JP7377051B2 - 固体酸化物型燃料電池およびその製造方法 - Google Patents

固体酸化物型燃料電池およびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池およびその製造方法に関する。
固体酸化物型燃料電池では、酸素イオン伝導性を有する固体酸化物電解質層と、アノードと、カソードとが備わっている。アノードでは、カソードから固体酸化物電解質層を経由してきた酸素イオンと、燃料ガスに含まれる水素とが反応する。この反応により、発電が行われる。このようなアノードには、電子伝導性が求められる。そこで、アノードに、電子伝導性を有するLaTiO系材料を含む技術が開示されている(例えば、特許文献1,2参照)。
特開2012-33418号公報 特表2009-541955号公報
ところで、セラミックス製の固体酸化物型燃料電池は、熱衝撃、機械的衝撃に弱いという課題を有している。そこで、振動や衝撃に強く、急速な昇降温に耐えられるように、燃料電池をメタルサポートセルの構造とすることが考えられる。しかしながら、金属の支持体は、酸化を抑制する目的で、強還元雰囲気で焼成される。そこで、強還元雰囲気でも焼成可能なアノードの開発が望まれる。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、強還元雰囲気でも焼成可能なアノードを有する固体酸化物型燃料電池およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る固体酸化物型燃料電池は、金属を主成分とする支持体と、前記支持体によって支持されるアノードと、を備え、前記アノードは、組成式がABOで表されるペロブスカイト型酸化物であってAサイトがCa、Sr、Ba、Laの群から選ばれる少なくとも1種であり、Bサイトが少なくともCrを含むペロブスカイト型酸化物を、電子伝導性を有する第1酸化物として有することを特徴とする。
上記固体酸化物型燃料電池の前記アノードの断面において、{CrOの面積/(CrOの面積+前記第1酸化物の面積)}は、10%以下としてもよい。
上記固体酸化物型燃料電池において、前記アノードは、前記第1酸化物と、酸素イオン伝導性を有する第2酸化物とで電極骨格を構成していてもよい。
上記固体酸化物型燃料電池の前記アノードの断面において、前記第1酸化物、前記第2酸化物および空隙の面積割合は、それぞれ20%以上60%以下としてもよい。
上記固体酸化物型燃料電池において、前記支持体、前記混合層および前記アノードにおける空隙率は、前記支持体>前記混合層>前記アノードの関係を有していてもよい。
上記固体酸化物型燃料電池において、前記第1酸化物は、LaCrO系材料またはBサイトの一部にTiを含むLaCrO系材料としてもよい。
上記固体酸化物型燃料電池において、前記アノードは、電極骨格に担持された触媒を備えていてもよい。
上記固体酸化物型燃料電池において、前記触媒は、触媒金属と、酸素イオン伝導性を有する第3酸化物とを含んでいてもよい。
本発明に係る固体酸化物型燃料電池の製造方法は、金属材料粉末を含む支持体グリーンシートと、組成式がABOで表されるペロブスカイト型酸化物であって、AサイトがCa、Sr、Ba、Laの群から選ばれる少なくとも1種であり、Bサイトが少なくともCrを含むペロブスカイト型酸化物をセラミックス材料粉末として含むアノードグリーンシートと、が積層された積層体を準備する工程と、還元雰囲気で前記積層体を焼成する工程と、を含むことを特徴とする。
上記固体酸化物型燃料電池の製造方法において、前記還元雰囲気は、酸素分圧が10-16atm以下としてもよい。
本発明によれば、強還元雰囲気でも焼成可能なアノードを有する固体酸化物型燃料電池およびその製造方法を提供することができる。
燃料電池の積層構造を例示する模式的断面図である。 支持体、混合層およびアノードの詳細を例示する拡大断面図である。 燃料電池の製造方法のフローを例示する図である。 実施例1,2および比較例1,2の製造条件および結果を示す図である。
以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。
図1は、固体酸化物型の燃料電池100の積層構造を例示する模式的断面図である。図1で例示するように、燃料電池100は、一例として、支持体10上に、混合層20、アノード30、電解質層40、反応防止層50、およびカソード60がこの順に積層された構造を有する。複数の燃料電池100を積層させて、燃料電池スタックを構成してもよい。
電解質層40は、酸素イオン伝導性を有する固体酸化物を主成分とし、ガス不透過性を有する緻密層である。電解質層40は、スカンジア・イットリア安定化酸化ジルコニウム(ScYSZ)などを主成分とすることが好ましい。Y+Scの濃度は6mol%~15mol%の間で酸素イオン伝導性が最も高く、この組成の材料を用いることが望ましい。また、電解質層40の厚みは、20μm以下であることが好ましく、より望ましいのは10μm以下である。電解質は薄いほど良いが、両側のガスが漏れないように製造するためには、1μm以上の厚みが望ましい。
カソード60は、カソードとしての電極活性を有する電極であり、電子伝導性および酸素イオン伝導性を有する。例えば、カソード60は、電子伝導性および酸素イオン伝導性を有するLSC(ランタンストロンチウムコバルタイト)などである。LSCは、Sr(ストロンチウム)がドープされたLaCoOである。
反応防止層50は、電解質層40とカソード60との反応を防止する成分を主成分とする。例えば、反応防止層50は、Gd(ガドリニウム)がCeOにドープされたGDC(Gdドープセリア)などを主成分とする。一例として、電解質層40がScYSZを含有し、カソード60がLSCを含有する場合には、反応防止層50は、以下の反応を防止する。
Sr+ZrO→SrZrO
La+ZrO→LaZr
図2は、支持体10、混合層20およびアノード30の詳細を例示する拡大断面図である。図2で例示するように、支持体10は、ガス透過性を有するとともに、混合層20、アノード30、電解質層40、反応防止層50およびカソード60を支持可能な部材である。支持体10は、金属多孔体であり、例えば、Fe-Cr合金の多孔体などである。
アノード30は、アノードとしての電極活性を有する電極であり、セラミックス材料の電極骨格を有する。電極骨格には、金属成分が含まれていない。この構成では、高温還元雰囲気での焼成時に、金属成分の粗大化によるアノードの空隙率の低下が抑制される。また、支持体10の金属成分との合金化が抑制され、触媒機能低下が抑制される。
アノード30の電極骨格は、電子伝導性および酸素イオン伝導性を有していることが好ましい。アノード30は、電子伝導性材料として、第1酸化物31を含有していることが好ましい。第1酸化物31として、例えば、組成式がABOで表されるペロブスカイト型酸化物であって、AサイトがCa、Sr、Ba、Laの群から選ばれる少なくとも1種であり、Bサイトが少なくともCrを含むペロブスカイト型酸化物を用いることができる。このペロブスカイト型酸化物は、良好な電子伝導性を有している。AサイトとBサイトとのモル比は、B≧Aであってもよい。具体的には、第1酸化物31として、LaCrO系材料などを用いることができる。第1酸化物31が含むペロブスカイト型酸化物のBサイトに、Crに加えて他の元素(例えば、Ti)も含まれていてもよい。例えば、LaCrO系材料は、BサイトにTiとCrとが同時に存在する場合に、LaCrTi1-xと表記した場合に、xは0.5以上1以下である。
なお、第1酸化物31の分解に起因するCrOの生成量がアノード30内に多いと、アノード30に良好な電子伝導性が得られないおそれがある。そこで、CrO量に下限が設けられていることが好ましい。例えば、アノード30の断面を観察した場合に、{CrOの面積/(CrOの面積+第1酸化物31の面積)}は、10%以下であることが好ましく、5%以下であることがより好ましく、1%以下であることがさらに好ましい。ペロブスカイト型酸化物の面積およびCrOの面積は、断面のSEM-EDSマッピングにより測定することができる。
また、アノード30の電極骨格は、酸素イオン伝導性材料として、第2酸化物32を含有していることが好ましい。第2酸化物32は、ScYSZなどである。例えば、スカンジア(Sc)が5mol%~16mol%で、イットリア(Y)が1mol%~3mol%の組成範囲を有するScYSZを用いることが好ましい。スカンジアとイットリアの添加量が合わせて6mol%~15mol%となるScYSZがさらに好ましい。この組成範囲で、酸素イオン伝導性が最も高くなるからである。なお、酸素イオン伝導性材料は、例えば、酸素イオンの輸率が99%以上の材料のことである。第2酸化物32として、GDCなどを用いてもよい。図2の例では、第2酸化物32として、電解質層40に含まれる固体酸化物と同じ固体酸化物を用いている。
図2で例示するように、アノード30において、例えば、第1酸化物31と第2酸化物32とが電極骨格を形成している。この電極骨格によって、複数の空隙が形成される。空隙部分の電極骨格の表面には、触媒が担持されている。したがって、空間的に連続して形成されている電極骨格において、複数の触媒が空間的に分散して配置されている。触媒として、複合触媒を用いることが好ましい。例えば、複合触媒として、酸素イオン伝導性を有する第3酸化物33と、触媒金属34とが、電極骨格の表面に担持されていることが好ましい。第3酸化物33として、例えば、YがドープされたBaCe1-xZr(BCZY、x=0~1)、YがドープされたSrCe1-xZr(SCZY、x=0~1)、SrがドープされたLaScO(LSS)、GDCなどを用いることができる。触媒金属34として、Niなどを用いることができる。第3酸化物33は、第2酸化物32と同じ組成を有していてもよいが、異なる組成を有していてもよい。なお、触媒金属34として機能する金属は、未発電時には化合物の形態をとっていてもよい。例えば、Niは、NiO(酸化ニッケル)の形態をとっていてもよい。これらの化合物は、発電時には、アノード30に供給される還元性の燃料ガスによって還元され、アノード触媒として機能する金属の形態をとるようになる。
燃料電池100が良好な発電性能を実現するためには、アノード30の断面において、電子伝導パス、イオン伝導パスおよび空隙の面積に適切なバランスが取れていることが好ましい。例えば、アノード30の断面において、第1酸化物31、第2酸化物32および空隙の面積割合は、それぞれ20%以上60%以下であることが好ましい。例えば、アノード30の断面において、第1酸化物31の面積割合が60%で、第2酸化物32の面積割合が20%で、空隙の面積割合が20%である。または、アノード30の断面において、第1酸化物31の面積割合、第2酸化物32の面積割合、および空隙の面積割合が、それぞれ33%であることが好ましい。
混合層20は、金属材料21とセラミックス材料22とを含有する。混合層20において、金属材料21とセラミックス材料22とがランダムに混合されている。したがって、金属材料21の層とセラミックス材料22の層とが積層されたような構造が形成されているわけではない。混合層20においても、複数の空隙が形成されている。金属材料21は、金属であれば特に限定されるものではない。図2の例では、金属材料21として、支持体10と同じ金属材料が用いられている。セラミックス材料22として、第1酸化物31、第2酸化物32などを用いることができる。例えば、セラミックス材料22として、ScYSZ、GDC、LaTiO系材料、LaCrO系材料などを用いることができる。LaTiO系材料およびLaCrO系材料は高い電子伝導性を有するため、混合層20におけるオーム抵抗を小さくすることができる。セラミックス材料22として、第1酸化物31と同じ酸化物を用いることが好ましい。
燃料電池100は、以下の作用によって発電する。カソード60には、空気などの、酸素を含有する酸化剤ガスが供給される。カソード60においては、カソード60に到達した酸素と、外部電気回路から供給される電子とが反応して酸素イオンになる。酸素イオンは、電解質層40を伝導してアノード30側に移動する。一方、支持体10には、水素ガス、改質ガスなどの、水素を含有する燃料ガスが供給される。燃料ガスは、支持体10および混合層20を介してアノード30に到達する。アノード30に到達した水素は、アノード30において電子を放出するとともに、カソード60側から電解質層40を伝導してくる酸素イオンと反応して水(HO)になる。放出された電子は、外部電気回路によって外部に取り出される。外部に取り出された電子は、電気的な仕事をした後に、カソード60に供給される。以上の作用によって、発電が行われる。
以上の発電反応において、触媒金属34は、水素と酸素イオンとの反応における触媒として機能する。第1酸化物31は、水素と酸素イオンとの反応によって得られる電子の伝導を担う。第2酸化物32は、電解質層40からアノード30に到達した酸素イオンの伝導を担う。
本実施形態に係る燃料電池100は、金属を主成分とする支持体10を備えることから、熱衝撃、機械的衝撃等に強い構成を有している。この支持体10は、金属を主成分とすることから、強還元雰囲気で焼成される。第1酸化物31は、組成式がABOで表されるペロブスカイト型酸化物であって、AサイトがCa、Sr、Ba、Laの群から選ばれる少なくとも1種であり、Bサイトが少なくともCrを含むペロブスカイト型酸化物であるため、アノード30は強還元雰囲気で安定して焼成することができる。したがって、支持体10とアノード30とを同時に焼成することができるため、燃料電池100の作製が可能となる。また、第1酸化物31は、良好な電子伝導性を有していることから、燃料電池100は、良好な発電性能を実現することができる。
ところで、本実施形態においては、支持体10が金属を主成分とし、アノード30の電極骨格がセラミックスによって構成されている。このような構造において、支持体10とアノード30とが接触するように焼成した場合、金属とセラミックスとの材料性質差に起因して、支持体10とアノード30との間に層間剥がれが生じるおそれがある。特に、強還元雰囲気で焼成されたセラミックスは、金属との密着性が悪くなる。これに対して、本実施形態に係る燃料電池100においては、支持体10とアノード30との間に混合層20が設けられていることが好ましい。混合層20は、金属材料21とセラミックス材料22とを含有することから、金属の材料性質とセラミックスの材料性質とを併せ持つ。したがって、混合層20は、支持体10との間に高い密着性を有するとともに、アノード30との間に高い密着性を有する。以上のことから、支持体10とアノード30との間の層間剥がれを抑制することができる。
また、本実施形態に係る燃料電池100においては、アノード30の電極骨格に第3酸化物33が担持されている。この構造では、先に電極骨格を焼成によって形成し、その後に第3酸化物33を含浸させて低温で焼成することが可能となる。したがって、第2酸化物32と第3酸化物33とが同じ組成を有していなくても、酸化物間反応が抑制される。したがって、第3酸化物33として、複合触媒に適した酸化物を選択する自由度が大きくなる。
また、支持体10における空隙率、混合層20における空隙率、アノード30における空隙率との間には、(支持体10>混合層20>アノード30)の関係が成立することが好ましい。この関係が成立することで、支持体10においては十分なガス透過性が得られる。アノード30は、比較的低い空隙率を有することによって、ガス透過性を保ちつつ、高い電子伝導性と高い酸素イオン伝導性が得られる。混合層20では、ガス透過性が得られるとともに、支持体10との接触面積が得られて支持体10との密着性が得られるようになる。空隙率は、試料断面SEM像に基づき、見積った空隙の面積と全体の面積の比によって計算した数字である。
以下、燃料電池100の製造方法について説明する。図3は、燃料電池100の製造方法のフローを例示する図である。
(支持体用材料の作製工程)
支持体用材料として、金属粉末(例えば、粒径が10μm~100μm)、可塑剤(例えば、シートの密着性を調整するため、1wt%~6wt%まで調整)、溶剤(トルエン、2-プロパノール(IPA)、1-ブタノール、ターピネオール、酢酸ブチル、エタノールなどで、粘度に応じて20wt%~30wt%)、消失材(有機物)、バインダ(PVB、アクリル樹脂、エチルセルロースなど)を混合してスラリとする。支持体用材料は、支持体10を形成するための材料として用いる。有機成分(消失材、バインダ固形分、可塑剤)と金属粉末との体積比は、例えば1:1~20:1の範囲とし、空隙率に応じて有機成分量を調整する。
(混合層用材料の作製工程)
混合層用材料として、セラミックス材料22の原料であるセラミックス材料粉末(例えば、粒径が100nm~10μm)、金属材料21の原料である小粒径の金属材料粉末(例えば、粒径が1μm~10μm)、溶剤(トルエン、2-プロパノール(IPA)、1-ブタノール、ターピネオール、酢酸ブチル、エタノールなどで、粘度に応じて20wt%~30wt%)、可塑剤(例えば、シートの密着性を調整するため、1wt%~6wt%まで調整)、消失材(有機物)、およびバインダ(PVB、アクリル樹脂、エチルセルロースなど)を混合してスラリとする。有機成分(消失材、バインダ固形分、可塑剤)と、セラミックス材料粉末および金属材料粉末と、の体積比は、例えば1:1~5:1の範囲とし、空隙率に応じて有機成分量を調整する。また、空隙の孔径は、消失材の粒径を調整することによって制御される。セラミックス材料粉末は、電子伝導性材料粉末と酸化物イオン伝導性材料粉末とを含んでいてもよい。この場合、電子伝導性材料粉末と酸化物イオン伝導性材料粉末との体積比率は、例えば、1:9~9:1の範囲とすることが好ましい。また、電子伝導性材料の代わりに電解質材料ScYSZ、GDCなどを用いても界面のはがれが無く、セルの作製が可能である。ただし、オーム抵抗を小さくする観点から、電子伝導性材料と金属粉末とを混合することが好ましい。
(アノード用材料の作製工程)
アノード用材料として、電極骨格を構成するセラミックス材料粉末、溶剤(トルエン、2-プロパノール(IPA)、1-ブタノール、ターピネオール、酢酸ブチル、エタノールなどで、粘度に応じて20wt%~30wt%)、可塑剤(例えば、シートの密着性を調整するため、1wt%~6wt%まで調整)、消失材(有機物)、およびバインダ(PVB、アクリル樹脂、エチルセルロースなど)を混合してスラリとする。電極骨格を構成するセラミックス材料粉末として、第1酸化物31の原料である電子伝導性材料粉末(例えば、粒径が100nm~10μm)、第2酸化物32の原料である酸素イオン伝導性材料粉末(例えば、粒径が100nm~10μm)などを用いてもよい。有機成分(消失材、バインダ固形分、可塑剤)と電子伝導性材料粉末との体積比は、例えば1:1~5:1の範囲とし、空隙率に応じて有機成分量を調整する。また、空隙の孔径は、消失材の粒径を調整することによって制御される。電子伝導性材料粉末と酸素イオン伝導性材料粉末との体積比率は、例えば、3:7~7:3の範囲とする。
(電解質層用材料の作製工程)
電解質層用材料として、酸素イオン伝導性材料粉末(例えば、ScYSZ、YSZ、GDCなどであって、粒径が10nm~1000nm)、溶剤(トルエン、2-プロパノール(IPA)、1-ブタノール、ターピネオール、酢酸ブチル、エタノールなどで、粘度に応じて20wt%~30wt%)、可塑剤(例えば、シートの密着性を調整するため、1wt%~6wt%まで調整)、およびバインダ(PVB、アクリル樹脂、エチルセルロースなど)を混合してスラリとする。有機成分(バインダ固形分、可塑剤)と酸素イオン伝導性材料粉末との体積比は、例えば6:4~3:4の範囲とする。
(カソード用材料の作製工程)
カソード用材料として、ランタンストロンチウムコバルタイト(LSC:LaSrCoO)の粉末を溶剤(トルエン、2-プロパノール(IPA)、1-ブタノール、ターピネオール、酢酸ブチル、エタノールなどで、粘度に応じて20wt%~30wt%、可塑剤(例えば、シートの密着性を調整するため、1wt%~6wt%まで調整)、およびバインダ(PVB、アクリル樹脂、エチルセルロースなど)を混合してスラリとする。有機成分(バインダ固形分、可塑剤)と、LSC粉末との体積比は、例えば6:4~1:4の範囲とする。
(焼成工程)
まず、PET(ポリエチレンテレフタレート)フィルム上に、支持体用材料を塗工することで、支持体グリーンシートを作製する。別のPETフィルム上に、混合層用材料を塗工することで、混合層グリーンシートを作製する。別のPETフィルム上に、アノード用材料を塗工することで、アノードグリーンシートを作製する。別のPETフィルム上に、電解質層用材料を塗工することで、電解質層グリーンシートを作製する。例えば、支持体グリーンシートを複数枚、混合層グリーンシートを1枚、アノードグリーンシートを1枚、電解質層グリーンシートを1枚の順に積層し、所定の大きさにカットし、酸素分圧が10-16atm以下の還元雰囲気において1100℃~1300℃程度の温度範囲で焼成する。それにより、支持体10、混合層20、アノード30の電極骨格、および電解質層40を備えるハーフセルを得ることができる。炉内に流す還元ガスは、H(水素)を不燃ガス(Ar(アルゴン)、He(ヘリウム)、N(窒素)など)で希釈したガスであってもよく、Hが100%のガスであってもよい。安全を考慮して、爆発限界までの上限を設けることが好ましい。例えば、HとArの混合ガスの場合には、Hの濃度は4体積%以下であることが好ましい。
(含浸工程)
次に、第3酸化物33および触媒金属34の原料を、アノード30の電極骨格内に含浸させる。例えば、還元雰囲気で所定の温度で焼成するとGdドープセリアあるいはSc,YドープジルコニアとNiが生成するように、Zr、Y、Sc、Ce、Gd、Niの各硝酸塩または塩化物を水またはアルコール類(エタノール、2-プロパノール、メタノールなど)に溶かし、ハーフセルを含浸、乾燥させ、熱処理を必要回数繰り返す。
(反応防止層形成工程)
反応防止層50として、例えば、PVDにより、Ce0.8Gd0.22-xを、厚みが1μmとなるように成膜させることができる。
(カソード形成工程)
次に、反応防止層50上に、スクリーン印刷等により、カソード用材料を塗布し、乾燥させる。その後、熱処理によってカソードを焼結させる。以上の工程により、燃料電池100を作製することができる。
本実施形態に係る製造方法によれば、組成式がABOで表されるペロブスカイト型酸化物であって、AサイトがCa、Sr、Ba、Laの群から選ばれる少なくとも1種であり、Bサイトが少なくともCrを含むペロブスカイト型酸化物を第1酸化物31として用いるため、アノード30を強還元雰囲気で安定して焼成することができる。したがって、支持体10とアノード30とを同時に焼成することができるため、燃料電池100の作製が可能となる。支持体10は金属を主成分とすることから、燃料電池100は、熱衝撃、機械的衝撃等に強い構成を有するようになる。また、第1酸化物31は、良好な電子伝導性を有していることから、燃料電池100は、良好な発電性能を実現することができる。
例えば、焼成雰囲気の酸素分圧を10-16atm以下とすることで、第1酸化物31の分解に伴うCrOの生成を抑制することができる。それにより、第1酸化物31が良好な電子伝導性を実現する。CrOの生成を抑制する観点から、焼成雰囲気の酸素分圧は、10-20atm以下であることが好ましく、10-22atm以下であることがより好ましい。
また、混合層用材料に金属材料とセラミックス材料とが含まれていることから、焼成後の混合層20は、金属材料21とセラミックス材料22とを含有するようになる。それにより、混合層20は、金属の材料性質とセラミックスの材料性質とを併せ持つ。したがって、支持体10とアノード30との間の層間剥がれを抑制することができる。
また、支持体10における空隙率、混合層20における空隙率、アノード30における空隙率との間に、(支持体10>混合層20>アノード30)の関係が成立するように、支持体用材料、混合層用材料、およびアノード用材料における消失材の量を調整することが好ましい。この関係が成立することで、支持体10においては十分なガス透過性が得られる。アノード30は、緻密になって高い酸素イオン伝導性が得られる。混合層20では、ガス透過性が得られるとともに、支持体10との接触面積が得られて支持体10との密着性が得られるようになる。
また、本実施形態に係る製造方法では、先に電極骨格を焼成によって形成し、その後に複合触媒を含浸させて低温(例えば、850℃以下)で焼成することが可能である。したがって、第2酸化物32と第3酸化物33とが同じ組成を有していなくても、酸化物間反応が抑制される。したがって、第3酸化物33として、複合触媒に適した酸化物を選択する自由度が大きくなる。
上記実施形態に係る製造方法に従って、燃料電池100を作製した。
(実施例1)
支持体用材料として、SUS(ステンレス)の粉末を用いた。電解質層40として、ScYSZを用いた。アノード30の第1酸化物31にLaCrO系材料を用いて、第2酸化物32にはScYSZを用いた。第3酸化物にはGDCを用い、触媒金属34にはNiを用いた。第1酸化物31と第2酸化物32とで、電極骨格を形成した。混合層20のセラミックス材料22には、LaCrO系材料を用いた。混合層20の金属材料21には、SUSを用いた。積層したセルは、酸素分圧が10-16atm以下の還元雰囲気下で焼成した。また、複合触媒を含浸した後に大気雰囲気下で850℃以下の温度にて焼成した。
(実施例2)
電解質層40として、ScYSZを用いた。アノード30の第1酸化物31にLaCr0.9Ti0.1系材料を用い、第2酸化物32にSYSZを用いた。第3酸化物にはGDCを用い、触媒金属34にはNiを用いた。第1酸化物31と第2酸化物32とで、電極骨格を形成した。混合層20のセラミックス材料22には、LaCrO系材料を用いた。混合層20の金属材料21には、SUSを用いた。積層したセルは、酸素分圧が10-16atm以下の還元雰囲気下で焼成した。また、複合触媒を含浸した後に大気雰囲気下で850℃以下の温度にて焼成した。
(比較例1)
アノード30の第1酸化物31にLaTiO系材料を用いた。混合層20のセラミックス材料22に、LaTiO系材料を用いた。他の条件は、実施例1と同様とした。
(比較例2)
支持体用材料として、LaCrO系材料を用いた。混合層20を設けなかった。積層したセルは、大気雰囲気で焼成した。他の条件は、実施例1と同様とした。
実施例1,2および比較例1,2の製造条件を図4に示す。
(発電評価)
実施例1,2および比較例1,2の燃料電池に対してインピーダンス測定を行うことで、各抵抗値を分離し、燃料電池全体のオーム抵抗およびアノード30の反応抵抗を測定した。実施例1では、オーム抵抗は0.25Ω・cmであり、アノード30における反応抵抗は0.28Ω・cmであった。実施例2では、オーム抵抗は0.26Ω・cmであり、アノード30における反応抵抗は0.28Ω・cmであった。
実施例1,2の結果から、アノード30の第1酸化物31として、組成式がABOで表されるペロブスカイト型酸化物であって、AサイトがCa、Sr、Ba、Laの群から選ばれる少なくとも1種であり、Bサイトが少なくともCrを含むペロブスカイト型酸化物を用いたことで、アノード30が強還元雰囲気で安定して焼成され、第1酸化物31が良好な電子伝導性を発揮し、オーム抵抗が良好となったと考えられる。また、実施例2の結果から、第1酸化物31のペロブスカイト型酸化物のBサイトにCrに加えてTiなどの他の元素が添加されても、良好な電子伝導性が得られることがわかった。
なお、実施例1について、焼成後のセル断面をSEM-EDSで観察した結果、アノード30において、{CrOの面積/(CrOの面積+第1酸化物31の面積)}は、5%以下となったことが確認された。これは、強還元雰囲気で焼成したことでCrOの凝集が抑制されたからであると考えられる。また、アノード30の断面において、第1酸化物31の面積割合は27%であり、第2酸化物32の面積割合は27%であり、空隙の面積割合は46%であった。また、実施例1,2のいずれにおいても、層間剥がれが発生しなかった。これは、混合層20を設けたからであると考えられる。
比較例1では、オーム抵抗は0.25Ω・cmであり、アノード30における反応抵抗は0.40Ω・cmであった。このように、比較例1では、実施例1,2と比較して発電性能が低下した。強還元雰囲気において、LaTiO系材料は耐還元性が低く、Tiの還元による酸素欠陥を生じるため、粒成長が進みやすい。したがって、実施例1,2のLaCrO系材料より緻密になりやすく、焼成後のアノードの空隙率が低下したため、発電特性が悪くなったと考えられる。断面のSEM-EDSを確認した結果、LaTiO系材料を用いたアノードの空隙面積は全体の30%以下であることが確認した。空隙が少ない影響で、ガスの拡散は悪くなり、実施例1ほど高い発電特性が得られなかった要因として考えられる。
比較例2では、オーム抵抗は0.31Ω・cmであり、アノード30における反応抵抗は0.78Ω・cmであった。このように、比較例2では、実施例1,2と比較して発電性能が低下した。これは、支持体にセラミック材料を用いたことで、金属の支持体よりも抵抗値が高くなったからであると考えられる。さらに、大気雰囲気で焼成したことで、第1酸化物31のLaCrO系材料が分解してCrOが多く生成されたからであると考えられる。セル断面のSEM-EDS観察した結果、{CrOの面積/(CrOの面積+第1酸化物31の面積)}が30%程度となっていることが確認された。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
10 支持体
20 混合層
21 金属材料
22 セラミックス材料
30 アノード
31 第1酸化物
32 第2酸化物
33 第3酸化物
34 触媒金属
40 電解質層
50 反応防止層
60 カソード
100 燃料電池

Claims (7)

  1. 金属を主成分とする支持体と、
    前記支持体によって支持されるアノードと、を備え、
    前記アノードは、組成式がABOで表されるペロブスカイト型酸化物であってAがCa、Sr、Ba、Laの群から選ばれる少なくとも1種であり、Bが少なくともCrを含むペロブスカイト型酸化物を、電子伝導性を有する第1酸化物として有し、
    前記アノードは、前記第1酸化物と、酸素イオン伝導性を有する第2酸化物とで電極骨格を構成しており、
    前記アノードの断面において、前記第1酸化物、前記第2酸化物および空隙の面積割合は、それぞれ20%以上60%以下であることを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
  2. 前記アノードの断面において、{CrOの面積/(CrOの面積+前記第1酸化物の面積)}は、10%以下であることを特徴とする請求項1記載の固体酸化物型燃料電池。
  3. 金属を主成分とする支持体と、
    前記支持体上に設けられ、金属材料とセラミックス材料とがランダムに混合された混合層と、
    前記混合層上に設けられたアノードと、を備え、
    前記アノードは、組成式がABO で表されるペロブスカイト型酸化物であってAがCa、Sr、Ba、Laの群から選ばれる少なくとも1種であり、Bが少なくともCrを含むペロブスカイト型酸化物を、電子伝導性を有する第1酸化物として有し、
    前記支持体、前記混合層および前記アノードにおける空隙率は、前記支持体>前記混合層>前記アノードの関係を有することを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
  4. 前記第1酸化物は、LaCrO系材料またはTiを含むLaCrO系材料であることを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池。
  5. 前記アノードは、電極骨格に担持された触媒を備えることを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池。
  6. 前記触媒は、触媒金属と、酸素イオン伝導性を有する第3酸化物とを含むことを特徴とする請求項5に記載の固体酸化物型燃料電池。
  7. 金属材料粉末を含む支持体グリーンシートと、組成式がABOで表されるペロブスカイト型酸化物であって、AがCa、Sr、Ba、Laの群から選ばれる少なくとも1種であり、Bが少なくともCrを含むペロブスカイト型酸化物をセラミックス材料粉末として含むアノードグリーンシートと、が積層された積層体を準備する工程と、
    酸素分圧が10 -16 atm以下である還元雰囲気で前記積層体を焼成する工程と、を含むことを特徴とする固体酸化物型燃料電池の製造方法。
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