JP6748518B2 - Method for manufacturing electrochemical reaction cell - Google Patents
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Description
本明細書に開示される技術は、電気化学反応セルの製造方法に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a method for manufacturing an electrochemical reaction cell.
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の1つとして、固体酸化物形の燃料電池(以下、「SOFC」という)が知られている。SOFCを構成する燃料電池単セル(以下、「単セル」という)は、固体酸化物を含む電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向(以下、「配列方向」という)に互いに対向する空気極および燃料極とを備え、電解質層および燃料極の少なくとも一方は部分安定化Zrを含む。 BACKGROUND ART Solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as “SOFC”) are known as one type of fuel cells that generate electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. A fuel cell unit cell (hereinafter, referred to as “unit cell”) that constitutes an SOFC includes an electrolyte layer containing a solid oxide, and air facing each other in a predetermined direction (hereinafter, referred to as “arrangement direction”) with the electrolyte layer interposed therebetween. A cathode and an anode, and at least one of the electrolyte layer and the anode comprises a partially stabilized Zr.
単セルにおいて、空気極に含まれる物質と、電解質層に含まれる物質とが反応して高抵抗層が形成されることによって発電性能が低下することを抑制するため、空気極と電解質層との間に中間層を配置する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。中間層は、高抵抗層の生成源である物質が空気極から電解質層へと拡散することを抑制することによって、高抵抗層の形成を抑制する。 In the single cell, a substance contained in the air electrode and a substance contained in the electrolyte layer react to suppress a decrease in power generation performance due to the formation of a high resistance layer. A technique of disposing an intermediate layer in between is known (for example, refer to Patent Document 1). The intermediate layer suppresses the formation of the high resistance layer by suppressing the diffusion of the substance, which is the generation source of the high resistance layer, from the air electrode to the electrolyte layer.
このように中間層を備える単セルの従来の製造方法は、次の通りである。すなわち、電解質層前駆体と燃料極前駆体と中間層前駆体とに、部分安定化Zrの相転移温度より高い温度の熱処理を行うことにより、電解質層と燃料極と中間層との積層体を形成する。ここで、熱処理の温度が高いほど、積層体における中間層の緻密性は高くなる。緻密性が高い中間層ほど、高抵抗層の生成源である物質が空気極から電解質層へと拡散することを抑制する能力が高い。このため、一般に、中間層を形成する際の熱処理は、部分安定化Zrの相転移温度より高い温度で行われる。次に、積層体と空気極前駆体とに、相転移温度より低い温度の熱処理を行うことにより、単セルを製造する。 The conventional method for manufacturing a single cell including the intermediate layer as described above is as follows. That is, by performing heat treatment on the electrolyte layer precursor, the fuel electrode precursor, and the intermediate layer precursor at a temperature higher than the phase transition temperature of partially stabilized Zr, a laminate of the electrolyte layer, the fuel electrode, and the intermediate layer is formed. Form. Here, the higher the heat treatment temperature, the higher the density of the intermediate layer in the laminate. The higher the density of the intermediate layer, the higher the ability to suppress the diffusion of the substance, which is the generation source of the high resistance layer, from the air electrode to the electrolyte layer. Therefore, the heat treatment for forming the intermediate layer is generally performed at a temperature higher than the phase transition temperature of the partially stabilized Zr. Next, the laminated body and the air electrode precursor are heat-treated at a temperature lower than the phase transition temperature to manufacture a single cell.
上述の従来の製造方法により製造された単セルは、運転時における発電性能の変動(低下)が大きいという問題がある。すなわち、上述の従来の製造方法では、中間層を形成する際、部分安定化Zrの相転移温度より高い温度の熱処理によって、部分安定化Zrの結晶系が、酸素イオン導電性の低い正方晶から酸素イオン導電性の高い立方晶に相転移する。その後、空気極を形成する際、相転移温度より低い温度の熱処理が約4時間行われる。しかし、電解質層に含まれる多くの部分安定化Zrの結晶系は、立方晶のままであり、相転移しない。一方、上記単セルを備えるSOFCの運
転温度は、一般に、相転移温度より低い。このため、SOFCが長時間運転されると、単セルの電解質層に含まれる多くの部分安定化Zrの結晶系が、酸素イオン導電性の高い立方晶から酸素イオン導電性の低い正方晶に相転移する。これにより、運転時における単セルの発電性能の変動が大きいという問題が生じる。なお、運転時における単セルの発電性能の変動が大きいと、例えば、発電性能の変動に応じてSOFCの運転条件の変更等、SOFCの運転制御が複雑になるという問題が生じる。
The single cell manufactured by the above-described conventional manufacturing method has a problem that the power generation performance greatly varies (decreases) during operation. That is, in the above-mentioned conventional manufacturing method, when the intermediate layer is formed, the crystal system of partially stabilized Zr is changed from tetragonal crystal with low oxygen ion conductivity by heat treatment at a temperature higher than the phase transition temperature of partially stabilized Zr. Phase transition to cubic with high oxygen ion conductivity. Then, when forming the air electrode, heat treatment at a temperature lower than the phase transition temperature is performed for about 4 hours. However, many crystal systems of partially stabilized Zr contained in the electrolyte layer remain cubic and do not undergo phase transition. On the other hand, the operating temperature of the SOFC equipped with the single cell is generally lower than the phase transition temperature. Therefore, when the SOFC is operated for a long time, many crystal systems of partially stabilized Zr contained in the electrolyte layer of the single cell change from cubic crystal having high oxygen ion conductivity to tetragonal crystal having low oxygen ion conductivity. Transfer. This causes a problem that the power generation performance of the single cell varies greatly during operation. If the fluctuation of the power generation performance of the single cell during operation is large, there arises a problem that the operation control of the SOFC becomes complicated, for example, the operating condition of the SOFC is changed according to the fluctuation of the power generation performance.
なお、このような課題は、部分安定化Zrを含む燃料極と中間層とを備える単セルの製造方法にも共通の問題である。また、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル(以下、「SOEC」という)の製造方法にも共通の課題である。本明細書では、燃料電池単セルと電解セルとをまとめて、電気化学反応単セルという。 It should be noted that such a problem is also common to the method for manufacturing a single cell including a fuel electrode containing a partially stabilized Zr and an intermediate layer. Further, it is a common problem in a method for producing a solid oxide type electrolytic cell (hereinafter, referred to as “SOEC”) that produces hydrogen by utilizing an electrolysis reaction of water. In the present specification, the fuel cell single cell and the electrolytic cell are collectively referred to as an electrochemical reaction single cell.
本明細書では、上述した課題の少なくとも一部を解決することが可能な技術を開示する。 The present specification discloses a technique capable of solving at least a part of the above-described problems.
本明細書に開示される技術は、以下の形態として実現することが可能である。 The technology disclosed in this specification can be implemented as the following modes.
(1)本明細書に開示される電気化学反応セルの製造方法は、固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層を挟んで第1の方向で互いに対向する空気極および燃料極と、前記電解質層と前記空気極との間に配置される中間層と、を備え、前記電解質層および前記燃料極の少なくとも一方は部分安定化Zrを含む、電気化学反応セルの製造方法において、電解質層前駆体と燃料極前駆体と中間層前駆体とを準備する工程と、前記電解質層前駆体と前記燃料極前駆体と前記中間層前駆体とに、前記部分安定化Zrの相転移温度以上の温度の第1の熱処理を行うことにより、前記電解質層と前記燃料極と前記中間層との積層体を形成する工程と、前記積層体に、前記相転移温度より低い温度の第2の熱処理を10時間以上行う工程と、前記第2の熱処理後の前記積層体と空気極前駆体とに、前記相転移温度より低い温度の第3の熱処理を行うことにより、前記電気化学反応セルを形成する工程と、を備える。本電気化学反応セルの製造方法によれば、電解質層前駆体と燃料極前駆体と中間層前駆体とに、部分安定化Zr(ジルコニア)の相転移温度以上の温度の第1の熱処理が行われることによって、中間層を緻密にすることができる。その一方で、当該第1の熱処理によって、部分安定化Zrの結晶系が、酸素イオン導電性の低い正方晶から酸素イオン導電性の高い立方晶に相転移する。しかし、その後、積層体に、相転移温度より低い温度の第2の熱処理が10時間以上行われることによって、部分安定化Zrの結晶系が立方晶から正方晶に相転移する。その第2の熱処理後の積層体と空気極前駆体とに、相転移温度より低い温度の第3の熱処理が行われることによって、部分安定化Zrの結晶系が十分に正方晶を含む電気化学反応セルが形成される。しかも、第2の熱処理を、空気極の形成前に行うことによって、空気極前駆体の焼結の進行による空気極のガス拡散性の低下を抑制することができる。これにより、空気極のガス拡散性の低下を抑制しつつ、運転時における電気化学反応性能の変動(低下)が低減された電気化学反応セルを製造することができる。 (1) The method for producing an electrochemical reaction cell disclosed in the present specification includes an electrolyte layer containing a solid oxide, an air electrode and a fuel electrode that face each other in a first direction with the electrolyte layer interposed therebetween, and An intermediate layer disposed between an electrolyte layer and the air electrode, wherein at least one of the electrolyte layer and the fuel electrode contains partially stabilized Zr. A body, a fuel electrode precursor, and an intermediate layer precursor, and a temperature above the phase transition temperature of the partially stabilized Zr in the electrolyte layer precursor, the fuel electrode precursor, and the intermediate layer precursor. Forming a laminate of the electrolyte layer, the fuel electrode, and the intermediate layer by performing the first heat treatment of No. 1, and performing a second heat treatment at a temperature lower than the phase transition temperature on the laminate. Forming the electrochemical reaction cell by performing a third heat treatment at a temperature lower than the phase transition temperature on the laminated body and the air electrode precursor after the second heat treatment for a time period of not less than 2 hours. And According to the method for producing an electrochemical reaction cell, the electrolyte layer precursor, the fuel electrode precursor, and the intermediate layer precursor are subjected to the first heat treatment at a temperature equal to or higher than the phase transition temperature of partially stabilized Zr (zirconia). By being exposed, the intermediate layer can be made dense. On the other hand, the first heat treatment causes the partially stabilized Zr crystal system to undergo a phase transition from a tetragonal crystal with low oxygen ion conductivity to a cubic crystal with high oxygen ion conductivity. However, after that, the second heat treatment at a temperature lower than the phase transition temperature is performed for 10 hours or more on the stacked body, so that the crystal system of partially stabilized Zr undergoes a phase transition from a cubic system to a tetragonal system. By performing the third heat treatment at a temperature lower than the phase transition temperature on the laminated body and the air electrode precursor after the second heat treatment, the electrochemical system in which the crystal system of partially stabilized Zr includes a tetragonal crystal sufficiently. A reaction cell is formed. Moreover, by performing the second heat treatment before the formation of the air electrode, it is possible to suppress a decrease in the gas diffusibility of the air electrode due to the progress of the sintering of the air electrode precursor. As a result, it is possible to manufacture an electrochemical reaction cell in which fluctuations (decrease) in electrochemical reaction performance during operation are reduced while suppressing a decrease in gas diffusibility of the air electrode.
(2)上記電気化学反応セルの製造方法において、前記第3の熱処理を行う時間は、前記第2の熱処理を行う時間より短い構成としてもよい。本電気化学反応セルの製造方法によれば、空気極のガス拡散性の低下を、より確実に抑制することができる。 (2) In the method for manufacturing an electrochemical reaction cell, the time for performing the third heat treatment may be shorter than the time for performing the second heat treatment. According to the method for producing an electrochemical reaction cell of the present invention, it is possible to more reliably suppress a decrease in gas diffusibility of the air electrode.
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池単セル、複数の燃料電池単セルを備える燃料電池スタック、燃料電池スタックを備える発電モジュール、発電モジュールを備える燃料電池システム、電解セル単位、複数の電解セル単位を備える電解セルスタック、電解セルスタックを備える水素生成モジュール、水素生成モジュールを備える水素生成システム、また、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。 The technology disclosed in the present specification can be realized in various forms, and includes, for example, a fuel cell single cell, a fuel cell stack including a plurality of fuel cell single cells, and a power generation module including a fuel cell stack. A fuel cell system including a power generation module, an electrolysis cell unit, an electrolysis cell stack including a plurality of electrolysis cell units, a hydrogen generation module including an electrolysis cell stack, a hydrogen generation system including a hydrogen generation module, and a manufacturing method thereof, etc. It can be realized in a form.
A.第1実施形態:
A−1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1のII−IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1のIII−IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図4以降についても同様である。
A. First embodiment:
A-1. Constitution:
(Configuration of Fuel Cell Stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of a
燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)発電単位102と、一対のエンドプレート104,106とを備える。7つの発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)に並べて配置されている。一対のエンドプレート104,106は、7つの発電単位102から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。
The
燃料電池スタック100を構成する各層(発電単位102、エンドプレート104,106)のZ方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の(本実施形態では8つの)孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート104から他方のエンドプレート106にわたって上下方向に延びる連通孔108を構成している。以下の説明では、連通孔108を構成するために燃料電池スタック100の各層に形成された孔も、連通孔108と呼ぶ場合がある。
A plurality of (eight in this embodiment) holes penetrating in the vertical direction are formed at the peripheral edge around the Z direction of each layer (
各連通孔108には上下方向に延びるボルト22が挿入されており、ボルト22とボルト22の両側に嵌められたナット24とによって、燃料電池スタック100は締結されている。なお、図2および図3に示すように、ボルト22の一方の側(上側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の上端を構成するエンドプレート104の上側表面との間、および、ボルト22の他方の側(下側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の下端を構成するエンドプレート106の下側表面との間には、絶縁シート26が介在している。ただし、後述のガス通路部材27が設けられた箇所では、ナット24とエンドプレート106の表面との間に、ガス通路部材27とガス通路部材27の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート26とが介在している。絶縁シート26は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。
A
各ボルト22の軸部の外径は各連通孔108の内径より小さい。そのため、各ボルト22の軸部の外周面と各連通孔108の内周面との間には、空間が確保されている。図1および図2に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22A)と、そのボルト22Aが挿入された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から酸化剤ガスOGが導入され、その酸化剤ガスOGを各発電単位102に供給するガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド161として機能し、該辺の反対側の辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22B)と、そのボルト22Bが挿入された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の空気室166から排出されたガスである酸化剤オフガスOOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド162として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスOGとして、例えば空気が使用される。
The outer diameter of the shaft portion of each
また、図1および図3に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22D)と、そのボルト22Dが挿入された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から燃料ガスFGが導入され、その燃料ガスFGを各発電単位102に供給する燃料ガス導入マニホールド171として機能し、該辺の反対側の辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22E)と、そのボルト22Eが挿入された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の燃料室176から排出されたガスである燃料オフガスFOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する燃料ガス排出マニホールド172として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスFGとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。
In addition, as shown in FIGS. 1 and 3, in the vicinity of the midpoint of one side (the side on the Y axis positive direction side of the two sides parallel to the X axis) on the outer periphery of the
燃料電池スタック100には、4つのガス通路部材27が設けられている。各ガス通路部材27は、中空筒状の本体部28と、本体部28の側面から分岐した中空筒状の分岐部29とを有している。分岐部29の孔は本体部28の孔と連通している。各ガス通路部材27の分岐部29には、ガス配管(図示せず)が接続される。また、図2に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス導入マニホールド161に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド162に連通している。また、図3に示すように、燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス導入マニホールド171に連通しており、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス排出マニホールド172に連通している。
The
(エンドプレート104,106の構成)
一対のエンドプレート104,106は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
(Structure of
The pair of
(発電単位102の構成)
図4は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図5は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。
(Configuration of power generation unit 102)
4 is an explanatory diagram showing an XZ sectional configuration of two
図4および図5に示すように、発電の最小単位である発電単位102は、単セル110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電体144と、発電単位102の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ150とを備えている。セパレータ120、空気極側フレーム130、燃料極側フレーム140、インターコネクタ150におけるZ方向回りの周縁部には、上述したボルト22が挿入される連通孔108に対応する孔が形成されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
インターコネクタ150は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ150は、発電単位102間の電気的導通を確保すると共に、発電単位102間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合、1つのインターコネクタ150は、隣接する2つの発電単位102に共有されている。すなわち、ある発電単位102における上側のインターコネクタ150は、その発電単位102の上側に隣接する他の発電単位102における下側のインターコネクタ150と同一部材である。また、燃料電池スタック100は一対のエンドプレート104,106を備えているため、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えておらず、最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていない(図2および図3参照)。
The
単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んで上下方向(発電単位102が並ぶ配列方向)に互いに対向する空気極(カソード)114および燃料極(アノード)116と、電解質層112と空気極114との間に配置される中間層300とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で電解質層112と中間層300と空気極114とを支持する燃料極支持形の単セルである。単セル110は、特許請求の範囲における電気化学反応セルに相当する。
The
電解質層112は、略矩形の平板形状部材であり、少なくとも部分安定化Zrを含んでおり、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、CaSZ(カルシア安定化ジルコニア)等の固体酸化物により形成されている。相転移温度以上の熱処理が行われることによって、部分安定化Zrの結晶系が、酸素イオン導電性の低い正方晶(テトラ)から酸素イオン導電性の高い立方晶(キュービック)に相転移し、相転移温度未満の熱処理を所定時間以上行われることによって、部分安定化Zrの結晶系が、酸素イオン導電性の高い立方晶から酸素イオン導電性の低い正方晶に相転移する。例えば、"マサトモ ヤシマ(Masatomo Yashima)、外2名、Solid State lonics、(オランダ)、エルゼビア・ベーフェー(Elsevier B.V.)、1996年、volume86-88、p.1131"によれば、8YSZ固体電解質層に含まれる部分安定化Zrの相転移温度は1200(℃)である。空気極114は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)、LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)、LNF(ランタンニッケル鉄))により形成されている。燃料極116は、矩形の平板形状部材であり、例えば、Ni(ニッケル)、Niとセラミック粒子からなるサーメット、Ni基合金等により形成されている。このように、本実施形態の単セル110(発電単位102)は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。
The
中間層300は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、GDC(ガドリニウムドープセリア)等の固体酸化物により形成されている。中間層300は、燃料電池スタック100の運転動作時のような高温条件下において、空気極114に含まれる金属の元素(例えば、SrやLaであり、以下、「拡散元素」ともいう)と電解質層112に含まれる遷移元素(例えば、Zr)とが反応して高抵抗層(例えばSrZrO3)が形成されることを抑制する反応防止層として機能する。なお、中間層300は、イオン伝導性を有するため、空気極114において酸化剤ガスOGに含まれる酸素分子のイオン化反応により生成された酸化物イオンを電解質層112へと移動させる機能も有する。
The
セパレータ120は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ120における孔121の周囲部分は、電解質層112における空気極114の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ120は、その対向した部分に配置されたロウ材(例えばAgロウ)により形成された接合部124により、電解質層112(単セル110)と接合されている。セパレータ120により、空気極114に面する空気室166と燃料極116に面する燃料室176とが区画され、単セル110の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。なお、セパレータ120が接合された単セル110をセパレータ付き単セルともいう。
The
空気極側フレーム130は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔131が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム130の孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する。空気極側フレーム130は、セパレータ120における電解質層112に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、空気極側フレーム130によって、発電単位102に含まれる一対のインターコネクタ150間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス導入マニホールド161と空気室166とを連通する酸化剤ガス供給連通孔132と、空気室166と酸化剤ガス排出マニホールド162とを連通する酸化剤ガス排出連通孔133とが形成されている。
The air
燃料極側フレーム140は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔141が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム140の孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する。燃料極側フレーム140は、セパレータ120における電解質層112に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、燃料極側フレーム140には、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とを連通する燃料ガス供給連通孔142と、燃料室176と燃料ガス排出マニホールド172とを連通する燃料ガス排出連通孔143とが形成されている。
The fuel
燃料極側集電体144は、燃料室176内に配置されている。燃料極側集電体144は、インターコネクタ対向部146と、電極対向部145と、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ連接部147とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部145は、燃料極116における電解質層112に対向する側とは反対側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部146は、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102におけるインターコネクタ対向部146は、下側のエンドプレート106に接触している。燃料極側集電体144は、このような構成であるため、燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)とを電気的に接続する。なお、電極対向部145とインターコネクタ対向部146との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー149が配置されている。そのため、燃料極側集電体144が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位102の変形に追随し、燃料極側集電体144を介した燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)との電気的接続が良好に維持される。
The fuel electrode side
空気極側集電体134は、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、複数の略四角柱状の集電体要素135から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体134は、空気極114における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102における空気極側集電体134は、上側のエンドプレート104に接触している。空気極側集電体134は、このような構成であるため、空気極114とインターコネクタ150(またはエンドプレート104)とを電気的に接続する。なお、空気極側集電体134とインターコネクタ150とが一体の部材として形成されていてもよい。
The air electrode side
A−2.燃料電池スタック100の動作:
図2および図4に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通孔132を介して、空気室166に供給される。また、図3および図5に示すように、燃料ガス導入マニホールド171の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して燃料ガス導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通孔142を介して、燃料室176に供給される。
A-2. Operation of the fuel cell stack 100:
As shown in FIGS. 2 and 4, the oxidant gas OG is supplied through a gas pipe (not shown) connected to a
各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、燃料室176に燃料ガスFGが供給されると、単セル110において酸化剤ガスOGおよび燃料ガスFGの電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位102において、単セル110の空気極114は空気極側集電体134を介して一方のインターコネクタ150に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電体144を介して他方のインターコネクタ150に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック100の出力端子として機能するエンドプレート104,106から、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば700℃から1000℃)で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック100が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。
When the oxidant gas OG is supplied to the
各発電単位102の空気室166から排出された酸化剤オフガスOOGは、図2および図4に示すように、酸化剤ガス排出連通孔133を介して酸化剤ガス排出マニホールド162に排出され、さらに酸化剤ガス排出マニホールド162の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。また、各発電単位102の燃料室176から排出された燃料オフガスFOGは、図3および図5に示すように、燃料ガス排出連通孔143を介して燃料ガス排出マニホールド172に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド172の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示しない)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。
The oxidant off-gas OOG exhausted from the
A−3.燃料電池スタック100の製造方法:
図6は、本実施形態における燃料電池スタック100の製造方法の一例を示すフローチャートである。また、図7は、本実施形態における燃料電池スタック100の製造方法の内の単セル110の製造方法の概要を示す説明図である。
A-3. Manufacturing method of the fuel cell stack 100:
FIG. 6 is a flowchart showing an example of a method for manufacturing the
図6に示すように、はじめに、電解質層112に含まれる部分安定化Zrの相転移温度(以下、単に「相転移温度T(0)」ということがある)以上の温度の熱処理Aを行うことによって、電解質層前駆体と燃料極前駆体とを焼成することにより、電解質層112と燃料極116との第1の積層体を形成する(S110)。例えば、YSZ粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるジオクチルフタレート(DOP)と、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、例えば厚さ約10(μm)の電解質層用グリーンシート112X(電解質層前駆体)を得ることによって準備する。また、NiOの粉末を、Ni重量に換算して55質量部となるように秤量し、YSZの粉末45質量部と混合して混合粉末を得る。この混合粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、例えば厚さ270(μm)の燃料極用グリーンシート116X(燃料極前駆体)を得ることによって準備する。そして、図7の<状態1>に示すように、電解質層用グリーンシート112Xと燃料極用グリーンシート116Xとを貼り付けて、乾燥させる。その後、熱処理Aとして、互いに貼り付けられた電解質層用グリーンシート112Xおよび燃料極用グリーンシート116Xを、温度T(1)(例えば1200(℃)〜1400(℃))で焼成することにより、電解質層112と燃料極116との第1の積層体410を得る。温度T(1)は、相転移温度T(0)以上であるため、熱処理Aにより、部分安定化Zrの結晶系が、酸素イオン導電性の低い正方晶から酸素イオン導電性の高い立方晶に相転移する。なお、熱処理Aにおける温度T(1)とは、昇温段階および降温段階ではなく、略定温段階における温度を意味する。熱処理B〜Dについても同様である。
As shown in FIG. 6, first, heat treatment A is performed at a temperature equal to or higher than the phase transition temperature of the partially stabilized Zr included in the electrolyte layer 112 (hereinafter, may be simply referred to as “phase transition temperature T(0)”). The first layered body of the
次に、相転移温度T(0)以上の温度の熱処理Bを行うことによって、中間層前駆体を焼成することにより、第1の積層体410に中間層300を形成して、電解質層112と燃料極116と中間層300との第2の積層体420を形成する(S120)。より詳細には、例えば、GDC粉末に、アクリルバインダーとイソプロピルアルコールとからなる溶媒を添加し、混合して、中間層形成用スラリー300X(中間層前駆体)を調製することによって準備する。そして、図7の<状態2>に示すように、調製した中間層形成用スラリー300Xを、第1の積層体における、電解質層112側の表面に、スクリーン印刷法にて塗布する。そして、塗布後の積層体を、温度T(2)(例えば1200(℃)〜1400(℃))で焼成することにより、図7の<状態3>に示すように、電解質層112と燃料極116と中間層300との第2の積層体420を得る。このように、塗布後の積層体を、相転移温度T(0)以上の高温で焼成することにより、中間層300の緻密性を向上させることができる。また、温度T(2)は、相転移温度T(0)以上であるため、熱処理Bの後も、部分安定化Zrの結晶系は、立方晶のままであり相転移しない。なお、温度T(2)は、上述の温度T(1)と同じ温度でもよいし、相転移温度T(0)以上の温度であれば、異なる温度でもよい。また、熱処理Aおよび熱処理Bは、特許請求の範囲における第1の熱処理に相当し、第2の積層体420は、特許請求の範囲における積層体に相当する。
Next, the intermediate layer precursor is fired by performing a heat treatment B at a temperature equal to or higher than the phase transition temperature T(0), thereby forming the
次に、第2の積層体420に、相転移温度T(0)より低い温度の熱処理Cを10時間以上行う(S130)。より詳細には、第2の積層体420に、温度T(3)(例えば1000(℃)〜1100(℃))の熱処理Cを10(時間)以上継続して行う。これにより、電解質層112に含まれる部分安定化Zrの少なくとも一部(例えば約10(%)以上)の結晶系を、酸素イオン導電性の高い立方晶から酸素イオン導電性の低い正方晶に相転移させることができる。
Next, the second
次に、相転移温度T(0)より低い温度の熱処理Dを行うことによって、空気極前駆体を焼成することにより、第2の積層体420に空気極114を形成して、単セル110を製造する(S140)。より詳細には、例えば、LSCF粉末と、アルミナ粉末と、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを混合し、粘度を調整して、空気極用ペースト114Xを調製する。そして、図7の<状態4>に示すように、調整された空気極用ペースト114Xを、第2の積層体420における中間層300側の表面に、例えばスクリーン印刷によって塗布し、乾燥させる。なお、第2の積層体420の塗布方法として、例えば噴霧塗布といった他の方法も採用可能である。その後、熱処理Dとして、塗布された空気極用ペースト114Xを、相転移温度T(0)より低い温度T(4)(例えば950(℃)〜980(℃))で焼成することにより、図7の<状態5>に示すように、第2の積層体420における電解質層112側に空気極114が形成され、単セル110が製造される。熱処理Dは、特許請求の範囲における第3の熱処理に相当する。
Next, the air electrode precursor is fired by performing a heat treatment D at a temperature lower than the phase transition temperature T(0), whereby the
上述した製造方法により複数の単セル110を製造し、製造された複数の単セル110や他の部材を組み立てる組み立て工程を行う(S150)。以上の工程により、上述した構成の燃料電池スタック100が製造される。
A plurality of
A−4.各サンプルの性能評価:
製造条件や製造工程が互いに異なる複数の製造方法のそれぞれによって製造された複数のサンプル1〜8を用いて行った各性能評価について説明する。各サンプルについての性能評価では、複数のサンプル1〜8のそれぞれについて、上述した構成の燃料電池スタック100を組み立て、耐久劣化率(発電劣化率)を測定した。図8は、各サンプルについての性能評価の結果を示す説明図である。
A-4. Performance evaluation of each sample:
Each performance evaluation performed using a plurality of
(サンプルについて)
サンプル1〜6は、上述の図6に示す製造方法により製造されたものであり、サンプル7,8は、図6に示す製造方法とは主として熱処理Cを行わない点で異なる製造方法により製造されたものである。
(サンプル1)
サンプル1の製造方法では、熱処理Aの温度T(1)および熱処理Bの温度T(2)は1205(℃)であり、熱処理Cの温度T(3)は1100(℃)であり、熱処理Cの実行時間は10(時間)である。
(サンプル2)
サンプル2の製造方法では、熱処理Aの温度T(1)および熱処理Bの温度T(2)と熱処理Cの温度T(3)とはサンプル1と同じであるが、熱処理Cの実行時間は50(時間)であり、サンプル1より長い。
(サンプル3)
サンプル3の製造方法では、熱処理Aの温度T(1)および熱処理Bの温度T(2)と熱処理Cの温度T(3)とはサンプル1と同じであるが、熱処理Cの実行時間は100(時間)であり、サンプル1,2より長い。
(About sample)
(Sample 1)
In the manufacturing method of
(Sample 2)
In the manufacturing method of
(Sample 3)
In the manufacturing method of
(サンプル4)
サンプル4の製造方法では、熱処理Aの温度T(1)および熱処理Bの温度T(2)は、サンプル1と同じであるが、熱処理Cの温度T(3)は1000(℃)であり、サンプル1〜3より低く、熱処理Cの実行時間は25(時間)であり、サンプル1より長い。
(サンプル5)
サンプル5の製造方法では、熱処理Aの温度T(1)および熱処理Bの温度T(2)は、サンプル1と同じであり、また、熱処理Cの温度T(3)はサンプル4と同じであるが、熱処理Cの実行時間は125(時間)であり、サンプル1〜4より長い。
(サンプル6)
サンプル6の製造方法では、熱処理Aの温度T(1)および熱処理Bの温度T(2)は、サンプル1と同じであり、また、熱処理Cの温度T(3)はサンプル4と同じであるが、熱処理Cの実行時間は240(時間)であり、サンプル1〜5より長い。
(Sample 4)
In the manufacturing method of
(Sample 5)
In the manufacturing method of
(Sample 6)
In the manufacturing method of
(サンプル7)
サンプル7の製造方法では、熱処理Aの温度T(1)および熱処理Bの温度T(2)は、1100(℃)であり、サンプル1〜5より低く、また、熱処理A,Bの実行後、熱処理Cを実行せずに熱処理Dを行う。
(サンプル8)
サンプル8の製造方法では、熱処理Aの温度T(1)および熱処理Bの温度T(2)は、サンプル1と同じであるが、サンプル7と同様、熱処理A,Bの実行後、熱処理Cを実行せずに熱処理Dを行う。
(Sample 7)
In the manufacturing method of the
(Sample 8)
In the manufacturing method of the
(性能評価の方法について)
まず、各サンプル1〜8の製造方法で製造された燃料電池スタック100について、中間層300(GDC)の気孔率に基づき、中間層300の緻密性の評価を行った。なお、中間層300の気孔率は、以下のようにして特定するものとする。酸化剤ガス流れ方向(図2に示すように本実施形態ではX軸方向)に沿って並ぶ3つの位置で、酸化剤ガス流れ方向に直交する発電単位102の断面を設定し、各断面の任意の3カ所で、中間層300が写ったSEM画像(500倍)を得る。つまり、9つのSEM画像が得られる。得られた各SEM画像において、発電単位102の並び方向(本実施形態ではZ軸方向)に直交する複数の線を所定の間隔(例えば1から5μm間隔)で引く。各直線上の気孔にあたる部分の長さを測定し、直線の全長に対する気孔にあたる部分の長さの合計の比を、当該線上における気孔率とする。中間層300に引かれた複数の直線における気孔率の平均値を、そのSEM画像における中間層300の気孔率とする。中間層300について、9つのSEM画像において求められた気孔率の平均値を取ることにより、最終的な気孔率とする。
(About the method of performance evaluation)
First, with respect to the
また、各サンプル1〜8の製造方法で製造された燃料電池スタック100について、電解質層112内における部分安定化Zrの相転移ピーク強度比の評価を行った。なお、相転移ピーク強度比は、例えば、"タロウ シモノソノ(Taro Shimonosono)、外5名、Solid State lonics、(オランダ)、エルゼビア・ベーフェー(Elsevier B.V.)、2012年、volume225、p.69−72"に示されているようにラマン分光法に従って計測した。相転移ピーク強度比は、電解質層112に含まれる部分安定化Zrの結晶系が立方晶(600〜650cm−1)に帰属する強度ピークに対する、部分安定化Zrの結晶系が立方晶から正方晶に相転移した際の強度ピーク(250〜300cm−1)の割合である。したがって、相転移ピーク強度比が大きいほど、結晶系が立方晶から正方晶に相転移した部分安定化Zrの割合が多いことを意味する。
Further, with respect to the
また、各サンプル1〜8の製造方法で製造された燃料電池スタック100について、700(℃)にて1000(時間)発電後に電流密度0.55(A/cm2)で発電運転を行った電圧(試験後電圧)を測定し、初期電圧に対する初期電圧と試験後電圧との差の割合を、発電劣化率(%)として次の式1で算出した。
<式1>
発電劣化率(%)=(初期電圧−試験後電圧)/初期電圧)×100
なお、初期電圧とは、発電可能な状態で出荷されてから、定格発電が行われた時間が1000時間以内である燃料電池スタック100について、700(℃)にて電流密度0.55(A/cm2)で発電運転を行った時の電圧値である。
また、試験後電圧とは、初期電圧の測定時点から、さらに1000時間、定格発電が行われた燃料電池スタック100について、700(℃)にて電流密度0.55(A/cm 2)で発電運転を行った後の電圧値である。
Further, the
<
Power generation deterioration rate (%)=(initial voltage-voltage after test)/initial voltage)×100
The initial voltage means a current density of 0.55 (A/A) at 700 (° C.) with respect to the
In addition, the post-test voltage refers to the
(性能評価結果について)
サンプル1〜3では、GDC気孔率はいずれも20(%)以下であり、中間層300の緻密性が高い。これは、サンプル1〜3の製造方法では、熱処理A〜Cの温度T(1)〜T(3)が比較的高いからであると考えられる。また、サンプル1〜3では、熱処理Cの実行時間が長いほど、相転移ピーク強度比が1に近くなるとともに、発電劣化率が低い傾向が見られる。すなわち、同じ温度条件であれば、熱処理Cの実行時間が長いほど、多くの部分安定化Zrの結晶系が立方晶から正方晶に相転移することによって、発電劣化率を低減することができる。
(About performance evaluation results)
In each of
サンプル4〜6では、GDC気孔率は、22〜23(%)であり、サンプル1〜3に比べて、中間層300の緻密性が若干低い。これは、熱処理Cの温度T(3)がサンプル1〜3より低いからであると考えられる。また、サンプル4では、熱処理Cの実行時間がサンプル1より長いにもかかわらず、相転移ピーク強度比および発電劣化率がサンプル1と同じである。これは、熱処理Cの温度T(3)が相対的に低い場合において、熱処理Cの温度T(3)が相対的に高い場合と同等の性能評価結果を得るためには、熱処理Cの実行時間を相対的に長くするのが好ましいことを意味する。従って、熱処理Cの温度T(3)は、相転移温度より低く、かつ、1000(℃)以上であることが好ましく、さらに、相転移温度より低く、かつ、1100(℃)以上であることがより好ましい。なお、サンプル5とサンプル2との関係、サンプル6とサンプル3との関係についても同じことがいえる。
In
一方、サンプル7では、GDC気孔率は、45(%)であり、サンプル1〜6に比べて、中間層300の緻密性が極めて低い。これは、熱処理A,Bの温度T(1)、T(2)がサンプル1〜6より低いからであると考えられる。このように、サンプル7では、中間層300の緻密性が極めて低いため、中間層300が反応防止層としての機能を十分に発揮することができない。このため、高抵抗層の形成によって発電劣化率を特定することが困難であった。また、サンプル7では、相転移ピーク強度比が0.905であり、サンプル1〜6より低い。これは、サンプル7の製造方法では、熱処理Cが行われない代わりに部分安定化Zrの結晶系が正方晶から立方晶への相転移温度より低い温度で熱処理A,Bを行ったが、正方晶の部分安定化Zrの割合が相対的に低い。つまり、相転移温度より低い温度で焼成を行うだけでは、結晶系が正方晶である部分安定化Zrを十分得ることができず、さらに中間層300の気孔率も十分に小さくすることもできないことがわかる。このため、サンプル7では、抵抗値が大きくなり過ぎて、発電劣化率を測定できなかったと考えられる。
On the other hand, in
また、サンプル8では、GDC気孔率は、26(%)であり、サンプル7に比べて、中間層300の緻密性が高い。これは、熱処理A,Bの温度T(1)、T(2)がサンプル7より高いからであると考えられる。しかし、サンプル8では、相転移ピーク強度比が0.900であり、サンプル7よりさらに低い。これは、熱処理A,Bの温度T(1)T(2)がサンプル7より高い分だけ、熱処理A,Bによって結晶系が正方晶から立方晶に相転移した部分安定化Zrの割合が相対的に多く、さらに熱処理Cが行われないため、結晶系が立方晶のままである部分安定化Zrの割合が多いからであると考えられる。
Further, in the
A−5.本実施形態の効果:
本実施形態の製造方法によれば、電解質層前駆体と燃料極前駆体と中間層前駆体とに、部分安定化Zrの相転移温度以上の温度の熱処理Bが行われることによって第2の積層体420が形成され、その第2の積層体420の中間層300を緻密にすることができる。その一方で、当該熱処理Bによって、部分安定化Zrの結晶系が、酸素イオン導電性の低い正方晶から酸素イオン導電性の高い立方晶に相転移する。しかし、その後、第2の積層体420に、相転移温度より低い温度の熱処理Cが10時間以上行われることによって、部分安定化Zrの結晶系が立方晶から正方晶に相転移する。その熱処理C後の第2の積層体420と空気極前駆体とに、相転移温度より低い温度の熱処理Dが行われることによって、部分安定化Zrの結晶系に正方晶が十分に含まれる単セル110が形成される。しかも、熱処理Cを、空気極114の形成前に行うことによって、空気極前駆体の焼結の進行による空気極114のガス拡散性の低下を抑制することができる。これにより、空気極114のガス拡散性の低下を抑制しつつ、運転時における発電性能の変動(低下)が低減された単セル110を製造することができる。また、熱処理Cを空気極114の形成前に行うことによって、熱処理Cを空気極114の形成と同時に行う場合に比べて、空気極114に含まれる遷移金属元素(Sr等)が電解質層112側に拡散することを抑制することができる。
A-5. Effects of this embodiment:
According to the manufacturing method of the present embodiment, the electrolyte layer precursor, the fuel electrode precursor, and the intermediate layer precursor are subjected to the heat treatment B at a temperature equal to or higher than the phase transition temperature of the partially stabilized Zr, so that the second stacking is performed. The
また、熱処理Dの実行時間は、熱処理Cの実行時間より短いことが好ましい。これにより、空気極114のガス拡散性の低下を、より確実に抑制することができる。
Further, the execution time of the heat treatment D is preferably shorter than the execution time of the heat treatment C. As a result, it is possible to more reliably suppress the decrease in gas diffusibility of the
B.変形例:
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
B. Modification:
The technique disclosed in the present specification is not limited to the above-described embodiment, and can be modified into various forms without departing from the gist thereof, for example, the following modifications are also possible.
上記実施形態では、電気化学反応セルとして、部分安定化Zrを含む電解質層112を備える単セル110を例示したが、電気化学反応セルは、これに限定されず、部分安定化Zrを含む燃料極を備える単セルでもよい。具体的には、燃料極は、YSZ、ScSZ、CaSZ等の固体酸化物により形成されていてもよい。
In the above embodiment, the
上記実施形態の燃料電池スタック100の製造方法では、第1の熱処理として、熱処理Aおよび熱処理Bの2回の熱処理を例示したが、第1の熱処理は、これに限定されず、部分安定化Zrの相転移温度以上の温度の熱処理を、1回だけ行うものでもよいし、3回以上行うものでもよい。要するに、第1の熱処理は、部分安定化Zrの相転移温度以上の温度の熱処理を、1または複数回行うものであればよい。例えば、上記実施形態において、電解質層用グリーンシート112Xと燃料極用グリーンシート116Xと中間層形成用スラリー300Xとを同時に焼成してもよい。
In the manufacturing method of the
上記実施形態では、中間層として、1つの層から構成された中間層300を例示したが、中間層は、これに限定されず、上下方向(Z方向)に並ぶ複数の層から構成された中間層もよい。また、中間層は、反応防止層として機能するものに限定されず、反応防止層として機能しないものでもよい。また、中間層は、イオン伝導性を有する中間層材料に加えて、さらに別の材料を含むものでもよい。
In the above-described embodiment, the
また、上記実施形態において、燃料電池スタック100に含まれる発電単位102の個数は、あくまで一例であり、発電単位102の個数は燃料電池スタック100に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。
Further, in the above embodiment, the number of
また、上記実施形態では、ボルト22の両側にナット24が嵌められているとしているが、ボルト22が頭部を有し、ナット24はボルト22の頭部の反対側にのみ嵌められているとしてもよい。また、上記実施形態では、締結部材としてボルト22が用いられているが、ボルト22以外の他の締結部材により燃料電池スタック100が締結されるとしてもよい。
Further, in the above embodiment, the nuts 24 are fitted on both sides of the
また、上記実施形態では、エンドプレート104,106が出力端子として機能するとしているが、エンドプレート104,106の代わりに、エンドプレート104,106のそれぞれと接続された別部材(例えば、エンドプレート104,106のそれぞれと発電単位102との間に配置された導電板)が出力端子として機能するとしてもよい。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態では、各ボルト22の軸部の外周面と各連通孔108の内周面との間の空間を各マニホールドとして利用しているが、これに代えて、各ボルト22の軸部に軸方向の孔を形成し、その孔を各マニホールドとして利用してもよい。また、各マニホールドを、各ボルト22が挿入される連通孔108と別に設けてもよい。
In the above embodiment, the space between the outer peripheral surface of the shaft portion of each
また、上記実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合には、1つのインターコネクタ150が隣接する2つの発電単位102に共有されるとしているが、このような場合でも、2つの発電単位102がそれぞれのインターコネクタ150を備えてもよい。また、上記実施形態では、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102の上側のインターコネクタ150や、最も下に位置する発電単位102の下側のインターコネクタ150は省略されているが、これらのインターコネクタ150を省略せずに設けてもよい。
Further, in the above embodiment, when the two
また、上記実施形態において、燃料極側集電体144は、空気極側集電体134と同様の構成であってもよく、燃料極側集電体144と隣接するインターコネクタ150とが一体部材であってもよい。また、空気極側フレーム130ではなく燃料極側フレーム140が絶縁体であってもよい。また、空気極側フレーム130や燃料極側フレーム140は、多層構成であってもよい。
Further, in the above-described embodiment, the fuel electrode side
また、上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。 In addition, the material forming each member in the above embodiment is merely an example, and each member may be formed of other materials.
また、上記実施形態において、都市ガスを改質して水素リッチな燃料ガスFGを得るとしているが、LPガスや灯油、メタノール、ガソリン等の他の原料から燃料ガスFGを得るとしてもよいし、燃料ガスFGとして純水素を利用してもよい。 In the above embodiment, the city gas is reformed to obtain the hydrogen-rich fuel gas FG, but the fuel gas FG may be obtained from other raw materials such as LP gas, kerosene, methanol, and gasoline. Pure hydrogen may be used as the fuel gas FG.
また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うSOFCを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル(SOEC)の最小単位である電解セル単位や、複数の電解セル単位を備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開2016−81813号に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック100と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック100を電解セルスタックと読み替え、発電単位102を電解セル単位と読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極114がプラス(陽極)で燃料極116がマイナス(陰極)となるように両電極間に電圧が印加されると共に、連通孔108を介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室176で水素ガスが発生し、連通孔108を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解セル単位および電解セルスタックにおいても、上記実施形態と同様の製造方法より、空気極のガス拡散性の低下を抑制しつつ、運転時における電気化学反応性能の変動が低減された電解セル単位等を製造することができる。
Further, in the above-described embodiment, the SOFC that generates electric power by utilizing the electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidant gas is targeted, but the present invention is directed to the electrolysis reaction of water. It is similarly applicable to an electrolytic cell unit, which is the minimum unit of a solid oxide type electrolytic cell (SOEC) that produces hydrogen by utilizing hydrogen, or an electrolytic cell stack including a plurality of electrolytic cell units. The configuration of the electrolysis cell stack is publicly known as described in, for example, JP-A-2016-81813 and will not be described in detail here. However, the configuration of the
22:ボルト 24:ナット 26:絶縁シート 27:ガス通路部材 28:本体部 29:分岐部 45:粉末 100:燃料電池スタック 102:発電単位 104,106:エンドプレート 108:連通孔 110:単セル 112:電解質層 112X:電解質層用グリーンシート 114:空気極 114X:空気極用ペースト 116:燃料極 116X:燃料極用グリーンシート 120:セパレータ 121:孔 124:接合部 130:空気極側フレーム 131:孔 132:酸化剤ガス供給連通孔 133:酸化剤ガス排出連通孔 134:空気極側集電体 135:集電体要素 140:燃料極側フレーム 141:孔 142:燃料ガス供給連通孔 143:燃料ガス排出連通孔 144:燃料極側集電体 145:電極対向部 146:インターコネクタ対向部 147:連接部 149:スペーサー 150:インターコネクタ 161:酸化剤ガス導入マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス導入マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 270:厚さ 300:中間層 300X:中間層形成用スラリー 410:積層体 420:積層体 FG:燃料ガス FOG:燃料オフガス OG:酸化剤ガス OOG:酸化剤オフガス
22: Bolt 24: Nut 26: Insulation sheet 27: Gas passage member 28: Main body part 29: Branch part 45: Powder 100: Fuel cell stack 102:
Claims (2)
前記電解質層を挟んで第1の方向で互いに対向する空気極および燃料極と、
前記電解質層と前記空気極との間に配置される中間層と、を備え、前記電解質層および前記燃料極の少なくとも一方は部分安定化Zrを含む、電気化学反応セルの製造方法において、
電解質層前駆体と燃料極前駆体と中間層前駆体とを準備する工程と、
前記電解質層前駆体と前記燃料極前駆体と前記中間層前駆体とに、前記部分安定化Zrの相転移温度以上の温度の第1の熱処理を行うことにより、前記電解質層と前記燃料極と前記中間層との積層体を形成する工程と、
前記積層体に、前記相転移温度より低い温度の第2の熱処理を10時間以上行う工程と、
前記第2の熱処理後であって、空気極前駆体が前記中間層側の表面に形成された前記積層体に、前記相転移温度より低い温度の第3の熱処理を行うことにより、前記電気化学反応セルを形成する工程と、を備え、
前記積層体を形成する工程は、
前記電解質層前駆体と前記燃料極前駆体とを積層した状態で前記第1の熱処理を行うことにより前記電解質層と前記燃料極との第1の積層体を形成した後、前記第1の積層体における前記電解質層側の表面に前記中間層前駆体を積層した状態で前記第1の熱処理を行う工程と、
前記電解質層前駆体と前記燃料極前駆体と前記中間層前駆体とを積層した状態で、1回の前記第1の熱処理を行う工程と、のいずれか一方であることを特徴とする、電気化学反応セルの製造方法。 An electrolyte layer containing a solid oxide,
An air electrode and a fuel electrode facing each other in the first direction with the electrolyte layer interposed therebetween,
An intermediate layer arranged between the electrolyte layer and the air electrode, wherein at least one of the electrolyte layer and the fuel electrode contains partially stabilized Zr, in the method for producing an electrochemical reaction cell,
A step of preparing an electrolyte layer precursor, a fuel electrode precursor and an intermediate layer precursor,
By subjecting the electrolyte layer precursor, the fuel electrode precursor, and the intermediate layer precursor to a first heat treatment at a temperature equal to or higher than the phase transition temperature of the partially stabilized Zr, the electrolyte layer and the fuel electrode are separated. Forming a laminate with the intermediate layer,
Performing a second heat treatment at a temperature lower than the phase transition temperature on the laminate for 10 hours or more;
The second even after heat treatment, the laminate cathode precursor is formed on the surface of the intermediate layer side, by performing the third heat treatment lower than the phase transition temperature, the electrochemical And a step of forming a reaction cell ,
The step of forming the laminate includes
After forming the first laminated body of the electrolyte layer and the fuel electrode by performing the first heat treatment in a state where the electrolyte layer precursor and the fuel electrode precursor are laminated, the first laminated body A step of performing the first heat treatment in a state where the intermediate layer precursor is laminated on the surface of the body on the side of the electrolyte layer;
Wherein in a state where the electrolyte layer precursor and the fuel electrode precursor was laminated with the intermediate layer precursor, and wherein the step, either one der Rukoto of performing one of the first heat treatment, Method for manufacturing electrochemical reaction cell.
前記第3の熱処理を行う時間は、前記第2の熱処理を行う時間より短いことを特徴とする、電気化学反応セルの製造方法。 The method for producing an electrochemical reaction cell according to claim 1,
The method for manufacturing an electrochemical reaction cell, wherein the time for performing the third heat treatment is shorter than the time for performing the second heat treatment.
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