JP7156360B2 - 電解質層-アノード複合部材およびセル構造体 - Google Patents
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Description
特許文献1よりも簡便な手法により、電解質層-アノード複合部材の反りを抑制する。
さらに、固体電解質層とアノードとの界面における残留応力を抑制する。
本開示によれば、電解質層-アノード複合部材の反りおよび残留応力が抑制される。よって、これを用いた燃料電池の発電性能が向上する。
最初に、本開示の実施形態の内容を列記して説明する。
(1)本開示の一実施形態に係る電解質層-アノード複合部材は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する第1金属酸化物を含むアノードと、ペロブスカイト型の結晶構造を有する第2金属酸化物を含む固体電解質層と、を備え、前記アノードは、ニッケルおよびニッケル化合物の少なくとも一方を含み、前記アノードは、その形状がシート状であり、前記固体電解質層は、その形状がシート状であり、前記固体電解質層は、前記アノード上に積層されていて、前記アノードの厚みTaが850μm以上である。これにより、電解質層-アノード複合部材の反りおよび残留応力が小さくなる。
A1mB1nC11-nO3-δ 式(1)
(ただし、元素A1は、Ba、CaおよびSrよりなる群から選択される少なくとも一種であり、元素B1は、CeおよびZrよりなる群から選択される少なくとも一種であり、元素C1は、Y、Yb、Er、Ho、Tm、Gd、InおよびScよりなる群から選択される少なくとも一種であり、0.85≦m≦1、0.5≦n<1、δは酸素欠損量である。)
で表される化合物であってもよい。
A2xB2yC21-yO3-δ 式(2)
(ただし、元素A2は、Ba、CaおよびSrよりなる群から選択される少なくとも一種であり、元素B2は、CeおよびZrよりなる群から選択される少なくとも一種であり、元素C2は、Y、Yb、Er、Ho、Tm、Gd、InおよびScよりなる群から選択される少なくとも一種であり、0.85≦x≦1、0.5≦y<1、δは酸素欠損量である。)
で表される化合物であってもよい。
本発明の実施形態の具体例を、適宜図面を参照しつつ以下に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、添付の請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
本明細書において「X~Y」という形式の表記は、範囲の上限下限(すなわちX以上Y以下)を意味し、Xにおいて単位の記載がなく、Yにおいてのみ単位が記載されている場合、Xの単位とYの単位とは同じである。
本実施形態の一側面において、前記アノードは、その形状がシート状であり、前記固体電解質層は、その形状がシート状であり、前記固体電解質層は、前記アノード上に積層されていてもよい。
アノードは、その形状がシート状であることが好ましく、円形のシート状であることがより好ましい。アノードは、ペロブスカイト型の結晶構造を有する第1金属酸化物を含む。上記第1金属酸化物を含むことによって、アノードはプロトン伝導性を有することができる。また、上記アノードは多孔質構造を有することが好ましい。すなわち、本実施形態の一側面において、このようなアノードは、プロトン伝導性の多孔質構造を有している。プロトン伝導性を有するアノードでは、燃料流路から導入される水素等の燃料を酸化して、プロトンと電子とを放出する反応(燃料の酸化反応)が行われる。プロトン伝導性の燃料電池(PCFC)は、例えば400~600℃の中温域で稼働できる。そのため、PCFCは、多様な用途に使用可能である。
また、アノード用の材料における第1金属酸化物の含有率は、例えば、10~60質量%であってもよく、10~40質量%であってもよく、20~40質量%であってもよい。アノードにおける上記第1金属酸化物の含有割合は、例えば、X線回折法によって求めることが可能である。
A1mB1nC11-nO3-δ 式(1)
で表される固体電解質(化合物)が好ましく例示される。ここで、0.85≦m≦1、0.5≦n<1、δは酸素欠損量である。
固体電解質層は、その形状がシート状であることが好ましく、円形のシート状であることがより好ましい。また、固体電解質層は、アノード上に積層されている。固体電解質層は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する第2金属酸化物を含む。このような固体電解質層は、プロトン伝導性を有している。プロトン伝導性を有する固体電解質層は、アノードで生成されたプロトンをカソードへと移動させる。
A2xB2yC21-yO3-δ 式(2)
で表される固体電解質(化合物)が好ましく例示される。ここで、0.85≦x≦1、0.5≦y<1、δは酸素欠損量である。
本実施形態に係るセル構造体は、上記電解質層-アノード複合部材と、カソードと、を備える。本実施形態の一側面において、前記カソードは、その形状がシート状であり、前記カソードは、前記電解質層-アノード複合部材の前記固体電解質層上に積層されている。図1に、本実施形態にかかる電解質層-アノード複合部材5と、カソード2と、を備えるセル構造体1の断面を示す。セル構造体1の上面からの形状は、特に制限されないがアノードの形状(例えば、図4に示す円形状)にあわせて円形状であってもよい。図1では、積層型のセル構造体1を示しているが、セル構造体1の形状はこれに限定されない。例えば、中空を有するように、アノード3を内側にして丸めた円筒形状であってもよい。当該円筒形状は、その中心部分が中空であり、同心円上に内側からアノード3、固体電解質層4、カソード2の順に配置されている形状である(図示せず)。図1に示す例では、アノード3の厚みTaはカソード2の厚みTcよりも大きいが、この構成に特に限定されない。
カソードは、酸素分子を吸着し、解離させてイオン化することができる多孔質の構造を有している。
カソードの材料は、例えば、ペロブスカイト型の結晶構造を有する第3金属酸化物である。第3金属酸化物としては、下記式(3):
A31-pB3pC3qO3-δ 式(3)
で表される化合物が好ましく例示される。ここで、0<p<1、0<q<1、δは酸素欠損量である。
複合部材は、固体電解質層用の材料およびアノード用の材料を準備する第1工程と、アノード用の材料を含む第1層(アノードの前駆体)、および、第1層の表面に固体電解質層用の材料を含む第2層(固体電解質層の前駆体)を形成し、焼成する第2工程により作製される。別途、カソード用の材料を準備し、第2工程で形成された固体電解質層の表面にカソード用の材料を含む層を積層し、焼成する第3工程を経ることにより、セル構造体が作製される。以下、各工程について詳細に説明する。
固体電解質層用の材料およびアノード用の材料を準備する。
その他の場合には、当該バインダの量は、例えば1~20質量部(特には1.5~15質量部)である。固体電解質層用の材料に含まれるバインダの量は、第2金属酸化物100質量部に対して、例えば1~20質量部(特には1.5~15質量部)である。
第2工程では、アノード用の材料を含む第1層、および、固体電解質層用の材料を含む第2層が積層された積層体を形成し、焼成する。
第3工程では、カソード用の材料を準備し、第2工程で形成された固体電解質層の表面にカソード用の材料を含む層を積層し、焼成する。これにより、カソードが形成される。焼成は、上記と同様の酸素を含有する雰囲気下において、例えば800~1100℃で行われる。
以上の説明は、以下に付記する実施態様を含む。
(付記1)
ペロブスカイト型の結晶構造を有する第1金属酸化物を含むアノードと、
ペロブスカイト型の結晶構造を有する第2金属酸化物を含む固体電解質層と、を備え、
前記アノードの厚みTaが850μm以上である、電解質層-アノード複合部材。
(付記2)
前記第1金属酸化物は、下記式(1):
A1mB1nC11-nO3-δ
(ただし、元素A1は、Ba、CaおよびSrよりなる群から選択される少なくとも一種であり、元素B1は、CeおよびZrよりなる群から選択される少なくとも一種であり、元素C1は、Y、Yb、Er、Ho、Tm、Gd、InおよびScよりなる群から選択される少なくとも一種であり、0.85≦m≦1、0.5≦n<1、δは酸素欠損量である。)
で表される、付記1に記載の電解質層-アノード複合部材。
(付記3)
前記第2金属酸化物は、下記式(2):
A2xB2yC21-yO3-δ
(ただし、元素A2は、Ba、CaおよびSrよりなる群から選択される少なくとも一種であり、元素B2は、CeおよびZrよりなる群から選択される少なくとも一種であり、元素C2は、Y、Yb、Er、Ho、Tm、Gd、InおよびScよりなる群から選択される少なくとも一種であり、0.85≦x≦1、0.5≦y<1、δは酸素欠損量である。)
で表される、付記1または付記2に記載の電解質層-アノード複合部材。
(付記4)
前記アノードの前記厚みTaと前記固体電解質層の厚みTeとは、0.003≦Te/Ta≦0.036の関係を満たす、付記1から付記3のいずれかに記載の電解質層-アノード複合部材。
(付記5)
前記固体電解質層の厚みTeは、5μm以上、30μm以下である、付記1から付記4のいずれかに記載の電解質層-アノード複合部材。
(付記6)
前記アノードの前記厚みTaと前記アノードの直径Daとは、55≦Ta/Da≦300の関係を満たす、付記1から付記5のいずれかに記載の電解質層-アノード複合部材。
(付記7)
前記アノードの直径Daは、5cm以上、15cm以下である、付記1から付記6のいずれかに記載の電解質層-アノード複合部材。
(付記8)
前記アノードの前記厚みTaは、1500μm以下である、付記1から付記7のいずれかに記載の電解質層-アノード複合部材。
(付記9)
付記1から付記8のいずれかに記載の電解質層-アノード複合部材と、
カソードと、を備える、セル構造体。
BZY(BaZr0.8Y0.2O2.9)を30体積%、NiOを70体積%含むアノード用の材料からなる第1層(アノードの前駆体)と、BZY(BaZr0.8Y0.2O2.9)を含む第2層(固体電解質層の前駆体)とを、共焼結して得られる複合部材(直径10cm)をモデルとした。
上記モデルにおいて、第1層の共焼結後の厚み(つまり、アノードの厚みTa)を600μmから1800μmまで300μm刻みで変化させたときの、残留応力と反り量とをシミュレーションした。なお、固体電解質層の厚みTeは20μmになるようにした。
別途、上記と同じ構成の複合部材と、LSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ)を含む厚み10μmのカソードと、を備えるセル構造体を作製し、JIS R 1601:2008に準じて抗折強度を測定した。セル構造体の抗折強度(実測値)は152MPaであった。
Claims (9)
- ペロブスカイト型の結晶構造を有する第1金属酸化物を含むアノードと、
ペロブスカイト型の結晶構造を有する第2金属酸化物を含む固体電解質層と、を備え、 前記アノードは、ニッケルおよびニッケル化合物の少なくとも一方を含み、
前記アノードは、その形状が円形のシート状であり、
前記固体電解質層は、その形状がシート状であり、
前記固体電解質層は、前記アノード上に積層されていて、
前記固体電解質層の厚みTeは、15μm以上であり、
前記アノードの直径Daは、5cm以上であり、
前記アノードの厚みTaが850μm以上である、電解質層-アノード複合部材。 - 前記第1金属酸化物は、下記式(1):
A1mB1nC11-nO3-δ
(ただし、元素A1は、Ba、CaおよびSrよりなる群から選択される少なくとも一種であり、元素B1は、CeおよびZrよりなる群から選択される少なくとも一種であり、元素C1は、Y、Yb、Er、Ho、Tm、Gd、InおよびScよりなる群から選択される少なくとも一種であり、0.85≦m≦1、0.5≦n<1、δは酸素欠損量である。)
で表される、請求項1に記載の電解質層-アノード複合部材。 - 前記第2金属酸化物は、下記式(2):
A2xB2yC21-yO3-δ
(ただし、元素A2は、Ba、CaおよびSrよりなる群から選択される少なくとも一種であり、元素B2は、CeおよびZrよりなる群から選択される少なくとも一種であり、元素C2は、Y、Yb、Er、Ho、Tm、Gd、InおよびScよりなる群から選択される少なくとも一種であり、0.85≦x≦1、0.5≦y<1、δは酸素欠損量である。)
で表される、請求項1または請求項2に記載の電解質層-アノード複合部材。 - 前記アノードの前記厚みTaと前記固体電解質層の厚みTeとは、0.003≦Te/Ta≦0.036の関係を満たす、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の電解質層-アノード複合部材。
- 前記固体電解質層の厚みTeは、30μm以下である、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の電解質層-アノード複合部材。
- 前記アノードは、その形状が円形のシート状であり、
前記アノードの前記厚みTaと前記アノードの直径Daとは、55≦Ta/Da≦300の関係を満たす、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の電解質層-アノード複合部材。 - 前記アノードの直径Daは、15cm以下である、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の電解質層-アノード複合部材。
- 前記アノードの前記厚みTaは、1500μm以下である、請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の電解質層-アノード複合部材。
- 請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の電解質層-アノード複合部材と、
カソードと、を備える、セル構造体であって、
前記カソードは、その形状がシート状であり、
前記カソードは、前記電解質層-アノード複合部材の前記固体電解質上に積層されている、セル構造体。
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