JP5913200B2 - 固体酸化物形燃料電池用グリーンシート - Google Patents
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Description
本発明は、これらの事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、固体電解質層でクラックやピンホール等の不具合が生じ難く、優れた発電性能と高い信頼性とを発揮し得るSOFC用のグリーンシートを提供することである。また、関連する他の目的は、かかるグリーンシートを用いてなるSOFCを提供することである。
すなわち、ここで開示されるグリーンシートは、生産性や環境性、コストの観点に優れ、且つ優れた発電性能と高い信頼性とを実現し得るものである。
(A)0.2μm≦Ra≦1.0μm
(B)1μm≦Rmax≦10μm
をいずれも満たしている。このような性状を有するキャリアシートの表面に形成された固体電解質層は、例えば多孔質なアノード支持層の表面に直接形成されたものと比べて、より緻密である。したがって、クラックやピンホールのような不具合をより一層抑制することができ、本発明の効果をより高いレベルで発揮することができる。なお、上記「Ra」および「Rmax」は、JIS B 0601(1982)に準じた測定により求めることができる。
上述の通り、ここで開示される固体電解質層は緻密性が高く、クラックやピンホールのような不具合が生じ難いものである。また、ここで開示されるキャリアシートは天然高分子化合物製であり、適度な柔軟性を有している。このため、例えばアノード層と固体電解質層とを積層する際に、両者の界面の接地面積をより広くおよび/またはより強固なものとすることができる。したがって、アノード層−固体電解質層間の界面接合性を良好に保つことができ、界面剥離の発生を好適に抑制することができる。上述のように、ここで開示されるグリーンシート積層体によれば、優れた発電性能(高出力密度)と信頼性とを高いレベルで両立可能なSOFCを実現することができる。
本発明により、固体酸化物形燃料電池(SOFC)の形成に用いられるグリーンシートが提供される。図1に、本発明の一実施形態に係るグリーンシートを模式的に示す。
図1に示すように、本発明に係るグリーンシート24は、少なくとも酸化物イオン伝導体とバインダとを含む固体電解質層20と、該固体電解質層を支持するキャリアシート22と、を備えている。グリーンシート24全体の平均厚みは特に限定されないが、例えば30μm以上(典型的には40μm以上)であって、120μm以下(典型的には100μm以下、好ましくは80μm以下)とすることができる。
キャリアシート22は、天然高分子化合物から構成される。天然高分子化合物からなるキャリアシートは、シリコーン化合物(ケイ素樹脂)等の合成高分子化合物を含まないため、このような化合物由来の不純物が固体電解質層内へ混入することを防止し得る。また、かかるキャリアシートは、以後の焼成時にガスとなって(例えば二酸化炭素ガスやメタンガスとなって)燃え抜けるため、例えばアノード層との積層後にキャリアシートを剥がしとる必要がなく、そのまま(すなわち固体電解質層がキャリアシートに担持されたまま)の状態で焼成工程に供することができる。また、天然高分子化合物からなるキャリアシートは比較的安価なため、コストを低く抑えることができる。さらに、天然資源由来のものを利用することで環境負荷を低減することもできる。このようなキャリアシート22としては市販品を購入してもよく、あるいは天然高分子化合物を用いて従来公知の手法で作製してもよい。
固体電解質層20は、少なくとも酸化物イオン伝導体とバインダとを含んでいる。
酸化物イオン伝導体としては、従来からSOFCの固体電解質層の形成に用いられる物質の1種を単独で、または2種以上組み合わせて用いることができる。好適例として、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、カルシウム(Ca)、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、ガリウム(Ga)、ストロンチウム(Sr)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、バリウム(Ba)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、サマリウム(Sm)、ガドリニウム(Gd)、タングステン(W)、ビスマス(Bi)等の元素を含んだ酸化物材料が挙げられる。具体的には、イットリア(Y2O3)、カルシア(CaO)、スカンジア(Sc2O3)、マグネシア(MgO)、イッテルビア(Yb2O3)、エルビア(Er2O3)等の安定化剤で結晶構造を安定化させたジルコニア(ZrO2);イットリア(Y2O3)、ガドリニア(Gd2O3)、サマリア(Sm2O3)等のドープ剤をドープした酸化セリウム(CeO2);等を採用し得る。なかでも、酸化物イオン伝導性の観点から、ジルコニア(ZrO2)にイットリウムの酸化物(例えばイットリア(Y2O3))を固溶させたイットリア安定化ジルコニア(YSZ;Yttria stabilized zirconia)、または、スカンジウムの酸化物(例えばスカンジア(Sc2O3))を固溶させたスカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)を好適に用いることができる。固溶させる酸化物の量は特に限定されないが、例えば凡そ1mol%〜20mol%(通常、凡そ5mol%〜10mol%)とすることができる。
図1に示すようなグリーンシート24を作製する方法は特に限定されないが、例えば先ず酸化物イオン伝導体とバインダとその他必要に応じて用いられる他の成分(典型的には造孔材や可塑剤)とを適当な溶媒中で混合して、スラリー状の組成物を調製する。この組成物をキャリアシート22の片側の表面に付与、乾燥することで固体電解質層20を形成する。これにより、キャリアシート22上に固体電解質層20が担持された形態のグリーンシート24を作製することができる。
組成物を付与(塗布)する方法としては、従来公知の方法(例えば、印刷法、ドクターブレード法、ディップコーティング法、スプレー法等)を適宜用いることができる。なかでも印刷成形法(典型的にはスクリーン印刷法)やドクターブレード法を好ましく採用し得る。かかる手法によれば、薄く緻密な固体電解質層を好適に形成することができる。
また、本発明により、図2に示すようなアノード層−固体電解質層グリーンシート積層体26が提供される。かかる積層体26は、上述のグリーンシート24(すなわち固体電解質層20およびキャリアシート22)と、アノード層10と、を備えている。なお、グリーンシート24については上記と同様のため、ここでは説明を割愛する。
アノード層10は、少なくとも導電性材料とバインダとを含んでいる。
導電性材料としては、従来からSOFCのアノード層の形成に用いられる電気触媒的作用(触媒活性)を有する物質の1種を単独で、または2種以上組み合わせて用いることができる。具体的には、チタン(Ti)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ストロンチウム(Sr)、ジルコニウム(Zr)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、ランタン(La)、金(Au)等の金属材料;酸化コバルト(CoO、Co2O3、Co3O4)、酸化ニッケル(NiO、Ni2O3、Ni3O4)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化ルテニウム(RuO2)等の金属酸化物材料;等を用いることができる。なかでもニッケルは他の金属に比べて比較的安価であり、且つ高い反応活性を示す(高い触媒能を有する)ことから特に好適な金属種である。したがって、ここで開示される製造方法では、導電性材料としてニッケル系材料(例えば酸化ニッケル)を特に好ましく用いることができる。
アノード層−固体電解質層グリーンシート積層体26を作製する方法は特に限定されないが、例えば以下の工程:
(1)アノード層10を成形すること;および
(2)上記作製したアノード層10とグリーンシート24の固体電解質層側の表面とを対向させた状態でロール成形を行うことによって、アノード層10とグリーンシート24とを積層すること;
を包含する方法によって作製することができる。以下、各工程を順に説明する。
アノード層10の成形方法は特に限定されないが、例えばロール成形法によって行うことができる。ロール成形法によれば、例えばドクターブレード法等を用いた場合に比べて、上述のような性状(平均厚みや構造)を有するアノード層10をより安定的に成形することができる。すなわち、ロール成形法により成形されたアノード層10は、等方性や均質性に優れ(例えば組成や気孔率にバラつきが少なく)、抵抗が低減されたものであり得る。
上記作製したアノード層10と上述のグリーンシート24とを用いて、グリーンシート積層体26を成形する。ここでは、アノード層10と、グリーンシート24の固体電解質層側の表面とを対向させた状態でロール成形を行うことにより、アノード層−固体電解質層グリーンシート積層体26を成形する。
図4に、一実施形態に係るロール成形機の模式的な断面図を示す。図4に示すロール成形機5は、一対のロール2を備えている。一対のロール2の供給側(図4の左手側)には、アノード層10とグリーンシート24とが一対のロール2の間に連続的に供給可能なよう構成されている。一対のロール2の間に供給されたアノード層10およびグリーンシート24は、ロール2の表面との摩擦力によって一対のロール2の間に引き込まれ、かかるロール2の間を通過する際に圧縮成形される。このようにアノード層10およびグリーンシート24を上下から強制的に押し付けることにより、界面に存在する空気を押し出しながら圧延することができる。したがって、界面間の接地点(接触面積)をより多くすることができ、界面接合性(密着性)をより一層向上させることができる。ここでは、ロール成形の条件等を調整することにより、所望の性状(例えば平均厚みや気孔率)のグリーンシート積層体26を成形する。なお、一対のロール2の材質やサイズ(直径)、ロール間距離は上記アノード層の成形時と同様とすることができる。また、ロール成形時におけるロール2の温度は、典型的にはキャリアシートを構成する天然高分子化合物の軟化点より低く、例えば室温(例えば20℃〜30℃)に設定することがより好ましい。
また、本発明により、上記グリーンシート積層体を焼成してなるアノード層10ならびに固体電解質層20と、カソード層40と、を備える固体酸化物形燃料電池(SOFC)が提供される。上述の通り、ここで開示される固体電解質層20は薄膜状でイオン伝導性に優れるため、高い発電性能を発揮することができる。また、アノード層−固体電解質層間の接合強度が高いため、界面剥離を生じ難く、長期に渡って高い発電性能を安定的に発揮することができる。さらに、ここで開示されるアノード層10は等方的で(例えば厚み方向に対して組成や気孔率にバラつきが少なく、均質で)低抵抗なものである。したがって、ここで開示されるSOFCは、長期に渡って高い発電性能を安定的に発揮することができる、高性能且つ高耐久なものであり得る。なお、ここで開示されるSOFCの典型的な構成では、固体電解質層20とカソード層40との間に、さらに反応抑止層30を備えている。
例えば固体電解質層20に酸化ジルコニウム系の材料を含み、且つ後述するカソード層40にペロブスカイト構造の酸化物材料を含む場合、これらの接触する部分(界面)で固相反応を生じ、固体電解質層20および/またはカソード層40間の酸化物イオン伝導性が低下する場合がある。このため、上記材料を用いる場合には、固体電解質層20とカソード層40との間に反応抑止層30を備えることが好ましい。これにより固体電解質層20とカソード層40との界面を安定化することができる。
セリウム酸化物としては、例えば固体電解質層の形成材料として例示したセリウム酸化物を用いることができる。好適例として、ガドリニア(Gd2O3)をドープした酸化セリウム(CeO2)が挙げられる。上記置換的な構成元素の量(異元素のドープ量)は、特に限定されないが、例えば当該置換元素の酸化物換算で1mol%〜20mol%(例えば5mol%〜15mol%)とすることができる。バインダとしては、例えば固体電解質層の形成用として例示したものの中から適宜採用することができる。
カソード層40を構成する材料としては、ペロブスカイト型酸化物やバインダが挙げられる。ペロブスカイト型酸化物としては、例えばランタンコバルテート(LaCoO3)系、ランタンマンガネート(LaMnO3)系、ランタンフェライト(LaFeO3)系、ランタンニッケラート(LaNiO3)系のペロブスカイト型酸化物;サマリウムコバルテート(SmCoO3)系ペロブスカイト型酸化物;等を用いることができる。これらの酸化物は、酸化雰囲気において優れた耐久性を発揮し得るため好ましい。
次に、得られたアノード層10−固体電解質層20積層体の固体電解質層側の表面に、従来公知の手法によって反応抑止層30およびカソード層40を順に形成する。なお、反応抑止層30およびカソード層40の形成は、例えば、固体電解質層20と同様の手法によって行うことができる。そして、アノード層10、固体電解質層20、反応抑止層30、カソード層40が順に積層された積層体を再度焼成することによって、ここで開示されるSOFCを製造することができる。このときの焼成温度は、例えば700℃〜1200℃(好ましくは800℃〜1100℃)とすることができ、焼成時間は凡そ1時間〜5時間とすることができる。
先ず、平均粒径0.3μmのイットリア安定化ジルコニア(8mol%Y2O3−ZrO2;8YSZ)粉末と、バインダ(エチルセルロース;EC)と、溶媒(α−テルピネオール;TE)とを、8YSZ:EC:TE=65:12:23の質量比率で混練することにより、スラリー状の固体電解質層形成用組成物を調製した。これを有機物の繊維(セルロース)からなるキャリアシートの表面にスクリーン印刷法によって付与し、固体電解質層を形成した。表1の「キャリアシート」の欄には、固体電解質層を形成する際に支持体として用いたシートの性状を示す。また、「固体電解質層」の欄には、形成した層の厚みと有機物量を示す。なお、ここで「有機物量」とは、バインダの占める割合(重量%)を示している。
上記固体電解質層の形成時に、キャリアシートとして寒天製のものを用いたこと以外は例1と同様に、アノード層−固体電解質層グリーンシート積層体(例2)を得た。
本例では、印刷法によって、アノード層の表面に直接固体電解質層を形成した。すなわち、調製したスラリー状の固体電解質層形成用組成物を、スクリーン印刷の手法によって上記成形したアノード層の上に直接付与し、固体電解質層を形成した。これによって、アノード層−固体電解質層グリーンシート積層体(例3)を得た。
本例では、ディップコーティング法によって、アノード層の表面に直接固体電解質層を形成した。すなわち、調製したスラリー状の固体電解質層形成用組成物に、上記成形したアノード層の表面を浸して引き上げることにより、固体電解質層を形成した。これによって、アノード層−固体電解質層グリーンシート積層体(例4)を得た。
本例では、キャリアシートとしてPETフィルムを用いて、固体電解質層を形成した。すなわち、調製したスラリー状の固体電解質層形成用組成物を、ドクターブレード法によってPETフィルム上に形成し、これをアノード層と共にロール成形することで、アノード層−固体電解質層グリーンシート積層体(例5)を得た。
各例に係るグリーンシートの性状を表1に纏める。
上記作製したグリーンシート積層体(例1〜5)を大気雰囲気中において1400℃の温度で3時間焼成した。そして、焼成後の積層体について、アルコールを用いたリークチェックを行った。具体的には、焼成後の積層体の全面にアルコールを滴下し、その浸み込み具合によってピンホール(貫通孔)の有無を確認した。結果を、表1の「焼成後のリーク」の欄に示す。当該欄の「○」は浸み込みがなかったことを、「△」は浸み込み点数が5個以下だったことを、「×」は浸み込み点数が6個以上だったことを、それぞれ示している。
1a 原料混合物
1b フィーダー
2 ロール
5 ロール成形機
10 アノード層
20 固体電解質層
22 キャリアシート
24 グリーンシート(キャリアシート−固体電解質層グリーンシート)
26 アノード層−固体電解質層グリーンシート積層体
30 反応抑止層
40 カソード層
50 SOFC
60 接合部材
70 ガス管
Claims (9)
- 固体酸化物形燃料電池の形成に用いられるグリーンシートであって、
少なくとも酸化物イオン伝導体とバインダとを含む固体電解質層と、該固体電解質層を支持するキャリアシートと、を備え、
ここで、前記キャリアシートはセルロース以外の天然高分子化合物からなり、前記固体電解質層とともに焼成された場合、ガスとなって燃え抜けるものである、固体酸化物形燃料電池用グリーンシート。 - 前記キャリアシートの前記固体電解質層に対向する側の表面は、JIS B 0601(1982)に準じて測定される算術平均粗さ(Ra)および最大高さ(Rmax)が、以下の条件:
0.2μm≦Ra≦1.0μm
1μm≦Rmax≦10μm
をいずれも満たしている、請求項1に記載のグリーンシート。 - 前記固体電解質層の平均厚みは20μm以下である、請求項1または2に記載のグリーンシート。
- 前記キャリアシートの平均厚みは30μm以上60μm以下である、請求項1から3のいずれか一項に記載のグリーンシート。
- 前記天然高分子化合物は多糖類である、請求項1から4のいずれか一項に記載のグリーンシート。
- 前記天然高分子化合物は寒天である、請求項1から5のいずれか一項に記載のグリーンシート。
- 請求項1から6のいずれか一項に記載のグリーンシートの前記固体電解質層側の表面に、少なくとも導電性材料とバインダとを含むアノード層を備える、アノード層−固体電解質層グリーンシート積層体。
- 前記アノード層は単層構造であって、且つ、平均厚みが100μm以上1500μm以下である、請求項7に記載のグリーンシート積層体。
- 請求項7または8に記載のグリーンシート積層体の焼成体と、カソード層と、を備える固体酸化物形燃料電池。
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