JP7395981B2 - セル構造体の中間体、セル構造体及びセル構造体の製造方法 - Google Patents

セル構造体の中間体、セル構造体及びセル構造体の製造方法 Download PDF

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本発明は、セル構造体の中間体、セル構造体及びセル構造体の製造方法に関する。
従来、電解質層、アノード多孔質体、支持体を積層して焼成した中間体に、触媒溶液を含浸して、アノード触媒層を形成する固体酸化物型燃料電池セル(セル構造体)の製造方法が知られている。
ところで、固体酸化物型燃料電池セルの電解質層には薄膜セラミックスが用いられる。薄膜セラミックスは脆弱であるため、製造工程において焼成時の凝集度が不十分で電解質層の緻密性が十分に保たれない場合、電解質層内部に残存する微細な隙間が電解質クラックを誘発し、電解質層を貫通する隙間が形成され易い。電解質層に隙間が形成された燃料電池セルを用いると、燃料電池を作動させた際にガス漏れ(リークパス)を引き起こしてしまう可能性がある。
特許文献1には、多孔質構造を有するアノードと、アノードの多孔質構造内に担持された改質触媒と、カソードと、アノードとカソードの間に挟まれた電解質と、を有する燃料電池セルの製造方法が開示されている。この燃料電池セルの製造方法では、アノードと、カソードと、電解質と、を有する単セル(中間体)のアノード面上に、触媒溶液を滴下する滴下工程を設けている。
特開2012-204277号公報
特許文献1に記載された燃料電池セルの製造方法では、中間体に触媒溶液を滴下するため、触媒溶液により電解質に形成された隙間を閉塞する効果が期待できる。しかしながら、触媒溶液には導電性材料(貴金属)が含まれているため、電解質内部に導電パスが形成されてしまい、電解質の絶縁性が低下し、例えば燃料電池作動時に短絡するなどの恐れがある。即ち、電解質に形成された隙間を閉塞することで、燃料電池セルの性能が低下してしまう可能性がある。
本発明は上記課題に鑑みたものであり、電解質層のリークパス等を防止するとともに、セル性能を向上させたセル構造体の中間体、セル構造体及びセル構造体の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、セル構造体の中間体であって、金属支持体、アノード触媒層、固体酸化物型電解質層を積層してなる中間体が提供される。このセル構造体の中間体は、固体酸化物型電解質層の欠陥部位内にセル性能を高める電解質補強部を形成している。
本発明によれば、セル構造体の中間体は、金属支持体、アノード触媒層、固体酸化物型電解質層を積層してなり、固体酸化物型電解質層の欠陥部位内にセル性能を高める電解質補強部を形成している。即ち、セル性能を高める電解質補強部により、電解質層に形成された隙間が閉塞されている。従って、セル構造体(電解質層)のリークパス等を防止するとともに、セル構造体のセル性能を高めることができる。
図1は、セル構造体の製造工程の例を示す概略図である。 図2は、本発明の各実施形態に共通するセル構造体の製造方法を説明するフローチャートである。 図3は、第1実施形態によるセル構造体の中間体を示す模式図である。 図4は、プレ含浸工程を説明するフローチャートである。 図5は、第2実施形態によるセル構造体の製造方法におけるプレ含浸工程を説明するフローチャートである。 図6aは、セル構造体の中間体のアノード層側からプレ含浸液を滴下した図である。 図6bは、セル構造体の中間体の電解質層側からプレ含浸液を滴下した図である。
以下、図面等を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
(第1実施形態)
図1は、セル構造体100の製造工程の例を示す概略図である。図2は、本発明の各実施形態に共通するセル構造体100の製造方法を説明するフローチャートである。図3は、第1実施形態によるセル構造体の中間体を示す模式図であり、後述するプレ含浸工程を説明する図である。なお、セル構造体100は、固体酸化物型燃料電池の単セルである。
図1に示すように、セル構造体100の製造工程には、積層工程と、還元焼成工程(焼成工程)と、含浸工程と、カソード積層工程が含まれる。セル構造体100は、金属支持体1、アノード触媒層(アノード層)2、固体酸化物型電解質層3(以下、単に電解質層3と称する)、カソード層8を積層してなる。
図1、図2に示すように、積層工程(S10~S30)には、インク調製工程(S10)、塗工工程(S20)、貼り合わせ工程(S30)が含まれる。
インク調製工程(S10)において、金属支持体の前駆体である支持体用スラリー11、アノード触媒層2の前駆体である燃料極スラリー21、電解質層3の前駆体である電解質スラリー31をそれぞれ湿式粉砕して各層のインクを調整する。各スラリーの調製は既知の方法を用いることができ、例えば原料粉末を有機溶剤、バインダー等と混練して調製する。金属支持体材料は、ステンレス鋼、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)等の金属粒子が用いることができる。燃料極(アノード極)材料は、例えばジルコニア(硝酸ジルコニウム(II)二水和物(ZrO(NO32・2H2O))にイットリウム(硝酸イットリウム(III)六水和物(Y(NO33・6H2O))を添加したものや、ニッケル(硝酸ニッケル(II)六水和物(Ni(NO32・6H2O))等を用いることができる。電解質材料はセラミックスを用いることができ、例えばジルコニア(硝酸ジルコニウム(II)二水和物(ZrO(NO32・2H2O))にイットリウム(硝酸イットリウム(III)六水和物(Y(NO33・6H2O))を添加したもの等を用いることができる。各スラリーは、それぞれ湿式粉砕装置により湿式粉砕され、金属支持体1、アノード触媒層2、固体酸化物型電解質層3を構成するためのインク12,22,32が調製される。
なお、電解質材料、燃料極材料、金属支持体材料は上記のものに限られず、それぞれ従来から用いられている既知のいずれの材料を用いてもよい。また、各スラリーには、界面活性剤、分散剤、増粘剤等を適宜添加してもよい。
塗工工程(S20)において、例えばテープキャスティング法により塗膜を形成する。具体的には、片側に延設部41を有する容器4をローラ5により巻き取り可能なフィルム51上に載せ、調製されたインク12,22,32を個別の容器4にそれぞれ入れる。フィルム51と延設部41との間には僅かな隙間が形成されており、ローラ5によりフィルム51を巻き取ることでフィルム51が動かされ、フィルム51の表面上に各インク12,22,32が塗工される。これにより、フィルム51上にそれぞれ塗膜13,23,33が形成される。
なお、塗膜の形成方法は上記のテープキャスティング法に限られず、既知のいずれの方法を用いてもよい。
貼り合わせ工程(S30)において、各塗膜13,23,33をロールプレスにより貼り合わせる。これにより、多孔質金属からなる金属支持体1、アノード多孔質層(アノード層)2、電解質層3の三層が積層された、セル構造体100の中間生成物である中間体10が形成される。貼り合わせは、金属支持体1、アノード多孔質層(アノード層)2、電解質層3の順になるように行われる。
なお、塗膜の貼合方法は、ロールプレスに限られず、既知のいずれの方法を用いてもよい。
次に、還元焼成工程(S40)において、中間体10を加熱し、還元焼成する。即ち、金属支持体1、アノード多孔質層(アノード層)2、電解質層3を共焼成する。
前述のとおり、電解質層3はセラミックス材料からなり、塗工工程(S20)及び貼り合わせ工程(S30)を経て生成された電解質層3は薄膜セラミックスにより構成される。薄膜セラミックスは脆弱であるため、還元焼成工程(S40)において焼成時の凝集度が不十分で電解質層3の緻密性が十分に保たれない場合、電解質層3の内部に残存する微細な隙間が電解質クラックを誘発し、電解質層3を貫通する隙間が形成され易い。即ち、図3に示すように、中間体10の電解質層3に欠陥部位6が生じる恐れがある。電解質層3に隙間が形成されたまま、後述する含浸工程(S60)及びカソード積層工程(S70)を行い、セル構造体(燃料電池セル)100が製造されると、燃料電池を作動させた際にガス漏れ(リークパス)を引き起こしてしまう。そこで、図2に示すように、本発明の各実施形態では、還元焼成後、含浸工程(S60)を行う前に、電解質層3の欠陥部位6を閉塞する電解質補強部7を形成するためのプレ含浸工程(S50)を行う。なお、ここでいう欠陥部位6とは電解質層3を貫通する隙間及び貫通していない隙間(クラック)のいずれをも含む。
プレ含浸工程(S50)において、プレ含浸液により中間体10を含浸する。プレ含浸液は、例えばセリア等を含む非導電性のセラミックスを含み、プレ含浸液を中間体10に含浸させることで、電解質層3の欠陥部位6内にプレ含浸液が充填される。電解質層3の欠陥部位6内にプレ含浸液が充填された状態で乾燥、か焼することにより、電解質層3の
欠陥部位6内に、電解質層3の欠陥部位6を閉塞する電解質補強部7が形成される。また、プレ含浸液には、非導電性のセラミックスが用いられているため、電解質補強部7により電解質層3の絶縁性が高められる。なお、プレ含浸工程(S50)の詳細は後述する。
プレ含浸工程(S50)後には、含浸工程(S60)が行われる。この含浸工程(S60)において、触媒溶液により中間体10(アノード層2)を含浸する。具体的には、含浸工程(S60)は以下の手順で行われる。まず、例えば金属材料であるニッケル(硝酸ニッケル(II)六水和物(Ni(NO32・6H2O))を含む触媒溶液を作製する。次に、エタノールでアノード多孔質層(アノード層)2を洗浄した後、真空引きにより中間体10内のエタノール・油分を飛ばす。次に、触媒溶液をアノード多孔質層(アノード層)2側から中間体10に含浸し、真空引きによりアノード多孔質層(アノード層)2内の空気を取り除き、触媒溶液を細部まで浸透させた後、か焼する。これにより、アノード多孔質層(アノード層)2は触媒溶液が浸透したアノード触媒層2を形成する。以下では、触媒溶液が滴下されるまでのアノード多孔質層と、触媒溶液滴下後のアノード触媒層とをいずれもアノード層2と称する。
上記のとおり、含浸工程(S60)において、中間体10に触媒溶液を滴下するため、特許文献1(特開2012-204277号公報)のように、還元焼成後、プレ含浸せずに含浸工程(S60)を行っても、触媒溶液により電解質層3の欠陥部位6を閉塞し得る場合がある。しかしながら、触媒溶液にはニッケル等の導電性の金属材料が含まれており、欠陥部位6が閉塞されたとしても、電解質層3の内部に導電パスが形成されてしまい、電解質層3の絶縁性が低下する。そのため、セル構造体100の性能が低下する恐れがある。しかしながら、本実施形態では、含浸工程(S60)の前にプレ含浸を実施し、プレ含浸液には、非導電性のセラミックスが用いられているため、電解質補強部7により電解質層3の絶縁性が高められ、セル構造体100のセル性能が高められる。ここで言うセル性能とは、電解質層3の絶縁性やイオン伝導度等を含む、セル構造体100の発電性能に寄与する性質の総称である。
なお、含浸工程(S60)は上記の方法に限られず、既知のいずれの方法を用いてもよい。
含浸工程(S60)の後、カソード積層工程(S70)が実施される。このカソード積層工程(S70)において、中間体10の電解質層3上に、スパッタリング法などにより拡散防止層81を形成し、既知の印刷法により、拡散防止層81上にカソード層8を積層する。これにより、金属支持体1、アノード層2、電解質層3及びカソード層8が積層されたセル構造体100が生成される。
次に、プレ含浸工程の詳細を説明する。
図4は、プレ含浸工程を説明するフローチャートである。
図4に示す通り、プレ含浸工程では、まずプレ含浸液を作製する(S501)。プレ含浸液は、非導電性セラミックスのセリア(硝酸セリウム(III)六水和物(Ce(NO3
3・6H2O))、エタノール等を含む界面活性剤及び水を混合したものに、さらにガドリニウム(硝酸ガドリニウム(III)六水和物(Gd(NO33・6H2O))を加えて作製する。プレ含浸液は、表面張力が、含浸工程(図2のS60)において含浸する触媒溶液の表面張力よりも小さくなるように、界面活性剤の量を調整する。なお、好ましくは、プレ含浸液作製後に、エタノールで中間体10を洗浄し、真空引きによりエタノール・油分を飛ばす。
次に、中間体10を真空チャンバーに入れ、作製したプレ含浸液を中間体10に含浸する(S502)。図3に示すように、プレ含浸液の含浸は、金属支持体1を介したアノード層2の側からプレ含浸液を滴下することにより行う。金属支持体1及びアノード層2はいずれも多孔質であるため、アノード層2の側から中間体10にプレ含浸液を滴下すると、プレ含浸液は、金属支持体1及びアノード層を通り抜けて、電解質層3の欠陥部位6内に充填される。また、プレ含浸液をアノード層2の側から滴下して欠陥部位6を充填し、後述する乾燥・か焼(S504)により欠陥部位6内に電解質補強部7を形成することで、触媒溶液が電解質層3の欠陥部位6内に入ることを確実に防止する。即ち、含浸工程(S60)において、触媒溶液はアノード層2の側から含浸されるが、プレ含浸液を先にアノード層2の側から滴下して欠陥部位6内に電解質補強部7を形成しておくため、導電性の金属材料を含む触媒溶液が電解質層3の欠陥部位6内に入ることを確実に防止できる。従って、導電パスを確実に防止し、燃料電池作動時の短絡をより確実に防止することができる。
また、前述のとおり、プレ含浸液の表面張力は、含浸工程(図2のS60)において含浸する触媒溶液の表面張力よりも小さいため、プレ含浸液は電解質層3の僅かな隙間である欠陥部位6内に入り易い。一方、プレ含浸液よりも表面張力の大きい触媒溶液はプレ含浸液が充填された欠陥部位6内に入り難くなる。従って、含浸工程(図2のS60)において導電性の金属材料を含む触媒溶液が電解質層3の欠陥部位6内に入ることをより確実に防止できる。
なお、プレ含浸液の滴下量は、含浸工程(図2のS60)において中間体10(アノード層2)に含浸する触媒溶液の量よりもできるだけ少なめにし、プレ含浸液により触媒溶液がアノード層2に入り難くなることを防止する。即ち、触媒金属を含まないプレ含浸液が中間体10内に過剰に入ってしまうと、アノード層2がプレ含浸液によりコーティングされてしまい、触媒溶液がアノード層2内に付着し難くなってしまう虞がある。従って、本実施形態では、プレ含浸液の滴下量を含浸する触媒溶液の量よりも少なくし、アノード層2がプレ含浸液によりコーティングされるのを防止する。これにより、含浸工程(S60)において触媒溶液をより確実にアノード層2に入れることができる。
プレ含浸液を滴下した後、真空チャンバー内で真空引きを行う(S503)。真空引きにより中間体10内の空気が取り除かれ、プレ含浸液は電解質層3の欠陥部位6内の細部まで浸透する。また、プレ含浸液が確実に浸透するように、真空引きは、好ましくは複数回(例えば3~4回程度)行う。
次に、真空チャンバー内で中間体10を乾燥させ、か焼する(S504)。乾燥により
、プレ含浸液内のエタノール等の水気を飛ばし、か焼により、より沸点の高い溶媒を飛ば
してプレ含浸液内の物質(セリア)を析出させる。これにより、図3に示すように、電解質層3の欠陥部位6内に電解質補強部7が形成される。
このように、還元焼成後、含浸工程(S60)を行う前に、非導電性セラミックスのセリアからなるプレ含浸液を中間体10に滴下するプレ含浸工程(S50)を行うことで、電解質層3におけるガス漏れ(リークパス)を防止しつつ、電解質層3の電気的絶縁性(セル性能)を補強する。また、セリアは電解質材料に用いられるジルコニアよりも高い酸素イオン伝導度を有するため、電解質補強部7におけるオーム抵抗が低減し(セル性能)、セル構造体100の発電性能が向上する。即ち、電解質補強部7は、リークパスの防止と、セル性能の向上という2つの効果を同時に発揮する。
なお、プレ含浸液の作製においてセリアに添加されたガドリニウムにも酸素イオン伝導度を高める働きがあるため、セル構造体100の発電性能はさらに向上する。
上記した第1実施形態のセル構造体100及びセル構造体100の製造方法によれば、以下の効果を得ることができる。
セル構造体100の中間体10は、金属支持体1、アノード触媒層2、電解質層(固体酸化物型電解質層)3を積層してなり、電解質層3の欠陥部位6内にセル性能を高める電解質補強部7を形成している。即ち、セル性能を高める電解質補強部7により、電解質層3に形成された隙間が閉塞されている。従って、セル構造体100(電解質層3)のガス漏れ(リークパス)を防止するとともに、セル構造体100のセル性能を高めることができる。
セル構造体100において、中間体10は、電解質層3の欠陥部位6内に非導電性のセラミックスからなる電解質補強部7を形成している。電解質層3の欠陥部位6を、例えば導電性の金属を含む触媒溶液等により閉塞すると、電解質層3の内部に導電パスが形成されてしまい、電解質層3の絶縁性が低下し、燃料電池作動時に短絡するなどの恐れがある。一方、セル構造体100の中間体10においては、電解質層3の欠陥部位6を非導電性のセラミックスからなる電解質補強部7により閉塞している。これにより、セル構造体100(電解質層3)のリークパスを防止するとともに、電解質層3の電気的絶縁性を補強することができる。
セル構造体100において、中間体10は、電解質層3の欠陥部位6内にセリアを含有する非導電性のセラミックスからなる電解質補強部7を形成している。セリアは電解質材料に用いられるジルコニアよりも高い酸素イオン伝導度を有する。従って、電解質補強部7におけるオーム抵抗が低減し、セル構造体100の発電性能が向上する。即ち、セル構造体100(電解質層3)のリークパスを防止するとともに、セル構造体100のセル性能をさらに高めることができる。
セル構造体100の製造方法によれば、積層工程(S10~S30)と、焼成工程(S40)と、プレ含浸工程(S50)と、含浸工程(S60)と、カソード積層工程(S70)とを有する。そして、プレ含浸工程(S50)において、セル構造体100の中間体10にプレ含浸液を含浸させて、電解質層3の欠陥部位6内にセル性能を高める電解質補強部7を形成する。薄膜セラミックスが用いられる電解質層3は、焼成時に電解質クラック(欠陥部位6)を誘発し、リークパスを引き起こす恐れがある。一方、含浸工程(S60)において、導電性材料(貴金属)を含む触媒溶液により欠陥部位6を閉塞すると、電解質層3の内部に導電パスが形成され、短絡等、セル性能の低下を引き起こす恐れがある。これに対し、本実施形態の製造方法では、焼成工程(S40)後、含浸工程(S60)前に電解質層3の欠陥部位6内にセル性能を高める電解質補強部7を形成するプレ含浸工程(S50)を設けている。従って、セル構造体100(電解質層3)のリークパスを防止するとともに、セル構造体100のセル性能を高めることができる。
セル構造体100の製造方法によれば、プレ含浸工程(S50)において、セル構造体100の中間体10にプレ含浸液を滴下して電解質補強部7を形成する。このように、中間体10にプレ含浸液を滴下することで、重力の効果により電解質層3の欠陥部位6内にプレ含浸液が確実に充填され、欠陥部位6内に電解質補強部7を確実に形成させることができる。
セル構造体100の製造方法によれば、プレ含浸工程(S50)において、非導電性のセラミックスからなるプレ含浸液を含浸させる。これにより、電解質層3の欠陥部位6内にプレ含浸液が充填され、欠陥部位6内に欠陥部位6を閉塞する非導電性のセラミックスからなる電解質補強部7が形成される。従って、セル構造体100(電解質層3)のリークパスを防止するとともに、電解質層3の電気的絶縁性を補強することができる。
セル構造体100の製造方法によれば、プレ含浸工程(S50)において、セリアを含有するプレ含浸液を含浸させる。これにより、電解質層3の欠陥部位6内に、セリアを含有する電解質補強部7が形成され、電解質補強部7におけるオーム抵抗が低減し、セル構造体100の発電性能が向上する。即ち、セル構造体100(電解質層3)のリークパスを防止するとともに、セル構造体100のセル性能をさらに高めることができる。
セル構造体100の製造方法によれば、プレ含浸工程(S50)において、アノード層2の側からセル構造体100の中間体10にプレ含浸液を滴下して電解質補強部7を形成する。このように、アノード層2の側から先にプレ含浸液を滴下し、欠陥部位6内に電解質補強部7を形成しておくことで、アノード層2の側から触媒溶液を含浸する含浸工程(S60)において導電性の金属材料を含む触媒溶液が電解質層3の欠陥部位6内に入ることを確実に防止できる。即ち、電解質層3内の導電パスを確実に防止し、燃料電池作動時の短絡をより確実に防止することができる。
セル構造体100の製造方法によれば、プレ含浸工程(S50)は、含浸工程(S60)においてアノード層2に含浸する触媒溶液の量よりも少ない量のプレ含浸液をセル構造体100の中間体10に滴下する。これにより、アノード層2がプレ含浸液によりコーティングされて触媒溶液がアノード層2に入り難くなることを防止できる。即ち、含浸工程(S60)において、触媒溶液をより確実にアノード層2に入れることができる。
セル構造体100の製造方法によれば、プレ含浸工程(S50)において含浸するプレ含浸液の表面張力は、含浸工程(S60)において含浸する触媒溶液の表面張力よりも小さい。従って、プレ含浸液は触媒溶液よりも電解質層3の欠陥部位6内に入り易く、触媒溶液はプレ含浸液が充填された欠陥部位6内に入り難い。従って、欠陥部位6内に電解質補強部7を確実に形成させるとともに、含浸工程(S60)において導電性の金属材料を含む触媒溶液が電解質層3の欠陥部位6内に入ることを確実に防止できる。
なお、本実施形態において、プレ含浸液はセリアを用いているが、必ずしもこれに限られない。例えば、セリアに代えてジルコニア(硝酸ジルコニウム(II)二水和物(ZrO
(NO32・2H2O))にイットリウム(硝酸イットリウム(III)六水和物(Y(NO33・6H2O))を加えたものを用い、これに界面活性剤及び水を混合して作製してもよい。また、セリアに代えてアルミナ(硝酸アルミニウム(III)九水和物(Al(NO33・9H2O))を用い、これに界面活性剤及び水を混合して作製してもよい。より絶縁性の高いジルコニアやアルミナを含むプレ含浸液により電解質補強部7を形成することで、電解質層3の電気的絶縁性をより補強することができる。従って、セル構造体100(電解質層3)のリークパスを防止するとともに、電解質層3の絶縁性をより補強することができる。また、プレ含浸液はジルコニアやアルミナ以外にも、例えば、マグネシア(硝酸マグネシウム(II)六水和物(Mg(NO32・6H2O))などを用いてもよい。
また、本実施形態において、アノード層2の側から滴下される触媒溶液が電解質層3の欠陥部位6内に入ることを確実に防止するために、プレ含浸液をアノード層2の側から滴下することが好ましいが、必ずしもこれに限られず、プレ含浸液を電解質層3の側から滴下してもよい。
(第2実施形態)
図5、図6a、図6bを参照して、第2実施形態によるセル構造体100の中間体10を説明する。本実施形態においては、アノード層2の側と、電解質層3の側との両方の側からプレ含浸液を滴下する点が第1実施形態と異なる。なお、第1実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
本実施形態のセル構造体100の製造方法においても、積層工程(インク調製工程(S10)、塗工工程(S20)、貼り合わせ工程(S30))、焼成工程(S40)、プレ含浸工程(S50)、含浸工程(S60)、カソード積層工程(S70)が含まれる。積層工程(S10~S30)、焼成工程(S40)、含浸工程(S60)、カソード積層工程(S70)については、第1実施形態と同様であるため、説明を省略する。
図5は、第2実施形態によるセル構造体100の製造方法におけるプレ含浸工程を説明するフローチャートである。図6aは、中間体10のアノード層2の側からプレ含浸液を滴下した図であり、図6bは、中間体10の電解質層3の側からのプレ含浸液を滴下した図である。
図5に示す通り、プレ含浸工程において、まずプレ含浸液を作製する(S511)。本実施形態では、2種のプレ含浸液を作製する。第1のプレ含浸液は、非導電性セラミックスのジルコニア(硝酸ジルコニウム(II)二水和物(ZrO(NO32・2H2O))にイットリウム(硝酸イットリウム(III)六水和物(Y(NO33・6H2O))を加えたものに、エタノール等を含む界面活性剤及び水を混合して作成する。第2のプレ含浸液は、非導電性セラミックスのセリア(硝酸セリウム(III)六水和物(Ce(NO33・6H2O))、エタノール等を含む界面活性剤及び水を混合したものに、ガドリニウム(硝酸ガドリニウム(III)六水和物(Gd(NO33・6H2O))を加えて作製する。第1実施形態と同様に、プレ含浸液は、表面張力が、含浸工程(図2のS60)において含浸する触媒溶液の表面張力よりも小さくなるように、界面活性剤の量を調整する。なお、好ましくは、プレ含浸液作製後に、エタノールで中間体10を洗浄し、真空引きによりエタノール・油分を飛ばす。
次に、セル構造体100の中間体10を真空チャンバーに入れ、作製した第1のプレ含浸液を中間体10に含浸する(S512)。図6aに示すように、ここでは金属支持体1を介したアノード層2の側からジルコニアを含む第1のプレ含浸液を滴下する。これにより、第1のプレ含浸液は、多孔質の金属支持体1及びアノード層2を通り抜けて、電解質層3の欠陥部位6内に充填される。なお、アノード層がコーティングされるのを防止するため、第1のプレ含浸液の滴下量は、含浸工程(S60)において含浸する触媒溶液の量よりも少なくする。
続いて真空チャンバー内で真空引き(S513)を行う。真空引きは、好ましくは複数回(例えば3~4回程度)行う。
次に、真空チャンバー内で中間体10を乾燥させ、か焼する(S514)。これにより
、図6aに示すように、電解質層3の欠陥部位6内に第1のプレ含浸液による電解質補強部7’が形成される。
次に、セル構造体100の中間体10を反転させ、作製した第2のプレ含浸液を中間体10に含浸する(S515)。図6bに示すように、ここでは電解質層3の側からセリアを含む第2のプレ含浸液を滴下する。これにより、第2のプレ含浸液は、電解質層3の欠陥部位6内に充填される。なお、アノード層がコーティングされるのを防止するため、第2のプレ含浸液の滴下量は、含浸工程(S60)において含浸する触媒溶液の量よりも少なくする。
続いて真空チャンバー内で真空引き(S516)を行う。真空引きは、好ましくは複数回(例えば3~4回程度)行う。
次に、真空チャンバー内で中間体10を乾燥させ、か焼する(S517)。これにより
、図6bに示すように、電解質層3の欠陥部位6内に第2のプレ含浸液による電解質補強部7’’が形成される。
このように、アノード層2の側と、電解質層3の側との両方の側からプレ含浸液を滴下することで、電解質層3に生じた一方の側から滴下しただけでは充填されないような隙間(欠陥部位6)も、確実に充填することができる。即ち、電解質補強部7’,7’’により、電解質層3の欠陥部位6を確実に閉塞することができる。
また、アノード層2の側から絶縁性の高いジルコニアを含む第1のプレ含浸液を滴下して電解質補強部7’を形成するため、アノード層2から電解質層3への電気的絶縁性がより補強される。一方、電解質層3の側からは、電解質材料に用いられるジルコニアよりも高い酸素イオン伝導度を有するセリアを含む第2のプレ含浸液を滴下して電解質補強部7’’を形成するため、電解質補強部7’’におけるオーム抵抗が低減し、電解質補強部7’’におけるイオン伝導性が向上する。即ち、アノード層2の側からジルコニアを含む第1のプレ含浸液を滴下し、電解質層3の側からセリアを含む第2のプレ含浸液を滴下して電解質補強部7’,7’’を形成することで、セル構造体100の触媒反応が促進され、セル構造体100の発電性能が向上する。
上記した第2実施形態のセル構造体100及びセル構造体100の製造方法によれば、以下の効果を得ることができる。
セル構造体100の製造方法によれば、プレ含浸工程において、アノード層2の側と電解質層3の側の両方の側からセル構造体100の中間体10にプレ含浸液を含浸させて、電解質層3の欠陥部位6内にセル性能を高める電解質補強部7’,7’’を形成する。このように、中間体10の両側からプレ含浸液を含浸させることにより、電解質層3に生じた一方の側から含浸させただけでは充填されないような隙間(欠陥部位6)も、プレ含浸液で確実に充填することができる。従って、電解質層3の欠陥部位6内に、電解質補強部7’,7’’を確実に形成させることができ、電解質層3の欠陥部位6を確実に閉塞することができる。
セル構造体100の製造方法によれば、プレ含浸工程において、セル構造体100の中間体10の一方の側からプレ含浸液を滴下した後、中間体10を反転させて中間体10の他方の側からプレ含浸液を滴下して電解質層3の欠陥部位6内に電解質補強部7’,7’’を形成する。このように、中間体10の両側からプレ含浸液を滴下することにより、一方の側から滴下しただけでは充填されないような電解質層3の隙間(欠陥部位6)も、プレ含浸液で確実に充填することができる。従って、電解質層3の欠陥部位6内に、電解質補強部7’,7’’を確実に形成させることができ、電解質層3の欠陥部位6を確実に閉塞することができる。
セル構造体100の製造方法によれば、プレ含浸工程において、セル構造体100の中間体10にアノード層2の側からジルコニアを含有する第1のプレ含浸液を滴下して、電解質層3の欠陥部位6内に電解質補強部7’を形成する。また、電解質層3の側からセリアを含有する第2のプレ含浸液を滴下して、電解質層3の欠陥部位6内に電解質補強部7’’を形成する。これにより、アノード層2から電解質層3への電気的絶縁性がより補強されるとともに、電解質補強部7’’におけるイオン伝導性が向上する。従って、セル構造体100の触媒反応が促進され、セル構造体100の発電性能が向上する。即ち、中間体10の両側からプレ含浸液を滴下することで、電解質補強部7’,7’’により電解質層3の欠陥部位6を確実に閉塞するとともに、セル構造体100のセル性能をより向上させることができる。
なお、本実施形態においては、第1のプレ含浸液にはジルコニアを、第2のプレ含浸液にはセリアを用いているがこれに限られない。例えば、第1のプレ含浸液は、ジルコニアと同様に絶縁性の高いアルミナ(硝酸アルミニウム(III)九水和物(Al(NO33
9H2O))を用い、これに界面活性剤及び水を混合して作製してもよい。また、第1のプレ含浸液及び第2のプレ含浸液を同様の材料により作製してもよい。
また、本実施形態においては、アノード層2の側から第1のプレ含浸液を滴下した後、電解質層3の側から第2のプレ含浸液を滴下しているが、滴下の順序はこれに限られず、電解質層3の側から先にプレ含浸液を滴下してもよい。
また、本実施形態においては、第1のプレ含浸液の含浸(S512)後、真空引き(S513)、乾燥・か焼(S514)を行ってから第2のプレ含浸液の含浸(S515)を
行っているが、必ずしもこれに限られない。例えば、第1のプレ含浸液の含浸(S512)後、第2のプレ含浸液の含浸(S515)を行ってから真空引き(S513)、乾燥・か焼(S514)を行ってもよい。また、例えば、第1のプレ含浸液の含浸(S512)、真空引き(S513)、第2のプレ含浸液の含浸(S515)、真空引き(S516)、乾燥・か焼(S514,S517)の順に行ってもよい。
また、いずれの実施形態においても、電解質層3の内部に導電パスが形成されることを防止するため、プレ含浸液は非導電性セラミックスにより作製することが好ましいが、必ずしもこれに限られず、プレ含浸液は、セル性能を高めるような物質を含むものであればよい。セル性能を高める物質により電解質補強部7を形成すれば、セル構造体100(電解質層3)のリークパスの防止と、セル性能の向上という効果を同時に達成することができる。
また、いずれの実施形態においても、プレ含浸工程(S50)においてプレ含浸液を作製しているが、これに限られず、プレ含浸液の作製はプレ含浸液の含浸前であればどのタイミングで作成してもよい。例えば、プレ含浸工程(S50)に入る前に、予めプレ含浸液を作製しておき、プレ含浸工程(S50)をプレ含浸液の含浸(S502,S512)から始めてもよい。
また、いずれの実施形態においても、欠陥部位6内にプレ含浸液が確実に充填されるように、プレ含浸工程において、プレ含浸液を中間体10に滴下することが好ましいが、プレ含浸液の含浸方法は必ずしもこれに限られず、既知の含浸方法のいずれの方法を用いてもよい。
また、いずれの実施形態においても、プレ含浸液が欠陥部位6内に充填され易く、触媒溶液が欠陥部位6内に充填され難くするために、プレ含浸液は、表面張力が触媒溶液の表面張力よりも小さくなるように調製することが好ましいが、必ずしもこれに限られない。例えばプレ含浸液と触媒溶液の表面張力をほぼ同等にしてもよい。
また、いずれの実施形態においても、アノード層がコーティングされるのを防止するため、プレ含浸液の滴下量は、含浸工程(S60)において含浸する触媒溶液の量よりも少なくすることが好ましいが、必ずしもこれに限られず、任意の量を滴下してもよい。
また、いずれの実施形態においても、セル構造体100の中間体10は、金属支持体1、アノード触媒層2、電解質層3の順に積層されているが、積層順はこれに限らない。例えば、金属支持体1、電解質層3、アノード触媒層2の順に積層してもよい。
また、いずれの実施形態においても、プレ含浸液の滴下(S502,S512,S515)、真空引き(S503,S513,S516)、乾燥・か焼(S504,S514,
S517)は真空チャンバー内で行っているが、これに限られない。例えばプレ含浸液の滴下や乾燥・か焼を真空チャンバー外で行ってもよい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
また、上記した各実施形態は、それぞれ単独の実施形態として説明したが、適宜組み合わせてもよい。
1 金属支持体
2 アノード層
3 固体酸化物型電解質層
6 欠陥部位
7 電解質補強部
8 カソード層
10 中間体
100 セル構造体

Claims (13)

  1. セル構造体の中間体であって、
    金属支持体、アノード層、固体酸化物型電解質層を積層してなり、
    前記固体酸化物型電解質層の欠陥部位内にセル性能を高める電解質補強部を形成し
    前記電解質補強部は、非導電性のセラミックスからなる、
    セル構造体の中間体。
  2. 請求項に記載のセル構造体の中間体であって、
    前記セラミックスはセリアまたはジルコニアを含有する、
    セル構造体の中間体。
  3. 請求項1又は2に記載のセル構造体の中間体から製造されるセル構造体であって、
    前記セル構造体は、金属支持体、アノード層、固体酸化物型電解質層、カソード層を積層して構成され、
    前記固体酸化物型電解質層の欠陥部位内にセル性能を高める電解質補強部が形成された、
    セル構造体。
  4. 金属支持体、アノード層、固体酸化物型電解質層、カソード層を積層してなるセル構造体の製造方法であって、
    前記金属支持体、前記アノード層、前記固体酸化物型電解質層を積層する工程と、
    積層した前記金属支持体、前記アノード層、前記固体酸化物型電解質層を焼成する工程と、
    前記セル構造体の中間体にプレ含浸液を含浸させて、前記固体酸化物型電解質層の欠陥部位内にセル性能を高める電解質補強部を形成するプレ含浸工程と、
    前記アノード層に触媒溶液を含浸する含浸工程と、
    前記カソード層を積層する工程と、を有し、
    前記電解質補強部は、非導電性のセラミックスからなり、
    前記プレ含浸液は、非導電性のセラミックスの前駆体を含有する、
    セル構造体の製造方法。
  5. 請求項に記載のセル構造体の製造方法であって、
    前記プレ含浸工程は、前記セル構造体の前記中間体にプレ含浸液を滴下して前記電解質補強部を形成する、
    セル構造体の製造方法。
  6. 請求項4又は5に記載のセル構造体の製造方法であって、
    前記プレ含浸液は、セリアまたはジルコニアの前駆体を含有する、
    セル構造体の製造方法。
  7. 請求項からのいずれか一項に記載のセル構造体の製造方法であって、
    前記プレ含浸工程は、アノード層側から前記セル構造体の中間体にプレ含浸液を滴下して前記電解質補強部を形成する、
    セル構造体の製造方法。
  8. 請求項からのいずれか一項に記載のセル構造体の製造方法であって、
    前記プレ含浸工程は、電解質層側から前記セル構造体の中間体にプレ含浸液を滴下して前記電解質補強部を形成する、
    セル構造体の製造方法。
  9. 請求項4又は5に記載のセル構造体の製造方法であって、
    前記プレ含浸工程は、アノード層側と電解質層側の両方の側から前記セル構造体の中間体にプレ含浸液を含浸させて前記電解質補強部を形成する、
    セル構造体の製造方法。
  10. 請求項に記載のセル構造体の製造方法であって、
    前記プレ含浸工程は、前記セル構造体の中間体の一方の側からプレ含浸液を滴下した後、前記中間体を反転させて前記中間体の他方の側からプレ含浸液を滴下して前記電解質補強部を形成する、
    セル構造体の製造方法。
  11. 請求項または10に記載のセル構造体の製造方法であって、
    前記プレ含浸工程は、前記セル構造体の中間体にアノード層側からジルコニアの前駆体を含有する前記プレ含浸液を滴下し、電解質層側からセリアの前駆体を含有する前記プレ含浸液を滴下して前記電解質補強部を形成する、
    セル構造体の製造方法。
  12. 請求項から11のいずれか一項に記載のセル構造体の製造方法であって、
    前記プレ含浸液の滴下量は、前記含浸工程において前記アノード層に含浸する触媒溶液の量よりも少ない、
    セル構造体の製造方法。
  13. 請求項から12のいずれか一項に記載のセル構造体の製造方法であって、
    前記プレ含浸液の表面張力は、前記触媒溶液の表面張力よりも小さい、
    セル構造体の製造方法。
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