JP6434723B2 - 膜電極複合体、膜電極複合体の製造方法、燃料電池及び燃料電池の製造方法 - Google Patents
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Description
本願発明の実施形態に係る膜電極複合体は、固体電解質層と、この固体電解質層の一側に設けられるアノード層と、他側に設けられるカソード層とを備えて構成される膜電極複合体であって、上記アノード層が、上記固体電解質層に押し付けられて積層されるとともに、導電性を有する多孔質アノード部材を備えて構成されている、
以下、実施形態の詳細を図に基づいて説明する。
(燃料電池セルの製造工程及び構成)
(1)固体電解質層形成工程
図4に示すように、固体電解質材料(LSGM:ランタンガレート)をプレス成形して(図4のS101)、板状の固体電解質成形体を形成し、1500℃で5時間焼成して(図4のS102)、厚みが300μmの板状の固体電解質層2を形成した。
焼成した上記固体電解質成形体に、カソード材料(SSC:Sm0.5Sr0.5CoO3)をスクリーン印刷により塗着し(図4のS103)、950℃で0.5時間焼成することにより(図4のS104)、厚みが40μmのカソード層4を固体電解質層2と一体形成した。
上述した手法により、ニッケルから、三次元網目構造を備える金属多孔質体を形成して、多孔質アノード部材を形成した(図4のS111)。上記アノード部材は、気孔率96%、厚み1mm、目付量400g/m2である。
上記集電部材7、上記集電体9、上記カソード層4を設けた固体電解質層2、多孔質アノード部材8及び集電部材6を積層し、上記多孔質アノード部材8を上記固体電解質層2に押し付けるようにして、燃料電池セル101を組み立てた(図4のS105及びS106)。アノード部材8は、押し付け力よって、厚みが5%減少させられた状態で積層された。上記アノード部材8は、上記固体電解質層2及び集電部材6との界面面近傍で塑性変形が生じた状態で押し付けられている。
上記燃料電池セル101を1000℃に加熱して還元した後(S107)、水素ガス(H2100%)及び空気を、それぞれ100cc/minで流動させて性能試験を行った(S108)。
図7に示すように、実施例1に係る膜電極複合体を用いた燃料電池では、206mW/cm2の出力を得ることができた。特に、上記アノードの部材を上記のように押し付けて積層することにより、SOFCとして十分な出力が得られることを確認できた。
(燃料電池セルの製造工程及び構成)
(1)固体電解質層形成工程
実施例1と同じ工程によって、第1の実施例と同じ構成の固体電解質層を形成した(図5のS201〜S202)。
実施例1と同じ工程によって、実施例1と同じ構成のカソード層を形成した(図5のS203〜S204)。
実施例1と同様の手法により、実施例1と同じ構成の金属多孔質体を形成した(S211)。この金属多孔質体に、厚み5μmのCo−Niメッキを施した(S212)。なお、上記Co−Niメッキの成分構成は、質量比でCo成分が3に対して、Ni成分が1となるように設定した。
実施例1と同様に、上記多孔質アノード部材8を上記固体電解質層2に押し付けるようにして、燃料電池セル101を組み立てた(S205,S206)。アノード部材8は、押し付け力よって、厚みが5%減少させられた状態で積層された。第1の実施例と同様に、上記アノード部材8は、上記固体電解質層2及び集電部材6との界面近傍で塑性変形が生じた状態で押し付けられている。
上記燃料電池セル101を1000℃に加熱して還元し(S107)、性能試験を行った(S108)。
性能試験の条件は、実施例1と同じとした。
図9に示すように、実施例2に係る膜電極複合体を用いた燃料電池では、217mW/cm2の出力を得ることができた。また、図8には、実施例1に係る膜電極複合体を用いた燃料電池の性能曲線も描いている。実施例2に係る膜電極複合体を用いた燃料電池の出力は、実施例1に係る膜電極複合体を用いた燃料電池の出力(206mW/cm2)に比べて高い出力を得ることができた。これは、これは、Co−Niメッキによって導電性が高まるとともに、アノード部材8の触媒活性が向上したためであると思われる。
(燃料電池セルの製造工程及び構成)
(1)固体電解質層形成工程
実施例1と同じ工程によって、実施例1と同じ構成の固体電解質層を形成した(図5のS201〜S202)。
実施例1と同じ工程によって、実施例1と同じ構成のカソード層を形成した(図5のS203〜S204)。
実施例1と同様の手法により、実施例1と同じ構成の金属多孔質体を形成した(S211)。この金属多孔質体に、厚み5μmのMn−Coメッキを施した(S212)。なお、上記Mn−Coメッキの成分構成は、質量比でMn成分が9に対して、Co成分が1となるように設定した。
実施例1と同様に、上記多孔質アノード部材8を上記固体電解質層2に押し付けるようにして、燃料電池セル101を組み立てた(S205,S206)。アノード部材8は、押し付け力よって、厚みが5%減少させられた状態で積層された。第1の実施例と同様に、上記アノード部材8は、上記固体電解質層2及び集電部材6との界面近傍で塑性変形が生じた状態で押し付けられている。
上記燃料電池セル101を1000℃に加熱して還元し(S207)、性能試験を行った(S208)。
性能試験の条件は、実施例1と同じとした。
図9に示すように、実施例3に係る膜電極複合体を用いた燃料電池では、311mW/cm2の出力を得ることができた。また、図8には、実施例1に係る膜電極複合体を用いた燃料電池の性能曲線も描いている。実施例3に係る膜電極複合体を用いた燃料電池の出力は、実施例1に係る膜電極複合体を用いた燃料電池の出力(206mW/cm2)に比べて高い出力を得ることができた。これは、Mn−Coメッキによって導電性が高まるとともに、アノード部材8の触媒活性が向上したためであると思われる。また、図8に示す実施例2に係る燃料電池より高い出力を得ることができた。これは、Mn−Coメッキの触媒活性が、Co−Niメッキより高いからであると考えらえる。
(燃料電池セルの製造工程及び構成)
(1)固体電解質層形成工程
実施例1と同じ工程によって、実施例1と同じ構成の固体電解質層を形成した(図6のS301〜S302)。
実施例1と同じ工程によって、実施例1と同じ構成のカソード層を形成した(図6のS303〜S304)。
実施例1と同様の手法により、実施例1と同じ構成の金属多孔質体を形成した(S311)。この金属多孔質体に、NiOからなる触媒を充填した(S312)。触媒は、1μmの平均粒径を有し、充填量は、80〜90vol%に設定した。
実施例1と同様に、上記多孔質アノード部材8を上記固体電解質層2に押し付けるようにして、燃料電池セル101を組み立てた(S305,S306)。アノード部材8は、押し付け力よって、厚みが5%減少させられた状態で積層された。第1の実施例と同様に、上記アノード部材8は、上記固体電解質層2及び集電部材6との界面近傍で塑性変形が生じた状態で押し付けられている。
上記燃料電池セル101を1000℃に加熱して還元し(S307)、性能試験を行った(S308)。
性能試験の条件は、実施例1と同じとした。
図10に示すように、実施例4に係る膜電極複合体を用いた燃料電池では、401mW/cm2の出力を得ることができた。また、図10には、実施例1に係る膜電極複合体を用いた燃料電池の性能曲線、及び実施例3に係る膜電極複合体を用いた燃料電池の性能曲線も描いている。実施例4に係る膜電極複合体を用いた燃料電池の出力は、実施例1及び実施例3に係る膜電極複合体を用いた燃料電池の出力(206mW/cm2、311mW/cm2)に比べて高い出力を得ることができた。これは、充填したNiOが発電時に還元されて、触媒として高い活性を有するためであると考えられる。
3 アノード層
4 カソード層
5 膜電極複合体
6 集電部材
7 集電部材
8 アノード部材
9 集電体
10 ガス流路
11 ガス流路
15 ガスケット
16 ガスケット
101 燃料電池セル
Claims (15)
- 固体電解質層と、この固体電解質層の一側に設けられるアノード層と、他側に設けられるカソード層とを備えて構成される膜電極複合体であって、
上記アノード層は、上記固体電解質層に押し付けられて積層されるとともに、導電性を有する多孔質アノード部材を備えて構成されており、
上記固体電解質層と上記アノード層との境界面において、上記固体電解質層の構成材料と上記アノード層の構成材料との間の反応が生じていない、膜電極複合体。 - 上記多孔質アノード部材は、導電性を有する金属多孔質体から構成されている、請求項1に記載の膜電極複合体。
- 上記多孔質アノード部材は、所定量圧縮変形させられた状態で押し付けられて積層されている、請求項1又は請求項2に記載の膜電極複合体。
- 少なくとも上記固体電解質層に接する界面近傍が塑性変形させられている、請求項3に記載の膜電極複合体。
- 上記多孔質アノード部材は、上記固体電解質層に対して、5 〜 50N/cm2の圧力で押し付けることにより圧縮変形させられて積層されている、請求項2から請求項4のいずれか1項に記載の膜電極複合体。
- 上記金属多孔質体は、外殻と、中空又は導電性材料の一方又は双方からなる芯部とを有する骨格を備え、上記骨格が一体的に連続する三次元網目構造を備える、請求項2または請求項2を引用する請求項3から請求項5のいずれか1項に記載の膜電極複合体。
- 上記金属多孔質体は、ニッケル(Ni)、ニッケル(Ni)−スズ(Sn) 合金、ニッケル(Ni)−スズ(Ni)−クロム(Cr)合金、フェライト系ステンレス合金、インコネル(Ni基)合金から選ばれた材料から形成されている、請求項2または請求項2を引用する請求項3から請求項6のいずれか1項に記載の膜電極複合体。
- 上記多孔質アノード部材は、表面コーティング層を備える、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の膜電極複合体。
- 上記多孔質アノード部材に保持された触媒成分を備える、請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の膜電極複合体。
- 請求項1に記載の膜電極複合体を備える、燃料電池。
- 固体電解質層と、この固体電解質層の一側に設けられるアノード層と、他側に設けられるカソード層とを備えて構成される膜電極複合体の製造方法であって、
上記固体電解質層を形成する固体電解質層形成工程と、
上記固体電解質層の他側に上記カソード層を形成するカソード層形成工程と、
多孔質アノード部材を準備する工程と、
上記多孔質アノード部材を、上記固体電解質層の一側に押し付けて積層するアノード部材積層工程とを含み、
上記アノード部材積層工程では、上記固体電解質層と上記アノード層との境界面において、上記固体電解質層の構成材料と上記アノード層の構成材料とを反応させない、膜電極複合体の製造方法。 - 上記アノード部材積層工程において、上記多孔質アノード部材の少なくとも上記固体電解質層近傍が変形させられて積層される、請求項11に記載の膜電極複合体の製造方法。
- 上記多孔質アノード部材を準備する工程は、金属多孔質体を形成する工程と、この金属多孔質体の表面に、コーティング層を形成する工程とを含む、請求項11又は請求項12に記載の膜電極複合体の製造方法。
- 上記多孔質アノード部材を準備する工程は、多孔質アノード部材に、触媒を保持させる工程を含む、請求項11から請求項13のいずれか1項に記載の膜電極複合体の製造方法。
- 請求項11から請求項14のいずれか1項に記載の膜電極複合体の製造方法を含む、燃料電池の製造方法。
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