数の発電部20に燃料ガスが供給される。この際、支持基板10は、還元雰囲気に曝される。
1.
The
支持基板10は、MgOを含む絶縁性セラミックスを主成分として含有する。絶縁性セラミックスは、MgOのみを含んでいてもよい。また、絶縁性セラミックスは、MgO以外に、MgAl2O4、CaZrO3及びCaTiO3のうち少なくとも一つを含んでいてもよい。本実施形態において、組成物Xが物質Yを「主成分として含む」とは、組成物X全体のうち、物質Yが好ましくは60重量%以上を占め、より好ましくは70重量%以上を占め、さらに好ましくは90重量%以上を占めることを意味する。
The
支持基板10は、Ni及びNiOを含有していない。ただし、“支持基板10がNiを含有しない”とは、Niの含有率が0モル%の場合だけでなく、Niの含有率が0モル%より大きく、かつ、1モル%以下の場合をも含む概念である。また、支持基板10のうち発電部20と接触する領域では、発電部20からNiやNiOが拡散される場合があるため、支持基板10におけるNiの含有率は、発電部20との界面から所定距離(例えば、100μm)離れた位置で測定することが好ましい。支持基板10は、Fe2O3、SiO2、B2O3、Al2O3のうち少なくとも一つを含有していてもよい。
The
また、支持基板10は、Feを含有していてもよい。支持基板10は、Feを酸化物(Fe2O3)として含有していてもよい。Fe2O3は、MgOに固溶していてもよい。支持基板10がFe2O3を含有する場合、Fe2O3は、発電時の還元雰囲気に曝されることによってFeに還元されてもよい。さらに、支持基板10は、SiO2、B2O3、Al2O3のうち少なくとも一つを含有していてもよい。
Further, the
ここで、支持基板10では、Siの含有率が200ppm以下であり、Pの含有率が50ppm以下であり、Crの含有率が100ppm以下であり、Bの含有率が100ppm以下であり、かつ、Sの含有率が100ppm以下であることが好ましい。これによって、支持基板10の再酸化/再還元試験(レドックス(Redox)試験)に対する耐性を向上させることができる。特に、Siの含有率が100ppm以下であり、Pの含有率が30ppm以下であり、Crの含有率が50ppm以下であり、Bの含有率が50ppm以下であり、かつ、Sの含有率が30ppm以下であることがより好ましい。
Here, in the
なお、還元状態における支持基板10の微構造については後述する。
The microstructure of the
2.発電部20
発電部20は、図2に示すように、支持基板10上に形成されている。発電部20は、燃料極21と、固体電解質層22と、反応防止層23と、空気極24と、を有する。
2.
As shown in FIG. 2, the
燃料極21は、支持基板10上に形成され、アノードとして機能する。燃料極21の厚みは、50μm〜500μmであればよい。燃料極21は、ガス透過性に優れる多孔質な燃料極集電層21aと、緻密質な燃料極活性層21bと、を有する。
The fuel electrode 21 is formed on the
燃料極集電層21aは、支持基板10上に形成される。燃料極集電層21aは、遷移金属と酸素イオン伝導性物質とを含む。燃料極集電層21aは、多孔質の板状焼成体であってもよい。燃料極集電層21aは、遷移金属として、酸化ニッケル(NiO)及び/又はニッケル(Ni)を含む。燃料極集電層21aは、酸素イオン伝導性物質として、イットリア安定化ジルコニア(8YSZ、10YSZなど)やスカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)などのジルコニア系材料や、ガドリニウムドープセリア(GDC:(Ce,Gd)O2)やサマリウムドープセリア(SDC:(Ce, Sm)O2)などのセリア系材料を含んでいてもよい。燃料極集電層21aの厚みは、0.2mm〜5.0mmとすることができる。
The anode current collecting
燃料極活性層21bは、燃料極集電層21a上に形成される。燃料極活性層21bは、遷移金属と酸素イオン伝導性物質とを含む。燃料極活性層21bは、緻密質な板状焼成体であってもよい。燃料極活性層21bは、遷移金属として、少なくともNiO及び/又はNiを含む。燃料極活性層21bは、NiO及び/又はNiに加えて、遷移金属として、Fe2O3(またはFeO)及び/またはFe、あるいは、CuO及び/またはCuなどを含んでいてもよい。燃料極活性層21bは、酸素イオン伝導性物質として、イットリア安定化ジルコニア(8YSZ、10YSZなど)やスカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)などのジルコニア系材料や、ガドリニウムドープセリア(GDC:(Ce,Gd)O2)やサマリウムドープセリア(SDC:(Ce, Sm)O2)などのセリア系材料を含む。燃料極活性層21bの厚みは5.0μm〜30μmとすることができる。燃料極活性層21bにおいて、Ni及び/又はNiOの体積比率はNi換算で25〜50体積%とすることができ、酸素イオン伝導性物質の体積比率は50〜75体積%とすることができる。このように、燃料極活性層21bでは、燃料極集電層21aよりも酸素イオン伝導性物質の含有率が大きくてもよい。
The anode
固体電解質層22は、燃料極21と空気極24との間に形成される。固体電解質層22はジルコニア(ZrO2)を主成分として含むことができる。固体電解質層22は、ジルコニアの他に、Y2O3及び/又はSc2O3等の添加剤を含むことができる。これらの添加剤は、安定剤として機能する。固体電解質層22における添加剤の添加量は、3〜20mol%程度である。すなわち、固体電解質層22の材料としては、3YSZ、8YSZ及び10YSZ等のイットリア安定化ジルコニア;並びにScSZ(スカンジア安定化ジルコニア);等のジルコニア系材料が挙げられる。固体電解質層22の厚みは、3μm以上、50μm以下が好適である。
The
反応防止層23は、固体電解質層22上に形成される。反応防止層23は、セリア(酸化セリウム)を主成分として含んでもよい。具体的に、反応防止層23の材料としては、セリア及びセリアに固溶した希土類金属酸化物を含むセリア系材料が挙げられる。セリア系材料としては、GDC((Ce,Gd)O2:ガドリニウムドープセリア)、SDC((Ce, Sm)O2:サマリウムドープセリア)等が挙げられる。反応防止層23の厚みは、3μm以上、50μm以下が好適である。
The
空気極24は、反応防止層23上に形成される。空気極24は、カソードとして機能する。空気極24は、例えば、ランタン含有ペロブスカイト型複合酸化物によって構成されていてもよい。ランタン含有ペロブスカイト型複合酸化物としては、LSCF(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)、ランタンマンガナイト、ランタンコバルタイト、ランタンフェライトなどが挙げられる。また、ランタン含有ペロブスカイト型複合酸化物には、ストロンチウム、カルシウム、クロム、コバルト、鉄、ニッケル、アルミニウム等がドープされていてもよい。空気極24の厚みは、10μm以上、100μm以下が好適である。
The
3.インターコネクタ30
インターコネクタ30は、燃料極活性層21b上に形成される。インターコネクタ30は、隣接する2つの発電部20を電気的に直列に接続する。具体的に、インターコネクタ30は、一方の発電部20上に形成される集電部40と、他方の発電部20の燃料極活性層21bと、に接続されている。インターコネクタ30は、ペロブスカイト型複合酸化物を主成分として含有する。特に、インターコネクタ30に用いられるペロブスカイト型複合酸化物としては、ランタンクロマイト(LaCrO3)などのクロマイト系材料、SrTiO3などのチタネート系材料が挙げられる。インターコネクタ30の厚みは、10μm以上、100μm以下が好適である。
3.
The
4.集電部40
集電部40は、一方の発電部20の空気極24上に形成される。また、集電部40は、2つの発電部20間に配置されるインターコネクタ30上に延在する。集電部40は、導電性を有すればよく、例えばインターコネクタ30や空気極24と同様の材料で構成することができる。集電部40の厚みは、50μm以上500μm以下とすることができる。
4).
The
[支持基板10の微構造]
以下において、還元状態における支持基板10の微構造について説明する。
[Microstructure of Support Substrate 10]
Hereinafter, the microstructure of the
1.接合長さ平均値
支持基板10の内部では、隣接する2つの絶縁性セラミックス粒子どうしが接合している。支持基板10が絶縁性セラミックスとしてMgOのみを含んでいる場合には、MgO粒子どうしが接合しており、支持基板10が絶縁性セラミックスとしてMgO以外にMgAl2O4、CaZrO3及びCaTiO3のうち少なくとも一つを含んでいる場合には、MgO粒子、MgAl2O4粒子、CaZrO3粒子及びCaTiO3粒子のうち同種又は異種の粒子が接合している。
1. Average value of bonding length In the
このような絶縁性セラミックス粒子どうしの接合状態は、インレンズ二次電子検出器を用いたFE−SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope:電界放射型走査型電子顕微鏡)によって支持基板10の断面を5000倍に拡大したSEM画像をMVTec社(ドイツ)製の画像解析ソフトHALCONで画像解析することによって観察できる。FE−SEMとしては、加速電圧:1kV、ワーキングディスタンス:2mm、1視野サイズ:18.75μm×25μmに設定されたZeiss社(ドイツ)製のFE−SEM(型式:ULTRA55)を用いることができる。
Such a bonding state of the insulating ceramic particles is 5,000 times the cross section of the
画像解析ソフトによる解析後の画像において絶縁性セラミックス粒子どうしの接合長さを測定する際には、画像解析ソフトによって認識される所定値(例えば0.1μm)以下の微小な接合個所はカウントしなくてもよい。これは、画像解析ソフトで認識される微小な接合箇所の存在は不確かであり、セル性能に影響を及ぼす因子として考慮に入れる必要性は低いからである。 When measuring the joining length of insulating ceramic particles in the image after analysis by the image analysis software, a minute joining portion having a predetermined value (for example, 0.1 μm) or less recognized by the image analysis software is not counted. May be. This is because the presence of minute joints recognized by image analysis software is uncertain, and there is little need to take it into account as a factor affecting cell performance.
絶縁性セラミックス粒子どうしの接合線の長さの平均値(以下、「接合長さ平均値」という。)は、0.5μm以上かつ2.2μm以下であることが好ましい。接合長さ平均値は、絶縁性セラミックス粒子どうしの接合長さの和を接合箇所数で除することによって得ることができる。なお、接合長さ平均値は、1つの視野における解析結果から算出してもよいし、複数の視野における解析結果から算出してもよい。 The average value of the length of the bonding line between the insulating ceramic particles (hereinafter referred to as “average value of the bonding length”) is preferably 0.5 μm or more and 2.2 μm or less. The average value of the bonding length can be obtained by dividing the sum of the bonding lengths of the insulating ceramic particles by the number of bonding points. The average junction length may be calculated from the analysis results in one visual field or may be calculated from the analysis results in a plurality of visual fields.
このような接合長さ平均値は、還元後における絶縁性セラミックス粒子どうしのネック太さを示す指標である。本実施形態では、還元状態の支持基板10における接合長さ平均値が0.5μm以上かつ2.2μm以下であり、還元後においても支持基板10の骨格構造の十分な強度が維持されている。これによって、還元前後における支持基板10の寸法変化が抑制されるため、還元処理によって支持基板10に発生するクラックの抑制が実現されている。
Such an average value of the joining length is an index indicating the neck thickness between the insulating ceramic particles after reduction. In the present embodiment, the average junction length of the
接合長さ平均値を調整するには、例えば、絶縁性セラミックス原料(MgO原料、MgAl2O4原料、CaZrO3原料及びCaTiO3原料)の粒度分布を制御することが有効である。また、接合長さ平均値は、造孔材の平均粒径及び添加量や焼成条件などによっても微調整可能である。 In order to adjust the average joining length, for example, it is effective to control the particle size distribution of insulating ceramic raw materials (MgO raw material, MgAl 2 O 4 raw material, CaZrO 3 raw material and CaTiO 3 raw material). Further, the average value of the joining length can be finely adjusted by the average particle diameter and the added amount of the pore former, firing conditions, and the like.
以下に、接合長さ平均値を0.5μm以上かつ2.2μm以下に制御するための作製条件の一例を示す。
・ 絶縁性セラミックス原料の平均粒径を0.5μm以上3.5μm以下として、 粒径0.2μm以下の微細粒子を分級処理により除去すること
・ 造孔材の平均粒径を1μm以上20μm以下とすること
・ 造孔材の添加量をセラミックス原料に対して、15体積%以下とすること
・ 共焼成温度を1350℃以上1500℃以下とし、処理時間を2時間以上20 時間以下とすること
An example of manufacturing conditions for controlling the average junction length to 0.5 μm or more and 2.2 μm or less is shown below.
・ The average particle size of the insulating ceramic material is 0.5 μm or more and 3.5 μm or less, and fine particles with a particle size of 0.2 μm or less are removed by classification treatment. ・ The average particle size of the pore former is 1 μm or more and 20 μm or less・ The amount of pore former added is 15% by volume or less of the ceramic raw material. ・ The co-firing temperature is 1350 ° C. or more and 1500 ° C. or less, and the treatment time is 2 hours or more and 20 hours or less.
2.接合長さ平均値のバラツキ
任意に取得される10視野(倍率5000倍)のSEM画像において、絶縁性セラミックス粒子どうしの接合長さ平均値の標準偏差は、1.5以下であることが好ましい。
2. Variation in average bonding length In an SEM image of 10 fields of view (5000 times magnification) that is arbitrarily acquired, the standard deviation of the average bonding length between insulating ceramic particles is preferably 1.5 or less.
このような接合長さ平均値の標準偏差は、支持基板10内における絶縁性セラミックス粒子どうしのネック太さのバラツキを示す指標である。還元状態における接合長さ平均値の標準偏差を1.5以下とすることによって、還元後における支持基板10の骨格構造の強度が均一化されるため、局所的に強度の低い部分が発生することを抑制できる。従って、酸化還元を繰り返す工程における支持基板10の耐久性を向上させることができる。
Such a standard deviation of the bond length average value is an index indicating the variation in the neck thickness between the insulating ceramic particles in the
接合長さ平均値の標準偏差を調整するには、例えば、絶縁性セラミックス原料の平均粒径、混合条件、或いは焼成条件を制御することが有効である。また、接合長さ平均値の標準偏差は、混合プロセスにおける不純物の混入を制御することによっても調整可能である。 In order to adjust the standard deviation of the average joining length, for example, it is effective to control the average particle diameter, mixing conditions, or firing conditions of the insulating ceramic raw material. Further, the standard deviation of the average junction length can be adjusted by controlling the mixing of impurities in the mixing process.
以下に、接合長さ平均値の標準偏差を1.5以下に制御するための作製条件の一例を示す。
・ MgO原料中の0.15μm以下の微細粒子および5μm以上の粗大粒子を除
去すること
・ MgAl2O4原料、CaZrO3原料及びCaTiO3原料中の0.1μm以 下の微細粒子および3.5μm以上の粗大粒子を除去すること
・ 共焼成温度を1350℃以上1500℃以下とし、処理時間を1時間以上10 時間以下とすること
Below, an example of the production conditions for controlling the standard deviation of the bond length average value to 1.5 or less is shown.
・ Excludes fine particles of 0.15 μm or less and coarse particles of 5 μm or more in the MgO raw material
Leaving ・ Removing fine particles of 0.1 μm or less and coarse particles of 3.5 μm or more in MgAl 2 O 4 raw material, CaZrO 3 raw material and CaTiO 3 raw material ・ Co-firing temperature of 1350 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower And the processing time is 1 hour or more and 10 hours or less
3.気孔率
インレンズ二次電子検出器を用いたFE−SEMによって倍率3000倍に拡大された支持基板10のSEM画像(1視野)において、気孔が占める割合は、25%以上かつ45%以下であることが好ましい。これによって、多孔質支持基板中のガス拡散を阻害せず機能させることができる。
3. Porosity In the SEM image (one field of view) of the
[セル100の製造方法]
1.支持基板10の形成
支持基板10は、圧粉成形によって形成可能である。すなわち、支持基板10は、支持基板10の材料が混合された粉末を型に入れ、圧縮することで圧粉体を成形する工程を含む。
[Method for Manufacturing Cell 100]
1. Formation of
支持基板10の材料としては、MgOを含む絶縁性セラミックス材料を用いることができる。このような材料には、Fe2O3、SiO2、B2O3、Al2O3などが含まれていてもよいが、NiOは含まれていないことが好ましい。圧粉成形時に粉末にかけられる圧力は、支持基板10が充分な剛性を有するように設定されればよい。
As a material for the
ただし、支持基板10の材料におけるSiの含有率は200ppm以下であり、Pの含有率は50ppm以下であり、Crの含有率は100ppm以下であり、Bの含有率は100ppm以下であり、かつ、Sの含有率は100ppm以下であることが好ましい。
However, the Si content in the material of the
また、ガス流路10aは、焼成によって消失するセルロースシートなどを粉体の内部に埋設した状態で圧粉成形を行い、その後に焼成を行うことによって形成される。
Moreover, the
2.燃料極21の形成
燃料極21は、圧粉成形によって形成可能である。すなわち、燃料極21は、燃料極21の材料が混合された粉末を型に入れ、圧縮して、圧粉体を成形することを含んでもよい。また、燃料極21は印刷法により形成可能である。すなわち、燃料極21の材料を含むペーストを用い、支持基板10の上へスクリーン印刷法で燃料極21を形成しても良い。
2. Formation of Fuel Electrode 21 The fuel electrode 21 can be formed by compacting. That is, the fuel electrode 21 may include forming a green compact by putting powder mixed with the material of the fuel electrode 21 into a mold and compressing the powder. The fuel electrode 21 can be formed by a printing method. That is, the fuel electrode 21 may be formed on the
燃料極21の材料としては、上述のとおり、例えば、酸化ニッケル、ジルコニア、及び必要に応じて造孔材が用いられる。造孔材とは、燃料極中に空孔を設けるための添加剤である。造孔材としては、後の工程で消失する材料が用いられる。このような材料として、例えばセルロース粉末が挙げられる。 As the material of the fuel electrode 21, as described above, for example, nickel oxide, zirconia, and, if necessary, a pore former are used. The pore former is an additive for providing pores in the fuel electrode. As the pore former, a material that disappears in a later step is used. An example of such a material is cellulose powder.
また、燃料極21(具体的には、燃料極活性層21b)には、200ppm以下のSiと、50ppm以下のPと、100ppm以下のCrと、100ppm以下のBと、100ppm以下のSと、を添加することが好ましい。
The anode 21 (specifically, the anode
3.固体電解質層22の形成
固体電解質層22は、例えば、CIP(cold isostaticpressing)、熱圧着、又はスラリーディップ法によって形成可能である。固体電解質層22の材料は、上述のとおり、3YSZ、8YSZ及び10YSZ等のイットリア安定化ジルコニア;並びにScSZ(スカンジア安定化ジルコニア);等のジルコニア系材料が挙げられる。なお、CIP法におけるシートの圧着時の圧力は、好ましくは50〜300MPaである。
3. Formation of
4.反応防止層23の形成
反応防止層23は、スラリーディップ法などによって形成可能である。反応防止層23の材料としては、GDC((Ce,Gd)O2:ガドリニウムドープセリア)、SDC((Ce, Sm)O2:サマリウムドープセリア)等が挙げられる。
4). Formation of
5.焼成
圧粉成形された支持基板10、燃料極21、固体電解質層22及び反応防止層23の共焼成(共焼結)を含む。焼成の温度及び時間は、セルの材料等に応じて設定される。
5. Firing includes co-firing (co-sintering) of the
6.空気極24の形成
空気極24は、例えば、燃料極21、電解質層22、及び反応防止層23の積層体(焼成体)上に、印刷法等によって空気極24の材料の層を形成した後、焼成することで形成される。
6). Formation of the
7.集電部40の形成
集電部40は、例えば、燃料極21、電解質層22、及び反応防止層23の積層体(焼成体)上に、印刷法、スラリーディップ法によって集電部40の材料の層を形成した後、焼成することで形成される。なお、空気極24と集電層40とは、個別に焼成することによって形成しても良いが、順次積層して一括で焼成することによって形成しても良い。
7). Formation of
[その他の実施形態]
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。
[Other Embodiments]
The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications or changes can be made without departing from the scope of the present invention.
また、上記実施形態では、倍率5000倍のSEM画像を用いることとしたが、これに限られるものではない。FE−SEMの倍率は任意に設定することができる。 In the above embodiment, an SEM image with a magnification of 5000 is used, but the present invention is not limited to this. The magnification of FE-SEM can be set arbitrarily.
また、上記実施形態では、支持基板10において、接合長さ平均値は、0.5μm以上かつ2.2μm以下であることとした。しかしながら、このことは、接合長さ平均値が0.5μm未満の領域や2.2μmより大きい領域が存在しないことを意味するものではない。支持基板10は、接合長さ平均値が0.5μm以上かつ2.2μm以下の領域を少なくとも一つ含んでいればよい。
In the above embodiment, in the
また、上記実施形態では、発電部20は、反応防止層23を有することとしたが、反応防止層23を有していなくてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the electric
1.サンプルNo.1〜No.10に係る燃料電池セルの作製
以下のようにして、支持基板と発電部を備えるサンプルNo.1〜No.10に係る燃料電池セルを作製した。
1. Sample No. 1-No. Production of Fuel Battery Cell According to Sample No. 10 provided with a support substrate and a power generation unit as follows. 1-No. A fuel battery cell according to No. 10 was produced.
まず、表1に記載の支持体材料を秤量し、ポットミルで48時間混合した。その後、バインダーとしてポリビニルアルコール(PVA)を添加してさらに12時間混合することによってスラリーを作製した。 First, the support materials described in Table 1 were weighed and mixed for 48 hours in a pot mill. Then, the slurry was produced by adding polyvinyl alcohol (PVA) as a binder and mixing for further 12 hours.
次に、スラリーを乾燥機で乾燥させた後、目開き150μmの篩を通して造粒した。 Next, the slurry was dried with a drier and then granulated through a sieve having an opening of 150 μm.
次に、造粒された粉末を一軸プレス(成形圧:0.4tf/cm2)によって圧縮することによって、縦150mm×横40mm×厚さ3.5mmの板状圧粉体(支持基板)を成形した。なお、板状圧粉体(支持基板)の内部には燃料ガスを流通させるφ2.0mmの流路を10本形成した。また、後述する還元処理前後における支持基板の寸法変化を測定するために、サンプルNo.1〜No.10に係る支持基板単体を縦45mm×横4.0mm×厚さ3.0mmの寸法に調整して20個ずつ保管しておいた。 Next, the granulated powder is compressed by a uniaxial press (molding pressure: 0.4 tf / cm 2 ) to obtain a plate-shaped green compact (supporting substrate) having a length of 150 mm × width of 40 mm × thickness of 3.5 mm. Molded. In addition, ten φ2.0 mm channels for circulating the fuel gas were formed inside the plate-shaped green compact (support substrate). Further, in order to measure the dimensional change of the support substrate before and after the reduction treatment described later, sample No. 1-No. 10 support substrates were adjusted to dimensions of 45 mm in length, 4.0 mm in width, and 3.0 mm in thickness, and stored in units of 20 pieces.
次に、テープ成形法にて成形された厚み150μmの燃料極集電層(NiO:8YSZ=50:50(Ni体積%換算))を板状圧粉体(支持基板)に接着成形し、その上に厚み20μmの燃料極活性層を印刷法で形成した。 Next, an anode current collecting layer (NiO: 8YSZ = 50: 50 (Ni volume% conversion)) having a thickness of 150 μm formed by a tape forming method is adhesively formed on a plate-like green compact (support substrate), A fuel electrode active layer having a thickness of 20 μm was formed thereon by a printing method.
次に、燃料極活性層上に厚み5μmの8YSZ電解質と厚み5μmのGDCバリア膜とを順次印刷形成して積層体を作製した。 Next, an 8YSZ electrolyte having a thickness of 5 μm and a GDC barrier film having a thickness of 5 μm were sequentially printed on the anode active layer to produce a laminate.
次に、積層体を1400℃で2時間共焼結することによって共焼成体を得た。その後、厚み30μmのLSCF空気極を1000℃で2時間焼き付けることによって、図1に示す横縞型燃料電池セルのサンプルNo.1〜No.10を作製した。 Next, the laminate was co-sintered at 1400 ° C. for 2 hours to obtain a co-fired body. Thereafter, the LSCF air electrode having a thickness of 30 μm was baked at 1000 ° C. for 2 hours, whereby the sample No. of the horizontal stripe fuel cell shown in FIG. 1-No. 10 was produced.
2.サンプルNo.1〜No.10の還元処理
サンプルNo.1〜No.10に係る燃料電池セル及び支持基板それぞれに還元処理を施した。具体的には、各サンプルを常温から750℃まで100℃/hrで昇温させた後に、水素ガスを支持基板の流路に100時間流通させ。その後、Ar及び水素(Arに対して4%)を流路に流通させることによって還元雰囲気を維持したまま、750℃から常温まで12時間かけて各サンプルを降温させた。
2. Sample No. 1-No. No. 10 reduction treatment Sample No. 1-No. Each of the fuel cells and the support substrate according to 10 was subjected to reduction treatment. Specifically, each sample was heated from room temperature to 750 ° C. at 100 ° C./hr, and then hydrogen gas was passed through the flow path of the support substrate for 100 hours. Thereafter, Ar and hydrogen (4% with respect to Ar) were allowed to flow through the flow path, and the temperature of each sample was lowered from 750 ° C. to room temperature over 12 hours while maintaining the reducing atmosphere.
3.サンプルNo.1〜No.10に係る燃料電池セルの断面の観察
上記還元処理が施されたサンプルNo.1〜No.10に係る燃料電池セルの断面を観察して、支持基板におけるクラックの有無を確認した。
3. Sample No. 1-No. 10. Observation of cross section of fuel cell according to Sample No. 10 subjected to the reduction treatment 1-No. The cross section of the fuel cell according to No. 10 was observed to confirm the presence or absence of cracks in the support substrate.
また、水中に各サンプルを浸漬した陽圧環境下(100〜200kPa)における発泡の有無を観察することによってもクラックの有無を確認した。 Moreover, the presence or absence of a crack was also confirmed by observing the presence or absence of foaming in a positive pressure environment (100 to 200 kPa) in which each sample was immersed in water.
サンプルNo.1〜No.10それぞれの支持基板におけるクラックの確認結果を表1に示す。 Sample No. 1-No. Table 1 shows the results of confirmation of cracks in each of the 10 support substrates.
4.サンプルNo.1〜No.10に係る支持基板の寸法変化の測定
上記還元処理前後におけるサンプルNo.1〜No.10に係る20個ずつの支持基板の寸法変化を測定した。具体的には、還元処理前後において、各支持基板の縦方向の寸法を常温にて精密マイクロメータによって測定した。
4). Sample No. 1-No. Measurement of dimensional change of support substrate according to Sample No. 10 before and after the reduction treatment. 1-No. The dimensional change of 20 support substrates according to 10 was measured. Specifically, before and after the reduction treatment, the vertical dimension of each support substrate was measured with a precision micrometer at room temperature.
表1では、各支持基板の縦方向の寸法を5回ずつ測定することで得られる平均値データを、サンプル数20個にて取得したものが測定結果として記載されている。また、表1において、「+」は膨張を示し、「−」は収縮を示している。 In Table 1, the average value data obtained by measuring the vertical dimension of each support substrate 5 times each is obtained as a measurement result by obtaining 20 samples. In Table 1, “+” indicates expansion and “−” indicates contraction.
5.絶縁性セラミックスどうしの接合長さ平均値
以下のように、サンプルNo.1〜No.10に係る燃料電池セルの断面を観察することによって、絶縁性セラミックスどうしの接合長さ平均値を算出した。
5. Average length of bonding between insulating ceramics Sample No. 1-No. By observing the cross section of the fuel cell according to No. 10, the average value of the joining lengths of the insulating ceramics was calculated.
まず、各サンプルの支持基板を精密機械研磨した後に、株式会社日立ハイテクノロジーズのIM4000によってイオンミリング加工処理を施した。 First, the support substrate of each sample was subjected to precision mechanical polishing, and then subjected to ion milling processing using IM4000 manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation.
次に、インレンズ二次電子検出器を用いたFE−SEMによって倍率3000倍に拡大された支持基板の断面のSEM画像を取得した。なお、SEM画像の取得には、加速電圧:1kV、ワーキングディスタンス:2mm、1視野サイズ:縦18.75μm×横25μmに設定したZeiss社(ドイツ)製のFE−SEM(型式:ULTRA55)を用いた。また、支持基板の断面には、精密機械研磨処理と株式会社日立ハイテクノロジーズのIM4000によるイオンミリング加工処理とを予め施しておいた。 Next, the SEM image of the cross section of the support substrate magnified by 3000 times by FE-SEM using an in-lens secondary electron detector was acquired. For obtaining SEM images, FE-SEM (model: ULTRA55) manufactured by Zeiss (Germany) set to acceleration voltage: 1 kV, working distance: 2 mm, visual field size: vertical 18.75 μm × horizontal 25 μm is used. It was. The cross section of the support substrate was preliminarily subjected to precision mechanical polishing treatment and ion milling treatment treatment using IM4000 of Hitachi High-Technologies Corporation.
次に、断面のSEM画像をMVTec社(ドイツ)製画像解析ソフトHALCONで解析することによって、絶縁性セラミックスどうしの接合線を検出した。なお、画像解析ソフトによって認識される0.1μm以下の微小な接合線は検出しないように設定した。 Next, the SEM image of the cross section was analyzed by image analysis software HALCON manufactured by MVTec (Germany), thereby detecting a joining line between the insulating ceramics. In addition, it set so that the fine joining line of 0.1 micrometer or less recognized by image analysis software may not be detected.
次に、画像解析ソフトの解析結果を用いて、1視野のSEM画像における接合長さの平均値を算出した。算出結果を表1に示す。なお、MgOのみを含むサンプルでは、MgO粒子どうしの接合長さ平均値を算出し、MgO以外の絶縁性セラミックスを含むサンプルでは、各絶縁性セラミックスどうしの接合長さ平均値を算出した。 Next, the average value of the joining length in the SEM image of one visual field was calculated using the analysis result of the image analysis software. The calculation results are shown in Table 1. In addition, in the sample containing only MgO, the joining length average value of MgO particles was calculated, and in the sample containing insulating ceramics other than MgO, the joining length average value of each insulating ceramic was calculated.
表1に示すように、サンプルNo.2〜No.9では、接合長さ平均値を0.5μm以上かつ2.2μm以下に制御することによって、還元後のクラックを抑制することができた。これは、接合長さの平均値を0.5μm以上かつ2.2μm以下と制御することで多孔質支持基板の還元時の歪み量を抑えることができたためである。 As shown in Table 1, sample no. 2-No. In No. 9, it was possible to suppress cracks after reduction by controlling the average value of the junction length to 0.5 μm or more and 2.2 μm or less. This is because the amount of strain at the time of reduction of the porous support substrate could be suppressed by controlling the average value of the joining length to be 0.5 μm or more and 2.2 μm or less.
一方で、サンプルNo.1では、接合長さ平均値が小さすぎたため、すなわち接合箇所のネック太さが小さかったため、還元処理による寸法変化が大きくなった。そのため、還元後の支持基板においてクラックが発生した。 On the other hand, sample no. In No. 1, since the average length of the joint was too small, that is, the neck thickness at the joint was small, the dimensional change due to the reduction treatment was large. Therefore, a crack occurred in the support substrate after reduction.
また、サンプルNo.10では、接合長さ平均値が大きすぎたため、接合長さ平均値のバラツキが大きくなり、支持基板内で局所的な寸法変化が発生したものと考えられる。その結果、還元処理による寸法変化が大きくなり、還元後の支持基板においてクラックが発生した。 Sample No. In No. 10, since the average value of the bonding length was too large, the variation in the average value of the bonding length was increased, and it is considered that local dimensional change occurred in the support substrate. As a result, the dimensional change due to the reduction treatment increased, and cracks occurred in the support substrate after reduction.
6.燃料電池の耐久性
クラックの発生を効果的に抑制できたサンプルNo.3を基準として、表2に示す量の混合物(ケイ素(Si)、リン(P)、クロム(Cr)、ホウ素(B)、及び硫黄(S))を支持基板に混合することによって、サンプルNo.3-1〜3-5に係る燃料電池セルを作製した。混合物は、支持基板の原料中に予め混合したが、支持基板の製造の過程で混合されてもよい。
6). Durability of fuel cell Sample no. Sample No. 3 by mixing the amount of the mixture shown in Table 2 (silicon (Si), phosphorus (P), chromium (Cr), boron (B), and sulfur (S)) with reference to 3 on the support substrate. . Fuel cells according to 3-1 to 3-5 were produced. The mixture is premixed in the raw material of the support substrate, but may be mixed in the process of manufacturing the support substrate.
そして、サンプルNo.3-1〜3-5について、燃料極側に窒素ガス、空気極側に空気を供給しながら750℃まで昇温し、750℃に達した時点で燃料極に水素ガスを供給しながら還元処理を3時間行った。 And sample no. Regarding 3-1 to 3-5, the temperature is raised to 750 ° C. while supplying nitrogen gas to the fuel electrode side and air to the air electrode side, and when 750 ° C. is reached, reduction treatment is performed while supplying hydrogen gas to the fuel electrode. For 3 hours.
続いて、各サンプルを常温から750℃まで200℃/hrで昇温させた後に750℃から常温まで100℃/hrで降温させるサイクルを10回繰り返した。 Subsequently, a cycle in which each sample was heated from room temperature to 750 ° C. at 200 ° C./hr and then cooled from 750 ° C. to room temperature at 100 ° C./hr was repeated 10 times.
その後、上記熱サイクル処理が施されたサンプルNo.3-1〜3-5に係る燃料電池セルの断面を観察して、支持基板と燃料極との界面における剥離の有無を確認した。 Thereafter, the sample No. subjected to the above heat cycle treatment. The cross section of the fuel cell according to 3-1 to 3-5 was observed to confirm the presence or absence of peeling at the interface between the support substrate and the fuel electrode.
表2に示すように、サンプルNo.3-2〜3-5では、Siの含有率が200ppm以下であり、Pの含有率が50ppm以下であり、Crの含有率が100ppm以下であり、Bの含有率が100ppm以下であり、かつ、Sの含有率が100ppm以下であることによって、支持基板と燃料極との界面における剥離を抑制できることが確認された。 As shown in Table 2, sample no. In 3-2 to 3-5, the Si content is 200 ppm or less, the P content is 50 ppm or less, the Cr content is 100 ppm or less, the B content is 100 ppm or less, and It was confirmed that when the S content is 100 ppm or less, peeling at the interface between the support substrate and the fuel electrode can be suppressed.
このような結果が得られたのは、支持基板に混合されたSi、P、Cr、B及びSが燃料極を構成する物質と繋がることによって、支持基板と燃料極との接合強度が向上されたためである。 Such a result was obtained because the bonding strength between the support substrate and the fuel electrode was improved by connecting Si, P, Cr, B and S mixed with the support substrate to the material constituting the fuel electrode. This is because.
一方で、サンプルNo.3-1では、支持基板と燃料極との界面に剥離が確認された。これは、両者の界面に混合物が偏析することによって、支持基板と燃料極との接合強度が低下したためである。 On the other hand, sample no. In 3-1, peeling was confirmed at the interface between the support substrate and the fuel electrode. This is because the bonding strength between the support substrate and the fuel electrode is reduced by the segregation of the mixture at the interface between the two.
なお、Si、P、Cr、B及びSそれぞれを少なくとも1ppm以上混合することが好ましいことは、実験的にも確認されている。 It has been experimentally confirmed that it is preferable to mix at least 1 ppm of Si, P, Cr, B, and S.
100 横縞型燃料電池セル
10 支持基板
20 発電部
21 燃料極
21a 燃料極集電層
21b 燃料極活性層
22 固体電解質層
23 反応防止層
24 空気極
30 インターコネクタ
40 集電部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記支持基板上に形成され、燃料極と空気極と前記燃料極及び前記空気極の間に配置される固体電解質層とを有する発電部と、
を備え、
前記支持基板が還元された場合において、隣接する2つの絶縁性セラミックス粒子の接合長さ平均値は、0.5μm以上2.2μm以下であり、
前記支持基板は、Niを含有しておらず、
前記2つの絶縁性セラミックス粒子のそれぞれにはNiが固溶していない、
横縞型固体酸化物型燃料電池セル。 Has a fuel gas flow passage therein, a supporting substrate made of an insulating ceramic containing MgO,
A power generation unit formed on the support substrate and having a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte layer disposed between the fuel electrode and the air electrode;
With
In the case where the support substrate is reduced, the average joining length of two adjacent insulating ceramic particles is 0.5 μm or more and 2.2 μm or less,
The support substrate does not contain Ni,
Ni is not dissolved in each of the two insulating ceramic particles.
Horizontally striped solid oxide fuel cell.
前記2つの絶縁性セラミックス粒子は、MgO粒子、MgAl2O4粒子、CaZrO3粒子及びCaTiO3粒子のうち同種又は異種の粒子である、
請求項1に記載の横縞型固体酸化物型燃料電池セル。 The insulating ceramic contains at least one of MgAl 2 O 4 , CaZrO 3 and CaTiO 3 ,
The two insulating ceramic particles are MgO particles, MgAl 2 O 4 particles, CaZrO 3 particles, and CaTiO 3 particles, the same kind or different kinds of particles.
The horizontally-striped solid oxide fuel cell according to claim 1.
請求項2に記載の横縞型固体酸化物型燃料電池セル。 The insulating ceramic does not contain Y 2 O 3 ,
The horizontally striped solid oxide fuel cell according to claim 2 .
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