JP6239719B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.
従来、燃料極と、空気極と、燃料極と空気極の間に配置される固体電解質層とを備える燃料電池が知られている。 Conventionally, a fuel cell including a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte layer disposed between the fuel electrode and the air electrode is known.
ここで、空気極と固体電解質層の間に高抵抗層が形成されることを抑制するために、空気極と固体電解質層の間にバリア層を介挿させる手法が提案されている(特許文献1参照)。 Here, in order to suppress the formation of a high resistance layer between the air electrode and the solid electrolyte layer, a technique of interposing a barrier layer between the air electrode and the solid electrolyte layer has been proposed (Patent Document). 1).
しかしながら、固体電解質層とバリア層の熱膨張率が異なるため、燃料電池の製造時における膨張収縮に伴って生じる応力によってバリア層にクラックが発生するおそれがある。 However, since the thermal expansion coefficients of the solid electrolyte layer and the barrier layer are different, cracks may occur in the barrier layer due to the stress caused by the expansion and contraction during the manufacture of the fuel cell.
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、バリア層にクラックが発生することを抑制可能な燃料電池の提供を目的とする。 This invention is made | formed in view of such a condition, and it aims at provision of the fuel cell which can suppress that a crack generate | occur | produces in a barrier layer.
本発明に係る燃料電池は、燃料極と、空気極と、固体電解質層と、バリア層と、中間層とを備える。固体電解質層は、Zrを含み、燃料層と空気極の間に配置される。バリア層は、Ceを含み、空気極と固体電解質層の間に配置される。中間層は、Zrと希土類元素を含み、固体電解質層とバリア層の間に配置される。中間層におけるSr被覆率は、20%未満である。 The fuel cell according to the present invention includes a fuel electrode, an air electrode, a solid electrolyte layer, a barrier layer, and an intermediate layer. The solid electrolyte layer contains Zr and is disposed between the fuel layer and the air electrode. The barrier layer includes Ce and is disposed between the air electrode and the solid electrolyte layer. The intermediate layer contains Zr and a rare earth element, and is disposed between the solid electrolyte layer and the barrier layer. The Sr coverage in the intermediate layer is less than 20%.
本発明によれば、バリア層にクラックが発生することを抑制可能な燃料電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell which can suppress that a crack generate | occur | produces in a barrier layer can be provided.
次に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なっている場合がある。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, the drawings are schematic, and the ratio of each dimension may be different from the actual one. Accordingly, specific dimensions and the like should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
(燃料電池10の構成)
燃料電池10の構成について、図面を参照しながら説明する。燃料電池10は、いわゆるSOFC(Solid Oxide Fuel Cell:固体酸化物型燃料電池)である。燃料電池10は、縦縞型、横縞型、平板型、燃料極支持型、或いは円筒型など様々な形態を取りうる。
(Configuration of fuel cell 10)
The configuration of the
図1は、燃料電池10の構成を示す断面図である。燃料電池10は、燃料極20、固体電解質層30、中間層40、バリア層50及び空気極60を備える。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the
燃料極20は、燃料電池10のアノードとして機能する。燃料電池10の作動中、燃料極20には燃料ガス(例えば、水素ガス)が供給される。燃料極20は、図1に示すように、燃料極集電層21と燃料極活性層22を有していてもよい。
The
燃料極集電層21は、ガス透過性に優れる多孔質体である。燃料極集電層21を構成する材料としては、従来SOFCの燃料極集電層に用いられてきた材料を用いることができ、例えばNiO(酸化ニッケル)-8YSZ(8mol%のイットリアで安定化されたジルコニア)やNiO‐Y2O3(イットリア)を用いることができる。燃料極集電層21がNiOを含んでいる場合、燃料電池10の作動中においてNiOの少なくとも一部はNiに還元されてもよい。燃料極集電層21の厚みは、例えば0.1mm〜5.0mmとすることができる。
The anode
燃料極活性層22は、燃料極集電層21上に配置される。燃料極活性層22は、燃料極集電層21より緻密な多孔質体である。燃料極活性層22を構成する材料としては、従来SOFCの燃料極活性層に用いられてきた材料を用いることができ、例えばNiO‐8YSZを用いることができる。燃料極活性層22がNiOを含んでいる場合、燃料電池10の作動中においてNiOの少なくとも一部はNiに還元されてもよい。燃料極活性層22の厚みは、例えば5.0μm〜30μmとすることができる。
The anode
固体電解質層30は、燃料極20と空気極60の間に配置される。本実施形態において、固体電解質層30は、燃料極20と中間層40に挟まれている。固体電解質層30は、空気極60で生成される酸素イオンを透過させる。固体電解質層30の厚みは、3μm〜20μmとすることができる。
The
固体電解質層30は、Zr(ジルコニウム)を含む。固体電解質層30は、ZrO2(ジルコニア)を含有するジルコニア系材料を主成分として含んでいてもよい。ジルコニア系材料としては、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)及びCaSZ(カルシア安定化ジルコニア)などが挙げられ、YSZが特に好適である。なお、本実施形態において、組成物Xが物質Yを「主成分として含む」とは、組成物X全体のうち、物質Yが70重量%以上を占めることを意味し、90重量%以上であることがより好ましい。
The
固体電解質層30は、緻密質であることが好ましい。固体電解質層30の気孔率は、中間層40やバリア層50の気孔率より低いことが好ましい。具体的に、固体電解質層30の気孔率は、7%以下とすることができ、5%以下であることが好ましい。固体電解質層30の気孔率は、固体電解質層30の厚み方向における断面の電子顕微鏡(SEM)画像上において、気孔の面積の総和を固体電解質層30の総面積で除することによって算出することができる。
The
中間層40は、固体電解質層30とバリア層50の間に配置される。中間層40は、ZrとCeを含む。中間層40は、ZrをZrO2として含んでいてもよい。中間層40は、CeをCeO2として含んでいてもよい。特に、中間層40は、YSZとGDC(ガドリニウムドープセリア)を主成分として含むことが好ましい。この場合、ZrO2とCeO2は固溶体を形成していることが好ましい。これによって、固体電解質層30とバリア層50との接合強度を向上させることができる。さらに、中間層40は、ZrO2とCeO2の固溶体を主成分として含有することがより好ましい。
The
中間層40がセリウムとジルコニウムを含む場合、セリウムの濃度D1とジルコニウムの濃度D2は、次の(a)〜(h)のうち1以上の条件を満たしてもよい。
When the
(a)セリウムの濃度D1に対するジルコニウムの濃度D2の比率D2/D1は、0.1≦D2/D1を満たす。 (A) The ratio D2 / D1 of the zirconium concentration D2 to the cerium concentration D1 satisfies 0.1 ≦ D2 / D1.
(b)セリウムの濃度D1に対するジルコニウムの濃度D2の比率D2/D1は、D2/D1≦1を満たす。 (B) The ratio D2 / D1 of the concentration D2 of zirconium to the concentration D1 of cerium satisfies D2 / D1 ≦ 1.
(c)セリウムの濃度D1は、D1≦80mol%を満たす。 (C) The concentration D1 of cerium satisfies D1 ≦ 80 mol%.
(d)セリウムの濃度D1は、40mol%≦D1を満たす。 (D) The cerium concentration D1 satisfies 40 mol% ≦ D1.
(e)ジルコニウムの濃度D2は、D2≦50mol%を満たす。 (E) The concentration D2 of zirconium satisfies D2 ≦ 50 mol%.
(f)ジルコニウムの濃度D2は、10mol%≦D2を満たす。 (F) The zirconium concentration D2 satisfies 10 mol% ≦ D2.
(g)バリア層50におけるセリウムの濃度D3に対する中間層40におけるセリウムの濃度D1の比率は、D1/D3≦0.9を満たす。
(G) The ratio of the cerium concentration D1 in the
(h)固体電解質層30におけるジルコニウムの濃度D4に対する中間層40におけるジルコニウムの濃度D2の比率は、D2/D4≦0.5を満たす。
(H) The ratio of the zirconium concentration D2 in the
なお、本実施形態において、各層に含まれる成分の「濃度」とは、特に断らない限り各層全体における濃度(つまり、各層における平均含有量)である。「濃度」は、厚み方向における原子濃度プロファイルによるライン分析、つまりEPMA(Electron Probe Micro Analyzer)による特性X線強度の比較によって得られる。 In the present embodiment, the “concentration” of the component contained in each layer is the concentration in the entire layer (that is, the average content in each layer) unless otherwise specified. The “concentration” is obtained by line analysis based on an atomic concentration profile in the thickness direction, that is, comparison of characteristic X-ray intensities by EPMA (Electron Probe Micro Analyzer).
中間層40は、Sr(ストロンチウム)を含む。中間層40は、SrをSrZrO3として含んでいてもよい。中間層40がSrZrO3を含む場合、SrZrO3には希土類元素(Y、Gd及びCeの少なくとも1種)が固溶していていることが好ましい。これによって、固体電解質層30とバリア層50との接合強度を向上させることができる。
The
中間層40にSrを含ませることによって、中間層40の熱膨張率(つまり線膨張率)を低下させることができる。本実施形態では、後述するように、中間層40におけるSr被覆率を制御することによって、中間層40の熱膨張率が固体電解質層30とバリア層50の間の値に調整されている。バリア層50の熱膨張率が固体電解質層30の熱膨張率より高い場合、中間層40の熱膨張率は固体電解質層30より高くバリア層50の熱膨張率より低い。中間層40におけるSr被覆率については後述する。
By including Sr in the
中間層40は、第1面40Sと第2面40Tを有する。第1面40Sは、固体電解質層30と中間層40の界面である。第2面40Tは、中間層40とバリア層50の界面である。中間層40は、第1面40Sにおいて固体電解質層30と接触し、第2面40Tにおいてバリア層50と接触する。第1面40Sと第2面40Tの厚み方向における間隔は、中間層40の厚みに相当する。
The
第1面40Sは、固体電解質層30における最大ジルコニウム濃度の85%の濃度を示すラインによって規定される。中間層40は、第1面40Sにおいて最大ジルコニウム濃度と最低セリウム濃度を示す。
The
第2面40Tは、バリア層50における最大セリウム濃度の85%の濃度を示すラインによって規定される。中間層40は、第2面40Tにおいて最大セリウム濃度と最低ジルコニウム濃度を示す。
The
中間層40の平均厚みは、200nm以上2000nm以下とすることができる。中間層40の平均厚みは、1800nm以下であることが好ましい。中間層40の平均厚みは、厚み方向における第1面40Sと第2面40Tの平均間隔である。第1面40Sと第2面40Tの平均距離は、厚み方向における中間層40の断面上の5箇所で測定される距離を算術平均した値である。距離を測定する5箇所は、厚み方向に垂直な面方向において、中間層40を6等分する位置に設定することが好ましい。
The average thickness of the
中間層40は、燃料極20や空気極60より緻密質である。中間層40の気孔率は、固体電解質層30の気孔率より高くてもよい。これによって、中間層40と固体電解質層30との界面に発生する応力を緩和させることができる。中間層40の気孔率は、15%以下であることが好ましい。
The
バリア層50は、固体電解質層30と空気極60の間に配置される。本実施形態において、バリア層50は、中間層40と空気極60に挟まれている。バリア層50は、固体電解質層30と空気極60の間に高抵抗層が形成されることを抑制する。バリア層50は、燃料極20や空気極60より緻密質である。
The
バリア層50は、Ceを含む。バリア層50は、CeをCeO2として含んでいてもよい。バリア層50は、CeO2及びCeO2に固溶した希土類金属酸化物を含むセリア系材料によって構成することができる。バリア層50は、セリア系材料を主成分として含んでいてもよい。セリア系材料としては、GDC((Ce, Gd)O2:ガドリニウムドープセリア)、SDC((Ce, Sm)O2:サマリウムドープセリア)などが挙げられる。希土類金属酸化物:セリアの比(mol組成比)は、5:95〜20:80とすることができる。バリア層50は、セリア系材料の他に、添加剤を含んでいてもよい。
The
バリア層50の平均厚みは、1μm以上30μm以下とすることができ、10μm以下であることが好ましい。
The average thickness of the
空気極60は、バリア層50上に配置される。空気極60は、燃料電池10のカソードとして機能する。空気極60は、多孔質体である。空気極60の厚みは、例えば10μm〜300μmとすることができる。燃料電池10の作動中、空気極60には酸化剤ガス(例えば、空気)が供給される。空気極60は、酸化剤ガスを透過させる。
The
空気極60は、一般式ABO3で表されるペロブスカイト型複合酸化物を主成分として含有する。このようなペロブスカイト型複合酸化物としては、LSCF((La,Sr)(Co,Fe)O3:ランタンストロンチウムコバルトフェライト)、LSF((La,Sr)FeO3:ランタンストロンチウムフェライト)、LSC((La,Sr)CoO3:ランタンストロンチウムコバルタイト)、LNF(La(Ni,Fe)O3:ランタンニッケルフェライト)、LSM((La,Sr)MnO3:ランタンストロンチウムマンガネート)などが挙げられるが、これに限られるものではない。
The
(中間層40におけるSr被覆率)
次に、中間層40におけるSr被覆率について図面を参照しながら説明する。図2は、厚み方向に平行な中間層40の断面図である。
(Sr coverage in the intermediate layer 40)
Next, the Sr coverage in the
Sr被覆率は、中間層40においてSrがどの程度存在するかを示す。Sr被覆率が大きいほど中間層40の熱膨張率は小さくなり、Sr被覆率が小さいほど中間層40の熱膨張率は大きくなる。
The Sr coverage indicates how much Sr is present in the
Sr被覆率は、中間層40の断面をTEMによって観察し、Srの元素マッピングを行うことによって測定することができる。具体的には、中間層40の厚み方向における断面において中間層40の第1面40Sに平行な仮想線Lを引き、仮想線L上における固相領域(すなわち、気孔以外の領域)の全長Aに対するSr存在領域の合計長さBの割合をSr被覆率とすることができる。仮想線Lの長さは、3μm〜30μmの範囲に設定すればよい。
The Sr coverage can be measured by observing a cross section of the
また、第1面40Sから第2面40Tに向かって200nm間隔で複数の仮想線Lを引くことができる場合には、複数の仮想線Lごとに算出されるSr被覆率のうち最も大きい値を中間層40におけるSr被覆率とする。
In addition, when a plurality of virtual lines L can be drawn from the
図2に示す例では、3本の仮想線L1〜L3が設定されており、気孔が存在しないものとする。仮想線L1上において、固相領域の全長A1に対するSr存在領域の合計長さB1+B2の割合R1は、((B1+B2)/A1)×100である。仮想線L2上において、固相領域の全長A1に対するSr存在領域の合計長さB3+B4+B5+B6の割合R2は、((B3+B4+B5+B6)/A1)×100である。仮想線L3上において、固相領域の全長A1に対するSr存在領域の合計長さB7+B8+B9の割合R3は、((B7+B8+B9)/A1)×100である。中間層40におけるSr被覆率には、R1〜R3のうち最も大きな値であるR2が採用される。
In the example shown in FIG. 2, it is assumed that three virtual lines L1 to L3 are set and no pores exist. On the phantom line L1, the ratio R1 of the total length B1 + B2 of the Sr existence region to the full length A1 of the solid phase region is ((B1 + B2) / A1) × 100. On the imaginary line L2, the ratio R2 of the total length B3 + B4 + B5 + B6 of the Sr existing region to the full length A1 of the solid phase region is ((B3 + B4 + B5 + B6) / A1) × 100. On the phantom line L3, the ratio R3 of the total length B7 + B8 + B9 of the Sr existence region to the full length A1 of the solid phase region is ((B7 + B8 + B9) / A1) × 100. R2 which is the largest value among R1 to R3 is adopted as the Sr coverage in the
Sr被覆率が大きいほど、中間層40の熱膨張率は小さくなり固体電解質層30の熱膨張率に近づく。一方、Sr被覆率が小さいほど、中間層40の熱膨張率は大きくなりバリア層50の熱膨張率に近づく。
The higher the Sr coverage, the smaller the thermal expansion coefficient of the
本実施形態において、中間層40におけるSr被覆率は、20%未満である。これにより、中間層40の熱膨張率は、固体電解質層30の熱膨張率とバリア層50の熱膨張率の間の値になる。このような中間層40が固体電解質層30とバリア層50の間に介挿されることによって、固体電解質層30とバリア層50の熱膨張率差が緩和される。従って、燃料電池10の製造時における膨張収縮に伴ってバリア層50に応力が生じることを抑制できるため、バリア層50にクラックが発生することを抑制できる。中間層40におけるSr被覆率は、15%以下であることがより好ましく、10%以下であることが更に好ましい。
In the present embodiment, the Sr coverage in the
(燃料電池10の製造方法)
次に、燃料電池10の製造方法の一例について説明する。
(Manufacturing method of fuel cell 10)
Next, an example of a method for manufacturing the
まず、金型プレス成形法で燃料極集電層用材料粉末を成形することによって、燃料極集電層21の成形体を形成する。
First, a molded body of the anode
次に、燃料極活性層用材料粉末と造孔剤(例えばPMMA)との混合物にバインダーとしてPVA(ポリビニルアルコール)を添加して燃料極活性層用スラリーを作製する。そして、印刷法などによって燃料極活性層用スラリーを燃料極集電層21の成形体上に印刷することによって、燃料極活性層22の成形体を形成する。以上により燃料極20の成形体が形成される。
Next, a fuel electrode active layer slurry is prepared by adding PVA (polyvinyl alcohol) as a binder to a mixture of the fuel electrode active layer material powder and a pore-forming agent (for example, PMMA). And the molded object of the fuel electrode
次に、Zrを含む固体電解質層用材料粉末にテルピネオールとバインダーを混合して固体電解質層用スラリーを作製する。そして、印刷法などによって固体電解質層用スラリーを燃料極活性層22の成形体上に塗布することによって、固体電解質層30の成形体を形成する。
Next, terpineol and a binder are mixed with the solid electrolyte layer material powder containing Zr to produce a solid electrolyte layer slurry. Then, the
次に、Zr粉末と希土類元素を含む中間層用材料粉末にSr含有粉末とテルピネオールとバインダーを混合して中間層用スラリーを作製する。この際、中間層40におけるSr被覆率が20%未満になるようにSr含有粉末の混合量を調整する。そして、印刷法などによって中間層用スラリーを固体電解質層30の成形体上に塗布することによって、中間層40の成形体を形成する。
Next, an intermediate layer slurry is prepared by mixing Sr-containing powder, terpineol, and a binder with an intermediate layer material powder containing a Zr powder and a rare earth element. At this time, the mixing amount of the Sr-containing powder is adjusted so that the Sr coverage in the
次に、Ceを含むバリア層用材料粉末にテルピネオールとバインダーを混合してバリア層用スラリーを作製する。そして、印刷法などでバリア層用スラリーを中間層40の成形体上に塗布することによってバリア層50の成形体を形成する。
Next, a barrier layer slurry is prepared by mixing terpineol and a binder into a barrier layer material powder containing Ce. And the molded object of the
次に、燃料極20、固体電解質層30、中間層40及びバリア層50それぞれの成形体を焼成(1350℃〜1450℃、1時間〜20時間)することによって、燃料極20、固体電解質層30、中間層40及びバリア層50を形成する。
Next, the
次に、空気極用のペロブスカイト型複合酸化物材料と水とバインダーをボールミルで24時間混合することによって空気極用スラリーを作製する。そして、印刷法などで空気極用スラリーをバリア層50上に塗布することによって空気極60の成形体を形成する。
Next, a slurry for the air electrode is prepared by mixing a perovskite type complex oxide material for the air electrode, water and a binder with a ball mill for 24 hours. And the molded object of the
次に、空気極60の成形体を焼成(1000〜1100℃、1〜10時間)することによって空気極60を形成する。
Next, the
(他の実施形態)
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications or changes can be made without departing from the scope of the present invention.
上記実施形態において、バリア層50は、単層構造であることとしたが、緻密質のバリア層と多孔質のバリア層が積層(順不同)された複層構造であってもよい。
In the above embodiment, the
以下において本発明に係る燃料電池の実施例について説明するが、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。 Examples of the fuel cell according to the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the examples described below.
(サンプルNo.1〜No.10の作製)
以下のようにして、サンプルNo.1〜No.10に係る燃料電池を作製した。
(Production of sample No. 1 to No. 10)
Sample no. 1-No. 10 was produced.
まず、NiO粉末とY2O3粉末と造孔材(PMMA)の調合粉末とIPAを混合したスラリーを窒素雰囲気下で乾燥させることによって混合粉末を作製した。 First, a NiO powder and Y 2 O 3 powder and the pore former (PMMA) slurry prepared by mixing blended powder and of IPA to prepare a mixed powder by drying under a nitrogen atmosphere.
次に、混合粉末を一軸プレス(成形圧50MPa)することで縦30mm×横30mm、厚み3mmの板を成形し、その板をCIP(成形圧:100MPa)でさらに圧密することによって燃料極集電層の成形体を作製した。
Next, the mixed powder is uniaxially pressed (
次に、NiO‐8YSZとPMMAの調合粉末とIPAを混合したスラリーを燃料極集電層の成形体上に塗布することによって燃料極活性層の成形体を作製した。 Next, a mixture of NiO-8YSZ and PMMA mixed powder and IPA was applied onto the anode current collector layer to produce an anode active layer molded body.
次に、表1に示すZrを含む固体電解質層用材料粉末にテルピネオールとバインダーを混合して固体電解質層用スラリーを作製した。そして、固体電解質層用スラリーを燃料極活性層の成形体上に塗布することによって固体電解質層の成形体を形成した。 Next, terpineol and a binder were mixed with the solid electrolyte layer material powder containing Zr shown in Table 1 to prepare a solid electrolyte layer slurry. Then, a solid electrolyte layer molded body was formed by applying the solid electrolyte layer slurry onto the fuel electrode active layer molded body.
次に、表1に示すZrとCeを含む中間層用材料粉末にSr含有粉末とテルピネオールとバインダーを混合して中間層用スラリーを作製した。この際、後述する焼成後の中間層におけるSr被覆率をサンプルごとに変更するために、Sr含有粉末の添加量をサンプルごとに調整した。 Next, Sr-containing powder, terpineol, and a binder were mixed with the intermediate layer material powder containing Zr and Ce shown in Table 1 to prepare an intermediate layer slurry. Under the present circumstances, in order to change the Sr coverage in the intermediate | middle layer after baking mentioned later for every sample, the addition amount of Sr containing powder was adjusted for every sample.
次に、中間層用スラリーを固体電解質層の成形体上に塗布することによって中間層の成形体を形成した。この際、後述する中間層の厚みをサンプルごとに変更するために、中間層用スラリーの塗布量及び塗布回数をサンプルごとに調整した。 Next, the intermediate layer formed body was formed by applying the intermediate layer slurry onto the solid electrolyte layer formed body. Under the present circumstances, in order to change the thickness of the intermediate | middle layer mentioned later for every sample, the application quantity and the frequency | count of application | coating of the slurry for intermediate | middle layers were adjusted for every sample.
次に、表1に示すCeを含むバリア層用材料粉末にテルピネオールとバインダーを混合してバリア層用スラリーを作製した。そして、バリア層用スラリーを中間層の成形体上に塗布することによってバリア層の成形体を作製した。 Next, terpineol and a binder were mixed with the barrier layer material powder containing Ce shown in Table 1 to prepare a barrier layer slurry. Then, a barrier layer molded body was prepared by applying the barrier layer slurry onto the intermediate layer molded body.
次に、燃料極、固体電解質層、中間層及びバリア層の成形体を焼成(1450℃、5時間)して、燃料極、固体電解質層、中間層及びバリア層を形成した。 Next, the molded body of the fuel electrode, solid electrolyte layer, intermediate layer and barrier layer was fired (1450 ° C., 5 hours) to form the fuel electrode, solid electrolyte layer, intermediate layer and barrier layer.
次に、LSCF粉末にテルピネオール及びバインダーと混合することによって空気極用スラリーを作製した。そして、空気極用スラリーをバリア層上に塗布することによって空気極の成形体を作製した。 Next, the slurry for air electrodes was produced by mixing LSCF powder with terpineol and a binder. And the air electrode molded object was produced by apply | coating the slurry for air electrodes on a barrier layer.
次に、空気極の成形体を焼成(1100℃、1時間)して空気極を形成した。 Next, the air electrode compact was fired (1100 ° C., 1 hour) to form an air electrode.
(焼成後の中間層におけるSr被覆率)
まず、TEMを用いて200kVの電子線をセル断面に照射し、固体電解質層、中間層及びバリア層を含む3.5μm×3.5μmの正方形範囲を倍率30,000倍で観察した。そして、正方形範囲の内側において、ZrとSrの元素マッピングを実施した。
(Sr coverage in the intermediate layer after firing)
First, a 200 kV electron beam was irradiated to the cell cross section using TEM, and a 3.5 μm × 3.5 μm square range including the solid electrolyte layer, the intermediate layer, and the barrier layer was observed at a magnification of 30,000 times. Then, element mapping of Zr and Sr was performed inside the square range.
次に、TEMで観察した正方形範囲内において、固体電解質層における最大ジルコニウム濃度の85%の濃度を示すラインを中間層の固体電解質層側表面(第1表面)に規定し、バリア層における最大セリウム濃度の85%の濃度を示すラインを中間層のバリア層側表面(第2表面)に規定した。そして、TEMで観察した正方形範囲において、固体電解質層側表面とバリア層側表面の距離を5箇所で測定し、測定された値を算術平均することによって中間層の平均厚みを得た。距離を測定した5箇所は、面方向において中間層40を6等分する位置に設定した。
Next, within the square range observed by TEM, a line indicating the concentration of 85% of the maximum zirconium concentration in the solid electrolyte layer is defined on the surface of the intermediate layer on the solid electrolyte layer side (first surface), and the maximum cerium in the barrier layer A line showing a concentration of 85% of the concentration was defined on the barrier layer side surface (second surface) of the intermediate layer. And in the square range observed with TEM, the distance of the solid electrolyte layer side surface and the barrier layer side surface was measured in five places, and the average thickness of the intermediate | middle layer was obtained by arithmetically averaging the measured value. The five places where the distance was measured were set at positions where the
次に、中間層の固体電解質層側表面からバリア層側表面まで、200nmごとに固体電解質層側表面に平行な複数の仮想線を引いた。そして、各仮想線上において固相領域の全長に対するSr存在領域の合計長さの割合を算出し、最も値の大きい割合を中間層におけるSr被覆率とした。焼成後の中間層におけるSr被覆率を表1にまとめて示す。 Next, a plurality of virtual lines parallel to the solid electrolyte layer side surface were drawn every 200 nm from the solid electrolyte layer side surface of the intermediate layer to the barrier layer side surface. Then, the ratio of the total length of the Sr existing area to the total length of the solid phase area on each imaginary line was calculated, and the ratio with the largest value was defined as the Sr coverage in the intermediate layer. Table 1 shows the Sr coverage in the intermediate layer after firing.
(焼成後の中間層におけるクラック)
燃料電池の作製後、各サンプルの中間層の断面を顕微鏡で観察することによって、断面におけるクラックの有無を確認した。顕微鏡によるクラックの観察視野は、3mm×3mmとした。表1では、クラックが3個未満のサンプルを“○(良)”と評価し、クラックが3個以上のサンプルを“×(否)”と評価した。
(Cracks in the intermediate layer after firing)
After fabrication of the fuel cell, the presence or absence of cracks in the cross section was confirmed by observing the cross section of the intermediate layer of each sample with a microscope. The observation field of cracks by a microscope was 3 mm × 3 mm. In Table 1, a sample having less than 3 cracks was evaluated as “◯ (good)”, and a sample having 3 or more cracks was evaluated as “x (no)”.
表1に示されるように、中間層におけるSr被覆率を20%未満としたサンプルNo.1〜9では、中間層におけるクラックの発生を抑制することができた。これは、中間層によって固体電解質層とバリア層の熱膨張率差を緩和することができたため、焼成時の膨張収縮に伴ってバリア層に応力が生じることを抑制できたためである。 As shown in Table 1, sample No. 1 with an Sr coverage of less than 20% in the intermediate layer was used. In 1 to 9, the generation of cracks in the intermediate layer could be suppressed. This is because the difference in the thermal expansion coefficient between the solid electrolyte layer and the barrier layer can be alleviated by the intermediate layer, so that the occurrence of stress in the barrier layer due to the expansion and contraction during firing can be suppressed.
10 燃料電池
20 燃料極
30 固体電解質層
40 中間層
50 バリア層
60 空気極
DESCRIPTION OF
Claims (2)
空気極と、
Zrを含み、前記燃料層と前記空気極の間に配置される固体電解質層と、
Ceを含み、前記空気極と前記固体電解質層の間に配置されるバリア層と、
ZrとCeを含み、前記固体電解質層と前記バリア層の間に配置される中間層と、
を備え、
前記中間層におけるSr被覆率は、0.8%以上20%未満であり、
前記中間層は、Ce、Gd及びYのうち少なくとも1種が固溶したSrZrO3を含み、
前記中間層の熱膨張率は、前記固体電解質層の熱膨張率と前記バリア層の熱膨張率の間の値である、
燃料電池。 An anode,
The air electrode,
A solid electrolyte layer containing Zr and disposed between the fuel layer and the air electrode;
A barrier layer containing Ce and disposed between the air electrode and the solid electrolyte layer;
An intermediate layer comprising Zr and Ce, and disposed between the solid electrolyte layer and the barrier layer;
With
The Sr coverage in the intermediate layer is 0.8% or more and less than 20%,
The intermediate layer, Ce, observed including a SrZrO 3 at least one is solid-solved of Gd and Y,
The thermal expansion coefficient of the intermediate layer is a value between the thermal expansion coefficient of the solid electrolyte layer and the thermal expansion coefficient of the barrier layer.
Fuel cell.
請求項1に記載の燃料電池。 The intermediate layer contains a solid solution of ZrO 2 and CeO 2 as main components.
The fuel cell according to claim 1.
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