JP2004259643A - Solid oxide fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体酸化物燃料電池に関し、特に強度、耐酸化性に優れ、且つ、電極との接触抵抗が低い多孔質金属基体を備えた固体酸化物燃料電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
固体酸化物燃料電池(SOFC)は作動温度が高く、高い発電効率が得られる特徴がある。従来、SOFCは1000℃程度の高温で作動するタイプが一般的であったが、低コスト材料の使用、セルの起動、停止を含めた長期的な耐久性向上の必要性から、近年、作動温度の低温化(500〜700℃程度)を目指した開発が盛んに行われている。
【0003】
SOFCの作動温度低温化のためには、電解質中の酸化物イオン伝導に起因する抵抗を低減するため、多孔質基体の上に電極と薄膜(10〜50μm)の電解質を形成する、いわゆる「支持膜形セル」を採用する必要がある。
【0004】
支持膜形セルの多孔質基体には、酸化剤極或いは燃料極と同一の材料を用いるのが一般的であり、酸化剤極材料であるランタンマンガナイト系酸化物や、燃料極材料であるニッケル/ジルコニアサーメット(NiO/YSZ)等が用いられてきた。
【0005】
しかし、上記のような材料は多孔質基体としての機械的強度、特に耐熱衝撃性が不十分であり、急激な温度変化や温度勾配によって多孔質基体が破損しやすいという問題点があった。
【0006】
一方、これを解決するための手段として、耐熱性の金属を多孔質基体に用いるタイプの開発も行われてきた。例えば、特許文献1では、基体材料に、保護被膜としてアルミナを形成するNiCrAl系、NiCrFe系、NiCrFeAl系を用いることが提案されている。また、特許文献2では、基体材料に低熱膨張率の耐熱性合金を用いることが提案されており、特許文献3では、基体材料にフェライト系ステンレス鋼を用いることが、特に特許文献4、5では、機械的強度と信頼性に優れたFe−Cr−Al系の耐熱性合金の焼結体を用いることが提案されている。
【0007】
【特許文献1】
特開平6−29024号公報
【0008】
【特許文献2】
特開平6−243879号公報
【0009】
【特許文献3】
特開平8−138690号公報
【0010】
【特許文献4】
特開平9−63605号公報
【0011】
【特許文献5】
特願2002−156076号
このように、多孔質金属基体には優れた耐熱性が要求されるため、候補材料としては大別して、表面にクロミアを主成分とする保護被膜を形成する合金(クロミア形成合金)と、表面にアルミナを主成分とする保護被膜を形成する合金(アルミナ形成合金)とが考えられている。
【0012】
クロミア形成合金は、表面に形成される厚さ10〜20μm程度のCr2O3を多く含む酸化膜が保護皮膜として作用し、耐酸化性を維持する。
【0013】
しかし、電池作製時に空気中1000℃以上の電極、電解質焼成工程を行うと、多孔質金属基体を構成する粒子表面に酸化物が異常に成長し、体積膨張やガス透過性低下を引き起こす問題がある。
【0014】
また、電池作製工程を真空中や不活性ガス雰囲気で行った場合でも、600〜800℃程度における電池運転中に、多孔質金属基体表面の酸化が早く進行し、電池特性の低下が大きいという問題がある。
【0015】
さらに、表面からクロム酸化物が蒸発し、電極中へ拡散、混入することにより、電極特性を低下させる懸念や、燃料極側に用いた場合、燃料中に含まれる水蒸気や炭素成分による酸化、浸炭などの問題により、長期的な安定性に不安がある。
【0016】
これに対しアルミナ形成合金は、表面に形成される厚さ2〜3μm程度のAl2O3を多く含む薄い酸化膜が、優れた耐酸化性、耐食性を示す。また、高温における蒸気圧が小さいので、蒸発の点でもクロミアより安定性が優れている。アルミナ形成合金の例としては、Fe−Cr、Ni−Cr及びCO−Crを基本とした合金に2wt.%程度以上のAlを加えたものが一般的である。
【0017】
ニッケルを主成分とするものでは、Cabot214(Ni:75.0,Fe:2.5,Cr:16.0,Al:4.5,Y:0.01wt.%)、Nimonic105(Ni:53.0,Co:20.0,Cr:15.0,Mo:5.0,Al:4.7,Ti:1.2,C:0.13,B:0.005,Zr:0.10wt.%)、Nimonic115(Ni:60.0,Co:13.2,Cr:14.3,Al:4.9,Ti:3.7,C:0.15,B:0.16,Zr:0.04wt.%)、Haynes Alloy214(Cr:16,Al:4.5wt.%,Ni残)がある。
【0018】
また、鉄を主成分とするステンレス鋼では、SUH21(C:〜0.10以下,Si:〜1.50以下,Mn:〜1.00以下,P:〜0.040以下,S:〜0.030以下,Ni:〜0.60以下,Cr:17.00〜21.00,Al:2.00〜4.00wt.%)、18SR(C:〜0.05,Si:〜1.0,Mn:〜0.5,P:〜0.02,S:〜0.01,Ni:〜0.5,Cr:18,Al:2,Ti:0.4wt.%)、FCH−1(電熱用鉄クロム1種)(C:〜0.10以下,Si:〜1.5以下,Mn:〜1.0以下,Cr:23〜26, Al:4〜6wt.%)、FCH−2(電熱用鉄クロム2種)(C:〜1.0以下,Si:〜1.5以下,Mn:〜1.0以下,Cr:17〜21,Al:2〜4wt.%)、20Cr−5Al(C:〜0.15以下,Si:〜1.00以下,Mn:〜1.0以下,P:〜0.040以下,S:〜0.030以下,Cr:19〜21,Al:4.5〜6.0,Ti:〜0.10wt.%)などがあり、これらに希土類元素などを添加することにより、耐酸化性や高温での強度を向上させたものもある。
【0019】
上記のようなアルミナ形成合金を多孔性金属基体の材料に用いることができれば、電池作製工程における高温酸化雰囲気にも耐え、かつ電池運転時の長期安定性に優れた多孔質金属基体が実現できることが期待される。
【0020】
【発明が解決しようとする課題】
しかしアルミナ形成合金は、表面酸化被膜の電気抵抗が高く、電極との接触抵抗が非常に大きいという問題があった。このため、多孔質金属基体の材料に適用しにくいと考えられてきた。
【0021】
また、アルミナ形成合金からなる多孔質金属基体を作製し、電池作製工程を1000℃以上の高温酸化雰囲気で行った場合、バルク(緻密体)の耐熱温度よりも低い温度で多孔質金属基体が異常に酸化するという問題があった。
【0022】
本発明は上記のような問題を鑑みてなされたものであり、表面にアルミニウムを含有する保護性の酸化被膜が形成される合金を多孔質金属基体の材料に用いて、良好な耐酸化性と電極との低い接触抵抗を両立させることを目的とする。
【0023】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、基体管材料に強度、耐酸化性に優れた、例えばステンレス鋼を用い、製法を工夫することにより、課題を解決できることを知見し、本発明を完成するに至った。
【0024】
すなわち、上記課題を解決するための本発明の請求項1の固体酸化物燃料電池は、固体電解質層を挟んで酸化剤極と燃料極とが配置されたセルが、多孔質金属基体上に形成される固体酸化物燃料電池において、多孔質金属基体は、多孔質金属基体を構成する金属表面に、アルミニウムを含有する被膜が形成されている金属からなることを特徴とする。
【0025】
請求項1の発明によれば、電池作製工程や電池運転時における多孔質金属基体の酸化進行を抑制することができる。
【0026】
本発明の請求項2の固体酸化物燃料電池は、固体電解質層を挟んで酸化剤極と燃料極とが配置されたセルが、多孔質金属基体に酸化剤極が対向するように形成される固体酸化物燃料電池において、多孔質金属基体は、多孔質金属基体を構成する金属表面に、アルミニウムと、多孔質金属基体を構成する金属に含まれる元素と酸化剤極に含まれる元素との固相反応により生成される高導電性酸化物と、を含有する被膜が形成されている金属からなることを特徴とする。
【0027】
請求項2の発明によれば、多孔質金属基体と酸化剤極との接触抵抗を低減することができ、特に、低温域での接触抵抗が低下するので、広い温度域で運転可能な固体酸化物燃料電池が得られる。
【0028】
本発明の請求項3の固体酸化物燃料電池は、請求項1または請求項2記載の固体酸化物燃料電池において、多孔質金属基体を構成する金属表面に形成される被膜のアルミニウム含有率を20〜70wt.%とすることを特徴とする。
【0029】
請求項3の発明によれば、多孔質金属基体の金属表面に形成される被膜がアルミニウムを20wt.%以上含有していることにより、電池作製工程や電池運転時における多孔質金属基体の酸化進行を大幅に抑制することができ、且つ、アルミニウムを70wt.%以下にすることにより、多孔質金属基体と電極との接触抵抗を小さく抑えることができる。
【0030】
本発明の請求項4の固体酸化物燃料電池は、請求項1または請求項2または請求項3記載の固体酸化物燃料電池において、多孔質金属基体の比表面積を0.01〜1m2/gとすることを特徴とする。
【0031】
請求項4の発明によれば、多孔質金属基体の比表面積を0.01m2/g以上にすることにより、多孔質金属基体と電極との有効接触面積を増加させ、接触抵抗を低下させることができる。また、多孔質金属基体の耐酸化性を維持するために1m2/g以下にすることが実用的である。
【0032】
本発明の請求項5の固体酸化物燃料電池は、請求項1または請求項2または請求項3または請求項4記載の固体酸化物燃料電池において、多孔質金属基体を構成する金属粒子の平均粒子径を10〜50μmとすることを特徴とする。
【0033】
請求項5の発明によれば、多孔質金属基体を構成する金属粒子の平均粒子径を10〜50μmとするように選択することにより、理想的な比表面積を有する多孔質金属基体を作製することができる。
【0034】
本発明の請求項6の固体酸化物燃料電池は、請求項1または請求項2または請求項3または請求項4または請求項5記載の固体酸化物燃料電池において、多孔質金属基体を構成する合金のアルミニウム含有率を2.5wt.%以上とすることを特徴とする。
【0035】
請求項6の発明によれば、アルミニウムを2.5wt.%以上含有する合金を用いて多孔質金属基体を作製することにより、表面酸化被膜へ十分なアルミニウムを供給することができ、良好な耐酸化性を維持する多孔質金属基体が得られる。
【0036】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【0037】
本発明の固体酸化物燃料電池の多孔質基体管を形成する金属材料は耐熱性金属である。この単セルは、約800〜1100℃で作成され、500℃以上で運転されるので、多孔質金属基体を形成する金属材料は、空気中においてこれらの温度領域において安定である耐熱性金属を用いる必要がある。
【0038】
具体的には、少なくとも電池運転中、多孔質基体管の酸化に伴う単位面積あたりの質量増加が1時間当たり0.01mg/cm2程度以下の耐酸化性を示す耐熱性金属を用いる必要がある。
【0039】
また、単電池作成時や、燃料電池の起動・停止に伴う温度変化時に電極や電解質層が破損しないよう、熱膨張率はこれらと整合していることが望ましく、10×10−6〜14×10−5K−1の範囲にあることが望ましい。
【0040】
このような耐熱性金属としては、具体的には、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、インコネルやハステロイなどのニッケル基の耐熱合金などを挙げることができる。
【0041】
オーステナイト系ステンレス鋼の熱膨張率は、例えば16〜17×10−6K−1でやや高く、マルテンサイト系ステンレス鋼の熱膨張率はフェライト系ステンレス鋼に近く例えば10〜14×10−6K−1であるが、高温での耐酸化性はやや低く、インコネルやハステロイなどのニッケル基の耐熱合金は熱膨張率が16〜17×10−6K−1でやや高いのに対して、フェライト系ステンレス鋼は熱膨張率が12×10−6K−1程度と低く、かつ耐酸化性にもすぐれているので、これらの中でも本発明において好ましく使用できる。
【0042】
本発明において好ましく使用できるフェライト系ステンレス鋼の例について次に述べる。
【0043】
フェライト系ステンレス鋼は、熱膨張率が低く、耐酸化性にもすぐれており、かつ低コスト材料であるので好ましく使用できる。フェライト系ステンレス鋼のクロムの含有率は、11〜32質量%、C、Si、Mnを含み、場合によってはAl、Ti、Mo、及び、その他の元素をさらに含んでもよい。フェライト系ステンレス鋼の例として、表面にCr2O3を主成分とする保護被膜が形成される材料と、表面にAl2O3からなる保護被膜が形成される材料とを挙げることができる。
【0044】
前者の材料としては、鉄を主成分としクロムを含有し高温酸化雰囲気(燃料電池作成時や燃料電池運転時)に表面にCr2O3を主成分とする酸化物層が形成される材料で、この酸化物層が金属内部への酸化進行を抑制する効果を示す。一方で、電極中へクロム成分が拡散、混入し、クロム被毒による電極特性低下を引き起こす場合がある。
【0045】
これに対して、後者の材料としては、鉄を主成分としアルミニウムを含有し高温酸化雰囲気(燃料電池作成時や燃料電池運転時)に表面にAl2O3を主成分とする酸化物層が形成される材料で、Fe−Cr−Al系ステンレス鋼を挙げることができる。Fe−Cr−Al系ステンレス鋼の例としては、例えばFeをベースとし、Cr24wt.%、Al5wt.%、その他、通常のステンレス鋼同様、C、Si、Mnなどを微量含有する。この種の材料は、Alを数wt.%以上含有することにより高温酸化雰囲気において表面にAl2O3を主成分とする抵抗の高い酸化物層が形成される。この層は金属内部への酸化進行を抑制する効果を示す一方で、抵抗が高いため酸化剤極側の集電機能を持つことが困難になる問題があった。
【0046】
図18は、多孔質基体管26上に酸化剤極36、固体酸化物電解質層38、燃料極40がこの順に形成された従来の固体酸化物燃料電池34であって、高温酸化雰囲気(燃料電池作成時や燃料電池運転時)で使用された固体酸化物燃料電池34の断面を説明する断面模式図である。断面の拡大模式図を図19に示す。10は金属粒子であり、金属粒子10の周囲や、金属粒子10により形成される気孔16、多孔質基体管26と酸化剤極36との界面近傍等に抵抗の高い酸化物層が形成される。
【0047】
このような多孔質基体管26は上記耐熱性金属材料からなる粒径数十〜数百μm程度の粉末をバインダーと混合→混練→押出し成形→乾燥→脱脂→真空中焼結という公知の方法により作製される。
【0048】
ここで焼結度の制御は重要である。焼結度が高いとガス透過性が低くなり、電池特性が低くなる。焼結度が低いと、運転中に多孔質基体管26の強度低下(破損しやすくなる)、熱伝導性低下の問題が生じる。
【0049】
これは、多孔質基体管26が高温の空気雰囲気にさらされることにより、材料の表面に厚さ数μmから数十μmの酸化物層が形成され、粒子の焼結度が低いと、この酸化物層が基体管の全体に広がり、ミクロな金属粒子同士のつながりが切断されるためである。
【0050】
このため、多孔質基体管26の気孔率は30〜60%程度、望ましくは40〜50%程度、平均気孔径は数μm〜数百μm程度が望ましいことが分かっている。後述する実施例において作製した単セルでは、多孔質基体管26の外径は20mmとした。
【0051】
【実施例1】
〔多孔質金属基体の作製〕
日立金属(株)製HRE5R(Fe−Cr−Al系(ICP測定により、
Fe:Bal.,Cr:22.9,Al:5.0,Ti:0.22,Si:0.43,Mn:0.0039,Ni:0.20wt.%含有))からなる粒径10μm〜100μm程度の合金粉末をバインダーと混合→混練→押出し成形→乾燥→脱脂→真空中焼結により、外径:20mm、管厚さ:1.5mm、気孔率:40%の多孔質金属基体Aを作製した。
【0052】
次に、多孔質金属基体Aと製造ロットの異なるHRE5R(Fe−Cr−Al系(ICP測定により、Fe:Bal.,Cr:23.4,Al:4.9,Ti:0.22,Si:0.39,Mn:0.015,Ni:<0.01wt.%含有))粉末を用いて、多孔質金属基体Aと同様の作製方法により多孔質金属基体Bを作製した。
【0053】
比較例として、日立金属(株)製ZMG232R(Fe−Cr系:Cr2
2wt.%、La、Zr微量添加により、通常のFe−Cr系ステンレス鋼よりも耐酸化性を向上させた材料)を用いて、多孔質金属基体Aと同様の作製方法により多孔質金属基体Xを作製した。
【0054】
〔耐酸化試験〕
上記3種類の多孔質金属基体を空気中1000〜1200℃で8時間熱処理した。
【0055】
上記熱処理後の試料を樹脂に埋め切断し、断面の微細構造をSEM(HITACHI S−2300)により観察した。また、多孔質金属基体を構成する金属粒子表面に生成した酸化被膜中の元素濃度をX−Ray Microanalyzer(HORIBA EMAX−3700)により分析した。元素濃度の測定結果には多少ばらつきがあったため、5〜10箇所測定し、その平均値をとった。
【0056】
表1に、各試料の表面酸化被膜中の元素濃度と酸化状態を示す。
【0057】
【表1】
【0058】
表1における酸化状態の○は、図1に模式的に示すように多孔質金属基体を構成する粒子10表面に厚さ数μm程度の酸化被膜12が形成されている正常な酸化状態であり、×(異常酸化)は図2のように酸化が進行し、厚さ数十μm以上の酸化物14が成長している状態である。
【0059】
異常酸化の状態は、成長した酸化物14が多孔質金属基体の気孔16を埋め、ガス拡散性を阻害する。また、酸化物14の成長により多孔質金属基体が体積膨張し、その上に形成される電極や電解質層に割れや剥離を引き起こす原因になる。異常酸化が進行すると最後には金属粒子10が全て酸化されてしまう。
【0060】
多孔質金属基体Aは1000℃、8時間の熱処理において、正常な酸化状態を示していたが、1150℃、8時間の熱処理後は異常酸化に到った。多孔質金属基体Bは1150℃、8時間の熱処理において、正常な酸化状態であったが、1200℃、8時間後には異常酸化に到った。また、多孔質金属基体Xは1000℃、8時間の熱処理で異常酸化していることが確認された。
【0061】
表1より、正常な酸化状態においては表面酸化被膜12中のアルミニウムの濃度が20wt.%以上であり、異常酸化した状態においては20wt.%以下であることがわかる。このことから、良好な耐酸化性を維持するためには、表面酸化被膜12中に少なくともアルミニウムが20wt.%以上存在する必要がある。即ち、アルミニウム20wt.%以上の酸化被膜12を作製すれば、良好な耐酸化性が維持でき、電池作製工程や電池運転時における多孔質金属基体の酸化進行を大幅に抑制できると考えられる。
【0062】
なお、表面酸化被膜12中のアルミニウムの濃度は、多孔質金属基体に用いる合金の組成、特にアルミニウムの含有率や微量添加元素の種類や量、さらに電池作製工程における熱処理温度や時間に影響されるため、これらの適正化により、表面酸化被膜中のアルミニウム濃度を20wt.%以上に保つことは可能である。
【0063】
【実施例2】
〔電極の作製〕
電極のスラリーを下記の方法により作製した。
【0064】
<スラリー溶媒の作製>
エタノール、テルピネオール、エチルセルロース、消泡剤、分散剤を重量比で56:37:6.8:0.1:0.1で混合し、スラリー溶媒を作製した。
【0065】
<酸化剤極スラリーの作製>
平均粒径2μmのLa0.85Sr0.15MnO3粉末と平均粒径0.5μmのYSZ(8mol%Y2O3−92mol%ZrO2)粉末とを重量比8:2の割合で混合した粉末と、上記スラリー溶媒とを重量比3:7の割合で混合することにより、酸化剤極スラリーを作製した。
【0066】
<燃料極スラリーの作製>
平均粒径3μmの酸化ニッケル粉末と平均粒径0.5μmのYSZ粉末を重量比9:1の割合で混合した粉末と、上記スラリー溶媒とを重量比1:1の割合で混合することにより、燃料極スラリーを作製した。
【0067】
〔酸化剤極材料との接触抵抗測定〕
多孔質金属基体Aを空気中1000℃で8時間熱処理した試料A−0、多孔質金属基体Aを空気中1100℃で8時間熱処理した試料A−1、多孔質金属基体Bを空気中1000℃で8時間熱処理した試料B−0、及び、多孔質金属基体Bを空気中1100℃で8時間熱処理した試料B−1を用い、図3に示す位置に、上記の方法で作製した酸化剤極スラリー18を塗布し乾燥させた。乾燥後、酸化剤極18上にPt網(集電体)20を貼りつけ、集電体20上に再度酸化剤極スラリー18を塗布し乾燥させることにより多孔質金属基体抵抗測定用の試料22を作製した。
【0068】
作製した4種類の試料を、電気炉で空気中1000℃に昇温した後、1000〜500℃の範囲で接触抵抗を測定した。抵抗値は、Pt集電体の単位面積当たりの値に換算した。
【0069】
〔表面酸化被膜中の元素濃度分析〕
上記接触抵抗を測定した4種類の試料と同一条件のサンプルを用いて、表面酸化被膜中の元素濃度を分析した。分析は1サンプルにつき5〜10箇所測定し、その平均値をとった。表2に4種類の試料の表面酸化被膜中元素濃度を示す。
【0070】
【表2】
【0071】
図4に700℃における表面酸化被膜中のアルミニウム濃度と接触抵抗との関係を示す。表面酸化被膜中の元素濃度には測定個所によりばらつきがあったため、平均値及びばらつきを考慮した誤差を含めてプロットしている。
【0072】
この結果から、表面酸化被膜12中のアルミニウム濃度がある値を超えると接触抵抗が急激に上昇することがわかる。特に70wt.%程度を超えるものは、酸化剤極材料18との接触抵抗が非常に大きいことがわかる。
【0073】
逆に70wt.%以下であれば、比較的小さな接触抵抗が得られると考えられる。実施例1において、耐酸化性確保のために20wt.%以上必要であることがわかったので、表面酸化被膜12中のアルミニウム濃度が20wt.%から70wt.%の範囲内において、優れた耐酸化性と低い接触抵抗の両方が得られることがわかった。
【0074】
【実施例3】
〔酸化剤極材料との接触抵抗測定〕
多孔質金属基体A及び多孔質金属基体Bを空気中1000℃で8時間熱処理後、図3に示す位置に、〔電極の作製〕に記載した方法で作製した酸化剤極スラリー18を塗布し乾燥させた。乾燥後、酸化剤極18上にPt網(集電体)20を貼りつけ、集電体20上に再度酸化剤極スラリー18を塗布し乾燥させることにより多孔質金属基体抵抗測定用の試料22を作製した。
【0075】
また、多孔質金属基体Aと同一材料(HRE5R)の緻密体からなる板状試料28について、空気中1000℃で8時間熱処理後、図5のように、緻密体28の表裏に〔電極の作製〕に記載した方法で作製した酸化剤極スラリー18を塗布し乾燥させた。乾燥後、酸化剤極18上にPt網(集電体)20を貼りつけ、集電体20上に再度酸化剤極スラリー18を塗布し乾燥させることにより緻密体抵抗測定用の試料30を作製した。
【0076】
作製した3種類の試料を、電気炉にて空気中1000℃に昇温した後、1000〜500℃の範囲で抵抗測定を行った。抵抗値は、Pt集電体の単位面積当たりの値に換算した。
【0077】
抵抗測定結果を図6に示す。多孔質金属基体A、Bは、緻密体に比べ1〜2桁小さい抵抗値を示した。これは、多孔質金属基体26の方が、比表面積が大きいこと、電極材料18が多孔質金属基体26内部に浸透(図7参照)すること等の要因により、接触領域が3次元的に広がっているためであると考えられる。
【0078】
また、多孔質金属基体Bよりも多孔質金属基体Aの接触抵抗が1桁近く小さくなった原因は、表面酸化被膜12中のアルミニウム濃度の差が影響していると考えられる。
【0079】
〔燃料極材料との接触抵抗測定〕
多孔質金属基体Aを空気中1000℃で2時間熱処理後、図3に示す位置に、〔電極の作製〕に記載した方法で作製した燃料極スラリー18を塗布し乾燥させた。乾燥後、燃料極18上にPt網(集電体)20を貼りつけ、集電体20上に再度燃料極スラリー18を塗布し乾燥させることにより、多孔質金属基体抵抗測定用の試料22を作製した。
【0080】
また、多孔質金属基体Aと同一材料(HRE5R)の緻密体からなる板状試料28について、空気中1000℃で8時間熱処理後、図5のように、緻密体28の表裏に〔電極の作製〕に記載した方法で作製した燃料極スラリー18を塗布し乾燥させた。乾燥後、燃料極18上にPt網(集電体)20を貼りつけ、集電体20上に再度燃料極スラリー18を塗布し乾燥させることにより緻密体抵抗測定用の試料30を作製した。
【0081】
作製した2種類の試料を、電気炉にて水素雰囲気中300〜1000℃の所定温度に加熱して抵抗測定を行った。抵抗値は、Pt集電体の単位面積当たりの値に換算した。
【0082】
抵抗測定結果を図8に示す。水素雰囲気での抵抗は温度によりあまり変化せず、多孔質金属基体Aでは0.2〜0.3Ωcm2、緻密体では3〜4Ωcm2であった。多孔質金属基体Aの接触抵抗が緻密体の試料に比べて1桁以上小さくなった原因は、酸化剤極材料との接触抵抗と同様に、多孔質金属基体26の方が、比表面積が大きいこと、電極材料18が内部に浸透すること等により接触領域が3次元的に広がっているためであると考えられる。
【0083】
また、燃料極材料との接触抵抗は温度にあまり依存せず、温度の上昇により抵抗が若干大きくなった。この結果は、燃料極材料であるニッケルと多孔質金属基体を構成する金属粒子とが直接接触していること、及び、燃料極と多孔質金属基体との間の電子伝導において、この接触部分を介した電子伝導が支配的であることを示唆している。すなわち、還元雰囲気においては表面酸化被膜の成長は遅いので、表面酸化被膜の微細な欠陥部分において金属面が露出し、この部分にニッケル粒子が接触していることが考えられる。
【0084】
【実施例4】
〔酸化剤極材料との接触抵抗測定〕
空気中1000℃で8時間熱処理した多孔質金属基体Bを用いて、図3に示すような酸化剤極材料との接触抵抗を測定する試料▲1▼を作製した。次に、この試料▲1▼を空気中1100℃で2時間熱処理(試料▲2▼)し、さらに試料▲2▼を空気中1100℃で6時間熱処理、即ち、試料▲1▼に対して空気中1100℃で合計8時間熱処理を行った試料▲3▼、そして試料▲3▼を空気中1100℃で8時間(合計で16時間)熱処理を行った試料▲4▼を作製し、試料▲1▼〜▲4▼のそれぞれについて抵抗測定を行った。
【0085】
抵抗測定結果を図9に示す。1100℃で熱処理を行うことにより、抵抗が低下した。また、1100℃での熱処理時間が長くなるほど、直線の傾きが緩やかになり、特に低温側での抵抗が小さくなる傾向が見られた。
【0086】
〔表面酸化被膜中の元素分析〕
上記抵抗測定における試料▲3▼、▲4▼と同一条件で作製した試料の表面酸化被膜中の元素分布を、実施例1と同一の方法により測定した。この結果を表3に示す。
【0087】
【表3】
【0088】
表3より、酸化剤極材料と接触した状態で空気中1100℃の熱処理を行うと、多孔質金属基体単体に比べ、表面酸化被膜中におけるアルミニウム濃度が低く、ランタン、マンガンの濃度が増加していることが分かる。これは、酸化剤極材料中のランタンマンガナイト(La0.85Sr0.15MnO3)と多孔質金属基体表面の酸化被膜とが固相反応したことが原因である。
【0089】
以上の結果より、空気中1100℃の熱処理により、多孔質金属基体と酸化剤極材料との接触抵抗が低下したのは、多孔質金属基体表面と酸化剤極材料とが固相反応し、相対的に表面酸化被膜中のアルミニウム濃度が低下したことが原因であると考えられる。また、図9における直線の傾きが小さくなり、特に低温側での抵抗が小さくなった原因は、表面酸化被膜に含まれる鉄やクロムがランタンマンガナイトと反応し、表面酸化被膜中に電子伝導の活性化エネルギーが小さい高伝導性のLaFeO3、LaCrO3、LaMnO3などのペロブスカイト型酸化物が生成したことによるものと考えられる。
【0090】
〔Ptペーストを用いた接触抵抗測定〕
比較のため、酸化剤極スラリーの代わりにPtペーストを用い、図3に示す接触抵抗を測定する試料▲1▼を作製した。次に、試料▲1▼に対して空気中1100℃で合計8時間熱処理を行った試料▲2▼、そして試料▲2▼を空気中1100℃で8時間(合計で16時間)熱処理を行った試料▲3▼を作製し、試料▲1▼〜▲3▼のそれぞれについて抵抗測定を行った。
【0091】
この結果を図10に示す。酸化剤極材料を用いた場合よりも全体的に抵抗値は小さくなったが、1100℃の熱処理による抵抗の低下は起こらなかった。また、熱処理時間が長くなっても直線の傾きは小さくならなかった。このことからも、図9のように熱処理により直線の傾きが小さくなった原因は、多孔質金属基体表面と酸化剤極材料との反応によるものである可能性が高いことが立証できた。
【0092】
Ptペーストを用いた場合、酸化剤極スラリーより抵抗が1桁近く小さくなった。これは、Ptの導電率がランタンマンガナイトよりも2桁以上高いこと、またPtの焼結性が高いため、多孔質金属基体を構成する粒子とのミクロな接触面積が多いことが原因であると考えられる。
【0093】
以上から、多孔質金属基体表面の酸化被膜と酸化剤極材料とを高温で固相反応させることにより、表面酸化被膜中のアルミニウム濃度が低下すると同時に高導電性の酸化物が生成することがわかった。
【0094】
この方法により、多孔質金属基体と酸化剤極との接触抵抗を低減でき、特に、低温側での抵抗が低下することによって、広い温度域で低い接触抵抗を示す実用的な多孔質金属基体を得ることができる。
【0095】
なお、本実施例では酸化剤極材料にランタンストロンチウムマンガナイト(La,Sr)MnO3を用いたが、その他にも酸化剤極材料として一般的に用いられるランタン系ペロブスカイト型酸化物であってもよい。
【0096】
また、多孔質金属基体の表面処理のため、酸化剤極材料を塗布する前に、別の材料を塗布し熱処理することも考えられる。この場合、多孔質金属基体表面の酸化被膜と固相反応を起こし、表面酸化被膜中に適度なアルミニウム濃度を保ちつつ、導電性酸化物を生成する材料を用いる。このような材料としては、チタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、イットリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ランタン、セリウム等を含有する酸化物が考えられる。
【0097】
熱処理温度は1100℃の場合を示したが、多孔質金属基体の耐熱温度以下で上記反応が適度に進行する条件であれば、熱処理温度は1100℃に限定されない。
【0098】
【実施例5】
〔比表面積の測定〕
多孔質金属基体Aを空気中1000 ℃で1時間熱処理後、数mm程度の大きさに粉砕し、窒素吸着法(QUANTACHROME AUTOSORB1)により比表面積を測定した。
【0099】
その結果、多孔質金属基体Aの比表面積は0.26m2/gであった。
【0100】
〔多孔質金属基体と電極との有効接触面積の計算〕
次に、多孔質金属基体について外径20mm、内径17mm、長さ10mm、気孔率40%と仮定し、多孔質金属基体と電極との有効な接触面積について計算する。
【0101】
上記多孔質金属基体のみかけの体積は、
【0102】
【数1】
【0103】
体積0.871cm3に対して、気孔率が40%であるため、バルク(金属部分)の体積は、
【0104】
【数2】
【0105】
多孔質金属基体材料はフェライト系ステンレスであり、真密度は約8g/cm3であるので、上記多孔質金属基体の質量は、
【0106】
【数3】
【0107】
多孔質金属基体の比表面積の実測値は0.26m2/gであったので、上記多孔質金属基体の表面積は、
【0108】
【数4】
【0109】
外側表面に酸化剤極スラリーを塗布したとき、図7に示すように、スラリーが多孔質金属基体表面から約50μm内部まで染みこんでいることをSEM観察により確認しているので、微視的に見た多孔質金属基体を構成する粒子と酸化剤極との接触面積は、
【0110】
【数5】
【0111】
あることになる。
【0112】
よって、見かけ上の酸化剤極の塗布面積:2×3.14×1=6.28cm2に対して、実際には60倍近い接触面積があることがわかった。
【0113】
以上の計算結果から、多孔質金属基体が多孔質体であり、高い比表面積をもつこと、多孔質金属基体内部に電極が浸透していること等により、緻密体の場合に比べ、約60分の1まで低い接触抵抗が得られることになる。
【0114】
上記計算法により、多孔質金属基体の比表面積、電極の浸透深さをパラメータとして、多孔質金属基体/電極間の有効接触面積(見かけの面積に対する比)を求めたものを図11に示す。図11より、有効接触面積を増加させるためには、多孔質金属基体の比表面積を増大させるか、電極の内部への浸透深さを増大させればよいことがわかる。
【0115】
多孔質金属基体の比表面積は、構成する粒子の粒子径分布や、焼結度により影響されるが、以下のように概略の値を予想することは可能である。例えば、構成する粒子の表面が滑らかであり、粒径が全て同じであり、焼結度が低いと仮定すると、図12に示すように粒子径と比表面積の関係が求まる。図12より、粒子径100μmのときには、比表面積は0.01m2/g程度、また粒子径10μmのときには、比表面積は0.1m2/g程度であると予想される。粒子径が小さくなれば、比表面積は増大する。また、粒子の表面はかならずしも平滑ではないため、比表面積は予想よりも高めになることが多いと思われる。
【0116】
また、本実施の形態以外にも金属繊維により基体を作製することも可能であるが、この場合も同様に繊維径と比表面積の関係を予想することが可能である。基体を構成する繊維の表面が滑らかであり、繊維径が均一であると仮定すれば、繊維径50μmのときには、比表面積は0.01m2/g程度、繊維径5μmのときには、比表面積は0.1m2/g程度になると予想される。繊維径が小さくなれば、比表面積は増大する。また、粒子の場合と同様に、表面はかならずしも平滑ではないため、比表面積は予想よりも高めになることが多いと思われる。
【0117】
電極の浸透深さは、多孔質金属基体上に塗布する電極スラリーの溶媒種や溶媒/粉末混合比によって、多孔質金属基体との濡れ性やスラリー粘度を調整することで制御可能である。すなわち、濡れ性を高く、スラリー粘度を低くすることにより、多孔質金属基体内部まで浸透させることができる。
【0118】
多孔質金属基体の比表面積については、あまり大きくすると耐酸化性が低下する傾向がある。このため実用的には 1m2/g程度以下が望ましい。また、電極の浸透深さについては、あまり大きすぎると多孔質金属基体中の気孔を塞ぎ、ガス拡散を阻害するため、実用的には500μm程度以下が望ましい。ただし、多孔質金属基体を構成する粒子の表面のみを薄く被覆する場合はこの限りではない。これらの制約条件をふまえて、多孔質金属基体/電極間の接触面積をできるだけ大きくするように、図11に示した関係から比表面積、電極浸透深さを選定することが望ましい。
【0119】
なお本結果は、酸化剤極材料との接触抵抗のみならず、燃料極材料との接触抵抗にも同様に適用できる。また、多孔質金属基体内部に電極材料が浸透する場合を述べたが、集電効果を高めるため、電極材料と類似した導電性の高い材料を予め多孔質金属基体に塗りこむことも可能である。例えば、酸化剤極材料にランタンマンガナイト系酸化物を用いる場合に、集電用材料としてランタンコバルタイト系酸化物を多孔質金属基体に予め塗りこむこと等が可能である。
【0120】
【実施例6】
〔粒子内部のアルミニウム濃度測定〕
多孔質金属基体Bを1000℃で8時間熱処理した後の試料B−1と多孔質金属基体Bを1100℃で8時間熱処理した後の試料B−2について、多孔質金属基体を構成する粒子内部のアルミニウム濃度をX−Ray Microanalyzer(HORIBA EMAX−3700)にて測定した。測定に際し、粒子径により内部のアルミニウム濃度に差が見られたため、直径100μm程度の粒子と直径50μm程度の粒子とをそれぞれ5〜10個ずつ選び、粒子中央部のアルミニウム濃度を測定した。
【0121】
測定結果を図13に示す。熱処理前(4.9wt.%)に比べ、粒子内部のアルミニウム濃度は、熱処理後には全体的に低く、特に熱処理温度が高いものほど低くなった。また、同一熱処理条件においては、粒子径が小さいものほどアルミニウム濃度が低くなった。
【0122】
〔粒子内部のアルミニウム濃度の計算〕
次に、粒子内部のアルミニウム濃度について、下記の仮定に基づいて算出する。熱処理前の多孔質金属基体には、粒子内部に5wt.%のアルミニウムが均一に含まれている。これを熱処理することにより、粒子内部のアルミニウムは表面へ拡散し、基体表面にアルミニウムを高い濃度で含有する酸化被膜が厚さ数μm形成される。
【0123】
酸化被膜の厚さはSEMによる観察、アルミニウム濃度はEDXにより測定できているので、表面酸化被膜に含まれるアルミニウム量を酸化被膜の厚さとアルミニウム濃度より求める。この表面酸化被膜に含まれるアルミニウム量を、熱処理前に粒子内部に存在していたアルミニウム量から差し引き、粒子の体積で割れば、熱処理後における粒子内部のアルミニウム濃度を予測することができる。
【0124】
多孔質金属基体Bを1000℃で8時間熱処理した試料B−1の表面酸化被膜の厚さは1.5μm、表面酸化被膜中のアルミニウム濃度は55%であった。
【0125】
また、多孔質金属基体Bを1100℃で8時間熱処理した試料B−2の表面酸化被膜の厚さは2.5μm、表面酸化被膜中のアルミニウム濃度は60%であった。いずれの試料においても、表面酸化被膜の厚さは粒子径には依存しなかった。
【0126】
上記の値より、粒子内部のアルミニウム濃度を計算した結果を図13に合わせて示す。計算結果は測定結果と整合しており、このモデルによるアルミニウム濃度の計算は妥当であると考えられる。
【0127】
〔最適アルミニウム含有率の導出〕
上記の結果より、多孔質金属基体を構成する粒子の径が小さくなるほど、粒子の体積に対する表面積が大きくなるので、内部のアルミニウム濃度が低下する。アルミニウム濃度が低下すれば、表面酸化被膜中に十分なアルミニウム濃度を確保することができなくなり、保護被膜として機能しない異常酸化に到る。このため、多孔質金属基体を小さな粒子から構成する場合は、多孔質金属基体に用いる合金のアルミニウム含有率を増加させる必要があると考えられる。
【0128】
実施例5で述べた通り、多孔質金属基体と電極との有効接触面積を十分確保するためには、粒子径を小さくし、比表面積を大きくする必要がある。粒子表面に数μmの酸化被膜が形成されることを考慮すると、平均粒子径は10〜50μm程度の範囲が適当である考えられる。また、実施例1より、表面酸化被膜中のアルミニウム濃度は40wt.%程度確保することが望ましい。
【0129】
そこで上記の計算において、表面酸化被膜の厚さを2μm、表面酸化被膜中のアルミニウム濃度を40wt.%と仮定し、10〜50μmの大きさの粒子について、粒子内部のアルミニウム濃度を0wt.%以上保持するために必要な多孔質金属基体のアルミニウム含有率を導出した。
【0130】
結果を図14に示す。この結果から、多孔質金属基体を粒子径50μmの粒子から構成する場合、アルミニウム含有率は2.5wt.%以上、粒子径20μmの粒子から構成する場合は6.3wt.%以上、粒子径10μmの粒子から構成する場合は12.6wt.%以上のアルミニウム含有率が必要であることがわかった。
【0131】
逆に、この条件を満たせば、多孔質金属基体を構成する粒子内部においてアルミニウムが欠乏する状態は起こらず、表面酸化被膜中に十分なアルミニウム濃度が確保することができる。従って、このような多孔質金属基体は、良好な耐酸化性を維持することができ、HRE5Rの耐熱温度のカタログ値である1250℃に近い耐熱性が得られると考えられる。
【0132】
【実施例7】
〔単電池の作製〕
電解質のスラリーを下記の方法により作製した。
【0133】
<スラリー溶媒の作製>
エタノール、テルピネオール、エチルセルロース、消泡剤 、分散剤を重量比で56:37:6.8:0.1:0.1で混合し、スラリー溶媒を作製した。
【0134】
<電解質スラリーの作製>
平均粒径0.5μmのYSZ粉末と上記スラリー溶媒とエタノールとを重量比20:50:30の割合で混合することにより、電解質スラリーを作製した。
【0135】
次に、〔電極の作製〕に記載した方法で作製した電極スラリーと上記電解質スラリーを用いて、下記の方法により図15に示すようなセル34を作製した。
【0136】
<単電池の作製>
多孔質金属基体Aを酸化剤極スラリー中へ浸漬し引き上げる方法(ディップ法)により表面に酸化剤極スラリーを塗布し、60℃程度で乾燥後、空気中1000℃で2時間熱処理を行った。
【0137】
多孔質金属基体内部へのスラリーの浸透深さはスラリーの粘度により調整可能であるが、本実施例での浸透深さは50μm程度であった。また、酸化剤極36の厚さは50μm程度であった。
【0138】
次に、酸化剤極36の上に電解質スラリーを同様のディップ法で塗布し、60℃程度で乾燥後、空気中1000℃で2時間熱処理を行った。電解質層38の厚さは20μm程度であった。
【0139】
さらに、電解質層38の上に燃料極スラリーを同様のディップ法で塗布し、60℃程度で乾燥後、空気中1000℃で2時間熱処理を行った。燃料極40の厚さは50μm程度であった。
【0140】
〔電池特性試験法及び結果〕
多孔質金属基体26の片側の端は、多孔質金属基体26と同一材料(HRE5R)からなる緻密な円板(直径20mm×厚さ2mm)を蓋材42とし、これを、金リング44を介して熱圧着することにより閉じた。
【0141】
金リング44は多孔質金属基体26と上記蓋材42とを接着すると同時に隙間からのガスリークを防止するシール材として機能する。熱圧着は、荷重をかけた状態でセルを運転温度まで上昇させる過程において自然になされる。なお、本実施例では金リング44を用いたが、多孔質金属基体26と蓋材42を溶接しても良い。
【0142】
単電池を電気炉中で運転温度(700℃)まで昇温した後、燃料極側に水素、酸化剤極側に空気を流し、電圧−電流特性を測定した。電池特性測定のための集電は、白金線を用いて行った。
【0143】
電池特性を図16、図17に示す。700℃において安定した発電特性が確認され、10mA/cm2で1000時間連続発電が可能であった。
【0144】
本実施例では、多孔質金属基体26上に酸化剤極36、電解質層38、燃料極40の順に配置した。本発明による抵抗低減のメリットは、多孔質金属基体26を酸化剤極36側に用いることにより最大に発揮されると思われるが、多孔質金属基体26上に燃料極40、電解質層38、酸化剤極36の順に配置してもよい。また、セルの構造は円筒形の方が、耐熱衝撃性などの点で有利であるが、本発明は平板形セルにも適用できる。
【0145】
本実施例では酸化剤極36材料として、ランタンマンガナイト系酸化物を用いたが、これ以外にも低温での電極活性の高いランタンコバルタイト系、ランタン鉄コバルタイト系などを用いても良い。
【0146】
また、電解質層38材料として8mol%イットリア添加安定化ジルコニアを使用したが、これに限定されるものではない。添加量が3mol%や10mol%のイットリア添加安定化ジルコニアでも、スカンジア添加ジルコニア、サマリアドープセリア、ランタンガレートなどを用いても良い。
【0147】
さらに、燃料極40材料として、ニッケルとYSZの混合物を用いたが、ニッケルの代わりに鉄、銅やこれらを合金化したものでも、YSZの代わりにスカンジア添加ジルコニアやセリア系酸化物などを用いてもよい。その他、炭化水素系燃料を用いる場合の特性を向上させるため、微量の白金、金、銀、パラジウムなどの貴金属を分散させてもよい。
【0148】
実施例1〜7では、鉄基のフェライト系ステンレス鋼を用いたが、表面にアルミニウムを多く含む保護性の酸化被膜が形成されるものであれば、ニッケル基やコバルト基の合金であっても、本発明は適用できる。
【0149】
本発明の多孔質金属基体26に適用することが可能な合金材料としては、アルミニウムを数wt.%程度以上含有し、表面にアルミニウムを保護性の酸化被膜が形成されるものが望ましいが、アルミニウムを含まない金属材料に、拡散浸透法により表面からアルミニウムを拡散させ、アルミニウムと合金化してもよい。
【0150】
【発明の効果】
本発明の請求項1の固体酸化物燃料電池は、固体電解質層を挟んで酸化剤極と燃料極とが配置されたセルが、多孔質金属基体上に形成される固体酸化物燃料電池において、多孔質金属基体は、多孔質金属基体を構成する金属表面に、アルミニウムを含有する被膜が形成されている金属からなるので、良好な耐酸化性を確保することができる。これにより、電池作製工程を1000℃以上の高温酸化雰囲気で行うことが可能となる。
【0151】
また、多孔質基体にセラミックスを用いる従来の技術に比べ、多孔質基体材料に安価な金属材料を用いるため、材料コストの低減が図れ、且つ、内部抵抗が小さく高い出力密度を示す長期安定性に優れた電池が提供できる。
【0152】
さらに、多孔質金属基体は強度、熱伝導性が高いため、電池内の温度分布を均一化し、耐熱衝撃性においても大幅な向上が見こめるので、急激な負荷変動や、電池温度の上昇・下降に対して、耐久性に優れる電池が提供できる。
【0153】
本発明の請求項2の固体酸化物燃料電池は、固体電解質層を挟んで酸化剤極と燃料極とが配置されたセルが、多孔質金属基体に酸化剤極が対向するように形成される固体酸化物燃料電池において、多孔質金属基体は、多孔質金属基体を構成する金属表面に、アルミニウムと、基体を構成する金属に含まれる元素と酸化剤極に含まれる元素との固相反応により生成される高導電性酸化物と、を含有する被膜が形成されている金属からなるので、多孔質金属基体と酸化剤極との接触抵抗を低減することができ、特に、低温域での接触抵抗が低下するので、広い温度域で運転可能な固体酸化物燃料電池が得られる。
【0154】
本発明の請求項3の固体酸化物燃料電池は、請求項1または請求項2記載の固体酸化物燃料電池において、多孔質金属基体を構成する金属表面に形成される被膜のアルミニウム含有率を20〜70wt.%とするので、電池作製工程や電池運転時における多孔質金属基体の酸化進行を大幅に抑制することができ、且つ、多孔質金属基体と電極との接触抵抗を小さくすることができる。
【0155】
本発明の請求項4の固体酸化物燃料電池は、請求項1または請求項2または請求項3記載の固体酸化物燃料電池において、多孔質金属基体の比表面積を0.01〜1m2/gとするので、電極との有効接触面積を増加させ、接触抵抗を低下させることができ、且つ、多孔質金属基体の耐酸化性を維持することができる。
【0156】
本発明の請求項5の固体酸化物燃料電池は、請求項1または請求項2または請求項3または請求項4記載の固体酸化物燃料電池において、多孔質金属基体を構成する金属粒子の平均粒子径を10〜50μmとしているので、理想的な比表面積を有する多孔質金属基体を作製することができる。
【0157】
本発明の請求項6の固体酸化物燃料電池は、請求項1または請求項2または請求項3または請求項4または請求項5記載の固体酸化物燃料電池において、多孔質金属基体を構成する合金のアルミニウム含有率を2.5wt.%以上とするので、表面酸化被膜へ十分なアルミニウムを供給することができ、良好な耐酸化性を維持する多孔質金属基体が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】多孔質金属基体の金属表面に形成される表面酸化膜の正常な酸化状態を示す断面模式図である。
【図2】多孔質金属基体の金属表面に形成される表面酸化膜の異常な酸化状態を示す断面模式図である。
【図3】多孔質金属基体と電極材料との接触抵抗を測定する試料の模式図である。
【図4】空気雰囲気中700℃における表面酸化被膜中のAl濃度と接触抵抗との関係を示すグラフである。
【図5】緻密体と電極材料との接触抵抗を測定する試料の模式図である。
【図6】空気雰囲気中における多孔質金属基体と緻密体の温度と接触抵抗との関係を示すグラフである。
【図7】多孔質金属基体に電極材料が浸透している状態を示す断面模式図である。
【図8】水素雰囲気中における多孔質金属基体と緻密体の温度と接触抵抗との関係を示すグラフである。
【図9】空気雰囲気中における各種熱処理試料の温度と接触抵抗との関係を示すグラフである。
【図10】空気雰囲気中における各種熱処理試料の温度とPtペースト接触抵抗との関係を示すグラフである。
【図11】多孔質金属基体の比表面積と接触面積倍率との関係を示すグラフである。
【図12】多孔質金属基体の粒子径と比表面積との関係を示すグラフである。
【図13】多孔質金属基体の粒子径と熱処理後の粒子内部のAl濃度との関係を示すグラフである。
【図14】多孔質金属基体の粒子径と基体材料として要求されるAl含有率との関係を示すグラフである。
【図15】作製した単電池の模式図である。
【図16】作製した単電池における初期発電特性を示すグラフである。
【図17】作製した単電池における連続運転特性を示すグラフである。
【図18】従来の円筒形固体酸化物燃料電池の単電池の断面模式図である。
【図19】従来の円筒形固体酸化物燃料電池の単電池の断面拡大模式図である。
【符号の説明】
10 …金属粒子
12 …酸化被膜
14 …酸化物
16 …気孔
18 …電極材料
20 …集電体
22 …多孔質金属基体抵抗測定用試料
26 …多孔質金属基体
28 …緻密体板状試料
30 …緻密体抵抗測定用試料
34 …セル
36 …酸化剤極
38 …電解質層
40 …燃料極
42 …蓋材
44 …金リング[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid oxide fuel cell, and more particularly to a solid oxide fuel cell provided with a porous metal substrate having excellent strength and oxidation resistance and low contact resistance with an electrode.
[0002]
[Prior art]
Solid oxide fuel cells (SOFC) are characterized by high operating temperatures and high power generation efficiency. Conventionally, SOFCs generally operate at a high temperature of about 1000 ° C. However, in recent years, operating temperatures have been increasing due to the need to use low-cost materials and to improve long-term durability including starting and stopping cells. Developments aimed at lowering the temperature (about 500 to 700 ° C.) have been actively conducted.
[0003]
In order to lower the operating temperature of the SOFC, an electrode and a thin-film (10 to 50 μm) electrolyte are formed on a porous substrate in order to reduce the resistance due to oxide ion conduction in the electrolyte. It is necessary to adopt a “membrane cell”.
[0004]
The same material as the oxidant electrode or the fuel electrode is generally used for the porous substrate of the supporting membrane type cell. The oxidant electrode material is a lanthanum manganite-based oxide, and the fuel electrode material is nickel. / Zirconia cermet (NiO / YSZ) and the like have been used.
[0005]
However, the above materials have insufficient mechanical strength as a porous substrate, particularly insufficient thermal shock resistance, and have a problem that the porous substrate is easily damaged by a rapid temperature change or a temperature gradient.
[0006]
On the other hand, as a means for solving this, a type using a heat-resistant metal for a porous substrate has been developed. For example,
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-6-29024
[0008]
[Patent Document 2]
JP-A-6-243879
[0009]
[Patent Document 3]
JP-A-8-138690
[0010]
[Patent Document 4]
JP-A-9-63605
[0011]
[Patent Document 5]
Japanese Patent Application No. 2002-156076
As described above, since the porous metal substrate is required to have excellent heat resistance, it is roughly classified as a candidate material into an alloy that forms a protective film mainly composed of chromia on the surface (a chromia forming alloy) and a An alloy (alumina-forming alloy) that forms a protective film containing alumina as a main component is considered.
[0012]
The chromia-forming alloy is made of Cr having a thickness of about 10 to 20 μm and 2 O 3 An oxide film containing a large amount of acts as a protective film and maintains oxidation resistance.
[0013]
However, when the electrode is fired at 1000 ° C. or more in the air and the electrolyte is baked during the production of the battery, the oxide grows abnormally on the surface of the particles constituting the porous metal substrate, causing a problem of volume expansion and a decrease in gas permeability. .
[0014]
In addition, even when the battery manufacturing process is performed in a vacuum or an inert gas atmosphere, the oxidation of the surface of the porous metal substrate proceeds rapidly during the battery operation at about 600 to 800 ° C., and the battery characteristics are greatly deteriorated. There is.
[0015]
Furthermore, chromium oxide evaporates from the surface and diffuses and mixes into the electrode, which may degrade electrode characteristics.If used on the fuel electrode side, oxidation and carburization due to water vapor and carbon components contained in the fuel Due to such issues, there is concern about long-term stability.
[0016]
In contrast, the alumina-forming alloy has a thickness of about 2 to 3 μm formed on the surface. 2 O 3 A thin oxide film containing a large amount of shows excellent oxidation resistance and corrosion resistance. Further, since the vapor pressure at a high temperature is small, it is more stable than chromia in terms of evaporation. As an example of the alumina-forming alloy, an alloy based on Fe-Cr, Ni-Cr and CO-Cr is 2 wt. % Or more is generally added.
[0017]
Cabot 214 (Ni: 75.0, Fe: 2.5, Cr: 16.0, Al: 4.5, Y: 0.01 wt.%), Nimonic 105 (Ni: 53. 0, Co: 20.0, Cr: 15.0, Mo: 5.0, Al: 4.7, Ti: 1.2, C: 0.13, B: 0.005, Zr: 0.10 wt. %), Nimonic 115 (Ni: 60.0, Co: 13.2, Cr: 14.3, Al: 4.9, Ti: 3.7, C: 0.15, B: 0.16, Zr: 0) .04 wt.%) And Haynes Alloy 214 (Cr: 16, Al: 4.5 wt.%, Ni balance).
[0018]
In stainless steel containing iron as a main component, SUH21 (C: 0.10.10 or less, Si: 1.51.50 or less, Mn: 1.01.00 or less, P: 0.00.040 or less, S: 00 0.030 or less, Ni: ~ 0.60 or less, Cr: 17.00 to 21.00, Al: 2.00 to 4.00 wt.%), 18SR (C: to 0.05, Si: to 1.0 , Mn: ∼0.5, P: ∼0.02, S: ∼0.01, Ni: ∼0.5, Cr: 18, Al: 2, Ti: 0.4wt.%), FCH-1 (
[0019]
If the above-described alumina-forming alloy can be used as the material of the porous metal substrate, it is possible to realize a porous metal substrate that can withstand a high-temperature oxidizing atmosphere in a battery manufacturing process and has excellent long-term stability during battery operation. Be expected.
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
However, the alumina-forming alloy has a problem that the electric resistance of the surface oxide film is high and the contact resistance with the electrode is very large. For this reason, it has been considered that it is difficult to apply to the material of the porous metal substrate.
[0021]
Further, when a porous metal substrate made of an alumina-forming alloy is produced and the battery production process is performed in a high-temperature oxidizing atmosphere of 1000 ° C. or more, the porous metal substrate becomes abnormal at a temperature lower than the heat resistance temperature of the bulk (dense body). There was a problem of oxidation.
[0022]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and uses an alloy in which a protective oxide film containing aluminum is formed on the surface as a material of a porous metal substrate, and has excellent oxidation resistance. An object is to achieve both low contact resistance with an electrode.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies to solve the above-mentioned problems, and as a result, have found that the problems can be solved by devising a manufacturing method using, for example, stainless steel excellent in strength and oxidation resistance as a base tube material. Having found this, the present invention has been completed.
[0024]
That is, in the solid oxide fuel cell according to
[0025]
According to the first aspect of the present invention, it is possible to suppress the progress of oxidation of the porous metal substrate during the battery manufacturing process and during battery operation.
[0026]
In the solid oxide fuel cell according to the second aspect of the present invention, the cell in which the oxidizer electrode and the fuel electrode are arranged with the solid electrolyte layer interposed therebetween is formed such that the oxidizer electrode faces the porous metal substrate. In the solid oxide fuel cell, the porous metal substrate is formed by bonding aluminum and an element contained in the metal constituting the porous metal substrate and an element contained in the oxidizer electrode to a metal surface constituting the porous metal substrate. A highly conductive oxide generated by a phase reaction; and a metal having a coating formed thereon.
[0027]
According to the second aspect of the present invention, the contact resistance between the porous metal substrate and the oxidant electrode can be reduced. In particular, since the contact resistance in a low temperature range is reduced, the solid oxide operable in a wide temperature range can be used. Fuel cell is obtained.
[0028]
The solid oxide fuel cell according to claim 3 of the present invention is the solid oxide fuel cell according to
[0029]
According to the third aspect of the present invention, the coating formed on the metal surface of the porous metal substrate contains aluminum in an amount of 20 wt. % Or more, the progress of oxidation of the porous metal substrate during the battery manufacturing process and during battery operation can be greatly suppressed, and aluminum is contained in an amount of 70 wt. %, The contact resistance between the porous metal substrate and the electrode can be reduced.
[0030]
A solid oxide fuel cell according to a fourth aspect of the present invention is the solid oxide fuel cell according to the first or second or third aspect, wherein the specific surface area of the porous metal substrate is 0.01 to 1 m. 2 / G.
[0031]
According to the invention of claim 4, the specific surface area of the porous metal substrate is 0.01 m 2 / G or more, the effective contact area between the porous metal substrate and the electrode can be increased, and the contact resistance can be reduced. Also, in order to maintain the oxidation resistance of the porous metal substrate, 1 m 2 / G or less is practical.
[0032]
The solid oxide fuel cell according to
[0033]
According to the fifth aspect of the present invention, it is possible to produce a porous metal substrate having an ideal specific surface area by selecting the average particle diameter of the metal particles constituting the porous metal substrate to be 10 to 50 μm. Can be.
[0034]
The solid oxide fuel cell according to claim 6 of the present invention is the solid oxide fuel cell according to
[0035]
According to the invention of claim 6, aluminum is added in an amount of 2.5 wt. % Of a metal alloy can be supplied to the surface oxide film, and a porous metal substrate maintaining good oxidation resistance can be obtained.
[0036]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
[0037]
The metal material forming the porous substrate tube of the solid oxide fuel cell of the present invention is a heat-resistant metal. Since this single cell is manufactured at about 800 to 1100 ° C. and is operated at 500 ° C. or more, the metal material forming the porous metal substrate uses a heat-resistant metal that is stable in air at these temperature ranges. There is a need.
[0038]
Specifically, at least during operation of the battery, the mass increase per unit area due to oxidation of the porous substrate tube is 0.01 mg / cm per hour. 2 It is necessary to use a heat-resistant metal exhibiting oxidation resistance of a degree or less.
[0039]
In addition, it is desirable that the coefficient of thermal expansion is matched to these values so that the electrodes and the electrolyte layer are not damaged when a unit cell is manufactured or when the temperature changes due to the start / stop of the fuel cell. -6 ~ 14 × 10 -5 K -1 Is desirably within the range.
[0040]
Specific examples of such a heat-resistant metal include austenitic stainless steel, martensitic stainless steel, ferritic stainless steel, and nickel-based heat-resistant alloys such as Inconel and Hastelloy.
[0041]
The coefficient of thermal expansion of austenitic stainless steel is, for example, 16 to 17 × 10 -6 K -1 The thermal expansion coefficient of martensitic stainless steel is close to that of ferritic stainless steel, for example, 10 to 14 × 10 -6 K -1 However, the oxidation resistance at high temperatures is rather low, and nickel-based heat-resistant alloys such as Inconel and Hastelloy have a coefficient of thermal expansion of 16 to 17 × 10 -6 K -1 Ferrite stainless steel has a coefficient of thermal expansion of 12 × 10 -6 K -1 Among them, they are preferably used in the present invention because they are as low as possible and have excellent oxidation resistance.
[0042]
Examples of ferritic stainless steel that can be preferably used in the present invention will be described below.
[0043]
Ferritic stainless steel can be preferably used because it has a low coefficient of thermal expansion, is excellent in oxidation resistance, and is a low-cost material. The chromium content of the ferritic stainless steel includes 11 to 32% by mass, C, Si, and Mn, and may further include Al, Ti, Mo, and other elements in some cases. As an example of ferritic stainless steel, Cr 2 O 3 A protective film mainly composed of 2 O 3 And a material on which a protective film made of
[0044]
The former material is mainly composed of iron and contains chromium, and has a Cr surface on a high-temperature oxidizing atmosphere (during fuel cell production or fuel cell operation). 2 O 3 This is a material for forming an oxide layer containing as a main component, and this oxide layer has an effect of suppressing the progress of oxidation into the metal. On the other hand, the chromium component diffuses and mixes into the electrode, which may cause deterioration of electrode characteristics due to chromium poisoning.
[0045]
On the other hand, the latter material is mainly composed of iron and contains aluminum, and the surface thereof is made of Al in a high-temperature oxidizing atmosphere (during fuel cell production or fuel cell operation). 2 O 3 Fe-Cr-Al-based stainless steel can be given as a material on which an oxide layer mainly composed of is formed. As an example of Fe-Cr-Al stainless steel, for example, based on Fe, Cr24wt. %, Al5 wt. %, C, Si, Mn, etc. as in ordinary stainless steel. This type of material contains several wt. % Or more in the high-temperature oxidizing atmosphere 2 O 3 An oxide layer having a high resistance and containing as a main component is formed. While this layer has the effect of suppressing the progress of oxidation into the metal, it has a problem that it is difficult to have a current collecting function on the oxidant electrode side due to high resistance.
[0046]
FIG. 18 shows a conventional solid
[0047]
Such a
[0048]
Here, control of the degree of sintering is important. If the degree of sintering is high, the gas permeability is low, and the battery characteristics are low. If the degree of sintering is low, the strength of the
[0049]
This is because, when the
[0050]
For this reason, it has been found that the porosity of the
[0051]
(Preparation of porous metal substrate)
HRE5 manufactured by Hitachi Metals, Ltd. R (Fe-Cr-Al system (by ICP measurement,
Fe: Bal. , Cr: 22.9, Al: 5.0, Ti: 0.22, Si: 0.43, Mn: 0.0039, Ni: 0.20 wt. %) Containing an alloy powder having a particle size of about 10 μm to 100 μm with a binder → kneading → extrusion molding → drying → degreasing → sintering in vacuum, outer diameter: 20 mm, tube thickness: 1.5 mm, porosity : A 40% porous metal substrate A was prepared.
[0052]
Next, HRE5 having a different production lot from the porous metal substrate A was used. R (Fe-Cr-Al-based (by ICP measurement, Fe: Bal., Cr: 23.4, Al: 4.9, Ti: 0.22, Si: 0.39, Mn: 0.015, Ni: < Using the powder, a porous metal substrate B was prepared in the same manner as the porous metal substrate A.
[0053]
As a comparative example, ZMG232 manufactured by Hitachi Metals, Ltd. R (Fe-Cr system: Cr2
2 wt. %, La and Zr by adding a trace amount thereof, a material having a higher oxidation resistance than ordinary Fe-Cr stainless steel), and a porous metal substrate X is produced by the same production method as the porous metal substrate A. did.
[0054]
(Oxidation resistance test)
The above three kinds of porous metal substrates were heat-treated in air at 1000 to 1200 ° C. for 8 hours.
[0055]
The sample after the heat treatment was embedded in resin and cut, and the fine structure of the cross section was observed by SEM (HITACHI S-2300). Further, the element concentration in the oxide film formed on the surface of the metal particles constituting the porous metal substrate was analyzed with an X-Ray Microanalyzer (HORIBA EMAX-3700). Since there was some variation in the measurement results of the element concentrations, measurement was performed at 5 to 10 points, and the average value was obtained.
[0056]
Table 1 shows the element concentrations and oxidation states in the surface oxide film of each sample.
[0057]
[Table 1]
[0058]
O in the oxidation state in Table 1 indicates a normal oxidation state in which an
[0059]
In the state of abnormal oxidation, the grown
[0060]
The porous metal substrate A showed a normal oxidation state after heat treatment at 1000 ° C. for 8 hours, but reached abnormal oxidation after heat treatment at 1150 ° C. for 8 hours. The porous metal substrate B was in a normal oxidation state by heat treatment at 1150 ° C. for 8 hours, but reached abnormal oxidation after 1200 ° C. and 8 hours. Further, it was confirmed that the porous metal substrate X was abnormally oxidized by the heat treatment at 1000 ° C. for 8 hours.
[0061]
From Table 1, it can be seen that the concentration of aluminum in the
[0062]
Note that the concentration of aluminum in the
[0063]
(Preparation of electrode)
An electrode slurry was prepared by the following method.
[0064]
<Preparation of slurry solvent>
Ethanol, terpineol, ethyl cellulose, an antifoaming agent, and a dispersant were mixed at a weight ratio of 56: 37: 6.8: 0.1: 0.1 to prepare a slurry solvent.
[0065]
<Preparation of oxidant electrode slurry>
La with an average particle size of 2 μm 0.85 Sr 0.15 MnO 3 Powder and YSZ having an average particle size of 0.5 μm (8 mol% Y 2 O 3 -92 mol% ZrO 2 An oxidizer electrode slurry was prepared by mixing the powder mixed with the powder at a weight ratio of 8: 2 and the slurry solvent at a weight ratio of 3: 7.
[0066]
<Preparation of fuel electrode slurry>
By mixing a powder obtained by mixing a nickel oxide powder having an average particle diameter of 3 μm and a YSZ powder having an average particle diameter of 0.5 μm at a weight ratio of 9: 1, and the slurry solvent at a weight ratio of 1: 1, An anode slurry was prepared.
[0067]
(Measurement of contact resistance with oxidizer electrode material)
Sample A-0 in which porous metal substrate A was heat-treated in air at 1000 ° C. for 8 hours, sample A-1 in which porous metal substrate A was heat-treated in air at 1100 ° C. for 8 hours, and porous metal substrate B in air at 1000 ° C. Using the sample B-0 heat-treated for 8 hours at room temperature and the sample B-1 heat-treated the porous metal substrate B in air at 1100 ° C. for 8 hours, the oxidant electrode prepared by the above-described method at the position shown in FIG. The
[0068]
After the four kinds of prepared samples were heated to 1000 ° C. in the air by an electric furnace, the contact resistance was measured in a range of 1000 to 500 ° C. The resistance value was converted to a value per unit area of the Pt current collector.
[0069]
(Analysis of element concentration in surface oxide film)
Using the samples under the same conditions as the four types of samples whose contact resistance was measured, the element concentration in the surface oxide film was analyzed. In the analysis, 5 to 10 points were measured per sample, and the average value was taken. Table 2 shows the element concentrations in the surface oxide films of the four types of samples.
[0070]
[Table 2]
[0071]
FIG. 4 shows the relationship between the aluminum concentration in the surface oxide film at 700 ° C. and the contact resistance. Since the element concentration in the surface oxide film varied depending on the measurement location, it is plotted including an average value and an error considering the variation.
[0072]
From this result, it can be seen that when the aluminum concentration in the
[0073]
Conversely, 70 wt. %, It is considered that a relatively small contact resistance can be obtained. In Example 1, 20 wt. %, It was found that the aluminum concentration in the
[0074]
Embodiment 3
(Measurement of contact resistance with oxidizer electrode material)
After heat treatment of the porous metal substrate A and the porous metal substrate B in air at 1000 ° C. for 8 hours, the
[0075]
Further, the same material (HRE5) as the porous metal substrate A is used. R 5) After heat-treating the plate-shaped
[0076]
After raising the temperature of the three kinds of prepared samples to 1000 ° C. in the air in an electric furnace, the resistance was measured in the range of 1000 to 500 ° C. The resistance value was converted to a value per unit area of the Pt current collector.
[0077]
FIG. 6 shows the results of the resistance measurement. The porous metal substrates A and B exhibited resistance values smaller by one to two orders of magnitude than the dense bodies. This is because the
[0078]
It is considered that the reason why the contact resistance of the porous metal substrate A is smaller than that of the porous metal substrate B by almost one digit is due to the difference in the aluminum concentration in the
[0079]
[Measurement of contact resistance with fuel electrode material]
After heat treatment of the porous metal substrate A in air at 1000 ° C. for 2 hours, the
[0080]
Further, the same material (HRE5) as the porous metal substrate A is used. R 5) After heat-treating the plate-shaped
[0081]
The two types of prepared samples were heated in an electric furnace to a predetermined temperature of 300 to 1000 ° C. in a hydrogen atmosphere to measure a resistance. The resistance value was converted to a value per unit area of the Pt current collector.
[0082]
FIG. 8 shows the resistance measurement results. The resistance in a hydrogen atmosphere does not change much with the temperature, and is 0.2 to 0.3 Ωcm for the porous metal substrate A. 2 , 3-4Ωcm for dense body 2 Met. The reason why the contact resistance of the porous metal substrate A becomes smaller by one digit or more than that of the dense sample is that the specific surface area of the
[0083]
In addition, the contact resistance with the fuel electrode material did not depend much on the temperature, and the resistance increased slightly as the temperature rose. This result indicates that nickel, which is an anode material, and metal particles that constitute the porous metal substrate are in direct contact, and that this contact portion is involved in electron conduction between the anode and the porous metal substrate. It suggests that the electron conduction through is dominant. That is, since the growth of the surface oxide film is slow in the reducing atmosphere, it is considered that the metal surface is exposed at the minute defect portion of the surface oxide film and the nickel particles are in contact with this portion.
[0084]
Embodiment 4
(Measurement of contact resistance with oxidizer electrode material)
Using the porous metal substrate B heat-treated at 1000 ° C. for 8 hours in the air, a sample (1) for measuring the contact resistance with the oxidant electrode material as shown in FIG. 3 was prepared. Next, this sample (1) was heat-treated in air at 1100 ° C. for 2 hours (sample (2)), and the sample (2) was heat-treated in air at 1100 ° C. for 6 hours. Sample (3) heat-treated at 1100 ° C. for 8 hours in total and Sample (4) heat-treated at 1100 ° C. in air for 8 hours (16 hours in total) were prepared. The resistance was measured for each of ▼ to 44 ▼.
[0085]
FIG. 9 shows the resistance measurement results. By performing the heat treatment at 1100 ° C., the resistance was reduced. Also, as the heat treatment time at 1100 ° C. becomes longer, the slope of the straight line becomes gentler, and the resistance particularly at the low temperature side tends to become smaller.
[0086]
(Elemental analysis in surface oxide film)
The element distribution in the surface oxide film of the samples prepared under the same conditions as those of the samples (3) and (4) in the above resistance measurement was measured by the same method as in Example 1. Table 3 shows the results.
[0087]
[Table 3]
[0088]
As shown in Table 3, when heat treatment was performed in air at 1100 ° C. in contact with the oxidizer electrode material, the aluminum concentration in the surface oxide film was lower, and the concentrations of lanthanum and manganese increased as compared to the porous metal substrate alone. I understand that there is. This is because lanthanum manganite (La) in the oxidant electrode material 0.85 Sr 0.15 MnO 3 ) And an oxide film on the surface of the porous metal substrate.
[0089]
From the above results, the contact resistance between the porous metal substrate and the oxidant electrode material was reduced by the heat treatment at 1100 ° C. in air because the surface of the porous metal substrate and the oxidant electrode material were subjected to a solid-phase reaction, It is considered that the cause is that the concentration of aluminum in the surface oxide film has been reduced. Further, the reason why the slope of the straight line in FIG. 9 becomes small, and particularly the resistance at the low temperature side becomes small, is that iron and chromium contained in the surface oxide film react with lanthanum manganite, and electron conduction in the surface oxide film is caused. Highly conductive LaFeO with low activation energy 3 , LaCrO 3 , LaMnO 3 This is considered to be due to the generation of a perovskite-type oxide.
[0090]
[Contact resistance measurement using Pt paste]
For comparison, a sample (1) for measuring the contact resistance shown in FIG. 3 was prepared using a Pt paste instead of the oxidant electrode slurry. Next, Sample (1) was heat-treated in air at 1100 ° C. for a total of 8 hours, and Sample (2) was heat-treated in air at 1100 ° C. for 8 hours (16 hours in total). A sample (3) was prepared, and the resistance was measured for each of the samples (1) to (3).
[0091]
The result is shown in FIG. Although the overall resistance was lower than when the oxidizer electrode material was used, the resistance did not decrease due to the heat treatment at 1100 ° C. Further, the slope of the straight line did not decrease even if the heat treatment time was long. From this, it was proved that the reason why the inclination of the straight line was reduced by the heat treatment as shown in FIG. 9 was likely to be due to the reaction between the surface of the porous metal substrate and the oxidant electrode material.
[0092]
When the Pt paste was used, the resistance was reduced by almost one digit compared to the oxidant electrode slurry. This is because the conductivity of Pt is two orders of magnitude higher than that of lanthanum manganite, and the high sinterability of Pt results in a large micro-contact area with the particles constituting the porous metal substrate. it is conceivable that.
[0093]
From the above, it was found that a solid phase reaction between the oxide film on the surface of the porous metal substrate and the oxidizer electrode material at a high temperature lowers the aluminum concentration in the surface oxide film and at the same time generates a highly conductive oxide. Was.
[0094]
By this method, the contact resistance between the porous metal substrate and the oxidant electrode can be reduced, and in particular, the resistance on the low temperature side is reduced, so that a practical porous metal substrate exhibiting low contact resistance in a wide temperature range can be obtained. Obtainable.
[0095]
In this embodiment, lanthanum strontium manganite (La, Sr) MnO is used as the oxidant electrode material. 3 Was used, but a lanthanum-based perovskite oxide generally used as an oxidant electrode material may also be used.
[0096]
It is also conceivable to apply another material and heat-treat it before applying the oxidizer electrode material for the surface treatment of the porous metal substrate. In this case, a material that causes a solid phase reaction with an oxide film on the surface of the porous metal substrate and generates a conductive oxide while maintaining an appropriate aluminum concentration in the surface oxide film is used. Examples of such a material include oxides containing titanium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, yttrium, magnesium, calcium, strontium, barium, lanthanum, cerium, and the like.
[0097]
The heat treatment temperature is 1100 ° C., but the heat treatment temperature is not limited to 1100 ° C. as long as the above reaction proceeds moderately below the heat resistant temperature of the porous metal substrate.
[0098]
[Measurement of specific surface area]
After heat treatment of the porous metal substrate A in air at 1000 ° C. for 1 hour, it was pulverized to a size of about several mm, and the specific surface area was measured by a nitrogen adsorption method (QUANTACHROME AUTOSORB1).
[0099]
As a result, the specific surface area of the porous metal substrate A was 0.26 m 2 / G.
[0100]
[Calculation of effective contact area between porous metal substrate and electrode]
Next, assuming that the porous metal substrate has an outer diameter of 20 mm, an inner diameter of 17 mm, a length of 10 mm, and a porosity of 40%, the effective contact area between the porous metal substrate and the electrode is calculated.
[0101]
The apparent volume of the porous metal substrate is
[0102]
(Equation 1)
[0103]
0.871cm in volume 3 On the other hand, since the porosity is 40%, the volume of the bulk (metal portion) is
[0104]
(Equation 2)
[0105]
The porous metal base material is ferritic stainless steel, and the true density is about 8 g / cm. 3 Therefore, the mass of the porous metal substrate is
[0106]
[Equation 3]
[0107]
Actual measured value of specific surface area of porous metal substrate is 0.26 m 2 / G, the surface area of the porous metal substrate is:
[0108]
(Equation 4)
[0109]
When the oxidant electrode slurry was applied to the outer surface, as shown in FIG. 7, it was confirmed by SEM observation that the slurry had penetrated from the surface of the porous metal substrate to the inside of about 50 μm. The contact area between the particles constituting the porous metal substrate and the oxidant electrode seen is
[0110]
(Equation 5)
[0111]
There will be.
[0112]
Therefore, the apparent application area of the oxidant electrode: 2 × 3.14 × 1 = 6.28 cm 2 On the other hand, it was found that there was actually a contact area nearly 60 times.
[0113]
From the above calculation results, the porous metal base is a porous body, has a high specific surface area, and the electrode has penetrated inside the porous metal base. As a result, a contact resistance as low as 1 can be obtained.
[0114]
FIG. 11 shows the results of calculating the effective contact area (the ratio to the apparent area) between the porous metal substrate and the electrode by using the specific surface area of the porous metal substrate and the penetration depth of the electrode as parameters by the above calculation method. From FIG. 11, it can be seen that the effective contact area can be increased by increasing the specific surface area of the porous metal substrate or increasing the penetration depth into the inside of the electrode.
[0115]
The specific surface area of the porous metal substrate is affected by the particle size distribution of the constituent particles and the degree of sintering, but it is possible to estimate a rough value as follows. For example, assuming that the surfaces of the constituting particles are smooth, the particle diameters are all the same, and the sintering degree is low, the relationship between the particle diameter and the specific surface area is obtained as shown in FIG. From FIG. 12, when the particle diameter is 100 μm, the specific surface area is 0.01 m. 2 / G, and when the particle diameter is 10 μm, the specific surface area is 0.1 m. 2 / G is expected. As the particle diameter decreases, the specific surface area increases. Also, since the surface of the particles is not always smooth, the specific surface area is likely to be higher than expected.
[0116]
Further, other than the present embodiment, it is also possible to produce the base with metal fibers, but in this case, it is also possible to predict the relationship between the fiber diameter and the specific surface area. Assuming that the surface of the fiber constituting the substrate is smooth and the fiber diameter is uniform, when the fiber diameter is 50 μm, the specific surface area is 0.01 m. 2 / G and a fiber diameter of 5 μm, the specific surface area is 0.1 m 2 / G is expected. As the fiber diameter decreases, the specific surface area increases. Also, as in the case of particles, the surface is not always smooth, so that the specific surface area is likely to be higher than expected.
[0117]
The penetration depth of the electrode can be controlled by adjusting the wettability with the porous metal substrate and the slurry viscosity, depending on the solvent type and the solvent / powder mixing ratio of the electrode slurry applied on the porous metal substrate. That is, by increasing the wettability and lowering the slurry viscosity, it is possible to penetrate into the porous metal substrate.
[0118]
If the specific surface area of the porous metal substrate is too large, the oxidation resistance tends to decrease. For this reason, practically 1m 2 / G or less is desirable. Further, if the penetration depth of the electrode is too large, pores in the porous metal substrate are blocked and gas diffusion is hindered. However, this does not apply when only the surface of the particles constituting the porous metal substrate is thinly coated. Based on these constraints, it is desirable to select the specific surface area and the electrode penetration depth from the relationship shown in FIG. 11 so that the contact area between the porous metal substrate and the electrode is made as large as possible.
[0119]
This result can be applied not only to the contact resistance with the oxidant electrode material but also to the contact resistance with the fuel electrode material. Although the case where the electrode material permeates into the porous metal substrate has been described, it is also possible to apply a highly conductive material similar to the electrode material to the porous metal substrate in advance to enhance the current collection effect. . For example, when a lanthanum manganite-based oxide is used as the oxidant electrode material, a lanthanum cobaltite-based oxide can be previously applied to a porous metal substrate as a current collecting material.
[0120]
Embodiment 6
(Measurement of aluminum concentration inside particles)
The inside of the particles constituting the porous metal substrate was determined for the sample B-1 after the porous metal substrate B was heat-treated at 1000 ° C. for 8 hours and the sample B-2 after the porous metal substrate B was heat-treated at 1100 ° C. for 8 hours. Was measured with an X-Ray Microanalyzer (HORIBA EMAX-3700). At the time of the measurement, a difference was observed in the internal aluminum concentration depending on the particle diameter. Therefore, 5 to 10 particles each having a diameter of about 100 μm and 50 μm were selected, and the aluminum concentration at the central part of the particles was measured.
[0121]
FIG. 13 shows the measurement results. The aluminum concentration inside the particles was lower as a whole after the heat treatment, especially as the heat treatment temperature was higher, as compared to before the heat treatment (4.9 wt.%). Also, under the same heat treatment conditions, the smaller the particle size, the lower the aluminum concentration.
[0122]
(Calculation of aluminum concentration inside particles)
Next, the aluminum concentration inside the particle is calculated based on the following assumption. Before the heat treatment, 5 wt. % Aluminum is uniformly contained. By heat-treating this, aluminum inside the particles diffuses to the surface, and an oxide film containing aluminum at a high concentration is formed on the surface of the substrate to a thickness of several μm.
[0123]
Since the thickness of the oxide film can be observed by SEM and the aluminum concentration can be measured by EDX, the amount of aluminum contained in the surface oxide film is determined from the thickness of the oxide film and the aluminum concentration. By subtracting the amount of aluminum contained in the surface oxide film from the amount of aluminum existing inside the particles before the heat treatment and dividing by the volume of the particles, it is possible to predict the aluminum concentration inside the particles after the heat treatment.
[0124]
The thickness of the surface oxide film of Sample B-1 in which the porous metal substrate B was heat-treated at 1000 ° C. for 8 hours was 1.5 μm, and the aluminum concentration in the surface oxide film was 55%.
[0125]
Further, the thickness of the surface oxide film of Sample B-2 in which the porous metal substrate B was heat-treated at 1100 ° C. for 8 hours was 2.5 μm, and the aluminum concentration in the surface oxide film was 60%. In each of the samples, the thickness of the surface oxide film did not depend on the particle diameter.
[0126]
The results of calculating the aluminum concentration inside the particles from the above values are also shown in FIG. The calculation results are consistent with the measurement results, and the calculation of the aluminum concentration by this model is considered to be valid.
[0127]
[Derivation of optimal aluminum content]
From the above results, as the diameter of the particles constituting the porous metal substrate becomes smaller, the surface area with respect to the volume of the particles becomes larger, so that the internal aluminum concentration decreases. If the aluminum concentration decreases, it becomes impossible to secure a sufficient aluminum concentration in the surface oxide film, resulting in abnormal oxidation that does not function as a protective film. Therefore, when the porous metal substrate is composed of small particles, it is considered necessary to increase the aluminum content of the alloy used for the porous metal substrate.
[0128]
As described in Example 5, in order to ensure a sufficient effective contact area between the porous metal substrate and the electrode, it is necessary to reduce the particle diameter and increase the specific surface area. Considering that an oxide film of several μm is formed on the particle surface, it is considered that the average particle diameter is suitably in the range of about 10 to 50 μm. Further, from Example 1, the aluminum concentration in the surface oxide film was 40 wt. % Is desirable.
[0129]
Therefore, in the above calculation, the thickness of the surface oxide film was 2 μm, and the aluminum concentration in the surface oxide film was 40 wt. %, And for particles having a size of 10 to 50 μm, the aluminum concentration inside the particles is set to 0 wt. The aluminum content of the porous metal substrate required to maintain the percentage of not less than% was derived.
[0130]
FIG. 14 shows the results. From this result, when the porous metal substrate is composed of particles having a particle diameter of 50 μm, the aluminum content is 2.5 wt. % Or more and 6.3 wt. % Or more and 12.6 wt. It was found that an aluminum content of at least% was required.
[0131]
Conversely, if this condition is satisfied, a state in which aluminum is depleted inside the particles constituting the porous metal substrate does not occur, and a sufficient aluminum concentration can be ensured in the surface oxide film. Therefore, such a porous metal substrate can maintain good oxidation resistance, and HRE5 R It is considered that heat resistance close to 1250 ° C., which is a catalog value of the heat resistance temperature, is obtained.
[0132]
Embodiment 7
(Preparation of unit cell)
An electrolyte slurry was prepared by the following method.
[0133]
<Preparation of slurry solvent>
Ethanol, terpineol, ethyl cellulose, defoamer and dispersant were mixed at a weight ratio of 56: 37: 6.8: 0.1: 0.1 to prepare a slurry solvent.
[0134]
<Preparation of electrolyte slurry>
An electrolyte slurry was prepared by mixing YSZ powder having an average particle size of 0.5 μm, the slurry solvent, and ethanol at a weight ratio of 20:50:30.
[0135]
Next, using the electrode slurry prepared by the method described in [Preparation of Electrode] and the above-mentioned electrolyte slurry, a
[0136]
<Preparation of unit cell>
The oxidant electrode slurry was applied to the surface by dipping the porous metal substrate A into the oxidant electrode slurry and pulled up (dip method), dried at about 60 ° C., and then heat-treated at 1000 ° C. in air for 2 hours.
[0137]
The depth of penetration of the slurry into the porous metal substrate can be adjusted by the viscosity of the slurry, but the depth of penetration in this example was about 50 μm. The thickness of the
[0138]
Next, an electrolyte slurry was applied on the
[0139]
Further, a fuel electrode slurry was applied on the
[0140]
[Battery characteristics test method and results]
One end of the
[0141]
The
[0142]
After the temperature of the cell was raised to the operating temperature (700 ° C.) in an electric furnace, hydrogen was supplied to the fuel electrode side and air was supplied to the oxidant electrode side, and voltage-current characteristics were measured. Current collection for measuring battery characteristics was performed using a platinum wire.
[0143]
The battery characteristics are shown in FIGS. A stable power generation characteristic was confirmed at 700 ° C., and 10 mA / cm 2 For 1000 hours.
[0144]
In this embodiment, the
[0145]
In this embodiment, a lanthanum manganite-based oxide is used as the material of the
[0146]
Further, 8 mol% yttria-added stabilized zirconia was used as the material of the
[0147]
Further, a mixture of nickel and YSZ was used as a material of the
[0148]
In Examples 1 to 7, iron-based ferritic stainless steel was used, but a nickel-based or cobalt-based alloy may be used as long as a protective oxide film containing much aluminum is formed on the surface. The present invention is applicable.
[0149]
As an alloy material applicable to the
[0150]
【The invention's effect】
The solid oxide fuel cell according to
[0151]
In addition, compared to the conventional technology using ceramics for the porous substrate, the use of an inexpensive metal material for the porous substrate reduces the material cost and achieves long-term stability with low internal resistance and high output density. An excellent battery can be provided.
[0152]
Furthermore, since the porous metal substrate has high strength and thermal conductivity, the temperature distribution in the battery is made uniform and the thermal shock resistance can be greatly improved. In contrast, a battery having excellent durability can be provided.
[0153]
In the solid oxide fuel cell according to the second aspect of the present invention, a cell in which an oxidizer electrode and a fuel electrode are arranged with a solid electrolyte layer interposed therebetween is formed such that the oxidizer electrode faces a porous metal substrate. In the solid oxide fuel cell, the porous metal substrate is formed on the surface of the metal constituting the porous metal substrate by a solid phase reaction between aluminum, an element contained in the metal constituting the substrate, and an element contained in the oxidant electrode. Since the film is formed of a metal containing a highly conductive oxide that is formed, the contact resistance between the porous metal substrate and the oxidant electrode can be reduced. Since the resistance is reduced, a solid oxide fuel cell operable in a wide temperature range is obtained.
[0154]
The solid oxide fuel cell according to claim 3 of the present invention is the solid oxide fuel cell according to
[0155]
A solid oxide fuel cell according to a fourth aspect of the present invention is the solid oxide fuel cell according to the first or second or third aspect, wherein the specific surface area of the porous metal substrate is 0.01 to 1 m. 2 / G, the effective contact area with the electrode can be increased, the contact resistance can be reduced, and the oxidation resistance of the porous metal substrate can be maintained.
[0156]
The solid oxide fuel cell according to
[0157]
The solid oxide fuel cell according to claim 6 of the present invention is the solid oxide fuel cell according to
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a normal oxidation state of a surface oxide film formed on a metal surface of a porous metal substrate.
FIG. 2 is a schematic sectional view showing an abnormal oxidation state of a surface oxide film formed on a metal surface of a porous metal substrate.
FIG. 3 is a schematic diagram of a sample for measuring contact resistance between a porous metal substrate and an electrode material.
FIG. 4 is a graph showing a relationship between an Al concentration in a surface oxide film at 700 ° C. in an air atmosphere and a contact resistance.
FIG. 5 is a schematic diagram of a sample for measuring contact resistance between a dense body and an electrode material.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between temperature and contact resistance of a porous metal substrate and a dense body in an air atmosphere.
FIG. 7 is a schematic sectional view showing a state in which an electrode material has penetrated a porous metal substrate.
FIG. 8 is a graph showing a relationship between temperature and contact resistance of a porous metal substrate and a dense body in a hydrogen atmosphere.
FIG. 9 is a graph showing a relationship between temperature and contact resistance of various heat-treated samples in an air atmosphere.
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the temperature of various heat-treated samples in an air atmosphere and Pt paste contact resistance.
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the specific surface area of the porous metal substrate and the contact area magnification.
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the particle size and the specific surface area of a porous metal substrate.
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the particle diameter of a porous metal substrate and the Al concentration inside the particles after heat treatment.
FIG. 14 is a graph showing the relationship between the particle diameter of a porous metal substrate and the Al content required as a substrate material.
FIG. 15 is a schematic view of a manufactured unit cell.
FIG. 16 is a graph showing initial power generation characteristics of the manufactured single cell.
FIG. 17 is a graph showing continuous operation characteristics of the manufactured single cell.
FIG. 18 is a schematic sectional view of a unit cell of a conventional cylindrical solid oxide fuel cell.
FIG. 19 is an enlarged schematic cross-sectional view of a unit cell of a conventional cylindrical solid oxide fuel cell.
[Explanation of symbols]
10 ... metal particles
12 ... oxide film
14 ... oxide
16… pores
18 ... electrode material
20 ... current collector
22… Sample for measuring resistance of porous metal substrate
26 ... porous metal substrate
28… Dense plate sample
30… Sample for dense body resistance measurement
34 ... cell
36… oxidizer electrode
38… Electrolyte layer
40 ... fuel electrode
42 ... lid material
44… Gold ring
Claims (6)
前記多孔質金属基体は、該多孔質金属基体を構成する金属表面に、アルミニウムを含有する被膜が形成されている金属からなることを特徴とする固体酸化物燃料電池。In a solid oxide fuel cell in which a cell in which an oxidizer electrode and a fuel electrode are arranged with a solid electrolyte layer interposed therebetween is formed on a porous metal substrate,
The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the porous metal substrate is made of a metal having a coating containing aluminum formed on a surface of a metal constituting the porous metal substrate.
前記多孔質金属基体は、該多孔質金属基体を構成する金属表面に、アルミニウムと、前記多孔質金属基体を構成する金属に含まれる元素と前記酸化剤極に含まれる元素との固相反応により生成される高導電性酸化物と、を含有する被膜が形成されている金属からなることを特徴とする固体酸化物燃料電池。In a solid oxide fuel cell in which a cell in which an oxidant electrode and a fuel electrode are arranged with a solid electrolyte layer interposed therebetween is formed such that the oxidant electrode faces a porous metal substrate,
The porous metal substrate is formed on the surface of the metal constituting the porous metal substrate by a solid phase reaction between aluminum, an element contained in the metal constituting the porous metal substrate, and an element contained in the oxidant electrode. A solid oxide fuel cell comprising a metal on which a film containing a highly conductive oxide to be produced is formed.
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