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JP2004362913A - Electrolyte for solid oxide fuel cell and method for producing the same - Google Patents

Electrolyte for solid oxide fuel cell and method for producing the same Download PDF

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JP2004362913A
JP2004362913A JP2003159202A JP2003159202A JP2004362913A JP 2004362913 A JP2004362913 A JP 2004362913A JP 2003159202 A JP2003159202 A JP 2003159202A JP 2003159202 A JP2003159202 A JP 2003159202A JP 2004362913 A JP2004362913 A JP 2004362913A
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Japan
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electrolyte
additive
fuel cell
solid oxide
oxide fuel
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JP2003159202A
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Japanese (ja)
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Noritoshi Sato
文紀 佐藤
Itaru Shibata
格 柴田
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Nissan Motor Co Ltd
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Nissan Motor Co Ltd
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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
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Abstract

【課題】イオン伝導度を損なうことなく、機械的強度を向上させることができ、高性能、かつ信頼性の高い燃料電池を得ることができる固体酸化物形燃料電池用電解質、及びこのような電解質の製造方法、さらにはこのような電解質を用いた固体酸化物形燃料電池用セル板を提供する。
【解決手段】ジルコニアとイットリアから成る板状の電解質(3YSZ)2の平面方向の所望部位に、さらにイットリアを含浸させてイットリア濃度が高い変性領域(8YSZ)2aを設け、周辺部及び中央の格子状部分の機械的強度を確保しながら、上記領域2aにおけるイオン伝導性を向上させる。
【選択図】 図4
An electrolyte for a solid oxide fuel cell capable of improving a mechanical strength without deteriorating ionic conductivity, obtaining a high-performance and highly reliable fuel cell, and such an electrolyte And a cell plate for a solid oxide fuel cell using such an electrolyte.
A modified region (8YSZ) 2a having a high yttria concentration is provided by further impregnating yttria at a desired portion in a planar direction of a plate-like electrolyte (3YSZ) 2 composed of zirconia and yttria, and a peripheral portion and a central lattice are provided. The ionic conductivity in the region 2a is improved while securing the mechanical strength of the shape portion.
[Selection diagram] Fig. 4

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体酸化物形燃料電池に係わり、さらに詳しくは、機械的強度に優れた固体酸化物形燃料電池用電解質の構造と、その製造方法、さらにはこのような電解質を用いた固体酸化物形燃料電池用セル板に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、使用する電解質の種類によって、リン酸型(以下、「PAFC」と略称する)、溶融炭酸塩型(以下、「MCFC」と略称する)、固体高分子型(以下、「PEFC」と略称する)、及び固体酸化物型(以下、「SOFC」と略称する)に区分されている。
この中でSOFC型燃料電池は、電解質材料としてリン酸水溶液や溶融炭酸塩のような液体状材料の代わりにイオン導電性を有する固体酸化物電解質材料を用いたものであり、PAFC型やMCFC型の燃料電池に比べて発電効率が高く、高温度の排熱が得られることから、オンサイト用コージェネレーションシステムへの適用が期待されている。
【0003】
そして、SOFC型燃料電池の代表的且つ具体的な燃料電池の構造としては、例えば、平行平板型燃料電池を挙げることができる。
この平行平板型燃料電池の構造は、PAFC型やMCFC型と基本的に同等の構造であって、電解質層を構成する基板の両面に燃料極層と空気極層が積層された平面状のセル板と、一方に燃料ガス流路と他方に空気流路とを形成したセパレータ兼インターコネクタとを交互に貼りあわせた構造を有している。なお、このような電解質支持型構造に対し、電解質層の内部抵抗を減らして発電効率を向上すべく、電解質層を薄膜化するために、多孔質の燃料極あるいは空気極のどちらか一方の電極層を支持体として電解質膜と他方の電極層を形成した電極支持型構造も提案されている。
【0004】
このような固体酸化物型燃料電池においては、電解質層の平板面積を大きくすることによって発電容量を増大させることが考えられるが、電解質層の平板面積を大きくするためには、その電解質基板の材料強度を高める必要がある。しかし、単純に電解質基板を厚く(0.2〜0.3mm)して、強度を向上させようとした場合には、電解質基板が薄い場合よりも内部抵抗が増大し、導電率の低下により発電特性が損なわれるという問題が生じる。そのため、内部抵抗が低く、かつ機械的強度の高い電解質層が望まれている。
【0005】
一般に固体酸化物電解質材料においては、酸素イオン伝導度と機械的強度は相反する関係にある。これは酸素イオンの伝導が、基材酸化物に対してドーピングを施すことによる結晶欠陥の発生や、結晶格子の歪によって発現することに起因しており、イオン伝導度を向上させるということは、このような欠陥や歪を増やすことであって、当然のことながら基材の強度低下に直結することになる。
このような問題の解決策の一つとして、電解質層に対して上面および下面の一方、又は両方に電解質層を支持する支持部材を設けることによって電解質層の強度を高めることが知られている(特許文献1参照)。
【0006】
【特許文献1】
特開2000−133284号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献1に記載された方法においては、電解質層の表面に支持部材を追加して設けるため、支持部材を別途作製すると共に、さらにその支持部材を電解質層と一体化する必要がある。従って、支持部材の材料、製造工程および電解質層と支持部材の接合工程等が新たに発生し、製造工程が複雑で長くなり、またコスト高となるといった問題点があった。
なお、前述の電極支持型構造の燃料電池においては、電極基板には、ガス供給のためにかなり多孔質な構造が必要である一方、支持基板としての機械的強度も要求されることから、相当な厚さとなるばかりでなく、このような多孔質の電極基板上に薄い電解質を形成することは極めて高度な技術を要する。
【0008】
本発明は、従来の固体酸化物形燃料電池における上記課題に着目してなされたものであって、基板としての電解質、あるいは他の基板上に形成される電解質層のイオン伝導度を損なうことなく、機械的強度を向上させることができ、高性能、かつ信頼性の高い燃料電池を得ることができる固体酸化物形燃料電池用電解質、及びこのような電解質の製造方法、さらにはこのような電解質を用いた固体酸化物形燃料電池用セル板を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体酸化物形燃料電池用電解質は、ジルコニアと第1の添加物から成る板状又は膜状の電解質において、平面方向の所望部位に添加物の濃度や組成が異なる変性領域を備えたことを特徴としており、固体酸化物形燃料電池用電解質におけるこのような構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【0010】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法は、上記燃料電池用電解質の製造に好適なものであって、ジルコニアと第1の添加物、例えばY、Sc、CaO、MgOなどを含む電解質材料を所望形状に成型し、仮焼成して一旦低焼結密度の仮焼体としたのち、第2の添加物、例えばY、Sc、Ca、Mg、Ti、Nb、Ta、Mn、Alなどを含む溶液を上記仮焼体の所望の領域に塗布して含浸させ、本焼成を行って焼結密度を高めるようにしたことを特徴としている。
【0011】
さらに、本発明の固体酸化物形燃料電池用セル板は、上記固体酸化物型燃料電池用電解質を上部電極層と下部電極層で挟持した構成としたことを特徴としている。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の固体酸化物形燃料電池用電解質について、さらに詳細に説明する。
【0013】
本発明の固体酸化物形燃料電池用電解質は、上記のように、ジルコニアと第1の添加物から成る板状又は膜状のものであって、平面方向の所望部位に変性領域、すなわち他の部分より上記添加物の濃度が高い領域や、上記添加物に加えて他の添加物を含有する領域を備えているので、添加物によって当該変性領域の機械的強度やイオン伝導度などの物性を部位に応じて調整することができるようになり、機械的強度とイオン伝導性を兼ね備えた電解質となる。
【0014】
本発明の固体酸化物形燃料電池用電解質においては、電解質母材として、ジルコニアを主成分とし、ジルコニアの安定化に寄与する成分である第1の添加物、例えばY、Sc、CaO、MgOなどの酸化物を単独で、あるいは任意の組み合わせで添加したものが使用される。
【0015】
これら第1の添加物は、当該電解質のイオン伝導性を向上させる機能を有していることから、所望部位についてその濃度を高めることによって、あるいは、上記グループのうちから第1の添加物として使用したもの以外の酸化物を第2の添加物として添加することによって、その領域のイオン伝導性が向上し、セルを形成した場合の発電性能が改善されることになる。
また、上記添加物の以外にも、4A族、5A族、7A族、4B族の酸化物、例えばTiO、Nb、Ta、MnOなどにもイオン伝導性を向上させる機能があることから、これらを第2の添加物として所望部位に添加することによっても同様の効果が得られることになる。なお、これら添加物についても、単独添加のみならず、複合添加してもよい。
【0016】
一方、例えばAlやMgAlには、電解質母材の機械的強度を高める機能があるので、これらを第3の添加物として、所望の領域、例えば外周部などに添加することによって、当該部位を強化することができる。
【0017】
すなわち、従来の固体酸化物形燃料電池用電解質は、面内方向において均一な材料であったため面内で求められる機能が異なっていても、その一つの材料にて全てを担う必要があった。言い換えると、高いイオン伝導度が求められるセル部分も、イオン伝導度は要求されず強度が求められる外周部やマニホールド部分などもおなじ材質で形成せざるをえなかった。
【0018】
これに対し、本発明の電解質によれば、機械的強度に優れた電解質母材を使用して、強度が要求される部位、すなわちスタッキングに際して、ガスシール性の確保や接触抵抗の低減等の理由により、強い応力のかかる外周部やガスマニホールド周辺、あるいは中央部のセル形成部分を強化するための梁状部分などを残して、これ以外の部分における第1の添加物濃度を高めたり、さらに第2の添加物を含有させたりすることによって、あるいは第1の添加物濃度を高めたうえで、さらに第2の添加物を含有させることによって、セル相当部分のイオン伝度性を高めることができ、発電特性に優れ、かつ強度にも優れた電解質が得られる。
また、イオン伝度性に優れた電解質母材を使用して、上記のような強度が要求される部位のみに第3の添加物を添加することによって、セル相当部分のイオン伝度性を確保しながら当該領域の機械強度を高めることができ、同様に発電特性と強度とを兼ね備えた電解質が得られる。言うまでもなく、第1又は第2の添加物によってセル相当部分のイオン伝度性を高めたうえで、第3の添加物によって外周部などの強度をさらに高めることも当然可能である。
【0019】
このように、部位によってイオン伝導度や機械的強度が異なる固体酸化物形燃料電池用電解質は、例えば成分や濃度の異なる領域を別々に成形したのち、互いに張り合わせることによっても製造することができるが、ジルコニアと第1の添加物、すなわちY、Sc、CaO、MgOなどを含む電解質材料を所望形状に成型したのち、仮焼成して低焼結密度の仮焼体とし、当該仮焼体の所望領域に、第2の添加物、例えばY、Sc、Ca、Mg、Ti、Nb、Ta、Mn、Alなどを含む溶液を塗布して含浸させ、次いで本焼成を行うことによって、容易に製造することができる。
【0020】
ここで、電解質材料の成型には、プレス成形や押出し成形、ドクターブレード法などを採用することができる。また、シリコンや電極材料から成る基板上に形成することもでき、この場合にはスラリーあるいはペースト状とした材料を基板上に塗布法あるいは印刷法などによって付着させて成型した後、乾燥して基板と共に仮焼成することになる。
また、第2の添加物を含む溶液を仮焼成された仮焼体に塗布するに際しては、例えば、市販のマスキングテープ等によって、含浸させたくない部位にマスキングを施すことが望ましい。微細なパターンが必要であればフィルムレジスト等を使用することができ、フィルムレジスト等をもちいたフォトリソグラフィ技術を用いたマスキングを行うことにより、セル相当領域内に格子状やハニカムに高強度部分を残したり、形成したりすることができ、セル部分を支持する梁として機能することから、機械的強度を損なうことなく、発電部(セル)面積を大きくすることができ、発電効率のさらなる向上が期待できる。
【0021】
さらに、集電に際して電気的接続の接触抵抗を低減させるためには、押し付け力が必要となるが、強度を向上させた領域において集電を集中的に行うこともできるようになり、集電抵抗の低減による性能向上、信頼性の向上も可能となる。
【0022】
本発明の固体酸化物形燃料電池用セル板は、上記固体酸化物型燃料電池用電解質を上部電極層と下部電極層で挟持したものであるから、単位容積当たりの発電効率に優れ、しかもガスシール性に優れ、集電損失の少ない高性能の燃料電池が得られることになる。
【0023】
上記固体酸化物形燃料電池用セル板において、空気極材料としては、La1−XSrMnO(LSM)、La1−XCaMnO(LCM)、La1−XSrCoO(LSC)、Ptなどを使用することができ、一方、燃料極材料としては、NiO−YSZサーメット、Ni−SDC(サマリウム・ドープ・セリア)サーメット、Ptなどを使用することができるが、これらのみに限定されるものではない。
また、上記電極層を形成するには、例えば、スラリー塗布法、印刷法、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法、プラズマスプレー法、イオンプレーティング法、フレームスプレー法、プラズマジェットトーチ法、EVD法、CVD法などを採用することができる。
【0024】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本明細書においては、電解質層、燃料極層、空気極層の3層からなる部分を電池セル、又は単にセル、この電池セル及びその外周部のガス給排気用マニホールド部までを含めてセル板、このセル板及びセパレータから成る繰り返し単位を単セルユニット、単セルユニットを積層したものをセルスタック、そしてセルスタックを構成する各単セルユニットへガスを供給及び排出する機能を担うセルスタック内の流路をそれぞれ供給マニホールド及び排気マニホールドと称する。また、酸化ガスと空気は同義である。
【0025】
(実施例1)
図1〜4は、本発明の第1の実施例として、本発明を電解質支持型の平行平板固体酸化物形燃料電池に適用した例を示すものであって、図1(a)は当該実施例におけるセル板の上面図、図1(b)はその断面図、図3(c)はセル周縁部の拡大図である。
【0026】
図1(a)〜(c)に示すセル板1における電解質層2は、後述するように、外周部及び梁状の部分は3mol%のイットリア(Y)を含むイットリア安定化ジルコニア(以下、「3YSZ」と称する)から成り、この3YSZの領域内に8mol%のイットリア(Y)を含むイットリア安定化ジルコニア(以下、「8YSZ」と称する)から成る領域(変性領域)2aが形成されている。そして、当該8YSZから成る領域2aを上下から挟むように、電解質層2の図中上面に空気極層3、下面に燃料極層4がそれぞれ形成されている。
また、電解質層2の外周部の3YSZの領域には、積層してスタックとした状態において、各セルへ空気及び燃料ガスを供給するためのマニホールド、すなわち空気供給マニホールド2c、空気排気マニホールド2d、燃料供給マニホールド2e、燃料排気マニホールド2fが形成されている。
【0027】
図2は、上記セル板1を用いてスタックを形成する場合、セル間の電気的導通を図ると共に、それぞれのガスを分離するためのセパレータの一例を示し、図3は、上記セル板1、及び上記セパレータ6を用いて積層したスタックの構造を示すものである。
なお、上記セパレータ6は、上記電解質層2に形成された各マニホールドに対応する位置に、空気供給マニホールド6c、空気排気マニホールド6d、燃料供給マニホールド6e、燃料排気マニホールド6fを備えている。
【0028】
次に、図4に基づいて、上記電解質層2及びセル板1の作製方法について説明する。
まず、3YSZの原料粉と適当なバインダー及び分散媒かならなるスラリーを調整し、ドクターブレード法によってキャリアフィルム上に敷き述べてシート状に成形する。このシートを乾燥し分散媒を揮発させてグリーンシートを作製し、これを切断、パンチング等により適当なサイズに揃えると共に、空気及び燃料の給排気用マニホールド2c〜2fを開口し、数100℃〜1000℃程度の熱処理を施すことによって、図4(a)に示すように、1辺10cm、厚さ100μm程度の電解質の仮焼体2oを形成する。この仮焼体2oは焼成温度が低いため焼結密度が低く焼成温度によって30〜60%程度の空隙を含むことになる。
【0029】
次いで、図4(b)に示すように、得られた仮焼体2oにマスキング7を施し、仮焼体2oの外周部と、中央部の格子状梁部分を残して所望の領域2aを4箇所に開口した状態で、イットリウムを含む溶液、硝酸イットリウムを塗布して、含浸させる。この時の含浸量は仮焼体2oの厚さと溶液中のイットリウムの量を勘案し、ジルコニアに対し8mol%になるように調整する。
このマスキング7は含浸させる溶液が透過しなければいいので、市販のマスキングテープ等でも構わないし、微細なパターンが必要であればフィルムレジスト等を使用しても構わない。また、仮焼体2oに塗布・含浸させる溶液としては、イットリウムを含み、かつ焼成処理によってイットリア成分以外のものは揮発するものが望ましく、例えば水溶性の上記硝酸イットリウムの他に、同じく水溶性の炭酸イットリウム、あるいはアルコキシドに代表される有機金属塩を使用することができる。
【0030】
そして、マスク7を取り除いた後、1400℃程度にて本焼成を行い、図4(c)に示すように、緻密な電解質2を得る。この時、マスキングされた外周部及び格子状部分は原料粉とほぼおなじ3mol%のイットリアを含む3YSZとなるが、硝酸イットリウムを塗布された領域2aについては、硝酸成分が揮発し、イットリウムは酸化してイットリアとしてジルコニア内に取り込まれ8YSZが形成されることになる。
【0031】
最後に、図4(d)に示すように、上記電解質2の燃料極となる側に、8YSZが形成された領域2a及び格子状部分を覆うようにNiOとジルコニアからなるNi−サーメット材料を50μm程度に塗布して、1000〜1200℃程度の温度で焼成し、さらに空気極側にもLaSr1−XCoO(以下、「LSC」と称する)を50μm程度に塗布したのち800〜900℃程度で焼成することにより、電解質層2の両面に燃料極層4及び空気極層3をそれぞれ形成し、燃料電池セル板1とする。
【0032】
この実施例においては、機械的強度に優れる3YSZを母材とし、強度保持用梁として機能する部分を格子状に残した状態で、発電に寄与する領域にイオン伝導度の優れた8YSZを形成している。したがって、スタッキングした際に、ガスシール性を確保するために強い応力のかかるセル板1の外周部や、ガスマニホールド周辺などの強度、さらには格子状梁によって発電に寄与するセル部分の強度をも確保しながら、セル部分のイオン伝導度を高くすることができ、セルの大口径化も可能となって、発電特性に優れ、しかも強度に優れたセル板1が得られる。
また、仮焼体の段階でイットリアを含んだ溶液を選択的に塗布するといった簡単な工程を追加するだけで、イオン伝導度の高い8YSZから成る変性領域2aをセル相当部分に形成することができ、安価に機械的強度とイオン伝導度を兼ね備えた電解質層2を実現することができる。
【0033】
なお、上記実施例では、電解質材料の形成にドクターブレード法を用いたが、これに限定されるものではなく、プレス成形や押出し成形などを適用してもよい。
また、3YSZの仮焼体にイットリアを含む溶液を塗布して、含浸させることにより8YSZの領域2aを形成したが、3YSZ及び8YSZの領域をそれぞれ別個に成形して、張り合わせるようにすることも可能である。
【0034】
さらに、上記実施例においては、母材としてジルコニアを主成分とし添加物(第1の添加物)としてイットリアを用いたが、前述のようにこれに制限されるものではなく、安定化の添加物としてはSc、Mg、Ca等を用いることもできる。また、イオン導電性を向上させる添加物として、母材の添加物と同じイットリアを用いたが、前述のSc、Mg、Caでも同様の効果が得られる。さらに、イオン導電性を向上させる添加物は、母材の添加物と同じである必要はなく、4A族、5A族、7A族、4B族の酸化物、例えばTiO、Nb、Ta、MnOなどを第2の添加物として使用することができる。なお、これら添加物は単独のみならず、複合添加することも可能である。
【0035】
(実施例2)
次に、本発明の第2の実施例として、本発明の電解質を同様に電解質支持型の平行平板固体酸化物形燃料電池に適用した例を示す。当該実施例においては、イオン伝導度に優れた8YSZの仮焼体にアルミナ(Al)を導入することによって所望部分、すなわち外周部及び中央の格子状梁部分の強度向上を行った点において、上記実施例1と相違する。
【0036】
図5に基づいて、当が追い実施例における電解質層2及びセル板1の作製方法について説明する。
まず、8YSZの原料粉を用いて、上記実施例1と同様の手法により、図5(a)に示すように8YSZの仮焼体2oを作製する。
【0037】
次いで、図5(b)に示すように、仮焼体2oにマスキング7を施し、所望の領域2a、この場合は外周部、マニホールド部、中央部の格子状部分など、強度の向上をはかりたい領域を開口し、開口部分にシュウ酸アルミニウム水溶液を塗布して、含浸させる。この時の含浸量は仮焼体2oの厚さと溶液中のアルミニウムの量を勘案し、ジルコニアに対して、例えば1mol%となるように調整する。
マスキングに際しては、実施例1と同様に、市販のマスキングテープやフィルムレジスト等を使用することができる。また、含浸溶液としては、アルミニウムを含み、焼成処理によってアルミニウム成分以外のものは揮発するようなものが望ましく、上記した水溶性のシュウ酸アルミニウムの他には、アルコキシドに代表される有機金属塩などを使用することができる。
【0038】
次に、マスク7を取り除いた後、1400℃程度にて本焼成を行い、図5(c)に示すように、緻密な電解質2を得る。この時、マスキングされた領域は原料粉とほぼおなじ8mol%のイットリアを含む8YSZとなるが、シュウ酸アルミニウムを塗布された領域2aについては、シュウ酸成分が揮発し、アルミニウムは酸化してアルミナとしてジルコニア内に分散し、アルミナ強化8YSZが形成されることになる。
【0039】
そして最後に、図5(d)に示すように、上記電解質2の燃料極となる側に、8YSZから成る領域を覆うようにNiOとジルコニアからなるNi−サーメット材料を50μm程度に塗布して、1000〜1200℃程度の温度で焼成し、さらに空気極側にもLSCを50μm程度に塗布して、800〜900℃程度で焼成することにより、電解質層2の両面に燃料極層4及び空気極層3をそれぞれ形成して、燃料電池セル板1とする。
【0040】
この実施例においては、イオン伝導性に優れた8YSZを母材とし、外周部やガスマニホールド周辺、さらに中央部の格子状梁部分を選択的に強度に優れたアルミナ強化8YSZとしており、上記実施例1と同様に、発電特性に優れ、しかも強度に優れた電解質層2が得られる。
【0041】
なお、これら実施例のバリエーションとして、当該実施例2と上記実施例1とを組合わせることも可能である。
例えば、母材を3YSZとしてイオン伝導度を向上させたいセル部分に実施例1を用いて8YSZを形成し、強度を向上させたい外周部分に実施例2を適用してアルミナ強化YSZを形成したり、8YSZを母材としてセル部分に実施例1を適用してイオン伝導度をさらに向上させ、強度を向上させたい部分に実施例2を適用してアルミナ強化8YSZを形成したりすることも可能である。
【0042】
(実施例3)
図6〜8は、本発明の第3の実施例として、本発明を電極支持型、具体的には燃料極を支持基板とした燃料極支持型の平行平板固体酸化物型燃料電池に適用した例を示すものであって、図6(a)は当該実施例におけるセル板の上面図、図6(b)はその断面図、図6(c)はセル周縁部の拡大図である。
【0043】
このセル板1においては、多孔質の燃料極基板4を支持材として、その上に電解質層2と空気極層3が形成されている。また、電解質層2は、外周部及び中央部の梁状部分は機械的強度に優れた3YSZから成り、当該3YSZの領域内にイオン伝導性に優れた8YSZが形成されている。そしてこの8YSZの領域を覆うように空気極層3が形成され、外周部の3YSZの領域に耐熱金属から成るセルホルダー8が接合されている。
【0044】
セルホルダー8は、積層しスタック化した状態の各セルへ空気、及び燃料ガスを供給するためのマニホールド、すなわち空気供給マニホールド8c、空気排気マニホールド8d、燃料供給マニホールド8e、燃料排気マニホールド8fが開口されている。
また、図7は、上記セル板1と、実施例1と同様のセパレータ6を用いて積層したスタックの構造例を示すものである。
【0045】
以下に、図8に基づいて、電解質層2及びセル板1の作製方法について説明する。
まず、Ni−YSZサーメットを原料粉としてバインダーおよび分散媒かならなるスラリーを作り、ドクターブレード法によってキャリアフィルム上に敷き延べてシート状に成形する。そして、このシートを乾燥して分散媒を揮発させてグリーンシートを作製し、これを切断、パンチング等により適当なサイズに揃えたのち、1000〜1300℃程度の熱処理を施し、1辺10mm、厚さ1mm程度の正方形の燃料極基板4を形成する。
【0046】
次いで、3YSZ原料粉と適当なバインダーおよび分散媒からペーストを作り、スクリーン印刷法によって3YSZの印刷膜を形成し、燃料極基板2の焼成温度より低い数100℃〜1200℃の温度で仮焼成を行い、図8(a)に示すように上記基板2の上に3YSZから成る仮焼体2oを形成する。
【0047】
次に、図8(b)に示すように、燃料極基板2上の仮焼体2oにマスキング7を施し、その外周部と、中央部の格子状梁部分を残して、所望の領域2aを4箇所に開口した状態で、硝酸イットリウムを塗布し、含浸させる。この時の含浸量は仮焼体2oの厚さと溶液中のイットリウムの量を勘案し、ジルコニアに対し8mol%になるように調整する。
【0048】
そして、マスク7を取り除いた後、1400℃程度にて本焼成を行い、図8(c)に示すように、緻密な電解質層2を得る。この時、マスキングされた外周部及び格子状部分は原料粉とほぼおなじ3mol%のイットリアを含む3YSZとなるが、硝酸イットリウムを塗布された領域2aについては、硝酸成分が揮発し、イットリウムは酸化してイットリアとしてジルコニア内に取り込まれ8YSZが形成されることになる。
【0049】
ついで、図8(d)に示すように、電解質層2の上に、LSCを50μm程度に塗布したのち、800〜900℃程度で焼成して空気極層3とし、最後に、この電極支持型セルの外周部に、ガラス材9を用いて耐熱金属製のフレーム状をなすセルホルダー8を接合し、マニホールド8c〜8fを備えたセル板1とする(図6参照)。
【0050】
上記のような電極支持型のセルにおいては、支持基板が電極層であり、ガス透過性を有している。従って、燃料ガスが空気極側に漏れ出さないように燃料極基板表面が空気極側に表出しないようにする必要がある。そのため緻密でガスリークの無い電解質層に金属フレーム(セルホルダー)を接合したり、金属フレームを接合する領域に機械的強度が高く、ガスリークのないセラミック材料、例えばアルミナ等などからなる緻密なシール領域を形成したりすることが必要となる。
しかし、電解質層はイオン伝導度を重視すると機械的強度が不充分で接合部にクラックが発生する。また高強度のシール領域を形成する場合には追加工程が必要な上、場合によっては電解質層とシール領域の材料の違いによる熱膨張係数差による応力が発生して、クラックが発生するなど、コストや信頼性の点でも問題がある。
【0051】
当該実施例によれば、発電領域についてはイオン伝導度に優れた8YSZとすることができ、セルホルダー8を接合する部分は3YSZのままであるから機械的強度に優れることから、極めて簡単な方法により上記のような問題点が解決されることになる。
【0052】
また、集電における接触抵抗を低減するために、大きな力で集電体を押付けた場合、電解質の割れ、剥離が発生し、同様に信頼性の低下を引き起こすことになるが、当該実施例によれば、押し付け力が必要となる集電を強度向上させら領域で集中的に行うことも可能となる。また、フィルムレジスト等を用いたフォトリソグラフィ技術を用いたマスキングにより8YSZ領域内に3YSZの領域を格子状、あるいはハニカム状の梁として残すことも可能であり、発電に寄与する電解質層2の中央部をも部分的に機械的強度を向上させることができることから、集電抵抗の低減による性能向上、信頼性の向上も期待できる。
【0053】
なお、上記実施例においては、3YSZの仮焼体2oにイットリアを含む溶液を塗布することによって8YSZの領域を形成した例を示したが、Ni−YSZサーメットから成る燃料極基板4の上に、3YSZの領域と、8YSZの領域を別々にスクリーン印刷することによって形成することも可能である。
また、当該実施例において添加物として使用したイットリアについても、他の添加物と置換し得ることは、上記実施例1と同様である。さらに、このような電極支持型セルにおいても、実施例2と同様に、イオン伝導度に優れた電解質層にアルミナ等を導入することによって、所望部分の強度を向上することも可能である。
【0054】
(実施例4)
図9及び10は、本発明の第4の実施例として、本発明を多孔質金属基材上にセルを形成した多孔質金属支持型の平行平板固体酸化物型燃料電池に適用した例を示すものであって、図9(a)は当該実施例におけるセル板の上面図、図9(b)はその断面図、図9(c)はセル周縁部の拡大図である。
【0055】
この実施例に係わるセル板1においては、空気及び燃料ガスを供給するためのマニホールドが形成された耐熱金属から成る多孔質金属基板0を支持材とし、その上に燃料極層4、電解質層2、空気極層3が形成されている。また、電解質層2は外周部及び中央部の梁状部分は3YSZから成り、この3YSZの領域内に8YSZが形成されている。そして、当該8YSZの領域を覆うように空気極層3が形成され、セルが形成されている。
また、図10は、上記セル板1と、実施例1と同様のセパレータ6を用いて積層したスタックの構造例を示すものである。
【0056】
上記セル板1を作製するには、まず、外周側に空気供給マニホールド10c、空気排気マニホールド10d、燃料供給マニホールド10e及び燃料排気マニホールド10fが形成され、多孔質処理によって中央部分にさらに多孔質部10bが形成された金属基板10に、NiOとジルコニアから成るNi−サーメット材料をスクリーン印刷して焼成することにより、燃料極層4を形成する。
これ以降は、上記実施例3と同様のプロセスによって、支持基板10上に電解質層2及び空気極層3を形成し、当該実施例に係わるセル板1が得られる。
【0057】
多孔質金属基板を用いたセル板においては、通常、基板の多孔質部と非多孔質部の境界周辺では、境界部分における強度の違いや集電体の押付けによる電解質層のクラック発生が問題となるが、当該実施例によれば、上記実施例3と同様に、強度の必要な部分は高強度に、セルの部分はイオン伝導度を高くするようにしており、このような問題点を解消することができる。
【0058】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の固体酸化物形燃料電池用電解質は、ジルコニアと特定添加物から成る電解質における平面方向の所望部位に、他の部分より上記添加物の濃度が高かったり、さらに他の添加物を含有したりする変性領域を備えていることから、これら添加物によって当該変性領域の機械的強度やイオン伝導度などの物性を調整することができ、強い圧力がかかる外周部の機械的強度を高め、電池性能が要求される中央部のイオン伝導性を向上させることができ、強度とイオン伝導性を兼ね備えた電解質とすることができるという極めて優れた効果を有するものである。
【0059】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法は、上記燃料電池用電解質の製造に好適に使用することができ、ジルコニアと第1の添加物を含む電解質材料を所望形状に成型し、仮焼成して一旦低焼結密度の化焼体としたのち、当該仮焼体の所望領域に第2の添加物を含む溶液を塗布して含浸させ、本焼成を行うようにしており、本発明の上記固体酸化物形燃料電池用電解質を容易に、低コストに製造することができる。
【0060】
さらに、本発明の固体酸化物形燃料電池用セル板は、本発明の上記固体酸化物型燃料電池用電解質を上部電極層と下部電極層で挟持したものであるから、単位容積当たりの発電効率に優れ、しかもガスシール性に優れ、集電損失の少ない高性能の燃料電池とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a) 本発明の第1の実施例に係わる固体酸化物形燃料電池用電解質を用いたセル板の構造を示す平面図である。
(b) 図1(a)に示したセル板の断面図である。
(c) 図1(b)の要部拡大断面図である。
【図2】図1に示したセル板による燃料電池スタックに用いられるセパレータの形状を示す平面図及び断面図である。
【図3】(a) 図1に示したセル板による燃料電池スタックの空気流路を示す断面図である。
(b) 図1に示したセル板による燃料電池スタックの燃料ガス流路を示す断面図である。
【図4】(a)〜(d)は図1に示したセル板の製造手順を示す工程図である。
【図5】(a)〜(d)は本発明の第2の実施例に係わる固体酸化物形燃料電池用電解質を用いたセル板の製造手順を示す工程図である。
【図6】(a) 本発明の第3の実施例に係わる固体酸化物形燃料電池用電解質を用いたセル板の構造を示す平面図である。
(b) 図6(a)に示したセル板の断面図である。
(c) 図6(b)の要部拡大断面図である。
【図7】(a) 図6に示したセル板による燃料電池スタックの空気流路を示す断面図である。
(b) 図6に示したセル板による燃料電池スタックの燃料ガス流路を示す断面図である。
【図8】(a)〜(d)は図6に示したセル板の製造手順を示す工程図である。
【図9】(a) 本発明の第4の実施例に係わる固体酸化物形燃料電池用電解質を用いたセル板の構造を示す平面図である。
(b) 図9(a)に示したセル板の断面図である。
(c) 図9(b)の要部拡大断面図である。
【図10】(a) 図9に示したセル板による燃料電池スタックの空気流路を示す断面図である。
(b) 図9に示したセル板による燃料電池スタックの燃料ガス流路を示す断面図である。
【符号の説明】
1 固体酸化物形燃料電池用セル板
2 電解質(層)
2a 変性領域
3 空気極(層)
4 燃料極(層)
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid oxide fuel cell, and more particularly, to a structure of an electrolyte for a solid oxide fuel cell having excellent mechanical strength, a method for producing the same, and a solid oxide using such an electrolyte. The present invention relates to a cell plate for a physical fuel cell.
[0002]
[Prior art]
Depending on the type of electrolyte used, the fuel cell is a phosphoric acid type (hereinafter abbreviated as “PAFC”), a molten carbonate type (hereinafter abbreviated as “MCFC”), a solid polymer type (hereinafter “PEFC”). ) And solid oxide type (hereinafter abbreviated as “SOFC”).
Among them, the SOFC fuel cell uses a solid oxide electrolyte material having ionic conductivity instead of a liquid material such as a phosphoric acid aqueous solution or a molten carbonate as an electrolyte material, and uses a PAFC type or an MCFC type. It is expected to be applied to an on-site cogeneration system because of its higher power generation efficiency and higher-temperature exhaust heat than that of the conventional fuel cell.
[0003]
As a typical and specific fuel cell structure of an SOFC fuel cell, for example, a parallel plate fuel cell can be mentioned.
The structure of this parallel plate fuel cell is basically the same as that of the PAFC type or MCFC type, and is a flat cell in which a fuel electrode layer and an air electrode layer are laminated on both sides of a substrate constituting an electrolyte layer. It has a structure in which plates and separators / interconnectors having a fuel gas flow path on one side and an air flow path on the other side are alternately bonded. In addition, in order to reduce the internal resistance of the electrolyte layer and improve the power generation efficiency with respect to such an electrolyte support type structure, in order to reduce the thickness of the electrolyte layer, one of a porous fuel electrode and an air electrode is used. An electrode supporting type structure in which an electrolyte membrane and the other electrode layer are formed using a layer as a support has been proposed.
[0004]
In such a solid oxide fuel cell, it is conceivable to increase the power generation capacity by increasing the plate area of the electrolyte layer. However, in order to increase the plate area of the electrolyte layer, the material of the electrolyte substrate must be increased. It is necessary to increase strength. However, when the electrolyte substrate is simply made thicker (0.2 to 0.3 mm) to improve the strength, the internal resistance is increased as compared with the case where the electrolyte substrate is thinner, and the electric power is reduced due to a decrease in conductivity. There is a problem that characteristics are impaired. Therefore, an electrolyte layer having low internal resistance and high mechanical strength is desired.
[0005]
In general, in a solid oxide electrolyte material, oxygen ion conductivity and mechanical strength have an opposite relationship. This is because the conduction of oxygen ions is caused by the occurrence of crystal defects caused by doping the substrate oxide and the distortion of the crystal lattice, and improving the ion conductivity means that Increasing such defects and strains naturally leads to a decrease in the strength of the base material.
As one of the solutions to such a problem, it is known to increase the strength of the electrolyte layer by providing a support member for supporting the electrolyte layer on one or both of the upper surface and the lower surface of the electrolyte layer ( Patent Document 1).
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2000-133284 A
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the method described in Patent Document 1, since a support member is additionally provided on the surface of the electrolyte layer, it is necessary to separately manufacture the support member and further integrate the support member with the electrolyte layer. . Therefore, there is a problem that a material and a manufacturing process of the support member, a bonding process of the electrolyte layer and the support member, and the like are newly generated, and the manufacturing process is complicated and long, and the cost is high.
In the above-described fuel cell having the electrode support type structure, the electrode substrate requires a considerably porous structure for gas supply, but also requires a mechanical strength as a support substrate. In addition to forming a thin electrolyte on such a porous electrode substrate, extremely high technology is required.
[0008]
The present invention has been made in view of the above-described problems in the conventional solid oxide fuel cell, without impairing the ionic conductivity of the electrolyte as a substrate or an electrolyte layer formed on another substrate. An electrolyte for a solid oxide fuel cell capable of improving a mechanical strength and obtaining a high-performance and highly reliable fuel cell, a method for producing such an electrolyte, and further such an electrolyte An object of the present invention is to provide a cell plate for a solid oxide fuel cell using the same.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The solid oxide fuel cell electrolyte of the present invention is a plate-like or membrane-like electrolyte composed of zirconia and a first additive, in which a modified region having a different concentration or composition of the additive is provided at a desired position in a planar direction. It is characterized in that such a configuration in the solid oxide fuel cell electrolyte is a means for solving the above-mentioned conventional problems.
[0010]
The method for producing an electrolyte for a solid oxide fuel cell of the present invention is suitable for producing the above-mentioned electrolyte for a fuel cell, and comprises zirconia and a first additive such as Y. 2 O 3 , Sc 2 O 3 , CaO, MgO, etc., are molded into a desired shape and calcined to form a calcined body having a low sintering density, and then a second additive such as Y, Sc, Ca, Mg, Ti, It is characterized in that a solution containing Nb, Ta, Mn, Al, or the like is applied to a desired region of the calcined body and is impregnated, and the sintering is performed to increase the sintering density.
[0011]
Furthermore, the cell plate for a solid oxide fuel cell of the present invention is characterized in that the solid oxide fuel cell electrolyte is sandwiched between an upper electrode layer and a lower electrode layer.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the electrolyte for a solid oxide fuel cell of the present invention will be described in more detail.
[0013]
As described above, the solid oxide fuel cell electrolyte of the present invention is in the form of a plate or a film made of zirconia and the first additive, and has a modified region at a desired portion in the planar direction, that is, another region. Since there is a region where the concentration of the additive is higher than the portion and a region containing another additive in addition to the additive, the additive can reduce the physical properties such as the mechanical strength and ionic conductivity of the denatured region. The electrolyte can be adjusted according to the site, and the electrolyte has both mechanical strength and ionic conductivity.
[0014]
In the electrolyte for a solid oxide fuel cell of the present invention, zirconia is used as a main component as an electrolyte base material, and a first additive which is a component contributing to stabilization of zirconia, for example, Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , CaO, MgO and the like are used alone or in any combination.
[0015]
Since these first additives have a function of improving the ionic conductivity of the electrolyte, they can be used by increasing the concentration of desired portions or as the first additives from the above group. By adding an oxide other than the above as the second additive, the ionic conductivity of the region is improved, and the power generation performance when a cell is formed is improved.
In addition to the above additives, oxides of 4A group, 5A group, 7A group, and 4B group, for example, TiO 2 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , MnO 2 And the like also have a function of improving ion conductivity, so that the same effect can be obtained by adding them to desired portions as second additives. In addition, about these additives, not only a single addition but a composite addition may be sufficient.
[0016]
On the other hand, for example, Al 2 O 3 And MgAl 2 O 4 Has a function of increasing the mechanical strength of the electrolyte base material, and thus can be strengthened by adding these as a third additive to a desired region, for example, the outer peripheral portion.
[0017]
That is, the conventional electrolyte for a solid oxide fuel cell is a uniform material in the in-plane direction, so that even if the functions required in the plane are different, it is necessary for the single material to fulfill all functions. In other words, the cell portion where high ion conductivity is required, the outer peripheral portion where the ion conductivity is not required, and the manifold portion where the strength is required have to be formed of the same material.
[0018]
On the other hand, according to the electrolyte of the present invention, using an electrolyte base material having excellent mechanical strength, a portion requiring strength, that is, a reason for securing gas sealing properties and reducing contact resistance at the time of stacking, etc. Thereby, the first additive concentration in other portions is increased while leaving the outer peripheral portion where strong stress is applied, the periphery of the gas manifold, or a beam-like portion for strengthening the cell forming portion in the central portion, or the like. By adding the second additive, or by increasing the concentration of the first additive and then further adding the second additive, the ion conductivity of the cell equivalent part can be increased. Thus, an electrolyte having excellent power generation characteristics and excellent strength can be obtained.
In addition, by using an electrolyte base material having excellent ion conductivity and adding a third additive only to a portion where the above strength is required, the ion conductivity of a cell equivalent portion is secured. Meanwhile, the mechanical strength of the region can be increased, and an electrolyte having both power generation characteristics and strength can be obtained. Needless to say, it is of course possible to increase the ion conductivity of the cell-equivalent portion by the first or second additive, and further increase the strength of the outer peripheral portion or the like by the third additive.
[0019]
As described above, the solid oxide fuel cell electrolytes having different ionic conductivities and mechanical strengths depending on parts can be manufactured by, for example, separately forming regions having different components and concentrations and then laminating them. Is zirconia and a first additive, namely Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , CaO, MgO, etc., are molded into a desired shape, and then calcined to form a calcined body having a low sintering density, and a second additive such as Y, Sc is added to a desired region of the calcined body. , Ca, Mg, Ti, Nb, Ta, Mn, Al, etc., can be easily manufactured by applying and impregnating the solution and then performing main firing.
[0020]
Here, press molding, extrusion molding, a doctor blade method, or the like can be employed for molding the electrolyte material. Alternatively, it can be formed on a substrate made of silicon or an electrode material. In this case, a slurry or paste-like material is applied to the substrate by a coating method or a printing method, molded, dried, and then dried. Together with the calcination.
When applying the solution containing the second additive to the calcined body that has been calcined, it is desirable to apply masking to a portion that is not to be impregnated with, for example, a commercially available masking tape. If a fine pattern is required, a film resist or the like can be used.By performing masking using a photolithography technique using a film resist or the like, a high-strength portion such as a lattice or honeycomb is formed in a cell equivalent region. Since it can be left or formed and functions as a beam supporting the cell part, the area of the power generation unit (cell) can be increased without impairing the mechanical strength, and the power generation efficiency can be further improved. Can be expected.
[0021]
Furthermore, in order to reduce the contact resistance of the electrical connection at the time of current collection, a pressing force is required. However, current collection can be performed intensively in a region where the strength is improved. It is also possible to improve the performance and reliability by reducing the amount of light.
[0022]
The cell plate for a solid oxide fuel cell of the present invention has the above-mentioned electrolyte for a solid oxide fuel cell sandwiched between an upper electrode layer and a lower electrode layer, and therefore has excellent power generation efficiency per unit volume and gas Thus, a high-performance fuel cell having excellent sealing properties and little current collection loss can be obtained.
[0023]
In the cell plate for a solid oxide fuel cell, the air electrode material is La. 1-X Sr X MnO 3 (LSM), La 1-X Ca X MnO 3 (LCM), La 1-X Sr X CoO 3 (LSC), Pt, and the like can be used. On the other hand, as an anode material, NiO-YSZ cermet, Ni-SDC (samarium-doped ceria) cermet, Pt, and the like can be used. However, the present invention is not limited to this.
To form the electrode layer, for example, a slurry coating method, a printing method, a sputtering method, an electron beam evaporation method, a plasma spray method, an ion plating method, a frame spray method, a plasma jet torch method, an EVD method, and a CVD method The law can be adopted.
[0024]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples. In the present specification, the portion composed of the three layers of the electrolyte layer, the fuel electrode layer, and the air electrode layer includes a battery cell, or simply a cell, a battery cell and a gas supply / exhaust manifold portion on the outer periphery thereof. A cell plate, a single cell unit as a repeating unit composed of the cell plate and the separator, a cell stack of stacked single cell units, and a cell stack having a function of supplying and discharging gas to and from each single cell unit constituting the cell stack The internal flow paths are referred to as a supply manifold and an exhaust manifold, respectively. In addition, oxidizing gas and air are synonymous.
[0025]
(Example 1)
FIGS. 1 to 4 show, as a first embodiment of the present invention, an example in which the present invention is applied to an electrolyte-supported parallel plate solid oxide fuel cell. FIG. FIG. 1B is a top view of the cell plate in the example, FIG. 1B is a cross-sectional view thereof, and FIG. 3C is an enlarged view of a cell periphery.
[0026]
As will be described later, the electrolyte layer 2 in the cell plate 1 shown in FIGS. 1A to 1C has a 3 mol% yttria (Y 2 O 3 ) Containing yttria-stabilized zirconia (hereinafter referred to as “3YSZ”), and 8 mol% of yttria (Y 2 O 3 ), A region (modified region) 2 a made of yttria-stabilized zirconia (hereinafter referred to as “8YSZ”) is formed. An air electrode layer 3 is formed on the upper surface of the electrolyte layer 2 and a fuel electrode layer 4 is formed on the lower surface thereof so as to sandwich the region 2a made of 8YSZ from above and below.
In the 3YSZ region on the outer peripheral portion of the electrolyte layer 2, a manifold for supplying air and fuel gas to each cell in a stacked state, that is, an air supply manifold 2c, an air exhaust manifold 2d, a fuel A supply manifold 2e and a fuel exhaust manifold 2f are formed.
[0027]
FIG. 2 shows an example of a separator for separating cells from each other while establishing electrical continuity between cells when a stack is formed using the cell plate 1. FIG. 3 shows the structure of a stack laminated using the separator 6.
The separator 6 has an air supply manifold 6c, an air exhaust manifold 6d, a fuel supply manifold 6e, and a fuel exhaust manifold 6f at positions corresponding to the respective manifolds formed on the electrolyte layer 2.
[0028]
Next, a method for manufacturing the electrolyte layer 2 and the cell plate 1 will be described with reference to FIG.
First, a slurry composed of 3YSZ raw material powder, a suitable binder and a dispersion medium is prepared, spread on a carrier film by a doctor blade method, and formed into a sheet. The sheet is dried and the dispersion medium is volatilized to produce a green sheet. The green sheet is cut, punched, or the like to have an appropriate size, and the air and fuel supply / exhaust manifolds 2c to 2f are opened. By performing a heat treatment at about 1000 ° C., a calcined body 2o of an electrolyte having a side of 10 cm and a thickness of about 100 μm is formed as shown in FIG. The calcined body 2o has a low sintering density due to a low sintering temperature, and includes voids of about 30 to 60% depending on the sintering temperature.
[0029]
Next, as shown in FIG. 4 (b), a masking 7 is applied to the obtained calcined body 2o, and a desired region 2a is formed by leaving the outer peripheral portion of the calcined body 2o and the lattice beam portion at the center. A solution containing yttrium and yttrium nitrate are applied and impregnated with the opening at the location. The amount of impregnation at this time is adjusted to 8 mol% with respect to zirconia in consideration of the thickness of the calcined body 2o and the amount of yttrium in the solution.
The masking 7 may be a commercially available masking tape or the like if a solution to be impregnated does not pass therethrough, or a film resist or the like if a fine pattern is required. The solution to be applied and impregnated on the calcined body 2o is preferably a solution containing yttrium, and other than the yttria component is volatilized by the calcination treatment. Organic metal salts represented by yttrium carbonate or alkoxides can be used.
[0030]
Then, after removing the mask 7, main firing is performed at about 1400 ° C. to obtain a dense electrolyte 2 as shown in FIG. At this time, the masked outer peripheral portion and the lattice portion become 3YSZ containing 3 mol% of yttria, which is almost the same as that of the raw material powder. As a result, 8YSZ is formed by being taken into zirconia as yttria.
[0031]
Finally, as shown in FIG. 4 (d), a Ni-cermet material made of NiO and zirconia is coated on the side of the electrolyte 2 to be the fuel electrode so as to cover the region 2a where the 8YSZ is formed and the lattice-like portion. And fired at a temperature of about 1000 to 1200 ° C. X Sr 1-X CoO 3 (Hereinafter referred to as “LSC”) is applied to a thickness of about 50 μm and then fired at about 800 to 900 ° C. to form a fuel electrode layer 4 and an air electrode layer 3 on both surfaces of the electrolyte layer 2, respectively. It is referred to as plate 1.
[0032]
In this example, 3YSZ having excellent mechanical strength was used as a base material, and 8YSZ having excellent ionic conductivity was formed in a region contributing to power generation while a portion functioning as a beam for maintaining strength was left in a lattice shape. ing. Therefore, when stacking is performed, the strength of the outer peripheral portion of the cell plate 1 and the periphery of the gas manifold where strong stress is applied in order to secure the gas sealing property, and the strength of the cell portion contributing to power generation by the grid-like beam are also reduced. While securing, the ionic conductivity of the cell portion can be increased, and the diameter of the cell can be increased, so that the cell plate 1 having excellent power generation characteristics and excellent strength can be obtained.
Further, by simply adding a simple process of selectively applying a solution containing yttria at the stage of calcining, the modified region 2a made of 8YSZ having high ionic conductivity can be formed in a portion corresponding to the cell. Thus, the electrolyte layer 2 having both mechanical strength and ionic conductivity can be realized at low cost.
[0033]
In the above embodiment, the doctor blade method was used for forming the electrolyte material. However, the present invention is not limited to this. For example, press molding or extrusion molding may be applied.
Further, the 8YSZ region 2a was formed by applying a solution containing yttria to the calcined body of 3YSZ and impregnating it, but the 3YSZ and 8YSZ regions may be separately formed and bonded. It is possible.
[0034]
Furthermore, in the above embodiment, zirconia was used as a main component as a base material and yttria was used as an additive (first additive). However, the present invention is not limited to this, and is not limited thereto. For example, Sc, Mg, Ca, or the like can be used. Although the same yttria as the additive of the base material was used as the additive for improving the ion conductivity, the same effect can be obtained with Sc, Mg, and Ca described above. Further, the additive for improving the ionic conductivity does not need to be the same as the additive of the base material, and may be an oxide of Group 4A, 5A, 7A, or 4B such as TiO. 2 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , MnO 2 Etc. can be used as the second additive. In addition, these additives can be added alone or in combination.
[0035]
(Example 2)
Next, as a second embodiment of the present invention, an example in which the electrolyte of the present invention is similarly applied to an electrolyte-supported parallel plate solid oxide fuel cell will be described. In this embodiment, alumina (Al) was added to the calcined body of 8YSZ having excellent ion conductivity. 2 O 3 ) Is different from that of the first embodiment in that the strength of the desired portion, that is, the outer peripheral portion and the central lattice-shaped beam portion is improved by introducing (2).
[0036]
A method for manufacturing the electrolyte layer 2 and the cell plate 1 in the present embodiment will be described with reference to FIG.
First, an 8YSZ calcined body 2o is manufactured using the 8YSZ raw material powder in the same manner as in Example 1 as shown in FIG. 5A.
[0037]
Next, as shown in FIG. 5B, a masking 7 is applied to the calcined body 2o, and it is desired to improve the strength of a desired region 2a, in this case, the outer peripheral portion, the manifold portion, the central portion of the lattice, and the like. A region is opened, and an aqueous solution of aluminum oxalate is applied to the opening and impregnated. At this time, the impregnation amount is adjusted to, for example, 1 mol% with respect to zirconia in consideration of the thickness of the calcined body 2o and the amount of aluminum in the solution.
At the time of masking, a commercially available masking tape, a film resist, or the like can be used as in the first embodiment. Further, as the impregnating solution, it is preferable that the impregnating solution contains aluminum, and that the components other than the aluminum component volatilize by the baking treatment. In addition to the above-mentioned water-soluble aluminum oxalate, an organic metal salt represented by an alkoxide, etc. Can be used.
[0038]
Next, after removing the mask 7, main firing is performed at about 1400 ° C. to obtain a dense electrolyte 2 as shown in FIG. At this time, the masked area becomes 8YSZ containing 8 mol% of yttria, which is almost the same as the raw material powder. However, in the area 2a coated with aluminum oxalate, the oxalic acid component volatilizes, and the aluminum is oxidized to become alumina. It is dispersed in zirconia to form alumina-reinforced 8YSZ.
[0039]
Finally, as shown in FIG. 5 (d), a Ni-cermet material made of NiO and zirconia is applied to a thickness of about 50 μm on the fuel electrode side of the electrolyte 2 so as to cover a region made of 8YSZ. The fuel electrode layer 4 and the air electrode are formed on both surfaces of the electrolyte layer 2 by firing at a temperature of about 1000 to 1200 ° C., further applying LSC to the air electrode side to about 50 μm, and firing at about 800 to 900 ° C. Each of the layers 3 is formed to be a fuel cell plate 1.
[0040]
In this embodiment, 8YSZ having excellent ion conductivity is used as a base material, and the outer peripheral portion, the periphery of the gas manifold, and the lattice beam portion at the center portion are selectively made of alumina reinforced 8YSZ having excellent strength. As in the case of 1, the electrolyte layer 2 having excellent power generation characteristics and excellent strength is obtained.
[0041]
As a variation of these embodiments, the second embodiment and the first embodiment can be combined.
For example, the base material is 3YSZ, 8YSZ is formed in the cell portion where the ion conductivity is to be improved by using the first embodiment, and the alumina-reinforced YSZ is formed by applying the second embodiment to the outer peripheral portion where the strength is to be improved. , 8YSZ as a base material, the embodiment 1 can be applied to the cell portion to further improve the ionic conductivity, and the embodiment 2 can be applied to the portion where the strength is to be improved to form the alumina-reinforced 8YSZ. is there.
[0042]
(Example 3)
6 to 8 show a third embodiment of the present invention, in which the present invention is applied to an electrode-supporting type, specifically, an anode supporting type parallel plate solid oxide fuel cell using an anode as a supporting substrate. 6 (a) is a top view of a cell plate in the embodiment, FIG. 6 (b) is a cross-sectional view thereof, and FIG. 6 (c) is an enlarged view of a cell peripheral portion.
[0043]
In this cell plate 1, a porous fuel electrode substrate 4 is used as a supporting material, and an electrolyte layer 2 and an air electrode layer 3 are formed thereon. In the electrolyte layer 2, the outer and central beam portions are made of 3YSZ having excellent mechanical strength, and 8YSZ having excellent ion conductivity is formed in the 3YSZ region. The air electrode layer 3 is formed so as to cover the 8YSZ region, and the cell holder 8 made of a heat-resistant metal is joined to the outer 3YSZ region.
[0044]
The cell holder 8 has manifolds for supplying air and fuel gas to the stacked and stacked cells, that is, an air supply manifold 8c, an air exhaust manifold 8d, a fuel supply manifold 8e, and a fuel exhaust manifold 8f. ing.
FIG. 7 shows a structural example of a stack in which the above-mentioned cell plate 1 and the separator 6 similar to the first embodiment are stacked.
[0045]
Hereinafter, a method for manufacturing the electrolyte layer 2 and the cell plate 1 will be described with reference to FIG.
First, a slurry consisting of a binder and a dispersion medium is prepared using Ni-YSZ cermet as a raw material powder, spread over a carrier film by a doctor blade method, and formed into a sheet. Then, the sheet is dried to evaporate the dispersion medium to produce a green sheet. The green sheet is cut, punched, or the like, and is then adjusted to an appropriate size. A square fuel electrode substrate 4 of about 1 mm is formed.
[0046]
Next, a paste is made from the 3YSZ raw material powder, a suitable binder and a dispersion medium, a 3YSZ printed film is formed by a screen printing method, and a preliminary firing is performed at a temperature of several hundreds to 1200 ° C. lower than the firing temperature of the fuel electrode substrate 2. Then, a calcined body 2o made of 3YSZ is formed on the substrate 2 as shown in FIG.
[0047]
Next, as shown in FIG. 8 (b), a masking 7 is applied to the calcined body 2o on the fuel electrode substrate 2 to leave a desired region 2a by leaving the outer peripheral portion and the central lattice beam portion. Yttrium nitrate is applied and impregnated with four openings. The amount of impregnation at this time is adjusted to 8 mol% with respect to zirconia in consideration of the thickness of the calcined body 2o and the amount of yttrium in the solution.
[0048]
Then, after the mask 7 is removed, the main baking is performed at about 1400 ° C. to obtain a dense electrolyte layer 2 as shown in FIG. At this time, the masked outer peripheral portion and the grid-like portion become 3YSZ containing 3 mol% of yttria, which is almost the same as the raw material powder. However, in the region 2a coated with yttrium nitrate, the nitric acid component volatilizes and yttrium is oxidized. As a result, 8YSZ is formed by being taken into zirconia as yttria.
[0049]
Next, as shown in FIG. 8D, an LSC is applied to the electrolyte layer 2 to a thickness of about 50 μm, and then baked at about 800 to 900 ° C. to form an air electrode layer 3. A cell holder 8 having a frame shape made of a heat-resistant metal is joined to the outer periphery of the cell using a glass material 9 to obtain a cell plate 1 having manifolds 8c to 8f (see FIG. 6).
[0050]
In such an electrode-supporting cell, the supporting substrate is an electrode layer and has gas permeability. Therefore, it is necessary to prevent the fuel electrode substrate surface from being exposed to the air electrode so that the fuel gas does not leak to the air electrode. For this reason, a metal frame (cell holder) is bonded to a dense and gas leak-free electrolyte layer, or a dense sealing region made of a ceramic material having high mechanical strength and no gas leak, such as alumina, is formed in a region where the metal frame is bonded. It is necessary to form.
However, when importance is placed on the ionic conductivity of the electrolyte layer, the mechanical strength is insufficient and cracks occur at the joint. In addition, when a high-strength seal region is formed, an additional step is required, and in some cases, stress is generated due to a difference in thermal expansion coefficient due to a difference in material between the electrolyte layer and the seal region, resulting in cracks and other costs. There is also a problem in terms of reliability and reliability.
[0051]
According to this embodiment, the power generation region can be made 8YSZ excellent in ionic conductivity, and since the portion where the cell holder 8 is joined remains 3YSZ, it is excellent in mechanical strength. This solves the above problem.
[0052]
Further, when the current collector is pressed with a large force in order to reduce the contact resistance in the current collection, cracking and peeling of the electrolyte occur, which similarly causes a decrease in reliability. According to this, it is also possible to concentrate current in a region while improving the strength, which requires a pressing force. Further, it is possible to leave a 3YSZ region as a lattice-like or honeycomb-like beam in the 8YSZ region by masking using a photolithography technique using a film resist or the like, and the central portion of the electrolyte layer 2 contributing to power generation can be obtained. In addition, since the mechanical strength can be partially improved, performance improvement and reliability improvement can be expected by reducing the current collecting resistance.
[0053]
In the above embodiment, an example in which the 8YSZ region is formed by applying a solution containing yttria to the 3YSZ calcined body 2o is shown, but the fuel electrode substrate 4 made of Ni-YSZ cermet is used. It is also possible to form the 3YSZ area and the 8YSZ area by screen printing separately.
In addition, yttria used as an additive in the present embodiment can be replaced with another additive as in the first embodiment. Further, in such an electrode-supporting cell, as in the second embodiment, by introducing alumina or the like into the electrolyte layer having excellent ionic conductivity, the strength of a desired portion can be improved.
[0054]
(Example 4)
FIGS. 9 and 10 show, as a fourth embodiment of the present invention, an example in which the present invention is applied to a porous metal supported parallel plate solid oxide fuel cell having cells formed on a porous metal substrate. 9A is a top view of the cell plate in the embodiment, FIG. 9B is a cross-sectional view thereof, and FIG. 9C is an enlarged view of a cell peripheral portion.
[0055]
In the cell plate 1 according to this embodiment, a porous metal substrate 0 made of a heat-resistant metal having a manifold for supplying air and a fuel gas is used as a support material, and a fuel electrode layer 4 and an electrolyte layer 2 are formed thereon. , An air electrode layer 3 is formed. In the electrolyte layer 2, the outer and central beam portions are made of 3YSZ, and 8YSZ is formed in the 3YSZ region. The air electrode layer 3 is formed so as to cover the 8YSZ region, and a cell is formed.
FIG. 10 shows a structural example of a stack in which the cell plate 1 and the separator 6 similar to those in the first embodiment are stacked.
[0056]
In order to manufacture the cell plate 1, first, an air supply manifold 10c, an air exhaust manifold 10d, a fuel supply manifold 10e, and a fuel exhaust manifold 10f are formed on the outer peripheral side, and a porous portion 10b is further formed at a central portion by a porous treatment. The fuel electrode layer 4 is formed by screen-printing and firing a Ni-cermet material made of NiO and zirconia on the metal substrate 10 on which is formed.
Thereafter, the electrolyte layer 2 and the air electrode layer 3 are formed on the support substrate 10 by the same process as that of the third embodiment, and the cell plate 1 according to the third embodiment is obtained.
[0057]
In a cell plate using a porous metal substrate, there are usually problems around the boundary between the porous portion and the non-porous portion of the substrate due to differences in strength at the boundary portion and cracking of the electrolyte layer due to pressing of the current collector. However, according to the present embodiment, similarly to the above-described third embodiment, a portion requiring strength is made to have high strength, and a portion of the cell is made to have high ionic conductivity. can do.
[0058]
【The invention's effect】
As described above, in the solid oxide fuel cell electrolyte of the present invention, the concentration of the additive is higher than that of the other portion at a desired position in the planar direction in the electrolyte composed of zirconia and the specific additive, and Or the like, containing a denaturing region containing these additives, it is possible to adjust the physical properties such as the mechanical strength and ionic conductivity of the denaturing region with these additives, and to apply a high pressure to the outer peripheral machine. It has an extremely excellent effect that it is possible to increase the mechanical strength, improve the ionic conductivity of the central part where battery performance is required, and obtain an electrolyte having both strength and ionic conductivity.
[0059]
Further, the method for producing an electrolyte for a solid oxide fuel cell of the present invention can be suitably used for producing the above-mentioned electrolyte for a fuel cell, and the electrolyte material containing zirconia and the first additive is formed into a desired shape. Then, after calcining to temporarily form a low-sintering-density calcined body, a desired region of the calcined body is coated with a solution containing the second additive to be impregnated, and the main calcining is performed. The electrolyte for a solid oxide fuel cell according to the present invention can be easily manufactured at low cost.
[0060]
Further, the cell plate for a solid oxide fuel cell of the present invention has the above-described electrolyte for a solid oxide fuel cell of the present invention sandwiched between an upper electrode layer and a lower electrode layer. It is possible to obtain a high-performance fuel cell which is excellent in gas sealing property, has excellent gas sealing properties, and has little current collection loss.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 (a) is a plan view showing a structure of a cell plate using an electrolyte for a solid oxide fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
(B) FIG. 2 is a cross-sectional view of the cell plate shown in FIG.
FIG. 2C is an enlarged sectional view of a main part of FIG.
2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view illustrating a shape of a separator used in the fuel cell stack including the cell plates shown in FIG.
FIG. 3A is a cross-sectional view illustrating an air flow path of a fuel cell stack using the cell plates illustrated in FIG. 1;
FIG. 2B is a cross-sectional view illustrating a fuel gas flow path of the fuel cell stack using the cell plates illustrated in FIG. 1.
4 (a) to 4 (d) are process charts showing a manufacturing procedure of the cell plate shown in FIG.
FIGS. 5 (a) to 5 (d) are process diagrams showing a procedure for manufacturing a cell plate using an electrolyte for a solid oxide fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 (a) is a plan view showing a structure of a cell plate using an electrolyte for a solid oxide fuel cell according to a third embodiment of the present invention.
(B) It is sectional drawing of the cell board shown in FIG. 6 (a).
(C) It is a principal part expanded sectional view of FIG.6 (b).
7A is a cross-sectional view showing an air flow path of a fuel cell stack using the cell plates shown in FIG. 6;
FIG. 7B is a cross-sectional view illustrating a fuel gas flow path of the fuel cell stack using the cell plates illustrated in FIG. 6.
8 (a) to 8 (d) are process diagrams showing a procedure for manufacturing the cell plate shown in FIG.
FIG. 9 (a) is a plan view showing a structure of a cell plate using an electrolyte for a solid oxide fuel cell according to a fourth embodiment of the present invention.
(B) It is sectional drawing of the cell plate shown to Fig.9 (a).
(C) It is a principal part expanded sectional view of FIG.9 (b).
10A is a sectional view showing an air flow path of a fuel cell stack using the cell plates shown in FIG. 9;
FIG. 10B is a cross-sectional view illustrating a fuel gas flow path of the fuel cell stack using the cell plates illustrated in FIG. 9.
[Explanation of symbols]
1 Cell plate for solid oxide fuel cell
2 electrolyte (layer)
2a Denatured region
3 air electrode (layer)
4 Fuel electrode (layer)

Claims (15)

ジルコニアと第1の添加物から成る板状又は膜状をなし、面方向の所望部位に変性領域を備え、当該変性領域における第1の添加物の濃度が他の部分よりも高いことを特徴とする固体酸化物型燃料電池用電解質。It has a plate-like or film-like shape made of zirconia and a first additive, has a denatured region at a desired portion in the plane direction, and has a higher concentration of the first additive in the denatured region than other portions. For solid oxide fuel cells. 第1の添加物がY、Sc、CaO及びMgOからなる群から選ばれる少なくとも1種の酸化物であることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池用電解質。The first additive is Y 2 O 3, Sc 2 O 3, CaO and solid oxide fuel cell according to claim 1, characterized in that at least one oxide selected from the group consisting of MgO For electrolyte. ジルコニアと第1の添加物から成る板状又は膜状をなし、面方向の所望部位に変性領域を備え、当該変性領域には第1の添加物に加えて第2の添加物が含まれていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池用電解質。It has a plate-like or film-like shape composed of zirconia and a first additive, and has a denatured region at a desired portion in the plane direction, and the denatured region contains a second additive in addition to the first additive. An electrolyte for a solid oxide fuel cell. 変性領域における第1の添加物の濃度が他の部分よりも高いことを特徴とする請求項3に記載の固体酸化物型燃料電池用電解質。4. The solid oxide fuel cell electrolyte according to claim 3, wherein the concentration of the first additive in the denatured region is higher than that of the other portion. 第1の添加物がY、Sc、CaO及びMgOからなる群から選ばれる少なくとも1種の酸化物であることを特徴とする請求項3又は4に記載の固体酸化物型燃料電池用電解質。The solid oxide type according to claim 3 , wherein the first additive is at least one oxide selected from the group consisting of Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , CaO, and MgO. Electrolyte for fuel cells. 第2の添加物が第1の添加物として使用された酸化物以外のY、Sc、CaO及びMgOからなる群から選ばれる少なくとも1種の酸化物であることを特徴とする請求項3〜5のいずれか1つの項に記載の固体酸化物型燃料電池用電解質。The second additive is at least one oxide selected from the group consisting of Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , CaO and MgO other than the oxide used as the first additive. An electrolyte for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 3 to 5. 第2の添加物がTiO、Nb、Ta及びMnOからなる群から選ばれる少なくとも1種の酸化物であることを特徴とする請求項3〜5のいずれか1つの項に記載の固体酸化物型燃料電池用電解質。Second additive TiO 2, Nb 2 O 3, Ta 2 O 3 and any one of claims 3-5, characterized in that at least one oxide selected from the group consisting of MnO 2 Item 10. The electrolyte for a solid oxide fuel cell according to item 8. ジルコニアと第1の添加物から成る板状又は膜状をなし、外周部に第3の添加物を含有していることを特徴とする固体酸化物型燃料電池用電解質。An electrolyte for a solid oxide fuel cell, which has a plate shape or a film shape made of zirconia and a first additive, and has a third additive in an outer peripheral portion thereof. 外周部に第3の添加物を含有することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つの項に記載の固体酸化物型燃料電池用電解質。The electrolyte for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the outer peripheral portion contains a third additive. 第3の添加物がAl及び/又はMgAlであることを特徴とする請求項8又は9に記載の固体酸化物型燃料電池用電解質。The third additive is Al 2 O 3 and / or solid oxide fuel cell electrolyte according to claim 8 or 9, characterized in that a MgAl 2 O 4. ジルコニアと第1の添加物を含む電解質材料を所望形状に成型し、仮焼成して一旦低焼結密度の仮焼体としたのち、
上記仮焼体の所望領域に、第2の添加物を溶液状態で塗布して含浸させ、
次いで、本焼成を行うことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法。
After the electrolyte material containing zirconia and the first additive is molded into a desired shape and calcined to temporarily form a calcined body having a low sintering density,
In a desired region of the calcined body, the second additive is applied in a solution state and impregnated,
Subsequently, a method for producing an electrolyte for a solid oxide fuel cell, comprising performing a main firing.
第1の添加物がY、Sc、CaO及びMgOからなる群から選ばれる少なくとも1種の酸化物であることを特徴とする請求項11に記載の固体酸化物型燃料電池用電解質の製造方法。The first additive is Y 2 O 3, Sc 2 O 3, CaO and solid oxide fuel cell according to claim 11, characterized in that at least one oxide selected from the group consisting of MgO Manufacturing method of electrolyte for use. 第2の添加物がY、Sc、Ca、Mg、Ti、Nb及びTaからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素であることを特徴とする請求項11又は12に記載の固体酸化物型燃料電池用電解質の製造方法。13. The solid oxide type according to claim 11, wherein the second additive is at least one element selected from the group consisting of Y, Sc, Ca, Mg, Ti, Nb and Ta. A method for producing an electrolyte for a fuel cell. 第2の添加物がMn及び/又はAlであることを特徴とする請求項11又は12に記載の固体酸化物型燃料電池用電解質の製造方法。13. The method for producing an electrolyte for a solid oxide fuel cell according to claim 11, wherein the second additive is Mn and / or Al. 請求項1〜10のいずれか1つの項に記載の固体酸化物型燃料電池用電解質を上部電極層と下部電極層で挟持して成ることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用セル板。A cell plate for a solid oxide fuel cell, comprising the solid oxide fuel cell electrolyte according to any one of claims 1 to 10 sandwiched between an upper electrode layer and a lower electrode layer.
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