JP5835373B2 - 固体酸化物形燃料電池の製造方法、この方法により製造された固体酸化物形燃料電池、及び固体酸化物形燃料電池用電解質・電極積層体 - Google Patents
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を備えている。
電解質の材料としては、固体酸化物形燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物(GDC)、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物(YSZ)などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。
燃料極は、例えば、金属触媒と酸化物イオン導電体からなるセラミックス粉末材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる金属触媒としては、ニッケル、鉄、コバルトや、貴金属(白金、ルテニウム、パラジウム等)等の還元性雰囲気中で安定で、水素酸化活性を有する材料を用いることができる。また、酸化物イオン導電体としては、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型構造を有するものとしては、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などを挙げることができる。また、ペロブスカイト型構造を有するものとしてはストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物を挙げることができる。上記材料の中では、酸化物イオン導電体とニッケルとの混合物で、燃料極を形成することが好ましい。なお、酸化物イオン導電体からなるセラミックス材料とニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、ニッケルへの粉末修飾またはセラミックス材料へのニッケル修飾などの形態であってもよい。また、上述したセラミックス材料は、1種類を単独で、或いは2種類以上を混合して使用することができる。また、燃料極は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。
空気極を形成するセラミックス粉末材料の粒径は、燃料極と同じものを使用することができる。そして、そのセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型構造等を有するCo,Fe,Ni,Cr又はMn等からなる金属酸化物を用いることができる。具体的には(Sm,Sr)CoO3,(La,Sr)MnO3,(La,Sr)CoO3,(La,Sr)(Fe,Co)O3,(La,Sr)(Fe,Co,Ni)O3などの酸化物が挙げられ、好ましくは、(La,Sr)(Fe,Co)O3である。上述したセラミックス材料は、1種を単独で、或いは2種以上を混合して使用することができる。
そして、これら電解質、燃料極、及び空気極は、ドクターブレード法によって基材となるシート上に形成することができる。燃料極あるいは空気極グリーンシートは、以下の方法で作製することができる。上記燃料極粉末あるいは空気極粉末に、造孔材を添加し、バインダー、分散剤および可塑剤を加え、エタノールや2−プロパノールなどのアルコール系溶媒からなる分散媒体に分散されているスラリーを作製する。造孔材の添加量は、5〜20重量% が好ましい。添加されている造孔剤は、焼結の際に燃焼して気化するため、造孔剤の存在していた箇所には空孔が形成される。なお、造孔剤としては、カーボン系粉末や樹脂系粉末が挙げられるが、焼結の際に気化して空孔が形成可能な材料であれば、他の材料を用いるようにしてもよい。
以下、本実施形態に係る電池の4つの製造方法について説明する。図1〜図4は、それぞれ第1〜第4実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の製造方法を示す図である。ここでは、電解質材料、燃料極材料、および空気極材料をそれぞれ含有した電解質、燃料極、及び空気極グリーンシートを用いて燃料電池を製造する。
まず、図1(a)に示すように、複数の燃料極グリーンシート1を積層し、その上下の面に電解質グリーンシート2a,2bをそれぞれ配置し、ホットプレスによりグリーンシート積層体3を形成する。すなわち、燃料極グリーンシート1の厚さを、各電解質グリーンシート2の厚さよりも大きくする。次に、この積層体3を公知の条件、例えば約1450℃で焼結し、電解質21a,21bと燃料極11からなる電解質・電極積層体を形成する。続いて、図1(b)に示すように、燃料極11を積層方向の中間部で切断し、電解質21と燃料極11からなる一対の燃料電池用部材5を形成する。切断方法としては、セラミックスの切断は主としてダイヤモンド砥石や鋸刃等の刃物による方法や、レーザ、ウォータージェット等などの公知の切断方法を用いることができる。これに続いて、図1(c)に示すように、燃料電池用部材5において、燃料極11とは反対側の電解質21上に、空気極グリーンシート4を配置し、公知の条件、例えば約1000℃で焼結し、空気極を形成する。以上の工程により、燃料電池が完成する。
図2(a)に示すように、複数の燃料極グリーンシート1を積層し、その上下の面に電解質グリーンシート2a,2bをそれぞれ配置し、グリーンシート積層体3を形成する。このとき、複数の燃料極グリーンシート1からなる層は、中央に、少なくとも一枚の焼結後の気孔率が高くなるように形成された高気孔率燃料極グリーンシート6を配置し、その両面をそれより焼結後の気孔率が低くなるように形成された低気孔率燃料極グリーンシート1で挟むことで構成する。高気孔率燃料極グリーンシート6は、例えば、焼結後の気孔率が50〜70%になるように、粒子径や造孔剤の量を調整しておく。また、焼結後の気孔率の測定は、例えば、アルキメデス法、水銀圧入法、ガス吸着法などの公知な方法によって測定できる。次に、このグリーンシート積層体3を公知の条件、例えば約1450℃で焼結し、電解質21a,21bと燃料極11からなる電解質・電極積層体を形成する。続いて、図2(b)に示すように、燃料極11を積層方向の中間部、つまり気孔率の高い層61で上記の切断方法を用いて切断し、電解質21と燃料極11からなる一対の燃料電池用部材5を形成する。この燃料電池用部材5では、燃料極11において電解質21とは反対側の面には、気孔率の高い燃料極61が露出することになる。これに続いて、図2(c)に示すように、燃料電池用部材5において、燃料極11とは反対側の電解質21上に、空気極グリーンシート4を配置し、公知の条件、例えば約1000℃で焼結し、空気極を形成する。以上の工程により、燃料電池が完成する。
つまり、燃料電池用部材5は、燃料極11において、電解質21とは反対側の面に気孔率
の高い層61が露出しているため、この面がガス拡散層として機能する。したがって、流
入されるガスが効率よく拡散される。その結果、電極抵抗の低減を図ることができ、電池
性能が向上する。
図3(a)に示すように、まず、複数の燃料極グリーンシート1を積層し、その上下の面に電解質グリーンシート2a,2bをそれぞれ配置し、ホットプレスによりグリーンシート積層体3を形成する。すなわち、燃料極グリーンシート1の厚さを、各電解質グリーンシート2の厚さよりも大きくする。次に、このグリーンシート積層体3を公知の条件、例えば約1450℃で約1時間で焼結し、電解質21a,21bと燃料極11からなる電解質・電極積層体を形成する。続いて、図3(b)に示すように、電解質・電極積層体の下面の電解質21bを研磨し、電解質21aと燃料極11からなる燃料電池用部材5を形成する。研磨方法としては、例えば、ラッピング法やポリッシング法、メカノケミカルなど公知の方法を用いることができる。また、一方の電解質面側を上記方法により切断し、燃料電池用部材5を形成することも可能である。これに続いて、図3(c)に示すように、燃料電池用部材5において、燃料極11とは反対側の電解質21a上に、空気極グリーンシート4を配置し、公知の条件、例えば約1000℃で約1時間焼結し、空気極を形成する。以上の工程により、燃料電池が完成する。
図4(a)に示すように、複数の燃料極グリーンシート1を積層し、その上下の面に電解質グリーンシート2a,2bをそれぞれ配置し、グリーンシート積層体3を形成する。このとき、複数の燃料極グリーンシート1からなる層の少なくとも一枚は、焼結後の気孔率が高くなるように形成された高気孔率燃料極グリーンシート6とし、これを下方の電解質グリーンシート2bに接するように配置する。そして、それより焼結後の気孔率が低くなるように形成された低気孔率燃料極グリーンシート1を上方の電解質グリーンシート2a側に積層する。次に、このグリーンシート積層体3を公知の条件、例えば約1450℃で焼結し、電解質21a,21bと燃料極11,61からなる電解質・電極積層体を形成する。続いて、図4(b)に示すように、気孔率が高い燃料極層61と接する電解質21bを除去することにより、燃料電池用部材5を形成する。この燃料電池用部材5において、電解質21aとは反対側の面には、気孔率の高い燃料極61が露出することになる。これに続いて、図4(c)に示すように、燃料電池用部材5において、燃料極11とは反対側の電解質21a上に、空気極グリーンシート4を配置し、公知の条件、例えば約1000℃で焼結し、空気極を形成する。以上の工程により、燃料電池が完成する。
11 燃料極
2 電解質グリーンシート
21a,21b 電解質
3 グリーンシート積層体
4 空気極グリーンシート
5 燃料電池用部材
6 高気孔率燃料極グリーンシート
Claims (4)
- 電解質材料を含有する少なくとも一枚の電解質グリーンシートの層を一対準備し、その間に、燃料極または空気極のいずれか一方の電極の材料を含有する少なくとも一枚の電極グリーンシートを配置したグリーンシート積層体を準備するステップと、
前記グリーンシート積層体を焼結し、一対の電解質および一方の電極からなる電解質・電極積層体を形成するステップと、
前記一対の電解質のうちの一方を研磨によって除去し、電池用部材を形成するステップと、
前記電池用部材の電解質上に、他方の電極を形成するステップと、
を備えている、固体酸化物形燃料電池の製造方法。 - 前記グリーンシート積層体には、電極グリーンシートが複数枚積層されており、
当該複数の電極グリーンシートは、焼結後の気孔率が高くなるように形成された少なくとも一枚の高気孔率電極グリーンシートと、それよりも焼結後の気孔率が低くなるように形成された少なくとも一枚の低気孔率電極グリーンシートとで構成され、
前記グリーンシート積層体は、前記高気孔率電極グリーンシートが、焼結後に除去される電解質となる一方の電解質グリーンシートと接するように積層されるとともに、
他方の電解質グリーンシート側には、前記低気孔率電極グリーンシートが積層されている、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。 - 電解質材料を含有する少なくとも一枚の電解質グリーンシートの層を一対準備し、その間に、燃料極または空気極のいずれか一方の電極の材料を含有する少なくとも一枚の電極グリーンシートを配置したグリーンシート積層体を準備するステップと、
前記グリーンシート積層体を焼結し、一対の電解質および一方の電極からなる電解質・電極積層体を形成するステップと、
前記一対の電解質のうちの一方を除去し、電池用部材を形成するステップと、
前記電池用部材の電解質上に、他方の電極を形成するステップと、
を備えており、
前記グリーンシート積層体には、電極グリーンシートが複数枚積層されており、
当該複数の電極グリーンシートは、焼結後の気孔率が高くなるように形成された少なくとも一枚の高気孔率電極グリーンシートと、それよりも焼結後の気孔率が低くなるように形成された少なくとも一枚の低気孔率電極グリーンシートとで構成され、
前記グリーンシート積層体は、前記高気孔率電極グリーンシートが、焼結後に除去される電解質となる一方の電解質グリーンシートと接するように積層されるとともに、
他方の電解質グリーンシート側には、前記低気孔率電極グリーンシートが積層されている、固体酸化物形燃料電池の製造方法。 - シート状の一対の電解質と、
前記電解質の間に配置される燃料極または空気極と、
を備え、
前記燃料極または空気極は、
気孔率の高い層と、それよりも気孔率の低い層とで構成され、
前記気孔率の高い層は、前記一対の電解質のいずれか一方と隣接している、固体酸化物形燃料電池用の電解質・電極積層体。
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