JP6130445B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.
従来、燃料極と、空気極と、燃料極と空気極の間に配置される固体電解質層とを備える燃料電池が知られている。空気極は、多孔質材料によって構成される(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, a fuel cell including a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte layer disposed between the fuel electrode and the air electrode is known. The air electrode is made of a porous material (see, for example, Patent Document 1).
空気極の焼成時や空気極への集電部材の取り付け時において、空気極の外表面にはクラックが発生しやすいという問題がある。 When firing the air electrode or attaching the current collecting member to the air electrode, there is a problem that cracks are likely to occur on the outer surface of the air electrode.
本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、空気極の外表面におけるクラックを抑制可能な燃料電池の提供を目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described situation, and an object thereof is to provide a fuel cell capable of suppressing cracks on the outer surface of the air electrode.
燃料電池は、燃料極と、空気極と、燃料極と空気極の間に配置される固体電解質層とを備える。空気極は、外表面に露出する表層を有する。表層は、一般式ABO3で表されるペロブスカイト型複合酸化物を主成分として含むとともに、1種以上の遷移金属を含む酸化物を含む。 The fuel cell includes a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte layer disposed between the fuel electrode and the air electrode. The air electrode has a surface layer exposed on the outer surface. The surface layer contains a perovskite complex oxide represented by the general formula ABO 3 as a main component and an oxide containing one or more transition metals.
本発明によれば、空気極の外表面におけるクラックを抑制可能な燃料電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell which can suppress the crack in the outer surface of an air electrode can be provided.
次に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なっている場合がある。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
1.第1実施形態
(燃料電池10の構成)
第1実施形態に係る燃料電池10の構成について、図面を参照しながら説明する。燃料電池10は、いわゆる固体酸化物型燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)である。燃料電池10は、縦縞型、横縞型、燃料極支持型、電解質平板型、或いは円筒型などの形態を取りうる。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, the drawings are schematic, and the ratio of each dimension may be different from the actual one. Accordingly, specific dimensions and the like should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
1. First Embodiment (Configuration of Fuel Cell 10)
The configuration of the
図1は、燃料電池10の構成を示す断面図である。燃料電池10は、燃料極20、固体電解質層30、バリア層40及び空気極50を備える。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the
燃料極20は、燃料電池10のアノードとして機能する。燃料極20は、図1に示すように、燃料極集電層21と燃料極活性層22を有する。
The
燃料極集電層21は、ガス透過性に優れる多孔質体である。燃料極集電層21を構成する材料としては、従来SOFCの燃料極集電層に用いられてきた材料を用いることができ、例えばNiO(酸化ニッケル)-8YSZ(8mol%のイットリアで安定化されたジルコニア)やNiO‐Y2O3(イットリア)が挙げられる。燃料極集電層21がNiOを含んでいる場合、燃料電池10の作動中においてNiOの少なくとも一部はNiに還元されていてもよい。燃料極集電層21の厚みは、例えば0.1mm〜5.0mmとすることができる。
The anode
燃料極活性層22は、燃料極集電層21上に配置される。燃料極活性層22は、燃料極集電層21より緻密な多孔質体である。燃料極活性層22を構成する材料としては、従来SOFCの燃料極活性層に用いられてきた材料を用いることができ、例えばNiO‐8YSZが挙げられる。燃料極活性層22がNiOを含んでいる場合、燃料電池10の作動中においてNiOの少なくとも一部はNiに還元されていてもよい。燃料極活性層22の厚みは、例えば5.0μm〜30μmとすることができる。
The anode
固体電解質層30は、燃料極20と空気極50の間に配置される。本実施形態において、固体電解質層30は、燃料極20とバリア層40に挟まれている。固体電解質層30は、空気極50で生成される酸素イオンを透過させる機能を有する。固体電解質層30は、燃料極20や空気極50よりも緻密質である。
The
固体電解質層30は、ZrO2(ジルコニア)を主成分として含んでいてもよい。固体電解質層30は、ジルコニアの他に、Y2O3(イットリア)及び/又はSc2O3(酸化スカンジウム)等の添加剤を含んでいてもよい。これらの添加剤は、安定化剤として機能する。固体電解質層30において、安定化剤のジルコニアに対するmol組成比(安定化剤:ジルコニア)は、3:97〜20:80程度とすることができる。従って、固体電解質層30の材料としては、例えば、3YSZ、8YSZ、10YSZ、或いはScSZ(スカンジアで安定化されたジルコニア)などが挙げられる。固体電解質層30の厚みは、例えば3μm〜30μmとすることができる。
The
なお、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70重量%以上を占め、より好ましくは90重量%以上を占めることを意味する。 In the present embodiment, the composition X “contains the substance Y as a main component” means that the substance Y occupies 70% by weight or more, more preferably 90% by weight or more in the entire composition X. Means.
バリア層40は、固体電解質層30と空気極50の間に配置される。バリア層40は、固体電解質層30と空気極50の間に高抵抗層が形成されることを抑制する。バリア層40は、燃料極20や空気極50よりも緻密質である。バリア層40は、GDC(ガドリニウムドープセリア)やSDC(サマリウムドープセリア)などのセリア系材料を主成分とすることができる。バリア層40の厚みは、例えば3μm〜20μmとすることができる。
The
空気極50は、バリア層40上に配置される。空気極50は、燃料電池10のカソードとして機能する。空気極50は、内表面50Sと外表面50Tとを有する。内表面50Sは、固体電解質層30側の表面である。外表面50Tは、固体電解質層30と反対側、すなわち内表面50Sと反対側の表面である。本実施形態では、外表面50Tの全面が外部に露出しているが、外表面50Tには集電部材(例えば、インターコネクタ、導電性メッシュ、セパレータなど)が接続されていてもよい。空気極50は、図1に示すように、ベース層51と表層52を含む。
The
ベース層51は、固体電解質層30と表層52の間に配置される。本実施形態において、ベース層51は、バリア層40と表層52に挟まれている。ベース層51は、内表面50Sにおいてバリア層40と接する。内表面50Sに垂直な厚み方向におけるベース層51の厚みは、例えば10μm〜500μmとすることができる。
The
ベース層51は、多孔質体である。ベース層51は、一般式ABO3で表されるペロブスカイト型複合酸化物を主成分として含む。このようなペロブスカイト型複合酸化物としては、LSCF((La,Sr)(Co,Fe)O3:ランタンストロンチウムコバルトフェライト)、LSF((La,Sr)FeO3:ランタンストロンチウムフェライト)、LSC((La,Sr)CoO3:ランタンストロンチウムコバルタイト)、LNF(La(Ni,Fe)O3:ランタンニッケルフェライト)、LSM((La,Sr)MnO3:ランタンストロンチウムマンガネート)などが挙げられるが、これに限られるものではない。
The
ベース層51は、主成分であるペロブスカイト型複合酸化物のほか、(Co,Fe)3O4やSrSO4などを含んでいてもよい。これらは、空気極の構造強化材として機能する。ベース層51におけるペロブスカイト型複合酸化物の平均濃度は、85mol%以上とすることができ、90mol%以上であることが好ましい。
The
表層52は、ベース層51上に配置される。表層52は、外表面50Tに露出する。本実施形態において、表層52は、一様な膜状に形成されている。表層52は、ベース層51を全体的に覆っている。
The surface layer 52 is disposed on the
表層52は、多孔質体である。表層52は、一般式ABO3で表されるペロブスカイト型複合酸化物を主成分として含むとともに、1種以上の遷移金属(ただし、前記ペロブスカイト型複合酸化物に含まれる遷移金属を除く)を含む酸化物(以下、「遷移金属酸化物」と略称する。)を含む。表層52に遷移金属酸化物が添加されることによって、表層52の主成分であるペロブスカイト型複合酸化物の焼結を促進させることができる。その結果、表層52の微構造の骨格強度が向上して、外表面50Tにクラックが発生することを抑制できる。
The surface layer 52 is a porous body. The surface layer 52 contains a perovskite type complex oxide represented by the general formula ABO 3 as a main component and an oxidation containing one or more transition metals (excluding the transition metal contained in the perovskite type complex oxide). (Hereinafter abbreviated as “transition metal oxide”). By adding the transition metal oxide to the surface layer 52, it is possible to promote the sintering of the perovskite complex oxide which is the main component of the surface layer 52. As a result, the skeleton strength of the microstructure of the surface layer 52 is improved, and the occurrence of cracks on the
表層52の主成分であるペロブスカイト型複合酸化物としては、上述したベース層51と同様の材料を用いることができる。表層52の主成分であるペロブスカイト型複合酸化物は、ベース層51の主成分であるペロブスカイト型複合酸化物と同成分であってもよく異成分であってもよい。
As the perovskite complex oxide which is the main component of the surface layer 52, the same material as that of the
表層52に添加される遷移金属酸化物としては、CaO、Sc2O3、TiO2、V2O5、CrO、Cr2O3、MnO、Mn3O4、FeO、Fe3O4、CoO、Co3O4、NiO、CuO、ZnO2などが挙げられるが、これに限られるものではない。遷移金属酸化物は、2成分以上の遷移金属を含む複合酸化物であってもよい。空気極活性低下の抑制を考慮すると、遷移金属酸化物としては、Mn3O4、Co3O4及び(Mn、Co)3O4が好適である。遷移金属酸化物は、主成分であるペロブスカイト型複合酸化物の粒界に異相として存在していてもよい。 Examples of the transition metal oxide added to the surface layer 52 include CaO, Sc 2 O 3 , TiO 2 , V 2 O 5 , CrO, Cr 2 O 3 , MnO, Mn 3 O 4 , FeO, Fe 3 O 4 , CoO. , Co 3 O 4 , NiO, CuO, ZnO 2 and the like, but are not limited thereto. The transition metal oxide may be a composite oxide containing two or more transition metals. Considering suppression of the decrease in air electrode activity, Mn 3 O 4 , Co 3 O 4 and (Mn, Co) 3 O 4 are suitable as the transition metal oxide. The transition metal oxide may exist as a heterogeneous phase at the grain boundary of the perovskite complex oxide, which is the main component.
表層52の主成分であるペロブスカイト型複合酸化物の平均濃度は、85mol%以上99.8mol%以下とすることができ、90mol%以上99.5mol%以下であることが好ましい。 The average concentration of the perovskite complex oxide that is the main component of the surface layer 52 can be 85 mol% or more and 99.8 mol% or less, and preferably 90 mol% or more and 99.5 mol% or less.
表層52における遷移金属酸化物の平均濃度は、0.5mol%以上10mol%以下であることが好ましい。遷移金属酸化物の平均濃度を0.5mol%以上とすることによって、表層52におけるクラックの発生をさらに抑制することができる。また、遷移金属酸化物の平均濃度を10mol%以下とすることによって、表層52の接合性を向上させつつ、多孔質電極のクラックを抑制することができる。 The average concentration of the transition metal oxide in the surface layer 52 is preferably 0.5 mol% or more and 10 mol% or less. By setting the average concentration of the transition metal oxide to 0.5 mol% or more, generation of cracks in the surface layer 52 can be further suppressed. Moreover, the crack of a porous electrode can be suppressed, improving the joining property of the surface layer 52 by making the average density | concentration of a transition metal oxide or less into 10 mol% or less.
表層52における遷移金属酸化物の濃度は、外表面50Tから離れるほど低くなっていることが好ましい。これによって、空気極50内での局所的な熱膨張係数差を抑え、応力集中を抑制することができる。表層52における遷移金属酸化物の濃度は、外表面50Tから離れるにつれて徐々に漸減していればよく、無段階的に変動していてもよいし段階的に変動していてもよい。
It is preferable that the concentration of the transition metal oxide in the surface layer 52 decreases as the distance from the
表層52における遷移金属酸化物の濃度分布は、例えば、原子濃度プロファイルによるライン分析、つまりEPMA(Electron Probe Micro Analyzer)を用いた特性X線強度の比較によって得ることができる。具体的には、表層52の厚み方向に平行(すなわち、厚み方向に垂直な面方向に垂直)な断面において、外表面50T側から厚み方向に沿ってEPMAでライン分析を行うことによって、所望の遷移金属酸化物の濃度分布データを取得することができる。本実施形態において、EPMAは、EDS(Energy Dispersive x−ray Spectroscopy)を含む概念である。
The concentration distribution of the transition metal oxide in the surface layer 52 can be obtained, for example, by line analysis based on an atomic concentration profile, that is, comparison of characteristic X-ray intensities using EPMA (Electron Probe Micro Analyzer). Specifically, in a cross section parallel to the thickness direction of the surface layer 52 (that is, perpendicular to the surface direction perpendicular to the thickness direction), line analysis is performed by EPMA along the thickness direction from the
表層52の主成分であるペロブスカイト型複合酸化物の濃度分布も、原子濃度プロファイルによるライン分析によって得ることができる。具体的には、表層52の厚み方向に平行な断面において、外表面50T側から厚み方向に沿ってEPMAでライン分析を行うことによって、ペロブスカイト型複合酸化物の各構成元素の濃度分布データを取得することでペロブスカイト型複合酸化物の濃度分布データを取得することができる。
The concentration distribution of the perovskite complex oxide that is the main component of the surface layer 52 can also be obtained by line analysis using an atomic concentration profile. Specifically, in a cross section parallel to the thickness direction of the surface layer 52, the concentration distribution data of each constituent element of the perovskite complex oxide is obtained by performing line analysis with EPMA from the
厚み方向における表層52の平均深さ(すなわち、平均膜厚)は、例えば1μm〜5μmとすることができる。表層52の平均深さは、ベース層51と表層52の境界線と外表面50Tとの厚み方向における平均距離である。表層52の平均深さは、任意の5箇所で測定される深さを算術平均することによって得られる。ベース層51と表層52の境界線は、外表面50T近傍(外表面50Tから3μm以内)における遷移金属酸化物の最大濃度の50%の濃度を示すラインによって規定される。ベース層51と表層52の境界線は、空気極50の構成粒子上を横切っていてもよい。
The average depth (that is, average film thickness) of the surface layer 52 in the thickness direction can be set to 1 μm to 5 μm, for example. The average depth of the surface layer 52 is an average distance in the thickness direction between the boundary line between the
(燃料電池10の製造方法)
次に、燃料電池10の製造方法の一例について説明する。
(Manufacturing method of fuel cell 10)
Next, an example of a method for manufacturing the
まず、金型プレス成形法で燃料極集電層用材料粉末を成形することによって、燃料極集電層21の成形体を形成する。
First, a molded body of the anode
次に、燃料極活性層用材料粉末と造孔剤(例えばPMMA)との混合物にバインダーとしてPVA(ポリビニルブチラール)を添加して燃料極活性層用スラリーを作製する。そして、印刷法などによって燃料極活性層用スラリーを燃料極集電層21の成形体上に印刷することによって、燃料極活性層22の成形体を形成する。以上により燃料極20の成形体が形成される。
Next, a fuel electrode active layer slurry is prepared by adding PVA (polyvinyl butyral) as a binder to a mixture of the fuel electrode active layer material powder and a pore-forming agent (for example, PMMA). And the molded object of the fuel electrode
次に、固体電解質層用材料粉末にテルピネオールとバインダーを混合して固体電解質層用スラリーを作製する。そして、印刷法などによって固体電解質層用スラリーを燃料極活性層22の成形体上に塗布することによって、固体電解質層30の成形体を形成する。
Next, terpineol and a binder are mixed with the solid electrolyte layer material powder to prepare a solid electrolyte layer slurry. Then, the
次に、バリア層用材料粉末にテルピネオールとバインダーを混合してバリア層用スラリーを作製する。そして、印刷法などでバリア層用スラリーを中間層40の成形体上に塗布することによってバリア層40の成形体を形成する。
Next, a barrier layer slurry is prepared by mixing terpineol and a binder with the barrier layer material powder. And the molded object of the
次に、燃料極20、固体電解質層30及びバリア層40それぞれの成形体を焼成(1350℃〜1450℃、1時間〜20時間)することによって、燃料極20、固体電解質層30及びバリア層40を形成する。
Next, the
次に、ベース層51の主成分となるペロブスカイト型複合酸化物の材料粉末にテルピネオールとバインダーを混合してベース層用スラリーを作製する。そして、印刷法などでベース層用スラリーをバリア層40上に塗布することによってベース層51の成形体を形成する。ベース層51の厚みは、ベース層用スラリーの塗布回数によって調整することができる。
Next, terpineol and a binder are mixed with the material powder of the perovskite complex oxide that is the main component of the
次に、表層52の主成分となるペロブスカイト型複合酸化物の材料粉末に所望の遷移金属酸化物を添加し、さらにテルピネオールとバインダーを混合することによって表層用スラリーを作製する。そして、印刷法などで表層用スラリーをベース層51の成形体上に塗布することによって表層52の成形体を形成する。表層52の厚みは、表層用スラリーの塗布回数によって調整することができる。表層52における遷移金属酸化物の平均濃度は、遷移金属酸化物の添加量によって調整することができる。以上により空気極50の成形体が形成される。
Next, a desired transition metal oxide is added to the material powder of the perovskite type complex oxide which is the main component of the surface layer 52, and further, terpineol and a binder are mixed to prepare a surface layer slurry. Then, the surface layer 52 formed body is formed by applying the surface layer slurry onto the
なお、遷移金属酸化物の濃度を外表面50Tから離れるほど低くする場合には、遷移金属酸化物の添加量を変動させた複数種の表層用スラリーを準備して、添加量の少ない表層用スラリーから順に塗布すればよい。
In addition, when making the density | concentration of a transition metal oxide so low that it leaves | separates from the
次に、空気極50の成形体を焼成(1000〜1100℃、1〜10時間)することによって空気極50を形成する。
2.第2実施形態
第2実施形態に係る燃料電池10aの構成について説明する。第2実施形態に係る燃料電池10aと第1実施形態に係る燃料電池10の相違点は、表層の構成にある。そのため、以下においては当該相違点について主に説明する。
Next, the
2. Second Embodiment A configuration of a
図2は、燃料電池10aの構成を示す断面図である。燃料電池10aは、燃料極20、固体電解質層30、バリア層40、空気極50a及び集電部材60を備える。燃料極20、固体電解質層30及びバリア層40の構成は第1実施形態で説明した通りである。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the
空気極50aは、内表面50Sと外表面50Tとを有する。内表面50Sは、固体電解質層30側の表面である。外表面50Tは、固体電解質層30と反対側の表面である。外表面50Tには、集電部材60が電気的に接続されている。
The
空気極50aは、図2に示すように、ベース層51aと複数の表層52aを含む。
As shown in FIG. 2, the
ベース層51aは、固体電解質層30上に配置される。ベース層51aは、内表面50Sにおいてバリア層40と接する。ベース層51aは、外表面50Tに部分的に露出する。ベース層51aは、第1実施形態のベース層51と同様の材料によって構成される。
The
複数の表層52aそれぞれは、外表面50Tに露出する。外表面50Tの平面視において、複数の表層52aそれぞれは島状に形成される。外表面50Tの平面視において、複数の表層52aそれぞれの外周はベース層51aに囲まれている。ベース層51aと複数の表層52aは一体的に外表面50Tを形成している。複数の表層52aの数、位置及びサイズは任意に変更可能である。
Each of the plurality of
表層52aは、第1実施形態の表層52と同様に、一般式ABO3で表されるペロブスカイト型複合酸化物を主成分として含むとともに、1種以上の遷移金属を含む酸化物(以下、「遷移金属酸化物」と略称する。)を含む。ペロブスカイト型複合酸化物及び遷移金属酸化物については第1実施形態で説明した通りである。表層52aにおける遷移金属酸化物の濃度は、外表面50Tから離れるほど低くなっていることが好ましい。表層52aにおける遷移金属酸化物の濃度は、厚み方向に垂直な面方向において、表層52aの平面視中央から離れるほど徐々に低くなっていてもよい。
Similar to the surface layer 52 of the first embodiment, the
表層52aの平面形状は特に制限されるものではなく、短冊形、矩形、多角形、円形、楕円形などにすることができる。厚み方向における表層52aの平均深さは、例えば1μm〜5μmとすることができる。表層52aの平均深さは、任意の5箇所で測定される深さを算術平均することによって得られる。ベース層51aと表層52aの境界線は、外表面50T近傍(外表面50Tから3μm以内)における遷移金属酸化物の最大濃度の50%の濃度を示すラインによって規定される。
The planar shape of the
集電部材60は、導電性を有する金属材料(例えば、ステンレス鋼など)によって構成される。集電部材60は、複数の接続部61を有する。複数の接続部61それぞれは、空気極50aに向かって突出するように形成されている。複数の接続部61それぞれは、図示しない導電性接合剤を介して空気極50aの外表面50Tと電気的に接続されている。導電性接合剤としては、メタル系材料(例えば、銀系材料など)や導電性セラミック材料(例えば、LSCFなど)を用いることができる。導電性セラミック材料には、遷移金属酸化物が含まれていてもよい。
The current collecting
本実施形態では、図2に示すように、複数の接続部61のうち一部の接続部61は表層52a上に配置されている。従って、微構造の骨格強度が向上された表層52aによって少なくとも一部の接続部61を支持することができるため、外表面50Tのうち接続部61が接続される領域にクラックが発生することを抑制できる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, some of the
本実施形態では、図2に示すように、複数の表層52aのうち一部の表層52a上には接続部61が配置されていない。従って、外表面50Tのうち接続部61が接続されない領域にクラックが発生することも抑制できる。
In this embodiment, as shown in FIG. 2, the
(燃料電池10の製造方法)
次に、燃料電池10aの製造方法の一例について説明する。
(Manufacturing method of fuel cell 10)
Next, an example of a method for manufacturing the
まず、第1実施形態で説明した通り、燃料極20、固体電解質層30及びバリア層40を形成する。
First, as described in the first embodiment, the
次に、ベース層51aの主成分となるペロブスカイト型複合酸化物の材料粉末にテルピネオールとバインダーを混合してベース層用スラリーを作製する。そして、ディッピング法や印刷法などでベース層用スラリーをバリア層40上に塗布することによって、ベース層51aのうちバリア層40側の成形体を形成する。
Next, a base layer slurry is prepared by mixing terpineol and a binder with a material powder of a perovskite complex oxide which is a main component of the
次に、表層52aの主成分となるペロブスカイト型複合酸化物の材料粉末に所望の遷移金属酸化物を添加し、さらにテルピネオールとバインダーを混合することによって表層用スラリーを作製する。そして、ディッピング法や印刷法などで表層用スラリーをベース層51aのバリア層40側の成形体上に塗布することによって、複数の表層52aの成形体を形成する。表層52aの厚みは、表層用スラリーの塗布回数によって調整することができる。表層52aにおける遷移金属酸化物の平均濃度は、遷移金属酸化物の添加量によって調整することができる。
Next, a surface layer slurry is prepared by adding a desired transition metal oxide to the material powder of the perovskite complex oxide that is the main component of the
なお、遷移金属酸化物の濃度を外表面50Tから離れるほど低くする場合には、遷移金属酸化物の添加量を変動させた複数種の表層用スラリーを準備して、添加量の少ない表層用スラリーから順に塗布すればよい。
In addition, when making the density | concentration of a transition metal oxide so low that it leaves | separates from the
次に、複数の表層52aそれぞれの成形体の周囲を埋めるように、ディッピング法や印刷法などでベース層用スラリーを塗布することによって、ベース層51aのうち表層52aを取り囲む部分の成形体を形成する。以上により空気極50aの成形体が形成される。
Next, a base layer slurry is applied by dipping or printing so as to fill the periphery of each of the plurality of
次に、空気極50aの成形体を焼成(1000〜1100℃、1〜10時間)することによって空気極50aを形成する。
Next, the
次に、空気極50aの外表面50Tのうち集電部材60の接続部61が配置される位置に導電性接合剤を塗布する。そして、導電性接合剤上に接続部61が配置されるように集電部材60を置く。続いて、導電性接合剤を熱処理(750〜1000℃、1〜20時間)で固化させる。
Next, a conductive bonding agent is applied to a position where the
(他の実施形態)
本発明は以上のような第1及び第2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 first and second embodiments as described above, and various modifications or changes can be made without departing from the scope of the present invention.
第1及び第2実施形態において、燃料電池10は、バリア層40を備えることとしたが、バリア層40を備えていなくてもよい。
In the first and second embodiments, the
第1及び第2実施形態において、バリア層40は、単層構造であることとしたが、緻密質のバリア層と多孔質のバリア層が積層(順不同)された複層構造であってもよい。
In the first and second embodiments, the
第2実施形態において、複数の接続部61のうち一部の接続部61が表層52a上に配置されることとしたが、全ての接続部61が表層52a上に配置されていてもよい。
In the second embodiment, some of the
第2実施形態において、複数の表層52aのうち一部の表層52a上には接続部61が配置されないこととしたが、全ての表層52a上に接続部61が配置されていてもよい。
In the second embodiment, the
(サンプルNo.1〜No.7の作製)
以下のようにして、サンプルNo.1〜No.7に係る燃料電池を作製した。
(Production of sample No. 1 to No. 7)
Sample no. 1-No. A fuel cell according to 7 was produced.
まず、NiO粉末とY2O3粉末と造孔材(PMMA)の調合粉末とIPAを混合したスラリーを窒素雰囲気下で乾燥させることによって混合粉末を作製した。 First, a NiO powder and Y 2 O 3 powder and the pore former (PMMA) slurry prepared by mixing blended powder and of IPA to prepare a mixed powder by drying under a nitrogen atmosphere.
次に、混合粉末を一軸プレス(成形圧50MPa)することで縦30mm×横30mm、厚み3mmの板を成形し、その板をCIP(成形圧:100MPa)でさらに圧密することによって燃料極集電層の成形体を作製した。
Next, the mixed powder is uniaxially pressed (forming
次に、NiO‐8YSZとPMMAの調合粉末とIPAを混合したスラリーを燃料極集電層の成形体上に塗布した。 Next, a slurry obtained by mixing NiO-8YSZ and PMMA mixed powder and IPA was applied onto the molded body of the anode current collecting layer.
次に、8YSZにテルピネオールとバインダーを混合して固体電解質層用スラリーを作成した。次に、固体電解質層用スラリーを燃料極の成形体上に塗布することによって固体電解質層の成形体を形成した。 Next, 8YSZ was mixed with terpineol and a binder to prepare a solid electrolyte layer slurry. Next, the solid electrolyte layer molded body was formed by applying the slurry for the solid electrolyte layer onto the molded body of the fuel electrode.
次に、GDCスラリーを作製し、固体電解質層の成形体上にGDCスラリーを塗布することによってバリア層の成形体を作製した。 Next, a GDC slurry was prepared, and the molded body of the barrier layer was prepared by applying the GDC slurry onto the molded body of the solid electrolyte layer.
次に、燃料極、固体電解質層及びバリア層の成形体を焼成(1450℃、5時間)して、燃料極、固体電解質層及びバリア層を形成した。 Next, the molded body of the fuel electrode, the solid electrolyte layer, and the barrier layer was fired (1450 ° C., 5 hours) to form the fuel electrode, the solid electrolyte layer, and the barrier layer.
次に、表1に示すベース層用材料粉末にテルピネオールとバインダーを混合してベース層用スラリーを作製した。そして、バリア層上にベース層用スラリーを塗布することによって、空気極のうちベース層の成形体を作製した。 Next, terpineol and a binder were mixed with the base layer material powder shown in Table 1 to prepare a base layer slurry. Then, a base layer molded body of the air electrode was produced by applying the base layer slurry onto the barrier layer.
次に、表1に示す表層用材料粉末に遷移金属酸化物粉末を添加し、さらにテルピネオールとバインダーを混合することによって表層用スラリーを作製した。そして、ベース層の成形体上に表層用スラリーを塗布することによって、空気極のうち表層の成形体を作製した。 Next, transition metal oxide powder was added to the surface layer material powder shown in Table 1, and terpineol and a binder were further mixed to prepare a surface layer slurry. And the surface layer molded object was produced among the air electrodes by apply | coating the slurry for surface layers on the molded object of a base layer.
続いて、空気極のベース層及び表層それぞれの成形体を焼成(1100℃、1時間)して空気極を形成した。 Subsequently, the molded body of each of the base layer and the surface layer of the air electrode was fired (1100 ° C., 1 hour) to form an air electrode.
(サンプルNo.8,9の作製)
空気極に表層を形成しなかった以外は、上記サンプルNo.1〜No.7と同じ工程にてサンプルNo.8,9を作製した。サンプルNo.8,9において、空気極はベース層だけで構成されている。
(Production of sample Nos. 8 and 9)
Except that the surface layer was not formed on the air electrode, the above sample no. 1-No. Sample No. 7 in the same process as in FIG. 8 and 9 were produced. Sample No. In 8, 9, the air electrode is composed only of the base layer.
(遷移金属酸化物の平均濃度の測定)
各サンプルを厚み方向に平行に切断し、FE‐EPMA(電界放射型電子プローブマイクロアナライザ、日本電子社製型式JXA-8500F)を用いて断面を厚み方向にライン分析することによって、表層における遷移金属酸化物の濃度分布データを取得した。
(Measurement of average transition metal oxide concentration)
Transition metal in the surface layer by cutting each sample parallel to the thickness direction and performing line analysis of the cross section in the thickness direction using FE-EPMA (field emission electron probe microanalyzer, JEOL type JXA-8500F) Oxide concentration distribution data was obtained.
(焼成後における空気極の外表面のクラック)
セルの作製後、各サンプルの空気極の外表面を顕微鏡で観察することによって、外表面におけるクラックの有無を確認した。顕微鏡によるクラックの観察視野は、3mm×3mmとした。表1では、クラックが5個以下のサンプルを“○(良)”と評価し、クラックが6個以上9個以下のサンプルを“△(可)”と評価し、クラックが10個以上のサンプルを“×(否)”と評価した。ただし、サンプルNo.1〜9において“△(可)”と評価されたサンプルはなかった。
(Crack of outer surface of air electrode after firing)
After the production of the cell, the presence or absence of cracks on the outer surface was confirmed by observing the outer surface of the air electrode of each sample with a microscope. The observation field of cracks by a microscope was 3 mm × 3 mm. In Table 1, a sample having 5 or less cracks was evaluated as “◯ (good)”, a sample having 6 to 9 cracks was evaluated as “△ (good)”, and a sample having 10 or more cracks. Was evaluated as “× (no)”. However, sample no. None of the samples evaluated as “Δ (possible)” in 1-9.
(熱サイクル試験後における空気極の外表面のクラック)
焼成後に剥離が確認されなかったサンプルNo.1〜7について、Arガス及び水素ガス(Arに対して4%)を燃料極に供給することで還元雰囲気を維持しつつ、常温から800℃まで2時間で昇温した後に4時間で常温まで降させるサイクルを10回繰り返した。
(Crack of outer surface of air electrode after thermal cycle test)
Sample No. in which no peeling was confirmed after firing. For Nos. 1 to 7, the Ar gas and hydrogen gas (4% of Ar) were supplied to the fuel electrode while maintaining the reducing atmosphere, and the temperature was raised from room temperature to 800 ° C. in 2 hours and then to room temperature in 4 hours. The cycle of dropping was repeated 10 times.
その後、各サンプルの空気極の外表面を顕微鏡で観察することによって、外表面におけるクラックの有無を確認した。顕微鏡によるクラックの観察視野は、3mm×3mmとした。表1では、クラックが5個以下のサンプルを“○(良)”と評価し、クラックが6個以上9個以下のサンプルを“△(可)”と評価し、クラックが10個以上のサンプルを“×(否)”と評価した。ただし、サンプルNo.1〜7において“×(否)”と評価されたサンプルはなかった。 Then, the presence or absence of the crack in an outer surface was confirmed by observing the outer surface of the air electrode of each sample with a microscope. The observation field of cracks by a microscope was 3 mm × 3 mm. In Table 1, a sample having 5 or less cracks was evaluated as “◯ (good)”, a sample having 6 to 9 cracks was evaluated as “△ (good)”, and a sample having 10 or more cracks. Was evaluated as “× (no)”. However, sample no. None of the samples evaluated as “x (no)” in 1-7.
表1に示すように、空気極の表層に遷移金属酸化物を含有させたサンプルでは、焼成後におけるクラックの発生を抑制することができた。これは、表層の主成分であるペロブスカイト型複合酸化物の焼結を遷移金属酸化物によって促進させることによって、表層における微構造の骨格強度を向上させることができたためである。 As shown in Table 1, in the sample in which the transition metal oxide was included in the surface layer of the air electrode, generation of cracks after firing could be suppressed. This is because the skeletal strength of the microstructure in the surface layer could be improved by promoting the sintering of the perovskite complex oxide, which is the main component of the surface layer, with the transition metal oxide.
また、表1に示すように、表層における遷移金属酸化物の平均濃度を0.5mol%以上10mol%以下としたサンプルでは、熱サイクル試験後においてもクラックの発生を十分に抑制できることが確認された。 Further, as shown in Table 1, it was confirmed that in the sample in which the average concentration of the transition metal oxide in the surface layer was 0.5 mol% or more and 10 mol% or less, the occurrence of cracks could be sufficiently suppressed even after the thermal cycle test. .
10,10a 燃料電池
20 燃料極
30 固体電解質層
40 バリア層
50,50a 空気極
51,51a ベース層
52,52a 表層
60 集電部材
10,
Claims (7)
空気極と、
前記燃料極と前記空気極の間に配置される固体電解質層と、
を備え、
前記空気極は、外表面に露出する表層を有し、
前記表層は、一般式ABO3で表されるペロブスカイト型複合酸化物を主成分として含むとともに、前記ペロブスカイト型複合酸化物に含まれる遷移金属以外の1種以上の遷移金属を含む酸化物を含み、
前記表層における前記1種以上の遷移金属を含む前記酸化物の平均濃度は、0.3mol%以上であり、
前記表層における前記1種以上の遷移金属を含む前記酸化物の濃度は、前記外表面から離れるほど低い、
燃料電池。 An anode,
The air electrode,
A solid electrolyte layer disposed between the fuel electrode and the air electrode;
With
The air electrode has a surface layer exposed on an outer surface,
The surface layer, the perovskite-type composite oxide represented by the general formula ABO 3 with as main components, seen containing an oxide containing one or more transition metals other than the transition metal contained in the perovskite-type composite oxide ,
The average concentration of the oxide containing the one or more transition metals in the surface layer is 0.3 mol% or more,
The concentration of the oxide containing the one or more transition metals in the surface layer is so low that it is away from the outer surface,
Fuel cell.
請求項1に記載の燃料電池。 The average concentration of the oxide containing the one or more transition metals in the surface layer is 0.5 mol% or more.
The fuel cell according to claim 1.
前記複数の接続部のうち少なくとも1つの接続部は、前記表層上に配置されている、
請求項1又は2に記載の燃料電池。 A current collecting member having a plurality of connecting portions electrically connected to the outer surface of the air electrode;
At least one connection portion among the plurality of connection portions is disposed on the surface layer.
The fuel cell according to claim 1 or 2.
請求項1乃至3のいずれかに記載の燃料電池。 The surface layer is formed in an island shape,
The fuel cell according to any one of claims 1 to 3.
請求項1乃至3のいずれかに記載の燃料電池。 The surface layer is formed in a uniform film shape,
The fuel cell according to any one of claims 1 to 3.
請求項1乃至5のいずれかに記載の燃料電池。 The average concentration of the oxide containing the one or more transition metals in the surface layer is 10 mol% or less.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 5 .
請求項1乃至6のいずれかに記載の燃料電池。 The average depth of the surface layer in the thickness direction perpendicular to the outer surface is within 3 μm.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 6 .
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