JPWO2015182527A1 - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池 Download PDF

Info

Publication number
JPWO2015182527A1
JPWO2015182527A1 JP2015549108A JP2015549108A JPWO2015182527A1 JP WO2015182527 A1 JPWO2015182527 A1 JP WO2015182527A1 JP 2015549108 A JP2015549108 A JP 2015549108A JP 2015549108 A JP2015549108 A JP 2015549108A JP WO2015182527 A1 JPWO2015182527 A1 JP WO2015182527A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
region
zirconia
ceria
ratio
solid electrolyte
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2015549108A
Other languages
English (en)
Other versions
JP5895108B1 (ja
Inventor
誠 大森
誠 大森
綾乃 小林
綾乃 小林
真司 藤崎
真司 藤崎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NGK Insulators Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=54187173&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=JPWO2015182527(A1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by NGK Insulators Ltd filed Critical NGK Insulators Ltd
Priority to JP2015549108A priority Critical patent/JP5895108B1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5895108B1 publication Critical patent/JP5895108B1/ja
Publication of JPWO2015182527A1 publication Critical patent/JPWO2015182527A1/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • H01M8/1253Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides the electrolyte containing zirconium oxide
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32LAYERED PRODUCTS
    • B32BLAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B18/00Layered products essentially comprising ceramics, e.g. refractory products
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/48Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates
    • C04B35/486Fine ceramics
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/50Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on rare-earth compounds
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • H01M8/126Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides the electrolyte containing cerium oxide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3224Rare earth oxide or oxide forming salts thereof, e.g. scandium oxide
    • C04B2235/3229Cerium oxides or oxide-forming salts thereof
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/327Iron group oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3279Nickel oxides, nickalates, or oxide-forming salts thereof
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74Physical characteristics
    • C04B2235/76Crystal structural characteristics, e.g. symmetry
    • C04B2235/762Cubic symmetry, e.g. beta-SiC
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74Physical characteristics
    • C04B2235/76Crystal structural characteristics, e.g. symmetry
    • C04B2235/765Tetragonal symmetry
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065Solid electrolytes
    • H01M2300/0068Solid electrolytes inorganic
    • H01M2300/0071Oxides
    • H01M2300/0074Ion conductive at high temperature
    • H01M2300/0077Ion conductive at high temperature based on zirconium oxide
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0088Composites
    • H01M2300/0094Composites in the form of layered products, e.g. coatings
    • 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

本発明は、固体電解質層と燃料極の接続性を維持しつつ固体電解質層の電気伝導度の低下を抑制可能な燃料電池を提供することを目的とする。本発明は、固体電解質層が、燃料極上に配置される第1領域と、第1領域と空気極の間に配置される第2領域とを有し、第1領域におけるジルコニア系材料とセリア系材料の総量に対するセリア系材料の含有割合が0.5%以下であり、第1領域における立方晶系ジルコニアと正方晶系ジルコニアの総量に対する正方晶系ジルコニアの割合が3.0at%以上であり、第1領域におけるニッケルのジルコニウムに対する原子量比が3.0%以下であり、第2領域におけるジルコニア系材料とセリア系材料の総量に対するセリア系材料の割合が1.0%以上であり、第2領域における立方晶系ジルコニアと正方晶系ジルコニアの総量に対する正方晶系ジルコニアの割合が0.1%以下であるものに関する。

Description

本発明は、燃料電池に関する。
従来、燃料極と、空気極と、燃料極と空気極の間に配置される固体電解質層とを備える燃料電池が知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1では、固体電解質層の主成分としてYSZ(イットリアで安定化されたジルコニア)が用いられている。
一方で、燃料電池の運転環境下において、固体電解質層に含まれるジルコニアが立方晶から正方晶へと相変態することが知られている(例えば、非特許文献1参照)。このジルコニアの相変態は、燃料極側から空気極側に向かって進行する傾向がある。
特開2009−238430号公報
第21回SOFC研究発表会、2012年12月17日〜18日、岸本治夫、外9名、"熱力学的解析による耐久性向上のための基盤技術開発"
しかしながら、ジルコニアの相変態が進行すると、固体電解質層の電気伝導度が低下してしまうという問題がある。そのため、固体電解質層と燃料極の接続性を維持しつつ固体電解質層の電気伝導度の低下を抑えたいという要請がある。
本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、固体電解質層と燃料極の接続性を維持しつつ固体電解質層の電気伝導度の低下を抑制可能な燃料電池を提供することを目的とする。
本発明に係る燃料電池は、燃料極と、空気極と、燃料極と空気極の間に配置される固体電解質層とを備える。燃料極20は、ニッケルと酸素イオン伝導性材料を含有する。固体電解質層は、ジルコニア系材料を主成分として含有し、セリア系材料及びニッケルを副成分として含有する。固体電解質層は、燃料極上に配置される第1領域と、第1領域と空気極の間に配置される第2領域とを有する。第1領域におけるジルコニア系材料とセリア系材料の総量に対するセリア系材料の割合は、0.5%以下である。第1領域における立方晶系ジルコニアと正方晶系ジルコニアの総量に対する正方晶系ジルコニアの割合は、3.0%以上である。第1領域におけるニッケルのジルコニウムに対する原子量比は、3.0at%以下である。第2領域におけるジルコニア系材料とセリア系材料の総量に対するセリア系材料の割合は、1.0%以上である。第2領域における立方晶系ジルコニアと正方晶系ジルコニアの総量に対する正方晶系ジルコニアの割合は、0.1%以下である。
本発明によれば、固体電解質層と燃料極の接続性を維持しつつ固体電解質層の電気伝導度の低下を抑制可能な燃料電池を提供することができる。
燃料電池の構成を示す拡大断面図 燃料電池の構成を示す拡大断面図 燃料電池の構成を示す拡大断面図
次に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なっている場合がある。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
(燃料電池10の構成)
燃料電池10の構成について、図面を参照しながら説明する。図1は、燃料電池10の構成を示す拡大断面図である。
燃料電池10は、いわゆる固体酸化物型燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)である。燃料電池10は、縦縞型、横縞型、燃料極支持型、電解質平板型、或いは円筒型などの形態を取ることができる。燃料電池10は、図1に示すように、燃料極20、固体電解質層30、バリア層40および空気極50を備える。
燃料極20は、燃料電池10のアノードとして機能する。燃料極20は、多孔質の板状焼成体である。燃料極20は、図1に示すように、燃料極集電層21と燃料極活性層22を有する。
燃料極集電層21は、ガス透過性に優れる多孔質体である。燃料極集電層21を構成する材料としては、従来SOFCの燃料極集電層に用いられてきた材料を用いることができ、例えばNiO(酸化ニッケル)-8YSZ(8mol%のイットリアで安定化されたジルコニア)やNiO‐Y(イットリア)が挙げられる。ただし、燃料極集電層21がNiOを含んでいる場合、NiOの少なくとも一部はNiに還元されていてもよい。燃料極集電層21の厚みは、0.2mm〜5.0mmとすることができる。
燃料極活性層22は、燃料極集電層21上に配置される。燃料極活性層22は、燃料極集電層21よりは緻密質な多孔質体である。燃料極活性層22を構成する材料としては、従来SOFCの燃料極活性層に用いられてきた材料を用いることができ、Niと酸素イオン伝導性材料を含む。酸素イオン伝導性材料としては、例えば8YSZ、10YSZ(10mol%のイットリアで安定化されたジルコニア)及びScSZ(スカンジアで安定化されたジルコニア)などのジルコニア系材料や、CeO(セリア)、GDC(ガドリニウムドープセリア)及びSDC(サマリウムドープセリア)などのセリア系材料が挙げられる。燃料極活性層22は、NiをNiOとして含有していてもよい。燃料極活性層22が含有するNiOの少なくとも一部はNiに還元されていてもよい。燃料極活性層22の厚みは5.0μm〜30μmとすることができる。
固体電解質層30は、燃料極20上に配置される。固体電解質層30は、ジルコニア系材料を主成分として含有し、セリア系材料を副成分として含有している。ジルコニア系材料としては、8YSZ、10YSZ及びScSZなどを用いることができる。セリア系材料としては、CeO、GDC及びSDCなどを用いることができる。
固体電解質層30は、Niを含有する。固体電解質層30は、NiをNiOとして含んでいてもよい。固体電解質層30が含有するNiOの少なくとも一部はNiに還元されてもよい。
固体電解質層30は、燃料極20との間に界面Pを形成する。界面Pは、燃料極20と固体電解質層30の成分濃度をマッピングした場合に濃度分布が急激に変化するラインや、燃料極20と固体電解質層30の間で気孔率が急激に変化するラインに基づいて規定することができる。固体電解質層30の構成については後述する。
本実施形態において、組成物Xが物質Yを「主成分として含有する」とは、組成物X全体のうち、物質Yが好ましくは60重量%以上を占め、より好ましくは70重量%以上を占め、さらに好ましくは90重量%以上を占めることを意味する。組成物Xが物質Zを「副成分として含有する」とは、組成物X全体のうち、物質Zが好ましくは40重量%以下を占め、より好ましくは30重量%以下を占め、さらに好ましくは10重量%以下を占めることを意味する。
バリア層40は、固体電解質層30と空気極50の間に配置される。バリア層40は、固体電解質層30と空気極50の間に高抵抗層が形成されることを抑制する。バリア層40は、緻密質の焼成体であることが好ましい。バリア層40の材料としては、CeO、GDC及びSDCなどを用いることができる。バリア層40の厚みは、3μm〜20μmとすることができる。なお、燃料電池10は、バリア層40を備えていなくてもよい。
空気極50は、バリア層40上に配置される。空気極50は、燃料電池10のカノードとして機能する。空気極50は、多孔質の焼成体である。空気極50は、一般式ABOで表され、AサイトにLa及びSrの少なくとも一方を含むペロブスカイト型複合酸化物を主成分として含有する。このようなペロブスカイト型複合酸化物としては、(La,Sr)(Co,Fe)O、(La,Sr)FeO、(La,Sr)CoO、LaSrMnOなどが挙げられる。空気極50の厚みは、5μm〜50μmとすることができる。なお、燃料電池10がバリア層40を備えていない場合、空気極50は、固体電解質層30上に配置される。
(固体電解質層30の構成)
固体電解質層30は、図1に示すように、第1領域31と第2領域32を有する。第1領域31は、燃料極20上に配置される。第2領域32は、第1領域31上に配置される。
第1領域31は、ジルコニア系材料を含有する。ジルコニア系材料としては、8YSZ、10YSZ及びScSZなどを用いることができる。第1領域31は、立方晶系ジルコニアと正方晶系ジルコニアを含有している。第1領域31において、立方晶系ジルコニアと正方晶系ジルコニアの総量に対する正方晶系ジルコニアの割合は、3.0%以上である。
また、第1領域31は、セリア系材料を含有していてもよい。セリア系材料としては、GDCやSDCなどが挙げられるがこれに限られるものではない。第1領域31において、ジルコニア系材料とセリア系材料の総量に対するセリア系材料の割合は、0.5%以下である。第1領域31は、セリア系材料を含有していなくてもよい。ただし、第1領域31が微量のセリア系材料を含有していたとしても、ジルコニア系材料とセリア系材料の総量に対するセリア系材料の割合が0.1%以下であれば、第1領域31はセリア系材料を実質的に含有していないと言うことができる。このように、第1領域31におけるセリアの割合を制限することによって、焼成後の還元処理において第1領域31が過剰に膨張することを抑制することができる。
また、第1領域31は、Niを含有する。第1領域31は、NiをNiOとして含有していてもよい。第1領域31が含有するNi又は/及びNiOは、ジルコニア系材料(立方晶系ジルコニア及び正方晶系ジルコニアの少なくとも一方)に固溶していてもよい。この場合、第1領域31が含有するNi又は/及びNiOは、ジルコニア系材料の粒子内に位置していてもよい。第1領域31におけるNiのZrに対する原子量比は0.0at%より大きく3.0at%以下である。
第2領域32は、ジルコニア系材料を含有する。ジルコニア系材料としては、8YSZ、10YSZ及びScSZなどを用いることができる。第2領域32において、立方晶系ジルコニアと正方晶系ジルコニアの総量に対する正方晶系ジルコニアの割合は、0.1%以下である。第2領域32は、正方晶系ジルコニアを含有していなくてもよい。ただし、第2領域32が微量の正方晶系ジルコニアを含有していたとしても、立方晶系ジルコニアと正方晶系ジルコニアの総量に対する正方晶系ジルコニアの割合が0.1%以下であれば、第2領域32は正方晶系ジルコニアを実質的に含有していないと言うことができる。なお、第2領域32の第1領域側表面32Sは、立方晶系ジルコニアと正方晶系ジルコニアの総量に対する正方晶系ジルコニアの割合が0.1%となるラインに規定することができる。
また、第2領域32は、セリア系材料を含有している。セリア系材料としては、GDCやSDCなどが挙げられるがこれに限られるものではない。第2領域32において、ジルコニア系材料とセリア系材料の総量に対するセリア系材料の割合は、1.0%以上である。このように、第2領域32におけるセリア系材料の割合を確保することによって、第2領域32における正方晶系ジルコニアの割合を抑制することができる。
本実施形態において、「立方晶系ジルコニアと正方晶系ジルコニアの総量に対する正方晶系ジルコニアの割合」とは、断面におけるラマンスペクトル分析から求められるラマンスペクトル強度比の概念である。「立方晶系ジルコニアと正方晶系ジルコニアの総量に対する正方晶系ジルコニアの割合」はラマンスペクトル強度比から直接求められるものであるが、本実施形態では単に“%”と表記する。例えば、ラマンスペクトル強度比は、ラマン分光法によって取得される固体電解質層30のラマンスペクトルを各材料固有のラマンスペクトル(既知のスペクトルデータ)を用いて解析することによって算出することができる。この際、第1領域31及び第2領域32それぞれの任意の10箇所で取得したラマンスペクトルを解析することによって、各材料に由来する割合の平均値を算出することが好ましい。
ラマンスペクトルの取得には、堀場製作所製の顕微レーザラマン分光装置(型式:LabRAM ARAMIS)を用いることができる。取得したラマンスペクトルを既知のスペクトルデータに基づいて解析する手法としては、複数のラマンスペクトルから化学種を推定するための周知の手法であるCLS法を用いることができる。
「立方晶系ジルコニアと正方晶系ジルコニアの総量に対する正方晶系ジルコニアの割合」は、製造工程におけるセリア系材料粉末の仕込み量を調整することによって制御することができる。
また、本実施形態において、「ジルコニア系材料とセリア系材料の総量に対するセリア系材料の割合」とは、断面における成分分析から求められる含有率の概念である。「ジルコニア系材料とセリア系材料の総量に対するセリア系材料の割合」の単位は“mol%”であるが、本実施形態では単に“%”と表記する場合がある。成分分析としては、EDX(Energy Dispersive X−ray Spectroscopy:エネルギー分散型X線分光法)によって取得されるEDXスペクトルを利用した元素分析を用いることができる。
「ジルコニア系材料とセリア系材料の総量に対するセリア系材料の割合」は、製造工程におけるジルコニア系材料粉末とセリア系材料粉末の仕込み量を調整することによって制御することができる。
なお、第1領域31の厚みは、1μm〜10μmとすることができる。第2領域32の厚みは、3μm〜20μmとすることができる。燃料極20との界面Pから第2領域32の第1領域側表面32Sまでの距離Lは、1μm〜20μmとすることができ、10μm以下であることが好ましい。また、距離Lは、固体電解質層30の全厚みの1/2以下であることが好ましく、1/3以下であることがより好ましく、1/4以下であることが更に好ましい。
(燃料電池10の製造方法)
次に、燃料電池10の製造方法の一例について説明する。
まず、金型プレス成形法で燃料極集電層用粉末を成形することによって、燃料極集電層21の成形体を形成する。
次に、燃料極活性層用粉末と造孔剤(例えばPMMA)との混合物にバインダーとしてPVA(ポリビニルブチラール)を添加して燃料極活性層用スラリーを作製する。そして、印刷法などによって燃料極活性層用スラリーを燃料極集電層21の成形体上に印刷することによって、燃料極活性層22の成形体を形成する。以上によって、燃料極20の成形体が形成される。
次に、立方晶系ジルコニアを含有するジルコニア系材料粉末とNiO粉末(又はNi粉末)にテルピネオールとバインダーを混合して第1領域用スラリーを作製する。この際、ジルコニア系材料粉末に加えてセリア系材料を混合してもよいが、ジルコニア系材料とセリア系材料の総量に対するセリア系材料の割合が0.5%以下となるように制限する。これによって、第1領域31における立方晶系ジルコニアと正方晶系ジルコニアの総量に対する正方晶系ジルコニアの割合を3.0%以上とすることができる。また、NiO粉末は、NiのZrに対する原子量比が3.0at%以下となるように調整する。
次に、印刷法などによって第1領域用スラリーを燃料極20の成形体上に印刷することによって、固体電解質層30のうち第1領域31の成形体を形成する。
次に、立方晶系ジルコニアを含有するジルコニア系材料粉末とセリア系材料粉末にテルピネオールとバインダーを混合して第2領域用スラリーを作製する。この際、ジルコニア系材料とセリア系材料の総量に対するセリア系材料の割合が1.0%以上となるように各材料を秤量する。これによって、第2領域31における立方晶系ジルコニアと正方晶系ジルコニアの総量に対する正方晶系ジルコニアの割合を0.1%以下とすることができる。
次に、印刷法などによって第2領域用スラリーを第1領域31の成形体上に印刷することによって、固体電解質層30のうち第2領域32の成形体を形成する。以上によって、固体電解質層30の成形体が形成される。
次に、バリア層用粉末にテルピネオールとバインダーを混合してスラリーを作製する。そして、スクリーン印刷法などによってスラリーを固体電解質層30の成形体上に塗布することによって、バリア層40の成形体を形成する。
以上により作製された成形体の積層体を共焼成(1300〜1600℃、2〜20時間)することによって、燃料極20、固体電解質層30およびバリア層40の共焼成体を形成する。
次に、空気極用粉末にテルピネオールとバインダーを混合してスラリーを作製する。そして、スクリーン印刷法などを用いてスラリーをバリア層40上に塗布することによって、空気極活性層52の成形体を形成する。そして、空気極50の成形体を焼成(1000〜1100℃、1〜10時間)する。
(他の実施形態)
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。
(A)上記実施形態では、燃料電池10がバリア層40を備えることとしたが、燃料電池10はバリア層40を備えていなくてもよい。この場合、固体電解質層30の第2領域32は、空気極50と接続されていてもよい。
(B)上記実施形態では、固体電解質層30が第1領域31と第2領域32を有することとしたが、これに限られるものではない。第2領域32は、第1領域31と空気極50の間に配置されていればよく、固体電解質層30は、図2に示すように、第1領域31と第2領域32の間に配置される第3領域33を有していてもよい。
第3領域33は、ジルコニア系材料を含有する。第3領域33は、立方晶系ジルコニアと正方晶系ジルコニアを含有している。第3領域33において、立方晶系ジルコニアと正方晶系ジルコニアの総量に対する正方晶系ジルコニアの割合は、0.1%より大きく3.0%未満である。また、第3領域33は、セリア系材料を含有していてもよい。セリア系材料としては、GDCやSDCなどが挙げられるがこれに限られるものではない。第3領域33において、ジルコニア系材料とセリア系材料の総量に対するセリア系材料の割合は、0.5%より大きく1.0%未満である。なお、第3領域33は、セリア系材料を実質的に含有していなくてもよい。
(C)上記実施形態では、固体電解質層30が第1領域31と第2領域32を有することとしたが、これに限られるものではない。第2領域32は、第1領域31と空気極50の間に配置されていればよく、固体電解質層30は、図3に示すように、第2領域32上に配置される第4領域34を有していてもよい。
(サンプルNo.1〜No.15の作製)
以下のようにして、サンプルNo.1〜No.15を作製した。
まず、NiO粉末と8YSZ粉末と造孔材(PMMA)の調合粉末とIPAを混合したスラリーを窒素雰囲気下で乾燥させることによって混合粉末を作製した。
次に、混合粉末を一軸プレス(成形圧50MPa)することで縦30mm×横30mm、厚み3mmの板を成形し、その板をCIP(成形圧:100MPa)でさらに圧密することによって燃料極集電層の成形体を作製した。
次に、NiO粉末と表1に示す酸素イオン伝導性材料(ジルコニア系材料又はセリア系材料)とPMMAの調合粉末とIPAを混合したスラリーを燃料極集電層の成形体上に印刷した。
次に、NiO粉末と表1に示すジルコニア系材料(8YSZ又は10YSZ)にテルピネオールとバインダーを混合して第1領域用スラリーを作成した。この際、第1領域におけるセリア系材料の割合を調整するために、表1に示すセリア系材料(GDC又はSDC)の第1領域用スラリーにおける仕込み量を調整した。ただし、サンプルNo.5〜No.10,14,15の第1領域用スラリーにはセリア系材料を添加しなかった。次に、第1領域用スラリーを燃料極の成形体上に印刷することによって固体電解質層のうち第1領域の成形体を形成した。また、NiのZrに対する原子量比が3.0at%以下となるようにNiO粉末の混合量を調整した。
次に、表1に示すジルコニア系材料とセリア系材料にテルピネオールとバインダーを混合して第2領域用スラリーを作成した。この際、第2領域におけるセリア系材料の割合を調整するために、表1に示すセリア系材料の第2領域用スラリーにおける仕込み量を調整した。次に、第2領域用スラリーを第1領域の成形体上に印刷することによって固体電解質層のうち第2領域の成形体を形成した。
次に、GDCスラリーを作製し、固体電解質層の成形体上にGDCスラリーを塗布することによってバリア層の成形体を作製した。
次に、燃料極、固体電解質層及びバリア層の成形体を、1400℃で2時間共焼成した。
次に、LSCFスラリーを作製し、共焼成体上にLSCFスラリーを塗布することによって空気極の成形体を作製した。次に、空気極の成形体を、1100℃で1時間焼成した。
(ラマン分光法による立方晶系ジルコニアと正方晶系ジルコニアのラマンスペクトル強度比測定)
サンプルNo.1〜No.15について、固体電解質層の断面においてラマン分光法による結晶相解析を実施した。具体的には、立方晶系ジルコニアと正方晶系ジルコニアのそれぞれに固有のラマンスペクトルを参照して、固体電解質層の断面において取得したラマンスペクトルを解析した。このラマンスペクトルの解析を厚み方向において連続的に行うことによって、立方晶系ジルコニアと正方晶系ジルコニアの総量に対する正方晶系ジルコニアの割合が0.1%となるラインを定めて、このラインを境界として固体電解質層を第1領域と第2領域に区別した。第1領域及び第2領域それぞれの厚みは、表1に示すとおりであった。
次に、第1領域内の平面方向及び厚み方向における複数箇所(n=10)のラマンスペクトルデータを解析することによって、立方晶系ジルコニア及び正方晶系ジルコニアそれぞれに由来するラマンスペクトルの強度割合に基づいて正方晶系ジルコニアの割合の平均値を取得した。第1領域における正方晶系ジルコニアの割合の平均値は表1に示すとおりである。
次に、第2領域内の平面方向及び厚み方向における複数箇所(n=10)のラマンスペクトルデータを解析することによって、立方晶系ジルコニア及び正方晶系ジルコニアそれぞれに由来するラマンスペクトルの強度割合に基づいて正方晶系ジルコニアの割合の平均値を取得した。第2領域における正方晶系ジルコニアの割合の平均値は表1に示すとおりである。
(EDXによるジルコニア系材料とセリア系材料の含有率測定)
サンプルNo.1〜No.15について、EDXを用いて固体電解質層の断面における複数箇所(n=10)のEDXスペクトルを取得した。そして、EDXスペクトルに基づいて元素分析をすることによって、固体電解質層の第1領域及び第2領域それぞれにおけるセリア系材料の割合(mol%)の平均値を取得した。第1領域及び第2領域それぞれにおけるセリア系材料の割合(mol%)の平均値は表1に示すとおりである。
(還元処理後のクラック観察)
次に、各サンプルに還元処理を施した。具体的には、各サンプルの燃料極側を4%水素雰囲気に維持した状態で常温から750℃まで400℃/hrで昇温した後、4%水素雰囲気から100%水素雰囲気に切り替えた。続いて、水素ガスを燃料極に供給した状態で750℃に100時間維持した後に、Arガスと水素ガス(Arに対して4%)の供給によって還元雰囲気を維持した状態で常温まで12時間かけて降温した。
その後、燃料極と固体電解質層の第1領域の界面付近を顕微鏡で観察することによって、クラックの有無を確認した。確認結果は、表1に示すとおりであった。
(固体電解質層の電気伝導度測定)
各サンプルに還元処理を施した後、各サンプルのIR抵抗を交流インピーダンス法によって測定した。測定結果は、表1に示すとおりであった。
Figure 2015182527

表1に示すように、サンプルNo.1及びNo.11では、還元処理後において、燃料極と固体電解質層の第1領域との界面付近にクラックが観察された。これは、サンプルNo.1及びNo.11それぞれの固体電解質層の第1領域におけるセリアの割合が多かったことに起因して、還元処理時の第1領域の膨張量が燃料極に比べて大きくなったためである。また、正方晶系ジルコニアの強度は立方晶系ジルコニアの強度よりも大きいことが周知であるところ、第1領域における正方晶系ジルコニアの割合が低かったため、燃料極と第1領域との界面における十分な接続性を得られなかったことも原因の一つである。
従って、第1領域31におけるジルコニア系材料とセリア系材料の総量に対するセリア系材料の割合は0.5%以下が好ましく、立方晶系ジルコニアと正方晶系ジルコニアの総量に対する正方晶系ジルコニアの割合は3.0%以上が好ましいことがわかった。
また、表1に示すように、サンプルNo.1及びNo.11では、セルの電気伝導度が低下した。これは、サンプルNo.1及びNo.11それぞれの固体電解質層の第2領域における正方晶系ジルコニアの割合が高すぎたためである。
従って、第2領域32におけるジルコニア系材料とセリア系材料の総量に対するセリア系材料の割合は1.0%以上が好ましく、立方晶系ジルコニアと正方晶系ジルコニアの総量に対する正方晶系ジルコニアの割合は0.1%以下が好ましいことがわかった。
また、表1に示すように、サンプルNo.1〜No.10とサンプルNo.12〜No.15では、燃料極に含まれる酸素イオン伝導性材料の種類に関わらず上述の効果を得られることが確認された。
10 燃料電池
20 燃料極
30 固体電解質層
31 第1領域
32 第2領域
40 バリア層
50 空気極

Claims (1)

  1. ニッケルと酸素イオン伝導性材料を含有する燃料極と、
    空気極と、
    前記燃料極と前記空気極の間に配置される固体電解質層と、
    を備え、
    前記固体電解質層は、ジルコニア系材料を主成分として含有し、セリア系材料及びニッケルを副成分として含有しており、
    前記固体電解質層は、前記燃料極上に配置される第1領域と、前記第1領域と前記空気極の間に配置される第2領域とを有し、
    前記第1領域におけるジルコニア系材料とセリア系材料の総量に対するセリア系材料の含有割合は、0.5%以下であり、
    前記第1領域における立方晶系ジルコニアと正方晶系ジルコニアの総量に対する正方晶系ジルコニアの割合は、3.0%以上であり、
    前記第1領域におけるニッケルのジルコニウムに対する原子量比は、3.0at%以下であり、
    前記第2領域におけるジルコニア系材料とセリア系材料の総量に対するセリア系材料の割合は、1.0%以上であり、
    前記第2領域における立方晶系ジルコニアと正方晶系ジルコニアの総量に対する正方晶系ジルコニアの割合は、0.1%以下である、
    燃料電池。
JP2015549108A 2014-05-26 2015-05-22 燃料電池 Active JP5895108B1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015549108A JP5895108B1 (ja) 2014-05-26 2015-05-22 燃料電池

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014108395 2014-05-26
JP2014108395 2014-05-26
JP2015040495 2015-03-02
JP2015040495A JP5770400B1 (ja) 2014-05-26 2015-03-02 燃料電池
JP2015549108A JP5895108B1 (ja) 2014-05-26 2015-05-22 燃料電池
PCT/JP2015/064815 WO2015182527A1 (ja) 2014-05-26 2015-05-22 燃料電池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP5895108B1 JP5895108B1 (ja) 2016-03-30
JPWO2015182527A1 true JPWO2015182527A1 (ja) 2017-04-20

Family

ID=54187173

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015040495A Active JP5770400B1 (ja) 2014-05-26 2015-03-02 燃料電池
JP2015549108A Active JP5895108B1 (ja) 2014-05-26 2015-05-22 燃料電池

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015040495A Active JP5770400B1 (ja) 2014-05-26 2015-03-02 燃料電池

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10033059B2 (ja)
JP (2) JP5770400B1 (ja)
CN (1) CN106463748B (ja)
DE (1) DE112015002517B4 (ja)
WO (1) WO2015182527A1 (ja)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6001805B1 (ja) * 2015-07-07 2016-10-05 日本碍子株式会社 燃料電池スタック
WO2018021429A1 (ja) * 2016-07-27 2018-02-01 日本碍子株式会社 電気化学セルスタック
DE112017003752T5 (de) 2016-07-27 2019-04-25 Ngk Insulators, Ltd. Stack elektrochemischer zellen
JP6349446B1 (ja) 2017-07-26 2018-06-27 日本碍子株式会社 電気化学セルスタック
JP6349445B1 (ja) 2017-07-26 2018-06-27 日本碍子株式会社 電気化学セルスタック
JP6936273B2 (ja) * 2019-04-11 2021-09-15 森村Sofcテクノロジー株式会社 電気化学反応セルスタック
JP6951383B2 (ja) * 2019-07-05 2021-10-20 森村Sofcテクノロジー株式会社 電気化学反応セルスタック
JP7301768B2 (ja) * 2020-03-18 2023-07-03 東芝エネルギーシステムズ株式会社 電気化学セル、電気化学セルスタックおよび電気化学セル用電解質
AU2022203575A1 (en) * 2021-06-08 2022-12-22 Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation Electrochemical cell and electrochemical cell stack

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4771579B2 (ja) * 2000-10-23 2011-09-14 東邦瓦斯株式会社 固体電解質型燃料電池
JP4039618B2 (ja) * 2002-08-09 2008-01-30 東邦瓦斯株式会社 固体酸化物形燃料電池
JP5145043B2 (ja) * 2005-07-27 2013-02-13 株式会社日本触媒 固体電解質シートの製造方法および固体電解質シート
US7820332B2 (en) * 2006-09-27 2010-10-26 Corning Incorporated Electrolyte sheet with regions of different compositions and fuel cell device including such
CN105206847B (zh) * 2007-11-13 2018-02-09 博隆能源股份有限公司 针对较长寿命和较高电力设计的电解质支撑型电池
JP5198108B2 (ja) 2008-03-26 2013-05-15 京セラ株式会社 横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックおよび燃料電池
US8580456B2 (en) 2010-01-26 2013-11-12 Bloom Energy Corporation Phase stable doped zirconia electrolyte compositions with low degradation
US9799905B2 (en) 2011-01-31 2017-10-24 Toto Ltd. Solid oxide fuel cell
JP6339582B2 (ja) * 2012-11-20 2018-06-06 ブルーム エナジー コーポレーション ドープされたスカンジア安定化ジルコニア電解質組成物

Also Published As

Publication number Publication date
JP5895108B1 (ja) 2016-03-30
CN106463748B (zh) 2018-10-16
DE112015002517T5 (de) 2017-03-02
CN106463748A (zh) 2017-02-22
US20170062857A1 (en) 2017-03-02
WO2015182527A1 (ja) 2015-12-03
JP5770400B1 (ja) 2015-08-26
US10033059B2 (en) 2018-07-24
DE112015002517B4 (de) 2023-07-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5895108B1 (ja) 燃料電池
JP5560381B1 (ja) 燃料電池セル
JP5522870B1 (ja) 燃料電池セル
JP5981065B1 (ja) 燃料電池
JP6267386B2 (ja) 燃料電池
JP5584796B1 (ja) 固体酸化物型燃料電池
JP6393711B2 (ja) 固体酸化物型燃料電池
JP5981066B1 (ja) 燃料電池
JP2014067698A (ja) 燃料電池セル
JP6051328B1 (ja) 燃料電池
JP5841210B1 (ja) 燃料電池セル
JP5805232B2 (ja) 固体酸化物型燃料電池
JP6144811B1 (ja) 燃料電池
JP5636520B1 (ja) 燃料電池セル
JP5638687B1 (ja) 空気極材料
JP6234628B1 (ja) 燃料電池
JP5395295B1 (ja) 燃料電池セル
JP6182286B1 (ja) 燃料電池
JP6837122B2 (ja) 電気化学セル
JP5596882B1 (ja) 燃料電池セル
JP2014123551A (ja) 燃料電池セル

Legal Events

Date Code Title Description
TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20160216

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20160229

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5895108

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R157 Certificate of patent or utility model (correction)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R157