JP6382037B2 - 燃料電池用アノードおよび燃料電池単セル - Google Patents
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Description
上記固体電解質層側に配置され、小径気孔を含む活性層と、該活性層における上記固体電解質層側と反対側の面に積層され、上記小径気孔よりも径の大きな大径気孔を含む拡散層とを備え、
上記活性層は、活性層内触媒粒子と活性層内固体電解質粒子とを含む混合物より構成されており、
上記拡散層は、拡散層内触媒粒子と拡散層内固体電解質粒子とを含む混合物より構成されており、
上記活性層内固体電解質粒子の粒子径<上記活性層内触媒粒子の粒子径の関係、上記拡散層内固体電解質粒子の粒子径<上記拡散層内触媒粒子の粒子径の関係を満たしており、
上記活性層の方が上記拡散層に比べて緻密であり、
上記活性層は、該活性層における上記拡散層側の面から突出する活性層側凸部を多数有するとともに、上記拡散層は、該拡散層における上記活性層側の面から突出する拡散層側凸部を多数有しており、
上記活性層側凸部と上記拡散層側凸部とを含み、かつ、上記活性層側凸部と上記拡散層側凸部とが互いに接触して構成されている緩衝領域を有していることを特徴とする燃料電池用アノードにある。
実施例1の燃料電池用アノードおよび燃料電池単セルについて、図1、図2を用いて説明する。図1、2に示すように、本例の燃料電池用アノード10は、アノード1と、固体電解質層2と、カソード3とを有する燃料電池単セル5に用いられる。燃料電池用アノード10は、固体電解質層2側に配置され、小径気孔110を含む活性層11と、活性層11における固体電解質層2側と反対側の面に積層され、小径気孔110よりも径の大きな大径気孔120を含む拡散層12とを備えている。
<実験例>
1.燃料電池用アノード、燃料電池単セルの作製
(材料準備)
シート状の拡散層形成用材料、シート状の活性層形成用材料、シート状の固体電解質層形成用材料、および、シート状の中間層形成用材料をこの順に積層し、圧着して積層体を得た。この際、拡散層形成用材料、活性層形成用材料は、それぞれの表面凹凸部の形成面同士が互いに向き合うように配置して積層した。なお、圧着には、CIP成形法を用いた。CIP成形条件は、温度80℃、加圧力50MPa、加圧時間10分という条件とした。また、上記圧着後、積層体を脱脂した。
次いで、上記積層体を1350℃で2時間焼成した。これにより、拡散層(400μm)、活性層(20μm)、固体電解質層(10μm)、および中間層(5μm)がこの順に積層された焼結体を得た。
次いで、上記焼結体における中間層の表面に、カソード形成用材料をスクリーン印刷法により塗布し、950℃で2時間焼成(焼付)することによって層状のカソード(厚み50μm)を形成した。なお、カソード形成用材料は、中間層の外縁まで印刷しておらず、カソード層の外形は、固体電解質層の外形よりも小さく形成されている。これにより、図1に示されるように、燃料電池用アノード(拡散層、活性層)、固体電解質層、中間層、および、カソードがこの順に積層されており、燃料電池用アノードを支持体とする燃料電池単セルを得た。また、拡散層と活性層との二層が積層されてなる燃料電池用アノードを得た。得られた燃料電池用アノード、燃料電池単セルを、試料1の燃料電池用アノード、燃料電池単セルとする。
試料2の作製時と同様にして準備された、表面凹凸部を有するシート状の拡散層形成用材料をシート材Ad2(厚み100μm)、表面凹凸部を有するシート状の活性層形成用材料をシート材Aa2(厚み20μm)とする。また、比較例としての試料4の作製時と同様にして準備された、表面凹凸部を有していないシート状の拡散層形成用材料をシート材Ad4(厚み100μm)、表面凹凸部を有していないシート状の活性層形成用材料をシート材Aa4(厚み20μm)とする。これらを用い、以下のようにして各供試材を作製した。
2 固体電解質層
3 カソード
5 燃料電池単セル
10 燃料電池用アノード
11 活性層
110 小径気孔
111a 活性層側凸部
12 拡散層
120 大径気孔
121a 拡散層側凸部
13 緩衝領域
Claims (10)
- アノード(1)と、固体電解質層(2)と、カソード(3)とを有する燃料電池単セル(5)に用いられる燃料電池用アノード(10)であって、
上記固体電解質層(2)側に配置され、小径気孔(110)を含む活性層(11)と、該活性層(11)における上記固体電解質層(2)側と反対側の面に積層され、上記小径気孔(110)よりも径の大きな大径気孔(120)を含む拡散層(12)とを備え、
上記活性層(11)は、活性層内触媒粒子(112)と活性層内固体電解質粒子(113)とを含む混合物より構成されており、
上記拡散層(12)は、拡散層内触媒粒子(122)と拡散層内固体電解質粒子(123)とを含む混合物より構成されており、
上記活性層内固体電解質粒子(113)の粒子径<上記活性層内触媒粒子(112)の粒子径の関係、上記拡散層内固体電解質粒子(123)の粒子径<上記拡散層内触媒粒子(122)の粒子径の関係を満たしており、
上記活性層(11)の方が上記拡散層(12)に比べて緻密であり、
上記活性層(11)は、該活性層(11)における上記拡散層(12)側の面から突出する活性層側凸部(111a)を多数有するとともに、上記拡散層(12)は、該拡散層(12)における上記活性層(11)側の面から突出する拡散層側凸部(121a)を多数有しており、
上記活性層側凸部(111a)と上記拡散層側凸部(121a)とを含み、かつ、上記活性層側凸部(111a)と上記拡散層側凸部(121a)とが互いに接触して構成されている緩衝領域(13)を有していることを特徴とする燃料電池用アノード(10)。 - 上記活性層内触媒粒子(112)、上記活性層内固体電解質粒子(113)の粒子径≦上記活性層側凸部(111a)の高さの関係を満たし、
上記拡散層内触媒粒子(122)、上記拡散層内固体電解質粒子(123)の粒子径≦上記拡散層側凸部(121a)の高さの関係を満たしていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用アノード(10)。 - 上記拡散層側凸部(121a)の高さ<上記活性層(11)の膜厚の関係を満たすことを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池用アノード(10)。
- 上記拡散層側凸部(121a)の高さ≦上記活性層(11)の膜厚×3/4の関係を満たすことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池用アノード(10)。
- 上記小径気孔(110)の平均気孔径は0.1〜5μmの範囲内にあり、上記大径気孔(120)の平均気孔径は1〜20μmの範囲内にあることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池用アノード(10)。
- 上記小径気孔(110)の平均気孔径は0.1〜5μmの範囲内にあり、上記緩衝領域(13)における上記小径気孔(110)の含有率は、体積分率で、30%〜70%の範囲内にあることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池用アノード(10)。
- 上記活性層内固体電解質粒子(113)の粒子径<上記拡散層内固体電解質粒子(123)の粒子径の関係を満たしていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池用アノード(10)。
- 上記活性層内触媒粒子(112)の粒子径は、1μm以上10μm以下、
上記拡散層内触媒粒子(122)の粒子径は、1μm以上10μm以下、
上記活性層内固体電解質粒子(113)の粒子径は、0.2μm以上0.4μm以下、
上記拡散層内固体電解質粒子(123)の粒子径は、0.5μm以上1μm以下の範囲内から選択されることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池用アノード(10)。 - 請求項1〜8のいずれか1項に記載の燃料電池用アノード(10)と、固体電解質層(2)と、カソード(3)とを有することを特徴とする燃料電池単セル(5)。
- 上記燃料電池用アノード(10)を支持体とすることを特徴とする請求項9に記載の燃料電池単セル(5)。
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