JP7088776B2 - 燃料電池および燃料電池の製造方法 - Google Patents
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Description
また、第1材料は、添加剤としてのCoOと、プロトン伝導性材料としてのBaZrYbO 3-δ とを含み、第2材料は、プロトン伝導性材料としてのBaZrCeYYbO 3-δ を含んでもよい。
図1は、第1の実施形態の燃料電池システム100を説明する図である。燃料電池システム100は、改質器110と、ブロワ120と、燃料電池130とを含む。
CnHm + nH2O → nCO + (m/2+n)H2 …反応式(1)
CO + H2O → CO2 + H2 …反応式(2)
H2 → 2H+ + 2e- …反応式(3)
1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O …反応式(4)
図2は、第1の実施形態の燃料電池130の製造方法の処理の流れを説明するフローチャートである。
第1加熱工程S110は、燃料極材料を800℃以上1500℃以下の所定の温度(例えば、1000℃)に加熱(仮焼成)して、燃料極132の仮焼成体を製造する工程である。燃料極材料は、少なくともNiまたはNi化合物を含み、燃料極132を製造するために必要な材料の混合物である。
材料製造工程S120は、プロトン伝導性材料、および、添加剤を混合して、電解質材料を製造する工程である。プロトン伝導性材料は、プロトン伝導性を有する固体酸化物を製造するために必要な材料の混合物である。添加剤は、Co、Fe、Mn、Li、Cu、および、Tiのうち、いずれか1または複数の元素の化合物である。
第2加熱工程S130は、第1加熱工程S110で製造された燃料極132の仮焼成体と、材料製造工程S120で製造された電解質材料とを接触(積層)させて、1000℃以上の所定温度(例えば、1400℃)に加熱(本焼成)する工程である。これにより、プロトン伝導性を有する固体酸化物と添加剤とを含む固体電解質136が燃料極132に接触した構造体が製造される。
第3加熱工程S140は、第2加熱工程S130で製造された構造体と、空気極材料とを接触させて、800℃以上1200℃以下の所定の温度(例えば、1000℃)に加熱する工程である。これにより、構造体を構成する固体電解質136に空気極134が接触した燃料電池130を製造することができる。なお、空気極材料は、空気極134を製造するために必要な材料の混合物である。
比較例A、B、および、実施例A~Cを1475℃で焼成し、収縮率を測定した。ここで、収縮率[%]は、(焼成前の体積-焼成後の体積)/焼成前の体積×100で示される。
上記第1の実施形態において、固体電解質136が単層である場合を例に挙げて説明した。しかし、固体電解質136は、複数の層で構成されてもよい。
図5は、第2の実施形態の燃料電池230の製造方法の処理の流れを説明するフローチャートである。
第2材料製造工程S220は、プロトン伝導性材料を含み、添加剤を含まない第2材料を製造する工程である。
第2加熱工程S230は、第1加熱工程S110で製造された燃料極132の仮焼成体と、第2材料製造工程S220で製造された第2材料とを接触(積層)させて、1000℃以上の所定温度(例えば、1000℃)に加熱(仮焼成)する工程である。これにより、燃料極132の仮焼成体に第2層236bの仮焼成体が積層された積層体が製造される。
第1材料製造工程S240は、プロトン伝導性材料、および、添加剤を混合して、第1材料を製造する工程である。
第3加熱工程S250は、第2加熱工程S230製造された積層体と、第1材料製造工程S240で製造された第1材料とを接触(積層)させて、1000℃以上の所定温度(例えば、1400℃)に加熱(本焼成)する工程である。これにより、第1層236aと、第2層236bとが積層された積層体を含む固体電解質236が燃料極132に接触した構造体が製造される。
第4加熱工程S260は、第3加熱工程S250で製造された構造体と、空気極材料とを接触させて、800℃以上1200℃以下の所定の温度(例えば、1000℃)に加熱する工程である。これにより、構造体を構成する固体電解質236に空気極134が接触した燃料電池230を製造することができる。
上記第1および第2の実施形態において、固体電解質136、236にのみ添加剤が含まれる場合を例に挙げて説明した。しかし、固体電解質136、236以外に添加剤を加えてもよい。
図7は、第3の実施形態の燃料電池330の製造方法の処理の流れを説明するフローチャートである。
第1加熱工程S310は、第1材料製造工程S240で製造された第1材料を、1000℃以上の所定温度(例えば、1000℃)に加熱(仮焼成)して、固体電解質136の仮焼成体を製造する工程である。
第2材料製造工程S320は、燃料極材料、および、添加剤を混合して、第2材料を製造する工程である。
第2加熱工程S330は、第1加熱工程S310で製造された固体電解質136の仮焼成体と、第2材料製造工程S320で製造された第2材料とを接触(積層)させて、1000℃以上の所定温度(例えば、1400℃)に加熱(本焼成)する工程である。これにより、固体電解質136が燃料極332に接触した構造体が製造される。
第3加熱工程S340は、第2加熱工程S330で製造された構造体と、空気極材料とを接触させて、800℃以上1200℃以下の所定の温度(例えば、1000℃)に加熱する工程である。これにより、構造体を構成する固体電解質136に空気極134が接触した燃料電池330を製造することができる。
比較例Cおよび実施例Dを1400℃で焼成して、電子顕微鏡で構造を調査した。比較例Cは、BZYbと、燃料極材料とを積層したものである。実施例Dは、BZYbに添加剤としてCoOを添加したものと、燃料極材料に添加剤としてCoOを添加したものとを積層したものである。なお、実施例Dにおける添加剤の添加量は、BZYbに対して1質量%である。
132、332 燃料極
134 空気極
136、236 固体電解質
236a 第1層
236b 第2層
Claims (4)
- キャリアをプロトンとする固体酸化物形の燃料電池であって、
燃料極と、
空気極と、
前記燃料極と前記空気極との間に設けられ、Co、Fe、Mn、Li、Cu、および、Tiのうち、いずれか1または複数の元素または前記元素の化合物で構成される添加剤と、プロトン伝導性を有する固体酸化物とを含む固体電解質と、
を備え、
前記固体電解質は、
前記添加剤および前記固体酸化物を含み、前記空気極側に設けられる第1層と、
前記固体酸化物と前記第1層より少ない前記添加剤とを含む、もしくは、前記固体酸化物を含み前記添加剤を含まない、前記燃料極側に設けられる第2層と、
が積層された積層体を含む、燃料電池。 - 前記燃料極は、前記添加剤を含む、請求項1に記載の燃料電池。
- キャリアをプロトンとする固体酸化物形の燃料電池の製造方法であって、
Co、Fe、Mn、Li、Cu、および、Tiのうち、いずれか1または複数の元素または前記元素の化合物で構成される添加剤と、プロトン伝導性材料とを含む第1材料を製造する工程と、
前記プロトン伝導性材料と前記第1材料より少ない前記添加剤とを含む、もしくは、前記プロトン伝導性材料を含み前記添加剤を含まない第2材料を製造する工程と、
燃料極の材料に前記第2材料を積層して第1積層体を製造する工程と、
前記第1積層体における前記第2材料上に、前記第1材料を積層して第2積層体を製造する工程と、
前記第2積層体における前記第1材料上に、空気極の材料を積層して第3積層体を製造する工程と、
前記第3積層体を焼成する工程と、
を含む燃料電池の製造方法。 - 前記第1材料は、前記添加剤としてのCoOと、前記プロトン伝導性材料としてのBaZrYbO 3-δ とを含み、
前記第2材料は、前記プロトン伝導性材料としてのBaZrCeYYbO 3-δ を含む、請求項3に記載の燃料電池の製造方法。
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