JP2016525268A - 固体酸化物燃料電池およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
本明細書は、固体酸化物燃料電池およびその製造方法に関する。【選択図】図２
Description
本明細書は、２０１３年７月３１日付で韓国特許庁に提出された韓国特許出願第１０−２０１３−００９１２１２号の出願日の利益を主張し、その内容のすべては本明細書に組み込まれる。
本明細書は、固体酸化物燃料電池およびその製造方法に関する。
第３世代燃料電池と呼ばれる固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ；Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、酸素または水素イオンを透過可能な固体酸化物を電解質として用いる燃料電池であって、１９３７年にＢａｕｅｒとＰｒｅｉｓによって初めて作動した。ＳＯＦＣは、現存する燃料電池のうち、最も高い温度（７００℃〜１０００℃）で作動する。すべての構成要素が固体からなっているため、他の燃料電池に比べて構造が簡単であり、電解質の損失および補充と腐食の問題がない。また、高温で作動するため、貴金属触媒を必要とせず、直接的な内部改質を通した燃料供給が容易である。高温のガスを排出するため、廃熱を利用した熱複合発電が可能であるという利点も持っている。このような利点のおかげで、ＳＯＦＣに関する研究は２１世紀初めの商業化を目指して活発な研究が行われている。
一般的なＳＯＦＣは、酸素イオン伝導性電解質と、その両面に位置した空気極（正極、ｃａｔｈｏｄｅ）および燃料極（負極、ａｎｏｄｅ）とからなっている。空気極で酸素の還元反応によって生成された酸素イオンが電解質を通して燃料極に移動し、再び燃料極に供給された水素と反応することで水を生成し、この時、燃料極で電子が生成され、空気極で電子が消耗するので、２つの電極を互いに連結して電流を発生させることが基本的な作動原理である。図１は、固体酸化物燃料電池の作動原理の一例を示すものである。すなわち、空気極を通して流入する酸素と、燃料極を通して流入する水素とが反応して電流が発生できる。
ＳＯＦＣの空気極と燃料極は、気孔度が高くなければならず、これらの間に備えられる電解質は緻密な組織を持たなければならない。そのため、これらを製造するためには、個別的に焼成工程が行われており、特に緻密な組織を持たなければならない電解質の場合には、特に高い温度で焼成しなければならなかった。これによって、焼結温度差による各構成間の歪み現象が発生し、それぞれの構成を別個に焼成して工程費用が上昇する問題があった。
本明細書は、上記の問題を解決することのできる固体酸化物燃料電池およびその製造方法を提供する。
本明細書の一実施態様は、空気極と、燃料極と、前記空気極および前記燃料極の間に備えられた電解質とを含み、前記空気極、前記燃料極、および前記電解質のうちの少なくとも１つは、ガラスフリットまたは前記ガラスフリット由来の物質を含む固体酸化物燃料電池を提供する。
また、本明細書の一実施態様は、空気極前駆体を用意するステップと、電解質前駆体を用意するステップと、燃料極前駆体を用意するステップと、前記空気極前駆体と前記燃料極前駆体との間に前記電解質前駆体を備えるステップと、前記空気極前駆体、前記電解質前駆体、および前記燃料極前駆体を同時に焼成する焼成ステップとを含み、前記空気極前駆体、前記電解質前駆体、および前記燃料極前駆体のうちの少なくとも１つは、ガラスフリットを含む固体酸化物燃料電池の製造方法を提供する。
本明細書の一実施態様に係る固体酸化物燃料電池は、空気極、電解質、および燃料極の各界面における歪み現象を最小化することができる。
また、本明細書の一実施態様に係る固体酸化物燃料電池は、１回の焼成工程により製造することができるという利点がある。
さらに、本明細書の一実施態様に係る固体酸化物燃料電池は、低い温度の焼成ステップにもかかわらず、緻密な組織の電解質を形成することができる。
また、本明細書の一実施態様に係る固体酸化物燃料電池は、低い温度の焼成過程および焼成ステップの一元化により優れた工程効率を有する。
以下、本明細書についてより詳細に説明する。
本明細書の一実施態様は、空気極と、燃料極と、前記空気極および前記燃料極の間に備えられた電解質とを含み、前記空気極、前記燃料極、および前記電解質のうちの少なくとも１つは、ガラスフリットまたは前記ガラスフリット由来の物質を含む固体酸化物燃料電池を提供する。
本明細書の一実施態様によれば、前記ガラスフリット（ｇｌａｓｓ ｆｒｉｔ）または前記ガラスフリット由来の物質は、焼結助剤であってもよい。具体的には、本明細書の前記ガラスフリットまたは前記ガラスフリット由来の物質は、前記空気極、燃料極、および／または電解質の形成時の焼結温度を下げる役割を果たすことができる。また、本明細書の前記ガラスフリットは、焼結を促進して焼結時間を短縮する役割を果たすことができる。
本明細書の一実施態様によれば、前記ガラスフリットは、一般的に通用するガラスフリットであれば制限なく使用できる。
本明細書の一実施態様によれば、前記ガラスフリットは、非結晶性化合物であってもよい。また、本明細書の一実施態様によれば、前記ガラスフリットは、非結晶性化合物の原料を溶融させて急冷した後、必要に応じて粉砕した粉末状の物質を意味することができる。
本明細書の一実施態様によれば、前記ガラスフリットは、ＳｉＯ2、Ｂ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、Ｂｉ2Ｏ3、ＰｂＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＬｉＯ、ＭｇＯ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、ＺｎＯ、ＭｎＯ、ＺｒＯ2、Ｖ2Ｏ5、Ｐ2Ｏ5、Ｙ2Ｏ3、ＳｒＯ、ＧａＯ、Ｓｅ2Ｏ3、ＴｉＯ2、およびＬａ2Ｏ3からなる群より選択される１種以上を含むことができる。本明細書の前記ガラスフリットは、前記構成のほか、添加物をさらに含んでもよく、一般的なガラスフリットであれば制限なく使用できる。
本明細書の一実施態様によれば、前記ガラスフリットは、ＺｎＯ−ＳｉＯ2系、ＺｎＯ−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系、ＺｎＯ−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3系、Ｂｉ2Ｏ3−ＳｉＯ2系、Ｂｉ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系、Ｂｉ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3系、Ｂｉ2Ｏ3−ＺｎＯ−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系、Ｂｉ2Ｏ3−ＺｎＯ−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3系、およびＬａ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3−ＢａＯ−ＴｉＯ2系ガラスフリットからなる群より選択される１種以上を含むことができる。
本明細書の一実施態様によれば、前記ガラスフリットの平均粒径は、５００ｎｍ以上２０μｍ以下であってもよい。
前記ガラスフリットの平均粒径が前記範囲内にある場合、焼結助剤として前記電解質の焼成温度を円滑に下げることができる。前記範囲未満の場合、ガラスフリットの溶融が速すぎて焼成温度を十分に下げられない問題が発生し、前記範囲を超える場合、電解質中で欠陥領域として作用する問題が発生し得る。
本明細書の一実施態様によれば、前記ガラスフリットのガラス転移温度（Ｔｇ）は、前記固体酸化物燃料電池の焼成温度より１００℃〜８００℃低いものであってもよい。前記ガラスフリットのガラス転移温度は、ガラスフリットの相（ｐｈａｓｅ）が変化する温度を意味することができ、これは、固体状態のガラスフリットが液体状態に変化する温度を意味することができる。
本明細書の一実施態様によれば、前記ガラスフリットは、固体酸化物燃料電池の形成のための焼成時、固体酸化物燃料電池の焼成温度より１００℃〜８００℃低いので、液状の形態に変化して、前記空気極、燃料極、および／または電解質の前駆体の焼結を促進させることができ、焼結温度を下げることができる。
具体的には、本明細書の一実施態様によれば、前記ガラスフリットのガラス転移温度（Ｔｇ）は、４５０℃以上９００℃以下であってもよい。
本明細書の一実施態様によれば、前記電解質は、前記ガラスフリットまたは前記ガラスフリット由来の物質を含むことができる。前記ガラスフリットは、前記電解質の焼結温度を下げることができ、焼結時間を縮小する役割を果たす。
本明細書の一実施態様によれば、前記電解質は、前記ガラスフリットまたは前記ガラスフリット由来の物質を含み、前記電解質は、前記ガラスフリットまたはガラスフリット由来の物質がない状態より、焼成温度が１％〜５０％さらに低いものであってよい。具体的には、本明細書の一実施態様によれば、前記電解質は、前記ガラスフリットまたはガラスフリット由来の物質がない状態より、焼成温度が１％〜１５％さらに低くてよいし、または５％〜１０％さらに低くてよい。
本明細書の一実施態様によれば、前記ガラスフリットまたは前記ガラスフリット由来の物質の含有量は、前記電解質の総重量に対して０．０１重量％以上１０重量％以下であってもよい。
前記ガラスフリットまたは前記ガラスフリット由来の物質の含有量が前記範囲内にある場合、電解質の緻密度を向上させると共に、電解質中で前記ガラスフリットまたは前記ガラスフリット由来の物質による副作用を最小化することができる。具体的には、前記含有量範囲を超える場合、電解質のイオン伝導度が低下し、欠陥領域が生じる問題が発生し得る。また、前記含有量範囲未満の場合、ガラスフリットまたはガラスフリット由来の物質による電解質の緻密度の向上効果を発揮できない問題が発生し得る。
本明細書の一実施態様によれば、前記ガラスフリット由来の物質は、ガラスフリットが溶融後再凝固したものであってもよい。具体的には、前記ガラスフリット由来の物質は、前記空気極、燃料極、および／または電解質に含まれていて、焼結過程を経由しながら、ガラスフリットが溶けた後再凝固するものであってもよい。また、本明細書の一実施態様によれば、前記ガラスフリット由来の物質は、前記ガラスフリットが溶融して前記電解質物質と混合された後再凝固する過程で前記電解質物質を含むことができる。
本明細書の一実施態様によれば、前記ガラスフリットは、電解質に含まれていて、電解質中で前記電解質物質と共に電解質を構成することができ、前記ガラスフリットは、電解質をより緻密な構造に形成させることができ、電解質物質が固く結合されるようにする役割を果たすことができる。
また、本明細書の一実施態様によれば、前記ガラスフリットは、電解質に含まれた後、焼結過程を経由しながら流動的な状態になり、燃料極および／または空気極にも移動した後再凝固できる。すなわち、本明細書の一実施態様によれば、前記ガラスフリットまたは前記ガラスフリット由来の物質は、電解質だけでなく、空気極および／または燃料極にも含まれていてよい。
本明細書の一実施態様によれば、前記電解質の空隙率は、０％以上５％以下であってもよい。具体的には、前記電解質の空隙率は、０％に近いほど、固体酸化物燃料電池の性能に優れる。これは、電解質でのガスの移動が起こる場合、効率が低下し得るからである。
本明細書の一実施態様によれば、前記固体酸化物燃料電池は、同時焼成によって製造が可能なため、各構成間の界面の間における歪み現象が最小化できる。すなわち、各構成の接合面の結合力に優れたものになり得る。
本明細書の一実施態様によれば、前記電解質は、イオン伝導性を有する固体酸化物を含むことができる。具体的には、本明細書の一実施態様によれば、前記電解質は、酸化ジルコニウム系、酸化セリウム系、酸化ランタン系、酸化チタン系、酸化ビズマス系物質からなる群より選択される１種以上を含む複合金属酸化物が挙げられる。より具体的には、前記電解質は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、サマリアドープされたセリア（ＳＤＣ）、ガドリニアドープされたセリア（ＧＤＣ）が挙げられる。
前記ＹＳＺは、イットリア（ｙｔｔｒｉａ）安定化酸化ジルコニウムであって、（Ｙ2Ｏ3）x（ＺｒＯ2）1-xで表され、ｘは０．０５〜０．１５であってもよい。
前記ＳｃＳＺは、スカンジナビア安定化酸化ジルコニウムであって、（Ｓｃ2Ｏ3）x（ＺｒＯ2）1-xで表され、ｘは０．０５〜０．１５であってもよい。
前記ＳＤＣは、サマリウムドープセリアであって、（Ｓｍ2Ｏ3）x（ＣｅＯ2）1-xで表され、ｘは０．０２〜０．４であってもよい。
前記ＧＤＣは、ガドリニウムドープセリアであって、（Ｇｄ2Ｏ3）x（ＣｅＯ2）1-xで表され、ｘは０．０２〜０．４であってもよい。
本明細書の一実施態様によれば、前記電解質の厚さは、１０ｎｍ以上１００μｍ以下であってもよい。より具体的には、１００ｎｍ以上５０μｍ以下であってもよい。
本明細書の一実施態様によれば、前記空気極は、金属酸化物を含むことができる。具体的には、前記空気極は、ペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）型の結晶構造を有する金属酸化物粒子が用いられ、（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ3、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ3、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ3、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ3、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ3などの金属酸化物粒子が挙げられ、前記金属酸化物は、単独または２種以上を混合して前記燃料極に含まれていてもよい。また、本明細書の一実施態様によれば、前記空気極を形成する材料として、白金、ルテニウム、パラジウムなどの貴金属を含むことができる。さらに、前記空気極を形成する材料として、ストロンチウム、コバルト、鉄などがドープされたランタンマンガナイトが用いられる。例えば、前記空気極は、Ｌａ0.8Ｓｒ0.2ＭｎＯ3（ＬＳＭ）、Ｌａ0.6Ｓｒ0.4Ｃｏ0.8Ｆｅ0.2Ｏ3（ＬＳＣＦ）などが挙げられる。
本明細書の一実施態様によれば、前記燃料極は、前述した電解質に含まれる物質および酸化ニッケルが混合されたサーメット（ｃｅｒｍｅｔ）が使用できる。さらに、前記燃料極は、活性炭素を追加的に含んでもよい。
本明細書の一実施態様によれば、前記固体酸化物燃料電池は、２以上の単位セルを互いに連結するインターコネクトを含むスタックと、燃料を前記スタックに供給する燃料供給部と、空気を前記スタックに供給する空気供給部とを含み、前記単位セルは、前記固体酸化物燃料電池を含むことができる。
明細書の一実施態様によれば、前記燃料極は、ＡＳＬ（Ａｎｏｄｅ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｌａｙｅｒ）およびＡＦＬ（Ａｎｏｄｅ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｌａｙｅｒ）を含むことができる。前記ＡＦＬは、多孔性膜であってもよく、これは、ＡＳＬおよび電解質膜の間に備えられるとよい。より具体的には、前記ＡＳＬは、電解質膜と接して、電気化学的反応が起こる領域になる。
本明細書の一実施態様によれば、前記ＡＳＬは、アノードの支持層の役割を果たし、このために、ＡＦＬに比べて相対的により厚く形成されるとよい。また、前記ＡＳＬは、燃料をＡＦＬにまで円滑に到達させ、電気伝導度に優れたものに形成できる。
本明細書の一実施態様によれば、前記空気極は、ＣＳＬ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｌａｙｅｒ）およびＣＦＬ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｌａｙｅｒ）を含むことができる。
本明細書の一実施態様によれば、前記ＣＦＬは、多孔性膜であってもよく、これは、ＣＳＬおよび電解質の間に備えられるとよい。より具体的には、前記ＣＳＬは、電解質膜と接して、電気化学的反応が起こる領域になる。
本明細書の一実施態様によれば、前記ＣＳＬは、カソードの支持層の役割を果たし、このために、ＣＦＬに比べて相対的により厚く形成されるとよい。また、前記ＣＳＬは、空気をＣＦＬにまで円滑に到達させ、電気伝導度に優れたものに形成できる。
本明細書の一実施態様によれば、前記インターコネクトは、それぞれの単位セルに燃料が移動可能な燃料流路と、それぞれの単位セルに空気が移動可能な空気流路とを含むことができる。
本明細書の一実施態様によれば、前記スタックは、２以上の単位セルのスタック（ｓｔａｃｋ）であってもよい。また、前記インターコネクトは、それぞれの単位セルを連結する燃料流路および空気流路を含むことができる。
本明細書の一実施態様によれば、前記スタックは、それぞれの単位セルが直列に積層され、前記単位セルの間にこれらを電気的に連結する分離板（ｓｅｐｅｒａｔｏｒ）がさらに備えられてもよい。
本明細書の一実施態様によれば、前記固体酸化物燃料電池は、平板型、円筒型、または平管型であってもよい。
本明細書の一実施態様は、空気極前駆体を用意するステップと、電解質前駆体を用意するステップと、燃料極前駆体を用意するステップと、前記空気極前駆体と前記燃料極前駆体との間に前記電解質前駆体を備えるステップと、前記空気極前駆体、前記電解質前駆体、および前記燃料極前駆体を同時に焼成する焼成ステップとを含み、前記空気極前駆体、前記電解質前駆体、および前記燃料極前駆体のうちの少なくとも１つは、ガラスフリットを含む固体酸化物燃料電池の製造方法を提供する。
本明細書の一実施態様によれば、前記焼成ステップの温度は、８００℃以上１，６００℃以下であってもよい。具体的には、本明細書の一実施態様によれば、前記焼成ステップの温度は、１，０００℃以上１，４００℃以下であってもよい。
本明細書の一実施態様に係る固体酸化物燃料電池の製造方法において、前記電解質前駆体は、ガラスフリットを含むものであってもよい。
本明細書の一実施態様によれば、前記焼成ステップは、前記ガラスフリットが溶融後再凝固するステップを含むことができる。
本明細書の一実施態様によれば、前記空気極前駆体を用意するステップ、前記電解質前駆体を用意するステップ、および前記燃料極前駆体を用意するステップは、それぞれ独立に、テープキャスティング法またはスクリーンプリンティング法を利用して膜を形成した後、乾燥するステップを含むことができる。
以下、本明細書を具体的に説明するために、実施例を挙げて詳細に説明する。しかし、本明細書に係る実施例は種々の異なる形態に変形可能であり、本明細書の範囲が以下に詳述する実施例に限定されると解釈されない。本明細書の実施例は、当業界における平均的な知識を有する者に本明細書をより完全に説明するために提供されるものである。
［実施例１］
空気極前駆体、電解質前駆体としてＬａ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3−ＢａＯ−ＴｉＯ2系ガラスフリットが全体電解質前駆体に対して５重量％含まれたＹＳＺ、および燃料極前駆体を、それぞれテープキャスティング法を利用して膜を形成し、これらを順次に積層した。さらに、前記積層された膜を１，３５０℃の温度で焼成して、固体酸化物燃料電池を製造した。そして、製造された固体酸化物燃料電池の電解質膜の緻密度を検査するために、電解質の断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）で確認した。
空気極前駆体、電解質前駆体としてＬａ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3−ＢａＯ−ＴｉＯ2系ガラスフリットが全体電解質前駆体に対して５重量％含まれたＹＳＺ、および燃料極前駆体を、それぞれテープキャスティング法を利用して膜を形成し、これらを順次に積層した。さらに、前記積層された膜を１，３５０℃の温度で焼成して、固体酸化物燃料電池を製造した。そして、製造された固体酸化物燃料電池の電解質膜の緻密度を検査するために、電解質の断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）で確認した。
図２は、実施例１によるＳＥＭイメージを示すものである。
［実施例２］
ガラスフリットの含有量を１０重量％にしたことを除き、前記実施例１と同様の方法で固体酸化物燃料電池を製造し、電解質の断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）で確認した。
ガラスフリットの含有量を１０重量％にしたことを除き、前記実施例１と同様の方法で固体酸化物燃料電池を製造し、電解質の断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）で確認した。
図３は、実施例２によるＳＥＭイメージを示すものである。
［比較例１］
ガラスフリットを含まないことを除き、前記実施例１と同様の方法で固体酸化物燃料電池を製造し、電解質の断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）で確認した。
ガラスフリットを含まないことを除き、前記実施例１と同様の方法で固体酸化物燃料電池を製造し、電解質の断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）で確認した。
図４は、比較例１によるＳＥＭイメージを示すものである。
［実施例３］
空気極前駆体、電解質前駆体としてＬａ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3−ＢａＯ−ＴｉＯ2系ガラスフリットが全体電解質前駆体に対して５重量％含まれたＹＳＺ、および燃料極前駆体を、それぞれテープキャスティング法を利用して膜を形成し、これらを順次に積層した。さらに、前記積層された膜を１２５０℃の温度で焼成して、固体酸化物燃料電池を製造した。そして、製造された固体酸化物燃料電池の電解質膜の緻密度を検査するために、電解質の断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）で確認した。
空気極前駆体、電解質前駆体としてＬａ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3−ＢａＯ−ＴｉＯ2系ガラスフリットが全体電解質前駆体に対して５重量％含まれたＹＳＺ、および燃料極前駆体を、それぞれテープキャスティング法を利用して膜を形成し、これらを順次に積層した。さらに、前記積層された膜を１２５０℃の温度で焼成して、固体酸化物燃料電池を製造した。そして、製造された固体酸化物燃料電池の電解質膜の緻密度を検査するために、電解質の断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）で確認した。
図５は、実施例３によるＳＥＭイメージを示すものである。
［実施例４］
ガラスフリットの含有量を１０重量％にしたことを除き、前記実施例３と同様の方法で固体酸化物燃料電池を製造し、電解質の断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）で確認した。
ガラスフリットの含有量を１０重量％にしたことを除き、前記実施例３と同様の方法で固体酸化物燃料電池を製造し、電解質の断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）で確認した。
図６は、実施例４によるＳＥＭイメージを示すものである。
［比較例２］
ガラスフリットを含まないことを除き、前記実施例３と同様の方法で固体酸化物燃料電池を製造し、電解質の断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）で確認した。
ガラスフリットを含まないことを除き、前記実施例３と同様の方法で固体酸化物燃料電池を製造し、電解質の断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）で確認した。
図７は、比較例２によるＳＥＭイメージを示すものである。
［実施例５］
空気極前駆体、電解質前駆体としてＬａ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3−ＢａＯ−ＴｉＯ2系ガラスフリットが全体電解質前駆体に対して５重量％含まれたＧＤＣ、および燃料極前駆体を、それぞれテープキャスティング法を利用して膜を形成し、これらを順次に積層した。さらに、前記積層された膜を１３５０℃の温度で焼成して、固体酸化物燃料電池を製造した。そして、製造された固体酸化物燃料電池の電解質膜の緻密度を検査するために、電解質の断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）で確認した。
空気極前駆体、電解質前駆体としてＬａ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3−ＢａＯ−ＴｉＯ2系ガラスフリットが全体電解質前駆体に対して５重量％含まれたＧＤＣ、および燃料極前駆体を、それぞれテープキャスティング法を利用して膜を形成し、これらを順次に積層した。さらに、前記積層された膜を１３５０℃の温度で焼成して、固体酸化物燃料電池を製造した。そして、製造された固体酸化物燃料電池の電解質膜の緻密度を検査するために、電解質の断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）で確認した。
図８は、実施例５によるＳＥＭイメージを示すものである。
［実施例６］
ガラスフリットの含有量を１０重量％にしたことを除き、前記実施例５と同様の方法で固体酸化物燃料電池を製造し、電解質の断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）で確認した。
ガラスフリットの含有量を１０重量％にしたことを除き、前記実施例５と同様の方法で固体酸化物燃料電池を製造し、電解質の断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）で確認した。
図９は、実施例６によるＳＥＭイメージを示すものである。
［比較例３］
ガラスフリットを含まないことを除き、前記実施例５と同様の方法で固体酸化物燃料電池を製造し、電解質の断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）で確認した。
ガラスフリットを含まないことを除き、前記実施例５と同様の方法で固体酸化物燃料電池を製造し、電解質の断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）で確認した。
図１０は、比較例３によるＳＥＭイメージを示すものである。
前記実施例および比較例をみると、ガラスフリットが含まれずに焼成された電解質の断面に比べて、ガラスフリットが含まれて焼成された電解質の断面が緻密な構造に形成されていることが分かる。
実施例４におけるＳＥＭイメージは、１２５０℃の温度で焼成しても、１３５０℃で焼成した比較例１に比べて、緻密な構造の電解質が形成されたことが分かる。
Claims (16)
- 空気極と、燃料極と、前記空気極および前記燃料極の間に備えられた電解質とを含み、
前記空気極、前記燃料極、および前記電解質のうちの少なくとも１つは、ガラスフリットまたは前記ガラスフリット由来の物質を含む固体酸化物燃料電池。 - 前記ガラスフリットまたは前記ガラスフリット由来の物質は、焼結助剤である請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
- 前記ガラスフリットは、ＳｉＯ2、Ｂ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、Ｂｉ2Ｏ3、ＰｂＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＬｉＯ、ＭｇＯ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、ＺｎＯ、ＭｎＯ、ＺｒＯ2、Ｖ2Ｏ5、Ｐ2Ｏ5、Ｙ2Ｏ3、ＳｒＯ、ＧａＯ、Ｓｅ2Ｏ3、ＴｉＯ2、およびＬａ2Ｏ3からなる群より選択される１種以上を含むものである請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
- 前記ガラスフリットは、ＺｎＯ−ＳｉＯ2系、ＺｎＯ−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系、ＺｎＯ−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3系、Ｂｉ2Ｏ3−ＳｉＯ2系、Ｂｉ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系、Ｂｉ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3系、Ｂｉ2Ｏ3−ＺｎＯ−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2系、Ｂｉ2Ｏ3−ＺｎＯ−Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3系、およびＬａ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3−ＢａＯ−ＴｉＯ2系ガラスフリットからなる群より選択される１種以上を含むものである請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
- 前記ガラスフリットのガラス転移温度（Ｔｇ）は、４５０℃以上９００℃以下である請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
- 前記電解質は、前記ガラスフリットまたは前記ガラスフリット由来の物質を含むものである請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
- 前記ガラスフリットまたは前記ガラスフリット由来の物質の含有量は、前記電解質の総重量に対して０．０１重量％以上１０重量％以下である請求項６に記載の固体酸化物燃料電池。
- 前記電解質は、前記ガラスフリットまたはガラスフリット由来の物質がない状態より、焼成温度が１％〜５０％さらに低いものである請求項６に記載の固体酸化物燃料電池。
- 前記ガラスフリット由来の物質は、前記ガラスフリットが溶融後再凝固したものである請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
- 前記電解質の空隙率は、０％以上５％以下である請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
- 前記電解質は、酸化ジルコニウム系、酸化セリウム系、酸化ランタン系、酸化チタン系、酸化ビズマス系物質からなる群より選択される１種以上を含む複合金属酸化物を含むものである請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
- 前記固体酸化物燃料電池は、平板型、円筒型、または平管型である請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
- 空気極前駆体を用意するステップと、
電解質前駆体を用意するステップと、
燃料極前駆体を用意するステップと、
前記空気極前駆体と前記燃料極前駆体との間に前記電解質前駆体を備えるステップと、
前記空気極前駆体、前記電解質前駆体、および前記燃料極前駆体を同時に焼成する焼成ステップとを含み、
前記空気極前駆体、前記電解質前駆体、および前記燃料極前駆体のうちの少なくとも１つは、ガラスフリットを含む固体酸化物燃料電池の製造方法。 - 前記焼成ステップの温度は、８００℃以上１，６００℃以下である請求項１３に記載の固体酸化物燃料電池の製造方法。
- 前記電解質前駆体は、ガラスフリットを含むものである請求項１３に記載の固体酸化物燃料電池の製造方法。
- 前記空気極前駆体を用意するステップ、前記電解質前駆体を用意するステップ、および前記燃料極前駆体を用意するステップは、それぞれ独立に、テープキャスティング法またはスクリーンプリンティング法を利用して膜を形成した後、乾燥するステップを含むものである請求項１３に記載の固体酸化物燃料電池の製造方法。
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|---|---|---|---|---|
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| CN108134119B (zh) * | 2017-12-26 | 2020-08-07 | 成都新柯力化工科技有限公司 | 一种固体氧化物燃料电池氧化铋基电解质膜及制备方法 |
| CN108232263A (zh) * | 2018-01-02 | 2018-06-29 | 珠海光宇电池有限公司 | 复合固体电解质及其制备方法 |
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| CN109836154A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-06-04 | 清华大学 | 一种低温烧结致密化燃料电池中氧化铈基隔离层的方法 |
| CN110165268B (zh) * | 2019-06-20 | 2021-08-06 | 合肥学院 | 一种碳酸钙-氧化铋复合固体电解质陶瓷片的制备方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1131516A (ja) * | 1997-07-10 | 1999-02-02 | Meidensha Corp | 固体電解質型燃料電池 |
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|---|---|---|---|---|
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| JP3858261B2 (ja) * | 2001-05-22 | 2006-12-13 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池用セル板、その製造方法および固体電解質型燃料電池 |
| JP2003123789A (ja) * | 2001-08-06 | 2003-04-25 | Nissan Motor Co Ltd | 固体電解質材料、その製造方法およびそれを用いた固体電解質型燃料電池 |
| US7628951B1 (en) * | 2005-10-21 | 2009-12-08 | Ceramatec, Inc. | Process for making ceramic insulation |
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| US7989374B2 (en) * | 2008-05-15 | 2011-08-02 | Corning Incorporated | Non-contaminating, electro-chemically stable glass frit sealing materials and seals and devices using such sealing materials |
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| JP5144622B2 (ja) * | 2009-10-26 | 2013-02-13 | 日本電信電話株式会社 | 固体酸化物形燃料電池スタックとその製造方法 |
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Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1131516A (ja) * | 1997-07-10 | 1999-02-02 | Meidensha Corp | 固体電解質型燃料電池 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2019517100A (ja) * | 2016-09-30 | 2019-06-20 | エルジー・ケム・リミテッド | 固体酸化物燃料電池の電解質、これを含む固体酸化物燃料電池、前記電解質用組成物および前記電解質の製造方法 |
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