JP6204822B2 - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents
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Description
(1) 固体電解質層と、前記固体電解質層の一方の面に形成された燃料極と、前記固体電解質層の他方の面に形成された空気極とを備える固体酸化物形燃料電池セルを有し、前記空気極と集電部とが接合部を介して接合された固体酸化物形燃料電池であって、
前記接合部の破壊強度が、前記空気極の破壊強度よりも小さく、かつ、前記接合部と前記空気極との接合界面、及び、前記接合部と前記集電部との接合界面の剥離強度よりも小さく、
前記接合部は、導電性スピネル型酸化物と、前記固体酸化物形燃料電池セルを定常運転することにより導電性スピネル型酸化物に変化可能な複数種類の金属酸化物と、を含むことを特徴とする固体酸化物形燃料電池である。
(2) 前記接合部は、X線結晶構造解析(XRD)において、前記導電性スピネル型酸化物の強度ピークのうち最も強度の大きいピークを1としたとき、前記複数種類の金属酸化物の強度ピークのうち最も強度の大きいピークがそれぞれ0.4以上であることを特徴とする前記(1)に記載の固体酸化物形燃料電池である。
この実施態様の固体酸化物形燃料電池の製造方法は、導電性スピネル型酸化物を形成可能な、金属粉末と酸化物粉末とを出発原料として含む接合ペーストを空気極4と集電部6との間に介在させ、酸化処理をして接合部7を形成する接合部形成工程を含む。
この実施態様の固体酸化物形燃料電池の製造方法は、出発原料として導電性スピネル型酸化物を形成可能な金属粉末を用い、酸化処理工程における温度を500〜600℃に代えたこと以外は第1の実施態様の接合部形成工程と同様の接合部形成工程を含む。
この実施態様の固体酸化物形燃料電池の製造方法は、出発原料として導電性スピネル型酸化物を形成可能な金属粉末を用い、酸化処理工程において空気極4に流す酸化剤ガスの酸素濃度を3〜10%にしたこと以外は第1の実施態様の接合部形成工程と同様の接合部形成工程を含む。
<実施例1>
[サンプルの作製]
(接合ペーストの作製)
金属粉末として、Mnを11g、CuOを8gと、溶剤としてビヒクルを40gとをスパチュラで撹拌後、三本ロールで3回混合して接合ペーストを得た。なお、ビヒクルは、エトセル 4CPSとブチルカルビトールとを1:4の割合で混合して作製した。
YSZ粉末(100重量部)に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整した。得られたスラリーをドクターブレード法により、厚さ10μmの固体電解質層用グリーンシートを作製した。
ステンレス鋼からなる板材を切削して板材の片面に縞状の凹部を形成することにより、板材の片面に断面方形の複数の棒状の凸部が所定間隔で並列してなる集電部を備えたインターコネクタを作製した。このインターコネクタから直径13mmのボタン状のインターコネクタを切り出した。
前記ボタン状のインターコネクタの集電部における空気極に対向する面の全面に、スクリーン印刷により、作製した接合ペーストを印刷した。次いで、100℃で30分乾燥し、接合ペーストが印刷されたインターコネクタを得た。
図3に示すように、得られたサンプル31におけるインターコネクタ5の表面に、引っ掛け部の設けられた第1治具32を、燃料極3の表面に第2治具34を樹脂接着剤33(東亞合成株式会社製 アロンアルファ)で接着した。第2治具34を固定用ダイス35に固定した状態で、第1治具32の引っ掛け部36に引張圧縮試験機(型式:SV−52N−50L、株式会社今田製作所製)の引き上げ針を引っ掛けて、5mm/分の速度でサンプル31の積層方向に第2治具34から第1治具32を引き離すように力を加えた。空気極4と集電部6との接合部位が破壊する直前に記録された力を、最大引張力(N)として測定した。測定した最大引張力(N)を、集電部6における接合ペーストを印刷した部分の面積で除した値を算出し、これを引き剥がし強度(MPa)とした。また、空気極4と集電部6との接合部位において、最初に破壊した部位を確認した。これらの結果を表1に示す。
引き剥がし試験後におけるサンプル31をアセトンに浸し、サンプル31を第1治具32及び第2治具34から離した後、接合部7の剥離面に対し、X線結晶構造解析(XRD 株式会社リガク製 型式:RINT−TTRIII)により2θ=10°から80°まで分析した。接合部7を分析した結果、Mn2O3、CuO、及びスピネル型結晶構造を有するCuMn2O4に相当する回折ピークが得られ、接合部7はこれらの酸化物を含有することが確認された。
前記「接合ペーストの作製」において、出発原料として表1に示す金属粉末を用いたこと以外は、実施例1と同様にしてサンプルを作製し、引き剥がし試験を行った。
前記「接合ペーストの作製」において、出発原料として表1に示す酸化物粉末を用いたこと以外は、実施例1と同様にしてサンプルを作製し、引き剥がし試験を行った。
<実施例2>
[破壊したサンプルの熱処理]
実施例1で引き剥がし試験を行った後のサンプルをアセトンに1日浸漬して、サンプルから第1治具32及び第2治具34を取り外した。治具から取り外したサンプルをエタノールで洗浄し乾燥させた後に、接合部における破壊した部位が重なるように接触させて、集電部と空気極とを重ねて積層体とし、積層体を炉に入れて、積層体に積層方向に0.8MPaの圧力をかけた状態で大気中(酸素濃度21%)700℃で10時間保持する熱処理を行った。本試験での加熱温度、加圧力等は定常運転中の固体酸化物形燃料電池内部の環境と同程度である。
熱処理後のサンプルに対して前記「引き剥がし試験」と同様の試験を行い、引き剥がし強度を測定し、最初に破壊した部位を確認した。結果を表2に示す。
1回目の引き剥がし試験後におけるサンプルの接合部をX線結晶構造解析(XRD)により分析した。図6に示すように、Mn2O3、CuO、及びスピネル型結晶構造を有するCuMn2O4に相当する強度ピークが得られた。CuMn2O4の強度ピークのうち最も強度の大きいピークに対する、Mn2O3及びCuOそれぞれの強度ピークのうち最も大きい強度ピークの強度比を算出した結果を、表2に示す。
また、2回目の引き剥がし試験後におけるサンプルの接合部をX線結晶構造解析(XRD)により分析したところ、実施例2〜4のいずれのサンプルも、1回目の引き剥がし試験後に分析したときよりもスピネル型結晶構造を有するCuMn2O4に相当する強度ピークが大きくなり、Mn2O3及びCuOに相当する強度ピークが小さくなっていた。
サンプルを作製するときの酸化処理の時間を表2に示すように10時間及び50時間にそれぞれ変更したこと以外は実施例1と同様にしてサンプルを作製して前記「引き剥がし試験」を行い、実施例2と同様にして破壊したサンプルの熱処理を行った後に2回目の引き剥がし試験を行った。結果を表2に示す。
2、102、202 固体電解質層
3、103、203 燃料極
4、104、204 空気極
5、105、205 インターコネクタ
6、8、106、206 集電部
7、107、207 接合部
9、10 接合界面
100、110、210:固体酸化物形燃料電池
211 支持基板
Claims (2)
- 固体電解質層と、前記固体電解質層の一方の面に形成された燃料極と、前記固体電解質層の他方の面に形成された空気極とを備える固体酸化物形燃料電池セルを有し、前記空気極と集電部とが接合部を介して接合された固体酸化物形燃料電池であって、
前記接合部の破壊強度が、前記空気極の破壊強度よりも小さく、かつ、前記接合部と前記空気極との接合界面、及び、前記接合部と前記集電部との接合界面の剥離強度よりも小さく、
前記接合部は、導電性スピネル型酸化物と、前記固体酸化物形燃料電池セルを定常運転することにより導電性スピネル型酸化物に変化可能な複数種類の金属酸化物と、を含むことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 - 前記接合部は、X線結晶構造解析(XRD)において、前記導電性スピネル型酸化物の強度ピークのうち最も強度の大きいピークを1としたとき、前記複数種類の金属酸化物の強度ピークのうち最も強度の大きいピークがそれぞれ0.4以上であることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池。
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