JPWO2020246303A1 - セル、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置 - Google Patents

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Abstract

セル１は、第１電極層３と、第１電極層３上に位置し、Ｚｒを含有する固体電解質層４と、固体電解質層４上に位置し、Ｃｅ以外の希土類元素を含むＣｅＯ２を含有する中間層８と、中間層８上に位置する第２電極層５と、を備えた素子部を有する。中間層８は、第１中間層８ａと、第１中間層８ａと固体電解質層４との間の少なくとも一部に位置し、ＺｒおよびＣｅを含む第２中間層と、を有している。第２電極層５から平面視したときに、中間層８の外周部に位置する第２中間層８ｂは、第２電極層５の中央と重なる第２中間層８ｂより厚い部位を有する。セルスタック装置１３、モジュール１１、モジュール収容装置２１は、複数のセル１を備えている。

Description

本開示は、セル、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置に関する。
近年、次世代エネルギーとして、燃料電池が提案されている。燃料電池は、水素含有ガス等の燃料ガスと空気等の酸素含有ガスとを用いて電力を得ることができるセルの１種である。
燃料電池セルは、例えば導電性支持体、導電性支持体上に設けられ、Ｎｉと希土類元素が固溶したＺｒＯ２を含有する燃料極層、燃料極層上に設けられ、希土類元素が固溶したＺｒＯ２を含有する固体電解質層、及び固体電解質層上に設けられ、Ｓｒを含有するペロブスカイト型複合酸化物の空気極層を有している。
例えば、特許文献１、２には、固体電解質層と空気極層との間に、Ｃｅ以外の希土類元素が固溶したＣｅＯ２の中間層を設けた燃料電池セルが提案されている。
特開２００８−２２６６５３号公報 特開２００８−２２６６５４号公報
本開示のセルは、第１電極層と、該第１電極層上に位置し、Ｚｒを含有する固体電解質層と、該固体電解質層上に位置し、Ｃｅ以外の希土類元素を含むＣｅＯ２を含有する中間層と、該中間層上に位置する第２電極層と、を備えた素子部を有している。前記中間層は、第１中間層と、該第１中間層と前記固体電解質層との間の少なくとも一部に位置し、ＺｒおよびＣｅを含む第２中間層と、を有している。前記第２電極層から平面視したときに、前記中間層の外周部に位置する前記第２中間層は、前記第２電極層の中央と重なる前記第２中間層より厚い部位を有する。
本開示のセルスタック装置は、上記のセルが複数積層されたセルスタックを備える。
本開示のモジュールは、上記のセルスタック装置と、該セルスタック装置を収容する収容容器と、を備える。
本開示のモジュール収容装置は、上記のモジュールと、該モジュールの運転を行うための補機と、前記モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースと、を備える。
セルの例の１つを示す横断面図である。 図１の下面の例の１つを示す平面図である。 素子部及びその周辺の、中央Ｃを含む任意の断面の例の１つを示す断面図である。 素子部及びその周辺の、中央Ｃを含む任意の断面の例の１つを示す断面図である。 素子部及びその周辺の、中央Ｃを含む任意の断面の例の１つを示す断面図である。 素子部及びその周辺の、中央Ｃを含む任意の断面の例の１つを示す断面図である。 セルの第３の例の１つを示す横断面図である。 モジュールの例の１つを示す外観斜視図である。 モジュール収容装置の例の１つを示す斜視図である。
（セル）
セルスタックを構成するセルの例の１つとして、固体酸化物形の燃料電池セルについて説明する。
図１は、セルの例の１つを示す横断面図である。図２は、図１の下面の例の１つを示す平面図である。なお、本開示の図面では、各構成の一部の記載を省略している場合、および各構成の一部を拡大して示している場合がある。
図１および図２に示すセル１は中空平板型で、細長い板状である。図２に示すように、セル１の全体を図１の下面または上面から見た形状は、例えば、長さ方向Ｌの辺の長さが５ｃｍ〜５０ｃｍで、この長さ方向Ｌに直交する幅方向Ｗの長さが１ｃｍ〜１０ｃｍの長方形である。セル１の全体の厚さは１ｍｍ〜５ｍｍである。Ｔはセル１の厚さ方向である。
図１に示すように、セル１は、支持体２と、第１電極層３、固体電解質層４および第２電極層５を有する素子部６と、を有している。支持体２は、一対の対向する平坦面である第１平坦面ｎ１および第２平坦面ｎ２、および第１平坦面ｎ１と第２平坦面ｎ２とを接続する一対の円弧状の側面ｍを有する柱状であり、中空平板状であってもよい。
素子部６は、支持体２の第１平坦面ｎ１上に位置している。以下、第１電極層３を燃料極層、第２電極層５を空気極層として説明する。支持体２の第２平坦面ｎ２上にはインターコネクタ７が位置している。また、図１に示すセル１は、固体電解質層４と第２電極層５との間に、中間層８を有している。
支持体２は、内部に長手方向に沿ってガスを流すガス流路２ａを有している。図１に示す支持体２は、６つのガス流路２ａを有している。
支持体２は、ガス透過性を有し、ガス流路２ａに流れる燃料ガスを第１電極層３まで透過させる。支持体２は、導電性を有していてもよい。導電性を有する支持体２は、素子部６で生じた電気を第１電極層３から集電する第１集電体となり、生じた電気を素子部６からインターコネクタ７に集電し易くなる。
支持体２は、例えば、鉄族金属成分と無機酸化物とを含んでいてもよい。例えば、鉄族金属成分はＮｉおよび／またはＮｉＯであってもよい。無機酸化物は特定の希土類酸化物であってもよい。特定の希土類酸化物は、支持体２の熱膨張係数を固体電解質層４の熱膨張係数に近づけることができる。特定の希土類酸化物は、例えば、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒのうち少なくとも１種の元素を含む希土類酸化物であってもよい。このような希土類酸化物の具体例は、Ｙ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、およびＰｒ２Ｏ３である。支持体２のＮｉおよび／またはＮｉＯと希土類酸化物との体積比は、例えば、Ｎｉおよび／またはＮｉＯ：希土類酸化物＝３５：６５〜６５：３５であってもよい。Ｎｉおよび／またはＮｉＯと希土類酸化物との体積比をこのような範囲とすることで、支持体２の良好な導電率を維持し、かつ熱膨張係数を固体電解質層４に近づけることができる。
支持体２は、３０％以上、特に３５〜５０％の範囲の開気孔率を有していてもよい。このような開気孔率を有する支持体２は、ガス透過性を有する。支持体２は、３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上の導電率を有していてもよい。
第１電極層３の材料は、燃料極として一般的に公知の材料を使用してもよい。多孔質の導電性セラミックス、例えば希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ２と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとを含むセラミックスを用いてもよい。希土類元素酸化物は、例えばＹ２Ｏ３等であってもよい。以下、希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ２を安定化ジルコニアという場合もある。安定化ジルコニアは、部分安定化ジルコニアも含む。
固体電解質層４は、第１電極層３と第２電極層５との間でイオンの橋渡しをする電解質である。固体電解質層４は、ガス遮蔽性を有しており、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを生じ難くする。固体電解質層４は、例えば３〜１５モル％の希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ２であってもよい。希土類酸化物としては、例えばＹ２Ｏ３等を用いてもよい。なお、固体電解質層４の材料は、上記特性を有する限りにおいては、他の材料等を用いてもよい。
第２電極層５の材料は、空気極として一般的に用いられるものであればよく、特に制限はない。空気極は、例えば、いわゆるＡＢＯ３型のペロブスカイト型酸化物の導電性セラミックスであってもよい。ペロブスカイト型酸化物は、例えば、ＡサイトにＳｒとＬａが共存する複合酸化物であってもよい。ＡサイトにＳｒとＬａが共存する複合酸化物の例としては、ＬａｘＳｒ１−ｘＣｏｙＦｅ１−ｙＯ３、ＬａｘＳｒ１−ｘＭｎＯ３、ＬａｘＳｒ１−ｘＦｅＯ３、ＬａｘＳｒ１−ｘＣｏＯ３等が挙げられる。なお、ｘは０＜ｘ＜１、ｙは０＜ｙ＜１である。空気極はガス透過性を有している。空気極の開気孔率は、例えば２０％以上、特に３０〜５０％の範囲であってもよい。
セル１は、第２電極層５上に第２集電体を有していてもよい。第２集電体の材料は、たとえばＬａＦｅＯ３系またはＬａＭｎＯ３系のペロブスカイト型酸化物でもよいし、上述の第２電極層５の材料でもよい。第２集電体は、中間層８または固体電解質層４上に位置していてもよい。なお、平面視して中間層８と重ならない部位に存在し、第２電極層５と同じ組成を有する部位は、第２電極層５ではなく第２集電体の一部とする。
インターコネクタ７は、例えばランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ３系酸化物）、または、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物（（Ｌａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３系酸化物）を材料として用いてもよい。これらの材料は、導電性を有し、かつ水素含有ガス等の燃料ガス、および空気等の酸素含有ガスと接触しても分解されない。
インターコネクタ７は緻密質であり、支持体２の内部のガス流路２ａ内を流通する燃料ガス、および支持体２の外側を流通する酸素含有ガスのリークを生じ難くする。インターコネクタ７は、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していてもよい。
なお、セル１は、インターコネクタ７と支持体２との間に、第１電極層３と類似する組成の密着層を有してもよい。密着層は、インターコネクタ７と支持体２との間の熱膨張係数差により生じる応力を軽減する。
中間層８は、例えばＣｅ以外の希土類元素を含むＣｅＯ２系焼結体を用いてもよい。ＣｅＯ２系焼結体は、例えば、（ＣｅＯ２）１−ｘ（ＲＥＯ１．５）ｘで表される組成を有していてもよい。（ＣｅＯ２）１−ｘ（ＲＥＯ１．５）ｘの式中において、ＲＥはＳｍ、Ｙ、ＹｂおよびＧｄのうち少なくとも１種であり、ｘは０＜ｘ≦０．３を満足する数である。
中間層８は、固体電解質層４と第２電極層５との間に位置し、固体電解質層４の成分と第２電極層５の成分とを反応し難くする役割を有する。固体電解質層４の成分、例えばＺｒと、第２電極層５の成分、例えば空気極中のＳｒとが反応すると、高い電気抵抗を有する反応層が生成される。中間層８が固体電解質層４と第２電極層５との間に存在することで、固体電解質層４の成分と第２電極層５の成分とが反応し難くなる。さらに、電気抵抗を低減するという点から、中間層８のＲＥとしてＳｍまたはＧｄを用いてもよい。例えば（ＣｅＯ２）１−ｘ（ＲＥＯ１．５）ｘとして１０〜２０モル％のＳｍＯ１．５またはＧｄＯ１．５が固溶したＣｅＯ２を用いてもよい。
セル１の中間層８は、第１中間層８ａと第２中間層８ｂとを有している。第１中間層８ａは、第２電極層５に接している。第１面８ａ１は、中間層８の第２電極層５と接する側の面である。第１面８ａ１の面積は、第２電極層５の面積と同じ、または第２電極層５の面積より大きい。第２電極層５の輪郭は、第１面８ａ１の輪郭と同じ、または第１面８ａ１の輪郭の内側に位置している。固体電解質層４の面積は、第１面８ａ１の面積より大きくてもよい。なお、第１面８ａ１の輪郭を中間層８の輪郭といい、第１面８ａ１の面積を中間層８の面積という場合もある。
第２中間層８ｂは、固体電解質層４と第１中間層８ａとの間の少なくとも一部に存在する。中間層８に含まれるＣｅＯ２と、固体電解質層４に含まれるＺｒＯ２とが反応して高い電気抵抗を有する成分が生じることがある。第２中間層８ｂは、このＣｅＯ２とＺｒＯ２とが反応した、ＺｒおよびＣｅを含む層である。
ここで、Ｚｒ、ＣｅおよびＣｅ以外の希土類元素の合計１００原子％に対し、Ｚｒの比率が１５原子％未満である領域を第１中間層８ａとし、Ｃｅの比率が５原子％以上、８５原子％以下の領域を第２中間層８ｂとする。第１中間層８ａは、Ｚｒ、ＣｅおよびＣｅ以外の希土類元素の合計に対し、８５原子％以上のＣｅを含んでいてもよい。固体電解質層４は、Ｚｒ、ＣｅおよびＣｅ以外の希土類元素の合計に対し、５原子％未満のＣｅを含んでいてもよい。
中間層８は、例えばＣｅ以外の希土類元素を含むＣｅＯ２の原料粉末に溶剤等を添加して作製したスラリーを、固体電解質層４上に塗布し、熱処理して原料粉末を焼結させることで形成される。焼結した中間層８では、固体電解質層４との界面の全面にわたってＣｅＯ２とＺｒＯ２とが反応しており、第２中間層８ｂは、中間層８と固体電解質層４との界面全面にわたって概ね均等な厚さとなりやすい。
ここで、図２に示すように、平面視した第２電極層５の面積重心を中央Ｃとし、中央Ｃから第１面８ａ１の輪郭までの距離をＤとする。このとき、中間層８の外周部とは、中央Ｃからの距離がＤ／２以上の部位とし、第２電極層５の中央部とは、中央Ｃからの距離がＤ／２未満の部位とする。図３〜図６は、素子部６及びその周辺の中央Ｃを含む任意の断面を示す。
本開示のセル１の第１の例の１つでは、第２電極層５から平面視したときに、中間層８の外周部に位置する第２中間層８ｂが、図３〜６に示すように、第２電極層５の中央Ｃと重なる第２中間層８ｂより厚い部位を有している。以下、各層の厚さとは、第１電極層３、固体電解質層４および中間層８が積層された積層方向の厚さである。
なお、「中間層８の外周部に位置する第２中間層８ｂ」を単に「外周部の第２中間層８ｂ」といい、「第２電極層５の中央Ｃと重なる第２中間層８ｂ」を単に「中央Ｃの第２中間層８ｂ」という場合もある。
ＺｒおよびＣｅを含む第２中間層８ｂは、高い電気抵抗を有する。高い電気抵抗を有する第２中間層８ｂが、素子部６に存在すると、セル１の発電効率を低下させる懸念がある。素子部６は、第１電極層３、固体電解質層４および第２電極層５が重なり合う領域であり、セル１の発電を担う部位である。一般に、平面視したときの第２電極層５の面積は、第１電極層３および固体電解質層４よりも小さいので、発電を担う素子部６の面積は第２電極層５の面積と概ね一致する。したがって、素子部６に位置する第２中間層８ｂの厚さを薄くする、特に第２電極層５の中央Ｃと重なる第２中間層８ｂの厚さを薄くすることで、セル１の発電効率に対する第２中間層８ｂの影響を小さくすることができる。
第２中間層８ｂは、第１中間層８ａの成分と固体電解質層４の成分とが反応して形成されているので、第１中間層８ａと固体電解質層４とを強く結合させることができる。したがって、第２中間層８ｂが厚い、すなわち反応層が厚いと、第１中間層８ａが固体電解質層４により強く結合する。
第１中間層８ａは、特に中間層８の外周部で固体電解質層４から剥離しやすい。中間層８の外周部の第２中間層８ｂが、第２電極層５の中央Ｃの第２中間層８ｂより厚い部位を有することで、外周部において第１中間層８ａを固体電解質層４から剥離し難くすることができる。
第２電極層５から平面視したとき、中間層８の面積は、第２電極層５の面積より大きくてもよい。このとき、セル１は、中間層８の外周部のうち第２電極層５と重ならない部位に、第２電極層５の中央Ｃの第２中間層８ｂより厚い第２中間層８ｂを有していてもよい。高い電気抵抗を有する第２中間層８ｂが、外周部のうち第２電極層５と重ならない部位に存在しても、セル１の発電効率には影響しない。
また、特に中間層８の輪郭の近傍は、第１中間層８ａが固体電解質層４から剥離する起点となりやすい。セル１が、中間層８の輪郭の近くに、中央Ｃの第２中間層８ｂよりも厚い第２中間層８ｂを有することで、第１中間層８ａを固体電解質層４からより剥離し難くすることができる。図４に示すように、第２中間層８ｂは、第２電極層５の輪郭と中間層８の輪郭との間に、最大の厚さを有する部位を有していてもよい。なお、セル１は、中間層８の外周部に、中央Ｃの第２中間層８ｂの厚さより薄い第２中間層８ｂを有していてもよい。
また、セル１は、第２電極層５の中央Ｃと重なる第２中間層８ｂを有していなくてもよい。
中間層８の外周部に位置する第２中間層８ｂの厚さ、および第２電極層５の中央Ｃと重なる第２中間層８ｂの厚さは、例えば外周部の積層方向に沿う断面と、中央Ｃの積層方向に沿う断面の元素分析を行うことで確認できる。具体的には、Ｚｒ元素およびＣｅ元素について、断面の面分析または積層方向の線分析を行うことにより第２中間層８ｂの厚さを確認できる。元素分析は、たとえばエネルギー分散型Ｘ線分光（ＳＴＥＭ−ＥＤＳ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ−Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて行ってもよい。
また、中間層８に含まれるＺｒおよびＣｅの比率をＳＴＥＭ−ＥＤＳを用いた定量分析結果から算出し、第２中間層８ｂの厚さを確認してもよい。具体的には、ＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）−マイクロサンプリング法を用いて、セル１の第２電極層５、中間層８および固体電解質層４を含む断面の評価用試料を作製する。作製した評価用試料の断面を積層方向に沿って、ＳＴＥＭ−ＥＤＳを用いて定量分析することで、ＺｒおよびＣｅの比率を確認できる。
具体的には、中間層８の外周部、および第２電極層５の中央Ｃにおいて、積層方向に沿って含有元素の定量分析を行う。Ｚｒ、ＣｅおよびＣｅ以外の希土類元素の合計１００原子％に対し、Ｃｅの比率が５原子％以上、８５原子％以下の領域を第２中間層８ｂとしてその厚さを測定し、比較すればよい。
本開示のセル１の第２の例の１つでは、第２電極層５から平面視したときに、中間層８の外周部に位置する第２中間層８ｂの平均厚さが、第２電極層５の中央部と重なる第２中間層８ｂの平均厚さより厚い。「第２電極層５の中央部と重なる第２中間層８ｂ」を単に「中央部の第２中間層８ｂ」という場合もある。
第２の例では、第２電極層５の中央部すなわち素子部６の中央部の第２中間層８ｂの平均厚さを薄くすることで、素子部６における中間層８の電気抵抗が低くなり、セル１の発電効率に対する第２中間層８ｂの影響を小さくすることができる。
また、第２の例の場合も、外周部において第１中間層８ａを固体電解質層４から剥離し難くすることができる。
また、外周部の第２中間層８ｂの平均厚さが厚く、中央部の第２中間層８ｂの平均厚さが薄いことにより、外周部の中間層８の電気抵抗よりも、中央部の中間層８の電気抵抗が相対的に低くなる。その結果、セル１で生じた電気が中央部に流れやすくなり、セル１の電流経路を制御しやすくなる。
セル１は、中間層８の外周部の少なくとも一部に、中央部の第２中間層８ｂの最大厚さより厚い第２中間層８ｂを有していてもよい。
第２電極層５から平面視したとき、中間層８の面積は、第２電極層５の面積より大きくてもよい。このとき、セル１は、中間層８の外周部のうち第２電極層５と重ならない部位に、中央部の第２中間層８ｂの平均厚さより厚い第２中間層８ｂを有していてもよい。外周部のうち、第２電極層５と重ならない部位の第２中間層８ｂの平均厚さは、第２電極層５と重なる部位全体すなわち素子部６全体の第２中間層８ｂの平均厚さより厚くてもよい。素子部６において、第２中間層８ｂの平均厚さが、第２電極層５と重ならない部位の第２中間層８ｂの平均厚さより薄いと、素子部６において中間層８の電気抵抗をより低くすることができ、セル１の発電効率に対する第２中間層８ｂの影響をより小さくすることができる。
なお、外周部の第２電極層５と重ならない部位のうち、第２電極層５の輪郭近傍の第２中間層８ｂの厚さは、中間層８の輪郭近傍の第２中間層８ｂの厚さより厚くてもよい。セル１は、中間層８の外周部の一部に、中央部の第２中間層８ｂの平均厚さより薄い第２中間層８ｂを有していてもよい。セル１は、中間層８の輪郭近傍の少なくとも一部に、中央部の第２中間層８ｂの平均厚さより薄い第２中間層８ｂを有していてもよい。
また、セル１は、第２電極層５の中央部と重なる第２中間層８ｂを有していなくてもよい。
中間層８に含まれるＺｒおよびＣｅの比率は、例えばＳＴＥＭ−ＥＤＳを用いた定量分析により確認できる。具体的には、ＦＩＢ−マイクロサンプリング法を用いて、セル１の第２電極層５、中間層８および固体電解質層４を含む断面の評価用試料を作製し、その試料を用いてＳＴＥＭ−ＥＤＳによる定量分析を行うことで確認できる。
具体的には、中間層８の外周部、および第２電極層５の中央部のそれぞれ任意の１０点において、積層方向に沿って含有元素の定量分析を行う。Ｚｒ、ＣｅおよびＣｅ以外の希土類元素の合計１００原子％に対し、Ｃｅの比率が５原子％以上、８５原子％以下の領域を第２中間層８ｂとしてその厚さを測定し、外周部、中央部それぞれの第２中間層８ｂの厚さの平均を算出して比較すればよい。なお、Ｚｒ、ＣｅおよびＣｅ以外の希土類元素の合計１００原子％に対し、Ｃｅの比率が５原子％以上、８５原子％以下の領域が無い場合は、第２中間層８ｂの厚さを０とする。
第１の例および第２の例の中間層８は、例えば、固体電解質層４上の該当部分に異なる濃度のＣｅＯ２を塗布することで、形成してもよい。また、所望する第２中間層８ｂの厚さに応じて、固体電解質層４へのＣｅＯ２の拡散量を異ならせるようにすることで、中間層８を形成してもよい。
固体電解質層４へのＣｅＯ２の拡散量を異ならせることで第２中間層８ｂの厚さを調整する場合には、例えば以下のような方法で中間層８を作製してもよい。まず、Ｃｅ以外の希土類元素を含むＣｅＯ２原料粉末に溶剤等を添加して作製したスラリーを、固体電解質層４上の第２電極層５を配置する領域の外周部に印刷塗布、または転写し、１４００℃以上の最高温度で焼成することで焼結層を形成する。シート状の中間層用成形体を作製して、固体電解質層４の上の第２電極層５を配置する領域の外周部に積層し、焼成して焼結層を形成してもよい。
次に、例えば、パルスレーザー蒸着（ＰＬＤ：Ｐｕｌｅｓｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、イオンアシスト蒸着（ＩＡＤ：Ｉｏｎ Ａｓｓｉｓｔ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の物理・化学蒸着方法等を用いて、固体電解質層４上の第２電極層５を配置する領域の中央部にＣｅ以外の希土類元素例えばＧｄ、Ｓｍ等を含むＣｅＯ２を製膜する。
これにより、Ｃｅ以外の希土類元素を含むＣｅＯ２とともに固体電解質層４が高温で焼成された外周部には、ＣｅとＺｒを含む第２中間層８ｂが形成される。一方、第２電極層５が配置される固体電解質層４上の領域には、物理・化学蒸着法によりＣｅ以外の希土類元素を含むＣｅＯ2膜が形成される。この物理・化学蒸着法により形成された膜は比較的緻密であり、粉末を焼結させるような高温、例えば１４００℃以上で熱処理する必要がない。そのため、物理・化学蒸着法により形成された膜の場合、ＣｅＯ２とＺｒＯ２とが反応し難い。したがって、第２電極層５が配置される固体電解質層４上の領域には、ＣｅとＺｒを含む第２中間層８ｂが形成されにくい。その結果、中間層８の外周部に位置する第２中間層８ｂには、第２電極層５の中央Ｃと重なる第２中間層８ｂの厚さ、または中央部と重なる第２中間層８ｂの平均厚さよりも厚い部位が生じる。焼結層の固体電解質層４と反応しなかった部位、および蒸着されたＣｅ以外の希土類元素を含むＣｅＯ２膜は、第１中間層８ａである。なお、熱処理した焼結層上にさらにＣｅ以外の希土類元素を含むＣｅＯ２を製膜してもよい。
第１の例、第２の例のいずれも、中間層８の焼結層の厚さは、例えば３μｍ以上、５μｍ以下としてもよい。製膜により形成された中間層８の膜厚は、例えば０．１μｍ以上、３．０μｍ以下としてもよい。
中間層８の第１面８ａ１の形状は、円形状、楕円形状であってもよいし、３つ以上の角部Ｖおよび３つ以上の辺部Ｓを有する多角形状であってもよい。ここで、角部Ｖは第１面８ａ１の輪郭の頂点及び輪郭の内側の領域を含む。辺部Ｓは第１面８ａ１の輪郭の辺及び輪郭の内側の領域を含む。図２には、四角形状の第１面８ａ１を有するセル１を示している。第１面８ａ１が例えば三角形状、四角形状等の多角形状である場合、セル１は、少なくとも第１面８ａ１の角部Ｖと重なる部位に第２中間層８ｂを有していてもよい。角部Ｖと重なる第２中間層８ｂの厚さは、中央Ｃの第２中間層８ｂの厚さ、または中央部の第２中間層８ｂの平均厚さより厚くてもよい。
多角形状の第１面８ａ１では、特に角部Ｖで第１中間層８ａが固体電解質層４から剥離しやすい。第１中間層８ａが剥離しやすい角部Ｖに第２中間層８ｂを配置することで、角部Ｖにおいて第１中間層８ａと固体電解質層４との接合強度が高くなり、角部Ｖにおいて第１中間層８ａを固体電解質層４から剥離し難くすることができる。
第１面８ａ１が多角形状である場合、セル１は、少なくとも第１面８ａ１の隣り合う一対の角部Ｖ同士を結ぶ辺部Ｓと重なる第２中間層８ｂを有していてもよい。辺部Ｓでも角部Ｖのように、第１中間層８ａが固体電解質層４から剥離しやすい。辺部Ｓに第２中間層８ｂを配置することで、辺部Ｓにおいて第１中間層８ａと固体電解質層４との接合強度が高くなり、辺部Ｓにおいて第１中間層８ａを固体電解質層４から剥離し難くすることができる。辺部Ｓと重なる第２中間層８ｂの厚さは、中央Ｃの第２中間層８ｂの厚さ、または中央部の第２中間層８ｂの平均厚さより厚くてもよい。
セル１は、少なくとも３つ以上の辺部Ｓのうち、少なくとも２つの辺部Ｓに、当該辺部Ｓとそれぞれ重なる第２中間層８ｂを有していてもよい。２つの辺部Ｓとそれぞれ重なる第２中間層８ｂの厚さは、中央Ｃの第２中間層８ｂの厚さ、または中央部の第２中間層８ｂの平均厚さより厚くてもよい。第１面８ａ１が４つ以上の辺部Ｓを有する場合、対向する２つの辺部Ｓに、それぞれ第２中間層８ｂが重なっていてもよい。対向する２つの辺部Ｓにそれぞれ第２中間層８ｂが重なっていると、中間層８の対向する両端部において固体電解質層４との接合強度が高くなり、第１中間層８ａが固体電解質層４からさらに剥離し難くなる。
図５および図６に示すように、第２電極層５の中央部と重なる固体電解質層４の平均厚さは、中間層８の外周部と重なる固体電解質層４の平均厚さより厚くてもよい。図５及び図６において、第２電極層５の中央部は、素子部６の中央部でもある。素子部６の特に中央部には、燃料電池の運転および停止に伴う温度変化により応力が発生し、緻密な固体電解質層４にクラックが発生・進展し易い。中央部における固体電解質層４の平均厚さを厚くすることで、素子部６、さらにはセル１全体の耐久性を高めることができる。
本開示のセル１の第３の例の１つについて説明する。図７に示すように、素子部６を第２電極層５から平面視したときに、素子部６のガス流路２ａと重なる部位を第１部位６ａとし、ガス流路２ａと重ならない部位を第２部位６ｂとする。第３の例の１つでは、第１部位６ａにおける第２中間層８ｂの平均厚さが、第２部位６ｂにおける第２中間層８ｂの平均厚さより薄い。ガス流路２ａには燃料ガスが流れており、燃料ガスはガス流路２ａから支持体２を透過して素子部６に到達する。したがって、ガス流路２ａと重なる第１部位６ａは、第２部位６ｂよりも発電量が大きい。第１部位６ａにおける第２中間層８ｂの厚さを、第２部位６ｂにおける第２中間層８ｂの厚さよりも薄くすることで、発電量の大きい第１部位６ａにおける中間層８の電気抵抗が低くなり、セル１の発電効率を高めることができる。
第３の例のセル１は、たとえば以下のような方法で作製してもよい。まず、支持体成形体を作製する。Ｎｉ等の鉄族金属あるいはその酸化物粉末と、Ｙ２Ｏ３などの希土類元素酸化物の粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して坏土を調製する。この坏土を用いて押出成形により支持体成形体を作製し、これを乾燥する。なお、支持体成形体として、支持体成形体を９００℃〜１０００℃の最高温度で２時間〜６時間仮焼した仮焼体を用いてもよい。
次に、燃料極層用スラリーを作製する。例えば所定の調合組成に従い、素原料であるＮｉＯ粉末と、Ｙ２Ｏ３が固溶したＺｒＯ２粉末を秤量し、混合する。以下、Ｙ２Ｏ３が固溶したＺｒＯ２をＹＳＺという場合もある。混合した粉体に、有機バインダーおよび溶媒を混合して燃料極層用スラリーを調製する。
次に、固体電解質層成形体を作製する。希土類元素が固溶したＺｒＯ２粉末に、トルエン、バインダー、市販の分散剤等を加えてスラリー化する。得られたスラリーをドクターブレード等の方法により、７μｍ〜７５μｍの厚さに成形してシート状の固体電解質層成形体を作製する。
シート状の固体電解質層成形体上に、燃料極用スラリーを塗布して燃料極成形体を形成し、固体電解質層成形体および燃料極成形体の積層体である第１積層成形体を作製する。第１積層成形体の燃料極成形体側の面を、支持体成形体に積層して第２積層成形体とする。なお、燃料極用スラリーを支持体成形体の所定位置に塗布して乾燥させた後、燃料極用スラリーを塗布した固体電解質層成形体を支持体成形体に積層してもよい。
次に、インターコネクタ用シートを作製する。インターコネクタ用材料、例えば、ＬａＣｒＯ３系酸化物粉末を、有機バインダーおよび溶媒と混合してインターコネクタ用スラリーを調製する。インターコネクタ用スラリーをシート状に成形して、インターコネクタ用シートを作製する。
作製したインターコネクタ用シートを、第２積層成形体の固体電解質層成形体が形成されていない支持体成形体の面に積層し、第３積層成形体を作製する。
中間層８は、第３積層成形体の固体電解質層成形体の面に、例えば以下のような方法で形成してもよい。
例えば、ＧｄＯ１．５、ＳｍＯ１．５等が固溶したＣｅＯ２粉末を湿式解砕して、中間層成形体用の原料粉末を調製する。得られた原料粉末に、溶媒としてトルエンを添加し、中間層用スラリーを作製する。中間層用スラリーを、固体電解質層成形体上のガス流路２ａと重ならない第２部位６ｂに塗布して中間層前駆体を成形する。なお、シート状の中間層用成形体を作製して、これを、固体電解質層成形体上の第２部位６ｂに積層してもよい。また、中間層用スラリーを、固体電解質層成形体上の第２部位６ｂに転写してもよい。
中間層前駆体を成形した第３積層成形体を、脱バインダー処理した後、酸素含有雰囲気中、１４００℃以上、１６００℃以下の最高温度で２時間〜６時間、焼成し、中間層８の焼結層が形成された焼結体を得る。この焼成工程により、中間層前駆体に含まれるＣｅＯ２と固体電解質層成形体に含まれるＺｒＯ２とが反応し、第２中間層８ｂが形成される。
得られた焼成体の固体電解質層４の表面に、上記した物理・化学蒸着方法等を用いて、Ｇｄ、Ｓｍ等を含むＣｅＯ２膜を製膜する。Ｇｄ、Ｓｍ等を含むＣｅＯ２膜を、固体電解質層４の表面に複数回製膜してもよい。中間層８の焼結層上にＧｄ、Ｓｍ等を含むＣｅＯ２膜を製膜してもよい。
Ｇｄ、Ｓｍ等を含むＣｅＯ２膜は、例えば以下のような方法で製膜してもよい。例えば、Ｇｄ、Ｓｍ等を含むＣｅＯ２の真空蒸着中に、イオン銃で、数１００ｅＶ程度のガスイオン、例えばＡｒ＋イオン、Ｏ２−イオン等を照射し、その運動エネルギーを用いてデンドライト状に成長するＧｄ、Ｓｍ等を含むＣｅＯ２を壊し、圧縮することで製膜してもよい。
製膜したＧｄ、Ｓｍ等を含むＣｅＯ２膜を、１４００℃より低い温度、例えば１０００℃以上、１４００℃未満の最高温度で２時間〜１０時間熱処理して焼き付けてもよい。１４００℃より低い温度範囲では、膜中のＣｅＯ２がＺｒＯ２と反応し難い。なお、製膜したＧｄ、Ｓｍ等を含むＣｅＯ２膜上に、さらに例えば上記の中間層用スラリーを塗布した後、１４００℃より低い温度で熱処理してもよい。
中間層前駆体の固体電解質層４と反応しなかった部位および蒸着されたＧｄ、Ｓｍ等を含むＣｅＯ２膜が、第１中間層８ａとなる。
焼結体の第１中間層８ａ上に、空気極を形成する。まず、空気極用材料、例えば、ＬａＦｅＯ３系酸化物粉末と、溶媒および増孔剤とを含有する空気極用スラリーを作製する。ディッピング、スクリーン印刷等の方法により、第１中間層８ａ上に空気極用スラリーを塗布し空気極成形体を形成する。空気極成形体を形成した焼結体を、例えば１０００℃以上、１３００℃以下の最高温度で焼成する。この時、インターコネクタ７の所定の位置に、必要に応じＰ型半導体層を形成してもよい。Ｐ型半導体層は、ＬａＦｅＯ３系酸化物粉末と溶媒とを含むスラリーを、ディッピング、スクリーン印刷等の方法によりインターコネクタ７の所定の位置に塗布し、例えば１０００℃以上、１３００℃以下の最高温度で２時間〜６時間焼き付けることにより形成してもよい。
このようにして、図７に示す構造を有する中空平板型のセル１を製造できる。なお、得られたセル１の内部、すなわちガス流路２ａ内に水素ガスを流し、支持体２および燃料極の還元処理を行なってもよい。還元処理の条件は、例えば６５０℃以上、１０００℃以下の最高温度で０．５時間〜２０時間としてもよい。
このようにして作製されたセル１の第３の例は、Ｃｅ以外の希土類元素を含むＣｅＯ２を含有する第１中間層８ａと、ＺｒおよびＣｅを含む第２中間層８ｂと、を備え、図７に示すように、第１部位６ａにおける第２中間層８ｂの平均厚さが、第２部位６ｂにおける第２中間層８ｂの平均厚さより薄い。それにより、固体電解質層４と第２電極層５との接合強度を高めると同時に、発電効率を高めることができる。
セル１の第３の例でも、第２電極層５から平面視したときに、第１の例のように中間層８の外周部の第２中間層８ｂが、第２電極層５の中央Ｃの第２中間層８ｂより厚い部位を有してもよいし、第２の例のように、外周部の第２中間層８ｂの平均厚さが、中央部の第２中間層８ｂの平均厚さより厚くてもよい。また、第３の例は、第１の例および第２の例について説明した種々の特徴を有していてもよい。
（セルスタック装置およびモジュール）
図８は、モジュールの例の１つを示す外観斜視図である。モジュール１１は、図８の左側に示す収容容器１２と、図８の右側に示すセルスタック装置１３とを備えている。セルスタック装置１３は、収容容器１２に収容される。
図８の右側に示すセルスタック装置１３は、セルスタック装置の例の１つである。セルスタック装置１３は、複数のセル１が配列または積層されたセルスタック１４と、ガスタンク１５とを備えている。セルスタック１４の上方には、改質器１６が配置されている。改質器１６は、ガス流通管１７によりガスタンク１５に接続されている。改質器１６は、原燃料供給管１８から供給される天然ガス、灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成する。ガス流通管１７は、改質器１６で改質された燃料ガスをガスタンク１５に供給する。燃料ガスは、ガスタンク１５からセル１のガス流路２ａに供給される。
セルスタック１４は、複数のセル１と、隣り合うセル１同士を電気的に直列に接続する図示しない集電部材と、を備えている。セルスタック１４の配列方向の最も外側に位置するセル１は、図示しない端部集電部材に電気的に接続され、セル１が発電した電気を集電して外部に引き出すことができる。
本開示のセルスタック装置１３は、耐久性が高く、発電効率が高いセル１を複数備えており、耐久性が高く、発電効率が高いセルスタック装置１３とすることができる。
収容容器１２は、内部に酸素含有ガス導入部材１９を備えている。図８の酸素含有ガス導入部材１９は、収容容器１２にセルスタック装置１３を収容した状態で、２つのセルスタック１４の間に配置されている。酸素含有ガス導入部材１９は、セル１の下端部に酸素含有ガスを供給する。酸素含有ガスは、酸素含有ガス導入部材１９により、燃料ガスの流れに合わせてセル１の側方を下端部から上端部に向けて流れる。セル１のガス流路２ａからセル１の上端部に排出された燃料ガスは、酸素含有ガスと混合され、燃焼する。セル１の上端部で排出された燃料ガスが燃焼することで、セル１の温度が上昇し、セルスタック装置１３の起動を早めることができる。また、セル１の上端部で燃料ガスが燃焼することで、セル１の上方に配置された改質器１６が温められ、改質器１６で効率よく改質反応を行うことができる。
本開示のモジュール１１も、耐久性が高く、発電効率が高いセル１を複数備えており、耐久性が高く、発電効率が高いモジュール１１とすることができる。
図８は、収容容器１２の一部である前面部および後面部を取り外し、収容容器１２の内部に収容されているセルスタック装置１３を後方に取り出した状態を示している。図８に示したモジュール１１は、セルスタック装置１３を収容容器１２内にスライドして収容することが可能である。セルスタック装置１３は、改質器１６を含まなくてもよい。
（モジュール収容装置）
図９は、モジュール収容装置の例の１つを示す分解斜視図である。なお、図９においては一部の構成を省略して示している。モジュール収容装置２１は、モジュール１１と、モジュール１１の運転を行う補機と、モジュール１１及び補器を収容する外装ケースと、を備えている。
図９に示すモジュール収容装置２１は、支柱２２と外装板２３とを有する。仕切板２４は、外装ケース内を上下に区画している。外装ケース内の仕切板２４より上側の空間は、モジュール１１を収容するモジュール収容室２５であり、外装ケース内の仕切板２４より下側の空間は、モジュール１１を運転する補機を収容する補機収容室２６である。なお、補機収容室２６に収容する補機の記載は省略した。
仕切板２４は、補機収容室２６の空気をモジュール収容室２５側に流すための空気流通口２７を有している。モジュール収容室２５を形成する外装板２３の一部は、モジュール収容室２５内の空気を排気するための排気口２８を有している。モジュール収容室２５内の空気は、排気口２８から排気される。
モジュール収容装置２１は、上述のモジュール１１をモジュール収容室２５内に備えているため、耐久性の高いモジュール収容装置２１とすることができる。
以上、本開示について詳細に説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されない。本開示のセル、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置は、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
例えば、上記において、本開示のセル１として支持体２を有する中空平板型の燃料電池セルを用いて説明したが、円筒型または平板型のセルとすることもできる。円筒型セルの場合、本開示の平面視を、円筒の周側面を展開した平面視と読み替えればよい。また、例えば、上記形態ではいわゆる縦縞型と呼ばれるセルを用いて説明したが、一般に横縞型と呼ばれる複数の発電素子部を支持基板上に配置した横縞型のセルを用いることもできる。また、上記の説明では、「セル」、「セルスタック装置」、「モジュール」および「モジュール収容装置」の例の１つとして燃料電池セル、燃料電池セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を示したが、他の例としてはそれぞれ、電解セル、電解セルスタック装置、電解モジュールおよび電解装置であってもよい。
１：セル
２：支持体
２ａ：ガス流路
３：第１電極層
４：固体電解質層
５：第２電極層
６：素子部
７：インターコネクタ
８：中間層
８ａ：第１中間層
８ｂ：第２中間層
１１：モジュール
１３：セルスタック装置
２１：モジュール収容装置

Claims (10)

  1. 第１電極層と、
    該第１電極層上に位置し、Ｚｒを含有する固体電解質層と、
    該固体電解質層上に位置し、Ｃｅ以外の希土類元素を含むＣｅＯ２を含有する中間層と、
    該中間層上に位置する第２電極層と、を備えた素子部を有し、
    前記中間層は、第１中間層と、該第１中間層と前記固体電解質層との間の少なくとも一部に位置し、ＺｒおよびＣｅを含む第２中間層と、を有し、
    前記第２電極層から平面視したときに、前記中間層の外周部に位置する前記第２中間層は、前記第２電極層の中央と重なる前記第２中間層より厚い部位を有する、セル。
  2. 第１電極層と、
    該第１電極層上に位置し、Ｚｒを含有する固体電解質層と、
    該固体電解質層上に位置し、Ｃｅ以外の希土類元素を含むＣｅＯ２を含有する中間層と、
    該中間層上に位置する第２電極層と、を備えた素子部を有し、
    前記中間層は、第１中間層と、該第１中間層と前記固体電解質層との間の少なくとも一部に位置し、ＺｒおよびＣｅを含む第２中間層と、を有し、
    前記第２電極層から平面視したときに、前記中間層の外周部に位置する前記第２中間層の平均厚さが、前記第２電極層の中央部と重なる前記第２中間層の平均厚さより厚い、セル。
  3. 前記第２電極層から平面視したとき、前記中間層の輪郭が、３つ以上の角部および３つ以上の辺部を有し、
    少なくとも１つの前記角部に前記第２中間層を有する、請求項１または２に記載のセル。
  4. 前記第２電極層から平面視したとき、前記中間層の輪郭が、３つ以上の角部および３つ以上の辺部を有し、
    前記辺部のうち少なくとも２つの辺部に前記第２中間層を有する、請求項１〜３のいずれかに記載のセル。
  5. 前記第２電極層から平面視したとき、前記第２電極層の中央部と重なる前記第固体電解質層の平均厚さが、前記外周部と重なる前記固体電解質層の平均厚さより厚い、請求項１〜４のいずれかに記載のセル。
  6. さらに、少なくとも１つのガス流路を有する支持体を備え、
    前記素子部は、前記支持体上に配置されるとともに、前記第２電極層から平面視したとき、前記ガス流路と重なる第１部位と、前記ガス流路と重ならない第２部位と、を有し、
    前記第１部位における前記第２中間層の平均厚さは、前記第２部位における前記第２中間層の平均厚さより薄い、請求項１〜５のいずれかに記載のセル。
  7. 少なくとも１つのガス流路を有する支持体と、
    該支持体上に位置する第１電極層、該第１電極層上に位置し、Ｚｒを含有する固体電解質層、該固体電解質層上に位置し、Ｃｅ以外の希土類元素を含むＣｅＯ２を含有する中間層、及び該中間層上に位置する第２電極層を備えた素子部を有し、
    前記素子部は、前記第２電極層から平面視したとき、前記ガス流路と重なる第１部位と、前記ガス流路と重ならない第２部位と、を有し、
    前記中間層は、第１中間層と、該第１中間層と前記固体電解質層との間の少なくとも一部に位置し、ＺｒおよびＣｅを含む第２中間層と、を有し、
    前記第１部位における前記第２中間層の平均厚さは、前記第２部位における前記第２中間層の平均厚さより薄い、セル。
  8. 請求項１〜７のうちいずれかに記載のセルが複数積層されたセルスタックを備える、セルスタック装置。
  9. 請求項８に記載のセルスタック装置と、
    該セルスタック装置を収容する収容容器と、を備えるモジュール。
  10. 請求項９に記載のモジュールと、
    該モジュールの運転を行うための補機と、
    前記モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースと、を備えるモジュール収容装置。
JP2020547249A 2019-06-03 2020-05-26 セル、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置 Active JP6818960B1 (ja)

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