JP7278241B2 - 電気化学反応単セル - Google Patents
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Description
A-1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1のII-IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1のIII-IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図4以降についても同様である。
一対のエンドプレート104,106は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
図4は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図5は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。
図2および図4に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通孔132を介して、空気室166に供給される。また、図3および図5に示すように、燃料ガス導入マニホールド171の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して燃料ガス導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通孔142を介して、燃料室176に供給される。
次に、本実施形態の燃料電池スタック100を構成する各単セル110における空気極114とその周辺部分の詳細構成について説明する。図6は、図4のX1部(単セル110の一部分)のXZ断面構成を拡大して示す説明図である。図6には、空気極側集電体134の一部と、空気極114の一部と、中間層180の一部と、電解質層112の一部とが示されている。
本実施形態の単セル110の製造方法は、例えば以下の通りである。
YSZ粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるジオクチルフタレート(DOP)と、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、例えば厚さ約10μmの電解質層用グリーンシートを得る。また、NiOの粉末をNi重量に換算して55質量部となるように秤量し、YSZの粉末45質量部と混合して混合粉末を得る。この混合粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、例えば厚さ270μmの燃料極用グリーンシートを得る。電解質層用グリーンシートと燃料極用グリーンシートとを貼り付けて、乾燥させる。その後、例えば1400℃にて焼成を行うことによって、電解質層112と燃料極116との積層体を得る。
GDC粉末にYSZ粉末を添加し、高純度ジルコニア玉石にて60時間、分散混合を行う。混合後の粉末に、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを加えて混合し、粘度を調整して中間層用ペーストを調製する。得られた中間層用ペーストを、上述した電解質層112と燃料極116との積層体における電解質層112の表面にスクリーン印刷によって塗布し、例えば1200℃で焼成を行う。これにより、中間層180が形成され、中間層180と電解質層112と燃料極116との積層体を得る。
粉砕したLSCF粉末と、GDC粉末と、アルミナ粉末と、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを混合し、粘度を調整して、空気極機能層用ペーストを調製する。この際に混合されるLSCF粉末とGDC粉末との重量比は、例えば1:1である。次に、得られた空気極機能層用ペーストを、上述した中間層180と電解質層112と燃料極116との積層体における中間層180の表面にスクリーン印刷によって塗布し、乾燥させる。
上述した空気極114の機能層210の各特性は、例えば以下のようにして調整することができる。
上述した空気極114の各特性は、例えば以下のようにして特定することができる。
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック100は、単セル110を備えている。単セル110は、電解質層112と、電解質層112の上方(上下方向の一方)側に配置された空気極114と、電解質層112の下方(上下方向の他方)側に配置された燃料極116と、を備えている。空気極114は、複数の気孔が形成された機能層210を含んでいる。機能層210は、ABO3で表されるペロブスカイト型酸化物(以下、「第1の材料」という。)と、希土類元素ドープ酸化セリウム(以下、「第2の材料」という。)と、を含有する。機能層210の上方側の表面に、集電層220(機能層210以外の部材)が接合されている。機能層210に含有される第1の材料のAサイトに位置する元素のモル数の合計をAtとし、当該第1の材料のBサイトに位置する元素のモル数の合計をBtとしたときに、数式:At/Bt≦1.025を満たし、かつ、機能層210に含有される第1の材料の平均結晶子サイズは、第2の材料の平均結晶子サイズよりも小さい。
次に、本実施形態の性能評価について説明する。各特性が互いに異なる複数の単セル110のサンプルを作製し、当該サンプル(「単セル110の電気的性能についての評価」については後述するボタンセル)を用いて性能評価を行った。図7は、性能評価結果を示す説明図である。
各サンプル(単セル110)について、空気極114の集電層220の表面に粘着テープを貼り、粘着テープを剥がす際の機能層210と集電層220との剥離の有無を確認した。粘着テープを剥がした後に粘着テープに付着している空気極114(集電層220)の量(面積)が所定の判定閾値(以下、「第1の判定閾値」という。)以下であったサンプルを「合格(○)」と評価し、粘着テープに付着している空気極114の量が第1の判定閾値より多かったサンプルを「不合格(×)」と評価した。なお、第1の判定閾値として、空気極114(集電層220)の表面のうち、粘着テープが貼られた部分の面積の30%の値を用いた。その評価結果は、図7の「機能層210と集電層220との接合強度」欄に示されている通りである。
本評価では、上記の単セル110の3個のサンプル(サンプルS1~S3)に換えて、上述した単セル110の製造方法に倣って作製した3個のボタンセルが用いられた。各サンプル(ボタンセル)は、At/Btの値および結晶子サイズの大小関係が上記の単セル110の各サンプルと同様であるものであり、上下方向視で25mmの辺を有する四角形をなす燃料極116および電解質層112を備える積層体の上に、上下方向視で直径13mmの円形をなす空気極114が形成されたものである。下記において、便宜上、上記の単セル110のサンプルとAt/Btの値および結晶子サイズの大小関係が同一であるボタンセルのサンプルを同じ符号を付して呼ぶ(例えばサンプルS1)。
総合評価としては、機能層210と集電層220との接合強度についての評価と、単セル110の電気的性能についての評価との両方が「合格」であれば、「合格(○)」と評価し、これらのうち少なくとも1つが「不合格」であれば、「不合格(×)」と評価した。
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
Claims (3)
- 電解質層と、
前記電解質層の第1の方向の一方側に配置された空気極であって、複数の気孔が形成された第1の空気極層を含み、前記第1の空気極層は、ABO3で表されるペロブスカイト型酸化物である第1の材料と、希土類元素ドープ酸化セリウムと希土類元素ドープ酸化ジルコニウムとの少なくとも一方である第2の材料と、を含有する、空気極と、
前記電解質層の前記第1の方向の他方側に配置された燃料極と、
を備える電気化学反応単セルであって、
前記第1の材料は、Aイオンが希土類元素とアルカリ土類元素との少なくとも一方であり、かつ、Bイオンが第4周期遷移元素である前記ペロブスカイト型酸化物であり、
前記第1の空気極層の前記一方側の表面に、前記第1の空気極層以外の部材が接合され、
前記第1の空気極層に含有される前記第1の材料のAサイトに位置する元素のモル数の合計をAtとし、当該第1の材料のBサイトに位置する元素のモル数の合計をBtとしたときに、数式:0.900≦At/Bt≦1.025を満たし、かつ、
前記第1の空気極層に含有される前記第1の材料の平均結晶子サイズは、前記第2の材料の平均結晶子サイズよりも小さい、
ことを特徴とする、電気化学反応単セル。 - 請求項1に記載の電気化学反応単セルであって、
前記空気極は、前記第1の空気極層の気孔率よりも大きい気孔率を有する第2の空気極層を含み、
前記第1の空気極層の前記一方側の表面に、前記第2の空気極層が接合されている、
ことを特徴とする、電気化学反応単セル。 - 請求項1または請求項2に記載の電気化学反応単セルであって、
前記第1の材料は、ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物である、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
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