KR20200010400A - 전기 화학 셀 및 전기 화학 스택 - Google Patents

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KR20200010400A
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게이스케 야마다
요시히로 후나하시
가츠야 야마기와
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니뽄 도쿠슈 도교 가부시키가이샤
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  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

고체 전해질층과 연료극 사이에 있어서의 환원 분위기에서의 팽창량차나 원소의 상호 확산에서 기인하여 셀의 성능이 저하되는 것을 억제한다. 전기 화학 셀은, 제 1 희토류 원소를 함유하는 ZrO2 를 포함하는 고체 전해질층과, 고체 전해질층의 일방측에 배치된 공기극과, 고체 전해질층의 타방측에 배치된 연료극을 구비한다. 연료극은, 제 2 희토류 원소를 함유하는 CeO2 와, Ni 또는 Ni 함유 합금을 포함한다. 전기 화학 셀은, 추가로 고체 전해질층과 연료극 사이에 배치된 중간층을 구비한다. 중간층은, Zr 과 Ce 와 제 1 희토류 원소와 제 2 희토류 원소를 함유하는 고용체를 포함한다.

Description

전기 화학 셀 및 전기 화학 스택
본 명세서에 의해 개시되는 기술은 전기 화학 셀에 관한 것이다.
수소와 산소의 전기 화학 반응을 이용하여 발전을 실시하는 연료 전지의 종류의 하나로서, 고체 산화물형 연료 전지 (이하, 「SOFC」라고 한다) 가 알려져 있다. SOFC 용의 구성 단위인 셀은, 고체 전해질층과, 고체 전해질층의 일방측에 배치된 공기극과, 고체 전해질층의 타방측에 배치된 연료극을 구비한다.
고체 전해질층은, 예를 들어, Y (이트륨) 등의 희토류 원소를 함유하는 ZrO2 (지르코니아) 를 포함하도록 구성된다. 또, 연료극은, 예를 들어, Y 등의 희토류 원소를 함유하는 ZrO2 와, Ni 또는 Ni 함유 합금을 포함하도록 구성된다.
연료극을, 상기 서술한 희토류 원소를 함유하는 ZrO2 대신에, Gd (가돌리늄) 등의 희토류 원소를 함유하는 CeO2 (세리아) 를 포함하도록 구성하는 기술이 알려져 있다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조). 일반적으로, CeO2 계의 재료는, ZrO2 계의 재료와 비교하여 이온 전도성이 높다. 그 때문에, 연료극의 구성 재료로서 희토류 원소를 함유하는 CeO2 를 사용함으로써, 셀의 성능을 향상시킬 수 있다.
일본 공개특허공보 2003-288912호
한편, CeO2 계의 재료는, ZrO2 계의 재료와 비교하여, 환원 분위기에 있어서의 팽창률이 높다. 그 때문에, 고체 전해질층이 희토류 원소를 함유하는 ZrO2 를 포함하는 구성에 있어서, 연료극의 구성 재료로서 희토류 원소를 함유하는 CeO2 를 사용하면, 환원 분위기에 있어서의 고체 전해질층의 팽창량과 연료극의 팽창량의 차가 커져, 양자 간에 박리가 발생하여 셀의 성능이 저하될 우려가 있다.
또, 고체 전해질층이 희토류 원소를 함유하는 ZrO2 를 포함하는 구성에 있어서, 연료극의 구성 재료로서 희토류 원소를 함유하는 CeO2 를 사용하면, 고체 전해질층과 연료극 사이의 상호 원소 확산이 발생하여 셀의 성능이 저하될 우려가 있다.
상기 특허문헌 1 에는, 고체 전해질층과 연료극 사이에, 고체 전해질층에 포함되는 이온 전도성 산화물 (희토류 원소를 함유하는 ZrO2) 과 연료극에 포함되는 이온 전도성 산화물 (희토류 원소를 함유하는 CeO2) 을 혼합한 중간층을 형성하는 것이 기재되어 있다. 그러나, 이와 같은 구성에서는, 중간층을 구성하는 희토류 원소를 함유하는 ZrO2 의 입자와, 중간층을 구성하는 희토류 원소를 함유하는 CeO2 의 입자 사이에서, 환원 분위기에 있어서의 팽창량의 차가 커진다. 그 때문에, 이와 같은 구성에서는, 환원 분위기에 있어서, 중간층 내부의 입계에서 크랙이 발생하여, 역시 셀의 성능이 저하될 우려가 있다.
또한, 이와 같은 과제는, 물의 전기 분해 반응을 이용하여 수소의 생성을 실시하는 고체 산화물형 전해 (이하, 「SOEC」라고 한다) 용의 셀에도 공통된 과제이다. 또한, 본 명세서에서는, SOFC 용의 셀과 SOEC 용의 셀을 합하여 전기 화학 셀이라고 한다. 또, 복수의 SOFC 용의 셀을 구비하는 SOFC 스택과, 복수의 SOEC 용의 셀을 구비하는 SOEC 스택을 합하여 전기 화학 스택이라고 한다.
본 명세서에서는 상기 서술한 과제를 해결하는 것이 가능한 기술을 개시한다.
본 명세서에 개시되는 기술은, 예를 들어, 이하의 형태로서 실현하는 것이 가능하다.
(1) 본 명세서에 개시되는 전기 화학 셀은, 제 1 희토류 원소를 함유하는 ZrO2 를 포함하는 고체 전해질층과, 상기 고체 전해질층의 일방측에 배치된 공기극과, 상기 고체 전해질층의 타방측에 배치되고, 제 2 희토류 원소를 함유하는 CeO2 와, Ni 또는 Ni 함유 합금을 포함하는 연료극을 구비하는 전기 화학 셀에 있어서, 추가로, 상기 고체 전해질층과 상기 연료극 사이에 배치되고, Zr (지르코늄) 과 Ce (세륨) 와 상기 제 1 희토류 원소와 상기 제 2 희토류 원소를 함유하는 고용체를 포함하는 중간층을 구비한다. 본 전기 화학 셀에 의하면, 환원 분위기에서의 중간층의 팽창량을, 연료극의 팽창량과 고체 전해질층의 팽창량 사이의 양으로 할 수 있다. 그 결과, 환원 분위기에서의 팽창량차에서 기인하는 연료극과 고체 전해질층 사이의 응력을 완화할 수 있어, 양자 간의 박리의 발생을 억제할 수 있고, 그 박리에서 기인하여 전기 화학 셀의 성능이 저하되는 것을 억제할 수 있다. 또, 본 전기 화학 셀에서는, 중간층이 Zr 과 Ce 와 제 1 희토류 원소 (고체 전해질층에 포함되는 희토류 원소와 동일한 희토류 원소) 와 제 2 희토류 원소 (연료극에 포함되는 희토류 원소와 동일한 희토류 원소) 를 함유하기 때문에, 중간층의 존재에 의해 연료극과 고체 전해질층 사이의 원소 확산을 억제할 수 있다. 그 때문에, 본 전기 화학 셀에 의하면, 연료극과 고체 전해질층 사이의 상호 원소 확산에 의한 특성 저하에서 기인하여 전기 화학 셀의 성능이 저하되는 것을 억제할 수 있다. 또, 본 전기 화학 셀에서는, 중간층이, Zr (지르코늄) 과 Ce (세륨) 와 상기 제 1 희토류 원소와 상기 제 2 희토류 원소의 혼합체가 아닌, Zr 과 Ce 와 상기 제 1 희토류 원소와 상기 제 2 희토류 원소를 함유하는 고용체를 포함하기 때문에, 환원 분위기에 있어서, 중간층을 구성하는 입자 간의 팽창량의 차를 작게 할 수 있다. 그 때문에, 본 전기 화학 셀에 의하면, 중간층을 구성하는 입자 간의 팽창량의 차에서 기인하는 크랙의 발생을 억제할 수 있고, 그 크랙에서 기인하여 전기 화학 셀의 성능이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
(2) 상기 전기 화학 셀에 있어서, 상기 중간층에 있어서의 Zr 과 Ce 와 상기 제 1 희토류 원소와 상기 제 2 희토류 원소의 합계량에 대한, Zr 과 Ce 의 합계량의 비율은, 30 at％ 이상인 구성으로 해도 된다. 중간층에 있어서의 Zr 과 Ce 의 합계의 함유량이 과도하게 적으면, 중간층의 결정 구조가 형석형 구조를 유지할 수 없게 되어 중간층의 이온 전도성이 저하되고, 그 결과, 전기 화학 셀의 성능이 저하될 우려가 있다. 본 전기 화학 셀에 의하면, 중간층에 있어서의 Zr 과 Ce 의 합계의 함유량이 과도하게 적어지는 것을 회피할 수 있기 때문에, 중간층의 결정 구조를 형석형 구조로 할 수 있고, 그 결과, 중간층의 이온 전도성 저하에서 기인하여 전기 화학 셀의 성능이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
(3) 상기 전기 화학 셀에 있어서, 상기 중간층에 있어서의 Zr 과 Ce 와 상기 제 1 희토류 원소와 상기 제 2 희토류 원소의 합계량에 대한, Ce 의 양의 비율은, 10 at％ 이상, 70 at％ 이하인 구성으로 해도 된다. 중간층에 있어서의 Ce 의 함유량이 과도하게 적으면, 환원 분위기에 있어서의 연료극의 팽창량과 중간층의 팽창량의 차가 커져, 양자의 계면에서 마이크로크랙이 발생할 우려가 있다. 한편, 중간층에 있어서의 Ce 의 함유량이 과도하게 많으면, 환원 분위기에 있어서의 고체 전해질층의 팽창량과 중간층의 팽창량의 차가 커져, 양자의 계면에서 마이크로크랙이 발생할 우려가 있다. 본 전기 화학 셀에 의하면, 중간층에 있어서의 Ce 의 함유량이 과도하게 적어지는 것도 과도하게 많아지는 것도 회피할 수 있기 때문에, 연료극과 중간층의 계면이나 고체 전해질층과 중간층의 계면에서 마이크로크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
(4) 상기 전기 화학 셀에 있어서, 상기 중간층에 있어서의 Zr 과 Ce 와 상기 제 1 희토류 원소와 상기 제 2 희토류 원소의 합계량에 대한, Zr 의 양의 비율은, 10 at％ 이상, 70 at％ 이하인 구성으로 해도 된다. 중간층에 있어서의 Zr 의 함유량이 과도하게 적으면, 환원 분위기에 있어서의 고체 전해질층의 팽창량과 중간층의 팽창량의 차가 커져, 양자의 계면에서 마이크로크랙이 발생할 우려가 있다. 한편, 중간층에 있어서의 Zr 의 함유량이 과도하게 많으면, 환원 분위기에 있어서의 연료극의 팽창량과 중간층의 팽창량의 차가 커져, 양자의 계면에서 마이크로크랙이 발생할 우려가 있다. 본 전기 화학 셀에 의하면, 중간층에 있어서의 Zr 의 함유량이 과도하게 적어지는 것도 과도하게 많아지는 것도 회피할 수 있기 때문에, 고체 전해질층과 중간층의 계면이나 연료극과 중간층의 계면에서 마이크로크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
(5) 상기 전기 화학 셀에 있어서, 상기 중간층의 두께는, 10 ㎛ 이하인 구성으로 해도 된다. 중간층의 두께가 과도하게 두꺼우면, 중간층의 저항이 증대되고, 그 결과, 전기 화학 셀의 성능이 저하된다. 본 전기 화학 셀에 의하면, 중간층의 두께가 과도하게 두꺼워지는 것을 회피할 수 있기 때문에, 중간층의 저항의 증대를 억제할 수 있고, 그 결과, 중간층의 저항의 증대에서 기인하여 전기 화학 셀의 성능이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
(6) 상기 전기 화학 셀에 있어서, 상기 중간층에 있어서의 Zr 과 Ce 와 상기 제 1 희토류 원소와 상기 제 2 희토류 원소의 합계량에 대한, Zr 과 Ce 의 합계량의 비율은, 90 at％ 이하인 구성으로 해도 된다. 중간층에 있어서의 Zr 과 Ce 의 합계의 함유량이 과도하게 많으면, 중간층에 포함되는 희토류 원소의 양이 과도하게 적어지기 때문에, 중간층의 이온 전도성이 저하되고, 그 결과, 전기 화학 셀의 성능이 저하된다. 본 전기 화학 셀에 의하면, 중간층에 있어서의 Zr 과 Ce 의 합계의 함유량이 과도하게 많아지는 것을 회피함으로써, 중간층에 포함되는 희토류 원소의 양이 과도하게 적어지는 것을 회피할 수 있기 때문에, 중간층의 이온 전도성 저하에서 기인하여 전기 화학 셀의 성능이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
(7) 상기 전기 화학 셀에 있어서, 상기 전기 화학 셀은, 고체 산화물형 연료 전지용의 셀, 또는, 고체 산화물형 전해 셀용의 셀인 구성으로 해도 된다. 본 전기 화학 셀에 의하면, 고체 산화물형 연료 전지용의 셀, 또는, 고체 산화물형 전해 셀용의 셀에 대해, 고체 전해질층과 연료극 사이에 있어서의 환원 분위기에서의 팽창량차나 상호 원소 확산에서 기인하여 성능이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
(8) 본 명세서에 개시되는 전기 화학 스택은, 복수의 전기 화학 셀을 구비하는 전기 화학 스택으로서, 상기 복수의 전기 화학 셀의 적어도 하나는, 상기 전기 화학 셀이다. 본 전기 화학 스택에 의하면, 복수의 전기 화학 셀의 적어도 하나에 대해, 고체 전해질층과 연료극 사이에 있어서의 환원 분위기에서의 팽창량차나 상호 원소 확산에서 기인하여 성능이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
(9) 상기 전기 화학 스택에 있어서, 상기 전기 화학 스택은, 고체 산화물형 연료 전지용의 스택, 또는, 고체 산화물형 전해 셀용의 스택인 것을 특징으로 하는 구성으로 해도 된다. 본 전기 화학 스택에 의하면, 고체 산화물형 연료 전지용의 스택, 또는, 고체 산화물형 전해 셀용의 스택을 구성하는 복수의 전기 화학 셀의 적어도 하나에 대해, 고체 전해질층과 연료극 사이에 있어서의 환원 분위기에서의 팽창량차나 상호 원소 확산에서 기인하여 성능이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 명세서에 개시되는 기술은, 여러 가지 형태로 실현하는 것이 가능하며, 예를 들어, 전기 화학 셀, 복수의 전기 화학 셀을 구비하는 전기 화학 스택 (연료 전지 스택 또는 전해 셀 스택), 연료 전지 스택을 구비하는 발전 모듈, 발전 모듈을 구비하는 연료 전지 시스템, 전해 셀 스택을 구비하는 수소 생성 모듈, 수소 생성 모듈을 구비하는 수소 생성 시스템, 그것들의 제조 방법 등의 형태로 실현하는 것이 가능하다.
도 1 은 본 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 외관 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2 는 도 1 의 II-II 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 YZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 3 은 도 1 의 III-III 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 XZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 4 는 본 실시형태에 있어서의 셀 (110) 의 상세 구성을 나타내는 설명도이다.
도 5 는 본 실시형태에 있어서의 셀 (110) 의 제조 방법의 일례를 나타내는 플로 차트이다.
도 6 은 성능 평가 결과를 나타내는 설명도이다.
도 7 은 발전 시험의 방법을 나타내는 설명도이다.
A. 실시형태 : A-1. 구성 : (연료 전지 스택 (100) 의 구성) 도 1 은, 본 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 외관 구성을 나타내는 사시도이고, 도 2 는, 도 1 의 II-II 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 YZ 단면 구성 (일부 생략) 을 나타내는 설명도이며, 도 3 은, 도 1 의 III-III 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 XZ 단면 구성 (일부 생략) 을 나타내는 설명도이다. 각 도면에는, 방향을 특정하기 위한 서로 직교하는 XYZ 축이 나타나 있다. 본 명세서에서는 편의적으로 Z 축 정 (正) 방향을 상방향이라고 하고, Z 축 부 (負) 방향을 하방향이라고 하며, Z 축에 직교하는 방향을 수평 방향이라고 하지만, 연료 전지 스택 (100) 은 실제로는 그러한 방향과는 상이한 방향으로 설치되어도 된다.
도 1 내지 도 3 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 스택 (100) 은, 복수의 (본 실시형태에서는 24 개의) 셀 (110) 과, 복수의 (본 실시형태에서는 8 개의) 집전 부재 (104) 와, 절연 다공체 (106) 와, 1 쌍의 가스 시일 부재 (108) 를 구비한다.
(셀 (110) 의 구성) 각 셀 (110) 은, 통상 (筒狀) (튜브상) 의 부재이다. 연료 전지 스택 (100) 에 포함되는 24 개의 셀 (110) 은, 각 셀 (110) 의 축 방향이 대략 평행 (Y 축 방향) 이 되도록, 서로 간격을 두고 배치되어 있다. 구체적으로는, 24 개의 셀 (110) 은, 수평 방향 (X 축 방향) 으로 3 개씩 나란하게 배치되고, 연직 방향 (Z 축 방향) 으로 8 개씩 나란하게 배치되어 있다.
도 4 는, 본 실시형태에 있어서의 셀 (110) 의 상세 구성을 나타내는 설명도이다. 도 4 에는, 도 3 의 X1 부에 있어서의 셀 (110) 의 XZ 단면 구성이 확대되어 나타나 있다. 도 2 내지 도 4 에 나타내는 바와 같이, 각 셀 (110) 은, 고체 전해질층 (112) 과, 고체 전해질층 (112) 의 일방측에 배치된 공기극층 (캐소드) (114) 과, 고체 전해질층 (112) 의 타방측에 배치된 연료극층 (애노드) (116) 을 구비한다. 또, 각 셀 (110) 은, 추가로 고체 전해질층 (112) 과 공기극층 (114) 사이에 배치된 반응 방지층 (180) 과, 고체 전해질층 (112) 과 연료극층 (116) 사이에 배치된 중간층 (190) 을 구비한다.
연료극층 (116) 은, 대략 원통상의 다공질 부재이다. 본 실시형태에서는, 연료극층 (116) 은, 층상의 연료극 기판층 (210) 과, 연료극 기판층 (210) 에 대해 고체 전해질층 (112) 측에 위치하는 층상의 연료극 활성층 (220) 을 포함하고 있다. 연료극 활성층 (220) 은, 주로 연료극층 (116) 에 있어서의 전극 반응의 장으로서 기능하는 층이다. 연료극 활성층 (220) 은, Ni (니켈) 또는 Ni 함유 합금과, 희토류 원소를 함유하는 CeO2 (세리아) 를 포함하고 있다. 본 실시형태에서는, 연료극 활성층 (220) 은, Ni 와, Gd (가돌리늄) 를 함유하는 CeO2 (이하, 「GDC」라고 한다) 를 포함하도록 구성되어 있다. GDC 는, 예를 들어, Y (이트륨) 를 함유하는 ZrO2 (지르코니아) (이하, 「YSZ」라고 한다) 와 비교하여 이온 전도성이 높기 때문에, 연료극 활성층 (220) 의 구성 재료로서 GDC 를 사용함으로써, 셀 (110) 의 성능을 향상시킬 수 있다. 연료극 활성층 (220) 은, 특허 청구범위에 있어서의 연료극에 상당하고, Gd 는, 특허 청구범위에 있어서의 제 2 희토류 원소에 상당한다.
또, 연료극 기판층 (210) 은, 주로 셀 (110) 을 구성하는 각 층을 지지하는 층이다. 본 실시형태에서는, 연료극 기판층 (210) 은, Ni (또는 Ni 함유 합금) 와 YSZ 를 포함하도록 구성되어 있다. 이와 같이, 본 실시형태의 셀 (110) 은, 연료극층 (116) (연료극 기판층 (210)) 에 의해 셀 (110) 을 구성하는 다른 층을 지지하는 연료극 지지형의 셀이다.
연료극층 (116) (연료극 기판층 (210)) 에는, 셀 (110) 의 축 방향 (Y 축 방향) 으로 연장되는 관통공인 연료 가스 도통공 (117) 이 형성되어 있다. 연료 가스 도통공 (117) 에는, 연료 전지 스택 (100) 의 외부로부터 연료 가스 (FG) 가 도입된다.
고체 전해질층 (112) 은, 연료극층 (116) 의 외주면측에 배치된 대략 원통상의 치밀질 부재이며, 고체 산화물을 포함하도록 구성되어 있다. 즉, 본 실시형태의 셀 (110) 은, 고체 산화물형 연료 전지 (SOFC) 이다. 본 실시형태에서는, 고체 전해질층 (112) 은, 고체 산화물로서 YSZ (Y 를 함유하는 ZrO2) 를 포함하고 있다. Y (이트륨) 는, 특허 청구범위에 있어서의 제 1 희토류 원소에 상당한다.
공기극층 (114) 은, 고체 전해질층 (112) 의 외주면측에 배치된 대략 원통상의 다공질 부재이며, 예를 들어, 페로브스카이트형 산화물 (예를 들어, LSCF (란탄스트론튬코발트철 산화물), LSM (란탄스트론튬망간 산화물), LNF (란탄니켈철) 등) 을 포함하도록 구성되어 있다. 공기극층 (114) 은, 특허 청구범위에 있어서의 공기극에 상당한다.
반응 방지층 (180) 은, 예를 들어, GDC (Gd 를 함유하는 CeO2) 를 포함하도록 구성되어 있다. 반응 방지층 (180) 을 형성함으로써, 공기극층 (114) 에 포함되는 원소 (예를 들어, Sr (스트론튬)) 가 고체 전해질층 (112) 에 포함되는 원소 (예를 들어, Zr (지르코늄)) 와 반응하여 고저항의 물질 (예를 들어, SrZrO3) 이 생성되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 공기극층 (114) 및 반응 방지층 (180) 은, 셀 (110) 의 축 방향에 있어서의 양 단부 (端部) 에는 형성되어 있지 않고, 양 단부를 제외한 부분에만 형성되어 있다. 즉, 셀 (110) 의 양 단부에서는, 고체 전해질층 (112) 이, 공기극층 (114) 및 반응 방지층 (180) 에 덮이지 않고 노출되어 있다.
중간층 (190) 은, 도 4 에 나타내는 바와 같이, Zr 과, Ce (세륨) 와, Y (즉, 고체 전해질층 (112) 에 포함되는 희토류 원소와 동일한 희토류 원소) 와, Gd (즉, 연료극층 (116) 에 포함되는 희토류 원소와 동일한 희토류 원소) 를 함유하는 고용체 (산화물 고용체) 를 포함하도록 구성되어 있다. 이 고용체를 구성하는 각 입자 (191) 는, 상기 원소 (Zr, Ce, Y, Gd) 를 함유하고 있다. 또한, 중간층 (190) 이 고용체를 포함하고 있는 것은, 예를 들어 전자선 프로브 마이크로애널리시스 (이하, 「EPMA」라고 한다) 에 의해 원소 분석을 실시하여, 동일한 위치에서 Zr 과 Ce 와 제 1 희토류 원소와 제 2 희토류 원소가 검출되는 것을 확인함으로써 검증할 수 있다.
도 2 에 나타내는 바와 같이, 각 셀 (110) 의 일방의 단부 (고체 전해질층 (112) 이 공기극층 (114) 등에 덮이지 않고 노출되어 있는 부분) 에는, 연료극층 (116) 이 고체 전해질층 (112) 등에 덮이지 않고, 대신해서 금속 시일 부재 (109) 에 의해 덮여 있는 부분이 존재한다. 금속 시일 부재 (109) 는, 치밀한 금속층이며, 가스 시일로서 기능함과 함께, 연료극층 (116) 의 집전 단자로서 기능한다. 또한, 상하 방향으로 이웃하는 2 개의 셀 (110) 중, 일방의 셀 (110) 에 있어서 금속 시일 부재 (109) 가 설치되는 단부는, 타방의 셀 (110) 에 있어서 금속 시일 부재 (109) 가 설치되는 단부와는 반대측의 단부로 되어 있다.
(다른 부재의 구성) 각 집전 부재 (104) 는, 가스 투과성을 갖는 도전성 재료에 의해 형성되어 있다. 도 3 에 나타내는 바와 같이, 각 집전 부재 (104) 는, 각 셀 (110) 을 둘러싸도록 형성된 3 개의 원통 부분 (142) 과, 원통 부분 (142) 끼리를 연결하는 연결 부분 (144) 을 포함한다. 수평 방향으로 나란히 늘어선 3 개의 셀 (110) 이 각 집전 부재 (104) 의 3 개의 원통 부분 (142) 내에 배치됨으로써, 그들 셀 (110) 이 서로 전기적으로 접속된다. 또, 8 개의 집전 부재 (104) 는, 절연 다공체 (106) 를 사이에 두면서, 상하 방향으로 나란하게 배치되어 있다.
도 2 에 나타내는 바와 같이, 각 집전 부재 (104) 는, Y 축 방향을 따라, 제 1 집전 부재 (104A) 와 제 2 집전 부재 (104B) 로 분할되어 있다. 제 1 집전 부재 (104A) 와 제 2 집전 부재 (104B) 는, 양자 간에 배치된 절연 부재 (105) 에 의해 서로 전기적으로 절연되어 있다. 제 1 집전 부재 (104A) 는, 셀 (110) 에 있어서의 금속 시일 부재 (109) 가 배치된 부분의 외주면측에 배치되어 있고, 제 2 집전 부재 (104B) 는, 셀 (110) 에 있어서의 공기극층 (114) 이 배치된 부분의 외주면측에 배치되어 있다.
절연 다공체 (106) 는, 다공질의 절연성 재료 (예를 들어, 다공질의 절연성 세라믹스) 에 의해 형성되어 있다. 도 2 에 나타내는 바와 같이, 절연 다공체 (106) 에 있어서의 소정의 위치에는, 상하 방향으로 연장되는 관통공이 형성되어 있고, 그 관통공에 도전성 부재가 충전되어 도전 접속부 (107) 가 구성되어 있다. 이 도전 접속부 (107) 에 의해, 상하 방향으로 이웃하는 2 개의 셀 (110) 중, 일방의 셀 (110) 의 주위에 배치된 제 2 집전 부재 (104B) 와, 타방의 셀 (110) 의 주위에 배치된 제 1 집전 부재 (104A) 가 전기적으로 접속되어 있다. 그 때문에, 도 2 에 있어서 파선의 화살표로 나타내는 바와 같이, 어느 셀 (110) 의 연료극층 (116) 으로부터 공기극층 (114) 을 거쳐, 그 셀 (110) 의 주위에 배치된 제 2 집전 부재 (104B) 와 도전 접속부 (107) 를 지나, 그 셀 (110) 의 1 개 상측 또는 1 개 하측에 위치하는 셀 (110) 의 주위에 배치된 제 1 집전 부재 (104A) 및 금속 시일 부재 (109) 를 지나 연료극층 (116) 에 이르는 도전 패스 (EP) 가 형성된다.
1 쌍의 가스 시일 부재 (108) 는, 절연성의 판상 부재이며, 예를 들어 유리에 의해 형성되어 있다. 가스 시일 부재 (108) 에는, 복수의 관통공 (108A) 이 형성되어 있다. 일방의 가스 시일 부재 (108) 는, 각 셀 (110) 의 축 방향 (Y 축 방향) 의 일단 부근에 배치되어 있고, 그 가스 시일 부재 (108) 의 각 관통공 (108A) 에 각 셀 (110) 의 일방의 단부가 삽입되어 있다. 또, 타방의 가스 시일 부재 (108) 는, 각 셀 (110) 의 축 방향의 타단 부근에 배치되어 있고, 그 가스 시일 부재 (108) 의 각 관통공 (108A) 에 각 셀 (110) 의 타방의 단부가 삽입되어 있다. 1 쌍의 가스 시일 부재 (108) 에 의해, 연료 전지 스택 (100) 내를 유통하는 가스의 누설이 방지된다.
A-2. 연료 전지 스택 (100) 의 동작 : 도 1 및 도 2 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 스택 (100) 에 수소를 포함하는 연료 가스 (FG) 가 공급되면, 연료 가스 (FG) 는, 각 셀 (110) 의 연료극층 (116) 에 형성된 연료 가스 도통공 (117) 내에 진입한다. 또, 도 1 및 도 3 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 스택 (100) 에 산소를 포함하는 산화제 가스 (OG) (예를 들어 공기) 가 공급되면, 산화제 가스 (OG) 는, 절연 다공체 (106) 및 집전 부재 (104) 를 투과하여, 각 셀 (110) 의 공기극층 (114) 에 이른다. 각 셀 (110) 의 연료극층 (116) 에 연료 가스 (FG) 가 공급되고, 공기극층 (114) 에 산화제 가스 (OG) 가 공급되면, 각 셀 (110) 에 있어서 산화제 가스 (OG) 및 연료 가스 (FG) 의 전기 화학 반응에 의한 발전이 실시된다. 각 셀 (110) 은, 집전 부재 (104) 및 상기 서술한 도전 패스 (EP) 에 의해 서로 전기적으로 접속되어 있고, 또, 연료 전지 스택 (100) 의 상측 및 하측에는 도시되지 않은 단자 부재가 형성되어 있다. 각 셀 (110) 에 있어서의 발전에 의해 발생된 전력은, 부극측 및 정극측의 단자 부재에 접속된 도선 등을 통하여 외부로 취출된다. 또한, 복수의 연료 전지 스택 (100) 을 소정 방향으로 배열하여 연료 전지 모듈을 구성해도 된다.
A-3. 셀 (110) 의 제조 방법 : 다음으로, 상기 서술한 구성의 셀 (110) 의 제조 방법에 대해 설명한다. 도 5 는, 본 실시형태에 있어서의 셀 (110) 의 제조 방법의 일례를 나타내는 플로 차트이다.
먼저, 연료극 기판층 성형체를 제조한다 (S110). 구체적으로는, NiO (산화니켈) 와 YSZ 의 혼합 분말에 바인더를 첨가하여 충분히 혼합한 후, 물을 첨가함으로써 배토체를 얻는다. 이 배토체를 압출 성형기에 투입하여 대략 원통상으로 형성함으로써, 연료극 기판층 성형체를 얻는다.
다음으로, 연료극 기판층 성형체의 외주측의 표면에, 연료극 활성층용 슬러리와 중간층용 슬러리와 고체 전해질층용 슬러리와 반응 방지층용 슬러리를, 순서대로 딥 코트에 의해 성막한다 (S120). 구체적으로는, NiO 와 GDC 의 혼합 분말과, 바인더와, 분산제와, 가소제와, 용매를 혼합함으로써, 연료극 활성층용 슬러리를 얻는다. 또, ZrO2 와 CeO2 와 Y2O3 과 Gd2O3 의 혼합 분말과, 바인더와, 분산제와, 가소제와, 용매를 혼합함으로써, 중간층용 슬러리를 얻는다. 또, YSZ 분말과, 바인더와, 분산제와, 가소제와, 용매를 혼합함으로써, 고체 전해질층용 슬러리를 얻는다. 또, GDC 분말과, 바인더와, 분산제와, 가소제와, 용매를 혼합함으로써, 반응 방지층용 슬러리를 얻는다. 그리고, 연료극 기판층 성형체의 표면을 필요에 따라 마스킹한 후, 연료극 기판층 성형체를 연료극 활성층용 슬러리에 침지시키고, 천천히 꺼냄으로써, 연료극 기판층 성형체의 외주측의 표면에 연료극 활성층용 슬러리를 성막한다. 동일하게 하여, 중간층용 슬러리와 고체 전해질층용 슬러리와 반응 방지층용 슬러리를 순서대로 성막한다.
다음으로, 각 슬러리가 성막된 연료극 기판층 성형체의 소성 (동시 소성) 을 실시한다 (S130). 이 소성 공정에 의해, 연료극 기판층 성형체가 연료극 기판층 (210) 이 되고, 연료극 활성층용 슬러리가 연료극 활성층 (220) 이 되고, 중간층용 슬러리가 중간층 (190) 이 되고, 고체 전해질층용 슬러리가 고체 전해질층 (112) 이 되고, 반응 방지층용 슬러리가 반응 방지층 (180) 이 된다. 이 결과, 연료극층 (116 (연료극 기판층 (210) 및 연료극 활성층 (220))) 과 중간층 (190) 과 고체 전해질층 (112) 과 반응 방지층 (180) 을 구비하는 적층체 (이하, 「적층체 (L)」라고 한다) 가 얻어진다.
다음으로, 적층체 (L) 의 반응 방지층 (180) 측의 표면에, 공기극층용 슬러리를 딥 코트에 의해 성막한다 (S140). 구체적으로는, 예를 들어 LSCF 의 분말과, 바인더와, 분산제와, 가소제와, 용매를 혼합함으로써, 공기극층용 슬러리를 얻는다. 그리고, 적층체 (L) 의 표면을 필요에 따라 마스킹한 후, 적층체 (L) 를 공기극층용 슬러리에 침지시키고, 천천히 꺼냄으로써, 적층체 (L) 의 반응 방지층 (180) 측의 표면에 공기극층용 슬러리를 성막한다.
다음으로, 공기극층용 슬러리가 성막된 적층체 (L) 의 소성을 실시한다 (S150). 이 소성 공정에 의해, 공기극층용 슬러리가 공기극층 (114) 이 된다. 이 결과, 연료극층 (116 (연료극 기판층 (210) 및 연료극 활성층 (220))) 과 중간층 (190) 과 고체 전해질층 (112) 과 반응 방지층 (180) 과 공기극층 (114) 을 구비하는 적층체, 즉 셀 (110) 이 얻어진다.
A-4. 본 실시형태의 효과 : 이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 셀 (110) 은, 희토류 원소 (제 1 희토류 원소) 를 함유하는 ZrO2 를 포함하는 고체 전해질층 (112) 과, 고체 전해질층 (112) 의 일방측에 배치된 공기극층 (114) 과, 고체 전해질층 (112) 의 타방측에 배치되고, 희토류 원소 (제 2 희토류 원소) 를 함유하는 CeO2 와, Ni 또는 Ni 함유 합금을 포함하는 연료극 활성층 (220) 을 구비한다. 본 실시형태의 셀 (110) 은, 추가로 고체 전해질층 (112) 과 연료극 활성층 (220) 사이에 배치되고, Zr 과 Ce 와 상기 제 1 희토류 원소와 상기 제 2 희토류 원소를 함유하는 고용체를 포함하는 중간층 (190) 을 구비한다.
본 실시형태의 셀 (110) 은 상기 서술한 바와 같은 구성이기 때문에, 환원 분위기에서의 중간층 (190) 의 팽창량을, 연료극 활성층 (220) 의 팽창량과 고체 전해질층 (112) 의 팽창량 사이의 양으로 할 수 있다. 그 결과, 환원 분위기에서의 팽창량차에서 기인하는 연료극 활성층 (220) 과 고체 전해질층 (112) 사이의 응력을 완화할 수 있어, 양자 간의 박리의 발생을 억제할 수 있다. 따라서, 본 실시형태의 셀 (110) 에 의하면, 연료극 활성층 (220) 과 고체 전해질층 (112) 사이의 박리에서 기인하여 셀 (110) 의 성능이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
또, 본 실시형태의 셀 (110) 에서는, 중간층 (190) 이 Zr 과 Ce 와 상기 제 1 희토류 원소 (고체 전해질층 (112) 에 포함되는 희토류 원소와 동일한 희토류 원소) 와 상기 제 2 희토류 원소 (연료극 활성층 (220) 에 포함되는 희토류 원소와 동일한 희토류 원소) 를 함유하기 때문에, 중간층 (190) 의 존재에 의해 연료극 활성층 (220) 과 고체 전해질층 (112) 사이의 상호 원소 확산을 억제할 수 있다. 그 때문에, 본 실시형태의 셀 (110) 에 의하면, 연료극 활성층 (220) 과 고체 전해질층 (112) 사이의 상호 원소 확산에 의한 특성 저하에서 기인하여 셀 (110) 의 성능이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
또, 본 실시형태의 셀 (110) 에서는, 중간층 (190) 이, Zr (지르코늄) 과 Ce (세륨) 와 상기 제 1 희토류 원소와 상기 제 2 희토류 원소의 혼합체가 아닌, Zr 과 Ce 와 상기 제 1 희토류 원소와 상기 제 2 희토류 원소를 함유하는 고용체를 포함하기 때문에, 환원 분위기에 있어서 중간층 (190) 을 구성하는 입자 간의 팽창량의 차를 작게 할 수 있다. 그 때문에, 본 실시형태의 셀 (110) 에 의하면, 중간층 (190) 을 구성하는 입자 간의 팽창량의 차에서 기인하는 크랙의 발생을 억제할 수 있어, 그 크랙에서 기인하여 셀 (110) 의 성능이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
A-5. 셀 (110) 의 성능 평가 : 상기 서술한 실시형태의 셀 (110) 의 샘플을 복수 제조하고, 제조된 복수의 셀 (110) 의 샘플을 사용하여 성능 평가를 실시하였다. 도 6 은, 성능 평가 결과를 나타내는 설명도이다.
A-5-1. 각 샘플에 대해 : 도 6 에 나타내는 바와 같이, 각 샘플 (S1 ∼ S12) 은, 고체 전해질층 (112), 연료극 활성층 (220) 및 중간층 (190) 의 구성이 서로 상이하다. 구체적으로는, 고체 전해질층 (112) 에 관해, 샘플 S1 ∼ S8, S10 ∼ S12 에서는, 고체 전해질층 (112) 이 YSZ 를 포함하도록 구성되어 있고, 샘플 S9 에서는, 고체 전해질층 (112) 이 Sc (스칸듐) 를 함유하는 ZrO2 (이하, 「ScSZ」라고 한다) 를 포함하도록 구성되어 있다. 또한, 이하의 설명에서는, 고체 전해질층 (112) 에 포함되는 희토류 원소를 「제 1 희토류 원소 E1」이라고 한다. 샘플 S1 ∼ S8, S10 ∼ S12 에서는, 제 1 희토류 원소 E1 은 Y 이고, 샘플 S9 에서는, 제 1 희토류 원소 E1 은 Sc 이다.
또, 연료극 활성층 (220) 에 관해, 샘플 S1 ∼ S9 에서는, 연료극 활성층 (220) 이 GDC 를 포함하도록 구성되어 있고, 샘플 S10 에서는, 연료극 활성층 (220) 이 Y (이트륨) 를 함유하는 CeO2 (이하, 「YDC」라고 한다) 를 포함하도록 구성되어 있고, 샘플 S11 에서는, 연료극 활성층 (220) 이 La (란탄) 를 함유하는 CeO2 (이하, 「LDC」라고 한다) 를 포함하도록 구성되어 있고, 샘플 S12 에서는, 연료극 활성층 (220) 이 Sm (사마륨) 을 함유하는 CeO2 (이하, 「SDC」라고 한다) 를 포함하도록 구성되어 있다. 또한, 이하의 설명에서는, 연료극 활성층 (220) 에 포함되는 희토류 원소를 「제 2 희토류 원소 E2」라고 한다. 샘플 S1 ∼ S9 에서는, 제 2 희토류 원소 E2 는 Gd 이고, 샘플 S10 에서는, 제 2 희토류 원소 E2 는 Y 이고, 샘플 S11 에서는, 제 2 희토류 원소 E2 는 La 이고, 샘플 S12 에서는, 제 2 희토류 원소 E2 는 Sm 이다.
또, 중간층 (190) 에 관해, 각 샘플에 있어서의 중간층 (190) 의 두께는 서로 상이하다. 또, 각 샘플에 있어서, 중간층 (190) 은, Ce 와 Zr 과 제 1 희토류 원소 E1 과 제 2 희토류 원소 E2 를 함유하고 있다. 각 샘플에 있어서의 중간층 (190) 의 각 원소의 함유 비율 (조성) 은 서로 상이하다.
(각 샘플의 제조 방법) 각 샘플의 셀 (110) 을, 상기 서술한 실시형태에 있어서 설명한 제조 방법에 따라 제조하였다. 각 샘플의 셀 (110) 의 상세한 제조 방법은 이하와 같다.
먼저, 제조 후의 샘플의 셀 (110) 의 연료극 기판층 (210) 이 환원된 상태에 있어서 Ni : YSZ 의 체적비 (vol％) 가 50 : 50 이 되도록, NiO 와 Y0.16Zr0.84O2-δ (YSZ) 를 칭량하여 혼합함으로써, NiO 와 YSZ 의 혼합 분말을 제조하였다. 이 혼합 분말과 셀룰로오스계 바인더를 충분히 혼합한 후, 물을 첨가하여 배토체를 얻었다. 이 배토체를 압출 성형기에 투입하여, 외경 2.5 ㎜ 의 원통상의 연료극 기판층 성형체를 얻었다.
또, 제조 후의 샘플의 셀 (110) 의 연료극 활성층 (220) 이 환원된 상태에 있어서 Ni : GDC 의 체적비 (vol％) 가 50 : 50 이 되도록, NiO 와 Gd0.1Ce0.9O2-δ (GDC) 를 칭량하여 혼합함으로써, NiO 와 GDC 의 혼합 분말을 제조하였다. 이 혼합 분말과, 폴리비닐부티랄과, 아민계 분산제와, 가소제와, 용매로서의 메틸에틸케톤 및 에탄올을 혼합하여, 연료극 활성층용 슬러리를 얻었다. 단, 샘플 S10 에 대해서는, GDC 대신에 Y0.1Ce0.9O2-δ (YDC) 를 사용하여, 동일하게 연료극 활성층용 슬러리를 얻었다. 또, 샘플 S11 에 대해서는, GDC 대신에 La0.1Ce0.9O2-δ (LDC) 를 사용하여, 동일하게 연료극 활성층용 슬러리를 얻었다. 또, 샘플 S12 에 대해서는, GDC 대신에 Sm0.1Ce0.9O2-δ (SDC) 를 사용하여, 동일하게 연료극 활성층용 슬러리를 얻었다.
또, ZrO2 와 CeO2 와 Y2O3 과 Gd2O3 을, 샘플마다 정해진 목표의 조성이 되도록 배합한 혼합 분말과, 폴리비닐부티랄과, 아민계 분산제와, 가소제와, 용매로서의 메틸에틸케톤 및 에탄올을 혼합하여, 중간층용 슬러리를 얻었다. 단, 샘플 S9 에 대해서는, Y2O3 대신에 Sc2O3 을 사용하여, 동일하게 중간층용 슬러리를 얻었다. 또, 샘플 S10 에 대해서는, Gd2O3 이 배합되지 않고, ZrO2 와 CeO2 와 Y2O3 의 혼합 분말을 사용하여, 동일하게 중간층용 슬러리를 얻었다. 또, 샘플 S11 에 대해서는, Gd2O3 대신에 La2O3 을 사용하여, 동일하게 중간층용 슬러리를 얻었다. 또, 샘플 S12 에 대해서는, Gd2O3 대신에 Sm2O3 을 사용하여, 동일하게 중간층용 슬러리를 얻었다.
또, YSZ 분말과, 폴리비닐부티랄과, 아민계 분산제와, 가소제와, 용매로서의 메틸에틸케톤 및 에탄올을 혼합하여, 고체 전해질층용 슬러리를 얻었다. 단, 샘플 S9 에 대해서는, YSZ 분말 대신에 Sc0.16Zr0.84O2-δ (ScSZ) 분말을 사용하여, 동일하게 고체 전해질층용 슬러리를 얻었다.
또, GDC 분말과, 폴리비닐부티랄과, 아민계 분산제와, 가소제와, 용매로서의 메틸에틸케톤 및 에탄올을 혼합하여, 반응 방지층용 슬러리를 얻었다.
연료극 기판층 성형체의 외주측의 표면에, 연료극 활성층용 슬러리와, 중간층용 슬러리와, 고체 전해질층용 슬러리와, 반응 방지층용 슬러리를, 순서대로 딥 코트에 의해 성막한 후, 동시 소성을 실시하여, 연료극층 (116 (연료극 기판층 (210) 및 연료극 활성층 (220))) 과 중간층 (190) 과 고체 전해질층 (112) 과 반응 방지층 (180) 을 구비하는 적층체 (L) 를 얻었다.
La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF) 의 분말과, 폴리비닐부티랄과, 아민계 분산제와, 가소제와, 용매로서의 메틸에틸케톤 및 에탄올을 혼합하여, 공기극층용 슬러리를 얻었다. 상기 적층체 (L) 의 반응 방지층 (180) 측의 표면에 공기극층용 슬러리를 딥 코트에 의해 성막한 후, 소성을 실시하여, 공기극층 (114) 을 형성하였다. 이상의 방법에 의해, 각 샘플의 셀 (110) 을 얻었다.
(샘플의 분석 방법) 제조된 각 샘플의 셀 (110) 을 이하의 방법에 따라 분석하였다.
즉, 각 샘플의 셀 (110) 을 소정의 길이로 절단하고, 에폭시 수지에 매립하여 고화시킨 후, 각 층의 적층 방향에 대략 평행한 단면을 관찰할 수 있도록 절단하여, 경면상으로 연마하였다. 그 후, 연마면 (관찰면) 에 카본 증착을 실시한 후, EPMA 에 의해, 중간층 (190) 에 대한 화상 취득, 원소 라인 분석 및 원소 정량 분석을 실시하였다.
또한, 취득 화상에 있어서의 중간층 (190) 의 특정은, 이하의 방법에 따라 실시하였다. 즉, 셀 (110) 에 있어서의 중간층 (190) 으로 생각되는 부분 및 그 주변에 있어서, EPMA 에 의해, Zr 이 검출되고, 또한, Ce 가 검출되지 않는 부분을 고체 전해질층 (112) 으로 하고, Ni 가 검출되는 부분을 연료극층 (116) (연료극 활성층 (220)) 으로 하고, 고체 전해질층 (112) 과 연료극층 (116) (연료극 활성층 (220)) 사이에 끼워진 부분을 중간층 (190) 으로 하였다.
또, 각 샘플의 중간층 (190) 의 부분에 있어서, Zr 과 Ce 가, 상이한 위치가 아닌, 동일한 위치에 검출되었기 때문에, 중간층 (190) 은, Zr 과 Ce 를 함유하는 고용체를 포함하고 있는 것이 확인되었다.
A-5-2. 평가 방법 : 도 7 에 나타내는 바와 같이, 제조한 각 샘플의 셀 (110) 에 대해, 연료극층 (116) 이 노출된 부분에 제 1 은선 (201) 및 제 3 은선 (203) 을 감고, 은 페이스트를 도포함으로써, 연료극 단자를 형성하였다. 또, 셀 (110) 에 있어서의 공기극층 (114) 이 형성된 부분을 백금망 (205) 으로 덮고, 백금망 (205) 상에 제 2 은선 (202) 및 제 4 은선 (204) 을 접속하고, 백금망 (205) 상에 집전용의 도전성 페이스트를 도포하여 전기로 (236) 에서 베이킹함으로써, 공기극 단자를 형성하였다. 또, 각 셀 (110) 의 양단에 있어서의 고체 전해질층 (112) 의 노출 부분을, 유리 재료 (206) 에 의해 가스 시일 고정시켰다.
그 후, 셀 (110) 을 전기로 (236) 내에 설치하고, 제 1 은선 (201) 및 제 2 은선 (202) 을 개재하여, 셀 (110) 에 전압계 (234) 를 접속함과 함께, 제 3 은선 (203) 및 제 4 은선 (204) 을 개재하여, 셀 (110) 에 임피던스 측정 장치 (solartron 사 제조 Sl1287, 1255B) (232) 를 접속하였다. 또, 셀 (110) 의 온도를 측정하기 위해, 공기극층 (114) 의 외표면으로부터 2 ㎜ 떨어진 위치에 열전쌍 (208) 을 설치하였다.
그리고, 연료극층 (116) 측에 질소 가스, 공기극층 (114) 측에 공기 (Air) 를 연속으로 흘리고, 전기로 (236) 를 800 ℃ 까지 승온한 후, 연료극층 (116) 측의 질소 가스를 수소 가스 (H2) 로 전환하여 연료극층 (116) 의 환원 처리를 실시하였다. 환원 처리 후, 중간층 (190) 의 계면 (고체 전해질층 (112) 측의 계면 및 연료극 활성층 (220) 측의 계면) 에 있어서의 박리의 유무를 확인하였다.
또, 환원 처리 후, 전기로 (236) 의 온도를 700 ℃ 까지 강온하고, 700 ℃ 에 있어서의 셀 (110) 의 IV 곡선 (전류 전압 곡선) 을 측정하였다. 측정에 의해 얻어진 IV 곡선으로부터, 전류 밀도 0.5 A/㎠ 에 있어서의 전압값 (V) 을 판독하였다. 전압값이 0.8 V 이상인 경우에 「수 (秀) (◎)」라고 판정하고, 전압값이 0.6 V 이상, 0.8 V 미만인 경우에 「우 (優) (○)」라고 판정하고, 전압값이 0.4 V 이상, 0.6 V 미만인 경우에 「양 (良) (△)」이라고 판정하고, 전압값이 0.4 V 미만인 경우에 「불량 (×)」이라고 판정하였다.
A-5-3. 평가 결과 : 도 6 에 나타내는 바와 같이, 어느 샘플 (S1 ∼ S12) 에서도, 중간층 (190) 의 고체 전해질층 (112) 측의 계면 및 연료극 활성층 (220) 측의 계면에 있어서, 완전한 박리는 발생하지 않았다. 또, 어느 샘플 (S1 ∼ S12) 에서도, 발전 성능에 대한 평가 결과는 「양 (△)」이상이며, 「불량 (×)」이라고 판정된 것은 없었다. 그 때문에, 상기 실시형태와 같이, 셀 (110) 이, 제 1 희토류 원소 E1 을 함유하는 ZrO2 를 포함하는 고체 전해질층 (112) 과, 고체 전해질층 (112) 의 일방측에 배치된 공기극층 (114) 과, 고체 전해질층 (112) 의 타방측에 배치되고, 제 2 희토류 원소 E2 를 함유하는 CeO2 와, Ni 또는 Ni 함유 합금을 포함하는 연료극 활성층 (220) 과, 고체 전해질층 (112) 과 연료극 활성층 (220) 사이에 배치되고, Zr 과 Ce 와 제 1 희토류 원소 E1 과 제 2 희토류 원소 E2 를 함유하는 고용체를 포함하는 중간층 (190) 을 구비하는 구성을 채용하면, 연료극 활성층 (220) 과 고체 전해질층 (112) 사이의 박리의 발생을 억제할 수 있음과 함께, 연료극 활성층 (220) 과 고체 전해질층 (112) 사이의 상호 원소 확산을 억제할 수 있어, 셀 (110) 의 성능이 저하되는 것을 억제할 수 있는 것이 확인되었다.
또한, 샘플 S1 에서는, 발전 성능에 대한 평가 결과가 「양 (△)」으로, 샘플 S6 ∼ S12 (모두 「우 (○)」이상이다) 와 비교하여 낮았다. 샘플 S1 에서는, 중간층 (190) 에 있어서의 Zr 과 Ce 와 제 1 희토류 원소 E1 과 제 2 희토류 원소 E2 의 합계량에 대한, Zr 과 Ce 의 합계량의 비율이 26.3 at％ 로, 샘플 S6 ∼ S12 (모두 그 비율이 30 at％ 이상이다) 와 비교하여 낮다. 그 때문에, 샘플 S1 에서는, 중간층 (190) 이 형석형 구조를 유지할 수 없게 되어 중간층 (190) 의 이온 전도성이 저하되고, 그 결과, 셀 (110) 의 발전 성능이 저하된 것으로 생각된다. 샘플 S1 의 평가 결과를 참조하면, 중간층 (190) 에 있어서의 Zr 과 Ce 와 제 1 희토류 원소 E1 과 제 2 희토류 원소 E2 의 합계량에 대한, Zr 과 Ce 의 합계량의 비율은, 30 at％ 이상인 것이 바람직하다고 할 수 있다. 또, 중간층 (190) 에 있어서의 Zr 과 Ce 와 제 1 희토류 원소 E1 과 제 2 희토류 원소 E2 의 합계량에 대한, Zr 과 Ce 의 합계량의 비율은, 60 at％ 이상이 보다 바람직하고, 74.5 at％ 이상이 더욱 바람직하다.
또, 샘플 S2 에서는, 발전 성능에 대한 평가 결과가 「양 (△)」으로, 샘플 S6 ∼ S12 (모두 「우 (○)」이상이다) 와 비교하여 낮았다. 또, 샘플 S2 에서는, 중간층 (190) 과 고체 전해질층 (112) 의 계면에, 부분적인 박리 (마이크로크랙) 가 발생하였다. 샘플 S2 에서는, 중간층 (190) 에 있어서의 Zr 과 Ce 와 제 1 희토류 원소 E1 과 제 2 희토류 원소 E2 의 합계량에 대한, Ce 의 양의 비율이 72.2 at％ 로, 샘플 S6 ∼ S12 (모두 그 비율이 70 at％ 이하이다) 와 비교하여 높다. 그 때문에, 샘플 S2 에서는, 환원 분위기에 있어서의 고체 전해질층 (112) 의 팽창량과 중간층 (190) 의 팽창량의 차가 커져, 양자의 계면에서 마이크로크랙이 발생하고, 그 결과, 셀 (110) 의 발전 성능이 저하된 것으로 생각된다.
또, 샘플 S3 에서는, 발전 성능에 대한 평가 결과가 「양 (△)」으로, 샘플 S6 ∼ S12 (모두 「우 (○)」이상이다) 와 비교하여 낮았다. 또, 샘플 S3 에서는, 중간층 (190) 과 연료극 활성층 (220) 의 계면에, 부분적인 박리 (마이크로크랙) 가 발생하였다. 샘플 S3 에서는, 중간층 (190) 에 있어서의 Zr 과 Ce 와 제 1 희토류 원소 E1 과 제 2 희토류 원소 E2 의 합계량에 대한, Ce 의 양의 비율이 9.1 at％ 로, 샘플 S6 ∼ S12 (모두 그 비율이 10 at％ 이상이다) 와 비교하여 낮다. 그 때문에, 샘플 S3 에서는, 환원 분위기에 있어서의 연료극 활성층 (220) 의 팽창량과 중간층 (190) 의 팽창량의 차가 커져, 양자의 계면에서 마이크로크랙이 발생하고, 그 결과, 셀 (110) 의 발전 성능이 저하된 것으로 생각된다.
샘플 S2 및 S3 의 평가 결과를 참조하면, 중간층 (190) 에 있어서의 Zr 과 Ce 와 제 1 희토류 원소 E1 과 제 2 희토류 원소 E2 의 합계량에 대한, Ce 의 양의 비율은, 10 at％ 이상, 70 at％ 이하인 것이 바람직하다고 할 수 있다. 중간층 (190) 에 있어서의 Zr 과 Ce 와 제 1 희토류 원소 E1 과 제 2 희토류 원소 E2 의 합계량에 대한, Ce 의 비율은, 12.5 at％ 이상이 보다 바람직하고, 30 at％ 이상이 더욱 바람직하다. 또, 중간층 (190) 에 있어서의 Zr 과 Ce 와 제 1 희토류 원소 E1 과 제 2 희토류 원소 E2 의 합계량에 대한, Ce 의 비율은, 70 at％ 이하가 바람직하고, 68.7 at％ 이하가 더욱 바람직하다.
또, 샘플 S4 에서는, 발전 성능에 대한 평가 결과가 「양 (△)」으로, 샘플 S6 ∼ S12 (모두 「우 (○)」이상이다) 와 비교하여 낮았다. 또, 샘플 S4 에서는, 중간층 (190) 과 연료극 활성층 (220) 의 계면에, 부분적인 박리 (마이크로크랙) 가 발생하였다. 샘플 S4 에서는, 중간층 (190) 에 있어서의 Zr 과 Ce 와 제 1 희토류 원소 E1 과 제 2 희토류 원소 E2 의 합계량에 대한, Zr 의 양의 비율이 71.4 at％ 로, 샘플 S6 ∼ S12 (모두 그 비율이 70 at％ 이하이다) 와 비교하여 높다. 그 때문에, 샘플 S4 에서는, 환원 분위기에 있어서의 연료극 활성층 (220) 의 팽창량과 중간층 (190) 의 팽창량의 차가 커져, 양자의 계면에서 마이크로크랙이 발생하고, 그 결과, 셀 (110) 의 발전 성능이 저하된 것으로 생각된다.
또, 샘플 S5 에서는, 발전 성능에 대한 평가 결과가 「양 (△)」으로, 샘플 S6 ∼ S12 (모두 「우 (○)」이상이다) 와 비교하여 낮았다. 또, 샘플 S5 에서는, 중간층 (190) 과 고체 전해질층 (112) 의 계면에, 부분적인 박리 (마이크로크랙) 가 발생하였다. 샘플 S5 에서는, 중간층 (190) 에 있어서의 Zr 과 Ce 와 제 1 희토류 원소 E1 과 제 2 희토류 원소 E2 의 합계량에 대한, Zr 의 양의 비율이 8.9 at％ 로, 샘플 S6 ∼ S12 (모두 그 비율이 10 at％ 이상이다) 와 비교하여 낮다. 그 때문에, 샘플 S5 에서는, 환원 분위기에 있어서의 고체 전해질층 (112) 의 팽창량과 중간층 (190) 의 팽창량의 차가 커져, 양자의 계면에서 마이크로크랙이 발생하고, 그 결과, 셀 (110) 의 발전 성능이 저하된 것으로 생각된다.
샘플 S4 및 S5 의 평가 결과를 참조하면, 중간층 (190) 에 있어서의 Zr 과 Ce 와 제 1 희토류 원소 E1 과 제 2 희토류 원소 E2 의 합계량에 대한, Zr 의 양의 비율은, 10 at％ 이상, 70 at％ 이하인 것이 바람직하다고 할 수 있다. 중간층 (190) 에 있어서의 Zr 과 Ce 와 제 1 희토류 원소 E1 과 제 2 희토류 원소 E2 의 합계량에 대한, Zr 의 양의 비율은, 13.8 at％ 이상이 보다 바람직하고, 30 at％ 이상이 더욱 바람직하다. 또, 중간층 (190) 에 있어서의 Zr 과 Ce 와 제 1 희토류 원소 E1 과 제 2 희토류 원소 E2 의 합계량에 대한, Zr 의 양의 비율은, 70 at％ 이하가 보다 바람직하고, 65.4 at％ 이하가 더욱 바람직하다.
또, 샘플 S6 에서는, 발전 성능에 대한 평가 결과가 「우 (○)」로, 샘플 S8 ∼ S12 (모두 「수 (◎)」이다) 와 비교하여 낮았다. 샘플 S6 에서는, 중간층 (190) 의 두께가 10.9 ㎛ 로, 샘플 S8 ∼ S12 (모두 중간층 (190) 의 두께가 10 ㎛ 이하이다) 와 비교하여 두껍다. 그 때문에, 샘플 S6 에서는, 중간층 (190) 의 저항이 증대되고, 그 결과, 셀 (110) 의 발전 성능이 저하된 것으로 생각된다. 샘플 S6 의 평가 결과를 참조하면, 중간층 (190) 의 두께는, 10 ㎛ 이하인 것이 바람직하다고 할 수 있다. 또, 중간층 (190) 의 두께는, 5 ㎛ 이하가 보다 바람직하고, 3.8 ㎛ 이하가 더욱 바람직하다.
또, 샘플 S7 에서는, 발전 성능에 대한 평가 결과가 「우 (○)」로, 샘플 S8 ∼ S12 (모두 「수 (◎)」이다) 와 비교하여 낮았다. 샘플 S7 에서는, 중간층 (190) 에 있어서의 Zr 과 Ce 와 제 1 희토류 원소 E1 과 제 2 희토류 원소 E2 의 합계량에 대한, Zr 과 Ce 의 합계량의 비율이 91.9 at％ 로, 샘플 S8 ∼ S12 (모두 그 비율이 90 at％ 이하이다) 와 비교하여 높다. 그 때문에, 샘플 S7 에서는, 중간층 (190) 에 포함되는 희토류 원소 (제 1 희토류 원소 E1 및 제 2 희토류 원소 E2) 의 양이 과도하게 적어져 중간층 (190) 의 이온 전도성이 저하되고, 그 결과, 셀 (110) 의 발전 성능이 저하된 것으로 생각된다. 샘플 S7 의 평가 결과를 참조하면, 중간층 (190) 에 있어서의 Zr 과 Ce 와 제 1 희토류 원소 E1 과 제 2 희토류 원소 E2 의 합계량에 대한, Zr 과 Ce 의 합계량의 비율은, 90 at％ 이하인 것이 바람직하다고 할 수 있다. 또, 중간층 (190) 에 있어서의 Zr 과 Ce 와 제 1 희토류 원소 E1 과 제 2 희토류 원소 E2 의 합계량에 대한, Zr 과 Ce 의 합계량의 비율은, 87.4 at％ 이하가 보다 바람직하다.
한편, 샘플 S8 ∼ S12 에서는, 발전 성능에 대한 평가 결과가 「수 (◎)」이며, 또한, 중간층 (190) 의 계면에 있어서 박리나 마이크로크랙의 발생도 확인되지 않았다. 샘플 S8 ∼ S12 에서는, 중간층 (190) 에 있어서의 Zr 과 Ce 와 제 1 희토류 원소 E1 과 제 2 희토류 원소 E2 의 합계량에 대한, Zr 과 Ce 의 합계량의 비율이 30 at％ 이상, 90 at％ 이하이고, 중간층 (190) 에 있어서의 Zr 과 Ce 와 제 1 희토류 원소 E1 과 제 2 희토류 원소 E2 의 합계량에 대한, Ce 의 양의 비율이 10 at％ 이상, 70 at％ 이하이고, 중간층 (190) 에 있어서의 Zr 과 Ce 와 제 1 희토류 원소 E1 과 제 2 희토류 원소 E2 의 합계량에 대한, Zr 의 양의 비율이 10 at％ 이상, 70 at％ 이하이며, 또한, 중간층 (190) 의 두께가 10 ㎛ 이하이다. 그 때문에, 샘플 S8 ∼ S12 에서는, 중간층 (190) 의 형석형 구조가 유지되며, 또한, 중간층 (190) 에 포함되는 희토류 원소의 양의 저하가 억제됨으로써, 중간층 (190) 의 이온 전도성의 저하가 억제되고, 또, 환원 분위기에 있어서의 고체 전해질층 (112) 및 연료극 활성층 (220) 의 팽창량과 중간층 (190) 의 팽창량의 차가 작아지고, 또, 중간층 (190) 의 저항의 증대가 억제되고, 그 결과, 중간층 (190) 의 계면에서의 박리나 마이크로크랙의 발생이 억제되면서, 셀 (110) 의 발전 성능의 저하가 억제된 것으로 생각된다.
B. 변형예 : 본 명세서에서 개시되는 기술은, 상기 서술한 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 예를 들어 다음과 같은 변형도 가능하다.
상기 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 구성은 어디까지나 일례이며, 여러 가지 변형 가능하다. 예를 들어, 상기 실시형태에 있어서, 연료 전지 스택 (100) 에 포함되는 셀 (110) 의 개수는 어디까지나 일례이며, 셀 (110) 의 개수는 연료 전지 스택 (100) 에 요구되는 출력 전압 등에 따라 적절히 결정된다. 또, 연료 전지 스택 (100) 을 구성하는 복수의 셀 (110) 의 전부에 있어서, 상기 실시형태에서 설명한 셀 (110) 의 구성이 채용되어 있을 필요는 없으며, 연료 전지 스택 (100) 을 구성하는 복수의 셀 (110) 의 적어도 하나에 있어서, 상기 실시형태에서 설명한 셀 (110) 의 구성이 채용되어 있으면, 그 셀 (110) 에 관해 상기 서술한 효과를 얻을 수 있다. 또, 상기 실시형태에서는, 연료 전지 스택 (100) 은 복수의 원통상의 셀 (110) 이 나란하게 배치된 구성이지만, 본 발명은, 다른 형상 (예를 들어 평판상) 의 셀이나, 그러한 셀이 복수 나란하게 배치된 연료 전지 스택에도 동일하게 적용 가능하다.
또, 상기 실시형태에서는, 셀 (110) 에 있어서의 고체 전해질층 (112) 과 공기극층 (114) 사이에 반응 방지층 (180) 이 형성되어 있지만, 반응 방지층 (180) 은 반드시 형성될 필요는 없다.
또, 상기 실시형태에 있어서의 각 부재를 구성하는 재료는 어디까지나 예시이며, 각 부재가 다른 재료에 의해 구성되어 있어도 된다. 예를 들어, 상기 실시형태에서는, 고체 전해질층 (112) 에 포함되는 희토류 원소 (제 1 희토류 원소) 는, Y 인 것으로 하고 있지만, 다른 원소 (예를 들어, Sc, Ca) 여도 된다. 동일하게, 상기 실시형태에서는, 연료극 활성층 (220) 에 포함되는 희토류 원소 (제 2 희토류 원소) 는, Gd 인 것으로 하고 있지만, 다른 원소 (예를 들어, Y, La, Sm) 여도 된다. 또한, 고체 전해질층 (112) 에 포함되는 희토류 원소 (제 1 희토류 원소) 와, 연료극 활성층 (220) 에 포함되는 희토류 원소 (제 2 희토류 원소) 는, 서로 상이한 원소여도 되고, 서로 동일한 원소여도 된다.
또, 상기 실시형태에서는, 연료극 기판층 (210) 은, Ni 또는 Ni 함유 합금과, YSZ 를 포함하도록 구성되어 있지만, YSZ 대신에 (또는 YSZ 와 함께), GDC 등의 다른 이온 전도성 산화물을 포함하도록 구성되어 있어도 된다.
또, 상기 실시형태에서는, 셀 (110) 에 있어서의 연료극층 (116) 이, 연료극 기판층 (210) 과 연료극 활성층 (220) 의 2 층 구성이지만, 연료극층 (116) 은, 단층 또는 3 층 이상의 구성이어도 된다. 또한, 연료극층 (116) 이 몇 층 구성이라 하더라도, 연료극층 (116) 에 있어서의 가장 고체 전해질층 (112) 에 가까운 측의 층이, 희토류 원소 (제 2 희토류 원소) 를 함유하는 CeO2 와, Ni 또는 Ni 함유 합금을 포함하고 있으면 되고, 이 층이, 특허 청구범위에 있어서의 연료극에 상당한다.
또, 상기 실시형태에서는, 연료 가스에 포함되는 수소와 산화제 가스에 포함되는 산소의 전기 화학 반응을 이용하여 발전을 실시하는 SOFC 를 대상으로 하고 있지만, 본 발명은 물의 전기 분해 반응을 이용하여 수소의 생성을 실시하는 고체 산화물형의 전해 셀 (SOEC) 이나, 복수의 전해 셀을 구비하는 전해 셀 스택에도 동일하게 적용 가능하다. 또한, 전해 셀 스택의 구성은, 예를 들어 일본 공개특허공보 2016-81813호에 기재되어 있는 바와 같이 공지이기 때문에 여기서는 상세히 서술하지 않지만, 개략적으로는 상기 서술한 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 과 동일한 구성이다. 즉, 상기 서술한 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 을 전해 셀 스택이라고 바꾸어 읽고, 셀 (110) 을 전해 셀이라고 바꾸어 읽으면 된다. 단, 전해 셀 스택의 운전시에는, 공기극층 (114) 이 플러스 (양극) 이고 연료극층 (116) 이 마이너스 (음극) 가 되도록 양 전극 간에 전압이 인가된다. 이로써, 각 전해 셀에 있어서 물의 전기 분해 반응이 일어나, 연료극층 (116) 에서 수소 가스가 발생하고, 전해 셀 스택의 외부로 수소가 취출된다. 이와 같은 구성의 전해 셀 및 전해 셀 스택에 있어서도, 상기 실시형태에 있어서 설명한 셀 (110) 과 동일한 구성이 채용되어 있으면, 상기 실시형태에 있어서 설명한 효과와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
100 : 연료 전지 스택
104A : 제 1 집전 부재
104B : 제 2 집전 부재
105 : 절연 부재
106 : 절연 다공체
107 : 도전 접속부
108 : 가스 시일 부재
108A : 관통공
109 : 금속 시일 부재
110 : 셀
112 : 고체 전해질층
114 : 공기극층
116 : 연료극층
117 : 연료 가스 도통공
142 : 원통 부분
144 : 연결 부분
180 : 반응 방지층
190 : 중간층
191 : 입자
201 : 제 1 은선
202 : 제 2 은선
203 : 제 3 은선
204 : 제 4 은선
205 : 백금망
206 : 유리 재료
208 : 열전쌍
210 : 연료극 기판층
220 : 연료극 활성층
232 : 임피던스 측정 장치
234 : 전압계
236 : 전기로

Claims (9)

  1. 제 1 희토류 원소를 함유하는 ZrO2 를 포함하는 고체 전해질층과,
    상기 고체 전해질층의 일방측에 배치된 공기극과,
    상기 고체 전해질층의 타방측에 배치되고, 제 2 희토류 원소를 함유하는 CeO2 와, Ni 또는 Ni 함유 합금을 포함하는 연료극을 구비하는 전기 화학 셀에 있어서, 추가로,
    상기 고체 전해질층과 상기 연료극 사이에 배치되고, Zr 과 Ce 와 상기 제 1 희토류 원소와 상기 제 2 희토류 원소를 함유하는 고용체를 포함하는 중간층을 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중간층에 있어서의 Zr 과 Ce 와 상기 제 1 희토류 원소와 상기 제 2 희토류 원소의 합계량에 대한, Zr 과 Ce 의 합계량의 비율은, 30 at％ 이상인 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 중간층에 있어서의 Zr 과 Ce 와 상기 제 1 희토류 원소와 상기 제 2 희토류 원소의 합계량에 대한, Ce 의 양의 비율은, 10 at％ 이상, 70 at％ 이하인 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간층에 있어서의 Zr 과 Ce 와 상기 제 1 희토류 원소와 상기 제 2 희토류 원소의 합계량에 대한, Zr 의 양의 비율은, 10 at％ 이상, 70 at％ 이하인 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간층의 두께는, 10 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간층에 있어서의 Zr 과 Ce 와 상기 제 1 희토류 원소와 상기 제 2 희토류 원소의 합계량에 대한, Zr 과 Ce 의 합계량의 비율은, 90 at％ 이하인 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 화학 셀은, 고체 산화물형 연료 전지용의 셀, 또는, 고체 산화물형 전해 셀용의 셀인 것을 특징으로 하는 전기 화학 셀.
  8. 복수의 전기 화학 셀을 구비하는 전기 화학 스택에 있어서,
    상기 복수의 전기 화학 셀의 적어도 하나는, 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 전기 화학 셀인 것을 특징으로 하는 전기 화학 스택.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전기 화학 스택은, 고체 산화물형 연료 전지용의 스택, 또는, 고체 산화물형 전해 셀용의 스택인 것을 특징으로 하는 전기 화학 스택.
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