JP6393714B2 - 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック - Google Patents
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Description
A−1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1のII−IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1のIII−IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図4以降についても同様である。
一対のエンドプレート104,106は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
図4は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図5は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。
図2および図4に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通孔132を介して、空気室166に供給される。また、図3および図5に示すように、燃料ガス導入マニホールド171の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して燃料ガス導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通孔142を介して、燃料室176に供給される。
図6は、単セル110における反応防止層180周辺の詳細構成を示す説明図である。図6には、反応防止層180を挟んで電解質層112の一部と空気極114の一部とが含まれる領域(図4の領域X1)における単セル110のXZ断面構成が示されている。
上述したように、本実施形態の単セル110では、反応防止層180がZrを含んでいるため、単セル110の発電性能の低下を抑制することができる。そこで、反応防止層180におけるZrの適切な含有率を特定するため、複数の単セル110のサンプルを作成し、性能評価を行った。図7は、性能評価結果を示す説明図である。図7に示すように、各サンプルは、反応防止層180のZr含有率(wt%)が互いに異なっている。具体的には、サンプルS1,S2,S3,S4,S5,S6,S7は、この順に、反応防止層180のZr含有率が高くなっている。
以下の製造方法に従い、単セル110の各サンプルを製造した。
YSZ粉末(BET法による比表面積:5〜7m2/g)に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるジオクチルフタレート(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、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、例えば厚さ約10μmの電解質層用グリーンシートを得る。また、NiOの粉末(BET法による比表面積:3〜4m2/g)をNi重量に換算して55質量部となるように秤量し、YSZの粉末(BET法による比表面積:5〜7m2/g)45質量部と混合して混合粉末を得る。この混合粉末に対して、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、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、例えば厚さ270μmの燃料極用グリーンシートを得る。電解質層用グリーンシートと燃料極用グリーンシートとを貼り付けて、乾燥させる。その後、例えば1400℃にて焼成を行うことによって、電解質層112と燃料極116との積層体を得る。
GDC粉末(Ce:Gd=8:2(モル比)、BET法による比表面積:15m2/g)に高純度ジルコニア玉石にてサンプル毎に定められた量のYSZ粉末(8YSZ、BET法による比表面積:14m2/g)を添加し、60時間分散混合を行う。混合後の粉末に、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを加えて混合し、粘度を調整して反応防止層用ペーストを調製する。得られた反応防止層用ペーストを、上述した電解質層112と燃料極116との積層体における電解質層112の表面にスクリーン印刷によって塗布し、例えば1300℃にて焼成を行う。これにより、反応防止層180が形成され、反応防止層180と電解質層112と燃料極116との積層体を得る。なお、この焼成の際に、反応防止層180と電解質層112との相互拡散が発生し、反応防止層180と電解質層112との境界付近に固溶層182が形成される。
LSCF粉末と、GDC粉末と、アルミナ粉末と、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを混合し、粘度を調整して、空気極活性層用ペーストを調製する。得られた空気極活性層用ペーストを、上述した反応防止層180と電解質層112と燃料極116との積層体における反応防止層180の表面にスクリーン印刷によって塗布し、乾燥させる。また、LSCF粉末と、アルミナ粉末と、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを混合し、粘度を調整して、空気極集電層用ペーストを調製する。得られた空気極集電層用ペーストを、上述した空気極活性層ペーストの上にスクリーン印刷によって塗布し、乾燥させる。その後、例えば1100℃にて焼成を行う。これにより、空気極114の活性層210および集電層220が形成される。以上の工程により、上述した構成の単セル110が製造される。
本性能評価では、空気極114から電解質層112側へのSrの拡散状況およびSr以外の元素(Co,Fe)の拡散状況について評価を行った。
単セル110の各サンプルのZ方向に平行な断面を、飛行時間型2次イオン質量分析(TOF−SIMS)により分析した。具体的には、TOF−SIMSにより、以下の条件で、ZrO+、Gd+、Sr+、CeO+のそれぞれの強度データを取得した。
・1次イオン:Bi3++
・2次イオン極性:正
・測定領域:20μm×20μm
・積算回数:16サイクル、512ピクセル
単セル110の各サンプルについて、空気極114から反応防止層180側へのCoおよびFeの拡散状況を調べた。具体的には、製造された単セル110の各サンプルのZ方向に平行な断面をTEMにて観察し、CoおよびFeの凝集(偏析)の有無を調べ、CoまたはFeの凝集が観察された場合には、それらの元素が反応防止層180内に拡散していると判定した。空気極114から反応防止層180側へのCoやFeの拡散が発生すると、空気極114の組成が変化して信頼性が低下するため好ましくない。そのため、CoまたはFeの凝集が観察された場合には、不合格(×)と判定した。なお、上記初期状態の評価に加えて、1000時間連続通電(温度:700℃、電流密度:0.55A/cm2、空気極側雰囲気:酸素50ml/分および窒素200ml/分、燃料極側雰囲気:水素320ml/分、露点:30℃)を行った後の状態(以下、「連続通電後」という)においても、同様に、CoおよびFeの凝集の有無を調べた。
上述したSrの拡散状況の評価、および、Sr以外の元素(Co,Fe)の拡散状況の評価を踏まえ、第1基準点P1におけるSr/Gd強度比が50%以上である場合、または、初期状態においてCoまたはFeの凝集が観察された場合に、不合格(×)と判定し、第1基準点P1におけるSr/Gd強度比が50%未満であり、かつ、初期状態においてCoまたはFeの凝集が観察されなかった場合に、合格(〇)と判定した。また、合格判定の内、第1基準点P1におけるSr/Gd強度比が30%未満であり、かつ、連続通電後においてもCoまたはFeの凝集が観察されなかった場合に、特に良好(◎)と判定した。
図7に示すように、Srの拡散状況の評価において、反応防止層180のZr含有率が0.01(wt%)と最も低いサンプルS1では、第1基準点P1におけるSr/Gd強度比が50%以上であるため、不合格(×)と判定された。サンプルS1では、反応防止層180中に存在するZrの量が十分ではなく、空気極114から電解質層112側に拡散してくるSrの多くが反応防止層180内においてトラップされず、反応防止層180と電解質層112との境界付近の位置(第1基準点P1)まで達したものと考えられる。このことは、図9に示すように、サンプル1ではSr/Gd強度比傾きが比較的大きいことからも明らかである。
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
Claims (7)
- Zrを含む電解質層と、前記電解質層の第1の方向の一方側に配置された燃料極と、前記電解質層の前記第1の方向の他方側に配置され、Srを含む空気極と、前記電解質層と前記空気極との間に配置された反応防止層と、を備える電気化学反応単セルにおいて、
前記反応防止層は、0.015(wt%)以上、1(wt%)以下の含有率でZrを含むことを特徴とする、電気化学反応単セル。 - 請求項1に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記反応防止層におけるZrの前記含有率は、0.18(wt%)以下であることを特徴とする、電気化学反応単セル。 - 請求項1または請求項2に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記反応防止層におけるZrの前記含有率は、0.05(wt%)以上であることを特徴とする、電気化学反応単セル。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記反応防止層は、Gdを含むことを特徴とする、電気化学反応単セル。 - 請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記電解質層は、固体酸化物を含むことを特徴とする、電気化学反応単セル。 - 請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記電気化学反応単セルは、燃料電池単セルであることを特徴とする、電気化学反応単セル。 - 前記第1の方向に並べて配置された複数の電気化学反応単セルを備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記複数の電気化学反応単セルの少なくとも1つは、請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルであることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
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