JP4931365B2 - Support substrate for fuel cell, fuel cell, and fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、鉄族金属としてCo及びNiを、Co/(Co+Ni)モル比が5〜30%で含有するとともに、希土類元素酸化物としてY 2 O 3 を含有する燃料電池セル用支持基
板、該燃料電池セル用支持基板を用いた燃料電池セル並びに燃料電池に関するものである。
The present invention, Co and Ni as an iron group metal, Co / (Co + Ni) with molar ratio is contained at 5-30%, supporting group for a fuel cell containing Y 2 O 3 as a rare earth oxide
The present invention relates to a plate, a fuel cell using the fuel cell support substrate, and a fuel cell.
燃料電池セルは発電と停止を繰り返すと、還元雰囲気と酸化雰囲気に交互に曝され、電極や支持体が還元・酸化サイクルを受ける。これらの電極や支持体材料として、従来、多孔質材料が用いられている。 When the fuel cell is repeatedly generated and stopped, the fuel cell is alternately exposed to a reducing atmosphere and an oxidizing atmosphere, and the electrode and the support are subjected to a reduction / oxidation cycle. Conventionally, porous materials have been used as these electrodes and support materials.
図4は、従来の固体電解質形燃料電池のセルスタックを示すもので、このセルスタックは、複数の燃料電池セル1を整列集合させ、隣り合う一方の燃料電池セル1aと他方の燃料電池セル1bとの間に金属フェルトからなる集電部材5を介在させ、一方の燃料電池セル1aの燃料極7と他方の燃料電池セル1bの酸素極(空気極)11とを電気的に接続して構成されていた。
FIG. 4 shows a cell stack of a conventional solid oxide fuel cell, in which a plurality of fuel cells 1 are aligned and arranged, and one adjacent fuel cell 1a and the other fuel cell 1b. A current collecting
燃料電池セル1(1a、1b)は、円筒状のサーメットからなる燃料極7(内部が燃料ガス通路となる)の外周面に、固体電解質9、導電性セラミックスからなる酸素極11を順次設けて構成されており、固体電解質9や酸素極11によって覆われていない燃料極7の表面には、インターコネクタ13が設けられている。図4から明らかなように、このインターコネクタ13は、酸素極11に接続しないように燃料極7と電気的に接続されている。
In the fuel cell 1 (1a, 1b), a solid electrolyte 9 and an oxygen electrode 11 made of conductive ceramics are sequentially provided on the outer peripheral surface of a
インターコネクタ13は、燃料ガス及び空気等の酸素含有ガスで変質しにくい導電性セラミックスにより形成されているが、この導電性セラミックスは、燃料極7の内部を流れる燃料ガスと酸素極11の外側を流れる酸素含有ガスとを確実に遮断するために、緻密なものでなければならない。
The
また、互いに隣り合う燃料電池セル1a、1bの間に設けられる集電部材5は、インターコネクタ13を介して一方の燃料電池セル1aの燃料極7に電気的に接続され、且つ他方の燃料電池セル1bの酸素極11に接続されており、これにより、隣り合う燃料電池セルは、直列に接続されている。
The current collecting
燃料電池は、上記の構造を有するセルスタックを収納容器内に収容して構成され、燃料極7の内部に燃料ガス(水素)を流し、酸素極11に空気(酸素)を流して高温で発電される。
The fuel cell is configured by accommodating a cell stack having the above structure in a storage container, and flowing fuel gas (hydrogen) into the
上述した燃料電池を構成する燃料電池セルにおいては、一般に、燃料極7が、Niと、Y2O3を含有するZrO2(YSZ)とから形成され、固体電解質9がY2O3を含有するZrO2(YSZ)から形成され、酸素極11はランタンマンガネート系のペロブスカイト型複合酸化物から構成されている。従来、燃料極材料として、酸化ニッケルとスカンジア安定化ジルコニア(電解質)と酸化鉄からなる燃料極材料が知られている(特許文献1参照)。
In the fuel cell constituting the fuel cell described above, generally, the
このような燃料電池セルを製造する方法としては、燃料極7と固体電解質9とを同時焼成により形成する、いわゆる共焼結法が知られている。この共焼結法は、非常に簡単なプロセスで製造工程数も少なく、セルの製造時の歩留まり向上、コスト低減に有利である。
As a method for manufacturing such a fuel battery cell, a so-called co-sintering method in which the
しかしながら、固体電解質9は、熱膨張係数が10.8×10−6/℃のY2O3含有ZrO2から形成されているが、固体電解質9を支持している燃料極7は、熱膨張係数が16.3×10−6/℃とYSZに比して著しく大きいNiを含有しているため、同時焼成に際して、固体電解質9とこれを支持している燃料極7との熱膨張差が大きく、燃料極7でのクラックの発生や固体電解質9の剥離という問題を生じていた。
However, although the solid electrolyte 9 is formed of Y 2 O 3 containing ZrO 2 having a thermal expansion coefficient of 10.8 × 10 −6 / ° C., the
この問題を解決する燃料電池セルとして、ZrO2よりも熱膨張係数の低い希土類酸化物(Y2O3やYb2O3など)とNiとを組み合わせた支持基板に、燃料極、固体電解質、酸素極を形成した燃料電池セルが知られている(特許文献2参照)。 As a fuel cell for solving this problem, a support substrate in which a rare earth oxide (Y 2 O 3 , Yb 2 O 3, etc.) having a lower thermal expansion coefficient than ZrO 2 and Ni is combined, a fuel electrode, a solid electrolyte, A fuel battery cell in which an oxygen electrode is formed is known (see Patent Document 2).
上記燃料電池セルによれば、支持基板の熱膨張係数を固体電解質の熱膨張係数に近づけることができるため、同時焼成に際しての燃料極でのクラック発生や、固体電解質の燃料極からの剥離を抑制できる。
しかしながら、同時焼成した後、触媒金属を活性化するために還元処理したり、実際に発電したりする際には、支持基板に形成された燃料ガス通路内に燃料ガス(水素など)が供給されるため、支持基板内部が還元雰囲気に曝され、発電を停止する際には、支持基板内部が酸化雰囲気に曝されることにより、支持基板は還元・酸化サイクルを繰り返し受け、支持基板が膨張し、固体電解質にクラックが発生する虞があった。 However, after co-firing, when performing reduction treatment to activate the catalytic metal or actually generating power, fuel gas (hydrogen etc.) is supplied into the fuel gas passage formed in the support substrate. Therefore, when the inside of the support substrate is exposed to a reducing atmosphere and power generation is stopped, the inside of the support substrate is exposed to an oxidizing atmosphere, so that the support substrate repeatedly receives a reduction / oxidation cycle, and the support substrate expands. There was a risk of cracks occurring in the solid electrolyte.
本発明は、還元・酸化サイクルによる収縮・膨張を有効に抑制できる燃料電池セル用支持基板及び燃料電池セル並びに燃料電池を提供することを目的とする。
An object of the present invention is to provide a support substrate for a fuel cell, a fuel cell, and a fuel cell that can effectively suppress shrinkage / expansion due to a reduction / oxidation cycle.
本発明者等は、燃料電池セルの支持基板の還元・酸化サイクルによる膨張は、支持基板中のNiの酸化膨張と還元収縮だけによると考えると、支持基板の膨張が還元・酸化サイクルにより相殺されて元に戻るはずであるが、実際には元に戻らないことを実験的に見出した。その原因は、支持基板内部の骨格構造の変化によるものと思われる。この骨格構造変化の駆動力の一つとして、明らかではないが、還元時のNiの一時的な膨張や還元・酸化時のNi又はNiOの形状変化が考えられた。Ni又はNiOの形状変化の駆動力は表面張力であり、Y2O3の濡れ性が影響していると考えた。そして、Ni(又はNiO)とY2O3の濡れ性を向上させ、還元・酸化サイクルによる膨張を抑制する添加元素を検討した結果、Coが有効であることを見出し、本発明に至った。 The present inventors consider that the expansion due to the reduction / oxidation cycle of the support substrate of the fuel cell is only due to the oxidation expansion and reduction contraction of Ni in the support substrate, and the expansion of the support substrate is offset by the reduction / oxidation cycle. It was supposed to return to the original, but experimentally found that it does not actually return. The cause seems to be due to a change in the skeleton structure inside the support substrate. As one of the driving forces for this skeletal structure change, although not clear, it was considered that Ni temporarily expands during reduction and Ni or NiO changes during reduction / oxidation. The driving force for changing the shape of Ni or NiO was the surface tension, which was considered to be affected by the wettability of Y 2 O 3 . As a result of studying an additive element that improves the wettability of Ni (or NiO) and Y 2 O 3 and suppresses expansion due to the reduction / oxidation cycle, it was found that Co is effective, and the present invention has been achieved.
即ち、本発明の燃料電池セル用支持基板は、鉄族金属としてCo及びNiを、Co/(Co+Ni)モル比が5〜30%で含有するとともに、希土類元素酸化物としてY 2 O 3 を含有してなるものである。
That is, the support substrate for a fuel cell of the present invention, Co and Ni as an iron group metal, with Co / (Co + Ni) molar ratio is contained at 5~30%, Y 2 O 3 as a rare earth oxide It contains .
本発明の燃料電池セル用支持基板は、導電性を有する場合に好適に用いることができる。Co、及びNiが少ない絶縁性の燃料電池セル用支持基板の場合においても、本発明を用いることができるが、Co、及びNiが多い導電性を有する燃料電池セル用支持基板の場合には、還元・酸化サイクルによる収縮・膨張が大きくなるため、本発明を好適に用いることができる。
The support substrate for a fuel cell of the present invention can be suitably used when it has conductivity. Co,及Beauty N i is less insulating in each case a support substrate for a fuel cell, it can be used the present invention, Co,及Beauty N i is the supporting substrate for a fuel cell having more conductive In such a case, the contraction / expansion due to the reduction / oxidation cycle becomes large, so that the present invention can be preferably used.
さらに、本発明の燃料電池セル用支持基板は、還元・酸化サイクルを3回繰り返す間の線膨張率の絶対値が0.2%以下であることを特徴とする。
Furthermore, the supporting substrate for a fuel cell of the present invention, the absolute value of the linear expansion coefficient between repeated 3 times the original-oxidation cycle instead is equal to or less than 0.2%.
このような燃料電池セル用支持基板は、還元・酸化サイクルによる支持基板の膨張を抑
制できる。還元・酸化サイクルにおける体積膨張の原因は明らかでないが、Niを添加しなければこのような現象は起きないため、体積膨張に対するNiの影響は大きいと考えられる。このような還元・酸化時のNi又はNiOの形状変化による体積膨張を抑制するための添加元素としては、Coが有効である。その理由としては、CoがNi及びNiOに固溶することにより、(Ni,Co)、(Ni,Co)Oと、Y2O3との濡れ性が改善され、Ni、NiO粒子が形状変化する際の再配列が容易になり体積膨張を抑制したものと思われる。
Such a support substrate for fuel cells can suppress expansion of the support substrate due to the reduction / oxidation cycle. Although the cause of the volume expansion in the reduction / oxidation cycle is not clear, such a phenomenon does not occur unless Ni is added, so it is considered that the influence of Ni on the volume expansion is great. Co is effective as an additive element for suppressing volume expansion due to the shape change of Ni or NiO during such reduction / oxidation. The reason for this is that, when Co is dissolved in Ni and NiO, the wettability of (Ni, Co), (Ni, Co) O and Y 2 O 3 is improved, and the shape of Ni and NiO particles changes. It seems that rearrangement at the time becomes easier and volume expansion is suppressed.
本発明の燃料電池セルは、燃料ガス通路が内部に設けられた上記燃料電池セル用支持基板と、該燃料電池セル用支持基板上に設けられた燃料極層と、該燃料極層を覆うように前記燃料電池セル用支持基板上に設けられた固体電解質層と、前記燃料極層と対面するように前記固体電解質層上に設けられた酸素極とを具備するものである。このような燃料電池セルでは、支持基板の還元・酸化サイクルによる膨張を抑制できるため、例えば、酸化雰囲気と還元雰囲気に交互に曝される燃料電池セルの支持基板であっても、支持基板の表面に形成された燃料極や固体電解質におけるクラックや剥離を有効に抑制することができる。
Fuel cell of the present invention comprises a support substrate for a fuel cell provided a fuel gas passage therein, the fuel electrode layer provided on the fuel cell supporting substrate, so as to cover the fuel electrode layer And a solid electrolyte layer provided on the fuel cell support substrate and an oxygen electrode provided on the solid electrolyte layer so as to face the fuel electrode layer. In such a fuel cell, since the expansion due to the reduction / oxidation cycle of the support substrate can be suppressed, for example, even if the support substrate of the fuel cell is alternately exposed to an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere, the surface of the supporting substrate It is possible to effectively suppress cracks and peeling in the fuel electrode and solid electrolyte formed on the substrate.
また、本発明の燃料電池は、上記燃料電池セルを複数収納容器内に収納してなることを特徴とする。このような燃料電池では、燃料電池セルの破損を防止できるため、長期信頼性を向上できる。 The fuel cell according to the present invention is characterized in that the fuel cell is housed in a plurality of housings. In such a fuel cell, since damage to the fuel cell can be prevented, long-term reliability can be improved.
本発明の燃料電池セル用支持基板では、鉄族金属としてCo及びNiを、Co/(Co+Ni)モル比が5〜30%で含有するとともに、希土類元素酸化物としてY 2 O 3 を含有してなることにより、還元・酸化サイクルによる膨張を抑制できるため、例えば、酸化雰囲気と還元雰囲気に交互に曝される燃料電池セル用支持基板であっても、支持基板の表面に形成された燃料極や固体電解質におけるクラックや剥離を有効に抑制することができる。
In the fuel cell supporting substrate of the present invention, Co and Ni as an iron group metal, with Co / (Co + Ni) molar ratio is contained at 5-30%, containing Y 2 O 3 as the rare earth element oxides such a Rukoto, since it is possible to suppress the expansion due to reduction-oxidation cycle, for example, be a supporting substrate for a fuel cell that is exposed alternately to a reducing atmosphere and an oxidizing atmosphere, the fuel electrode formed on the surface of the support substrate And cracks and separation in the solid electrolyte can be effectively suppressed.
図1は、本発明の燃料電池セル用支持基板(以下、支持基板と略す場合がある。)を用いた燃料電池セルの横断面を示すもので、全体として30で示す燃料電池セルは中空平板状であり、断面が扁平状で、全体的に見て細長基板状の支持基板(支持体)31を備えて
いる。支持基板31の内部には、幅方向に適当な間隔で複数の燃料ガス通路31aが長さ方向に貫通して形成されており、燃料電池セル30は、この支持基板31上に各種の部材が設けられた構造を有している。このような燃料電池セル30の複数を、図2に示すように、集電部材40により互いに直列に接続することにより、燃料電池を構成するセルスタックを形成することができる。
FIG. 1 shows a cross section of a fuel cell using a support substrate for a fuel cell (hereinafter sometimes abbreviated as a support substrate) of the present invention . It has a flat cross section and is provided with a support substrate (support) 31 that is an elongated substrate as a whole. Inside the
支持基板31は、図1に示されている形状から理解されるように、平坦部Aと平坦部Aの両端の弧状部Bとからなっている。平坦部Aの両面は互いにほぼ平行に形成されており、平坦部Aの一方の面と両側の弧状部Bを覆うように燃料極層32が設けられており、さらに、この燃料極層32を覆うように、緻密質な固体電解質層33が積層されており、この固体電解質層33の上には、燃料極層32と対面するように、平坦部Aの一方の表面に酸素極34が積層されている。尚、図1、2では燃料極層32を太線で記載している。
As understood from the shape shown in FIG. 1, the
また、燃料極層32及び固体電極層33が積層されていない平坦部Aの他方の表面には、インターコネクタ35が形成されている。図1から明らかな通り、燃料極層32及び固体電解質層33は、インターコネクタ35の両サイドにまで延びており、支持基板31の表面が外部に露出しないように構成されている。
An
上記のような構造の燃料電池セルでは、燃料極層32の酸素極34と対面している部分が燃料極として作動して発電する。即ち、酸素極34の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持基板31内のガス通路31aに燃料ガス(水素)を流し、所定の作動温度まで加熱することにより、酸素極34で下記式(1)の電極反応を生じ、また燃料極層32の燃料極となる部分では例えば下記式(2)の電極反応を生じることによって発電する。
In the fuel cell having the above structure, the portion of the
酸素極: 1/2O2+2e− → O2− (固体電解質) …(1)
燃料極: O2− (固体電解質)+ H2 → H2O+2e− …(2)
かかる発電によって生成した電流は、支持基板31に取り付けられているインターコネクタ35を介して集電される。
Oxygen electrode: 1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (solid electrolyte) (1)
Fuel electrode: O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e − (2)
The current generated by the power generation is collected through the
(支持基板31)
上記のような構造を有する燃料電池セル30において、支持基板31は、燃料ガスを燃料極32まで透過させるためにガス透過性であること、及びインターコネクタ35を介しての集電を行うために導電性であること、同時焼成時の熱膨張差による固体電解質35などのクラックや剥離がないことが要求されるが、このような要求を満たすと同時に、還元・酸化サイクルにおける支持基板31の体積膨張に起因した固体電解質35などのクラックを抑制する目的で、鉄族金属としてCo及びNiを、Co/(Co+Ni)モル比が5〜30%で含有するとともに、希土類元素の酸化物してY 2 O 3 を含有せしめて構成する。
(Support substrate 31)
In the
Niは、支持基板31に導電性を付与するためのものであり、金属単体であってもよいし、また酸化物、合金もしくは合金酸化物であってもよい。本発明では、何れをも使用することができるが、安価であること及び燃料ガス中で安定であることからNi及び/またはNiOであることが好ましい。
Ni is for imparting conductivity to the
また、希土類元素酸化物は、支持基板31の熱膨張係数を、固体電解質層33を形成している安定化ジルコニアやランタンガレート系ペロブスカイト型組成物等と近似させるために使用されるものであり、高い導電率を維持し且つ固体電解質層33等への拡散を防止するために、特にYを含む酸化物が、上記鉄族成分と組合せで使用される。このような希土類元素酸化物の具体例としては、Y2O 3 が好適である。特に支持基板31の熱膨張係数を安定化ジルコニア等の固体電解質材料と近似させるという点で、鉄族成分(金属換算量)と希土類元素酸化物の合計を100体積%とすると、上述した鉄族成分の金属換算量は、支持基板31中に35〜65体積%の量で含まれ、希土類元素酸化物は、支持基板31中に35〜65体積%の量で含まれていることが好適である。
The rare earth element oxide is used to approximate the thermal expansion coefficient of the
尚、例えばY原料粉末中に、主となるYの他に微量の他の希土類元素が含まれる場合や、例えばYとYbの原料粉末を用いることもできる。
Incidentally, the Y raw material powder if example embodiment, other if it contains other rare earth elements traces and to the Y as a main, it is also possible to use a raw material powder, for example Y and Yb.
本発明においては特に還元・酸化サイクルによる膨張を抑制する目的で、Co金属或いはその酸化物等のCo化合物(固溶体を含む)が、支持基板31にCo/(Co+Ni)モル比で5〜30%の量で含まれている。特には、10〜20%であることが望ましい。Coは、支持基板中にNiOとの固溶体で存在し、主相であるY2O3とともに支持基板の骨格を構成し、多孔質を形成していると考えられる。Co化合物としては、CoO、Co3O4がある。
In the present invention, in particular, for the purpose of suppressing expansion due to reduction / oxidation cycle, Co metal (including a solid solution) such as Co metal or its oxide is contained in the
尚、支持基板31中には、要求される特性が損なわれない限りの範囲で他の金属成分や酸化物成分を含有していてもよい。
The
上記のような支持基板31は、燃料ガス透過性を有していることが必要であるため、通常、開気孔率が30%以上、特に35〜50%の範囲にあることが好適である。また、支持基板31の導電率は、300S/cm以上、特に440S/cm以上であることが好ましい。
Since the
また、支持基板31の平坦部Aの長さは、通常、15〜35mm、弧状部Bの長さ(弧の長さ)は、3〜8mm程度であり、支持基板31の厚みは(平坦部Aの両面の間隔)は2.5〜5mm程度であることが望ましい。
Further, the length of the flat portion A of the
(燃料極層32)
本発明において、燃料極層32は、前述した式(2)の電極反応を生じせしめるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスから形成される。例えば、希土類元素が固溶しているZrO2と、Ni及び/またはNiOとから形成される。この希土類元素が固溶しているZrO2(安定化ジルコニア)としては、以下に述べる固体電解質層33の形成に使用されているものと同様のものを用いるのがよい。
(Fuel electrode layer 32)
In the present invention, the
燃料極層32中の安定化ジルコニア含量は、35〜65体積%の範囲にあるのが好ましく、またNi或いはNiO含量は、65〜35体積%であるのがよい。さらに、この燃料極層32の開気孔率は、15%以上、特に20〜40%の範囲にあるのがよく、その厚みは、1〜30μmであることが望ましい。例えば、燃料極層32の厚みがあまり薄いと、性能が低下するおそれがあり、またあまり厚いと、固体電解質層33と燃料極層32との間で熱膨張差による剥離等を生じるおそれがある。
The stabilized zirconia content in the
また、図1の例では、この燃料極層32は、インターコネクタ35の両サイドにまで延びているが、酸素極34に対面する位置に存在して燃料極層32が形成されていればよいため、例えば酸素極34が設けられている側の平坦部Aにのみ燃料極層32が形成されていてもよい。さらには、支持基板31の全周にわたって燃料極層32を形成することも可能である。固体電解質層33と支持基板31との接合強度を高めるためには、固体電解質層33の全体が燃料極層32上に形成されていることが好適である。
Further, in the example of FIG. 1, the
(固体電解質層33)
この燃料極層32上に設けられている固体電解質層33は、一般に3〜15モル%の希土類元素が固溶したZrO2(通常、安定化ジルコニア)と呼ばれる緻密質なセラミックスから形成されている。希土類元素としては、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luを例示することができるが、安価であるという点からY、Ybが望ましい。
(Solid electrolyte layer 33)
The
この固体電解質層33を形成する安定化ジルコニアセラミックスは、ガス透過を防止するという点から、相対密度(アルキメデス法による)が93%以上、特に95%以上の緻密質であることが望ましく、且つその厚みが10〜100μmであることが望ましい。
The stabilized zirconia ceramics forming the
(酸素極34)
酸素極34は、所謂ABO3型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成される。かかるペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、特にAサイトにLaを有するLaMnO3系酸化物、LaFeO3系酸化物、LaCoO3系酸化物の少なくとも1種が好適であり、600〜1000℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からLaFeO3系酸化物が特に好適である。尚、上記ペロブスカイト型酸化物においては、AサイトにLaと共にSrなどが存在していてもよいし、さらにBサイトには、FeとともにCoやMnが存在していてもよい。
(Oxygen electrode 34)
The
また、酸素極34は、ガス透過性を有していなければならず、従って、酸素極34を形成する導電性セラミックス(ペロブスカイト型酸化物)は、開気孔率が20%以上、特に30〜50%の範囲にあることが望ましい。
The
このような酸素極34の厚みは、集電性という点から30〜100μmであることが望ましい。
The thickness of the
(インターコネクタ35)
上記の酸素極34に対面する位置において、支持基板31上に設けられているインターコネクタ35は、導電性セラミックスからなるが、燃料ガス(水素)及び酸素含有ガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性を有していることが必要である。このため、かかる導電性セラミックスとしては、一般に、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO3系酸化物)が使用される。また、支持基板31の内部を通る燃料ガス及び支持基板31の外部を通る酸素含有ガスのリークを防止するため、かかる導電性セラミックスは緻密質でなければならず、例えば93%以上、特に95%以上の相対密度を有していることが好適である。
(Interconnector 35)
The
かかるインターコネクタ35は、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、10〜200μmであることが望ましい。即ち、この範囲よりも厚みが薄いと、ガスのリークを生じやすく、またこの範囲よりも厚みが大きいと、電気抵抗が大きく、電位降下により集電機能が低下してしまうおそれがあるからである。
The
また、図1から明らかな通り、ガスのリークを防止するために、インターコネクタ35の両サイドには、緻密質の固体電解質層33が密着しているが、シール性を高めるために、例えばY2O3などからなる接合層(図示せず)をインターコネクタ35の両側面と固体電解質層33との間に設けることもできる。
Further, as is clear from FIG. 1, in order to prevent gas leakage, a dense
インターコネクタ35の外面(上面)には、P型半導体層39を設けることが好ましい。即ち、この燃料電池セルから組み立てられるセルスタック(図2参照)では、インターコネクタ35には、導電性の集電部材40が接続されるが、集電部材40を、P型半導体層39を介してインターコネクタ35に接続させることにより、両者の接触がオーム接触となり、電位降下を少なくし、集電性能の低下を有効に回避することが可能となり、例えば、一方の燃料電池セル30の酸素極34からの電流を、他方の燃料電池セル30の支持基板31に効率良く伝達できる。このようなP型半導体としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物を例示することができる。
A P-
具体的には、インターコネクタ35を構成するLaCrO3系酸化物よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、BサイトにMn、Fe、Coなどが存在するLaMnO3系酸化物、LaFeO3系酸化物、LaCoO3系酸化物などの少なくとも一種からなるP型半導体セラミックスを使用することができる。このようなP型半導体層39の厚みは、一般に、30〜100μmの範囲にあることが好ましい。
Specifically, those having higher electronic conductivity than LaCrO 3 oxides constituting the
また、インターコネクタ35は、固体電解質層33が設けられていない側の支持基板31の平坦部分A上に直接設けることもできるが、この部分にも燃料極層32を設け、この燃料極層32上にインターコネクタ35を設けることもできる。即ち、燃料極層32を支持基板31の全周にわたって設け、この燃料極層32上にインターコネクタ35を設けることができる。即ち、燃料極層32を介してインターコネクタ35を支持基板31上に設けた場合には、支持基板31とインターコネクタ35との間の界面での電位降下を抑制することができる上で有利である。
The
(燃料電池セルの製造)
以上のような構造を有する燃料電池セルは、以下のようにして製造される。先ず、例えば、Ni或いはその酸化物粉末と、Y2O3粉末と、Co3O4などのCo酸化物の粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いての押出成形により、支持基板成形体を作製し、これを乾燥する。
(Manufacture of fuel cells)
The fuel battery cell having the above structure is manufactured as follows. First, for example, Ni or its oxide powder, Y 2 O 3 powder, Co oxide powder such as Co 3 O 4 , an organic binder, and a solvent are mixed to prepare a slurry. A support substrate molded body is prepared by extrusion molding, and is dried.
次に、燃料極層形成用材料(Ni或いはNiO粉末と安定化ジルコニア粉末)、有機バインダー及び溶媒を混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いて燃料極層用のシートを作製する。また、燃料極層用のシートを作製する代りに、燃料極形成用材料を溶媒中に分散したペーストを、上記で形成された支持基板成形体の所定位置に塗布し乾燥して、燃料極層用のコーティング層を形成してもよい。 Next, a fuel electrode layer forming material (Ni or NiO powder and stabilized zirconia powder), an organic binder, and a solvent are mixed to prepare a slurry, and a sheet for the fuel electrode layer is prepared using this slurry. Further, instead of producing a sheet for the fuel electrode layer, a paste in which the fuel electrode forming material is dispersed in a solvent is applied to a predetermined position of the formed support substrate and dried, and then the fuel electrode layer is formed. A coating layer may be formed.
さらに、安定化ジルコニア粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いて固体電解質層用シートを作製する。 Furthermore, a stabilized zirconia powder, an organic binder, and a solvent are mixed to prepare a slurry, and a solid electrolyte layer sheet is prepared using this slurry.
上記のようにして形成された支持基板成形体、燃料極用シート及び固体電解質層用シートを、例えば図1に示すような層構造となるように積層し、乾燥する。この場合、支持基板成形体の表面に燃料極層用のコーティング層が形成されている場合には、固体電解質層用シートのみを支持基板成形体に積層し、乾燥すればよい。 The support substrate molded body, the fuel electrode sheet, and the solid electrolyte layer sheet formed as described above are laminated so as to have a layer structure as shown in FIG. 1, for example, and dried. In this case, when the coating layer for the fuel electrode layer is formed on the surface of the support substrate molded body, only the solid electrolyte layer sheet may be laminated on the support substrate molded body and dried.
この後、インターコネクタ用材料(例えば、LaCrO3系酸化物粉末)、有機バインダー及び溶媒を混合してスラリーを調製し、インターコネクタ用シートを作製する。 Thereafter, the interconnector material (e.g., LaCrO 3 based oxide powder), an organic binder and a solvent were mixed to prepare a slurry, to produce the interconnector sheet.
このインターコネクタ用シートを、上記で得られた積層体の所定位置にさらに積層し、焼成用積層体を作製する。 This interconnector sheet is further laminated at a predetermined position of the laminate obtained above to produce a firing laminate.
次いで、上記の焼成用積層体を脱バインダー処理し、酸素含有雰囲気中、1300〜1600℃で同時焼成し、得られた焼結体の所定の位置に、酸素極形成用材料(例えば、LaFeO3系酸化物粉末)と溶媒を含有するペースト、及び必要により、P型半導体層形成用材料(例えば、LaFeO3系酸化物粉末)と溶媒を含むペーストを、ディッピング等により塗布し、1000〜1300℃で焼き付けることにより、図1に示す構造の本発明の燃料電池セル30を製造することができる。
Next, the above-mentioned fired laminate is subjected to binder removal treatment, and co-fired at 1300 to 1600 ° C. in an oxygen-containing atmosphere, and an oxygen electrode forming material (for example, LaFeO 3) is placed at a predetermined position of the obtained sintered body. And paste containing a P-type semiconductor layer forming material (for example, LaFeO 3 -based oxide powder) and a solvent by dipping or the like, if necessary. The
尚、支持基板31や燃料極層32の形成にNi単体を用いた場合には、酸素含有雰囲気での焼成により、Niが酸化されてNiOとなっているが、必要により、還元処理することにより、Niに戻すことができる。
In the case where Ni alone is used to form the
また、本発明の燃料電池セルでは、NiCo合金(固溶体を含む)或いはそれらの酸化物と、Y2O3とを用いて形成された支持基板上に、燃料極層、固体電解質層及び酸素極を設けることにより、熱膨張差による同時焼成時の固体電解質層の剥離やクラックの発生などの不都合を有効に回避すると同時に、還元・酸化サイクル(例えば、燃料電池の起動停止)による支持基板の体積膨張をも抑制することができる。 In the fuel cell of the present invention, a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer, and an oxygen electrode are formed on a support substrate formed using NiCo alloys (including solid solutions) or their oxides and Y 2 O 3. This effectively avoids inconveniences such as peeling of the solid electrolyte layer and generation of cracks during simultaneous firing due to thermal expansion differences, and at the same time, the volume of the support substrate due to the reduction / oxidation cycle (for example, starting and stopping of the fuel cell) Expansion can also be suppressed.
また、支持基板中に存在するCo元素は、同時焼成に際して固体電解質層に拡散しても、少量であれば固体電解質のイオン伝導度や酸素側電極の導電率等に悪影響を及ぼすことがない。 In addition, even if the Co element present in the support substrate diffuses into the solid electrolyte layer at the time of co-firing, it does not adversely affect the ionic conductivity of the solid electrolyte, the conductivity of the oxygen side electrode, etc.
(セルスタック)
セルスタックは、図2に示すように、上述した燃料電池セル30が複数集合して、上下に隣接する一方の燃料電池セル30と他方の燃料電池セル30との間に、金属フェルト及び/又は金属板からなる集電部材40を介在させ、両者を互いに直列に接続することにより構成されている。即ち、一方の燃料電池セル30の支持基板31は、インターコネクタ35、P型半導体層39、集電部材40を介して、他方の燃料電池セル30の酸素極34に電気的に接続されている。また、このようなセルスタックは、図2に示すように、サイドバイサイドに配置されており、隣接するセルスタック同士は、導電部材42によって直列に接続されている。
(Cell stack)
As shown in FIG. 2, the cell stack includes a plurality of the
本発明の燃料電池は、図2のセルスタックを、収納容器内に収容して構成される。この収納容器には、外部から水素等の燃料ガスを燃料電池セル30に導入する導入管、及び空気等の酸素含有ガスを燃料電池セル30の外部空間に導入するための導入管が設けられており、燃料電池セルが所定温度(例えば、600〜900℃)に加熱されることにより発電し、使用された燃料ガス、酸素含有ガスは、収納容器外に排出される。
The fuel cell of the present invention is configured by accommodating the cell stack of FIG. 2 in a storage container. The storage container is provided with an introduction pipe for introducing a fuel gas such as hydrogen into the
尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、支持基板31の形状を円筒状とすることも可能であるし、酸素極34と固体電解質層33との間に、適当な導電性を有する中間層を形成することも可能である。さらに、上記形態では、支持基板31上に燃料極層32を形成した場合について説明したが、支持基板自体に燃料極としての機能を付与し、支持基板に固体電解質、酸素極層を形成しても良い。
In addition, this invention is not limited to the said form, A various change is possible in the range which does not change the summary of invention. For example, the shape of the
平均粒径0.5μmのNiO粉末と、Y2O3粉末(平均粒径は0.6〜0.9μm)を、焼成後におけるNiOがNi換算で48体積%、Y2O3が52体積%になるようにして混合した(試料No.1)。 NiO powder having an average particle size of 0.5 μm and Y 2 O 3 powder (average particle size is 0.6 to 0.9 μm), after firing, NiO is 48 vol% in terms of Ni, and Y 2 O 3 is 52 vol. % Were mixed (Sample No. 1).
次に、平均粒径0.5μmのNiO粉末と、Co3O4粉末(平均粒径0.7μm)と、Y2O3粉末(平均粒径は0.6〜0.9μm)を、焼成後におけるNiCo合金換算で48体積%、Y2O3が52体積%になるように混合した(試料No.2〜5)。 Next, NiO powder having an average particle diameter of 0.5 μm, Co 3 O 4 powder (average particle diameter of 0.7 μm), and Y 2 O 3 powder (average particle diameter of 0.6 to 0.9 μm) are fired. 48% by volume NiCo alloy in terms after, were mixed so Y 2 O 3 is 52% by volume (sample No.2~5).
上記の混合粉末に、ポアー剤、有機バインダー(ポリビニルアルコール)と、水(溶媒)とを混合して形成した支持基板用スラリーを直方体状に押出成形し、これを乾燥し、脱バインダー処理し、大気中にて1500℃で焼成した。 A slurry for a supporting substrate formed by mixing a pore agent, an organic binder (polyvinyl alcohol), and water (solvent) into the above mixed powder is extruded into a rectangular parallelepiped shape, dried, debindered, Firing was performed at 1500 ° C. in the air.
得られた焼結体を高さ3mm、幅4mm、長手方向の長さ40mmに加工し、酸素分圧約10−19Paでの還元雰囲気中において850℃で16時間還元処理した後、還元雰囲気のまま自然冷却し、還元前後の長手方向の長さを測定し、還元後の長さから還元前の長さを引いた長さを長手方向の伸びとして線膨張率((長手方向の伸び)/(焼結直後(還元前)の長手方向の長さ))として求めた。さらに、大気(酸化雰囲気)中において850℃で16時間酸化処理した後、大気中で自然冷却し、上記と同様にして線膨張率を求めた。さらに、これらのサイクルを3回繰り返し、その結果を図3に記載した。 The obtained sintered body was processed to a height of 3 mm, a width of 4 mm, and a length of 40 mm, and subjected to a reduction treatment at 850 ° C. for 16 hours in a reducing atmosphere at an oxygen partial pressure of about 10 −19 Pa. Cooling naturally, measuring the length in the longitudinal direction before and after reduction, and taking the length obtained by subtracting the length before reduction from the length after reduction as the elongation in the longitudinal direction ((extension in the longitudinal direction) / (The length in the longitudinal direction immediately after sintering (before reduction))). Further, after oxidation treatment at 850 ° C. for 16 hours in the air (oxidizing atmosphere), it was naturally cooled in the air, and the linear expansion coefficient was determined in the same manner as described above. Further, these cycles were repeated three times, and the results are shown in FIG.
さらに、作製直後の焼結体について、導電率を酸素分圧約10−19Paでの還元雰囲気中において850℃で4端子法にて測定した。それらの結果を表1に記載した。
表1の結果から理解されるように、Co酸化物を添加することにより、還元・酸化サイクルによる膨張を抑制できることが判る。 As understood from the results of Table 1, it can be seen that the expansion due to the reduction / oxidation cycle can be suppressed by adding Co oxide.
また、実施例1で用いた各試料粉末を用いて、実施例1と同様に押出成形して、扁平状の支持基板用成形体を作製し、これを乾燥した。 Further, each sample powder used in Example 1 was extruded in the same manner as in Example 1 to produce a flat support substrate molded body, which was dried.
次に、8モル%Y2O3を含有するZrO2(YSZ)粉末と、NiO粉末と、有機バインダー(アクリル樹脂)と、溶媒(トルエン)とを混合したスラリーを用いて燃料極層形成用シートを作製し、また、上記YSZ粉末と、有機バインダー(アクリル樹脂)と、トルエンからなる溶媒とを混合したスラリーを用いて、固体電解質層用シートを作製し、これらのシートを積層した。 Next, for forming a fuel electrode layer using a slurry obtained by mixing ZrO 2 (YSZ) powder containing 8 mol% Y 2 O 3 , NiO powder, organic binder (acrylic resin), and solvent (toluene). A sheet was prepared, and a sheet for a solid electrolyte layer was prepared using a slurry in which the YSZ powder, an organic binder (acrylic resin), and a solvent made of toluene were mixed, and these sheets were laminated.
この積層シートを、上記支持基板用成形体に、その両端間が所定間隔をおいて離間するように(図1参照)巻き付け、乾燥した。 The laminated sheet was wound around the support substrate molded body so that both ends thereof were separated from each other with a predetermined interval (see FIG. 1), and dried.
一方、平均粒径2μmのLaCrO3系酸化物粉末と、有機バインダー(アクリル樹脂)と、溶媒(トルエン)とを混合したスラリーを用いて、インターコネクタ用シートを作製し、このシートを、上記積層シートにおける支持基板用成形体の露出部分に積層し、支持基板用成形体、燃料極層用シート、固体電解質層用シートからなる焼結用積層シートを作製した。 On the other hand, an interconnector sheet was prepared using a slurry in which an LaCrO 3 oxide powder having an average particle diameter of 2 μm, an organic binder (acrylic resin), and a solvent (toluene) was mixed. A laminated sheet for sintering was prepared by laminating on the exposed portion of the support substrate molded body in the sheet, and comprising a support substrate molded body, a fuel electrode layer sheet, and a solid electrolyte layer sheet.
次に、この焼結用積層シートを脱バインダー処理し、大気中にて1500℃で同時焼成した。 Next, the laminated sheet for sintering was subjected to binder removal treatment and co-fired at 1500 ° C. in the atmosphere.
得られた焼結体を、平均粒径2μmのLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3粉末と、溶媒(ノルマルパラフィン)をからなるペースト中に浸漬し、焼結体に形成されている固体電解質層の表面に酸素極用コーティング層を設け、同時に、上記ペーストを焼結体に形成されているインターコネクタの外面に塗布し、P型半導体用コーティング層を設け、さらに、1150℃で焼き付け、図1に示すような燃料電池セルを作製した(試料No.6〜10)。 The obtained sintered body was immersed in a paste made of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 powder having an average particle diameter of 2 μm and a solvent (normal paraffin), and sintered. A coating layer for oxygen electrode is provided on the surface of the solid electrolyte layer formed on the body, and at the same time, the paste is applied to the outer surface of the interconnector formed on the sintered body, and a coating layer for P-type semiconductor is provided, Furthermore, it baked at 1150 degreeC and produced the fuel battery cell as shown in FIG. 1 (sample No. 6-10).
作製した燃料電池セルにおいて、支持基板の平坦部Aの長さは26mm、弧状部Bの長さは3.5mm、厚みは2.8mm、燃料極層の厚みは10μm、固体電解質層の厚みは40μm、酸素極の厚みは50μm、インターコネクタの厚みは50μm、P型半導体層の厚みは50μmであった。 In the fabricated fuel cell, the length of the flat portion A of the support substrate is 26 mm, the length of the arc-shaped portion B is 3.5 mm, the thickness is 2.8 mm, the thickness of the fuel electrode layer is 10 μm, and the thickness of the solid electrolyte layer is 40 μm, the thickness of the oxygen electrode was 50 μm, the thickness of the interconnector was 50 μm, and the thickness of the P-type semiconductor layer was 50 μm.
得られた燃料電池セルの固体電解質層の断面をEPMAにより分析し、支持基板からの拡散元素を確認するとともに、支持基板のガス通路内に水素ガスを流し、更に燃料電池セルの外側(酸素極の外面)に空気を流し、850℃において100時間発電させ、この後、水素ガスを停止し、自然冷却させた(支持基板を酸化させた)後、燃料電池セル内部に水が入らないように加圧して水中に浸し、ガス漏れの有無を観察し、支持基板、固体電解質層のクラックや、支持基板からの固体電解質層、燃料極層の剥離を実体顕微鏡で観察した。このサイクルを3回繰り返し、それらの結果を表2に記載した。 The cross section of the solid electrolyte layer of the obtained fuel cell is analyzed by EPMA to confirm the diffusing element from the support substrate, and hydrogen gas is allowed to flow in the gas passage of the support substrate, and the outside of the fuel cell (oxygen electrode) Air is allowed to flow at 850 ° C. for 100 hours, after which hydrogen gas is stopped and naturally cooled (the support substrate is oxidized), so that water does not enter the fuel cell. Pressurized and immersed in water, the presence or absence of gas leakage was observed, and cracks in the support substrate and the solid electrolyte layer, and peeling of the solid electrolyte layer and the fuel electrode layer from the support substrate were observed with a stereomicroscope. This cycle was repeated three times and the results are listed in Table 2.
また、850℃において100時間後(1回目の発電)の、燃料電池セル1本当たりの発電性能を測定し、表2に記載した。
表2の結果から理解されるように、本発明の試料No.8〜10では、燃料極層、固体電解質層のクラックや、支持基板からの固体電解質層、燃料極層の剥離は見られなかった。また、支持基板から固体電解質へのCoの顕著な拡散もなく、発電性能も0.40W/cm2以上と良好であった。 As understood from the results in Table 2, the sample No. In 8-10, the crack of a fuel electrode layer and a solid electrolyte layer, and peeling of the solid electrolyte layer and a fuel electrode layer from a support substrate were not seen. Further, there was no significant diffusion of Co from the support substrate to the solid electrolyte, and the power generation performance was as good as 0.40 W / cm 2 or more.
一方、試料No.6では、1回目の酸化で支持基板の膨張が0.4%以上と大きいために、燃料極層、固体電解質層にクラックが発生した。 On the other hand, sample No. In No. 6, since the expansion of the support substrate was as large as 0.4% or more in the first oxidation, cracks occurred in the fuel electrode layer and the solid electrolyte layer.
31・・・支持基板
31a・・・燃料ガス通路
32・・・燃料極
33・・・固体電解質
34・・・酸素極
35・・・インターコネクタ
40・・・集電部材
31 ...
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