JP2015082389A - セル、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収納装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 インターコネクタ層の剥離を抑制できる電解セル、電解セルスタック装置、電解モジュールおよび電解装置を提供する。【解決手段】 支持体1に、Niを含有する第1電極層3、セラミックスからなる固体電解質層4および第2電極層5を順次形成してなり、支持体1の第1電極層が形成されていない部分に、第1電極層3と電気的に接続するランタンクロマイト系酸化物からなるインターコネクタ層8を設けてなるとともに、該インターコネクタ層8が、支持体1側の内側層8aと、該内側層8aの外側に設けられた外側層8bとを具備し、外側層8bが、内側層8aよりも多孔質である。【選択図】図1
Description
本発明は、電解セル、電解セルスタック装置、電解モジュールおよび電解装置に関する。
近年、次世代エネルギーとして、固体酸化物形燃料電池セルを電気的に直列に複数個接続してなるセルスタック装置を、収納容器内に収容した燃料電池装置が種々提案されている。
このような燃料電池装置の固体酸化物形燃料電池セルは、互いに平行な一対の平坦面を有するとともに、内部に燃料ガスを流通させるための燃料ガス通路を有し、かつNiを含有してなる導電性支持体を具備している。そして、この導電性支持体の一方側の平坦面上に、燃料極層、固体電解質層、酸素極層を順に積層し、他方側の平坦面上にインターコネクタ層を積層してなる固体酸化物形燃料電池セルが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
従来、固体酸化物形燃料電池セルは、導電性支持体上に、もしくは導電性支持体上に中間層を介してランタンクロマイト系酸化物からなるインターコネクタ層が接合されており、導電性支持体の周囲を取り囲むように形成された緻密質なジルコニア系酸化物からなる固体電解質層の両端部に、緻密質なランタンクロマイト系酸化物からなるインターコネクタ層の両端部が重なるように接合して構成されている。
しかしながら、固体酸化物形燃料電池セルでは、ランタンクロマイト系酸化物からなるインターコネクタ層は、還元雰囲気に曝されると膨張する傾向があり、導電性支持体等から剥離するおそれがあった。
本発明は、インターコネクタ層の剥離を抑制できる電解セル、電解セルスタック装置、電解モジュールおよび電解装置を提供することを目的とする。
本発明の電解セルは、支持体に、Niを含有する第1電極層、セラミックスからなる固体電解質層および第2電極層を順次形成してなり、前記支持体の前記第1電極層が形成されていない部分に、前記第1電極層と電気的に接続するランタンクロマイト系酸化物からなるインターコネクタ層を設けてなるとともに、該インターコネクタ層が、前記支持体側の内側層と、該内側層の外側に設けられた外側層とを具備し、前記外側層が、前記内側層よりも多孔質であることを特徴とする。
また、本発明の電解セルは、支持体となるNiを含有する第1電極層に、セラミックスからなる固体電解質層および第2電極層を順次形成してなり、前記支持体の前記固体電解質層が形成されていない部分に、該支持体と電気的に接続するランタンクロマイト系酸化物からなるインターコネクタ層を設けてなるとともに、該インターコネクタ層が、前記支
持体側の内側層と、該内側層の外側に設けられた外側層とを具備し、前記外側層が、前記内側層よりも多孔質であることを特徴とする。
持体側の内側層と、該内側層の外側に設けられた外側層とを具備し、前記外側層が、前記内側層よりも多孔質であることを特徴とする。
本発明の電解セルスタック装置は、上記の電解セルを複数具備してなるとともに、該複数の電解セルを電気的に接続してなることを特徴とする。
本発明の電解モジュールは、上記の電解セルスタック装置を収納容器内に収納してなることを特徴とする。
本発明の電解装置は、上記の電解モジュールと、該電解モジュールを作動させるための補機とを、外装ケース内に収納してなることを特徴とする。
本発明の電解セルでは、インターコネクタ層の支持体側(内側層)が還元雰囲気に曝され、外側(外側層)が酸化雰囲気に曝されるが、外側層が内側層より多孔質であるため、酸素が外側層表面からインターコネクタ層の厚み方向に深く浸入し、ランタンクロマイト系酸化物からなるの還元を抑制できるため、インターコネクタ層全体の還元膨張を抑制でき、支持体からの剥離を抑制できる。
図1は、電解セルの一例である固体酸化物形燃料電池セル(以下、燃料電池セルと略す場合がある)を示すものであり、(a)はその横断面図、(b)は(a)の側面図である。なお、両図面において、燃料電池セル10の各構成の一部を拡大して示している。
この燃料電池セル10は中空平板型で、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状をしたNiを含有してなる多孔質の導電性の支持体1を備えている。支持体1の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス通路2が燃料電池セル10の長さ方向Lに貫通して形成されており、燃料電池セル10は、この支持体1上に各種の部材が設けられた構造を有している。
支持体1は、図1に示されている形状から理解されるように、互いに平行な一対の平坦面nと、一対の平坦面nをそれぞれ接続する弧状面(側面)mとで構成されている。平坦面nの両面は互いにほぼ平行に形成されており、一方の平坦面n(一方側主面:下面)と両側の弧状面mを覆うように多孔質な燃料極層(第1電極層)3が配置されており、さらに、この燃料極層3を覆うように、ガス遮断性を有するセラミックスからなる固体電解質層4が配置されている。固体電解質層4の厚みは、40μm以下、20μm以下、さらには15μm以下であることが発電性能向上という点から望ましい。
また、固体電解質層4の表面には、第1中間層9を介して、燃料極層3と対面するように、多孔質な酸素極層(第2電極層)6が配置されている。第1中間層9は、酸素極層6が形成される固体電解質層4上に形成されている。
支持体1の固体電解質層4が積層されていない他方の平坦面n(他方側主面:上面)には、第2中間層7を介してガス遮断性を有するランタンクロマイト系(LaCrO3系)酸化物からなるインターコネクタ8が形成されている。
すなわち、燃料極層3、固体電解質層4は、一方の平坦面(一方側主面:下面)から両端の弧状面mを経由して他方の平坦面n(他方側主面:上面)まで形成されており、固体電解質層4の両端部にはインターコネクタ層8の両端部が積層されて接合されている。
つまり、ガス遮断性を有する固体電解質層4とインターコネクタ層8とで支持体1を取り囲み、内部を流通する燃料ガスが外部に漏出しないように構成されている。言い換えれば、固体電解質層4とインターコネクタ層8とで、ガス遮断性を有する楕円筒状体を形成し、この楕円筒状体の内部が燃料ガス流路とされ、燃料極層3に供給される燃料ガスと、酸素極層6に供給される酸素含有ガスとが、楕円筒状体で遮断されている。
具体的に説明すると、図示しないが、平面形状が矩形状の酸素極層6が、支持体1の上下端部を除いて形成されており、一方、インターコネクタ層8は、図1(b)に示すように、支持体1の長さ方向Lの上端から下端まで形成されており、その幅方向Wの両端部が、固体電解質層4の両端部の表面に接合されている。
ここで、燃料電池セル10は、燃料極層3と酸素極層6とが固体電解質層4を介して対面している部分が燃料電池として機能して発電する。即ち、酸素極層6の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持体1内の燃料ガス通路2に燃料ガス(水素含有ガス)を流し、所定の作動温度まで加熱することにより発電する。そして、かかる発電によって生成した電流は、支持体1に設けられているインターコネクタ層8を介して集電される。
そして、本実施形態では、図1(a)、図2(a)に示すように、インターコネクタ層8は、支持体1側の内側層8aと、該内側層8aの外側に設けられた外側層8bとを具備するとともに、外側層8bは、内側層8aよりも多孔質とされている。
インターコネクタ層8の内側層8aの気孔率は0.2%以下、外側層8bの気孔率は0.3〜2.0%とされている。特には、内側層8aの気孔率は0.2%未満、外側層8bの気孔率は0.5〜1.5%であることが望ましい。気孔率は、走査型電子顕微鏡の300倍の写真について、画像解析装置で求めることができる。
インターコネクタ層8の厚みは、10〜60μm、特には20〜50μmが望ましく、内側層8aの厚みは、インターコネクタ層8全体の厚みの10〜83%の厚み、特には、50〜83%の厚みが望ましく、外側層8bの厚みは、インターコネクタ層8全体の厚みの17〜90%の厚み、特には、17〜50%の厚みが望ましい。内側層8aの厚みは外側層8bよりも厚いことが望ましい。これにより、インターコネクタ層8によるガス遮断性および剥離を抑制できる。内側層8aの厚みは3μm以上、特には5μm以上、さらには10μm以上であることが望ましい。
インターコネクタ層8はMgおよびNiを含有するとともに、外側層8bは内側層8aよりもMgおよびNiの量が少ない。これにより、外側層8bが内側層8aよりも焼結性が悪いため、外側層8bが内側層8aよりも多孔質となる。
なお、内側層8aと外側層8bとの境界が明確でない場合があるが、波長分散型X線マイクロアナライザー分析(EPMA)で、NiおよびMgを検出したとき、インターコネクタ層8の内側層8aが多くなり、外側層8bが、内側層8aと比較して極端に少なくなるため、その境界を、内側層8aと外側層8bとの境界とすることができる。なお、気孔を形成するための造孔剤を添加して外側層成形体を用いて外側層8bを形成しても良い。
以上のように構成された燃料電池セルでは、インターコネクタ層8の支持体1側(内側層8a)が還元雰囲気に曝され、外側(外側層8b)が酸化雰囲気に曝されるが、内側層8aが還元膨張したとしても、外側層8bが内側層8aより多孔質であるため、酸素が外側層8b表面からインターコネクタ層8の厚み方向に深く浸入し、LaCrO3系酸化物の還元を抑制できるため、インターコネクタ層8全体の還元膨張を抑制でき、支持体1からの剥離を抑制できる。
なお、図2(b)は、第2中間層7がない場合の形態を示すものである。すなわち、この形態では、インターコネクタ層8は、支持体1の平坦面nに直接接合している。このような燃料電池セルであっても、上記と同様の効果を得ることができる。
図3は燃料極層が支持体1となる場合であるが、この場合であっても、図1と同様な作用効果を得ることができる。すなわち、図1の形態では、支持体1上に燃料極層3、固体電解質層4、酸素極層6を積層したが、図3のように、燃料極層自体を支持体1とし、この支持体1に、固体電解質層4、酸素極層6を設けても良い。
以下に、本実施形態の燃料電池セル10を構成する各部材について説明する。導電性の支持体1は、燃料ガスを燃料極層3まで透過させるためにガス透過性であること、インターコネクタ層8を介して集電を行うために導電性であることが要求されることから、例えば、Niおよび/またはNiOと、無機酸化物、例えば特定の希土類酸化物とにより形成されている。
特定の希土類酸化物とは、支持体1の熱膨張係数を固体電解質層4の熱膨張係数に近づけるために使用されるものであり、Y、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm、Prからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む希土類酸化物が、Niおよび/またはNiOとの組み合わせで使用することができる。このような希土類酸化物の具体例としては、Y2O3、Lu2O3、Yb2O3、Tm2O3、Er2O3、Ho2O3、Dy2O3、Gd2O3、Sm2O3、Pr2O3を例示することができ、Niおよび/またはNiOとの固溶、反応が殆どなく、また、熱膨張係数が固体電解質層4と同程度であり、かつ安価であるという点から、Y2O3、Yb2O3が好ましい。
また、本実施形態においては、支持体1の良好な導電率を維持し、かつ熱膨張係数を固体電解質層4と近似させるという点で、Niおよび/またはNiO:希土類酸化物=35:65〜65:35の体積比で存在することが好ましい。なお、支持体1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。
また、支持体1は、燃料ガス透過性を有していることが必要であるため、多孔質であり、通常、開気孔率が25%以上、特に30%以上、支持体強度を考慮すると、35%以下、特に32%以下の範囲にあることが好ましい。また、支持体1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。
なお、支持体1の平坦面nの長さ(支持体1の幅方向Wの長さ)は、例えば、15〜3
5mm、弧状面mの長さ(弧の長さ)は、2〜8mmであり、支持体1の厚み(平坦面n間の厚み)は1.5〜5mmである。支持体1の長さは、例えば、100〜300mmとされている。
5mm、弧状面mの長さ(弧の長さ)は、2〜8mmであり、支持体1の厚み(平坦面n間の厚み)は1.5〜5mmである。支持体1の長さは、例えば、100〜300mmとされている。
燃料極層3は、電極反応を生じさせるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスにより形成することができる。例えば、希土類元素が固溶したZrO2または希土類元素が固溶したCeO2と、Niおよび/またはNiOとから形成することができる。なお、希土類元素としては、導電性支持体1において例示した希土類元素を用いることができ、例えばYが固溶したZrO2(YSZ)とNiおよび/またはNiOとから形成することができる。
燃料極層3中の希土類元素が固溶したZrO2または希土類元素が固溶しているCeO2の含有量は、35〜65体積%の範囲にあるのが好ましく、またNiあるいはNiOの含有量は、65〜35体積%であるのが好ましい。さらに、この燃料極層3の開気孔率は、15%以上、特に20〜40%の範囲にあるのが好ましく、その厚みは、1〜30μmであるのが好ましい。
また、燃料極層3は、酸素極層6に対面する位置に形成されていればよいため、例えば酸素極層6が設けられている支持体1の下側の平坦面nにのみ燃料極層3が形成されていてもよい。すなわち、燃料極層3は支持体1の下側の平坦面nにのみ設けられ、固体電解質層4が燃料極層3表面、支持体1の両弧状面m表面および燃料極層3が形成されていない支持体1の上側の平坦面n上に形成された構造をしたものであってもよい。
固体電解質層4は、3〜15モル%のY、Sc、Yb等の希土類元素を含有した部分安定化あるいは安定化ZrO2からなるセラミックスを用いるのが好ましい。また、希土類元素としては、安価であるという点からYが好ましい。固体電解質層4は、部分安定化あるいは安定化ZrO2からなるセラミックスに限定されるものではなく、従来、公知の、例えば、ランタンガレード系の固体電解質層であっても良いことは勿論である。
固体電解質層4と後述する酸素極層6との間に、固体電解質層4と酸素極層6との接合を強固とするとともに、固体電解質層4の成分と酸素極層6の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることを抑制する目的で第1中間層9が形成されている。
第1中間層9としては、Ce以外の他の希土類元素を含有するCeO2系焼結体からなるもので、例えば、(CeO2)1−x(REO1.5)x(式中、REはSm、Y、Yb、Gdの少なくとも1種であり、xは0<x≦0.3を満足する数)で表される組成を有していることが好ましい。さらには、電気抵抗を低減するという点から、REとしてSmやGdを用いることが好ましく、例えば10〜20モル%のSmO1.5またはGdO1.5が固溶したCeO2からなることが好ましい。
酸素極層6としては、いわゆる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により形成することが好ましい。かかるペロブスカイト型酸化物としては、Laを含有する遷移金属ペロブスカイト型酸化物、特にAサイトにSrとLaが共存するLaMnO3系酸化物、LaFeO3系酸化物、LaCoO3系酸化物の少なくとも1種が好ましく、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LaCoO3系酸化物が特に好ましい。なお、上記ペロブスカイト型酸化物においては、Bサイトに、CoとともにFeやMnが存在しても良い。
また、酸素極層6は、ガス透過性を有する必要があり、従って、酸素極層6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好ましい。さらに、酸素極層6の厚みは、集電性という点から30〜100μmであることが好ましい。
50%の範囲にあることが好ましい。さらに、酸素極層6の厚みは、集電性という点から30〜100μmであることが好ましい。
インターコネクタ層8としては導電性セラミックスにより形成されている。燃料ガス(水素含有ガス)およ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、耐還元性、耐酸化性を有する導電性セラミックスとしては、例えば、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)等の導電性セラミックスが使用され、特に支持体1および固体電解質層4の熱膨張係数に近づける目的から、LaCrO3およびMgO、NiO、またはMgO、NiOが固溶したLaCrO3系酸化物が用いられる。なお、MgO、NiOは、LaCrO3に固溶する場合がある。
また、インターコネクタ層8の厚みは、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、10〜60μmであることが好ましい。この範囲ならばガスのリークを防止できるとともに、電気抵抗を小さくできる。
さらに、支持体1とインターコネクタ層8との間には、インターコネクタ層8と支持体1との間の熱膨張係数差を軽減する等のために第2中間層7を形成することができる。
このような第2中間層7としては、燃料極層3と類似した組成とすることができる。例えば、希土類酸化物、希土類元素が固溶したZrO2、希土類元素が固溶したCeO2のうち少なくとも1種と、Niおよび/またはNiOとから形成することができる。より具体的には、例えばY2O3とNiおよび/またはNiOからなる組成や、Yが固溶したZrO2(YSZ)とNiおよび/またはNiOからなる組成、Y、Sm、Gd等が固溶したCeO2とNiおよび/またはNiOからなる組成から形成することができる。なお、希土類酸化物や希土類元素が固溶したZrO2(CeO2)と、Niおよび/またはNiOとは、体積比で40:60〜60:40の範囲とすることが好ましい。
以上説明した本実施形態の燃料電池セル10の作製方法の一例について説明する。先ず、例えば、Niおよび/またはNiO粉末と、Y2O3などの希土類酸化物の粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して坏土を調製し、この坏土を用いて押出成形により支持体成形体を作製し、これを乾燥する。なお、支持体成形体として、支持体成形体を900〜1000℃にて2〜6時間仮焼した仮焼体を用いてもよい。
次に、例えば所定の調合組成に従い、NiOと、Y2O3が固溶したZrO2(YSZ)との素原料を秤量、混合する。この後、混合した粉体に、有機バインダーおよび溶媒を混合して燃料極層用スラリーを調製する。
そして、希土類元素が固溶したZrO2粉末に、トルエン、バインダー粉末、市販の分散剤等を加えてスラリー化したものをドクターブレード等の方法により、成形してシート状の固体電解質層成形体を作製する。
得られたシート状の固体電解質層成形体上に燃料極層用スラリーを塗布し乾燥して燃料極層成形体を形成し、シート状の積層成形体を形成する。この燃料極層成形体および固体電解質層成形体が積層したシート状の積層成形体の燃料極層成形体側の面を導電性支持体成形体に積層し、積層成形体を形成し、これを800〜1200℃で2〜6時間仮焼する。
続いて、インターコネクタ層材料(例えば、LaCrO3系酸化物粉末+MgO粉末+NiO粉末)、有機バインダー及び溶媒を混合して、NiOおよびMgOの多いスラリー
と、NiOおよびMgOの少ないスラリーを作製する(インターコネクタ層用スラリー)。
と、NiOおよびMgOの少ないスラリーを作製する(インターコネクタ層用スラリー)。
続いて、支持体1とインターコネクタ層8との間に位置する第2中間層7の成形体を形成する。例えば、Yが固溶したZrO2とNiOが体積比で40:60〜60:40の範囲となるように混合して乾燥し、有機バインダー等を加えて第2中間層用スラリーを調整し、固体電解質層成形体の両端部間における支持体成形体上に塗布して第2中間層成形体を形成する。
続いて固体電解質層4と酸素極層6との間に配置する第1中間層9を形成する。例えば、GdO1.5が固溶したCeO2粉末を800〜900℃にて2〜6時間、熱処理を行い、第1中間層成形体用の原料粉末を調整する。この原料粉末に、溶媒としてトルエンを添加し、第1中間層用スラリーを作製し、このスラリーを固体電解質層成形体上に塗布して第1中間層成形体を作製する。
この後、固体電解質成形体(仮焼体)の両端部上に、インターコネクタ層用成形体の両端部が積層されるように、第2中間層成形体上面にインターコネクタ層用スラリーを塗布し、積層成形体を作製する。この際、先ず、NiOおよびMgOの多いインターコネクタ層用スラリーを塗布し、乾燥して内側層成形体を形成した後、この内側層成形体上にNiOおよびMgOの少ないインターコネクタ層用スラリーを塗布し、乾燥して外側層成形体を形成し、インターコネクタ層用成形体を形成する。
なお、内側層成形体と外側層成形体とが積層されたインターコネクタ層用シートを作製し、固体電解質成形体の両端部上に、インターコネクタ層用シートの両端部が積層されるように、かつ、第2中間層成形体上面に内側層成形体が当接するように、第2中間層成形体上面にインターコネクタ層用シートを積層し、積層成形体を作製することもできる。
インターコネクタ層用シートは、NiOおよびMgOの多いインターコネクタ層用スラリーを塗布し、乾燥して内側層成形体を形成した後、この内側層成形体上にNiおよびMgの少ないインターコネクタ層用スラリーを塗布し、乾燥して外側層成形体を形成して作製できる。また、内側層成形体と、外側層成形体とを別個にそれぞれ作製し、これらを積層することによってもインターコネクタ層用シートを作製することができる。
次いで、上記の積層成形体を脱バインダー処理し、酸素含有雰囲気中、1400〜1500℃、特には1425〜1475℃にて2〜6時間、同時焼結(同時焼成)する。
NiOおよびMgOの少ない外側層成形体は、NiOおよびMgOの多い内側層成形体よりも焼結性が低いため、同時焼成後には、外側層8bは内側層8aよりも多孔質となる。
さらに、酸素極層用材料(例えば、LaCoO3系酸化物粉末)、溶媒および造孔剤を含有するスラリーをディッピング等により第1中間層上に塗布し、1000〜1300℃で、2〜6時間焼き付けることにより、図1に示す構造の本実施形態の燃料電池セル10を製造できる。
図4は、上述した燃料電池セル10の複数個を、集電部材13を介して電気的に直列に接続して構成されたセルスタック装置の一例を示したものであり、(a)はセルスタック装置11を概略的に示す側面図、(b)は(a)のセルスタック装置11の一部拡大断面図であり、(a)で示した破線で囲った部分を抜粋して示している。なお、(b)において(a)で示した破線で囲った部分に対応する部分を明確とするために矢印にて示してお
り、(b)で示す燃料電池セル10においては、上述した第1中間層9等の一部の部材を省略して示している。
り、(b)で示す燃料電池セル10においては、上述した第1中間層9等の一部の部材を省略して示している。
なお、セルスタック装置11においては、各燃料電池セル10を、集電部材13を介して配列することでセルスタック12を構成しており、各燃料電池セル10の下端部が、燃料電池セル10に燃料ガスを供給するためのガスタンク16に、ガラスシール材等の接着剤により固定されている。また、ガスタンク16に下端部が固定された弾性変形可能な導電部材14により、燃料電池セル10の配列方向の両端から、セルスタック12を挟持している。
また、図4に示す導電部材14においては、燃料電池セル10の配列方向に沿って外側に向けて延びた形状で、セルスタック12(燃料電池セル10)の発電により生じる電流を引出すための電流引出し部15が設けられている。
燃料電池セル10の下端部は、ガスタンク16の上面に形成された開口部内に挿入され、ガラスシール材等の接着剤により固定されている。
図5は、セルスタック装置11を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュール18の一例を示す外観斜視図であり、直方体状の収納容器19の内部に、図4に示したセルスタック装置11を収納して構成されている。
なお、燃料電池セル10にて使用する燃料ガスを得るために、天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器20をセルスタック12の上方に配置している。そして、改質器20で生成された燃料ガスは、ガス流通管21を介してガスタンク16に供給され、ガスタンク16を介して燃料電池セル10の内部に設けられた燃料ガス通路2に供給される。
なお、図5においては、収納容器19の一部(前後面)を取り外し、内部に収納されているセルスタック装置11および改質器20を後方に取り出した状態を示している。図5に示した燃料電池モジュール18においては、セルスタック装置11を、収納容器19内にスライドして収納することが可能である。なお、セルスタック装置11は、改質器20を含むものとしても良い。
また収納容器19の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材22は、図5においてはガスタンク16に並置された一対のセルスタック12の間に配置されるとともに、酸素含有ガスが燃料ガスの流れに合わせて、燃料電池セル10の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、燃料電池セル10の下端部に酸素含有ガスを供給する。そして、燃料電池セル10の燃料ガス通路2より排出される燃料ガスを酸素含有ガスと反応させて燃料電池セル10の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル10の温度を上昇させることができ、セルスタック装置11の起動を早めることができる。また、燃料電池セル10の上端部側にて、燃料電池セル10のガス通路2から排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させることにより、燃料電池セル10(セルスタック12)の上方に配置された改質器20を温めることができる。それにより、改質器20で効率よく改質反応を行うことができる。
さらに、本実施形態の燃料電池モジュール18では、上述した燃料電池セル10を用いたセルスタック装置11を収納容器19内に収納してなることから、発電性能が高く、長期信頼性が向上した燃料電池モジュール18とすることができる。
図6は、外装ケース内に図5で示した燃料電池モジュール18と、セルスタック装置1
1を動作させるための補機(図示せず)とを収納してなる燃料電池装置の一例を示す斜視図である。なお、図6においては一部構成を省略して示している。
1を動作させるための補機(図示せず)とを収納してなる燃料電池装置の一例を示す斜視図である。なお、図6においては一部構成を省略して示している。
図6に示す燃料電池装置23は、支柱24と外装板25とから構成される外装ケース内を仕切板26により上下に区画し、その上方側を上述した燃料電池モジュール18を収納するモジュール収納室27とし、下方側を燃料電池モジュール18を動作させるための補機類を収納する補機収納室28として構成されている。なお、補機収納室28に収納する補機類は省略して示している。
また、仕切板26には、補機収納室28の空気をモジュール収納室27側に流すための空気流通口29が設けられており、モジュール収納室27を構成する外装板25の一部に、モジュール収納室27内の空気を排気するための排気口30が設けられている。
このような燃料電池装置23においては、上述したように、発電性能が高く、信頼性を向上することができる燃料電池モジュール18をモジュール収納室27に収納して構成されることにより、発電性能が高く、信頼性の向上した燃料電池装置23とすることができる。
以上、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。例えば、上記実施形態では、中空平板型の固体酸化物形燃料電池セルについて説明したが、円筒型の固体酸化物形燃料電池セルであっても良いことは勿論である。また、いわゆる横縞型燃料電池セルであっても良い。さらに、各部材間に機能に合わせて各種中間層を形成しても良い。
さらに、上記形態では燃料電池セル、セルスタック装置、燃料電池モジュールならびに燃料電池装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、電解セルに水蒸気と電圧とを付与して水蒸気(水)を電気分解することにより、水素と酸素(O2)を生成する電解セル(SOEC)およびこの電解セルを備える電解モジュールおよび電解装置にも適用することができる。
先ず、平均粒径0.5μmのNiO粉末と、平均粒径0.9μmのY2O3粉末を混合し、有機バインダーと溶媒にて作製した坏土を押出成形法にて成形し、乾燥、脱脂して導電性の支持体成形体を作製した。支持体成形体は、体積比率が、NiOが48体積%、Y2O3が52体積%であった。
次に、8mol%のY2O3が固溶したマイクロトラック法による粒径が0.8μmのZrO2粉末(固体電解質層原料粉末)に、有機バインダーと溶媒とを混合して得られたスラリーを用いて、ドクターブレード法にて固体電解質層シートを作製した。
第1中間層成形体を形成するためのスラリーは、CeO2を90モル%、希土類元素の酸化物(GdO1.5、SmO1.5)を10モル%含む複合酸化物を、溶媒としてイソプロピルアルコール(IPA)を用いて振動ミル又はボールミルにて粉砕し、900℃にて4時間仮焼処理を行い、再度ボールミルにて解砕処理し、セラミック粒子の凝集度を調製し、この粉体に、バインダーと溶媒とを添加し、混合して作製した。
次に平均粒径0.5μmのNiO粉末とY2O3が固溶したZrO2粉末と有機バインダーと溶媒とを混合した燃料極層用スラリーを作製し、固体電解質層用シート上にスクリーン印刷法にて塗布し乾燥して燃料極層成形体を形成した。
固体電解質層用シートに燃料極層成形体を形成したシート状の積層成形体を、その燃料極層成形体側の面を内側にして、支持体成形体の所定位置に積層した。
続いて、上記のような成形体を積層した積層成形体を1000℃にて3時間仮焼処理した。この後、第1中間層成形体を形成するためのスラリーを、スクリーン印刷法にて、固体電解質仮焼体の上面に塗布し乾燥して、第1中間層成形体を形成した。
続いて、平均粒径0.7μmのLaCrO3粉末と、NiO粉末と、MgO粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合したインターコネクタ層用スラリーを作製した。スラリーは、内側層成形体用として、LaCrO3粉末100重量部に対して、NiO粉末、MgO粉末をそれぞれ5重量部添加した内側層成形体用スラリーと、外側層成形体用として、LaCrO3粉末100重量部に対して、NiO粉末、MgO粉末をそれぞれ2重量部添加した外側層成形体用スラリーを準備した。
NiとYSZとからなる原料を混合して乾燥し、有機バインダーと溶媒とを混合して第2中間層用スラリーを調整した。調整した第2中間層用スラリーを、支持体の燃料極層(および固体電解質層)が形成されていない部分(支持体が露出した部分)に塗布して第2中間層成形体を積層し、第2中間層成形体の上に、インターコネクタ層用スラリーを塗布した。
すなわち、先ず、NiO粉末およびMgO粉末の多い内側層成形体用スラリーを塗布し、乾燥して内側層成形体を形成した後、この内側層成形体上にNiO粉末およびMgO粉末の少ない外側層成形体用スラリーを塗布し、乾燥して外側層成形体を形成し、第2中間層成形体の上にインターコネクタ層用成形体を形成した。
次いで、上記の積層成形体を脱バインダー処理し、大気中で1450℃で2時間同時焼成した。
次に、平均粒径2μmのLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3粉末と、イソプロピルアルコールとからなる混合液を作製し、固体電解質上面における第1中間層の表面に噴霧塗布し、酸素極層成形体を形成し、1100℃にて4時間で焼き付け、酸素極層を形成し、図1に示す燃料電池セルを作製した。
なお、作製した燃料電池セルの寸法は25mm×200mmで、支持体の厚み(平坦面n間の厚み)は2mm、燃料極層の厚さは10μm、開気孔率24%、固体電解質層の厚みは20μm、酸素極層の厚みは50μm、開気孔率40%、インターコネクタ層の厚みは30μmであった。
作製した10本の燃料電池セルのインターコネクタ層において、内側層と外側層の気孔率を走査型電子顕微鏡(SEM)の300倍の写真について、画像解析装置でそれぞれ求め、平均値を表1に記載した。また、同時に厚みもSEM写真から求め、平均値を表1に記載した。表1の厚みの欄の()内には、インターコネクタ層の全体厚みに占める比率(%)を記載した。
10本の燃料電池セルの内部に水素ガスを流し、外側に空気を流し、850℃で10時間、導電性支持体および燃料極層の還元処理を施し、還元処理後のインターコネクタ層の剥離状態を20倍の双眼顕微鏡で確認し、10本中1本でも、また1本のセルの一部でも剥離していた場合には剥離有りとした。
インターコネクタ層によるガス遮断性を、10本の燃料電池セルのリーク試験で確認し
た。リーク試験は、所定の部材により一方側の燃料ガス通路を封止した燃料電池セルを水の中にいれ、燃料電池セルの他方側の燃料ガス通路から3kg/cm2に加圧されたHeガスを60秒供給する試験である。10本の燃料電池セルのインターコネクタ層から気泡が生じなかった試料に○を記載し、2本以下の燃料電池セルのインターコネクタ層から気泡が生じた試料に△を記載し、その結果を表1に記載した。
た。リーク試験は、所定の部材により一方側の燃料ガス通路を封止した燃料電池セルを水の中にいれ、燃料電池セルの他方側の燃料ガス通路から3kg/cm2に加圧されたHeガスを60秒供給する試験である。10本の燃料電池セルのインターコネクタ層から気泡が生じなかった試料に○を記載し、2本以下の燃料電池セルのインターコネクタ層から気泡が生じた試料に△を記載し、その結果を表1に記載した。
1:支持体
2:燃料ガス通路
3:燃料極層(第1電極層)
4:固体電解質層
6:酸素極層(第2電極層)
8:インターコネクタ層
8a:内側層
8b:外側層
11:セルスタック装置
18:燃料電池モジュール
23:燃料電池装置
2:燃料ガス通路
3:燃料極層(第1電極層)
4:固体電解質層
6:酸素極層(第2電極層)
8:インターコネクタ層
8a:内側層
8b:外側層
11:セルスタック装置
18:燃料電池モジュール
23:燃料電池装置
本発明は、セル、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収納装置に関する。
近年、次世代エネルギーとして、固体酸化物形燃料電池セルを電気的に直列に複数個接続してなるセルスタック装置を、収納容器内に収容した燃料電池装置が種々提案されている。
このような燃料電池装置の固体酸化物形燃料電池セルは、互いに平行な一対の平坦面を有するとともに、内部に燃料ガスを流通させるための燃料ガス通路を有し、かつNiを含有してなる導電性支持体を具備している。そして、この導電性支持体の一方側の平坦面上に、燃料極層、固体電解質層、酸素極層を順に積層し、他方側の平坦面上にインターコネクタ層を積層してなる固体酸化物形燃料電池セルが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
従来、固体酸化物形燃料電池セルは、導電性支持体上に、もしくは導電性支持体上に中間層を介してランタンクロマイト系酸化物からなるインターコネクタ層が接合されており、導電性支持体の周囲を取り囲むように形成された緻密質なジルコニア系酸化物からなる固体電解質層の両端部に、緻密質なランタンクロマイト系酸化物からなるインターコネクタ層の両端部が重なるように接合して構成されている。
しかしながら、固体酸化物形燃料電池セルでは、ランタンクロマイト系酸化物からなるインターコネクタ層は、還元雰囲気に曝されると膨張する傾向があり、導電性支持体等から剥離するおそれがあった。
本発明は、インターコネクタ層の剥離を抑制できるセル、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収納装置を提供することを目的とする。
本発明のセルは、支持体に、Niを含有する第1電極層、セラミックスからなる固体電解質層および第2電極層を順次形成してなり、前記支持体の前記第1電極層が形成されていない部分に、前記第1電極層と電気的に接続するランタンクロマイト系酸化物からなるインターコネクタ層を設けてなるとともに、該インターコネクタ層が、前記支持体側の内側層と、該内側層の外側に設けられた外側層とを具備し、前記外側層が、前記内側層よりも多孔質であることを特徴とする。
また、本発明のセルは、支持体となるNiを含有する第1電極層に、セラミックスからなる固体電解質層および第2電極層を順次形成してなり、前記支持体の前記固体電解質層が形成されていない部分に、該支持体と電気的に接続するランタンクロマイト系酸化物からなるインターコネクタ層を設けてなるとともに、該インターコネクタ層が、前記支持体側の内側層と、該内側層の外側に設けられた外側層とを具備し、前記外側層が、前記内側層よりも多孔質であることを特徴とする。
本発明のセルスタック装置は、上記のセルを複数具備してなるとともに、該複数のセルを電気的に接続してなることを特徴とする。
本発明のモジュールは、上記のセルスタック装置を収納容器内に収納してなることを特徴とする。
本発明のモジュール収納装置は、上記のモジュールと、該モジュールを作動させるための補機とを、外装ケース内に収納してなることを特徴とする。
本発明のセルでは、インターコネクタ層の支持体側(内側層)が還元雰囲気に曝され、外側(外側層)が酸化雰囲気に曝されるが、外側層が内側層より多孔質であるため、酸素が外側層表面からインターコネクタ層の厚み方向に深く浸入し、ランタンクロマイト系酸化物からなるインターコネクタ層の還元を抑制できるため、インターコネクタ層全体の還元膨張を抑制でき、支持体からの剥離を抑制できる。
図1は、セルの一例である固体酸化物形燃料電池セル(以下、燃料電池セルと略す場合がある)を示すものであり、(a)はその横断面図、(b)は(a)の側面図である。なお、両図面において、燃料電池セル10の各構成の一部を拡大して示している。
この燃料電池セル10は中空平板型で、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状をしたNiを含有してなる多孔質の導電性の支持体1を備えている。支持体1の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス通路2が燃料電池セル10の長さ方向Lに貫通して形成されており、燃料電池セル10は、この支持体1上に各種の部材が設けられた構造を有している。
支持体1は、図1に示されている形状から理解されるように、互いに平行な一対の平坦面nと、一対の平坦面nをそれぞれ接続する弧状面(側面)mとで構成されている。平坦面nの両面は互いにほぼ平行に形成されており、一方の平坦面n(一方側主面:下面)と両側の弧状面mを覆うように多孔質な燃料極層(第1電極層)3が配置されており、さらに、この燃料極層3を覆うように、ガス遮断性を有するセラミックスからなる固体電解質層4が配置されている。固体電解質層4の厚みは、40μm以下、20μm以下、さらには15μm以下であることが発電性能向上という点から望ましい。
また、固体電解質層4の表面には、第1中間層9を介して、燃料極層3と対面するように、多孔質な酸素極層(第2電極層)6が配置されている。第1中間層9は、酸素極層6
が形成される固体電解質層4上に形成されている。
が形成される固体電解質層4上に形成されている。
支持体1の固体電解質層4が積層されていない他方の平坦面n(他方側主面:上面)には、第2中間層7を介してガス遮断性を有するランタンクロマイト系(LaCrO3系)酸化物からなるインターコネクタ8が形成されている。
すなわち、燃料極層3、固体電解質層4は、一方の平坦面(一方側主面:下面)から両端の弧状面mを経由して他方の平坦面n(他方側主面:上面)まで形成されており、固体電解質層4の両端部にはインターコネクタ層8の両端部が積層されて接合されている。
つまり、ガス遮断性を有する固体電解質層4とインターコネクタ層8とで支持体1を取り囲み、内部を流通する燃料ガスが外部に漏出しないように構成されている。言い換えれば、固体電解質層4とインターコネクタ層8とで、ガス遮断性を有する楕円筒状体を形成し、この楕円筒状体の内部が燃料ガス流路とされ、燃料極層3に供給される燃料ガスと、酸素極層6に供給される酸素含有ガスとが、楕円筒状体で遮断されている。
具体的に説明すると、図示しないが、平面形状が矩形状の酸素極層6が、支持体1の上下端部を除いて形成されており、一方、インターコネクタ層8は、図1(b)に示すように、支持体1の長さ方向Lの上端から下端まで形成されており、その幅方向Wの両端部が、固体電解質層4の両端部の表面に接合されている。
ここで、燃料電池セル10は、燃料極層3と酸素極層6とが固体電解質層4を介して対面している部分が燃料電池として機能して発電する。即ち、酸素極層6の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持体1内の燃料ガス通路2に燃料ガス(水素含有ガス)を流し、所定の作動温度まで加熱することにより発電する。そして、かかる発電によって生成した電流は、支持体1に設けられているインターコネクタ層8を介して集電される。
そして、本実施形態では、図1(a)、図2(a)に示すように、インターコネクタ層8は、支持体1側の内側層8aと、該内側層8aの外側に設けられた外側層8bとを具備するとともに、外側層8bは、内側層8aよりも多孔質とされている。
インターコネクタ層8の内側層8aの気孔率は0.2%以下、外側層8bの気孔率は0.3〜2.0%とされている。特には、内側層8aの気孔率は0.2%未満、外側層8bの気孔率は0.5〜1.5%であることが望ましい。気孔率は、走査型電子顕微鏡の300倍の写真について、画像解析装置で求めることができる。
インターコネクタ層8の厚みは、10〜60μm、特には20〜50μmが望ましく、内側層8aの厚みは、インターコネクタ層8全体の厚みの10〜83%の厚み、特には、50〜83%の厚みが望ましく、外側層8bの厚みは、インターコネクタ層8全体の厚みの17〜90%の厚み、特には、17〜50%の厚みが望ましい。内側層8aの厚みは外側層8bよりも厚いことが望ましい。これにより、インターコネクタ層8によるガス遮断性および剥離を抑制できる。内側層8aの厚みは3μm以上、特には5μm以上、さらには10μm以上であることが望ましい。
インターコネクタ層8はMgおよびNiを含有するとともに、外側層8bは内側層8aよりもMgおよびNiの量が少ない。これにより、外側層8bが内側層8aよりも焼結性が悪いため、外側層8bが内側層8aよりも多孔質となる。
なお、内側層8aと外側層8bとの境界が明確でない場合があるが、波長分散型X線マイクロアナライザー分析(EPMA)で、NiおよびMgを検出したとき、インターコネ
クタ層8の内側層8aが多くなり、外側層8bが、内側層8aと比較して極端に少なくなるため、その境界を、内側層8aと外側層8bとの境界とすることができる。なお、気孔を形成するための造孔剤を添加して外側層成形体を用いて外側層8bを形成しても良い。
クタ層8の内側層8aが多くなり、外側層8bが、内側層8aと比較して極端に少なくなるため、その境界を、内側層8aと外側層8bとの境界とすることができる。なお、気孔を形成するための造孔剤を添加して外側層成形体を用いて外側層8bを形成しても良い。
以上のように構成された燃料電池セルでは、インターコネクタ層8の支持体1側(内側層8a)が還元雰囲気に曝され、外側(外側層8b)が酸化雰囲気に曝されるが、内側層8aが還元膨張したとしても、外側層8bが内側層8aより多孔質であるため、酸素が外側層8b表面からインターコネクタ層8の厚み方向に深く浸入し、LaCrO3系酸化物の還元を抑制できるため、インターコネクタ層8全体の還元膨張を抑制でき、支持体1からの剥離を抑制できる。
なお、図2(b)は、第2中間層7がない場合の形態を示すものである。すなわち、この形態では、インターコネクタ層8は、支持体1の平坦面nに直接接合している。このような燃料電池セルであっても、上記と同様の効果を得ることができる。
図3は燃料極層が支持体1となる場合であるが、この場合であっても、図1と同様な作用効果を得ることができる。すなわち、図1の形態では、支持体1上に燃料極層3、固体電解質層4、酸素極層6を積層したが、図3のように、燃料極層自体を支持体1とし、この支持体1に、固体電解質層4、酸素極層6を設けても良い。
以下に、本実施形態の燃料電池セル10を構成する各部材について説明する。導電性の支持体1は、燃料ガスを燃料極層3まで透過させるためにガス透過性であること、インターコネクタ層8を介して集電を行うために導電性であることが要求されることから、例えば、Niおよび/またはNiOと、無機酸化物、例えば特定の希土類酸化物とにより形成されている。
特定の希土類酸化物とは、支持体1の熱膨張係数を固体電解質層4の熱膨張係数に近づけるために使用されるものであり、Y、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm、Prからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む希土類酸化物が、Niおよび/またはNiOとの組み合わせで使用することができる。このような希土類酸化物の具体例としては、Y2O3、Lu2O3、Yb2O3、Tm2O3、Er2O3、Ho2O3、Dy2O3、Gd2O3、Sm2O3、Pr2O3を例示することができ、Niおよび/またはNiOとの固溶、反応が殆どなく、また、熱膨張係数が固体電解質層4と同程度であり、かつ安価であるという点から、Y2O3、Yb2O3が好ましい。
また、本実施形態においては、支持体1の良好な導電率を維持し、かつ熱膨張係数を固体電解質層4と近似させるという点で、Niおよび/またはNiO:希土類酸化物=35:65〜65:35の体積比で存在することが好ましい。なお、支持体1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。
また、支持体1は、燃料ガス透過性を有していることが必要であるため、多孔質であり、通常、開気孔率が25%以上、特に30%以上、支持体強度を考慮すると、35%以下、特に32%以下の範囲にあることが好ましい。また、支持体1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。
なお、支持体1の平坦面nの長さ(支持体1の幅方向Wの長さ)は、例えば、15〜35mm、弧状面mの長さ(弧の長さ)は、2〜8mmであり、支持体1の厚み(平坦面n間の厚み)は1.5〜5mmである。支持体1の長さは、例えば、100〜300mmとされている。
燃料極層3は、電極反応を生じさせるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスにより形成することができる。例えば、希土類元素が固溶したZrO2または希土類元素が固溶したCeO2と、Niおよび/またはNiOとから形成することができる。なお、希土類元素としては、導電性支持体1において例示した希土類元素を用いることができ、例えばYが固溶したZrO2(YSZ)とNiおよび/またはNiOとから形成することができる。
燃料極層3中の希土類元素が固溶したZrO2または希土類元素が固溶しているCeO2の含有量は、35〜65体積%の範囲にあるのが好ましく、またNiあるいはNiOの含有量は、65〜35体積%であるのが好ましい。さらに、この燃料極層3の開気孔率は、15%以上、特に20〜40%の範囲にあるのが好ましく、その厚みは、1〜30μmであるのが好ましい。
また、燃料極層3は、酸素極層6に対面する位置に形成されていればよいため、例えば酸素極層6が設けられている支持体1の下側の平坦面nにのみ燃料極層3が形成されていてもよい。すなわち、燃料極層3は支持体1の下側の平坦面nにのみ設けられ、固体電解質層4が燃料極層3表面、支持体1の両弧状面m表面および燃料極層3が形成されていない支持体1の上側の平坦面n上に形成された構造をしたものであってもよい。
固体電解質層4は、3〜15モル%のY、Sc、Yb等の希土類元素を含有した部分安定化あるいは安定化ZrO2からなるセラミックスを用いるのが好ましい。また、希土類元素としては、安価であるという点からYが好ましい。固体電解質層4は、部分安定化あるいは安定化ZrO2からなるセラミックスに限定されるものではなく、従来、公知の、例えば、ランタンガレード系の固体電解質層であっても良いことは勿論である。
固体電解質層4と後述する酸素極層6との間に、固体電解質層4と酸素極層6との接合を強固とするとともに、固体電解質層4の成分と酸素極層6の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることを抑制する目的で第1中間層9が形成されている。
第1中間層9としては、Ce以外の他の希土類元素を含有するCeO2系焼結体からなるもので、例えば、(CeO2)1−x(REO1.5)x(式中、REはSm、Y、Yb、Gdの少なくとも1種であり、xは0<x≦0.3を満足する数)で表される組成を有していることが好ましい。さらには、電気抵抗を低減するという点から、REとしてSmやGdを用いることが好ましく、例えば10〜20モル%のSmO1.5またはGdO1.5が固溶したCeO2からなることが好ましい。
酸素極層6としては、いわゆる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により形成することが好ましい。かかるペロブスカイト型酸化物としては、Laを含有する遷移金属ペロブスカイト型酸化物、特にAサイトにSrとLaが共存するLaMnO3系酸化物、LaFeO3系酸化物、LaCoO3系酸化物の少なくとも1種が好ましく、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LaCoO3系酸化物が特に好ましい。なお、上記ペロブスカイト型酸化物においては、Bサイトに、CoとともにFeやMnが存在しても良い。
また、酸素極層6は、ガス透過性を有する必要があり、従って、酸素極層6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好ましい。さらに、酸素極層6の厚みは、集電性という点から30〜100μmであることが好ましい。
インターコネクタ層8としては導電性セラミックスにより形成されている。燃料ガス(水素含有ガス)およ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、耐還元性、耐酸化性を有する導電性セラミックスとしては、例えば、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)等の導電性セラミックスが使用され、特に支持体1および固体電解質層4の熱膨張係数に近づける目的から、LaCrO3およびMgO、NiO、またはMgO、NiOが固溶したLaCrO3系酸化物が用いられる。なお、MgO、NiOは、LaCrO3に固溶する場合がある。
また、インターコネクタ層8の厚みは、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、10〜60μmであることが好ましい。この範囲ならばガスのリークを防止できるとともに、電気抵抗を小さくできる。
さらに、支持体1とインターコネクタ層8との間には、インターコネクタ層8と支持体1との間の熱膨張係数差を軽減する等のために第2中間層7を形成することができる。
このような第2中間層7としては、燃料極層3と類似した組成とすることができる。例えば、希土類酸化物、希土類元素が固溶したZrO2、希土類元素が固溶したCeO2のうち少なくとも1種と、Niおよび/またはNiOとから形成することができる。より具体的には、例えばY2O3とNiおよび/またはNiOからなる組成や、Yが固溶したZrO2(YSZ)とNiおよび/またはNiOからなる組成、Y、Sm、Gd等が固溶したCeO2とNiおよび/またはNiOからなる組成から形成することができる。なお、希土類酸化物や希土類元素が固溶したZrO2(CeO2)と、Niおよび/またはNiOとは、体積比で40:60〜60:40の範囲とすることが好ましい。
以上説明した本実施形態の燃料電池セル10の作製方法の一例について説明する。先ず、例えば、Niおよび/またはNiO粉末と、Y2O3などの希土類酸化物の粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して坏土を調製し、この坏土を用いて押出成形により支持体成形体を作製し、これを乾燥する。なお、支持体成形体として、支持体成形体を900〜1000℃にて2〜6時間仮焼した仮焼体を用いてもよい。
次に、例えば所定の調合組成に従い、NiOと、Y2O3が固溶したZrO2(YSZ)との素原料を秤量、混合する。この後、混合した粉体に、有機バインダーおよび溶媒を混合して燃料極層用スラリーを調製する。
そして、希土類元素が固溶したZrO2粉末に、トルエン、バインダー粉末、市販の分散剤等を加えてスラリー化したものをドクターブレード等の方法により、成形してシート状の固体電解質層成形体を作製する。
得られたシート状の固体電解質層成形体上に燃料極層用スラリーを塗布し乾燥して燃料極層成形体を形成し、シート状の積層成形体を形成する。この燃料極層成形体および固体電解質層成形体が積層したシート状の積層成形体の燃料極層成形体側の面を導電性支持体成形体に積層し、積層成形体を形成し、これを800〜1200℃で2〜6時間仮焼する。
続いて、インターコネクタ層材料(例えば、LaCrO3系酸化物粉末+MgO粉末+NiO粉末)、有機バインダー及び溶媒を混合して、NiOおよびMgOの多いスラリーと、NiOおよびMgOの少ないスラリーを作製する(インターコネクタ層用スラリー)。
続いて、支持体1とインターコネクタ層8との間に位置する第2中間層7の成形体を形成する。例えば、Yが固溶したZrO2とNiOが体積比で40:60〜60:40の範囲となるように混合して乾燥し、有機バインダー等を加えて第2中間層用スラリーを調整し、固体電解質層成形体の両端部間における支持体成形体上に塗布して第2中間層成形体を形成する。
続いて固体電解質層4と酸素極層6との間に配置する第1中間層9を形成する。例えば、GdO1.5が固溶したCeO2粉末を800〜900℃にて2〜6時間、熱処理を行い、第1中間層成形体用の原料粉末を調整する。この原料粉末に、溶媒としてトルエンを添加し、第1中間層用スラリーを作製し、このスラリーを固体電解質層成形体上に塗布して第1中間層成形体を作製する。
この後、固体電解質成形体(仮焼体)の両端部上に、インターコネクタ層用成形体の両端部が積層されるように、第2中間層成形体上面にインターコネクタ層用スラリーを塗布し、積層成形体を作製する。この際、先ず、NiOおよびMgOの多いインターコネクタ層用スラリーを塗布し、乾燥して内側層成形体を形成した後、この内側層成形体上にNiOおよびMgOの少ないインターコネクタ層用スラリーを塗布し、乾燥して外側層成形体を形成し、インターコネクタ層用成形体を形成する。
なお、内側層成形体と外側層成形体とが積層されたインターコネクタ層用シートを作製し、固体電解質成形体の両端部上に、インターコネクタ層用シートの両端部が積層されるように、かつ、第2中間層成形体上面に内側層成形体が当接するように、第2中間層成形体上面にインターコネクタ層用シートを積層し、積層成形体を作製することもできる。
インターコネクタ層用シートは、NiOおよびMgOの多いインターコネクタ層用スラリーを塗布し、乾燥して内側層成形体を形成した後、この内側層成形体上にNiおよびMgの少ないインターコネクタ層用スラリーを塗布し、乾燥して外側層成形体を形成して作製できる。また、内側層成形体と、外側層成形体とを別個にそれぞれ作製し、これらを積層することによってもインターコネクタ層用シートを作製することができる。
次いで、上記の積層成形体を脱バインダー処理し、酸素含有雰囲気中、1400〜1500℃、特には1425〜1475℃にて2〜6時間、同時焼結(同時焼成)する。
NiOおよびMgOの少ない外側層成形体は、NiOおよびMgOの多い内側層成形体よりも焼結性が低いため、同時焼成後には、外側層8bは内側層8aよりも多孔質となる。
さらに、酸素極層用材料(例えば、LaCoO3系酸化物粉末)、溶媒および造孔剤を含有するスラリーをディッピング等により第1中間層上に塗布し、1000〜1300℃で、2〜6時間焼き付けることにより、図1に示す構造の本実施形態の燃料電池セル10を製造できる。
図4は、上述した燃料電池セル10の複数個を、集電部材13を介して電気的に直列に接続して構成されたセルスタック装置の一例を示したものであり、(a)はセルスタック装置11を概略的に示す側面図、(b)は(a)のセルスタック装置11の一部拡大断面図であり、(a)で示した破線で囲った部分を抜粋して示している。なお、(b)において(a)で示した破線で囲った部分に対応する部分を明確とするために矢印にて示しており、(b)で示す燃料電池セル10においては、上述した第1中間層9等の一部の部材を省略して示している。
なお、セルスタック装置11においては、各燃料電池セル10を、集電部材13を介して配列することでセルスタック12を構成しており、各燃料電池セル10の下端部が、燃料電池セル10に燃料ガスを供給するためのガスタンク16に、ガラスシール材等の接着剤により固定されている。また、ガスタンク16に下端部が固定された弾性変形可能な導電部材14により、燃料電池セル10の配列方向の両端から、セルスタック12を挟持している。
また、図4に示す導電部材14においては、燃料電池セル10の配列方向に沿って外側に向けて延びた形状で、セルスタック12(燃料電池セル10)の発電により生じる電流を引出すための電流引出し部15が設けられている。
燃料電池セル10の下端部は、ガスタンク16の上面に形成された開口部内に挿入され、ガラスシール材等の接着剤により固定されている。
図5は、セルスタック装置11を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュール18の一例を示す外観斜視図であり、直方体状の収納容器19の内部に、図4に示したセルスタック装置11を収納して構成されている。
なお、燃料電池セル10にて使用する燃料ガスを得るために、天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器20をセルスタック12の上方に配置している。そして、改質器20で生成された燃料ガスは、ガス流通管21を介してガスタンク16に供給され、ガスタンク16を介して燃料電池セル10の内部に設けられた燃料ガス通路2に供給される。
なお、図5においては、収納容器19の一部(前後面)を取り外し、内部に収納されているセルスタック装置11および改質器20を後方に取り出した状態を示している。図5に示した燃料電池モジュール18においては、セルスタック装置11を、収納容器19内にスライドして収納することが可能である。なお、セルスタック装置11は、改質器20を含むものとしても良い。
また収納容器19の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材22は、図5においてはガスタンク16に並置された一対のセルスタック12の間に配置されるとともに、酸素含有ガスが燃料ガスの流れに合わせて、燃料電池セル10の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、燃料電池セル10の下端部に酸素含有ガスを供給する。そして、燃料電池セル10の燃料ガス通路2より排出される燃料ガスを酸素含有ガスと反応させて燃料電池セル10の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル10の温度を上昇させることができ、セルスタック装置11の起動を早めることができる。また、燃料電池セル10の上端部側にて、燃料電池セル10のガス通路2から排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させることにより、燃料電池セル10(セルスタック12)の上方に配置された改質器20を温めることができる。それにより、改質器20で効率よく改質反応を行うことができる。
さらに、本実施形態の燃料電池モジュール18では、上述した燃料電池セル10を用いたセルスタック装置11を収納容器19内に収納してなることから、発電性能が高く、長期信頼性が向上した燃料電池モジュール18とすることができる。
図6は、外装ケース内に図5で示した燃料電池モジュール18と、セルスタック装置11を動作させるための補機(図示せず)とを収納してなる燃料電池装置の一例を示す斜視図である。なお、図6においては一部構成を省略して示している。
図6に示す燃料電池装置23は、支柱24と外装板25とから構成される外装ケース内を仕切板26により上下に区画し、その上方側を上述した燃料電池モジュール18を収納するモジュール収納室27とし、下方側を燃料電池モジュール18を動作させるための補機類を収納する補機収納室28として構成されている。なお、補機収納室28に収納する補機類は省略して示している。
また、仕切板26には、補機収納室28の空気をモジュール収納室27側に流すための空気流通口29が設けられており、モジュール収納室27を構成する外装板25の一部に、モジュール収納室27内の空気を排気するための排気口30が設けられている。
このような燃料電池装置23においては、上述したように、発電性能が高く、信頼性を向上することができる燃料電池モジュール18をモジュール収納室27に収納して構成されることにより、発電性能が高く、信頼性の向上した燃料電池装置23とすることができる。
以上、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。例えば、上記実施形態では、中空平板型の固体酸化物形燃料電池セルについて説明したが、円筒型の固体酸化物形燃料電池セルであっても良いことは勿論である。また、いわゆる横縞型燃料電池セルであっても良い。さらに、各部材間に機能に合わせて各種中間層を形成しても良い。
さらに、上記形態では燃料電池セル、セルスタック装置、燃料電池モジュールならびに燃料電池装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、セルに水蒸気と電圧とを付与して水蒸気(水)を電気分解することにより、水素と酸素(O2)を生成する電解セル(SOEC)およびこの電解セルを備える電解モジュールおよび電解装置にも適用することができる。
先ず、平均粒径0.5μmのNiO粉末と、平均粒径0.9μmのY2O3粉末を混合し、有機バインダーと溶媒にて作製した坏土を押出成形法にて成形し、乾燥、脱脂して導電性の支持体成形体を作製した。支持体成形体は、体積比率が、NiOが48体積%、Y2O3が52体積%であった。
次に、8mol%のY2O3が固溶したマイクロトラック法による粒径が0.8μmのZrO2粉末(固体電解質層原料粉末)に、有機バインダーと溶媒とを混合して得られたスラリーを用いて、ドクターブレード法にて固体電解質層シートを作製した。
第1中間層成形体を形成するためのスラリーは、CeO2を90モル%、希土類元素の酸化物(GdO1.5、SmO1.5)を10モル%含む複合酸化物を、溶媒としてイソプロピルアルコール(IPA)を用いて振動ミル又はボールミルにて粉砕し、900℃にて4時間仮焼処理を行い、再度ボールミルにて解砕処理し、セラミック粒子の凝集度を調製し、この粉体に、バインダーと溶媒とを添加し、混合して作製した。
次に平均粒径0.5μmのNiO粉末とY2O3が固溶したZrO2粉末と有機バインダーと溶媒とを混合した燃料極層用スラリーを作製し、固体電解質層用シート上にスクリーン印刷法にて塗布し乾燥して燃料極層成形体を形成した。
固体電解質層用シートに燃料極層成形体を形成したシート状の積層成形体を、その燃料極層成形体側の面を内側にして、支持体成形体の所定位置に積層した。
続いて、上記のような成形体を積層した積層成形体を1000℃にて3時間仮焼処理した。この後、第1中間層成形体を形成するためのスラリーを、スクリーン印刷法にて、固体電解質仮焼体の上面に塗布し乾燥して、第1中間層成形体を形成した。
続いて、平均粒径0.7μmのLaCrO3粉末と、NiO粉末と、MgO粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合したインターコネクタ層用スラリーを作製した。スラリーは、内側層成形体用として、LaCrO3粉末100重量部に対して、NiO粉末、MgO粉末をそれぞれ5重量部添加した内側層成形体用スラリーと、外側層成形体用として、LaCrO3粉末100重量部に対して、NiO粉末、MgO粉末をそれぞれ2重量部添加した外側層成形体用スラリーを準備した。
NiとYSZとからなる原料を混合して乾燥し、有機バインダーと溶媒とを混合して第2中間層用スラリーを調整した。調整した第2中間層用スラリーを、支持体の燃料極層(および固体電解質層)が形成されていない部分(支持体が露出した部分)に塗布して第2中間層成形体を積層し、第2中間層成形体の上に、インターコネクタ層用スラリーを塗布した。
すなわち、先ず、NiO粉末およびMgO粉末の多い内側層成形体用スラリーを塗布し、乾燥して内側層成形体を形成した後、この内側層成形体上にNiO粉末およびMgO粉末の少ない外側層成形体用スラリーを塗布し、乾燥して外側層成形体を形成し、第2中間層成形体の上にインターコネクタ層用成形体を形成した。
次いで、上記の積層成形体を脱バインダー処理し、大気中で1450℃で2時間同時焼成した。
次に、平均粒径2μmのLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3粉末と、イソプロピルアルコールとからなる混合液を作製し、固体電解質上面における第1中間層の表面に噴霧塗布し、酸素極層成形体を形成し、1100℃にて4時間で焼き付け、酸素極層を形成し、図1に示す燃料電池セルを作製した。
なお、作製した燃料電池セルの寸法は25mm×200mmで、支持体の厚み(平坦面n間の厚み)は2mm、燃料極層の厚さは10μm、開気孔率24%、固体電解質層の厚みは20μm、酸素極層の厚みは50μm、開気孔率40%、インターコネクタ層の厚みは30μmであった。
作製した10本の燃料電池セルのインターコネクタ層において、内側層と外側層の気孔率を走査型電子顕微鏡(SEM)の300倍の写真について、画像解析装置でそれぞれ求め、平均値を表1に記載した。また、同時に厚みもSEM写真から求め、平均値を表1に記載した。表1の厚みの欄の()内には、インターコネクタ層の全体厚みに占める比率(%)を記載した。
10本の燃料電池セルの内部に水素ガスを流し、外側に空気を流し、850℃で10時間、導電性支持体および燃料極層の還元処理を施し、還元処理後のインターコネクタ層の剥離状態を20倍の双眼顕微鏡で確認し、10本中1本でも、また1本のセルの一部でも剥離していた場合には剥離有りとした。
インターコネクタ層によるガス遮断性を、10本の燃料電池セルのリーク試験で確認した。リーク試験は、所定の部材により一方側の燃料ガス通路を封止した燃料電池セルを水の中にいれ、燃料電池セルの他方側の燃料ガス通路から3kg/cm2に加圧されたHeガスを60秒供給する試験である。10本の燃料電池セルのインターコネクタ層から気泡
が生じなかった試料に○を記載し、2本以下の燃料電池セルのインターコネクタ層から気泡が生じた試料に△を記載し、その結果を表1に記載した。
が生じなかった試料に○を記載し、2本以下の燃料電池セルのインターコネクタ層から気泡が生じた試料に△を記載し、その結果を表1に記載した。
1:支持体
2:燃料ガス通路
3:燃料極層(第1電極層)
4:固体電解質層
6:酸素極層(第2電極層)
8:インターコネクタ層
8a:内側層
8b:外側層
11:セルスタック装置
18:燃料電池モジュール
23:燃料電池装置
2:燃料ガス通路
3:燃料極層(第1電極層)
4:固体電解質層
6:酸素極層(第2電極層)
8:インターコネクタ層
8a:内側層
8b:外側層
11:セルスタック装置
18:燃料電池モジュール
23:燃料電池装置
Claims (6)
- 支持体に、Niを含有する第1電極層、セラミックスからなる固体電解質層および第2電極層を順次形成してなり、前記支持体の前記第1電極層が形成されていない部分に、前記第1電極層と電気的に接続するランタンクロマイト系酸化物からなるインターコネクタ層を設けてなるとともに、該インターコネクタ層が、前記支持体側の内側層と、該内側層の外側に設けられた外側層とを具備し、前記外側層が、前記内側層よりも多孔質であることを特徴とする電解セル。
- 支持体となるNiを含有する第1電極層に、セラミックスからなる固体電解質層および第2電極層を順次形成してなり、前記支持体の前記固体電解質層が形成されていない部分に、該支持体と電気的に接続するランタンクロマイト系酸化物からなるインターコネクタ層を設けてなるとともに、該インターコネクタ層が、前記支持体側の内側層と、該内側層の外側に設けられた外側層とを具備し、前記外側層が、前記内側層よりも多孔質であることを特徴とする電解セル。
- 前記インターコネクタ層の前記内側層の気孔率が0.2%以下、前記外側層の気孔率が0.3〜2.0%であることを特徴とする請求項1または2に記載の電解セル。
- 請求項1乃至3のうちのいずれかに記載の電解セルを複数具備してなるとともに、該複数の電解セルを電気的に接続してなることを特徴とする電解セルスタック装置。
- 請求項4に記載の電解セルスタック装置を収納容器内に収納してなることを特徴とする電解モジュール。
- 請求項5に記載の電解モジュールと、該電解モジュールを作動させるための補機とを、外装ケース内に収納してなることを特徴とする電解装置。
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