JP7336702B2 - 膜電極接合体および燃料電池 - Google Patents
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Description
従来、固体酸化物形燃料電池で使用されている電解質層は酸化物イオン伝導性を有するイットリア安定化ジルコニア(以下、「YSZ」と称する)であり、使用温度において高強度、高靭性を有することが知られている。このような固体酸化物形燃料電池では、電極(例えば、燃料極)はYSZとNiとからなる複合材料を用いており、それらの体積比率は半々程度となる。
本開示の実施の形態1に係る膜電極接合体10について、図1を参照して説明する。図1は、実施の形態1に係る電気化学デバイスが備える膜電極接合体10の構成を模式的に示す図である。
次に本開示の実施の形態1の変形例に係る電気化学デバイスが備える膜電極接合体20について、図2を参照して説明する。図2は、実施の形態1の変形例1に係る電気化学デバイスが備える膜電極接合体20の構成を模式的に示す図である。
次に本開示の実施の形態1の変形例2に係る電気化学デバイスが備える膜電極接合体30について、図3を参照して説明する。図3は、実施の形態1の変形例2に係る電気化学デバイスが備える膜電極接合体30の構成を模式的に示す図である。
およびBaaZr1-x-yCexMyO3(MはLa、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Y、Sc、Mn、Fe、Co、Ni、Al、Ga、In、Luからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、0<x<1、0<y<1、0.95≦a≦1.05)のうちのいずれか1つの組成式で表される電解質材料から構成される。
次に本開示の実施の形態2として、実施の形態1およびその変形例1、2の膜電極接合体10、20、30のいずれか1つを用いた電気化学デバイスの一例として、燃料電池について図4を参照して説明する。図4は、実施の形態2に係る燃料電池100の要部構成の一例を模式的に示すブロック図である。
ここで、上記した燃料電池単セル40の詳細な構成について図5を参照して説明する。図5は、実施の形態2に係る燃料電池100が備える、燃料電池単セル40の構成の一例を模式的に示す断面図である。
<評価用膜電極接合体の製造>
以下、本開示の実施例における評価用膜電極接合体の製造方法について説明する。なお、NiとBZYbの体積比率が46:54となる電極材料を比較例とする。また、NiとBZYbの体積比率が57:43となる電極材料を実施例A、69:31となる電極材料を実施例B、および84:16となる電極材料を実施例Cとして製造し、それぞれの機械特性を評価した。
次に、実施例A~Cおよび比較例に対する応力-ひずみ曲線の測定を以下のように実施した。すなわち、インストロン社万能試験機モデル5965型を用いて、高温、且つ水素ガス雰囲気となる作動温度および作動雰囲気下にて測定を行った。
次に、平板セルの反りにより発生する局所応力の影響を調べるために、Ni体積比率が上記した4種類の組成比となる電極材料を使用した平板セルについて、変形可能なたわみ量の算出を行った。具体的には、塑性変形を解析に取り入れるため有限要素モデルの多直線近似等方硬化則を用いてたわみ量の算出を行った。
次に、実施例の平板セルについて作動環境下における割れ評価を実施した。このとき平板セルの形状は、アノード支持体により支持された燃料極の厚みが500μm、電解質層の厚みが10μm、大きさ(すなわち、直径)がφ20mmとなる円板であり、平板セルの反り比率が表2に示す値となる平板セルについて評価した。
11 第1の電極
12 第1の固体電解質膜
13 第2の電極
14 第2の固体電解質膜
15 空気極
16a 燃料極集電材
16b 空気極集電材
17 シール部
18 セパレータ
19 インターコネクタ
20 膜電極接合体
21 燃料ガス供給経路
22 酸化剤ガス供給経路
30 膜電極接合体
31 燃料ガス流通領域
32 酸化剤ガス流通領域
33 絶縁層
40 燃料電池単セル
50 スタック
100 燃料電池
Claims (15)
- 金属と、プロトン伝導性を有する第1電解質とを含む複合材料から構成される電極と、
プロトン伝導性を有する第2電解質から構成される電解質層と、
を備え、前記電極と前記電解質層とが積層された膜電極接合体であって、
前記電極は、
前記金属が占める体積比率が57%以上である、膜電極接合体であって、
前記第1電解質および前記第2電解質は、Ba a Zr 1-x M x O 3 、Ba a Ce 1-x M x O 3 、およびBa a Zr 1-x-y Ce x M y O 3 (MはSc、Lu、Yb、およびTmからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、0<x<1、0<y<1、0.95≦a≦1.05)のうちのいずれか1つの組成式で表される、膜電極接合体。 - 前記電極は、焼結後の膜電極接合体の長さ方向における大きさをLとし、厚み方向の面内高低差をΔLとして、反り量をΔL/Lと規定した時、反りが低減する方向にΔL/Lが0.5%以上変形する、請求項1に記載の膜電極接合体。
- 前記電極は、前記金属が占める体積比率が69%以上、84%以下である、請求項1または2に記載の膜電極接合体。
- 前記金属は、Ni、Co、Fe、およびPdからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属から構成される、請求項1から3のいずれか1項に記載の膜電極接合体。
- 前記電極の多孔率が20%以上、50%以下である、請求項1から4のいずれか1項に記載の膜電極接合体。
- 前記第1電解質および前記第2電解質は、BaaZr1-xMxO3で表される、請求項1から5のいずれか1項に記載の膜電極接合体。
- 前記第1電解質および前記第2電解質は、Ba a Ce 1-x M x O 3 で表される、請求項1から5のいずれか1項に記載の膜電極接合体。
- 前記第1電解質および前記第2電解質は、Ba a Zr 1-x-y Ce x M y O 3 で表される、請求項1から5のいずれか1項に記載の膜電極接合体。
- 前記MはScである、請求項1から8のいずれか1項に記載の膜電極接合体。
- 前記Mは、Luである、請求項1から8のいずれか1項に記載の膜電極接合体。
- 前記Mは、Ybである、請求項1から8のいずれか1項に記載の膜電極接合体。
- 前記Mは、Tmである、請求項1から8のいずれか1項に記載の膜電極接合体。
- 前記電極の厚みは、前記電解質層の厚みより大きい、請求項1から12のいずれか1項に記載の膜電極接合体。
- 前記電極と前記電解質層との間において前記電解質層と接するように設けられ、前記電解質層との界面において前記電極よりも高い発電性能を有する機能層をさらに備えた、請求項1から13のいずれか1項に記載の膜電極接合体。
- 請求項1から14のいずれか1項に記載の膜電極接合体と、
酸化剤ガスが供給される空気極と、
前記電極に燃料ガスとして水素含有ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
前記空気極に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給経路と、を備え、
前記電解質層は前記電極と一方側の面で接し、前記一方側の面とは反対側となる他方側の面において前記空気極と接しており、前記電極、前記電解質層、および前記空気極の順に積層された、燃料電池。
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