JP6780287B2 - 固体電解質膜およびその製造方法ならびに燃料電池 - Google Patents
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Description
複数の固体電解質粒子(2)と、該複数の固体電解質粒子の間に存在する粒界(3)とを有しており、
上記固体電解質粒子の材質は、希土類酸化物を1種または2種以上含むジルコニアであり、
上記粒界は、膜面方向(P)の粒界(31)と、膜厚方向(T)の粒界(32)とを含んでおり、
膜面に垂直な膜断面において、単位面積当たりにおける上記膜面方向の粒界の粒界数が、単位面積当たりにおける上記膜厚方向の粒界の粒界数よりも多い、固体電解質膜(1)。にある。
複数枚の未焼成膜を積層、圧着して、圧着体を得る工程と、
得られた圧着体を焼成し、上記固体電解質膜を得る工程とを有する、固体電解質膜の製造方法にある。
実施形態1の固体電解質膜について、図1〜図6を用いて説明する。図1〜図6に例示されるように、本実施形態の固体電解質膜1は、燃料電池に用いられる。電解質として固体電解質を用いる燃料電池は、固体電解質形燃料電池と称される。この内、固体電解質として固体酸化物セラミックスを用いる燃料電池は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)と称される。
実施形態2の固体電解質膜について、図7を用いて説明する。なお、実施形態2以降において用いられる符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
実施形態3の固体電解質膜の製造方法について説明する。本実施形態の固体電解質膜の製造方法は、固体電解質を含む未焼成膜を複数枚準備する工程と、複数枚の未焼成膜を積層、圧着して、圧着体を得る工程と、得られた圧着体を焼成し、上述した固体電解質膜1を得る工程とを有している。
実施形態4の燃料電池について、図8、図9を用いて説明する。本実施形態の燃料電池5は、実施形態1の固体電解質膜1を有している。燃料電池5は、具体的には、図8、図9に示されるように、アノード51、固体電解質膜1、中間層52、カソード53がこの順に積層された電池構造を有することができる。また、図示はされないが、燃料電池5は、アノード51、固体電解質膜1、カソード53がこの順に積層された電池構造を有することもできる。なお、中間層52は、固体電解質膜1の固体電解質材料とカソード材料との反応を抑制するための層である。
実施形態5の燃料電池について、図10を用いて説明する。本実施形態の燃料電池5は、実施形態2の固体電解質膜1を有している。燃料電池5は、具体的には、図10に示されるように、支持体54、アノード51、固体電解質膜1、中間層52、カソード53がこの順に積層された電池構造を有することができる。つまり、本実施形態では、燃料電池5は、支持体54により支持されている。なお、中間層52は、省略することができる。
以下、上記固体電解質膜1およびその製造方法ならびに燃料電池5を、実験例を用いてより具体的に説明する。
−材料準備−
NiO粉末(平均粒子径:0.6μm)と、8mol%のY2O3を含むイットリア安定化ジルコニア(以下、8YSZ)粉末(平均粒子径:0.5μm)と、カーボン(造孔剤)と、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミルおよび1−ブタノールとをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。ドクターブレード法を用いて、樹脂シート上に上記スラリーを層状に塗工し、乾燥させた後、樹脂シートを剥離することにより、拡散層形成用シートを準備した。拡散層形成用シートの厚みは、110μmとした。なお、上記平均粒子径は、レーザー回折・散乱法により測定した体積基準の累積度数分布が50%を示すときの粒子径(直径)d50である(以下、同様)。
拡散層形成用シート、活性層形成用シート、1枚または2枚以上の未焼成膜、および、中間層形成用シートを順に積層し、圧着した。圧着には、CIP成形法を用いた。この際、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。なお、未焼成膜の積層構成は、後述する表1に示す通りとした。得られた圧着体を四角形状に打ち抜いた後、脱脂処理することにより、圧着体に含まれるバインダー成分を部分分解・除去した。
各燃料電池セルにおける固体電解質膜について、上述した方法により、平均膜厚、膜厚方向の平均粒子数、単位面積当たりにおける膜厚方向の粒界の粒界数と膜面方向の粒界の粒界数との関係、LGBと2Lとの関係を求めた。
以下、参考形態の例を付記する。
項1.
燃料電池に用いられる固体電解質膜であって、
複数の固体電解質粒子(2)と、該複数の固体電解質粒子の間に存在する粒界(3)とを有しており、
上記粒界は、膜面方向(P)の粒界(31)と、膜厚方向(T)の粒界(32)とを含んでおり、
膜面に垂直な膜断面において、単位面積当たりにおける上記膜面方向の粒界の粒界数が、単位面積当たりにおける上記膜厚方向の粒界の粒界数よりも多い、固体電解質膜(1)。
なお、項1.の固体電解質膜(1)において、固体電解質粒子2の材質としては、例えば、Y 2 O 3 、Sc 2 O 3 、Sm 2 O 3 等の希土類酸化物を1種または2種以上含むジルコニアなどを例示することができる。
項2.
上記膜厚方向に存在する上記固体電解質粒子の平均粒子数は、2個以上である、項1に記載の固体電解質膜。
項3.
上記膜厚方向の粒界は、膜内で上記膜面方向の粒界によって途切れている、項1または項2に記載の固体電解質膜。
項4.
上記膜厚方向の粒界のうち、使用時にカソード側となる膜面に繋がる粒界(321)に、還元雰囲気下で体積膨張するイオン伝導体(4)が含まれる、項1〜項3のいずれか1項に記載の固体電解質膜。
項5.
上記イオン伝導体は、Gdがドープされたセリアである、項4に記載の固体電解質膜。
項6.
上記粒界の平均粒界長さL GB と上記固体電解質膜の平均膜厚Lとは、L GB ≧2Lの関係を満たす、項1〜項5のいずれか1項に記載の固体電解質膜。
項7.
上記固体電解質膜の平均膜厚は、1μm以上10μm以下である、項1〜項6のいずれか1項に記載の固体電解質膜。
項8.
上記固体電解質粒子は、イットリア安定化ジルコニアまたはイットリア部分安定化ジルコニアである、項1〜項7のいずれか1項に記載の固体電解質膜。
項9.
固体電解質を含む未焼成膜を複数枚準備する工程と、
複数枚の未焼成膜を積層、圧着して、圧着体を得る工程と、
得られた圧着体を焼成し、項1〜項8のいずれか1項に記載の固体電解質膜を得る工程とを有する、固体電解質膜の製造方法。
項10.
項1〜項8のいずれか1項に記載の固体電解質膜を有する、燃料電池(5)。
2 固体電解質粒子
3 粒界
31 膜面方向の粒界
32 膜厚方向の粒界
5 燃料電池
P 膜面方向
T 膜厚方向
Claims (10)
- 燃料電池に用いられる固体電解質膜であって、
複数の固体電解質粒子(2)と、該複数の固体電解質粒子の間に存在する粒界(3)とを有しており、
上記固体電解質粒子の材質は、希土類酸化物を1種または2種以上含むジルコニアであり、
上記粒界は、膜面方向(P)の粒界(31)と、膜厚方向(T)の粒界(32)とを含んでおり、
膜面に垂直な膜断面において、単位面積当たりにおける上記膜面方向の粒界の粒界数が、単位面積当たりにおける上記膜厚方向の粒界の粒界数よりも多い、固体電解質膜(1)。 - 上記膜厚方向に存在する上記固体電解質粒子の平均粒子数は、2個以上である、請求項1に記載の固体電解質膜。
- 上記膜厚方向の粒界は、膜内で上記膜面方向の粒界によって途切れている、請求項1または2に記載の固体電解質膜。
- 上記膜厚方向の粒界のうち、使用時にカソード側となる膜面に繋がる粒界(321)に、還元雰囲気下で体積膨張するイオン伝導体(4)が含まれる、請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体電解質膜。
- 上記イオン伝導体は、Gdがドープされたセリアである、請求項4に記載の固体電解質膜。
- 上記粒界の平均粒界長さLGBと上記固体電解質膜の平均膜厚Lとは、LGB≧2Lの関係を満たす、請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体電解質膜。
- 上記固体電解質膜の平均膜厚は、1μm以上10μm以下である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体電解質膜。
- 上記固体電解質粒子の材質は、イットリア安定化ジルコニアまたはイットリア部分安定化ジルコニアである、請求項1〜7のいずれか1項に記載の固体電解質膜。
- 固体電解質を含む未焼成膜を複数枚準備する工程と、
複数枚の未焼成膜を積層、圧着して、圧着体を得る工程と、
得られた圧着体を焼成し、請求項1〜8のいずれか1項に記載の固体電解質膜を得る工程とを有する、固体電解質膜の製造方法。 - 請求項1〜8のいずれか1項に記載の固体電解質膜を有する、燃料電池(5)。
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