JP6743644B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、固体電解質層と空気極と燃料極とを有する固体酸化物形燃料電池に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell having a solid electrolyte layer, an air electrode and a fuel electrode.
固体電解質層とその両面にそれぞれ形成された空気極と燃料極とを有する固体電解質型燃料電池が知られている。空気などの酸化剤ガスに曝される空気極は、長期間の使用などにより、酸化剤ガス中に含まれる汚染物質により被毒し、活性が低下するおそれがある。 A solid oxide fuel cell having a solid electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode respectively formed on both surfaces of the solid electrolyte layer is known. An air electrode exposed to an oxidant gas such as air may be poisoned by a contaminant contained in the oxidant gas due to long-term use or the like, and its activity may be reduced.
例えば、特許文献1には、空気極の被毒を防止するために、酸化剤ガス室における酸化剤ガス供給口側に配置され、空気極と分離形成され、発電に寄与しない汚染物質トラップ層を設けた燃料電池が開示されている。
For example, in
しかしながら、空気極と分離形成された汚染物質トラップ層では、空気極への汚染物質の飛来を十分に防止することはできない。その結果、汚染物質により空気極がやがて被毒劣化し、空気極と酸化剤ガスと固体電解質層との三相界面が減少して電池性能が低下するおそれがある。そのため、長期間安定して電池性能を維持するという観点から燃料電池の信頼性を十分に確保できない。また、汚染物質を含む酸化剤ガスが空気極に到達するまでの間に汚染物質トラップ層を確実に通過させる必要があるため、酸化剤ガスの流路の制御が必要になる場合がある。 However, the contaminant trap layer formed separately from the air electrode cannot sufficiently prevent the contaminant from flying to the air electrode. As a result, the air electrode may be poisoned and deteriorated due to the pollutants, and the three-phase interface between the air electrode, the oxidant gas, and the solid electrolyte layer may be reduced to deteriorate the battery performance. Therefore, it is not possible to sufficiently secure the reliability of the fuel cell from the viewpoint of maintaining stable cell performance for a long period of time. Further, since the oxidant gas containing pollutants needs to pass through the pollutant trap layer with certainty before reaching the air electrode, it may be necessary to control the flow path of the oxidant gas.
また、汚染物質トラップ層は、汚染物質の被毒防止のために別途設けられる層であり、空気極とは分離形成されている。そのため、燃料電池の製造時に汚染物質トラップ層の形成工程を別途設ける必要があるだけでなく、電池設計の上でも汚染物質トラップ層の形成スペースが必要になる。すなわち、トラップ層のために製造コストが増大したり、電池設計上の自由度が妨げられる。 The pollutant trap layer is a layer separately provided to prevent poisoning of pollutants, and is formed separately from the air electrode. Therefore, it is necessary not only to separately provide a step of forming a pollutant trap layer at the time of manufacturing a fuel cell, but also a space for forming the pollutant trap layer is required in terms of cell design. That is, the trap layer increases the manufacturing cost and hinders the degree of freedom in battery design.
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、空気極の被毒を長期間防止可能な固体酸化物形燃料電池を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a solid oxide fuel cell capable of preventing poisoning of an air electrode for a long period of time.
本発明の一態様は、燃料極(2)、固体電解質層(3)、及び空気極(4)がこの順で積層されており、
上記空気極は、上記固体電解質層側に形成された内部反応層(41)と、上記内部反応層上に形成され、かつ酸化剤ガス(O)中の汚染物質を捕集する外部捕集層(42)と、を有し、
さらに、上記空気極上に形成された集電板(6)を有し、上記集電板は、集電基板(61)と上記集電基板から上記空気極に向かって伸びる複数の突起状の集電部(62)を有し、上記空気極における上記集電部との当接部(47)の周囲は、上記当接部に比べて上記外部捕集層の厚みが大きい、固体酸化物形燃料電池(1)にある。
One aspect of the present invention is that a fuel electrode (2), a solid electrolyte layer (3), and an air electrode (4) are laminated in this order,
The air electrode includes an internal reaction layer (41) formed on the solid electrolyte layer side, and an external collection layer formed on the internal reaction layer and collecting contaminants in the oxidant gas (O). and (42), have a,
Furthermore, it has a current collecting plate (6) formed on the air electrode, and the current collecting plate comprises a current collecting substrate (61) and a plurality of projecting collectors extending from the current collecting substrate toward the air electrode. A solid oxide form having an electricity collecting portion (62) and having a thickness of the outer collection layer larger than that of the contact portion around the contact portion (47) of the air electrode with the current collecting portion. Located in the fuel cell (1).
上記燃料電池においては、空気極が、固体電解質層側に形成された内部反応層と、酸化剤ガス中の汚染物質を捕集する導電性酸化物からなる外部捕集層とを有する。そのため、たとえ酸化剤ガス中に汚染物質が含まれていたとしても、汚染物質は内部反応層に至る前に外部捕集層で捕集される。外部捕集層は内部反応層上に形成されているため、酸化剤ガスは内部反応層に到達する前に外部捕集層を通過する。これにより、汚染物質が外部捕集層で確実に捕集され、内部反応層への汚染物質の飛来が抑制されるため、内部反応層の被毒劣化を十分に防止することができる。したがって、上記燃料電池は、長期間安定して電池性能を発揮することができ、信頼性が高い。 In the fuel cell, the air electrode has an internal reaction layer formed on the solid electrolyte layer side and an external collection layer made of a conductive oxide that collects contaminants in the oxidant gas. Therefore, even if pollutants are contained in the oxidant gas, the pollutants are collected by the outer collection layer before reaching the inner reaction layer. Since the outer collection layer is formed on the inner reaction layer, the oxidant gas passes through the outer collection layer before reaching the inner reaction layer. As a result, the contaminants are reliably collected by the outer collection layer and the scattering of the contaminants into the inner reaction layer is suppressed, so that poisoning deterioration of the inner reaction layer can be sufficiently prevented. Therefore, the fuel cell can exhibit stable cell performance for a long period of time and has high reliability.
また、上記燃料電池においては、外部捕集層が内部反応層上に形成されている。そのため、酸化剤ガスの流路を制御しなくても、酸化剤ガスは外部捕集層を通過してから内部反応層に至る。それ故、汚染物質の捕集のために流路制御の必要もない。 Further, in the above fuel cell, the outer collection layer is formed on the inner reaction layer. Therefore, the oxidant gas reaches the inner reaction layer after passing through the outer scavenging layer without controlling the flow path of the oxidant gas. Therefore, there is no need to control the flow path to collect the pollutants.
また、上記燃料電池においては、空気極の外部捕集層において汚染物質が捕集される。そのため、汚染物質の捕集のために他部材を必要とせず、部材増加による製造コストの増大を防止できる。 Further, in the above fuel cell, contaminants are collected in the outer collection layer of the air electrode. Therefore, another member is not required to collect the pollutants, and an increase in manufacturing cost due to an increase in members can be prevented.
また、外部捕集層が内部反応層上に形成されており、捕集層を空気極と分離形成する必要がない。外部捕集層は、内部反応層上に積層されるため、空気極の厚みを変更するだけでよく、部材の寸法の設計変更の必要がほとんどない。燃料電池内に別途設置スペースを確保する必要がないため、燃料電池の大型化を回避できる。 Further, since the outer collection layer is formed on the inner reaction layer, it is not necessary to form the collection layer separately from the air electrode. Since the outer collection layer is laminated on the inner reaction layer, it is only necessary to change the thickness of the air electrode, and there is almost no need to change the design of the member dimensions. Since it is not necessary to secure a separate installation space in the fuel cell, it is possible to avoid increasing the size of the fuel cell.
以上のごとく、上記態様によれば、空気極の被毒を長期間防止可能な固体酸化物形燃料電池を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
As described above, according to the above aspect, it is possible to provide the solid oxide fuel cell capable of preventing the poisoning of the air electrode for a long period of time.
The reference numerals in parentheses described in the claims and the means for solving the problems indicate the corresponding relationship with the specific means described in the embodiments described later, and limit the technical scope of the present invention. Not a thing.
(実施形態1)
固体酸化物形燃料電池に係る実施形態について、図1を参照して説明する。なお、本明細書において、実施形態1〜5は、本発明の参考形態であり、実施例1及び実施例2は、本発明の参考例である。固体電解質形燃料電池1は、SOFCと称され、固体電解質として固体酸化物セラミックスを利用する燃料電池である。図1に例示されるように、燃料電池1においては、燃料極2、固体電解質層3、及び空気極4がこの順に積層されている。燃料電池1は、発電性能が高い等の観点から、平板形の電池構造をとることができる。
(Embodiment 1)
An embodiment relating to a solid oxide fuel cell will be described with reference to FIG. In addition, in this specification, Embodiments 1-5 are reference forms of this invention, and Example 1 and Example 2 are reference examples of this invention. The solid
固体電解質層3は、単層から構成されていてもよいし、複数層から構成されていてもよい。固体電解質層3の厚みは、オーミック抵抗の低減などの観点から、好ましくは3〜20μm、より好ましくは5〜15μmとすることができる。
The
固体電解質層3の材料としては、強度、熱的安定性に優れる等の観点から、イットリア安定化ジルコニア(すなわち、YSZ)、スカンジア安定化ジルコニア(すなわち、ScSZ)等の酸化ジルコニウム系酸化物を好適に用いることができる。固体電解質層3の材料としては、イオン伝導度、機械的安定性、他の材料との両立、空気雰囲気から燃料ガス雰囲気まで化学的に安定である等の観点から、イットリア安定化ジルコニアが特に好適である。
As a material of the
アノードである燃料極2及びカソードである空気極4はガス透過性を有しており、多孔質である。固体電解質層3よりも燃料極2側は燃料ガス雰囲気に曝され、固体電解質層3よりも空気極4側は酸化剤ガスに曝される。
The
空気極4と固体電解質層3とは、直接接触していてもよいが、図1に例示されるように、空気極4と固体電解質層3との間に中間層5が形成されていることが好ましい。中間層5は、固体電解質層3の固体電解質層材料と空気極3の空気極材料との反応を抑制するための層である。
The
中間層5の厚みは、オーミック抵抗の低減、空気極4からの元素拡散の抑制等の観点から、好ましくは1〜20μmとすることができる。
The thickness of the
中間層5の材料としては、例えば、CeO2、または、CeO2にGd、Sm、Y、La、Nd、Yb、Ca、及び、Ho等よりなる群から選択される少なくとも1種の元素がドープされたセリア系固溶体等の酸化セリウム系酸化物を例示することができる。これらは1種または2種以上併用することができる。
As the material of the
空気極4は、固体電解質層3側に形成された内部反応層41と、内部反応層41上に形成された外部捕集層42とを有する。図1に例示されるように外部捕集層42は空気極4の最外層とすることができる。
The
図1に例示されるように空気極4が中間層5上に形成されている場合には、内部反応層材料と中間層材料と気孔とで発電に寄与する三相界面が形成される。外部捕集層42は、必ずしも発電反応に寄与する必要はなく、導電性を有し、酸化剤ガス中の汚染物質を捕集可能な層である。内部反応層41と外部捕集層42とは、互いに接合されている。
When the
内部反応層41及び外部捕集層42は、互いに組成の異なる遷移金属ペロブスカイト型酸化物により構成することができる。内部反応層41は、La、Sr、Sm、Co、Fe、Ni、及びMnよりなる群から選択される少なくとも2種の元素を含む遷移金属ペロブスカイト型酸化物を含有することが好ましい。この場合には、上述の三相界面の反応性をより高めることができる。
The
内部反応層41中に含まれる遷移金属ペロブスカイト酸化物は、LaxSr1−xCoO3系酸化物、LaxSr1-xCoyFe1−yO3系酸化物、及びSmxSr1−xCoO3系酸化物(但し、上記において、0≦x≦1、0≦y≦1)から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。この場合には、三相界面の反応性をさらに高めることができる。三相界面の反応性をさらにより高めるという観点から、内部反応層41はLaxSr1−xCoO3系酸化物及びLaxSr1-xCoyFe1−yO3系酸化物の少なくとも一方を含有することがより好ましい。
Transition metal perovskite oxide contained in the inside of the
図1に例示されるように空気極4が中間層5上に形成される場合には、内部反応層41は、さらに中間層材料を含有することができる。すなわち、内部反応層41は、遷移金属ペロブスカイト型酸化物と中間層材料との複合材料を含有することができる。この場合には、発電に寄与する三相界面をさらに増大させることができる。また、この場合には、内部反応層41と中間層5との線熱膨張係数差を小さくすることができるため、中間層5と内部反応層41との界面の接合性を向上させることができる。
When the
内部反応層41が上述の遷移金属ペロブスカイト型酸化物を含有する場合には、内部反応層41の線熱膨張係数は10×10-6以上、16×10-6/K未満であることが好ましい。線熱膨張係数が上記範囲内にある上述の遷移金属ペロブスカイト型酸化物は、電気化学反応性がより高くなるため、上述の三相界面の反応性をより向上させることができる。内部反応層41の線熱膨張係数は、JIS R1618:2002に準拠して25℃〜900℃の温度範囲にて測定される。後述の外部捕集層42の線熱膨張係数についても同様である。
When the
外部捕集層42は、La、Sr、Sm、及びCoよりなる群から選択される少なくとも2種の元素を含有する遷移金属ペロブスカイト型酸化物を含有することが好ましい。この場合には、外部捕集層42の活性が高くなり、十分な導電性を示しつつ、酸化剤ガス中に含まれるS、B、Si、Cr、P、及びCl等から選ばれる少なくとも1種の元素を含む汚染物質を十分に捕集することが可能になる。
The
外部捕集層42は、少なくともCoを含有する遷移金属ペロブスカイト型酸化物を含有し、内部反応層41よりもCo含有量が高いことが好ましい。この場合には、外部捕集層42における汚染物質に対する捕集性を十分に確保しつつ導電性をより向上させることができる。内部反応層41及び外部捕集層42におけるCo含有量は、両者に含まれる遷移金属ペロブスカイト型酸化物の組成をそれぞれ調整したり、内部反応層41に中間層材料等を含有させたりすることによって調整することができる。
The
外部捕集層42の遷移金属ペロブスカイト型酸化物としては、具体的には、例えば、LaxSr1−xCoO3系酸化物、SmxSr1−xCoO3系酸化物(但し、上記において、0≦x≦1)などを例示することができる。導電性をより高めつつ、捕集性をより高めるという観点から、外部捕集層42は、LaxSr1-xCoO3系酸化物からなることがより好ましい。
The transition metal perovskite oxide
外部捕集層42が上述の遷移金属ペロブスカイト型酸化物を含有する場合においては、外部捕集層42の線熱膨張係数が16×10-6/K以上であることが好ましい。線熱膨張係数が上記所定値以上である上述の遷移金属ペロブスカイト型酸化物は、活性が高く、外部捕集層42が十分な導電性を示しつつ、酸化剤ガス中に含まれる汚染物質を十分に捕集することが可能になる。
When the
後述の実施形態3のように、内部反応層と外部捕集層とは、内部反応層から外部捕集層へ向けて連続的に組成が変化する連続層によって構成されていてもよいが、図1に例示されるように、内部反応層41と外部捕集層42とは、互いに組成が異なり、両者の間に界面を有することがよい。この場合には、組成の異なるシートを積層して焼成することにより内部反応層41と外部捕集層42とを容易に作成することができる。
As in
内部反応層41の厚みは、ガス拡散性、電極反応抵抗等の観点から、10〜150μmが好ましく、20〜100μmがより好ましい。外部捕集層42の厚みは、ガス拡散性、汚染物質の捕集性、及び導電性等の観点から、内部反応層41の1/3以上であることが好ましい。また、ガス拡散性、電極反応抵抗、集電性等の観点から、空気極全体の厚みは15〜300μmが好ましく、25〜200μmがより好ましく、30〜150μmがさらに好ましい。
The thickness of the
燃料極2は、単層から構成されていてもよいし、複数層から構成されていてもよい。図1では、燃料極2が単層から構成されている場合が例示されている。燃料極2が複数層から構成される場合、燃料極2は、図示を省略するが例えば拡散層と活性層とを有する構成とすることができる。拡散層は、燃料極に供給される燃料ガスを層面内に拡散させることが可能な層である。活性層は、拡散層の固体電解質側に配置され、アノード反応の場を含む層である。
The
燃料極2の材料としては、例えば、Ni、NiO等の触媒と、ジルコニア等の固体電解質との混合物などを例示することができる。なお、NiOは、発電時の還元雰囲気でNiとなる。
Examples of the material of the
燃料極2の厚みは、ガス拡散性、電極反応抵抗、集電性などの観点から、好ましくは20〜100μm、より好ましくは30〜80μmとすることができる。
The thickness of the
燃料電池1は、例えば、燃料極2であるアノードを支持体とするアノード支持型とすることができる。この場合には、固体電解質層3を支持体とする自立膜型と比較して、固体電解質層3の薄膜化によって固体電解質層3の抵抗を低減させ、イオン伝導性を向上させやすい。
The
本実施形態の燃料電池1は、例えば次のようにして製造することができる。先ず、燃料極2、固体電解質層3と、中間層5とがこの順に積層されたセラミック基板を準備する。セラミック基板は、例えば、シート成形プロセスなどを用いて準備することができる。
The
次に、セラミックス基板における中間層5上に、内部反応層形成用ペーストを、スクリーン印刷法などによって層状に塗布し、焼成により焼き付ける。内部反応層形成用ペーストは、例えば内部反応層材料、バインダーなどを含むことができ、内部反応層材料にバインダー等を添加することによってペースト状に調製することができる。また、焼成温度は、例えば900℃〜1100℃の範囲内で調整することができ、焼成時間は、厚みやバインダー量などにより適宜調整することができる。
Next, the internal reaction layer forming paste is applied in layers on the
内部反応層41における焼結粒の平均粒子径は0.2〜10μmであることが好ましく、0.5〜5μmであることがより好ましい。この場合には、三相界面を十分に確保しつつ、酸化剤ガスの透過性を保持することができる。内部反応層41の焼結粒の平均粒子径は、内部反応層41の断面の走査型電子顕微鏡観察により、例えば任意の100個の焼結粒の粒子径を計測し、その算術平均値を求めることにより算出される。走査型電子顕微鏡としては日本ハイテクノロジーズ社製のSU8200用い、平均粒子径は倍率300〜5000倍のSEM画像から求められる。
The average particle diameter of the sintered particles in the
次に、内部反応層41上に、外部捕集層形成用ペーストを、スクリーン印刷法などによって層状に塗布し、焼成により焼き付ける。外部捕集層形成用ペーストは、例えば外部御捕集層材料とバインダー等を含むことができ、外部捕集層材料にバインダー等を添加することによってペースト状に調製することができる。焼成温度は例えば900℃〜1000℃の範囲で調整することができ、焼成時間は、厚みやバインダー量などにより適宜調整することができる。
Next, the external collection layer forming paste is applied in layers on the
外部捕集層42における焼結粒の平均粒子径は0.3〜15μmであることが好ましく、0.8〜8μmであることがより好ましい。この場合には、汚染物質に対する捕集性を十分に確保しつつ、酸化剤ガスの透過性を保持することができる。外部捕集層42の焼結粒の平均粒子径は、上述の内部反応層41の平均粒子径と同様の方法により測定できる。外部捕集層42における焼結粒の表面積を大きくすることにより、内部捕集層41へ到達する前に外部捕集層42において汚染物質を十分に捕集させるという観点から、外部捕集層42の焼結粒の平均粒子径は、内部捕集層41の焼結粒の平均粒子径よりも大きいことが好ましい。
The average particle size of the sintered particles in the
また、図1においては図示を省略するが、外部捕集層42の上には、後述の実施形態3と同様の集電板を配置することができる。以上により、固体酸化物形燃料電池1を製造することができる。
Although not shown in FIG. 1, a current collector similar to that of
本実施形態の燃料電池1においては、図1に例示されるように、燃料極2、固体電解質層3、中間層5、空気極4がこの順に積層されている。まら、空気極4は、内部反応層41と外部捕集層42とを有し、中間層5側から順に、内部捕集層41、外部反応層42がこの順に積層されている。固体電解質層3よりも空気極4側に導入される酸化剤ガスOは、ガス透過性を有する空気極4において、外部捕集層42を通って内部反応層41に至る。そのため、たとえ酸化剤ガスO中に汚染物質が含まれていたとしても、汚染物質は内部反応層41に至る前に外部捕集層42で捕集される。これにより、汚染物質が外部捕集層42で確実に捕集され、内部反応層41への汚染物質の飛来が抑制されるため、内部反応層41の被毒劣化を十分に防止することができる。したがって、燃料電池1は、長期間安定して電池性能を発揮することができ、信頼性が高い。
In the
また、燃料電池1においては、空気極4の外部捕集層42において汚染物質が捕集されるため、汚染物質の捕集のために他部材を必要としない。よって、部材増加による製造コストの増大を防止できる。また、汚染物質を捕集するための部材を空気極4と分離形成する必要がなく、外部捕集層42は、図1に例示されるように内部反応層41上に積層される。したがって、空気極4の厚みを変更するだけでよく、部材の寸法の設計変更の必要がほとんどない。よって、燃料電池1内に汚染物質捕集のための設置スペースを別途確保する必要がなく、燃料電池1の大型化を回避できる。
Further, in the
以上のごとく、本実施形態によれば、空気極の被毒を長期間防止可能な固体酸化物形燃料電池1を提供することができる。
As described above, according to this embodiment, it is possible to provide the solid
(実施形態2)
本実施形態は、中間層を有さない燃料電池である。なお、本実施形態以降において用いられる符号のうち、既出の実施形態等において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態等におけるものと同様の構成要素等を表す。
(Embodiment 2)
The present embodiment is a fuel cell having no intermediate layer. In addition, among the reference numerals used in the present embodiment and subsequent ones, the same reference numerals as those used in the above-described embodiments and the like represent the same components and the like as those in the above-described embodiments and the like, unless otherwise specified.
図2に例示されるように、燃料電池1は、中間層を有していなくてもよく、空気極4が固体電解質層3上に形成されていてもよい。この場合には、燃料極2、固体電解質層3、及び空気極4が、この順で積層される。空気極4は、固体電解質層3上に形成された内部反応層41と、この内部反応層41上に形成された外部捕集層42とを有する。
As illustrated in FIG. 2, the
図2に例示されるように、空気極4が固体電解質層3上に形成されている場合には、内部反応層41においては、内部反応層材料と固体電解質層材料と気孔とによって発電に寄与する三相界面が形成される。
As illustrated in FIG. 2, when the
また、空気極4が固体電解質層3上に形成されている場合には、内部反応層41がさらに固体電解質層材料を含有することができる。すなわち、内部反応層41は、遷移金属ペロブスカイト型酸化物と固体電解質層材料との複合材料を含有することができる。この場合には、発電に寄与する三相界面をさらに増大させることができる。また、この場合には、内部反応層41と固体電解質層3との線熱膨張係数差を小さくすることができるため、固体電解質層3と内部反応層41との界面における接合性を向上させることができる。固体電解質層材料としては、実施形態1と同様のものが例示され、具体的には、イットリア安定化ジルコニア等を用いることができる。その他の構成、作用効果は実施形態1と同様である。
Moreover, when the
(実施形態3)
本実施形態においては、空気極を連続層により形成した燃料電池について説明する。
図3に例示されるように、本実施形態における空気極4は、内部反応層41と外部捕集層42との間に明確な界面を有しておらず、内部反応層41から外部捕集層42へ向けて連続的に組成が変化する連続層45からなる。この場合においても、連続層45の表層側、すなわち、酸化剤ガスOが導入される酸化剤ガス流路10に面する表層側において外部捕集層42が形成され、中間層5側に内部反応層41が形成される。
(Embodiment 3)
In this embodiment, a fuel cell in which the air electrode is formed by a continuous layer will be described.
As illustrated in FIG. 3, the
連続層45は、La、Sr、Sm、Ni、及びMnからなる群から選択される少なくとも1種の元素と、Coとを含む遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなり、内部反応層41側から外部捕集層42側へCo含有量が増加することが好ましい。換言すれば、空気極4を構成する遷移金属ペロブスカイト型酸化物において、空気極4の中間層5側から酸化剤ガス流路10に面する表層側に向けてCo含有量が増加していることが好ましい。この場合には、三相界面の活性が要求される連続層45の中間層5側には、内部反応層41が形成され、内部反応層41が良好な発電反応を発揮でき、汚染物質の捕集及び導電性が要求される連続層45の表層側においては、外部捕集層42が形成され、外部捕集層42が良好な捕集性能及び導電性を発揮することができる。その他の構成、作用効果は、実施形態1と同様である。
The
連続層45からなる空気極4は、例えば次のようにして形成することができる。内部反応層41上に、酸化コバルトあるいはコバルト酸ストロンチウムを含有したペーストを、スクリーン印刷法などによって層状に塗布し、焼成により焼き付ける。内部反応層41上でコバルト酸化物層を焼成することで内部反応層とコバルト酸化層との界面でコバルトが固体拡散し、表面に向かう程Co含有量を増加させた連続層45が形成される。この時の酸化コバルト層の膜厚は内部反応層41に対して1/2以下であることが好ましい。また酸化コバルトペーストは、例えば酸化コバルトとバインダー等を含むことができ、酸化コバルトにバインダー等を添加することによってペースト状に調製することができる。焼成温度は例えば900℃〜1100℃の範囲で調整することができ、焼成時間は、厚みやバインダー量などにより適宜調整することができる。
The
(実施形態4)
本実施形態においては、空気極における酸化剤ガスの導入端面が外部捕集層によって被覆された燃料電池について説明する。図4に例示されるように、燃料電池1においては、空気極4側に集電板6が配置され、両者の間には酸化剤ガス流路10が形成される。集電板6の具体的な構成については実施形態6において後述するが、集電板6は、例えば集電基板61と多数の突起状の集電部62とを有することができる。
(Embodiment 4)
In the present embodiment, a fuel cell in which the oxidant gas introduction end surface of the air electrode is covered with an external collection layer will be described. As illustrated in FIG. 4, in the
図4に例示されるように、酸化剤ガス流路10には、例えば燃料電池1の側面に形成される酸化剤ガス導入口11から酸化剤ガスOが導入される。図4及び図5に例示されるように、酸化剤ガス導入口11から導入された酸化剤ガスOは、酸化剤ガス流路10内で空気極4の酸化剤ガスOの導入端面43に衝突する。導入端面43は、空気極4の側面に位置し、空気極4における酸化剤ガス導入口11側に位置する端面である。
As illustrated in FIG. 4, the oxidant gas O is introduced into the
本実施形態の燃料電池1においては、内部反応層41が導入端面43において外部捕集層42によって被覆されている。すなわち、導入端面43においては、外部捕集層42の側端面421が内部反応層41の側端面411よりも酸化剤ガス導入口11側に延設されており、内部反応層41の側端面411が露出せず、外部捕集層42に被覆されている。
In the
本実施形態における空気極4は、次のようにして形成される。まず、実施形態1と同様に、セラミックス基板における中間層5上に、内部反応層形成用ペーストを、スクリーン印刷法などによって層状に塗布し、焼成により焼き付ける。次に、内部反応層41上に、外部捕集層形成用ペーストを、スクリーン印刷法などによって層状に塗布し、焼成により焼き付ける。このとき、導入端面43においては、内部反応層41の側端面411よりも酸化剤ガス導入口11側に延設して外部捕集層形成用ペーストを塗布する。このようにして、導入端面43においては外部捕集層42によって内部捕集層41を被覆させることができる。
The
本実施形態の燃料電池1は、酸化剤ガスOの導入端面43においても、外部捕集層42が内部反応層41を被覆しているため、導入端面43においても酸化剤ガスOが外部捕集層42を通過してから内部反応層41に到達する。これにより、酸化剤ガスOがたとえ汚染物質を含有していたとしても、導入端面43においても汚染物質が外部捕集層42で確実に捕集される。そのため、内部反応層41への汚染物質の飛来がさらに抑制されるため、内部反応層41の被毒劣化をより十分に防止することができる。すなわち、空気極4の側面からの内部反応層41の被毒劣化を防止することができる。したがって、燃料電池1は、より長期間安定して電池性能を発揮することができ、信頼性がさらに高い。その他の構成、作用効果は実施形態1と同様である。
In the
(実施形態5)
実施形態4においては、導入端面における内部反応層を外部捕集層で被覆した例について説明したが、本実施形態は、図6に例示されるように、空気極4の導入端面43以外の端面においても内部反応層41を外部捕集層42で被覆する形態について説明する。
(Embodiment 5)
In the fourth embodiment, an example in which the inner reaction layer on the introduction end face is covered with the outer scavenging layer has been described, but in the present embodiment, as illustrated in FIG. 6, the end faces other than the
図6に例示されるように、本実施形態の燃料電池1においては、実施形態4と同様に、内部反応層41が導入端面43において外部捕集層42によって被覆されている。さらに、導入端面43以外の端面44、45においても内部反応層41が外部捕集層42によって被覆されている。具体的には、酸化剤ガスOの流入方向Xinと平行に伸びる側端面44、45において、内部反応層41が外部捕集層42によって被覆されている。外部捕集層42よって被覆される側端面44、45は、流入方向Xinと完全に平行である必要はなく、部分的に又は全体が傾斜していても、各側端面44、45の全体形状が外観上流入方向Xinと平行であればよい。
As illustrated in FIG. 6, in the
燃料電池1から酸化剤ガスOが排出される排出端面46は、内部反応層41が外部捕集層42によって被覆されておらず、内部反応層41の側端面411が露出している。ただし、排出端面46においても内部反応層41が外部捕集層42によって被覆されていてもよい。
The
本実施形態のように、導入端面43以外の端面44、45においても内部反応層41が外部捕集層42によって被覆されている場合には、これらの端面44、45においても、酸化剤ガスOは外部捕集層42を通過してから内部反応層41に至る。そのため、内部反応層41の被毒劣化をさらに確実に防止することができる。その他の構成、作用効果は実施形態1と同様である。
When the
(実施形態6)
本実施形態においては、突起状の集電部を有する集電板を有する燃料電池について説明する。図7に例示されるように、燃料電池1においては、空気極4側に集電板6が配置される。集電板6は、導電性を有し、例えば金属製である。
(Embodiment 6)
In the present embodiment, a fuel cell having a current collector plate having a projection-shaped current collector will be described. As illustrated in FIG. 7, in the
集電板6は、例えば板状、シート状等の集電基板61と、この集電基板61から空気極4に向かって伸びる多数の突起状の集電部62とを有する。突起状の集電部62の形状は、特に制限はなく、櫛歯状、ブラシ状等の各パターンにて形成することが可能である。
The
図7及び図8に例示されるように、本実施形態において、集電部62の形状は、集電基板61から伸びる棒状、針状などであり、各集電部62は互いに並行に配置される共に、隣り合う集電部62が所定間隔を空けて配置させることができる。換言すれば、図8に例示されるように、燃料電池1内への酸化剤ガスOの流入方向Xin、燃料電池1からの酸化剤ガスOの排出方向Xoutと平行及び垂直な方向に各集電部62を所定間隔で配置することができる。流入方向Xinと排出方向Xoutは、例えば同じ方向である。
As illustrated in FIGS. 7 and 8, in the present embodiment, the shape of the
図7及び図8に例示されるように、各集電部62は、空気極4の外表面、具体的には外部捕集層42に当接する。集電部62は、カソードである空気極4と当接部47において電気的に接続されており集電を行う。当接部47の周囲、すなわち非当接部48は、空気極4の外部捕集層42の厚みが当接部47に比べて大きくなっており、肉厚部481が形成されている。換言すれば、当接部47は、外部捕集層42の厚みが非当接部48に比べて小さくなっており、肉厚部481に比べて相対的に厚みの小さい肉薄部471が形成されている。図7に例示されるように、当接部47と非当接部48では、外部捕集層42にΔT分だけ厚み差がある。
As illustrated in FIGS. 7 and 8, each
厚みの異なる外部捕集層42は、例えば次のようにして形成することができる。まず、実施形態1と同様に、セラミックス基板における中間層5上に、内部反応層形成用ペーストを、スクリーン印刷法などによって層状に塗布し、焼成により焼き付ける。次に、内部反応層41上に、外部捕集層形成用ペーストを、スクリーン印刷法などによって層状に塗布し、焼成により焼き付ける。次いで、当接部47以外の領域に対して、外部捕集層形成用ペーストをさらに塗布し、焼成により焼き付ける。このようにして、当接部47に比べて当接部47の周囲の厚みが大きな外部捕集層42を形成することができる。
The external collection layers 42 having different thicknesses can be formed, for example, as follows. First, similarly to
本実施形態の燃料電池1は、上述のように集電部62と外部捕集層42との当接部47に肉薄部471を有し、当接部47の周囲、すなわち集電部62と外部捕集層42の非当接部48に肉厚部481を有している。そのため、外部捕集層42の厚みの小さい当接部47においては、外部捕集層42の電気抵抗が小さく、集電体62により効率的な集電が可能になる。一方、外部捕集層42の厚みの大きな非当接部48においては、外部捕集層42によって、酸化剤ガスO中の汚染物質の十分な捕集が可能になる。
As described above, the
肉厚部481による汚染物質の捕集性能の向上効果を十分に得るという観点から、肉厚部481の厚みは、肉薄部471の厚みの1.1倍以上が好ましく、1.2倍以上がより好ましい。一方、肉薄部471の厚みは、上述の外部捕集層42の厚みと同様に、内部捕集層41の厚みの1/3以上であることが、導電性等の観点から好ましい。その他の構成、作用効果は実施形態4と同様である。
From the viewpoint of sufficiently obtaining the effect of improving the trapping performance of the pollutants by the
(変形例)
本例は、集電部の形成パターンが実施形態6とは異なる2つの変形例について説明する。変形例1は、図9(a)に例示されるように、櫛歯状に伸びる集電部の例である。各集電部62は、所定の間隔を空けて例えば酸化剤ガスの流入方向と平行な方向に伸びる。この場合には、集電部62間に、互いに平行な複数の酸化剤ガス流路10が形成される。そのため、酸化剤ガスOの流れ方向を均一にすることが可能になる。櫛歯状に伸びる集電部62は、当接部47において空気極4と当接している。
(Modification)
In this example, two modification examples in which the formation pattern of the current collector is different from that of the sixth embodiment will be described.
変形例1の燃料電池においては、実施形態6と同様に、当接部47の周囲における外部捕集層42の厚みを大きくして肉厚部481を形成することができる。この場合には、流入方向Xと平行に伸びる酸化剤ガス流路10に面する外部捕集層42の厚みが大きくなる。そのため、外部捕集層42の肉厚部481において、酸化剤ガスO中の汚染物質を十分に捕集することができる。その他の構成及び作用効果は、実施形態6と同様である。
In the fuel cell of Modification Example 1, as in the sixth embodiment, the
変形例2は、図9(b)に例示されるように、集電基板から伸びる複数の棒状又は針状の集電部62を、半ピッチずつずらして配置した例である。すなわち、各集電部62は、酸化剤ガスOの流入方向Xinと平行な方向に所定の間隔を空けて配置されている。流入方向Xinと垂直な方向に並ぶ各集電部62は、流入方向Xに半ピッチずつずれて配置されている。そのため、酸化剤ガス流路10内を流れる酸化剤ガスOは、集電部62によって流路10内で拡散される。そのため、発電効率がより向上する。
また、拡散した酸化剤ガスOが流れる酸化剤ガス流路10は、集電部62と空気極4との当接部47の周囲に形成されており、この周囲においては、実施形態6と同様に外部捕集層42の厚みを大きくして肉厚部481を形成することができる。そのため、外部捕集層42の肉厚部481においては、酸化剤ガスO中の汚染物質を十分に捕集することができる。その他の構成及び作用効果は、実施形態6と同様である。
Further, the oxidant
(実験例1)
本例は、外部捕集層を有する空気極、及び外部捕集層を有していない空気極について、空気極における汚染物質の浸入度合の違いを比較する例である。まず、実施形態1と同様の構成を有する燃料電池を次のようにして作製した。
<材料準備>
(Experimental example 1)
This example is an example in which the difference in the degree of infiltration of pollutants in the air electrode is compared between the air electrode having the outer collection layer and the air electrode not having the outer collection layer. First, a fuel cell having the same structure as that of the first embodiment was manufactured as follows.
<Material preparation>
NiO粉末と、8mol%のY2O3を含むイットリア安定化ジルコニア粉末と、カーボンと、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミル、2-ブタノールおよびエタノールとをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。8mol%のY2O3を含むイットリア安定化ジルコニアのことを、以下、8YSZという。NiO粉末の平均粒子径は1.0μmであり、8YSZ粉末の平均粒子径は0.8μmである。NiO粉末とYSZ粉末の質量比は、60:40とした。上記スラリーを、ドクターブレード法を用いて、プラスチック基材上に層状に塗工し、乾燥させることにより、燃料極形成用シートを準備した。なお、粉末の平均粒子径は、レーザー回折・散乱法により測定した体積基準の累積度数分布が50%を示すときの粒子径d50である。粒子径は具体的には直径である。以降の粉末の平均粒子径についても同様である。 A slurry was prepared by mixing NiO powder, yttria-stabilized zirconia powder containing 8 mol% Y 2 O 3 , carbon, polyvinyl butyral, isoamyl acetate, 2-butanol and ethanol in a ball mill. The yttria-stabilized zirconia containing 8 mol% Y 2 O 3 is hereinafter referred to as 8YSZ. The NiO powder has an average particle diameter of 1.0 μm, and the 8YSZ powder has an average particle diameter of 0.8 μm. The mass ratio of the NiO powder and the YSZ powder was 60:40. A sheet for fuel electrode formation was prepared by applying the above slurry in a layered manner on a plastic substrate using a doctor blade method and drying. The average particle diameter of the powder is the particle diameter d50 when the volume-based cumulative frequency distribution measured by the laser diffraction/scattering method shows 50%. The particle size is specifically a diameter. The same applies to the average particle diameter of the powder thereafter.
平均粒子径0.8μmの8YSZ粉末と、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミル、2-ブタノールおよびエタノールとをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。このスラリーを、ドクターブレード法を用いて、プラスチック基材上に層状に塗工し、乾燥させることにより、固体電解質層形成用シートを準備した。 A slurry was prepared by mixing 8YSZ powder having an average particle diameter of 0.8 μm, polyvinyl butyral, isoamyl acetate, 2-butanol and ethanol in a ball mill. A sheet for forming a solid electrolyte layer was prepared by applying this slurry in layers on a plastic substrate using a doctor blade method and drying.
10mol%のGdがドープされたセリア粉末と、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミル、2-ブタノールおよびエタノールとをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。10mol%のGdがドープされたセリアのことを、以下「10GDC」という。10GDC粉末の平均粒子径は0.8μmである。このスラリーを、ドクターブレード法を用いて、プラスチック基材上に層状に塗工し、乾燥させることにより、中間層形成用シートを準備した。 A slurry was prepared by mixing 10 mol% Gd-doped ceria powder, polyvinyl butyral, isoamyl acetate, 2-butanol, and ethanol in a ball mill. Ceria doped with 10 mol% of Gd is hereinafter referred to as “10GDC”. The average particle size of 10GDC powder is 0.8 μm. A sheet for forming an intermediate layer was prepared by applying the slurry in a layer form on a plastic substrate using a doctor blade method and drying.
La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3粉末と、エチルセルロースと、テルピネオールとをボールミルにて混合することにより、空気極の内部反応層形成用ペーストを準備した。La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3のことを、以下「LSCF」という。LSCF粉末の平均粒子径は0.6μmである。 A La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 powder, ethyl cellulose, and terpineol were mixed in a ball mill to prepare an air electrode internal reaction layer forming paste. Hereinafter, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 is referred to as “LSCF”. The average particle size of the LSCF powder is 0.6 μm.
La0.6Sr0.4CoO3粉末と、エチルセルロースと、テルピネオールとをボールミルにて混合することにより、空気極の外部捕集層形成用ペーストを準備した。La0.6Sr0.4CoO3のことを、以下「LSC」という。LSC粉末の平均粒子径は、0.5μmであり、10GDC粉末の平均粒子径は0.8μmである。 A La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 powder, ethyl cellulose, and terpineol were mixed in a ball mill to prepare a paste for forming an external collecting layer of an air electrode. Hereinafter, La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 is referred to as “LSC”. The LSC powder has an average particle size of 0.5 μm, and the 10GDC powder has an average particle size of 0.8 μm.
<燃料電池の作製>
燃料極形成用シート、固体電解質層形成用シート、および、中間層形成用シートをこの順に積層し、積層体を得た。得られた積層体は、静水圧プレス成形法を用いて圧着、脱脂した。静水プレスはCIPとも言われる。なお、CIP成形条件は、温度80℃、加圧力50MPa、加圧時間10分という条件とした。
<Fabrication of fuel cell>
The fuel electrode forming sheet, the solid electrolyte layer forming sheet, and the intermediate layer forming sheet were laminated in this order to obtain a laminate. The obtained laminate was pressure-bonded and degreased using a hydrostatic press molding method. The hydrostatic press is also called CIP. The CIP molding conditions were a temperature of 80° C., a pressure of 50 MPa, and a pressurizing time of 10 minutes.
上記積層体を1350℃で2時間焼成した。これにより、厚み500μmの燃料極、厚み10μmの固体電解質層、および、厚み10μmの中間層がこの順に積層された焼結体を得た。 The laminate was fired at 1350° C. for 2 hours. As a result, a sintered body was obtained in which a fuel electrode having a thickness of 500 μm, a solid electrolyte layer having a thickness of 10 μm, and an intermediate layer having a thickness of 10 μm were laminated in this order.
次いで、上記焼結体における中間層の表面に、内部反応層形成用ペーストをスクリーン印刷法により塗布し、1000℃で2時間焼成することによって厚み60μmの内部反応層を形成した。内部反応層の焼結粒の平均粒子径は、1.5μmであった。 Next, an internal reaction layer forming paste was applied to the surface of the intermediate layer in the above-mentioned sintered body by a screen printing method, and baked at 1000° C. for 2 hours to form an internal reaction layer having a thickness of 60 μm. The average particle size of the sintered particles in the inner reaction layer was 1.5 μm.
次いで、上記焼結体における内部反応層の表面に、外部捕集層形成用ペーストをスクリーン印刷法により塗布し、900℃で2時間焼成することによって厚み20μmの外部捕集層を形成した。外部捕集層の焼結粒の平均粒子径は2.0μmであった。 Next, the external collection layer forming paste was applied to the surface of the internal reaction layer in the above-mentioned sintered body by a screen printing method, and baked at 900° C. for 2 hours to form an external collection layer having a thickness of 20 μm. The average particle size of the sintered particles in the outer collection layer was 2.0 μm.
このようにして、燃料極、固体電解質層、中間層、内部反応層、および、外部捕集層がこの順に積層されて互いに接合された燃料電池を得た。この燃料電池の空気極側に、実施形態6と同様に集電板を配置し、さらに、公知の方法により単セル構造の燃料電池を複数積層することにより、スタック型の燃料電池を作製した。この燃料電池を実施例1とする。 In this way, a fuel cell in which the fuel electrode, the solid electrolyte layer, the intermediate layer, the internal reaction layer, and the external collection layer were laminated in this order and joined together was obtained. A stack type fuel cell was manufactured by disposing a current collector plate on the air electrode side of this fuel cell as in the sixth embodiment and further stacking a plurality of fuel cells having a single cell structure by a known method. This fuel cell is referred to as Example 1.
また、本例においては、比較用の燃料電池を作製した。この燃料電池は、外部捕集層を有していない点を除いては、実施例1と同様の燃料電池である。この燃料電池を比較例1とする。 In addition, in this example, a fuel cell for comparison was prepared. This fuel cell is the same fuel cell as in Example 1 except that it has no external collection layer. This fuel cell is referred to as Comparative Example 1.
実施例1及び比較例1の各燃料電池を用いて、実使用条件にて駆動させた。具体的には、燃料ガスとしてH2+N2+H2Oの混合ガスを、酸化剤ガスとして空気を燃料電池に供給し、700℃の環境下で燃料電池を駆動させた。駆動時間は5000時間とし、一定条件下で連続駆動を行った。 Each of the fuel cells of Example 1 and Comparative Example 1 was used and driven under actual use conditions. Specifically, a mixed gas of H 2 +N 2 +H 2 O was supplied to the fuel cell as a fuel gas and air was supplied to the fuel cell as an oxidant gas, and the fuel cell was driven in an environment of 700° C. The driving time was 5000 hours, and continuous driving was performed under constant conditions.
次に、二次イオン質量分析によって、駆動後の燃料電池の空気極の深さ方向のCr含有量及びS含有量を調べた。Cr、Sは、空気などの酸化剤ガス中に含まれる汚染物質である。二次イオン質量分析は、SIMSとも呼ばれる。SIMSは、具体的には、アメテック社製のSIMS装置「IMS」を用いて、一次イオン種:Cs+、一次イオン加速エネルギー:5〜10keV、一次イオンビーム径:100〜300nmという条件で測定した。なお、図10に、実施例1の燃料電池を空気極側から示す上面図を示し、同図中に、SIMSの分析点Pの位置を示す。比較例1の燃料電池においても、同じ位置が分析点である。 Next, the Cr content and the S content in the depth direction of the air electrode of the fuel cell after driving were examined by secondary ion mass spectrometry. Cr and S are pollutants contained in an oxidant gas such as air. Secondary ion mass spectrometry is also called SIMS. Specifically, SIMS was measured using a SIMS device “IMS” manufactured by Ametech Co., Ltd. under the conditions of primary ion species: Cs+, primary ion acceleration energy: 5 to 10 keV, and primary ion beam diameter: 100 to 300 nm. .. Note that FIG. 10 is a top view showing the fuel cell of Example 1 from the air electrode side, and the position of the SIMS analysis point P is shown in FIG. Also in the fuel cell of Comparative Example 1, the same position is the analysis point.
分析結果を図11及び図12に示す。図11及び図12において、横軸は、空気極の表面からの深さ方向への距離d(μm)である。図11における縦軸は、Cr含有量(wtppm)である。図12における縦軸は、S含有量(wtppm)である。 The analysis results are shown in FIGS. 11 and 12. 11 and 12, the horizontal axis represents the distance d (μm) in the depth direction from the surface of the air electrode. The vertical axis in FIG. 11 is the Cr content (wtppm). The vertical axis in FIG. 12 is the S content (wtppm).
図11及び図12より知られるように、実施例1は、比較例に比べて、汚染物質であるCr、Sが空気極の内部まで到達し難くなっている。すなわち、外部捕集層を有する実施例1においては、外部捕集層を有していない比較例に比べて、汚染物質Cr、Sの空気極内部への浸入が抑制されている。図11及び図12より知られるように、実施例1においては、厚み20μmの外部捕集層でCr及びSの大部分が捕集されており、内部反応層の被毒が防止されている。 As is known from FIGS. 11 and 12, in Example 1, it is more difficult for the pollutants Cr and S to reach the inside of the air electrode than in the comparative example. That is, in Example 1 having the external trapping layer, infiltration of the contaminants Cr and S into the air electrode was suppressed as compared with the comparative example not having the external trapping layer. As is known from FIGS. 11 and 12, in Example 1, most of Cr and S are trapped by the outer trapping layer having a thickness of 20 μm, and poisoning of the inner reaction layer is prevented.
また、本例においては、LSCF粉末の代わりに、LSC粉末と10GDC粉末とを使用した内部反応層形成用ペーストを用いた点を除いては、実施例1と同様にして作製した燃料電池を作製した。この内部反応層形成用ペーストを用いて作製した内部反応層の焼結粒の平均粒子径は1.0μmであった。この燃料電池についても、駆動後の空気極の深さ方向のCr含有量及びS含有量を調べた結果、本例における実施例1と同様の結果を示したため、図示は省略した。 In addition, in this example, a fuel cell manufactured in the same manner as in Example 1 was manufactured except that an internal reaction layer forming paste using LSC powder and 10 GDC powder was used in place of the LSCF powder. did. The average particle size of the sintered particles of the internal reaction layer produced using this internal reaction layer forming paste was 1.0 μm. Also for this fuel cell, as a result of examining the Cr content and the S content in the depth direction of the air electrode after driving, the same results as in Example 1 in this example were shown, and therefore, the illustration is omitted.
このように、本例によれば、空気極の内部反応層に外部捕集層を積層形成することにより、内部反応層の被毒を長期間防止できることがわかる。 As described above, according to the present example, it is understood that the internal reaction layer can be prevented from being poisoned for a long period of time by stacking the external collection layer on the internal reaction layer of the air electrode.
(実験例2)
本例は、実施形態5と同様の構成の燃料電池について、実験例1と同様に空気極の被毒を分析する例である。本例の燃料電池は、実施形態5と同様に、空気極4の排出端面46以外の端面43、44、45における内部反応層41が外部捕集層43によって被覆されている(図13参照)。これを実施例2とする。なお、内部反応層41上に外部捕集層43が積層形成されているため、図13において内部反応層41は本来示されないが、説明の便宜のため、内部反応層41の外縁を破線にて示す。
(Experimental example 2)
This example is an example of analyzing the poisoning of the air electrode in the same manner as in Experimental Example 1 for the fuel cell having the same configuration as that of the fifth embodiment. In the fuel cell of this example, as in the fifth embodiment, the
実施例2の燃料電池は、次のようにして作製した。まず、LSCF粉末の代わりに、LSC粉末と10GDC粉末とを使用した内部反応層形成ペーストを用いた点を除いては、実施例1と同様にして、焼結体における中間層の表面に内部反応層形成用ペーストを塗布し、焼成することによって内部反応層を形成した。内部反応層の焼結粒の平均粒子径は、1.0μmである。 The fuel cell of Example 2 was manufactured as follows. First, in the same manner as in Example 1 except that an internal reaction layer forming paste using LSC powder and 10GDC powder was used in place of the LSCF powder, the internal reaction on the surface of the intermediate layer in the sintered body was performed. An internal reaction layer was formed by applying a layer-forming paste and baking it. The average particle size of the sintered particles in the inner reaction layer is 1.0 μm.
次いで、内部反応層の上から外部捕集層形成用ペーストをスクリーン印刷により塗布した。このとき、排出端面46以外の端面43、44、45において、内部反応層41の側端面411よりも2mmだけ延設して外部捕集層形成用ペーストを塗布した。次いで、温度900℃で2時間焼成することにより、厚み20μmの外部捕集層42を形成した。外部捕集層の焼結粒の平均粒子径は1.5μmである。その他は、実施例1と同様にして燃料電池を製造した。
Next, the external collecting layer forming paste was applied from above the internal reaction layer by screen printing. At this time, on the end faces 43, 44, 45 other than the
図13に例示されるように、実施例2の燃料電池1の空気極4の端面43、44、45においては、外部捕集層42の側端面421が内部反応層41の側端面411よりも延設されており、内部反応層41の側端面411が露出せず、外部捕集層42に被覆されている。酸化剤ガスの排出端面46を除き、各端面43、44、45においては、外部捕集層42は、内部反応層よりも2mm拡大して形成されており、図13においてΔW=2mmである。
As illustrated in FIG. 13, in the end faces 43, 44, 45 of the
実験例1と同様に、実施例2の燃料電池を駆動させた後、空気極4における深さ方向のCr含有量及びS含有量を調べた。分析点Pは、実験例1と同じ位置であり、図13に示される位置である。その結果を図14及び図15に示す。図14及び図15には、比較用として、実施例1の結果を併記する。
Similar to Experimental Example 1, after driving the fuel cell of Example 2, the Cr content and the S content in the depth direction of the
図14及び図15より知られるように、実施例2の燃料電池は、実施例1に比べて、さらに空気極の被毒が抑制されていることがわかる。すなわち、内部反応層41の側端面411を外部捕集層42により被覆することにより、内部反応層41の被毒がより一層抑制されることがわかる。また、実施形態4のように、酸化剤ガスOの導入端面41における内部反応層41の側端面411を少なくとも外部捕集層に42より被覆させ、他の側端面44、45、46を露出させた空気極を有する燃料電池についても、同様の分析を行ったが、実施例2と同様の結果を示したため、図示を省略する。
As is known from FIGS. 14 and 15, it can be seen that the fuel cell of Example 2 is further suppressed in poisoning of the air electrode as compared with Example 1. That is, it can be seen that by covering the
したがって、実施形態4及び実施形態5のように、内部反応層41が端面においても外部捕集層42によって被覆されている場合には、空気極4の端面においても外部捕集層42によって酸化剤ガス中の汚染物質を捕集することができる。その結果、内部反応層41の被毒劣化をより確実に防止することができ、燃料電池1は、より長期間安定して電池性能を発揮することができる。
Therefore, when the
(実験例3)
本例は、実施形態6と同様の燃料電池について、実験例1と同様に空気極の被毒を分析する例である。本例の燃料電池1は、図16(a)及び(b)に例示されるように、実施形態6と同様に集電部62と外部捕集層42との当接部47に肉薄部471を有し、当接部47の周囲、すなわち集電部62と外部捕集層42の非当接部48に肉厚部481を有している。本例の燃料電池1を実施例3とする。
(Experimental example 3)
This example is an example of analyzing the poisoning of the air electrode in the same manner as in Experimental Example 1 for the fuel cell similar to that of the sixth embodiment. In the
実施例3の燃料電池において、外部捕集層42の肉薄部471の厚みは、他の実施例と同様に20μmであり、肉厚部481の厚みは40μmである。また、空気極4の内部反応層41は導入端面43において外部捕集層42によって被覆されている。
In the fuel cell of Example 3, the
実施例3の燃料電池は、次のようにして作製した。まず、LSCF粉末の代わりに、LSC粉末と10GDC粉末とを使用した内部反応層形成ペーストを用いた点を除いては、実施例1と同様にして、焼結体における中間層の表面に内部反応層形成用ペーストを塗布し、焼成することによって内部反応層を形成した。内部反応層の焼結粒の平均粒子径は、1.0μmである。 The fuel cell of Example 3 was manufactured as follows. First, in the same manner as in Example 1 except that an internal reaction layer forming paste using LSC powder and 10GDC powder was used in place of the LSCF powder, the internal reaction on the surface of the intermediate layer in the sintered body was performed. An internal reaction layer was formed by applying a layer-forming paste and baking it. The average particle size of the sintered particles in the inner reaction layer is 1.0 μm.
次いで、内部反応層の上から外部捕集層形成用ペーストをスクリーン印刷により塗布した。このとき、導入端面43においては、内部反応層41の側端面411よりも2mmだけ延設して外部捕集層形成用ペーストを塗布した。次いで、温度900℃で2時間焼成することにより、厚み20μmの外部捕集層42を形成した。外部捕集層の焼結粒の平均粒子径は1.5μmである。
Next, the external collecting layer forming paste was applied from above the internal reaction layer by screen printing. At this time, the
次いで、集電板6の集電部62との当接部47以外の領域に対して、スクリーン印刷により外部捕集層形成用ペーストを再度塗布し、温度900℃で2時間焼成した。外部捕集層上にさらに積層形成した外部捕集層における焼結粒の平均粒子径は2.0μmである。
Next, the external collecting layer forming paste was applied again by screen printing to the region of the
このようにして、肉厚部481の厚みが40μm、肉薄部471の厚みが20μmの外部捕集層42を形成した。その他は、実施例1と同様にして燃料電池1を製造した。
In this way, the
実験例1と同様に、実施例3の燃料電池1を駆動させた後、空気極4における深さ方向のCr含有量及びS含有量を調べた。分析点Pは、実験例1と同じ位置であり、図16(a)及び(b)に示されるように当接部47の位置である。その結果を図17及び図18に示す。図17及び図18には、比較用として、実施例1の結果を併記する。
Similar to Experimental Example 1, after driving the
図17及び図18より知られるように、実施例3の燃料電池は、実施例1に比べて、さらに空気極4の被毒が抑制されていることがわかる。すなわち、当接部47の周囲、すなわち、非当接部48における外部捕集層42の厚みを大きくして、肉厚部481を形成することにより、内部反応層41の被毒をより一層抑制できることがわかる。
As is known from FIGS. 17 and 18, it is understood that the fuel cell of Example 3 is further suppressed in poisoning of the
したがって、実施形態6のように、当接部47の周囲の外部捕集層42の厚みを大きくすることにより、内部反応層41の被毒劣化をより一層防止することができ、燃料電池1がより長期間安定して電池性能を発揮することができる。
Therefore, as in the sixth embodiment, by increasing the thickness of the
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、各実施形態、実施例の構成を相互に組み合わせることができる。外部捕集層42及び内部反応層41における遷移金属ペロブスカイト型酸化物等の組成は、適宜変更可能である。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, but can be applied to various embodiments without departing from the spirit of the invention. For example, the configurations of the respective embodiments and examples can be combined with each other. The composition of the transition metal perovskite type oxide or the like in the
1 固体酸化物形燃料電池
2 燃料極
3 固体電解質層
4 空気極
41 内部反応層
42 外部捕集層
5 中間層
6 集電板
1 Solid
Claims (16)
上記空気極は、上記固体電解質層側に形成された内部反応層(41)と、上記内部反応層上に形成され、かつ酸化剤ガス(O)中の汚染物質を捕集する外部捕集層(42)と、を有し、
さらに、上記空気極上に形成された集電板(6)を有し、上記集電板は、集電基板(61)と上記集電基板から上記空気極に向かって伸びる複数の突起状の集電部(62)を有し、上記空気極における上記集電部との当接部(47)の周囲は、上記当接部に比べて上記外部捕集層の厚みが大きい、固体酸化物形燃料電池(1)。 The fuel electrode (2), the solid electrolyte layer (3), and the air electrode (4) are laminated in this order,
The air electrode includes an internal reaction layer (41) formed on the solid electrolyte layer side, and an external collection layer formed on the internal reaction layer and collecting contaminants in the oxidant gas (O). and (42), have a,
Furthermore, it has a current collecting plate (6) formed on the air electrode, and the current collecting plate comprises a current collecting substrate (61) and a plurality of projecting collectors extending from the current collecting substrate toward the air electrode. A solid oxide form having an electricity collecting portion (62) and having a thickness of the outer collection layer larger than that of the contact portion around the contact portion (47) of the air electrode with the current collecting portion. Fuel cell (1).
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