JP6601700B2 - 燃料電池スタックの製造方法 - Google Patents
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Description
そして、上記無機シール材は、有機バインダや有機溶剤等を含有させることで、ハンドリング性が向上し、燃料電池スタックの組み付けを精密かつ容易に行うことが可能になる。
しかし、燃料流路に高温環境下で酸素含有ガスを供給すると、アノード電極が酸化され、触媒活性の低下や、燃料電池スタックの損傷が生じる。
そして、上記有機物含有無機シール材中の有機物を除去する有機物除去工程を有し、
上記有機物除去工程が、アノード電極側の燃料流路に酸素含有ガスを供給し、かつ上記積層体に外部から電流を印加し、アノード電極側から電解質を介してカソード電極側に電荷を移動させながら加熱するものであることを特徴とする。
本発明の製造方法は、燃料電池単セルを複数積層した積層体を加熱し燃料電池スタックを製造するものであり、上記燃料電池単セルが、有機物含有無機シール材と、セパレータと、アノード電極と、電解質と、カソード電極とから成るものである。
そして、アノード電極側の燃料流路に酸素含有ガスを供給し、かつ上記燃料電池スタックに発電時とは逆方向の電流(以下、逆電流ということがある。)を印加し、アノード電極側から電解質を介してカソード電極側に電荷を移動させながら加熱し、上記有機物含有無機シール材中の有機物を除去するものである。
上記燃料電池単セルの構造としては、例えば、多孔質の金属シートで電極と電解質を支持するメタルサポートセル(Metal−Supported Cell:MSC)、電解質を厚くした電解質支持型(Electrolyte−Supported Cell:ESC)、アノード電極を厚くしたアノード支持型(Anode−Supported Cell:ASC)、カソード電極を厚くしたカソード支持型(Cathode−Supported Cell:CSC)等を挙げることができる。
しかし、本発明の燃料電池スタックの製造方法によれば、上記メタルサポートセルの酸化を防止できる。
(有機物含有無機シール材)
上記有機物含有無機シール材は、無機材料と有機バインダや有機機溶媒等の有機物を含み、柔軟性・形態安定性を有し、ハンドリング性に優れるものである。
上記アノード電極の構成材料としては、水素酸化活性を有し、還元性雰囲気中で安定な金属及び/又は合金から成る金属触媒を使用できる。
例えば、ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、Ni−Fe合金、Ni−Co合金、Fe−Co合金、Ni−Cu合金、Pd−Pt合金等を挙げることができる。
ニッケル(Ni)は、酸化による体積変化が特に大きいものであり、ニッケル(Ni)を含有するアノード電極は、酸化による損傷が生じ易いものであるが、本発明の製造方法によれば、燃料電池スタックの損傷を防止することができる。
上記カソード電極の構成材料としては、特に制限はなく、例えば、ペロブスカイト型酸化物が挙げられ、具体的には、ランタンマンガナイト系、ランタンフェライト系、ランタンコバルタイト系、ストロンチウムコバルタイト系、ランタンニッケル系の酸化物を挙げることができる。
また、電解質材としては、特に制限はなく、酸素イオン伝導性を備え、固体電解質として機能する酸化物を使用できる。
例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア:Zr1−xYxO2)、SSZ(スカンジウム安定化ジルコニア:Zr1−xScxO2)、SDC(サマリウムドープトセリア:Ce1−xSmxO2)、GDC(ガドリウムドープトセリア:Ce1−xGdxO2)、LSGM(ランタンストロンチウムマグネシウムガレート:La1−xSrxGa1−yMgyO3)等を挙げることができる。
本発明の燃料電池スタックの製造方法は、図2に示すように、上記燃料電池単セルを複数積層した積層体FCに、発電時とは逆方向の電流を印加しながら、アノード電極3側の燃料流路7に酸素含有ガスを供給して電気炉20等により加熱し、有機物含有無機シール材1中の有機物を除去する有機物除去工程を有するものである。
まず、上記有機物除去工程に先立って電極形成工程を行う。
上記電極形成工程は電流の印加に必要な電極を形成する工程である。
具体的には、燃料電池単セルを、有機物の酸化開始温度T2よりも低い温度T0で一定時間保持することで電極材を乾燥する。
上記電極形成工程により電極を形成した後、有機物の酸化開始温度T2以上に上昇させて有機物除去工程を行う。本発明において、酸化開始温度T2は有機物含有無機シール材中の有機物の酸化反応が進む温度をいう。
上記有機物含有無機シール材は、有機物が除去されることで緻密化しガス漏れを防止する。
また、印加する電流量は、アノード電極を還元するために十分な量の電流である。
アノード電極の金属触媒の酸化反応が進まない温度(T1未満)では、上記逆電流を印加しないことで省エネルギー化することができる。
具体的には、アノード電極の温度上昇と共に電流量を増加させてアノード電極の酸化を防止する。
具体的には、加熱中の燃料電池単セルに微弱な交流信号を印加して、電圧/電流の応答信号からセルのインピーダンスを測定し解析して行う。加えて、EISにより、各温度状態でのオーム抵抗分の把握にもつながるため、適切な印加する電流量の制御に有用な情報となる。
上記有機物の除去を行う温度の上限は、有機物が急激に気化することに等による無機シール材の形状変化等、有機物の酸化反応以外の不要な反応を起こさない温度である。
上記有機物除去工程により有機物含有無機シール材中の有機物を除去した後、焼結工程を行う。
2 金属支持層
3 アノード電極
4 電解質
5 カソード電極
6 セパレータ
7 燃料流路
8 酸素流路
9 フレーム
10 絶縁体
20 電気炉
30 空気
FC 積層体
Claims (10)
- 燃料電池単セルを複数積層した積層体を加熱し燃料電池スタックを製造する燃料電池スタックの製造方法であって、
上記燃料電池単セルが、有機物含有無機シール材と、セパレータと、アノード電極と、電解質と、カソード電極とから成るものであり、
上記有機物含有無機シール材中の有機物を除去する有機物除去工程を有し、
上記有機物除去工程が、アノード電極側の燃料流路に酸素含有ガスを供給し、かつアノード電極側からカソード電極側に電荷が移動するように外部から電流を印加しながら加熱するものであることを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。 - 上記アノード電極の酸化開始温度以上の温度で上記電流を印加するものであり、
上記電流の印加を開始する温度が、上記アノード電極の酸化開始温度であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタックの製造方法。 - 上記アノード電極の温度に基づいて上記電流の電流量を制御するものであり、
上記アノード電極の温度上昇と共に上記電流量を増加させることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池スタックの製造方法。 - 上記有機物除去工程が、上記アノード電極の酸化開始温度よりも高い上記有機物の酸化開始温度以上で所定時間維持し、上記有機物を除去するものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の燃料電池スタックの製造方法。
- 上記アノード電極側の燃料流路に酸素含有ガスを供給する温度が、上記有機物の酸化開始温度以上であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の燃料電池スタックの製造方法。
- 上記有機物除去工程後に焼結工程を有し、
上記焼結工程が、アノード電極側の燃料流路への酸素含有ガスの供給を止め、上記有機物除去工程よりも温度を上昇させるものであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の燃料電池スタックの製造方法。 - 上記焼結工程が、アノード電極側に還元性ガスを供給し、かつ上記電流の印加を止めることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池スタックの製造方法。
- 上記有機物除去工程前に電極形成工程を有し、上記電極形成工程が、上記有機物の酸化開始温度よりも低い温度で所定時間維持するものであることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1つの項に記載の燃料電池スタックの製造方法。
- 上記アノード電極が、金属及び/又は合金から成る金属触媒を含有するものであることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つの項に記載の燃料電池スタックの製造方法。
- 上記燃料電池単セルが、金属支持層を有するメタルサポートセルであり、
上記金属支持層が、上記アノード電極、上記電解質及び上記カソード電極を上記アノード電極側から支持するものであることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1つの項に記載の燃料電池スタックの製造方法。
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