JP6132259B2 - 燃料電池用複合材料、燃料電池用複合材料の製造方法及び燃料電池 - Google Patents

燃料電池用複合材料、燃料電池用複合材料の製造方法及び燃料電池 Download PDF

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Description

本願発明は、燃料電池用複合材料、燃料電池用複合材料の製造方法及び燃料電池に関する。詳しくは、固体酸化物燃料電池において、電解質層の発電性能を高めることのできる燃料電池用複合材料等に関する。
固体酸化物燃料電池(以下、「SOFC」という)は、固体電解質層の両側にアノード層とカソード層とを設けた電解質−電極積層体を備えて構成される。上記固体電解質層中のイオン伝導抵抗を低減させるため、固体電解質層の厚さをできるだけ薄く形成するのが好ましい。一方、固体電解質層を薄く形成すると、固体電解質層の強度が小さくなり、製造工程や使用時に支障が生じる。このため、固体電解質層に積層されるアノード層を厚く設定して、積層体としての強度を確保する構造(アノードサポート構造)が採用されることが多い。
上記電解質−電極積層体を製造する一手法として、アノード層粉末成形体に電解質粉末を薄く塗布し、この電解質−アノード積層体を同時に焼成することが検討されている。
特開2001−307546号公報
上記構成を採用することにより、固体電解質層の厚みを小さく設定しつつ、電解質−アノード積層体の強度を確保することはできるが、Niを触媒として採用した場合、焼成の際に固体電解質層の性能が低下するという問題がある。
たとえば、電解質材料として、BaZrO3−Y23(以下、BZYという)粉末を採用するとともに、アノード材料として、上記BZY粉末に触媒としてニッケル(Ni)又は酸化ニッケル(NiO)を添加したアノード粉末材料を採用した場合、固体電解質層のイオン伝導性が低下しやすいという問題がある。従来、上記電解質−アノード積層体は、上記アノード粉末材料を所定厚みに圧粉成形した成形体の表面に上記BZY粉末を塗布して、1400〜1600℃で同時に焼成させて形成される。この場合、BZYからなる固体電解質層の本来のイオン伝導性が損なわれて、これを燃料電池に適用した場合、発電性能が理論上期待されるものより低下することが多い。
上記発電性能が低下する原因についての詳細は不明であるが、上記アノード層に添加したニッケルが固体電解質層に作用して、イオン伝導性を阻害しているものと推測することができる。
本願発明は、上述の問題を解決するために案出されたものであり、電解質−アノード積層体を同時に焼成させた場合における固体電解質層のイオン伝導性能の低下を防止し、燃料電池の発電性能を高めることができる燃料電池用複合材料を提供することを課題とする。
本願発明は、固体電解質層とこの固体電解質層に積層されたアノード層とを備えて構成される燃料電池用複合材料であって、上記固体電解質層は、ペロブスカイト構造のAサイトが、バリウム(Ba)とストロンチウム(Sr)の少なくとも一方からなるとともに、Bサイトの四価の陽イオンの一部を三価の稀土類元素で置換したイオン伝導体から構成されており、上記アノード層は、上記固体電解質層と同一組成の電解質成分と、ニッケル(Ni)触媒とを含んで構成されているとともに、少なくとも固体電解質層との境界部分に稀土類元素を含む添加物を含んで構成されている。
上記稀土類元素を含む添加物をアノード層に含ませることにより、固体電解質材料とアノード材料とからなる積層体を同時に焼成させた場合にも、固体電解質層のイオン伝導性能が低下することがなく、これを燃料電池に採用した場合の発電性能を高めることができる。
白金(Pt)等の貴金属に比較して安価なニッケルを触媒として採用するとともに、アノード層と固体電解質層とを同時に焼成してもイオン伝導性能が低下することがない。
本願発明に係る燃料電池用複合材料の構造を示す断面図である。 本願発明に係る燃料電池用複合材料を用いて構成した燃料電池の概略断面図である。 本実施形態に係る燃料電池用複合材料を用いて構成した燃料電池と、従来例の燃料電池用複合材料を用いて構成した燃料電池との構成の相異及び発電性能を比較した表である。 J.J.Lander,J.Am.Chem.Soc.,73,2451(1951)から抜粋したものであり、アノード層構成材料の状態図である。 J.Solid State Chem,88〔1〕291−302(1990)に記載された状態図を参考にして描いた、アノード層構成材料の1000℃〜1350℃における3元状態図である。
〔従来の電解質−アノード積層体の問題点の考察〕
本願発明の発明者らは、従来の電解質−アノード積層体について鋭意研究し、イオン伝導性能の低下原因について、以下の知見を得るに到った。
たとえば、上記BZYからなる固体電解質層と、このBZYに触媒としてNiを通常NiOの形で添加した材料からなるアノード層を備えて構成される従来の電解質−アノード積層体において、焼成後の固体電解質層の組成を詳細に調べると、Ni成分が、固体電解質層の全域にわたって高い濃度で存在することが判明した。上記Ni成分は、上記アノード層に配合した触媒成分であることは明らかであるが、このNi成分が、いかにして電解質層に移動したのか、また、これが固体電解質層のイオン伝導性を阻害するかどうかは、不明であった。
そこで、発明者らは、固体電解質層へのNi成分の移動を抑制し、固体電解質層のNi成分の濃度を低下させた電解質−アノード積層体を試作し、これを適用した燃料電池と、従来の電解質−アノード積層体を備える燃料電池における発電性能を比較した。その結果、固体電解質層のNi成分を低減させることにより、発電性能が高まることを発見した。
〔本願発明の実施形態の概要〕
本願発明は、固体電解質層と、この固体電解質層に積層されたアノード層とを備えて構成される燃料電池用複合材料であって、上記固体電解質層は、ペロブスカイト構造のAサイトが、バリウム(Ba)とストロンチウム(Sr)の少なくとも一方からなるとともに、Bサイトの四価の陽イオンの一部を三価の稀土類元素で置換したイオン伝導体から構成されており、上記アノード層は、上記固体電解質層と同一組成の電解質成分と、ニッケル(Ni)触媒とを含んで構成されているとともに、少なくとも固体電解質層との境界部分に稀土類元素を含む添加物を含んで構成されるものである。
上記稀土類元素を含む添加物の添加量は、稀土類元素の原子数比で、上記アノード層に含まれる上記固体電解質成分中の稀土類元素量の0.001〜2倍とするのが好ましい。上記稀土類元素からなる添加物の添加量が、上記アノード層に含まれる上記固体電解質成分中の稀土類元素量の原子数比で0.001倍未満であると、イオン伝導性の低下を阻止する効果がほとんどみられず、燃料電池の発電性能を高めることができない。一方、上記稀土類元素を含む添加物の添加量が、稀土類元素の原子数比で、上記アノード層に含まれる上記固体電解質成分中の稀土類元素量の2倍を越えると、固体電解質層との親和性が低下して層間の密着力が低下したり、固体電解質層の組成が変化して、イオン伝導性が低下する恐れがある。さらに、上記稀土類元素を含む添加物の添加量が、稀土類元素の原子数比で、上記アノード層に含まれる上記固体電解質成分中の稀土類元素量の0.01〜1.5倍となるように構成するのがより好ましい。稀土類元素を含む添加物の添加量が0.01倍以上では、反応抑制効果が顕著になり、稀土類元素を含む添加物の添加量が1.5倍以下であれば、上述の層間密着力の低下や、固体電解質層の組成への影響が極めて小さい。
また、上記アノード層を、上記Ni触媒とそれ以外の陽イオン元素の原子数比が、0.5〜10となるように構成するのが好ましい。上記Ni触媒とそれ以外の陽イオン元素の原子数比が0.5未満の場合、十分な触媒効果を期待できず、また、アノード層の電子伝導性を確保できない。一方、上記Ni触媒とそれ以外の陽イオン元素の原子数比が10を越えると、NiOからNiへの還元時の体積変化が大きくなったり、固体電解質層とアノード層との間の熱膨張率が大きくなって熱応力が増加し、電解質層が破損したり、電解質層へのNi拡散量が増加する恐れがある。
上記固体電解質層を構成する固体電解質として、イットリウム添加ジルコン酸バリウムを採用するとともに、上記添加物として、たとえば、イットリウムを含む添加物を採用できる。上記イットリウムを含む添加物として、酸化イットリウム(Y23)等を採用できる。上記添加物は、アノード層の全体に添加することができる、また、少なくとも固体電解質層との境界部分に添加することにより効果を期待できる。たとえば、固体電解質層と従来のアノード層との間に、上記添加物を添加したアノード層を設けることもできる。
本願発明に係る燃料電池用複合材料は、上記固体電解質層を構成する粉体材料と、上記アノード層を構成する粉体材料とを一体的に積層成形する積層体成形工程と、上記積層体を熱焼結させる焼成工程とを含んで製造することができる。なお、上記積層体成形工程において、上記アノード層を、上記固体電解質側に形成されるとともに上記添加物を含んだ層と、他側に形成されて上記添加物を含まない2層を備える形態に形成することもできる。
〔本願発明の実施形態の詳細〕
以下、本願発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図1に、本実施形態に係る燃料電池用複合材料の断面図を示す。本実施形態に係る燃料電池用複合材料1は、アノード層2と固体電解質層3とを備える電解質−アノード積層体として形成される。
上記固体電解質層3は、ジルコン酸バリウム(BaZrO3)と酸化イットリウム(Y23 )の固溶体であるイットリウム添加ジルコン酸バリウム(以下、BZY)の粉末を焼成させて構成される。上記BZY中のZrとYとの比率は、8:2であり、上記固溶体粉末の化学式は、Ba10(Zr8・Y2)O29と推定される。
本実施形態に係るアノード層2を形成する粉末材料として、上記固体電解質層3の構成材料であるBZY粉末と、触媒となる酸化ニッケル粉末(以下、NiOという)と、稀土類元素からなる添加物としてのY23粉末とを、図3のAに示す配合比(陽イオン・at%)となるように調整した。一方、比較例として、従来のアノード層を構成する材料を、図3のBに示す配合比となるように調整した。なお、本実施形態に係る試料Aは、試料Bに示す従来の成分から構成されるアノード材料のBZY成分の代わりに、2.8%のY23粉末を追加配合した材料から形成される。
これらの混合粉末に、成形助剤としてポリビニルアルコール(PVA)を20vol%添加し、一軸プレス形成によって、直径20mm、厚さ2mmに圧粉成形し、本実施形態に係るアノード成形体Aと、比較列に係るアノード成形体Bをそれぞれ形成した。
上記BZY粉末に、バインダとしてECヒビクル(日進化成株式会社製 ECヒビクル試作3−097)を、上記BZY粉末の50wt%添加し、酢酸2−(2−ブトキシエトキシ)エチル及びα・ターピネオールを溶媒とするBZY粉末スラリーを調整した。このBZY粉末スラリーを、スクリーン印刷によって、上記アノード成形体Aとアノード成形体Bの片面に、約20μmの厚みで塗着して固体電解質層を構成する塗膜を形成し、本実施形態A及び比較例Bに係る複層積層体をそれぞれ形成した。
これら複層積層体を、大気中で、700℃の温度で24時間加熱して、樹脂成分を除去した後、酸素雰囲気中で1500℃の温度で10時間加熱して焼成し、電解質−アノード積層体を得た。焼成に伴う収縮率は約20%であった。
焼成後のNiと固体電解質層の反応状態を評価するため、エネルギ分散型X線分光法(EDX)によって、上記固体電解質層の上記アノード層と反対側の表面のNi量の定量分析を行った。その結果を図3に示す。従来と同様にBZYとNiOとを混合した材料から形成された試料B(比較例)では、高濃度(2.2at%:陽イオン基準)のNiが検出されたのに対し、本実施形態に係る試料Aでは、Niの濃度が大幅に低減しており(0.5at%)、Y23の添加によって、Niの固体電解質層3への移動が抑制されることが判明した。
この電解質−アノード積層体を、H2雰囲気中で700℃の温度で1時間加熱し、アノード層を還元して、金属Niを析出させ、上記燃料電池用複合材料1を得た。さらに、上記固体電解質層3の上記アノード層2と反対側の表面に、カソード層を構成するLSCF(La−Sr−Co−Fe−O)粉末のスラリーを塗布して、約10μmのカソード層を形成して電解質−電極積層体11を作成した。これら電解質−電極積層体11を用いて図2に示す燃料電池10を構成した。
上記燃料電池10は、筒状容器12の中間部に電解質−電極積層体11を支持し、一方の側に燃料ガスを作用させる流路13,14を備えるとともに、他方の側に空気を作用させることができる流路15,16を備えて構成されている。上記電解質−電極積層体11のアノード電極表面及びカソード電極表面には、集電体としてプラチナメッシュ19,20がそれぞれ設けられており、これらプラチナメッシュ19,20に、外部に引き出されたリード線17,18がそれぞれ接続されている。
上記燃料電池10に、燃料ガスとして水素を20〜100cc/mnで流動させてアノードに作用させるとともに、空気を20〜100cc/minで流動させてカソードに作用させ、600℃で運転した場合の発電性能を測定した。
図3に示すように、本実施形態に係る複合材料である試料Aから形成された電解質−電極積層体を備えて構成される燃料電池では、100mW/cm2の発電性能が得られたのに対し、従来の複合材料である試料Bから形成された電解質−電極積層体備えて構成される燃料電池では、30mW/cm2の発電性能しか発揮されず、本実施形態に係る複合材料である試料Aから形成された電解質−電極積層体を備えて構成される燃料電池は高い発電性能を発揮することが判明した。
〔従来の燃料電池用複合材料(電極−アノード積層体)におけるNi成分の移動とイオン伝導性阻害原因の検討〕
従来の電解質−アノード積層体において、固体電解質層におけるNi成分が相当量拡散する原因と、本発明の作用機構について、速度論的観点及び熱力学的観点から考察した。
発明者らは、速度論的観点に関し、焼成過程においてNi成分が液相となり、毛細管現象等によって固体電解質層の全域に移動したのではないかとの仮説をたてた。液相による移動は、固体拡散による移動に比べて、移動量、移動速度が格段に高くなると考えられるためである。
従来のアノード層は、BZY粉末とNiO粉末の混合粉体から形成されており、焼成過程において以下の反応が生じると考えられる。
(反応式1)
Ba10(Zr82)O29+2NiO→Ba8Zr824+Y2BaNiO5+BaNiO2
図4に、BaO−NiO系化合物の状態図を示す。この図から明らかなように、BaO−NiO系化合物の融点は、約1100〜1200℃であり、BaOとNiOの配合比率が1:1となる近傍では液相の温度が低くなっていることが判る。上記反応式1から推定される組成物BaNiO2も、BaOとNiOとのモル比が50%となっており、したがって、焼成温度1500℃において、BaNiO2あるいはこれに近いNi含有化合物が生成されて、液相となっていることが推測できる。また、液相となった上記BaNiO2あるいはこれに近いNi含有化合物が、焼成過程における固体電解質層の空隙を毛細管現象等により移動して、固体電解質層全体に存在することになったと推測される。そして、上記BaNiO2あるいはこれに近いNi含有化合物が、凝固過程等において、上記固体電解質層の粒界に析出したり、BZY粒内にNiが固溶して、固体電解質層における粒界間のイオン伝導性を阻害しているものと考えられる。
上記知見に基づき、本願発明者らは、上記Ni含有化合物の液相化を阻止することにより、Ni成分の固体電解質層への移動を抑制できるものと推測し、試行を繰り返した結果、本願発明を案出するに到った。
〔本願発明の実施形態に係る燃料電池用複合材料(電解質−アノード積層体)の作用効果の考察〕
本実施形態では、上記反応式1におけるBaNiO2の生成を阻止するため、アノード層を構成する粉体材料に稀土類元素からなる添加物を含ませて焼成する。
アノード層として、上記BZYからなる粉体に、触媒成分としてNiOを加え、さらに、Y23を上記添加物として加えて焼成した場合を考察する。
BaNiO2の代わりにY2BaNiO5が生成されると仮定した場合には、上記Y23の添加量は、最大でアノード層中のBZYに含まれるY23の量と同量になる。たとえば、BaZrO3中のZrの20at%をYで置換した場合、NiOとの反応式は、Y23 の添加によって下記のようになると考えられる。
(反応式2)
Ba10(Zr82)O29+2NiO+Y23→Ba8Zr824+2Y2BaNiO5
アノード層にY23を添加することにより上記反応式に示す反応が生じると、上記反応式1において生成されるBaNiO2が生成されない。また、この量のY23を添加した場合、BZY中のYの全量がBaと共にNiOと反応したとしてもBaNiO2が生成されない。
図5に示す3元状態図において、A2で示す領域は、Y23が添加されておらず、上記図4に示すA1で示す液相線温度が大きく低下する領域に相当し、液相が生じると考えられる。また、従来のアノード層を構成する材料は、BZY中のYの全量がBaとともに粒外に流出してNiOと反応した場合に、C2で示す組成の粒界を形成する配合となっており、焼成時に、BaY2NiO5Niとともに、液相状態にあるBa−Ni−O化合物であると推測できる。
一方、本実施形態では、Y23を添加しているため、上記3元状態図におけるD2の領域の化合物BaY2NiO5が生じていると考えられる。上記BaY2NiO5の融点は高く、1500℃の温度においても固相状態にあると推測できる。
この結果、焼成過程において生じるNiを含む化合物が液相状態となるのを阻止することができ、アノード層から固体電解質層へのNi成分の移動を阻止することができる。一方、熱力学的観点からは、アノード層へのY23の添加にともなって、アノード層のYの化学ポテンシャルが上昇し、アノード層中のBYZからのYの流出が抑制されたと推定される。Baの流出は、Bサイトの陽イオンと同時でない場合には生じにくいため、結果的に、YとBaのBZY粒外への流出、すなわち、Y、BaとNiOの反応抑制につながったと推定される。
23の添加量は、液相の生成を抑制する観点から多い方が好ましいが、固体電解質層のBZYとの親和性の維持やアノード層への影響を抑制する観点からは少ない方が好ましい。Y23の添加量が原子数比で0.001倍未満の場合には、液相生成抑制効果が少ない。一方、2倍を越える場合には、固体電解質層との親和性が低下して層間の密着力が低下したり、電解質のZr:Yの比率が変化して、イオン伝導性が低下する恐れがある。上記Y23の添加量が、稀土類元素の原子数比で、上記アノード層に含まれる上記固体電解質成分中の稀土類元素量の0.01〜1.5倍となるように構成するのがより好ましい。Y23の添加量が0.01倍以上では、反応抑制効果が顕著になり、稀土類元素を含む添加物の添加量が1.5倍以下であれば、上述の層間密着力の低下や、固体電解質層の組成への影響が極めて小さい。
なお、図3のA(本実施形態)に係る複合材料を用いた場合にも、0.1at%のNiが、固体電解質層から検出されているが、移動量が少なく、イオン伝導性を大きく阻害しなかったと考えられる。
なお、本実施形態は、ペロブスカイト構造のAサイトがバリウム(Ba)からなり、Bサイトの四価の陽イオンの一部をイットリウムで置換したイオン伝導体から構成された固体電解質層を備えるものに適用したが、Aサイトが、ストロンチウム(Sr)、又は、バリウム(Ba)及びストロンチウム(Sr)からなるイオン伝導体を固体電解質層とするものに本願発明を適用することもできる。また、本実施形態では、アノード層の全体に、Y23を添加したが、少なくとも固体電解質層との境界部分に稀土類元素を含む添加物を添加することができる。たとえば、Y23を添加した層を境界部分に別途形成することもできる。
本願発明の範囲は、上述の実施形態に限定されることはない。今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものでないと考えられるべきである。本願発明の範囲は、上述した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
発電性能の高い燃料電池を構成できる電解質−アノード積層体を、安価に提供することができる。
1 電解質−アノード積層体(燃料電池用複合材料)
2 アノード層
3 固体電解質層
10 燃料電池
11 電解質−電極積層体
12 筒状容器
13 流路(燃料ガス)
14 流路(燃料ガス)
15 流路(空気)
16 流路(空気)
17 リード線
18 リード線
19 プラチナメッシュ
20 プラチナメッシュ

Claims (7)

  1. 固体電解質層とこの固体電解質層に積層されたアノード層とを備えて構成される燃料電池用複合材料であって、
    上記固体電解質層は、ペロブスカイト構造のAサイトが、バリウム(Ba)とストロンチウム(Sr)の少なくとも一方からなるとともに、Bサイトの四価の陽イオンの一部を三価の稀土類元素で置換したイオン伝導体から構成されており、
    上記アノード層は、上記固体電解質層と同一組成の電解質成分と、ニッケル(Ni)触媒とを含んで構成されているとともに、少なくとも固体電解質層との境界部分に稀土類元素を含む添加物を含んで構成されている、燃料電池用複合材料。
  2. 上記稀土類元素を含む添加物の添加量が、稀土類元素の原子数比で、上記アノード層に含まれる上記電解質成分中の稀土類元素量の0.001〜2倍である、請求項1に記載の燃料電池用複合材料。
  3. 上記稀土類元素を含む添加物の添加量が、稀土類元素の原子数比で、上記アノード層に含まれる上記固体電解質成分中の稀土類元素量の0.01〜1.5倍である請求項1に記載の燃料電池用複合材料。
  4. 上記アノード層は、上記Ni触媒とそれ以外の陽イオン元素の原子数比が、0.5〜10. 0である請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池用複合材料。
  5. 上記固体電解質層を構成する固体電解質が、イットリウム添加ジルコン酸バリウム(BaZrO3−Y23)であり、
    上記稀土類元素からなる添加物が、イットリウム(Y)を含む、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池用複合材料。
  6. 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載された燃料電池用複合材料の製造方法であって、
    上記固体電解質層を構成する粉体材料と、上記アノード層を構成する粉体材料とを一体的に積層成形する積層体成形工程と、
    上記積層体を熱焼結させる焼成工程とを含む、燃料電池用複合材料の製造方法。
  7. 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池用複合材料を備えて構成される、燃料電池。
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