JP6678042B2 - Solid oxide fuel cell single cell and solid oxide fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、固体電解質層と空気極層と燃料極層とを有する固体電解質形燃料電池単セルと、その固体電解質形燃料電池単セルを備えた固体酸化物形燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell unit cell having a solid electrolyte layer, an air electrode layer, and a fuel electrode layer, and a solid oxide fuel cell stack provided with the solid oxide fuel cell unit cell.
従来、燃料電池として、例えば固体電解質(固体酸化物)を用いた固体酸化物形燃料電池(以下SOFCとも記す)が知られている。
このSOFCでは、例えば固体電解質層の一方の側に燃料ガスに接する多孔質の燃料極層を設けるとともに、他方の側に酸化剤ガス(例えば空気)に接する多孔質の酸化剤極層(空気極層)を設けた固体酸化物形燃料電池単セルが使用されている。
Conventionally, as a fuel cell, for example, a solid oxide fuel cell (hereinafter, also referred to as SOFC) using a solid electrolyte (solid oxide) is known.
In this SOFC, for example, a porous fuel electrode layer in contact with a fuel gas is provided on one side of a solid electrolyte layer, and a porous oxidant electrode layer (air electrode) in contact with an oxidant gas (for example, air) is provided on the other side. Layer) is used.
また、近年では、燃料電池の性能の向上などのために、燃料極層について、その厚み方向における気孔率(開気孔率)を所定の値に設定した各種の技術が提案されている(特許文献1〜3参照)。 In recent years, various techniques have been proposed in which the porosity (open porosity) in the thickness direction of a fuel electrode layer is set to a predetermined value in order to improve the performance of a fuel cell and the like (Patent Documents). 1-3).
例えば特許文献3には、燃料極層の気孔率を固体電解質層側ほど小さくすることによって、電極反応時の分極を低減して、発電性能を向上させる技術が開示されている。
For example,
しかしながら、上述した従来技術においては、燃料極層の内側(固体電解質層側)の気孔率が外側に比べて小さいので、発電反応で発生する水蒸気が燃料極層の固体電解質層近傍に滞留し易くなる。その結果、固体電解質層と燃料極層と反応ガス(燃料ガス)とが接する反応場である三相界面への燃料ガスの供給が低下して、発電性能が低下するという問題があった。 However, in the above-described prior art, the porosity inside the fuel electrode layer (on the side of the solid electrolyte layer) is smaller than that outside, so that the water vapor generated by the power generation reaction tends to stay near the solid electrolyte layer of the fuel electrode layer. Become. As a result, there is a problem in that the supply of the fuel gas to the three-phase interface, which is a reaction field where the solid electrolyte layer, the fuel electrode layer, and the reaction gas (fuel gas) are in contact with each other, is reduced, and the power generation performance is reduced.
この対策として、例えば燃料極層の気孔率(特に固体電解質近傍の気孔率)を大きくすると、外部から供給される燃料ガス中の汚染物質(例えばS、Cl、Si、B、P)が三相界面に付着し易くなって、耐久性が低下するという問題があった。 As a countermeasure, for example, if the porosity of the fuel electrode layer (particularly, the porosity near the solid electrolyte) is increased, contaminants (for example, S, Cl, Si, B, and P) in the fuel gas supplied from the outside become three-phase. There is a problem in that it easily adheres to the interface and the durability is reduced.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、発電性能を高めることができるとともに、耐久性も高めることができる固体酸化物形燃料電池単セル及び固体酸化物形燃料電池スタックを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and provides a solid oxide fuel cell single cell and a solid oxide fuel cell stack that can enhance power generation performance and also increase durability. The purpose is to provide.
(1)本発明の第1態様の固体酸化物形燃料電池単セルは、空気極層と、燃料極層と、前記空気極層と前記燃料極層との間に配置された固体電解質層と、を有する固体酸化物形燃料電池単セルにおいて、前記燃料極層は、前記固体電解質層側より、活性層と中間層と拡散層とを備え、前記活性層と前記中間層と前記拡散層とは、開気孔を有し、前記中間層の開気孔率は前記活性層の開気孔率よりも小さく、前記活性層の開気孔率は前記拡散層の開気孔率よりも小さいことを特徴とする。 (1) The solid oxide fuel cell unit cell according to the first aspect of the present invention includes an air electrode layer, a fuel electrode layer, and a solid electrolyte layer disposed between the air electrode layer and the fuel electrode layer. Wherein the fuel electrode layer comprises an active layer, an intermediate layer, and a diffusion layer from the solid electrolyte layer side, and the active layer, the intermediate layer, and the diffusion layer. Has open porosity, wherein the open porosity of the intermediate layer is smaller than the open porosity of the active layer, and the open porosity of the active layer is smaller than the open porosity of the diffusion layer. .
本第1態様では、燃料極層は、固体電解質層側より、活性層と中間層と拡散層とを備えており、中間層の開気孔率は活性層の開気孔率よりも小さく、活性層の開気孔率は拡散層の開気孔率よりも小さい。つまり、燃料極層においては、固体電解質層側より、開気孔率が中程度の活性層と、開気孔率が最も小さい中間層と、開気孔率が最も大きい拡散層との順番で配置されている。 In the first aspect, the fuel electrode layer includes, from the solid electrolyte layer side, an active layer, an intermediate layer, and a diffusion layer. The open porosity of the intermediate layer is smaller than the open porosity of the active layer. Is smaller than the open porosity of the diffusion layer. That is, in the fuel electrode layer, from the solid electrolyte layer side, an active layer having a medium open porosity, an intermediate layer having the smallest open porosity, and a diffusion layer having the largest open porosity are arranged in this order. I have.
このように、本第1態様では、活性層の開気孔率は中間層の開気孔率より大きいので、発電反応で発生する水蒸気が活性層内に滞留しにくい(即ち水蒸気濃度が低い)。その結果、三相界面へ燃料ガスが供給されやすくなるので、発電性能が高いという効果がある。 As described above, in the first embodiment, the open porosity of the active layer is larger than the open porosity of the intermediate layer, so that the steam generated by the power generation reaction hardly stays in the active layer (that is, the steam concentration is low). As a result, the fuel gas is easily supplied to the three-phase interface, so that there is an effect that the power generation performance is high.
また、本第1態様では、中間層の開気孔率が活性層及び拡散層よりも小さい。よって、外部から供給される燃料ガス中の汚染物質が、中間層でトラップされ、活性層に侵入しにくくなる。したがって、汚染物質が三相界面に付着しにくいので、耐久性が高いという効果がある。 In the first embodiment, the open porosity of the intermediate layer is smaller than that of the active layer and the diffusion layer. Therefore, the contaminants in the fuel gas supplied from the outside are trapped in the intermediate layer and hardly enter the active layer. Therefore, the contaminants are less likely to adhere to the three-phase interface, resulting in an effect of high durability.
(2)本発明の第2態様の固体酸化物形燃料電池単セルでは、前記中間層の厚みは前記活性層の厚みよりも小さく、前記活性層の厚みは前記拡散層の厚みよりも小さい。
本第2態様では、燃料極層は、固体電解質層側より、厚みが中程度の活性層と、厚みが最も小さい中間層と、厚みが最も大きい拡散層との順番で配置されている。
(2) In the solid oxide fuel cell unit cell according to the second aspect of the present invention, the thickness of the intermediate layer is smaller than the thickness of the active layer, and the thickness of the active layer is smaller than the thickness of the diffusion layer.
In the second aspect, the fuel electrode layer is arranged in the order of the active layer having a medium thickness, the intermediate layer having the smallest thickness, and the diffusion layer having the largest thickness from the solid electrolyte layer side.
つまり、燃料極層では、中間層の厚みが活性層及び拡散層よりも小さいので、活性層について、水蒸気の排出や燃料ガスの導入の際の抵抗が少ない。これにより、発電反応により発生した水蒸気を効率よく排出でき、また、燃料ガスも効率よく導入することができるため、発電性能が高いという効果を奏する。 That is, in the fuel electrode layer, since the thickness of the intermediate layer is smaller than that of the active layer and the diffusion layer, the resistance of the active layer at the time of discharging steam and introducing fuel gas is small. Thereby, the steam generated by the power generation reaction can be efficiently discharged, and the fuel gas can also be efficiently introduced, so that there is an effect that the power generation performance is high.
(3)本発明の第3態様の固体酸化物形燃料電池スタックでは、第1又は第2態様に記載の固体酸化物形燃料電池単セルを備えている。
本第3態様では、上述した構成の固体酸化物形燃料電池単セルを1又は複数備えているので、高い発電性能を有する。
(3) A solid oxide fuel cell stack according to a third aspect of the present invention includes the solid oxide fuel cell unit cell according to the first or second aspect.
In the third aspect, since one or more single cells of the solid oxide fuel cell having the above-described configuration are provided, high power generation performance is achieved.
<以下に、本発明の各構成について説明する>
・固体酸化物形燃料電池単セル及び固体酸化物形燃料電池スタックは、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う装置である。ここで、燃料ガスとは、燃料となる還元剤(例えば水素)を含むガスを示し、酸化剤ガスとは、酸化剤(例えば酸素)を含むガス(例えば空気)を示す。
<Each configuration of the present invention will be described below>
The solid oxide fuel cell single cell and the solid oxide fuel cell stack are devices that generate power using a fuel gas and an oxidizing gas. Here, the fuel gas refers to a gas containing a reducing agent (eg, hydrogen) serving as a fuel, and the oxidizing gas refers to a gas (eg, air) containing an oxidizing agent (eg, oxygen).
なお、固体酸化物形燃料電池単セル及び固体酸化物形燃料電池スタックを用いて発電を行う場合、燃料極側に燃料ガスを導入し、空気極側に酸化剤ガスを導入する。
・固体酸化物形燃料電池単セルとしては、平板状や円筒状や扁平状など各種の形状を採用できる。
When power generation is performed using a single cell of a solid oxide fuel cell and a solid oxide fuel cell stack, a fuel gas is introduced into the fuel electrode side, and an oxidant gas is introduced into the air electrode side.
Various shapes such as a flat plate shape, a cylindrical shape, and a flat shape can be adopted as a single cell of a solid oxide fuel cell.
・固体酸化物形燃料電池スタックとして、複数の固体酸化物形燃料電池単セルを用いる場合には、全て上述した固体酸化物形燃料電池単セルを用いてもよく、或いは、一部に上述した固体酸化物形燃料電池単セルを用いてもよい。 When a plurality of solid oxide fuel cell single cells are used as the solid oxide fuel cell stack, all the solid oxide fuel cell single cells described above may be used, or some of the solid oxide fuel cell single cells may be used. A single cell of a solid oxide fuel cell may be used.
・固体酸化物形燃料電池スタックでは、固体酸化物形燃料電池単セルを所定方向に連続するように配置することができる。また、例えば板状の固体酸化物形燃料電池単セルを用いる場合には、それらを積層して配置することができる。 In the solid oxide fuel cell stack, the solid oxide fuel cell single cells can be arranged so as to be continuous in a predetermined direction. In the case of using, for example, a plate-shaped solid oxide fuel cell single cell, they can be stacked and arranged.
・空気極層、燃料極層(従って、活性層、中間層、拡散層)としては、多孔質層を採用できる。
・開気孔率とは、多孔質の各構成(活性層、中間層、拡散層)における開気孔の割合である。また、通常、開気孔とは、各構成において、内部から直接又は他の気孔等を介して表面に到るように(ガスの経路が)連通している気孔を示している。
-A porous layer can be adopted as the air electrode layer and the fuel electrode layer (accordingly, the active layer, the intermediate layer, and the diffusion layer).
-The open porosity is the ratio of open pores in each of the porous components (active layer, intermediate layer, diffusion layer). In addition, normally, the open pores indicate pores that communicate with each other (in a gas path) so as to reach the surface directly from the inside or through another pore or the like in each configuration.
なお、本発明における固体酸化物形燃料電池単セルにおいては、各層の断面に観察される気孔は実質的に開気孔と見なしている。
・燃料ガスとしては、水素、水素源となる炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。
In the solid oxide fuel cell unit cell according to the present invention, the pores observed in the cross section of each layer are regarded as substantially open pores.
As the fuel gas, hydrogen, a hydrocarbon serving as a hydrogen source, a mixed gas of hydrogen and a hydrocarbon, and a fuel gas humidified by passing these gases through water at a predetermined temperature, and a vapor mixed with these gases were used. Fuel gas and the like.
炭化水素は特に限定されず、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。更に、メタン、エタン、プロパン、ブタン及びペンタン等の炭素数が1〜10、好ましくは1〜7、より好ましくは1〜4の飽和炭化水素、並びにエチレン及びプロピレン等の不飽和炭化水素を主成分とするものが好ましく、飽和炭化水素を主成分とするものが更に好ましい。これらの燃料ガスは1種のみを用いてもよいし、2種以上を併用することもできる。また、窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。 The hydrocarbon is not particularly limited, and examples thereof include natural gas, naphtha, and coal gasification gas. Furthermore, methane, ethane, propane, butane, pentane and the like have 1 to 10, preferably 1 to 7, more preferably 1 to 4 saturated hydrocarbons, and unsaturated hydrocarbons such as ethylene and propylene as main components. Are preferable, and those containing a saturated hydrocarbon as a main component are more preferable. One of these fuel gases may be used alone, or two or more thereof may be used in combination. Further, an inert gas such as nitrogen and argon may be contained.
・酸化剤ガスとしては、酸素と他の気体との混合ガス等が挙げられる。また、この混合ガスには80体積%以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスが含有されていてもよい。これらの酸化剤ガスのうちでは安全であって、且つ安価であるため空気(約80体積%の窒素が含まれている)が好ましい。 -Examples of the oxidizing gas include a mixed gas of oxygen and another gas. Further, the mixed gas may contain 80% by volume or less of an inert gas such as nitrogen and argon. Of these oxidizing gases, air (containing about 80% by volume of nitrogen) is preferred because it is safe and inexpensive.
以下、本発明の実施形態について説明する。
[実施形態]
a)まず、固体酸化物形燃料電池の基本構成である固体酸化物形燃料電池単セル(以下、単に「単セル」ともいう)について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[Embodiment]
a) First, a solid oxide fuel cell single cell (hereinafter, also simply referred to as “single cell”), which is a basic configuration of a solid oxide fuel cell, will be described.
図1に模式的に示す様に、単セル1は、平板状であり、燃料ガス(例えば水素)に接する多孔質の燃料極層3と、酸素イオン導電性を有する固体電解質層5と、固体電解質層5と空気極層9との反応を防止する反応防止層7と、酸化剤ガス(例えば空気中の酸素)に接触する多孔質の空気極層9とが、この順に積層されている。
As schematically shown in FIG. 1, the
尚、この単セル1は、燃料極層3が支持基体となるいわゆる燃料極支持形の単セル1である。
詳しくは、図2に模式的に示すように、燃料極層3は、固体電解質層5側より、活性層11、中間層(トラップ層)13、拡散層(基板層)15の順番で積層されたものである。
The
Specifically, as schematically shown in FIG. 2, the
特に本実施形態では、活性層11と中間層13と拡散層15とは、気孔(開気孔)を有する多孔質層であり、中間層13の開気孔率は活性層11の開気孔率よりも小さく、活性層11の開気孔率は拡散層15の開気孔率よりも小さい。
In particular, in the present embodiment, the
また、中間層13の厚みは活性層11の厚みよりも小さく、活性層11の厚みは拡散層15の厚みよりも小さい。
以下、各構成について詳しく説明する。
The thickness of the
Hereinafter, each configuration will be described in detail.
<空気極層9>
空気極層9は、酸素源となる酸化剤ガスと接触し、単セル1におけるカソードとして機能する。
<
The
空気極層9の材料としては、燃料電池の使用条件等により適宜選択することができる。この材料としては、例えば金属、金属の酸化物、金属の複合酸化物等を用いることができる。金属としては、Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ru、Ru等の金属又は2種以上の金属を含有する合金が挙げられる。
The material of the
更に、金属の酸化物としては、例えば、La、Sr、Ce、Co、Mn、Fe等の酸化物(例えば、La2O3、SrO、Ce2O3、Co2O3、MnO2、FeO等)が挙げられる。また、複酸化物としては、La、Pr、Sm、Sr、Ba、Co、Fe、Mn等のうちの少なくとも1種を含有する各種の複合酸化物(例えば、La1−xSrxCoO3系複合酸化物、La1−xSrxFeO3系複合酸化物、La1−xSrxCo1−yFeyO3系複合酸化物、La1−xSrxMnO3系複合酸化物、Pr1−xBaxCoO3系複合酸化物、Sm1−xSrxCoO3系複合酸化物等)が挙げられる。
Further, as the metal oxide, for example, oxides such as La, Sr, Ce, Co, Mn, and Fe (for example, La 2 O 3 , SrO, Ce 2 O 3 , Co 2 O 3 , MnO 2 , FeO) Etc.). Examples of the complex oxide include various complex oxides containing at least one of La, Pr, Sm, Sr, Ba, Co, Fe, Mn and the like (for example, La 1-x Sr x CoO 3 -based). composite oxides, La 1-x Sr x FeO 3 -based composite oxide, La 1-x Sr x Co 1-y
<反応防止層7>
反応防止層7としては、CeO及び希土類元素を主成分とする材料を採用できる。尚、材料全体がCeO及び希土類元素で構成されていてもよい。
<
As the
<固体電解質層5>
固体電解質層5は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質の材料からなる。この固体電解質層5の材料としては、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリアをドープしたセリア)、GDC(ガドリアをドープしたセリア)、ペロブスカイト系酸化物等が挙げられる。これらは、単一膜でもよいし、2種以上の組成が積層構造となっている多層膜でもよい。多層膜としては、例えばYSZ+SDC膜、YSZ+GDC膜などが挙げられる。
<
The
尚、固体電解質層5の膜厚は、3〜20μmが好ましい。3μmを下回ると、薄膜化が難しく、欠陥のないセルが得られにくく、20μmを上回ると、抵抗値が高くなり、発電効率が悪くなる。
The thickness of the
<燃料極層3(全体)>
燃料極層3は、水素源となる燃料ガスと接触し、単セル1におけるアノードとして機能する。
<Fuel electrode layer 3 (whole)>
The
この燃料極層3としては、金属(特にNi)粒子とセラミックス粒子からなるサーメットを採用できる。
金属としては、Ni以外に、Cu、Fe、Co、Ag、Pt、Pd、W、Mo、及びこれらの合金等を採用できる。
As the
As the metal, other than Ni, Cu, Fe, Co, Ag, Pt, Pd, W, Mo, and alloys thereof can be used.
セラミックスとしては、ジルコニア、YSZ、ScSZ、SDC、GDC、アルミナ、シリカ、チタニアなどが挙げられる。特に、YSZ、ScSZ、SDC、GDCが望ましい。これらは、酸素イオン伝導性があり、燃料極層3の電気化学的活性を高めるからである。なお、電気化学的活性とは、発電反応のことである。
Examples of the ceramic include zirconia, YSZ, ScSZ, SDC, GDC, alumina, silica, titania and the like. In particular, YSZ, ScSZ, SDC, and GDC are desirable. This is because they have oxygen ion conductivity and enhance the electrochemical activity of the
燃料極層3の全体の厚みは、約500〜2000μmの範囲が好ましい。500μmを下回ると、セルに十分な強度が得られにくく、2000μmを上回ると、燃料ガスの通気性が悪くなり、発電効率が低下する恐れがある。
The total thickness of the
<活性層11>
活性層11は、燃料極層3のうち固体電解質層5に接して配置された多孔質層であり、中間層13や拡散層15に比べて高い電気化学的活性を有する。
<
The
つまり、後述するように、中間層13や拡散層15に比べて高い電気化学的活性を有するように、活性層11は、固体電解質層5に隣接して酸素イオンが多く存在するとともに、拡散層15、中間層13から水素(イオン)が供給される構造となっており、燃料極層3の中で最も電気化学反応が進む構造(配置)となっている。
That is, as will be described later, the
この活性層11としては、前記燃料極層3(全体)で示したような金属(例えばNi)粒子とセラミックス粒子からなるサーメットを採用できる。この金属及びセラミックとしては、前記燃料極層3(全体)で示したような材料を採用できる。
As the
なお、活性層11の気孔(開気孔)を形成するために、後述するように、例えば有機ビーズを用いることもできる。
また、前記サーメットにおける金属(特にNi)の含有量としては、サーメット全体量を100体積%としたとき、20〜45体積%(特に30〜35体積%)が望ましく、例えば30体積%を採用できる。ここで、20体積%を下回ると、導電性(導電率)が低下し、45体積%を上回ると、通気性のある組織が得られにくい。
In order to form pores (open pores) in the
Further, the content of the metal (especially Ni) in the cermet is desirably 20 to 45% by volume (especially 30 to 35% by volume) when the total amount of the cermet is 100% by volume, for example, 30% by volume can be adopted. . Here, if it is less than 20% by volume, the conductivity (conductivity) decreases, and if it exceeds 45% by volume, it is difficult to obtain a permeable structure.
活性層11は、中間層13及び拡散層15に比べて、電気化学的活性が高い。つまり、活性層11の導電性を、中間層13及び拡散層15より高めるために、例えばサーメットにおけるNi等の金属の含有量を、中間層13及び拡散層15よりも活性層11の方を多くすることが好ましい。
The
活性層11の厚みとしては、例えば5〜50μmの範囲(例えば10μm)を採用できる。ここで、活性層11の厚みが、5μmを下回ると、固体電解質層5に穴が発生し易くなり、50μmを上回ると、活性層11の通気性が悪くなって(従って水蒸気が滞留し易くなって)、発電性能が低下する。
As the thickness of the
活性層11の開気孔率としては、例えば10〜25体積%の範囲(例えば15体積%)を採用できる。ここで、活性層11の開気孔率が、10体積%を下回ると、通気性が悪くなり、25体積%を上回ると、発電反応場(三相界面)が減少してしまい、発電効率が悪くなる。
As the open porosity of the
<中間層13>
中間層13は、活性層11と拡散層15との間に配置された多孔質層であり、主として、燃料ガス等に含まれる汚染物質(例えばS、Cl、Si、B、P)を捕集(トラップ)する機能を有する。
<
The
この中間層13としては、前記燃料極層3(全体)で示したような金属(例えばNi)粒子とセラミックス粒子からなるサーメットを採用できる。この金属及びセラミックとしては、前記燃料極層3(全体)で示したような材料を採用できる。
As the
また、前記サーメットにおける金属(特にNi)の含有量としては、サーメット全体量を100体積%としたとき、20〜45体積%(特に30〜35体積%)が望ましく、例えば30体積%を採用できる。ここで、20体積%が下回ると、導電性が低下し、45体積%を上回ると、通気性のある組織が得られにくい。 Further, the content of the metal (especially Ni) in the cermet is desirably 20 to 45% by volume (especially 30 to 35% by volume) when the total amount of the cermet is 100% by volume, for example, 30% by volume can be adopted. . Here, when the content is less than 20% by volume, the conductivity is reduced. When the content is more than 45% by volume, it is difficult to obtain a permeable tissue.
中間層13の厚みとしては、例えば1〜5μmの範囲(例えば3μm)を採用できる。ここで、中間層13の厚みが、1μmを下回ると、汚染物質を捕集する機能が小さくなり、十分に汚染物質を捕集することが困難になる。また、中間層13の厚みが、5μmを上回ると、燃料極層3での水蒸気や燃料ガスの通気性が悪くなって、発電性能が低下する。
As the thickness of the
中間層13の開気孔率としては、例えば5〜10体積%の範囲(例えば9体積%)を採用できる。ここで、中間層13の開気孔率が、5体積%を下回ると、通気性が悪くなり、10体積%を上回ると、汚染物質を捕集する機能が低下する。
As the open porosity of the
<拡散層15>
拡散層15は、中間層13に接して配置された最外の多孔質層であり、主として、燃料ガスを中間層13や活性層11に導入するとともに、単セル1全体を支持する機能を有する。
<
The
この拡散層15としては、前記燃料極層3(全体)で示したような金属(例えばNi)粒子とセラミックス粒子からなるサーメットを採用できる。この金属及びセラミックとしては、前記燃料極層3(全体)で示したような材料を採用できる。
As the
なお、拡散層15の気孔(開気孔)を形成するために、後述するように、例えば有機ビーズを用いることもできる。
また、前記サーメットにおける金属(特にNi)の含有量としては、サーメット全体量を100体積%としたとき、20〜45体積%(特に30〜35体積%)が望ましく、例えば30体積%を採用できる。ここで、20体積%が下回ると、導電性が低下し、45体積%を上回ると、通気性のある組織が得られにくい。
In order to form pores (open pores) of the
Further, the content of the metal (especially Ni) in the cermet is desirably 20 to 45% by volume (especially 30 to 35% by volume) when the total amount of the cermet is 100% by volume, for example, 30% by volume can be adopted. . Here, when the content is less than 20% by volume, the conductivity is reduced. When the content is more than 45% by volume, it is difficult to obtain a permeable tissue.
拡散層15の厚みとしては、例えば500〜2000μmの範囲(例えば800μm)を採用できる。ここで、拡散層の厚みが、500μmを下回ると、支持体としての機能が低下し、2000μmを上回ると、通気性が悪くなって、発電性能が低下する。
As the thickness of the
拡散層15の開気孔率としては、例えば20〜45体積%の範囲(例えば31体積%)を採用できる。ここで、拡散層15の開気孔率が、20体積%を下回ると、通気性が悪くなり、45体積%を上回ると、拡散層15の強度が低下して、支持体としての機能が低下する。
As the open porosity of the
このように、本実施形態では、多孔質層である、活性層11と中間層13と拡散層15における開気孔率の大小関係は、中間層13<活性層11<拡散層15である。また、各層11〜15の厚みの大小関係は、中間層13<活性層11<拡散層15である。更に、例えばサーメットにおける金属含有量の各層の大小の関係は、活性層11>中間層13及び拡散層15である。
As described above, in the present embodiment, the magnitude relationship of the open porosity in the
b)次に、単セル1を備えた燃料電池スタックについて説明する。
なお、図3及び図4では、燃料電池スタック21に用いられる単セル1の数は、実際より少なく模式的に示している。
b) Next, a fuel cell stack including the
3 and 4, the number of the
図3及び図4に模式的に示す様に、燃料電池スタック21は、上述した構成を有する単セル1が、一又は複数個用いられたものである。
詳しくは、図4に示す様に、燃料電池スタック21では、単セル1を主要部とする発電単位23が、同図の上下方向(積層方向)に複数連続して積層されている。
As schematically shown in FIGS. 3 and 4, the
Specifically, as shown in FIG. 4, in the
尚、本実施形態では、説明の便宜上、各図面の方向を基準に「上」、「下」等の方向を表記するが、実際の燃料電池スタックの方向を規定するものではない。
具体的には、発電単位23は、単セル1と、空気極集電体27と、燃料極集電体29と、空気極側絶縁フレーム31と、セパレータ33と、燃料極側フレーム35と、一方の側(図4の上方)のインターコネクタ25(但し燃料電池スタック21における上端部ではエンドプレート37)と、他方の側のインターコネクタ25(但し燃料電池スタック21における下端部ではエンドプレート39)とを備えている。なお、隣接する発電単位23同士では、1つのインターコネクタ25を共有するように構成されている。
In this embodiment, for convenience of explanation, directions such as “up” and “down” are described based on the directions of the drawings, but do not specify the actual direction of the fuel cell stack.
Specifically, the
ここで、空気極集電体27は、隣接するインターコネクタ25にろう材(図示せず)によって接合されている。また、空気極側絶縁フレーム31は、軟質マイカからなるマイカフレームである。
Here, the air electrode
上述の部材を積層、一体化し燃料電池スタック21が構成されている。なお、各部材の一体化は、積層方向に貫通するボルトを用いても良いし、その他、既知の方法で一体化させることとしてもよい。
The above-described members are stacked and integrated to form a
以下、燃料電池スタック21の各構成について説明する。
<空気極集電体27>
空気極集電体27の材質としては、金属又は導電性セラミックを用いることができる。
Hereinafter, each configuration of the
<Air electrode
As the material of the air electrode
空気極集電体27は、一面で空気極層9と接触し、他面で、ろう材によってインターコネクタ25(又はエンドプレ−ト37)に接合されている。
<燃料極集電体29>
燃料極集電体29の材質としては、金属が好ましく、例えばNi又はNi基合金等により形成することができる。
The cathode
<Fuel electrode
The material of the anode
燃料極集電体29は、一面で燃料極層3と接触し、他面で、インターコネクタ25(又はエンドプレ−ト39)に接合されている。
<セパレータ33>
セパレータ33は、単セル1の外周に接合された平面視で枠状の板材であり、セパレータ33の材質としては、ステンレスなどの金属が挙げられる。
The anode
<Separator 33>
The separator 33 is a plate member that is joined to the outer periphery of the
このセパレータ33により、空気極層9側の(酸化剤ガスの流路である)空気流路41と燃料極層3側の(燃料ガスの流路である)燃料流路43とが、両ガスが混合しないように分離されている。
Due to the separator 33, the air flow path 41 (which is a flow path of the oxidizing gas) on the side of the
<インターコネクタ25、エンドプレート37、49>
インターコネクタ25及びエンドプレート37、49の材質は、金属、特に、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等の耐熱合金などにより形成される。
<Interconnector 25,
The material of the interconnector 25 and the
c)次に、燃料電池単セル1の製造方法について説明する。
<拡散層用グリーンシートの作製>
NiO粉末(60重量部)とYSZ粉末(40重量部)との混合粉末(100重量部)に対して、造孔材である有機ビーズ(混合粉末に対して10重量%)と、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエン+エタノール混合溶剤とを加え、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250μmの拡散層用グリーンシートを作製した。
c) Next, a method for manufacturing the
<Preparation of green sheet for diffusion layer>
To a mixed powder (100 parts by weight) of NiO powder (60 parts by weight) and YSZ powder (40 parts by weight), organic beads (10% by weight based on the mixed powder) as a pore former, and butyral resin Then, DOP as a plasticizer, a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol were added and mixed by a ball mill to prepare a slurry. A green sheet for a diffusion layer having a thickness of 250 μm was prepared from the obtained slurry by a doctor blade method.
<中間層用グリーンシートの作製>
NiO粉末(60重量部)とYSZ粉末(40重量部)との混合粉末(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+エタノール混合溶剤とを加え、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4μmの中間層用グリーンシートを作製した。
<Preparation of green sheet for intermediate layer>
To a mixed powder (100 parts by weight) of NiO powder (60 parts by weight) and YSZ powder (40 parts by weight), butyral resin, DOP as a plasticizer, a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol were used. In addition, the mixture was mixed with a ball mill to prepare a slurry. A green sheet for an intermediate layer having a thickness of 4 μm was prepared from the obtained slurry by a doctor blade method.
<活性層用グリーンシートの作製>
NiO粉末(60重量部)とYSZ粉末(40重量部)との混合粉末(100重量部)に対して、造孔材である有機ビーズ(混合粉末に対して10重量%)と、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエン+エタノール混合溶剤とを加え、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12μmの活性層用グリーンシートを作製した。
<Preparation of green sheet for active layer>
To a mixed powder (100 parts by weight) of NiO powder (60 parts by weight) and YSZ powder (40 parts by weight), organic beads (10% by weight based on the mixed powder) as a pore former, and butyral resin Then, DOP as a plasticizer, a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol were added and mixed by a ball mill to prepare a slurry. The obtained slurry was used as a green sheet for an active layer having a thickness of 12 μm by a doctor blade method.
<固体電解質層用グリーンシートの作製>
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+エタノール混合溶剤とを加え、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。
<Preparation of green sheet for solid electrolyte layer>
A butyral resin, DOP as a plasticizer, a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol were added to YSZ powder (100 parts by weight), and mixed with a ball mill to prepare a slurry. A green sheet for a solid electrolyte layer having a thickness of 10 μm was prepared from the obtained slurry by a doctor blade method.
<積層成形体の作製>
次に、拡散層用グリーンシート4枚と、中間層用グリーンシート1枚と、活性層用グリーンシート1枚と、固体電解質層用グリーンシート1枚とを積層し、150×150mm角に切り出して積層成形体を作製した。
<Preparation of laminated molded body>
Next, four green sheets for the diffusion layer, one green sheet for the intermediate layer, one green sheet for the active layer, and one green sheet for the solid electrolyte layer are laminated and cut into a 150 × 150 mm square. A laminated molded body was produced.
この積層成形体を、250℃で脱脂した後、1200〜1500℃で1〜10時間焼成して、積層焼成体を作製した。
<反応防止層7の作製>
反応防止層7の材料として、GDC(ガドリニウム添加セリア)と、バインダー溶液とからなる材料を用いて、反応防止層ペーストを作製した。
After degreased at 250 ° C., the laminated molded body was fired at 1200 to 1500 ° C. for 1 to 10 hours to produce a laminated fired body.
<Preparation of
As a material for the
次に、前記積層焼成体における固体電解質層5の表面に、反応防止層ペーストを印刷した。
<空気極層9の作製>
空気極層9の材料として、例えば平均粒径1〜4μmのLa1−xSrxCo1−yFeyO3粉末と、バインダー溶液とからなる材料を用いて、空気極層用ペーストを作製した。
Next, a reaction prevention layer paste was printed on the surface of the
<Preparation of
Preparation as the material of the
次に、反応防止層ペースト上に、空気極層用ペーストを印刷した。
そして、その印刷した反応防止層ペースト及び空気極層用ペーストを、焼成によって緻密とならないように、900〜1200℃にて1〜5時間焼成して、反応防止層7及び空気極層9を形成した。
Next, the air electrode layer paste was printed on the reaction prevention layer paste.
Then, the printed reaction preventing layer paste and the air electrode layer paste are fired at 900 to 1200 ° C. for 1 to 5 hours so as not to be dense by firing to form the
これによって、単セル1を完成した。なお、単セル1には、セパレータ33をろう付けした。
また、この単セル1に上述した各部材を前記図4のように組み合わせて、周知のろう付け等の定法によって、インターコネクタ25、各フレーム31、35、セパレータ33、エンドプレート37、39等を接合して、燃料電池スタック21を作製することができる。
Thus, the
Further, the above-described members are combined with the
また、このようにして製造された燃料電池スタック21を、例えば発電中に水素等の還元雰囲気に晒すと、燃料極層3中の例えばNiOが還元されてNiになることによって、例えば中間層13などの燃料極層3中に微細な気孔が形成される。なお、活性層11や拡散層15は、製造時に有機ビーズの造孔材を含むので、上述した焼成によって造孔材が消失した箇所に気孔(開気孔)が形成される。
Further, when the
d)次に、活性層11と中間層13と拡散層15とを区別する手法について説明する。
まず、燃料極層3に対して、中間層13を中心に、少なくとも活性層11と推定される層の厚み方向全体が確認できる倍率で、固体電解質層5と燃料極層3との境界が画像の上方の端から、画像の上方から下方に向かう長さの1/10の領域に写り、活性層11と中間層13との境界と推測される部分が、画像の上方から下方に向かう長さの1/5から3/5までの領域に写るように撮影して画像(SEM画像)を得る。
d) Next, a method for distinguishing the
First, the boundary between the
なお、画像としては2値化画像を採用できる(ただし、コントラストにより2値化処理後の画像における気孔が実際の形態と大きく異なる場合は、コントラストを調整するか、2値化処理していない画像を採用する)。例えばここでの倍率は、2000倍とすることができる。画像の倍率は、これに限られるものではない。 Note that a binarized image can be adopted as an image (however, if the pores in the image after the binarization processing are significantly different from the actual form due to contrast, the contrast is adjusted or an image not subjected to the binarization processing is used. To adopt). For example, the magnification here can be 2000 times. The magnification of the image is not limited to this.
次に、固体電解質層5と活性層11の界面に平行な仮想線を、0.3μm間隔で固体電解質層5側から順に引き、仮想線K1、K2、K3、・・・、Km、・・・、K(m+9)、K(m+10)、・・・、Knを得る。
Next, virtual lines parallel to the interface between the
次に、各仮想線上に存在する気孔の割合(気孔率)を後述の手法にて測定する。
次に、各仮想線の気孔率Ks1、Ks2、Ks3、・・・、Ksm、・・・、Ks(m+9)、Ks(m+10)、・・・、Ksnのうち、固体電解質層5側から順番に10個の仮想線の気孔率を有する各データ群を設定し、各データ群の10個の気孔率の平均値(Ave)と各データ群の気孔率の標準偏差(σ)を算出する。
Next, the ratio (porosity) of the pores existing on each virtual line is measured by a method described later.
Next, among the porosity Ks1, Ks2, Ks3,..., Ksm,..., Ks (m + 9), Ks (m + 10),. Is set for each data group having the porosity of 10 virtual lines, and the average value (Ave) of the 10 porosity values of each data group and the standard deviation (σ) of the porosity of each data group are calculated.
固体電解質層5側から順番に、データ群G1は、Ks1、Ks2、・・・、Ks10からなり、データ群G2は、Ks2、Ks3、・・・、Ks11からなり、データ群Gmは、Ksm、Ks(m+1)、Ks(m+2)、・・・、Ks(m+9)からなり、データ群G(m+1)は、Ks(m+1)、Ks(m+2)、・・・、Ks(m+10)からなる。
The data group G1 is composed of Ks1, Ks2,..., Ks10 in order from the
すなわち、データ群G(m+1)とは、データ群Gmから、データ群Gmの1つ目の仮想線Kmの気孔率Ksmを除いた9個の気孔率(Ks(m+1)、・・・、Ks(m+9))に、データ群の最後の仮想線K(m+9)の次の仮想線K(m+10)の気孔率Ks(m+10)を加えた10個の気孔率からなる一つの群を意味する。 That is, the data group G (m + 1) includes nine porosity (Ks (m + 1),..., Ks) obtained by removing the porosity Ksm of the first virtual line Km of the data group Gm from the data group Gm. (M + 9)) and a porosity Ks (m + 10) of the virtual line K (m + 10) next to the last virtual line K (m + 9) of the data group.
そして、「G(m+1)の気孔率の平均値」が「Gmの気孔率の平均値に、Gmの10個の気孔率の標準偏差(σ)の2倍の値を加えた値」を初めて上回ったとき、または、「G(m+1)の気孔率の平均値」が「Gmの気孔率の平均値に、Gmの10個の気孔率の標準偏差(σ)の2倍の値を減じた値」を初めて下回ったときの、データ群G(m+1)の10個目の気孔率Ks(m+10)に対応する仮想線K(m+10)を、各層の境界(活性層11と中間層13との境界、中間層13と拡散層15との境界)とする。
For the first time, “the average value of the porosity of G (m + 1)” is “the value obtained by adding twice the standard deviation (σ) of the 10 porosity values of Gm to the average value of the porosity of Gm”. When the value exceeds, or “the average value of the porosity of G (m + 1)” is subtracted from the average value of the porosity of Gm by twice the standard deviation (σ) of the 10 porosity of Gm. The virtual line K (m + 10) corresponding to the tenth porosity Ks (m + 10) of the data group G (m + 1) when the value falls below the “value” for the first time is drawn to the boundary of each layer (between the
すなわち、Gmの気孔率の平均値をGmAve、G(m+1)の気孔率の平均値をG(m+1)Ave、Gmの気孔率の標準偏差をσmとしたとき、下記式(1)を満たす初めてのデータ群G(m+1)の10個目の気孔率Ks(m+10)に対応する仮想線K(m+10)を、各層の境界(活性層11と中間層13との境界、中間層13と拡散層15との境界)とする。
That is, assuming that the average value of the porosity of Gm is GmAve, the average value of the porosity of G (m + 1) is G (m + 1) Ave, and the standard deviation of the porosity of Gm is σm, The virtual line K (m + 10) corresponding to the tenth porosity Ks (m + 10) of the data group G (m + 1) of the data group G (m + 1) is defined by the boundary of each layer (the boundary between the
|(G(m+1)Ave)−(GmAve)|>2σm ・・・(1)
e)次に、活性層11と中間層13と拡散層15との気孔率(開気孔率)の測定方法について説明する。
| (G (m + 1) Ave)-(GmAve) |> 2σm (1)
e) Next, a method for measuring the porosity (open porosity) of the
上述した製造方法によって形成された燃料極層3に対して、積層方向に沿って断面を出し、その断面を撮像して画像(例えばSEM画像)を得る。なお、このSEM画像の倍率は、活性層11が厚み方向に写る倍率とする(ここでは、2000倍で撮影したが、これに限られるものではない)。
A cross section is formed along the stacking direction of the
次に、SEM画像に対して、一定間隔(例えば0.3μm間隔)で、前記積層方向に垂直な方向に対して平行な直線を複数本引く。
次に、引いた直線上の気孔にあたる部分の長さを測定する。
Next, a plurality of straight lines parallel to the direction perpendicular to the stacking direction are drawn at regular intervals (for example, at intervals of 0.3 μm) on the SEM image.
Next, the length of the portion corresponding to the pore on the drawn straight line is measured.
ここで、1本の直線上にある複数の気孔部分の長さの和を、直線総長さで割った値が気孔率に相当する。
そして、複数(例えば3〜30本)の直線の気孔率の平均値を求め、その平均値を、活性層11、中間層13、拡散層15の各気孔率とする。例えば、直線の本数としては、各層において、その厚みの1/10の間隔で10本を採用でき、各直線にて測定した気孔率の平均を各層の気孔率として採用できる。
Here, a value obtained by dividing the sum of the lengths of the plurality of pore portions on one straight line by the total straight line length corresponds to the porosity.
Then, an average value of a plurality of (for example, 3 to 30) linear porosity values is obtained, and the average value is defined as each porosity value of the
なお、本発明のような構成の単セル1においては、通常は、各気孔の殆どは他の気孔と連通しているので、この気孔率が開気孔率に相当する。つまり、本発明においては、上述した測定方法によって得られた気孔率を、本発明の開気孔率として採用することができる。
In the
なお、本測定では、2000倍のSEM画像を用いて開気孔率の測定を行ったが、500〜20000倍のSEM画像を用いても、上記の測定方法で開気孔率の測定が可能である。 In addition, in this measurement, although the measurement of the open porosity was performed using the SEM image of 2000 times, even if the SEM image of 500 to 20000 times is used, the measurement of the open porosity can be performed by the above measurement method. .
f)次に、本実施形態の作用効果について説明する。
本実施形態では、燃料極層3は、固体電解質層5側より、(それぞれ多孔質の)活性層11と中間層13と拡散層15とを備えており、中間層13の開気孔率は活性層11の開気孔率よりも小さく、活性層11の開気孔率は拡散層15の開気孔率よりも小さい。
f) Next, the operation and effect of the present embodiment will be described.
In the present embodiment, the
つまり、本実施形態では、活性層11の開気孔率は中間層13の開気孔率より大きいので、下記式(2)の発電反応で発生する水蒸気が活性層11内に滞留しにくい(即ち水蒸気濃度が低い)。その結果、三相界面への燃料ガスの供給が容易になるので、発電性能が高いという効果がある。
That is, in the present embodiment, since the open porosity of the
H2+O2− → H2O+2e− ・・・(2)
また、本実施形態では、中間層13の開気孔率が活性層11及び拡散層15よりも小さいので、外部から供給される燃料ガス中の汚染物質が、活性層11に侵入しにくい。よって、汚染物質が三相界面に付着しにくいので、被毒耐久性が高いという効果がある。
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e− (2)
Further, in this embodiment, since the open porosity of the
更に、本実施形態では、燃料極層3は、固体電解質層5側より、厚みが拡散層15より小さい活性層11と、厚みが活性層11より小さい中間層13と、厚みが最も大きい拡散層15との順番で配置されている。
Further, in the present embodiment, the
つまり、中間層13の厚みが最も小さいので、水蒸気の排出や燃料ガスの導入の際の抵抗が少ない。この点からも、発電反応により発生した水蒸気を効率よく排出でき、また、燃料ガスも効率よく導入することができるため、発電性能が高いという利点がある。
That is, since the thickness of the
尚、本発明は前記実施形態等になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
(1)例えば、前記実施形態のような板状の燃料電池単セルが積層された燃料電池スタック以外に、例えば周知の円筒形状などの燃料電池単セルを複数配置したもの等、各種の形状のものが挙げられる。
It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiments and the like, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes without departing from the present invention.
(1) For example, in addition to the fuel cell stack in which the plate-shaped fuel cell single cells are stacked as in the above-described embodiment, for example, a plurality of fuel cell single cells having a well-known cylindrical shape or the like are arranged. Things.
(2)また、燃料極集電体、空気極集電体についても、従来公知の形態を採用することができる。例えば、空気極集電体は、インターコネクタの一部が突出する形で一体に形成されていてもよい。 (2) Also, conventionally known forms can be adopted for the fuel electrode current collector and the air electrode current collector. For example, the air electrode current collector may be formed integrally with a part of the interconnector projecting.
1…燃料電池単セル
3…燃料極層
5…固体電解質層
9…空気極層
11…活性層
13…中間層
15…拡散層
21…燃料電池スタック
23…発電単位
25…インターコネクタ
37、39…エンドプレート
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記燃料極層は、前記固体電解質層側より、活性層と中間層と拡散層とを備え、
前記活性層と前記中間層と前記拡散層とは、開気孔を有し、
前記中間層の開気孔率は前記活性層の開気孔率よりも小さく、前記活性層の開気孔率は前記拡散層の開気孔率よりも小さく、
前記拡散層は導電性を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池単セル。 An air electrode layer, a fuel electrode layer, and a solid electrolyte layer disposed between the air electrode layer and the fuel electrode layer, a solid oxide fuel cell single cell having:
The fuel electrode layer includes an active layer, an intermediate layer, and a diffusion layer from the solid electrolyte layer side,
The active layer, the intermediate layer, and the diffusion layer have open pores,
The open porosity of the intermediate layer is smaller than the open porosity of the active layer, open porosity of the active layer is minor than open porosity of the diffusion layer,
The solid oxide fuel cell unit cell, wherein the diffusion layer has conductivity .
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