JPH1021933A - 固体酸化物燃料電池の電極およびその形成方法 - Google Patents

固体酸化物燃料電池の電極およびその形成方法

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JPH1021933A
JPH1021933A JP8169247A JP16924796A JPH1021933A JP H1021933 A JPH1021933 A JP H1021933A JP 8169247 A JP8169247 A JP 8169247A JP 16924796 A JP16924796 A JP 16924796A JP H1021933 A JPH1021933 A JP H1021933A
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JP
Japan
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electrode
ysz
substrate
electrolyte
solid oxide
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JP8169247A
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English (en)
Inventor
Yasuyuki Fujitani
泰之 藤谷
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多大な熱負荷を受けても電解質から剥離する
ことのない固体酸化物燃料電池の電極およびその形成方
法を提供する。 【解決手段】 電子ビーム蒸着器21によりYSZ11
の蒸着流11aおよびNi12の蒸着流12aをYSZ
からなる基板(電解質)1へ蒸着するすることにより、
Ni/YSZからなるサーメットの燃料極2を基板1の
表面上に成形するにあたって、YSZ蒸着流11aの蒸
着速度を次第に減少させると共に、Ni蒸着流12aの
蒸着速度を次第に増加させることで、基板1側ほどYS
Zの含有量が増大した組成とする一方、上記蒸着を行う
際に、イオン銃22からArイオンビーム13を基板1
へ向かって照射することで、基板1と上記燃料極2との
界面を原子半径の大きいAr+ の作用からミキシングす
ることにより、燃料極2の熱膨張率を基板1側ほど基板
1に近似させると共に、基板1と燃料極2との界面間の
結合力を強力にした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体酸化物燃料電
池の電極およびその形成方法に関し、特に、燃料極に適
用すると有効である。
【0002】
【従来の技術】固体酸化物燃料電池は、固体酸化物から
なる電解質を空気極と燃料極とで挟み、空気極側に空気
を送給する一方、燃料極側に燃料ガスを送給することに
より、電気化学反応を生じさせて電力を得ることができ
るようになっている。
【0003】このような固体酸化物燃料電池において、
電解質に燃料極を設ける場合には、通常、NiOとYS
Z(Yttria stabilized Zirconia: イットリア安定化ジ
ルコニア)との混合物のスラリを電解質(YSZ)の表
面に塗布した後、焼成することにより、Ni/YSZの
サーメットからなる電極を電解質の表面に形成してい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】前述したようにして電
解質に燃料極を形成した固体酸化物燃料電池では、電解
質と燃料極との熱膨張率が異なるため、使用中の大きな
熱負荷(約1000℃)により、電解質と燃料極との界
面に熱応力が作用し、電解質と燃料極とが剥離して作動
効率を低下させてしまう虞があった。
【0005】そこで、本発明は、多大な熱負荷を受けて
も電解質から剥離することのない固体酸化物燃料電池の
電極およびその形成方法を提供することを目的とした。
【0006】
【課題を解決するための手段】前述した課題を解決する
ための、本発明による固体酸化物燃料電池の電極は、Y
SZからなる電解質の表面に形成され、Ni/YSZの
サーメットからなる固体酸化物燃料電池の電極であっ
て、YSZの含有量が上記電解質側ほど増大しているこ
とを特徴とする。
【0007】上述した固体酸化物燃料電池の電極におい
ては、前記電解質との界面がミキシングされていること
を特徴とする。
【0008】一方、前述した課題を解決するための、本
発明による固体酸化物燃料電池の電極の形成方法は、Y
SZからなる電解質の表面へ向けてYSZおよびNiを
蒸着して当該電解質の表面にNi/YSZのサーメット
からなる電極を形成する固体酸化物燃料電池の電極の形
成方法であって、上記Niに対する上記YSZの単位時
間当たりの相対的な蒸着量を次第に減少させる一方、上
記YSZに対する上記Niの単位時間当たりの相対的な
蒸着量を次第に増加させるようにして上記蒸着を行うこ
とを特徴とする。
【0009】上述した固体酸化物燃料電池の電極の形成
方法においては、前記電解質へ向けてArガスイオンを
照射しながら前記蒸着を行うことを特徴とする。
【0010】上述した固体酸化物燃料電池の電極の形成
方法においては、前記電解質へ向けてO2 ガスイオンを
照射しながら前記蒸着を行うことを特徴とする。
【0011】上述した固体酸化物燃料電池の電極の形成
方法においては、前記電解質の表面に対して直交する方
向に沿って前記ガスイオンを照射することを特徴とす
る。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明による固体酸化物燃料電池
の電極およびその形成方法の実施の形態を図1,2を用
いて説明する。なお、図1は、その電極の周辺部分の抽
出拡大断面図、図2は、その電極を形成する際に使用す
る装置の概略構成図である。
【0013】図1に示すように、YSZからなる電解質
である基板1の一方の表面には、Ni/YSZからなる
サーメットの電極である燃料極2が形成されており、当
該燃料極2は、基板1側ほどYSZの含有量が増大する
ような組成比をなすと共に、基板1との界面が混在する
ようにミキシングされている。
【0014】このため、燃料極2の熱膨張率が基板1側
ほど基板1の熱膨張率に近似するような特性を示すと共
に、基板1と燃料極2との界面間が強い結合力で密着す
るようになる。
【0015】したがって、上述したような固体酸化物燃
料電池の電極によれば、使用中に多大な熱負荷(約10
00℃)が加わっても、基板1と燃料極2との界面に作
用する熱応力が著しく小さくなると共に、当該界面間が
強力に密着しているので、基板1と燃料極2とが非常に
剥離しにくくなり、作動効率を向上させることができ
る。
【0016】次に、上述したような電極の形成方法を図
2を用いて説明する。図2において、21は電子ビーム
蒸着器であり、当該電子ビーム蒸着器21は、その貯溜
部にYSZ11とNi12とを各々個別に貯溜できると
共に、電子ビーム21aにより、これらYSZ11とN
i12とを各々個別に加熱してYSZ蒸着流11aとN
i蒸着流12aとを基板1へ向けて各々個別に蒸着させ
ることができるようになっている。22はイオン銃であ
り、当該イオン銃22は、Arイオンビーム13および
2 イオンビーム14を発生させて、これらビーム1
3,14を基板1の垂線に沿わせるようにして、すなわ
ち、基板1の表面に対して直交する方向に沿って当該基
板1の表面へ向けて照射することができるようになって
いる。なお、基板1、電子ビーム蒸着器21などは、図
示しない真空チャンバ内に設置され、イオン銃22は、
上記真空チャンバ内の基板1に上記イオンビーム13,
14を照射できるように当該真空チャンバに連結されて
いる。
【0017】このような装置を用いて上述したような電
極を形成するには、前記真空チャンバ内を真空環境(5
×10-3Torr以下、好ましくは8×10-5Torr程度)に
した後、イオン銃22を作動し、Arイオンビーム13
およびO2 イオンビーム14を発生させて(加速電圧:
40keV)、これらビーム13,14を基板1の垂線
に沿わせるようにして当該基板1の表面へ向けて照射す
る一方、電子ビーム蒸着器21を作動し、YSZ11お
よびNi12を加熱して、YSZ蒸着流11aおよびN
i蒸着流12aを発生させてこれら蒸着流11a,12
aを基板1に蒸着させることにより、基板1上にNi/
YSZからなるサーメットの燃料極2が形成される。
【0018】ここで、YSZ11およびNi12の蒸着
を行うにあたって、Ni12に対するYSZ11の単位
時間当たりの相対的な蒸着量を次第に減少させる一方、
YSZ11に対するNi12の単位時間当たりの相対的
な蒸着量を次第に増加させるようにする、具体的には、
例えば、YSZ蒸着流11aの蒸着速度を次第に減少す
るように調整(1→0.5nm/s)すると共に、Ni
蒸着流12aの蒸着速度を次第に増加するように調整
(0.5→1.5nm/s)する。これにより、基板1
に対する単位時間当たりのYSZ11の蒸着量が次第に
減少し、Ni12の蒸着量が次第に増加するようになる
ので、基板1上に形成される上記燃料極2は、基板1側
ほどYSZの含有量が増大した組成となる。
【0019】また、上記蒸着を行うにあたって、基板1
の表面へ向けてArイオンビーム13を照射しているの
で、原子半径の大きいAr+ により基板1と上記蒸着物
との界面がミキシングされる。
【0020】したがって、上述したように形成すれば、
基板1側ほどYSZの含有量が増大するような組成比を
なすと共に、基板1と上記蒸着物との界面が混在するよ
うにミキシングした燃料極2を容易に得ることができ
る。
【0021】また、上述した蒸着を行うにあたって、基
板1の表面へ向けてO2 イオンビーム14を照射してい
るので、当該蒸着時にYSZに生じてしまう酸素欠損を
補うことができ、燃料極2の性能の低下を防止すること
ができる。
【0022】また、上記蒸着を行うにあたって、基板1
の垂線に沿うようにして、すなわち、基板1の表面に対
して直交する方向に沿って前記イオンビーム13,14
を基板1へ向けて照射しているので、基板1上に形成さ
れる燃料極2を当該イオンビーム13,14によって燃
料ガスの透過しやすいポーラスな状態に仕上げることが
でき、燃料極2の性能を向上させることができる。
【0023】なお、本実施の形態では、YSZ蒸着流1
1aの蒸着速度を次第に減少するように調整すると共
に、Ni蒸着流12aの蒸着速度を次第に増加するよう
に調整することにより、Ni12に対するYSZ11の
単位時間当たりの相対的な蒸着量を次第に減少させる一
方、YSZ11に対するNi12の単位時間当たりの相
対的な蒸着量を次第に増加させるようにしたが、YSZ
蒸着流の蒸着速度を変えることなくNi蒸着流の蒸着速
度を次第に増加するように調整したり、Ni蒸着流の蒸
着速度を変えることなくYSZ蒸着流の蒸着速度を次第
に減少するように調整したりすることにより、Niに対
するYSZの単位時間当たりの相対的な蒸着量を次第に
減少させる一方、YSZに対するNiの単位時間当たり
の相対的な蒸着量を次第に増加させるようにしてもよ
い。
【0024】
【発明の効果】本発明の固体酸化物燃料電池の電極によ
れば、使用中に多大な熱負荷が加わっても、電解質と電
極との界面に作用する熱応力が著しく小さくなると共
に、当該界面間が強力に密着しているので、電解質と電
極とが非常に剥離しにくくなり、作動効率を向上させる
ことができる。
【0025】また、本発明の固体酸化物燃料電池の電極
の形成方法によれば、上述したような効果の得られる固
体酸化物燃料電池の電極を容易に形成することができ
る。
【0026】また、上述の形成方法を実施するにあたっ
て、電解質の表面へ向けてO2 イオンを照射することに
より、蒸着時にYSZに生じてしまう酸素欠損を補うこ
とができ、電極の性能の低下を防止することができる。
【0027】また、上述の形成方法を実施するにあたっ
て、電解質の表面に対して直交する方向に沿ってイオン
ガスを電解質へ向けて照射することにより、電解質の表
面に形成される電極を当該イオンガスによって気体透過
性の高いポーラスな状態に仕上げることができ、電極の
性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による固体酸化物燃料電池の電極の実施
の形態の周辺部分の抽出拡大断面図である。
【図2】本発明による固体酸化物燃料電池の電極の形成
方法の実施に使用する装置の概略構成図である。
【符号の説明】
1 基板(電解質) 2 燃料極 11 YSZ 11a YSZ蒸着流 12 Ni 12a Ni蒸着流 13 Arイオンビーム 14 O2 イオンビーム 21 電子ビーム蒸着器 21a 電子ビーム 22 イオン銃

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 YSZからなる電解質の表面に形成さ
    れ、Ni/YSZのサーメットからなる固体酸化物燃料
    電池の電極であって、YSZの含有量が上記電解質側ほ
    ど増大していることを特徴とする固体酸化物燃料電池の
    電極。
  2. 【請求項2】 前記電解質との界面がミキシングされて
    いることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物燃料
    電池の電極。
  3. 【請求項3】 YSZからなる電解質の表面へ向けてY
    SZおよびNiを蒸着して当該電解質の表面にNi/Y
    SZのサーメットからなる電極を形成する固体酸化物燃
    料電池の電極の形成方法であって、上記Niに対する上
    記YSZの単位時間当たりの相対的な蒸着量を次第に減
    少させる一方、上記YSZに対する上記Niの単位時間
    当たりの相対的な蒸着量を次第に増加させるようにして
    上記蒸着を行うことを特徴とする固体酸化物燃料電池の
    電極の形成方法。
  4. 【請求項4】 前記電解質へ向けてArガスイオンを照
    射しながら前記蒸着を行うことを特徴とする請求項3に
    記載の固体酸化物燃料電池の電極の形成方法。
  5. 【請求項5】 前記電解質へ向けてO2 ガスイオンを照
    射しながら前記蒸着を行うことを特徴とする請求項3ま
    たは4に記載の固体酸化物燃料電池の電極の形成方法。
  6. 【請求項6】 前記電解質の表面に対して直交する方向
    に沿って前記ガスイオンを照射することを特徴とする請
    求項4または5に記載の固体酸化物燃料電池の電極の形
    成方法。
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