JP2015065014A - Anode for fuel cell and single fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用アノードおよび燃料電池単セルに関し、さらに詳しくは、電解質として固体電解質を利用する燃料電池単セルに用いられる燃料電池用アノード、これを用いた燃料電池単セルに関する。 The present invention relates to a fuel cell anode and a fuel cell single cell, and more particularly to a fuel cell anode used in a fuel cell single cell using a solid electrolyte as an electrolyte, and a fuel cell single cell using the same.
従来、アノードと、固体電解質層と、カソードとを有する固体電解質型の燃料電池単セルが知られている。一般に、上記燃料電池単セルにおいて、燃料ガスの入口から供給された燃料ガスは、アノードの面方向に沿って流れ、燃料ガスの出口より排出されることが多い。 Conventionally, a solid electrolyte type fuel cell unit cell having an anode, a solid electrolyte layer, and a cathode is known. In general, in the fuel cell unit cell, the fuel gas supplied from the fuel gas inlet often flows along the surface of the anode and is discharged from the fuel gas outlet.
なお、先行する特許文献1には、内部に燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路を有する支持体、アノード層、固体電解質層、カソード層がこの順で積層された燃料電池単セルが開示されている。同文献には、燃料ガスの流れ方向の下流側に位置するアノード層の部分における気孔率が、燃料ガスの流れ方向の上流側に位置するアノード層の部分における気孔率よりも大きい点が記載されている。
しかしながら、従来技術は、以下の点で問題がある。すなわち、アノードの面方向に沿って燃料ガスが供給される燃料電池単セルは、燃料ガス入口側で燃料ガスが多く消費され、燃料ガス出口側に達する燃料ガス量が減少しやすい。場合によっては、燃料ガス出口側にて燃料ガスが枯渇することもある。そのため、セル面内の発電分布が大きくなり、その結果、セル面内の温度分布が大きくなるという問題がある。セル面内の温度分布が大きくなると、セルに局所的な応力が発生し、発電時のセル割れに繋がるおそれがある。 However, the prior art has problems in the following points. That is, in the fuel cell single cell to which fuel gas is supplied along the surface direction of the anode, a large amount of fuel gas is consumed on the fuel gas inlet side, and the amount of fuel gas reaching the fuel gas outlet side tends to decrease. In some cases, the fuel gas may be exhausted on the fuel gas outlet side. Therefore, there is a problem that the power generation distribution in the cell plane becomes large, and as a result, the temperature distribution in the cell plane becomes large. When the temperature distribution in the cell plane increases, local stress is generated in the cell, which may lead to cell cracking during power generation.
本発明は、上記背景に鑑みてなされたものであり、燃料電池単セルに用いた場合に、燃料ガスの流れに起因するセル面内の発電分布を均一化することが可能な燃料電池用アノード、これを用いた燃料電池単セルを提供しようとして得られたものである。 The present invention has been made in view of the above background, and when used in a single fuel cell, an anode for a fuel cell capable of making the power generation distribution in the cell plane uniform due to the flow of fuel gas. The fuel cell single cell using this was obtained.
本発明の一態様は、アノードと、固体電解質層と、カソードとを有しており、上記アノードの面方向に沿って燃料ガスが供給される燃料電池単セルに用いられる燃料電池用アノードであって、
上記固体電解質層から最も離れて配置される最外層と、該最外層における上記固体電解質層側の面に接する内層とを少なくとも有する気孔を含む複数の層より構成されており、
上記最外層の平均気孔径または気孔率は、上記内層の平均気孔径または気孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池用アノードにある。
One aspect of the present invention is an anode for a fuel cell that has an anode, a solid electrolyte layer, and a cathode, and that is used in a fuel cell single cell that is supplied with fuel gas along the surface direction of the anode. And
The outermost layer disposed farthest from the solid electrolyte layer and a plurality of layers including pores having at least an inner layer in contact with the surface of the outermost layer on the solid electrolyte layer side;
In the anode for a fuel cell, the average pore diameter or porosity of the outermost layer is smaller than the average pore diameter or porosity of the inner layer.
本発明の他の態様は、上記燃料電池用アノードと、固体電解質層と、カソードとを有しており、上記燃料電池用アノードの面方向に沿って燃料ガスが供給されることを特徴とする燃料電池単セルにある。 Another aspect of the present invention includes the anode for a fuel cell, a solid electrolyte layer, and a cathode, and fuel gas is supplied along a surface direction of the anode for the fuel cell. It is in a single fuel cell.
上記燃料電池用アノードは、上記構成を有している。特に、最外層の平均気孔径または気孔率は、内層の平均気孔径または気孔率よりも小さい構成とされている。そのため、上記燃料電池用アノードは、燃料電池単セルに用いた場合に、供給される燃料ガスのガス流れ上流側におけるアノード内への燃料ガスの過剰な流入を抑制することができ、ガス流れ下流側に燃料ガスを十分に送ることが可能となる。そのため、上記燃料電池アノードは、燃料ガスの流れに起因するセル面内の発電分布の均一化を図ることができる。その結果、上記燃料電池用アノードは、燃料電池単セルに用いた場合に、セル面内の温度分布が小さくなり、セルに局所的な応力が生じ難くなって発電時のセル割れが生じ難くなる。そのため、上記燃料電池用アノードは、燃料電池単セルの信頼性向上に有効である。 The fuel cell anode has the above-described configuration. In particular, the average pore diameter or porosity of the outermost layer is configured to be smaller than the average pore diameter or porosity of the inner layer. Therefore, when the fuel cell anode is used in a single fuel cell, it can suppress excessive inflow of the fuel gas into the anode on the upstream side of the gas flow of the supplied fuel gas. The fuel gas can be sufficiently sent to the side. Therefore, the fuel cell anode can achieve uniform power generation distribution in the cell plane due to the flow of fuel gas. As a result, when the fuel cell anode is used in a single fuel cell, the temperature distribution in the cell surface becomes small, local stress is less likely to occur in the cell, and cell cracking during power generation is less likely to occur. . Therefore, the fuel cell anode is effective in improving the reliability of a single fuel cell.
また、上記燃料電池用アノードは、内層よりも最外層の平均気孔径または気孔率を意図的に小さくすることにより、アノード内への燃料ガスの流入量を絞り、燃料ガスのガス流れ下流側まで燃料ガスを均等分配することができる。そのため、燃料ガスの流れ方向でアノードの気孔率を変えてガス拡散性を制御する燃料電池用アノードに比べ、製造性が良好であるなどの利点がある。 In addition, the anode for a fuel cell is configured to reduce the amount of fuel gas flowing into the anode by intentionally reducing the average pore diameter or porosity of the outermost layer relative to the inner layer, to the downstream side of the fuel gas flow. Fuel gas can be evenly distributed. Therefore, there are advantages such as good manufacturability as compared with the anode for a fuel cell in which the gas diffusivity is controlled by changing the porosity of the anode in the flow direction of the fuel gas.
上記燃料電池単セルは、上記燃料電池用アノードと、固体電解質層と、カソードとを有している。そのため、上記燃料電池単セルは、セル面内の温度分布が小さくなり、セルに局所的な応力が生じ難くなって発電時のセル割れが生じ難くなる。そのため、上記燃料電池単セルは、高い信頼性を発揮することができる。 The fuel cell single cell includes the fuel cell anode, a solid electrolyte layer, and a cathode. Therefore, in the fuel cell unit cell, the temperature distribution in the cell surface becomes small, local stress is hardly generated in the cell, and cell cracking during power generation is difficult to occur. Therefore, the fuel cell single cell can exhibit high reliability.
上記燃料電池用アノードは、電解質として固体電解質を利用する固体電解質型の燃料電池単セルにおけるアノードに適用される。固体電解質層を構成する固体電解質には、酸素イオン導電性を示す固体酸化物セラミックス等を用いることができる。 The anode for a fuel cell is applied to an anode in a solid electrolyte type fuel cell unit cell using a solid electrolyte as an electrolyte. As the solid electrolyte constituting the solid electrolyte layer, a solid oxide ceramic exhibiting oxygen ion conductivity can be used.
なお、固体電解質として固体酸化物セラミックスを用いる燃料電池は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)と称される。上記燃料電池単セルの電池構造は、製造性に優れる、発電効率が高い等の観点から、層状のアノードを支持体とする平板形とすることができる。 A fuel cell using solid oxide ceramics as a solid electrolyte is called a solid oxide fuel cell (SOFC). The battery structure of the single fuel cell can be a flat plate having a layered anode as a support from the viewpoint of excellent manufacturability and high power generation efficiency.
上記燃料電池単セルは、具体的には、固体電解質層と、固体電解質層の一方面に積層されたアノードと、固体電解質層の他方面に中間層を介してまたは中間層を介さずに積層されたカソードとを有しており、アノードを支持体とする構成とすることができる。なお、中間層は、主に、カソードを構成する材料と固体電解質層を構成する材料との反応を防止するための層である。カソードおよび中間層は、1層または2層以上から構成することができる。また、燃料ガス、酸化剤ガスの供給方式は、アノードの面方向に沿ってアノードに供給される燃料ガスとカソードの面方向に沿ってカソードに供給される酸化剤ガスとが互いに直交するように燃料電池単セルに供給される、いわゆるクロスフロー方式などを採用することができる。 Specifically, the fuel cell unit cell is laminated with a solid electrolyte layer, an anode laminated on one surface of the solid electrolyte layer, and an intermediate layer on the other surface of the solid electrolyte layer with or without an intermediate layer. And a cathode as a support. The intermediate layer is mainly a layer for preventing a reaction between the material constituting the cathode and the material constituting the solid electrolyte layer. The cathode and the intermediate layer can be composed of one layer or two or more layers. The fuel gas and oxidant gas supply method is such that the fuel gas supplied to the anode along the surface direction of the anode and the oxidant gas supplied to the cathode along the surface direction of the cathode are orthogonal to each other. A so-called cross flow method or the like supplied to a single fuel cell can be employed.
上記燃料電池用アノードにおいて、最外層は、固体電解質層から最も離れて配置される層である。この最外層表面より燃料ガスが流入する。最外層は、上記平均気孔径または気孔率の関係を満たすことにより、アノードへの燃料ガスの流入を調整する役割を有している。一方、内層は、最外層よりも固体電解質層側に配置されており、最外層における固体電解質層側の面に接する層である。この内層に、流入調整された燃料ガスが最外層より流入する。上記燃料電池用アノードは、上記作用効果が得られる限りにおいて、その他の層については特に制限はない。上記燃料電池用アノードは、例えば、2層、3層等の層構成とすることができる。最外層、内層等の複数の層が有する気孔の形態は、主に球状等とすることができるが、特に制限されない。また、上記気孔は、平均気孔径、気孔率の制御容易性等の観点から、造孔剤に由来する気孔を好適に含むことができる。もっとも、触媒粒子の還元に伴う体積減少等によって生じる造孔剤に由来しない気孔等も含むことが可能である。 In the fuel cell anode, the outermost layer is a layer disposed farthest from the solid electrolyte layer. Fuel gas flows from the outermost layer surface. The outermost layer has a role of adjusting the inflow of the fuel gas to the anode by satisfying the relationship between the average pore diameter or the porosity. On the other hand, the inner layer is disposed closer to the solid electrolyte layer than the outermost layer, and is a layer in contact with the surface of the outermost layer on the solid electrolyte layer side. The fuel gas whose inflow is adjusted flows into the inner layer from the outermost layer. The anode for a fuel cell is not particularly limited with respect to the other layers as long as the above effects can be obtained. The anode for a fuel cell can have a layer configuration of, for example, two layers or three layers. The form of the pores of the plurality of layers such as the outermost layer and the inner layer can be mainly spherical, but is not particularly limited. Moreover, the said pore can contain suitably the pore derived from a pore making material from viewpoints, such as controllability of an average pore diameter and a porosity. However, it is also possible to include pores that are not derived from the pore-forming agent caused by volume reduction accompanying reduction of the catalyst particles.
上記燃料電池用アノードは、具体的には、燃料ガスの供給流路側に配置される最外層と、固体電解質層側に配置される活性層と、最外層と活性層との間に配置され、最外層における固体電解質層側の面および活性層における固体電解質層側と反対側の面に接する内層としての拡散層とを有する構成などとすることができる。活性層は、主に、アノード側における電気化学的反応の反応場となる層である。また、拡散層は、主に、供給される燃料ガスを拡散させることが可能な層である。なお、この場合は、最外層の平均気孔径または気孔率が、拡散層の平均気孔径または気孔率よりも小さいことになる。 Specifically, the anode for a fuel cell is disposed between the outermost layer disposed on the fuel gas supply channel side, the active layer disposed on the solid electrolyte layer side, and the outermost layer and the active layer, A configuration having a solid electrolyte layer side surface in the outermost layer and a diffusion layer as an inner layer in contact with the surface on the side opposite to the solid electrolyte layer side in the active layer can be employed. The active layer is a layer mainly serving as a reaction field for electrochemical reaction on the anode side. The diffusion layer is a layer that can mainly diffuse the supplied fuel gas. In this case, the average pore diameter or porosity of the outermost layer is smaller than the average pore diameter or porosity of the diffusion layer.
この場合は、最外層によって、燃料ガス流入量をガス流れ方向で制御することができ、ガス流れ上流側からガス流れ下流側にかけて比較的均一に燃料ガスをアノード内へ流入させることができる。また、拡散層によって、流入した燃料ガスを適切に拡散させることができる。また、活性層によって、上記最外層がない場合に比べ、ガス流れ方向で均一に電気化学的反応を生じさせることができる。そのため、この場合は、機能分担された各層が各機能を十分に発揮することによって、燃料ガスの流れに起因するセル面内の発電分布の均一化を図りやすい利点がある。 In this case, the fuel gas inflow amount can be controlled in the gas flow direction by the outermost layer, and the fuel gas can flow into the anode relatively uniformly from the gas flow upstream side to the gas flow downstream side. Further, the fuel gas that has flowed in can be appropriately diffused by the diffusion layer. Also, the active layer can cause an electrochemical reaction uniformly in the gas flow direction as compared with the case where the outermost layer is not provided. Therefore, in this case, there is an advantage that the distribution of power generation in the cell plane due to the flow of the fuel gas can be easily uniformed by sufficiently exerting each function by each layer to which the functions are shared.
なお、最外層、内層および活性層を含むその他の層の外形の大きさは、特に制限されない。最外層、内層、その他の層の外形の大きさは、いずれも同じ大きさとすることができる。また、他にも例えば、拡散層、活性層を有する場合に、活性層における固体電解質層と接する面を除いた残りの面を拡散層が覆うように構成することもできる。この場合は、活性層の側面からも燃料ガスを拡散させることができるので、ガス拡散性の向上に有利である。 The size of the outer shape of other layers including the outermost layer, the inner layer, and the active layer is not particularly limited. The outer dimensions of the outermost layer, inner layer, and other layers can all be the same. In addition, for example, when a diffusion layer and an active layer are provided, the diffusion layer may cover the remaining surface of the active layer other than the surface in contact with the solid electrolyte layer. In this case, the fuel gas can be diffused also from the side surface of the active layer, which is advantageous in improving gas diffusibility.
上記燃料電池用アノードにおいて、最外層の平均気孔径は、具体的には、内層の平均気孔径に対して、好ましくは80%〜95%程度、より好ましくは85%〜90%程度とすることができる。この場合は、平均気孔径の調整によって燃料ガスの最外層への流入制限を確実なものとしやすくなり、上記作用効果を得やすくなる。なお、上記平均気孔径は、パームポロメータ等により測定した気孔径−発生頻度の分布から算出した気孔径の平均値のことである。但し、測定した気孔径−発生頻度の分布に複数の山が表れる場合は、発生頻度の最も大きい部分についての気孔径の平均値を用いる(以下同様である。)。 In the fuel cell anode, specifically, the average pore diameter of the outermost layer is preferably about 80% to 95%, more preferably about 85% to 90% with respect to the average pore diameter of the inner layer. Can do. In this case, the adjustment of the average pore diameter makes it easy to ensure the inflow restriction of the fuel gas to the outermost layer, and the above-described effects can be easily obtained. In addition, the said average pore diameter is an average value of the pore diameter computed from distribution of the pore diameter measured with a palm porometer etc.-generation frequency. However, when a plurality of peaks appear in the measured pore diameter-occurrence frequency distribution, the average value of the pore diameters for the portion with the highest occurrence frequency is used (the same applies hereinafter).
上記燃料電池用アノードにおいて、拡散層の平均気孔径は、具体的には、0.3〜5μmの範囲内とすることができる。 In the fuel cell anode, specifically, the average pore diameter of the diffusion layer can be in the range of 0.3 to 5 μm.
拡散層の平均気孔径が0.3μm以上である場合は、拡散層によって燃料ガスを活性層に速やかに拡散させやすく、出力密度の低下抑制に有利である。拡散層の平均気孔径は、上記効果を確実なものとする観点から、好ましくは0.4μm以上、より好ましくは0.6μm以上、さらに好ましくは0.8μm以上とすることができる。一方、拡散層の平均気孔径が5μm以下である場合は、造孔剤によって気孔を形成する場合に、形成した気孔の連続性を確保しやすくなり、拡散層によって燃料ガスを速やかに拡散させやすく、出力密度の低下抑制に有利である。拡散層の平均気孔径は、上記効果を確実なものとする観点から、好ましくは4μm以下、より好ましくは3μm以下、さらに好ましくは1.5μm以下とすることができる。 When the average pore diameter of the diffusion layer is 0.3 μm or more, it is easy to quickly diffuse the fuel gas into the active layer by the diffusion layer, which is advantageous for suppressing a decrease in output density. From the viewpoint of ensuring the above effect, the average pore diameter of the diffusion layer is preferably 0.4 μm or more, more preferably 0.6 μm or more, and further preferably 0.8 μm or more. On the other hand, when the average pore diameter of the diffusion layer is 5 μm or less, when the pores are formed by the pore-forming agent, it becomes easy to ensure the continuity of the formed pores, and the diffusion layer can easily diffuse the fuel gas quickly. This is advantageous for suppressing a decrease in output density. From the viewpoint of ensuring the above effect, the average pore size of the diffusion layer is preferably 4 μm or less, more preferably 3 μm or less, and even more preferably 1.5 μm or less.
上記燃料電池用アノードにおいて、活性層の平均気孔径は、具体的には、0.1〜5μmの範囲内とすることができる。 In the fuel cell anode, specifically, the average pore size of the active layer may be in the range of 0.1 to 5 μm.
活性層の平均気孔径が0.1μm以上である場合は、電極反応によって生じる水の排出が円滑に行われるので、排出されずに残る水によって発電出力が瞬間的に落ちてしまうのを抑制しやすくなる。活性層の平均気孔径は、上記効果を確実なものとする観点から、好ましくは0.2μm以上、より好ましくは0.3μm以上、さらに好ましくは0.4μm以上とすることができる。一方、活性層の平均気孔径が5μm以下である場合は、反応点数を確保しやすく、出力密度の低下を抑制しやすくなる。活性層の平均気孔径は、上記効果を確実なものとする観点から、好ましくは3μm以下、より好ましくは2μm以下、さらに好ましくは1μm以下とすることができる。 When the average pore size of the active layer is 0.1 μm or more, the water generated by the electrode reaction is smoothly discharged, so that the power generation output is prevented from dropping instantaneously due to the water remaining without being discharged. It becomes easy. The average pore diameter of the active layer is preferably 0.2 μm or more, more preferably 0.3 μm or more, and further preferably 0.4 μm or more from the viewpoint of ensuring the above effect. On the other hand, when the average pore diameter of the active layer is 5 μm or less, it is easy to secure the number of reaction points, and it is easy to suppress a decrease in output density. From the viewpoint of ensuring the above effect, the average pore diameter of the active layer is preferably 3 μm or less, more preferably 2 μm or less, and even more preferably 1 μm or less.
上記燃料電池用アノードにおいて、最外層の気孔率は、具体的には、内層の気孔率に対して、好ましくは80%〜95%程度、より好ましくは85%〜90%程度とすることができる。この場合は、気孔率の調整によって燃料ガスの最外層への流入制限を確実なものとしやすくなり、上記作用効果を得やすくなる。なお、上記気孔率は、アルキメデス法にて見かけ密度と嵩密度とを算出し、{1−(嵩密度/見かけ密度)}×100にて算出した数値のことである。 In the fuel cell anode, specifically, the porosity of the outermost layer is preferably about 80% to 95%, more preferably about 85% to 90% with respect to the porosity of the inner layer. . In this case, by adjusting the porosity, it becomes easy to ensure the inflow restriction of the fuel gas to the outermost layer, and the above-mentioned effects can be easily obtained. The porosity is a numerical value calculated by {1− (bulk density / apparent density)} × 100 by calculating the apparent density and the bulk density by the Archimedes method.
上記燃料電池用アノードにおいて、拡散層の気孔率は、具体的には、30〜60%の範囲内とすることができる。 In the fuel cell anode, specifically, the porosity of the diffusion layer can be in the range of 30 to 60%.
拡散層の気孔率が30%以上である場合は、拡散層によって燃料ガスを活性層に速やかに拡散させやすく、出力密度の低下抑制に有利である。拡散層の気孔率は、上記効果を確実なものとする観点から、好ましくは36%以上、より好ましくは42%以上、さらに好ましくは45%以上とすることができる。一方、拡散層の気孔率が60%以下である場合は、アノードを支持体とする場合に支持体としての強度を確保しやすく、燃料電池単セルをスタックする際に割れ難くなり有利である。拡散層の気孔率は、上記効果を確実なものとする観点から、好ましくは57%以下、より好ましくは54%以下、さらに好ましくは51%以下とすることができる。 When the porosity of the diffusion layer is 30% or more, it is easy to quickly diffuse the fuel gas into the active layer by the diffusion layer, which is advantageous for suppressing a decrease in output density. The porosity of the diffusion layer is preferably 36% or more, more preferably 42% or more, and further preferably 45% or more from the viewpoint of ensuring the above effect. On the other hand, when the porosity of the diffusion layer is 60% or less, when the anode is used as a support, it is easy to ensure the strength as the support, and it is advantageous that it is difficult to break when stacking fuel cell single cells. The porosity of the diffusion layer is preferably 57% or less, more preferably 54% or less, and even more preferably 51% or less, from the viewpoint of ensuring the above effect.
上記燃料電池用アノードにおいて、活性層の気孔率は、具体的には、30〜50%の範囲内とすることができる。 In the fuel cell anode, specifically, the porosity of the active layer can be in the range of 30 to 50%.
活性層の気孔率が30%以上である場合は、電極反応によって生じる水の排出が円滑に行われるので、排出されずに残る水によって発電出力が瞬間的に落ちてしまうのを抑制しやすくなる。活性層の気孔率は、上記効果を確実なものとする観点から、好ましくは33%以上、より好ましくは36%以上、さらに好ましくは39%以上とすることができる。一方、活性層の気孔率が50%以下である場合は、反応点数を確保しやすく、出力密度の低下を抑制しやすくなる。活性層の気孔率は、上記効果を確実なものとする観点から、好ましくは48%以下、より好ましくは46%以下、さらに好ましくは44%以下とすることができる。 When the porosity of the active layer is 30% or more, water generated by the electrode reaction is smoothly discharged, so that it is easy to suppress the power generation output from being instantaneously dropped by the water remaining without being discharged. . The porosity of the active layer is preferably 33% or more, more preferably 36% or more, and further preferably 39% or more from the viewpoint of ensuring the above effect. On the other hand, when the porosity of the active layer is 50% or less, it is easy to secure the number of reaction points, and it is easy to suppress a decrease in output density. From the viewpoint of ensuring the above effect, the porosity of the active layer is preferably 48% or less, more preferably 46% or less, and even more preferably 44% or less.
上記燃料電池用アノードにおいて、各層は、いずれも例えば、触媒と固体電解質とを含む混合物より構成することができる。上記触媒の材質としては、具体的には、例えば、ニッケル(Ni)、酸化ニッケル(NiO等)、コバルト(Co)、貴金属(Au、Ag、白金族元素のRu、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、好ましくはPt、Pd、Ru)などを例示することができる。これらは1種または2種以上併用することができる。各層内の触媒は、粒子状とすることができ、いずれも同じ材質であってもよいし、異なる材質であってもよい。上記触媒の材質としては、ニッケルおよび/または酸化ニッケルを好適に用いることができる。ニッケル(酸化ニッケルは、アノードの還元性雰囲気中でニッケルとなる)は、燃料ガスに好適に用いられる水素との親和性が充分に大きく、他の金属に比べて安価であるので、アノード触媒として適当である。 In the fuel cell anode, each layer can be composed of, for example, a mixture containing a catalyst and a solid electrolyte. Specific examples of the material of the catalyst include nickel (Ni), nickel oxide (NiO, etc.), cobalt (Co), noble metals (Au, Ag, platinum group elements Ru, Rh, Pd, Os, Ir. , Pt, preferably Pt, Pd, Ru) and the like. These can be used alone or in combination of two or more. The catalyst in each layer may be in the form of particles, and all may be the same material or different materials. As the material of the catalyst, nickel and / or nickel oxide can be suitably used. Nickel (nickel oxide becomes nickel in the reducing atmosphere of the anode) has a sufficiently large affinity with hydrogen, which is suitably used for fuel gas, and is less expensive than other metals. Is appropriate.
また、上記固体電解質の材質としては、具体的には、例えば、Y2O3、Sc2O3、Yb2O3、および、CaOから選択される1種または2種以上の酸化物が固溶されたZrO2等の酸化ジルコニウム系酸化物;ランタンガレート系酸化物;CeO2、CeO2にGd、Sm、Y、La、Nd、Yb、Ca、Dr、および、Hoから選択される1種または2種以上の元素等がドープされたセリア系固溶体等の酸化セリウム系酸化物などを例示することができる。これらは1種または2種以上併用することができる。各層内の固体電解質は、粒子状とすることができ、いずれも同じ材質であってもよいし、異なる材質であってもよい。上記固体電解質の材質としては、酸素イオン導電性、機械的強度などの観点から、好ましくは、ジルコニア系固体電解質を好適に用いることができる。
As the material of the solid electrolyte, specifically, for example, one or more oxides selected from Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , Yb 2 O 3 , and CaO are solid. zirconium oxide-based oxides such as ZrO 2, which is soluble; lanthanum gallate-based oxide;
また、最外層を構成しうる上記混合物は、触媒と固体電解質とを、例えば、質量比で、30/70〜70/30、好ましくは40/60〜60/40の範囲内で含有することができる。また、拡散層を構成しうる上記混合物は、触媒と固体電解質とを、例えば、質量比で、30/70〜70/30、好ましくは40/60〜60/40の範囲内で含有することができる。また、活性層を構成しうる上記混合物は、触媒と固体電解質とを、例えば、質量比で、30/70〜70/30、好ましくは40/60〜60/40の範囲内で含有することができる。 Moreover, the said mixture which can comprise an outermost layer contains a catalyst and solid electrolyte in the range of 30 / 70-70 / 30 by mass ratio, for example, Preferably it is 40 / 60-60 / 40. it can. Moreover, the said mixture which can comprise a diffused layer contains a catalyst and solid electrolyte in the range of 30 / 70-70 / 30 by mass ratio, for example, Preferably it is 40 / 60-60 / 40. it can. The mixture that can constitute the active layer contains the catalyst and the solid electrolyte in a mass ratio of, for example, 30/70 to 70/30, preferably 40/60 to 60/40. it can.
上記燃料電池用アノードにおいて、最外層の厚みは、燃料ガスをガス流れ方向の下流側へ均等分配しやすくする観点から、好ましくは1.5μm以上、より好ましくは2.5μm以上とすることができる。最外層の厚みは、ガス流れ方向の上流側での圧力損失を極力低減しやすくする観点から、好ましくは15μm以下、より好ましくは10μm以下とすることができる。また、拡散層の厚みは、支持体とする場合は、スタック化の際に単セルにかかる機械的応力に耐えられるだけの強度、および、発電時にかかる熱的応力に耐えうるだけの強度を確保しやすくする観点から、好ましくは100μm以上、より好ましくは200μm以上とすることができる。拡散層の厚みは、燃料ガスの圧力損失を極力低減しやすくする観点から、好ましくは1000μm以下、より好ましくは800μm以下、さらに好ましくは500μm以下とすることができる。また、活性層の厚みは、電気化学的な反応場を確保するために、固体電解質側からアノードへの酸素イオンの拡散距離を稼ぐ観点から、好ましくは10μm以上、より好ましくは15μm以上とすることができる。一方で、活性層は、通常、ガス拡散性よりも電気化学的な反応場の確保を優先させるために、拡散層よりも気孔率が意図的に低くされる。よって、電気化学的な反応場の確保に十分な厚みがあれば良く、必要以上の厚みは、反応場近傍へのガス拡散を速やかに行うという観点からは望ましくない。よって、活性層の厚みは、好ましくは30μm以下、より好ましくは20μm以下とすることができる。 In the fuel cell anode, the thickness of the outermost layer is preferably 1.5 μm or more, more preferably 2.5 μm or more, from the viewpoint of facilitating uniform distribution of the fuel gas downstream in the gas flow direction. . The thickness of the outermost layer is preferably 15 μm or less, more preferably 10 μm or less, from the viewpoint of making it possible to reduce pressure loss on the upstream side in the gas flow direction as much as possible. In addition, the thickness of the diffusion layer, when used as a support, ensures that it can withstand the mechanical stress applied to a single cell during stacking and that it can withstand the thermal stress applied during power generation. From the viewpoint of facilitating, it is preferably 100 μm or more, more preferably 200 μm or more. The thickness of the diffusion layer is preferably 1000 μm or less, more preferably 800 μm or less, and even more preferably 500 μm or less, from the viewpoint of facilitating the reduction of fuel gas pressure loss as much as possible. The thickness of the active layer is preferably 10 μm or more, more preferably 15 μm or more from the viewpoint of increasing the diffusion distance of oxygen ions from the solid electrolyte side to the anode in order to ensure an electrochemical reaction field. Can do. On the other hand, the porosity of the active layer is usually intentionally lower than that of the diffusion layer in order to give priority to securing an electrochemical reaction field over gas diffusion. Therefore, it is sufficient that the thickness is sufficient for securing an electrochemical reaction field, and an unnecessarily thick thickness is not desirable from the viewpoint of promptly diffusing gas to the vicinity of the reaction field. Therefore, the thickness of the active layer can be preferably 30 μm or less, more preferably 20 μm or less.
上記燃料電池単セルにおいて、各層を構成する材料としては、以下のものを例示することができるが、特に限定されない。 In the fuel cell single cell, examples of the material constituting each layer include the following, but are not particularly limited.
固体電解質層を構成する固体電解質としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)等の酸化ジルコニウム系酸化物;ランタンガレート系酸化物;CeO2、CeO2にGd、Sm、Y、La、Nd、Yb、Ca、Dr、および、Hoから選択される1種または2種以上の元素等がドープされたセリア系固溶体等の酸化セリウム系酸化物などを例示することができる。固体電解質層は、その厚みを薄くすることによってオーミック抵抗が低減し、出力密度が向上するといった利点がある反面、過度に厚みが薄くなると固体電解質層を貫通する穴の発生確率が増えてしまい、燃料ガスもしくは酸化剤ガスが固体電解質層を介してクロスリークし、出力密度の低下が起こる場合がある。上記観点から、固体電解質層の厚みは、好ましくは1〜20μm、より好ましくは3〜10μmとすることができる。 Examples of the solid electrolyte constituting the solid electrolyte layer include zirconium oxide-based oxides such as yttria-stabilized zirconia (YSZ) and scandia-stabilized zirconia (ScSZ); lanthanum gallate-based oxides; CeO 2 , CeO 2 with Gd, Examples include cerium oxide-based oxides such as ceria-based solid solutions doped with one or more elements selected from Sm, Y, La, Nd, Yb, Ca, Dr, and Ho. it can. The solid electrolyte layer has an advantage that the ohmic resistance is reduced by reducing its thickness and the output density is improved, but if the thickness is excessively thin, the probability of occurrence of holes penetrating the solid electrolyte layer increases. The fuel gas or oxidant gas may cross leak through the solid electrolyte layer, resulting in a decrease in power density. From the above viewpoint, the thickness of the solid electrolyte layer is preferably 1 to 20 μm, more preferably 3 to 10 μm.
カソードの材質としては、例えば、ランタン−マンガン系酸化物、ランタン−コバルト系酸化物、ランタン−鉄系酸化物等の導電性を有するペロブスカイト型酸化物、上記ペロブスカイト型酸化物と上記固体電解質等との混合物などを例示することができる。カソードの厚みは、空気等の酸化剤ガス中に含まれる酸素がカソード材料表面で電子を受け取りイオン化する反応活性場の数を増やすなどの観点から、好ましくは10〜100μm、より好ましくは30〜50μmとすることができる。 Examples of the cathode material include conductive perovskite oxides such as lanthanum-manganese oxides, lanthanum-cobalt oxides, and lanthanum-iron oxides, the perovskite oxides, the solid electrolytes, and the like. The mixture of these can be illustrated. The thickness of the cathode is preferably 10 to 100 μm, more preferably 30 to 50 μm, from the viewpoint of increasing the number of reaction active fields in which oxygen contained in an oxidant gas such as air receives and ionizes electrons on the cathode material surface. It can be.
中間層の材質としては、上記酸化セリウム系酸化物などを例示することができる。中間層の厚みは、カソード構成元素の固体電解質への拡散を防止するなどの観点から、好ましくは1〜10μm、より好ましくは3〜7μmとすることができる。 Examples of the material for the intermediate layer include the cerium oxide-based oxide. The thickness of the intermediate layer is preferably 1 to 10 μm, more preferably 3 to 7 μm, from the viewpoint of preventing diffusion of the cathode constituent element into the solid electrolyte.
上記燃料電池用アノード、上記燃料電池用アノードを有する燃料電池単セルは、以下の第1〜第3の工程を経ることによって好適に製造することができるが、特に制限されない。 The fuel cell anode and the fuel cell single cell having the fuel cell anode can be suitably manufactured through the following first to third steps, but are not particularly limited.
第1の工程は、焼成により燃料電池用アノードとなる未焼成のアノード形成用材料と、焼成により固体電解質層になる未焼成の固体電解質層形成用材料と、必要に応じて、焼成により中間層になる未焼成の中間層形成用材料とをこの順に層状に積層し、圧着して積層体を得る工程である。上記積層体には、必要に応じて脱脂等を行うことができる。 The first step includes an unfired anode forming material that becomes a fuel cell anode by firing, an unfired solid electrolyte layer forming material that becomes a solid electrolyte layer by firing, and an intermediate layer by firing, if necessary. In this step, the unfired intermediate layer forming material is layered in this order and pressed to obtain a laminate. The laminated body can be degreased as necessary.
上記アノード形成用材料は、具体的には、焼成により最外層となる未焼成の最外層形成用材料と、焼成により内層となる未焼成の内層形成用材料とを少なくとも含んで構成することができる。この場合、アノード形成用材料は、より具体的には、上記最外層形成用材料と、焼成により拡散層となる未焼成の拡散層形成用材料と、焼成により活性層となる未焼成の活性層形成用材料とから構成することができる。 Specifically, the anode forming material can include at least an unfired outermost layer forming material that becomes an outermost layer by firing and an unfired inner layer forming material that becomes an inner layer by firing. . In this case, the anode forming material more specifically includes the outermost layer forming material, an unfired diffusion layer forming material that becomes a diffusion layer by firing, and an unfired active layer that becomes an active layer by firing. And a forming material.
上記各形成用材料は、より具体的には、触媒粒子と、固体電解質粒子と、球状等の樹脂粒子やアセチレンブラック等のカーボンなどより構成される造孔剤と、有機バインダーと、必要に応じて可塑剤等とを含むシート状に形成することができる。なお、上記各形成用材料は、最外層の平均気孔径または気孔率が、内層の平均気孔径または気孔率よりも小さくなるように、造孔剤の粒子径や添加割合、触媒粒子や固体電解質粒子の粒子径や含有量などを適宜調整することができる。 More specifically, each of the above-mentioned forming materials includes catalyst particles, solid electrolyte particles, a pore-forming agent composed of resin particles such as spheres, carbon such as acetylene black, an organic binder, and, if necessary. And can be formed into a sheet containing a plasticizer and the like. In addition, each of the above forming materials has a pore forming agent particle size and addition ratio, catalyst particles and solid electrolyte so that the average pore size or porosity of the outermost layer is smaller than the average pore size or porosity of the inner layer. The particle diameter and content of the particles can be adjusted as appropriate.
その他にも、アノード形成用材料は、具体的には、焼成により最外層および内層となる未焼成の最外層/内層形成用材料を少なくとも含んで構成することができる。つまり、この場合は、内層の形成と同時に内層における固体電解質層と反対側の表層部に最外層を生成させる。この場合、アノード形成用材料は、より具体的には、焼成により最外層および拡散層となる未焼成の最外層/拡散層形成用材料と、焼成により活性層となる未焼成の活性層形成用材料とから構成することができる。 In addition, specifically, the anode forming material can include at least an unfired outermost layer / inner layer forming material that becomes an outermost layer and an inner layer by firing. That is, in this case, the outermost layer is formed on the surface layer portion of the inner layer opposite to the solid electrolyte layer simultaneously with the formation of the inner layer. In this case, more specifically, the anode forming material is an unfired outermost layer / diffusion layer forming material that becomes an outermost layer and a diffusion layer by firing, and an unfired active layer forming material that becomes an active layer by firing. Material.
上記最外層/内層形成用材料は、より具体的には、触媒粒子と、固体電解質粒子と、造孔剤と、有機バインダーと、必要に応じて可塑剤等とを含むシート状に形成されており、一方表面における造孔剤の露出面積が、他方表面における造孔剤の露出面積よりも小さい構成とすることができる。但し、最外層/内層形成用材料は、その他方表面側が、固体電解質層形成用材料側の面となるように積層される。これにより、後述の焼成によって造孔剤が焼失することで、内層の形成と同時に内層における固体電解質層と反対側の表層部に最外層が形成される。そして、上記造孔剤に由来する最外層の気孔(造孔剤に由来する内層の気孔よりも平均気孔径が小さい)を利用し、アノード内への燃料ガスの流入を制限することが可能となる。 More specifically, the outermost layer / inner layer forming material is formed into a sheet shape including catalyst particles, solid electrolyte particles, a pore-forming agent, an organic binder, and a plasticizer as necessary. In addition, the exposed area of the pore former on one surface can be smaller than the exposed area of the pore former on the other surface. However, the outermost layer / inner layer forming material is laminated so that the other surface side is the surface of the solid electrolyte layer forming material side. As a result, the pore-forming agent is burned away by firing, which will be described later, so that the outermost layer is formed on the surface layer portion of the inner layer opposite to the solid electrolyte layer simultaneously with the formation of the inner layer. And it is possible to restrict the inflow of fuel gas into the anode by utilizing the pores of the outermost layer derived from the pore former (the average pore diameter is smaller than the pores of the inner layer derived from the pore former). Become.
なお、上記最外層/内層形成用材料は、触媒粒子と、固体電解質粒子と、球状等の形状の造孔剤と、有機バインダーとを少なくとも含むスラリーを、ドクターブレード法等を用いて、プラスチック等の基材上に層状に塗工し、乾燥させることによって準備することができる。この場合、基材上に塗工されたスラリーにおいて、スラリーの重量や溶媒の蒸発、乾燥に伴うスラリーの面高さの減少により、基材側と反対側であるスラリーの自由表面からはみ出す造孔剤が増加する。一方、スラリーの基材側の面では、造孔剤は、基材の表面に点接触に近い状態で接触して、基材の表面からの高さがほぼ自然に揃う。そのため、上記最外層/内層形成用材料は、上記基材側の面からはみ出す造孔剤の面積が、上記自由表面からはみ出す造孔剤の面積に比べると小さくなる。なお、スラリー内の多くの造孔剤は、スラリー中に浮かんでいる。そのため、上記方法によれば、一方表面における造孔剤の露出面積が、他方表面における造孔剤の露出面積よりも小さい構成とされている最外層/内層形成用材料を準備することができる。なお、造孔剤の粒子径が大きいほど、焼成後に形成される最外層の平均気孔径と内層の平均気孔径との比を大きくすることができる。 The outermost layer / inner layer forming material is a slurry containing at least catalyst particles, solid electrolyte particles, a pore-forming agent having a spherical shape, and an organic binder. It can be prepared by applying a layer on the substrate and drying it. In this case, in the slurry coated on the substrate, the pores protrude from the free surface of the slurry on the opposite side of the substrate due to the decrease in the slurry weight, the evaporation of the solvent, and the reduction of the slurry surface height accompanying drying. The drug increases. On the other hand, on the surface of the slurry on the substrate side, the pore-forming agent comes into contact with the surface of the substrate in a state close to point contact, and the height from the surface of the substrate is almost naturally aligned. Therefore, in the outermost layer / inner layer forming material, the area of the pore forming agent protruding from the surface on the substrate side is smaller than the area of the pore forming agent protruding from the free surface. In addition, many pore forming agents in the slurry are floating in the slurry. Therefore, according to the above method, it is possible to prepare an outermost layer / inner layer forming material in which the exposed area of the pore former on one surface is smaller than the exposed area of the pore former on the other surface. In addition, the ratio of the average pore diameter of the outermost layer formed after firing and the average pore diameter of the inner layer can be increased as the particle diameter of the pore former is increased.
上記第1の工程において、上記積層体を得るに当たり、シート状の内層形成用材料(拡散層形成材料)、最外層/内層形成用材料(最外層/拡散層形成材料)は、支持体としての強度を確保する等のために、複数枚重ねることができる。なお、シート状の最外層/内層形成用材料を複数枚重ねる場合は、最外層/内層形成用材料の上記他方表面とこれに重ねるべき最外層/内層形成用材料の上記一方表面とを重ね合わせればよい。この際、上記重ね合わせによる接触界面では、重ね合わせ当初、上記自由表面からはみ出す造孔剤の周囲に隙間が生じる。しかしながら、その後の圧着時の加熱により、最外層/拡散層形成用材料を構成するバインダーが軟化変形し、上記隙間が埋められる。そのため、上記重ね合わせによる接触界面の微構造は、最外層/内層形成用材料における内部の平均的な微構造(造孔剤分布)とほとんど差がない程度まで均質化させることができる。それ故、上記積層によって、形成される内層内部の気孔分布に悪影響が及ぶことはない。 In the first step, in obtaining the laminate, the sheet-shaped inner layer forming material (diffusion layer forming material) and the outermost layer / inner layer forming material (outermost layer / diffusion layer forming material) are used as a support. Multiple sheets can be stacked to ensure strength. When a plurality of sheet-shaped outermost layer / inner layer forming materials are stacked, the other surface of the outermost layer / inner layer forming material can be overlapped with the one surface of the outermost layer / inner layer forming material to be overlapped therewith. That's fine. At this time, a gap is generated around the pore-forming agent that protrudes from the free surface at the beginning of the overlapping at the contact interface by the overlapping. However, the binder constituting the outermost layer / diffusion layer forming material is softened and deformed by heating during the subsequent pressure bonding, and the gap is filled. Therefore, the microstructure of the contact interface due to the superposition can be homogenized to such an extent that there is almost no difference from the internal average microstructure (pore forming agent distribution) in the outermost layer / inner layer forming material. Therefore, the above stacking does not adversely affect the pore distribution inside the formed inner layer.
上記第1の工程では、上記最外層形成用材料、上記最外層/内層形成用材料(最外層/拡散層形成用材料)のいずれを用いてもよい。前者の場合は、最外層、内層(拡散層)を別々の材料によって準備するため、得られる燃料電池用アノードにおける最外層、内層の平均気孔径、気孔率を上述した関係に制御しやすい利点がある。一方、後者の場合は、最外層/内層形成用材料を準備すればよいので、製造コストの低減に寄与できる利点がある。 In the first step, either the outermost layer forming material or the outermost layer / inner layer forming material (outermost layer / diffusion layer forming material) may be used. In the former case, since the outermost layer and the inner layer (diffusion layer) are prepared with different materials, there is an advantage that the average pore diameter and porosity of the outermost layer and inner layer in the obtained fuel cell anode can be easily controlled to the above-described relationship. is there. On the other hand, in the latter case, it is only necessary to prepare the outermost layer / inner layer forming material, which is advantageous in that it can contribute to a reduction in manufacturing cost.
第2の工程は、上記積層体を、例えば、1300〜1500℃で同時焼成する工程である。これにより、燃料電池用アノード(上記の例では、最外層、拡散層、活性層)、固体電解質層、必要に応じて、中間層がこの順に積層された焼成体が得られる。 A 2nd process is a process of baking the said laminated body simultaneously at 1300-1500 degreeC, for example. Thereby, a fired body in which the anode for the fuel cell (in the above example, the outermost layer, the diffusion layer, the active layer), the solid electrolyte layer, and, if necessary, the intermediate layer are laminated in this order is obtained.
第3の工程は、上記焼成体における中間層の表面、あるいは、固体電解質層の表面に、焼成によりカソードになるカソード形成用材料を層状に積層し、例えば、900〜1200℃で焼成する工程である。 The third step is a step of laminating a cathode forming material that becomes a cathode by firing on the surface of the intermediate layer or the surface of the solid electrolyte layer in the fired body, and firing at 900 to 1200 ° C., for example. is there.
カソード形成用材料には、ペースト状材料を用いることができる。カソード形成用材料は、中間層の表面、あるいは、固体電解質層の表面に印刷法等によって層状に塗布することができる。 A paste-like material can be used as the cathode forming material. The cathode forming material can be applied in a layer form on the surface of the intermediate layer or the surface of the solid electrolyte layer by a printing method or the like.
これにより、上記燃料電池用アノード、上記燃料電池用アノードを有する燃料電池単セルを得ることができる。 Thereby, the fuel cell single cell which has the said anode for fuel cells and the said anode for fuel cells can be obtained.
なお、上述した各構成は、上述した各作用効果等を得るなどのために必要に応じて任意に組み合わせることができる。 In addition, each structure mentioned above can be arbitrarily combined as needed, in order to acquire each effect etc. which were mentioned above.
以下、実施例の燃料電池用アノードおよび燃料電池単セルについて、図面を用いて説明する。なお、同一部材については同一の符号を用いて説明する。 Hereinafter, an anode for a fuel cell and a single cell for a fuel cell according to examples will be described with reference to the drawings. In addition, about the same member, it demonstrates using the same code | symbol.
(実施例1)
実施例1の燃料電池用アノードおよび燃料電池単セルについて、図1、図2を用いて説明する。図1、図2に示すように、本例の燃料電池用アノード10は、アノード1と、固体電解質層2と、カソード3とを有しており、アノード1の面方向に沿って燃料ガスFが供給される燃料電池単セル5に用いられるものである。
Example 1
A fuel cell anode and a fuel cell single cell of Example 1 will be described with reference to FIGS. As shown in FIGS. 1 and 2, the
燃料電池用アノード10は、固体電解質層2から最も離れて配置される最外層11と、最外層11における固体電解質層2側の面に接する内層12とを少なくとも有する気孔101を含む複数の層より構成されている。そして、最外層11の平均気孔径は、内層12の平均気孔径よりも小さい。
The
また、本例の燃料電池単セル5は、図1に示すように、本例の燃料電池用アノード10と、固体電解質層2と、カソード3とを有しており、燃料電池用アノード10の面方向に沿って燃料ガスFが供給される。具体的には、燃料電池単セル5は、固体電解質層2と、固体電解質層2の一方面に積層された燃料電池用アノード10と、固体電解質層2の他方面に中間層4を介して積層されたカソード3とを有しており、燃料電池用アノード10を支持体とする平板形の単セルである。また、燃料ガスF、酸化剤ガス(不図示)の供給方式は、具体的には、アノード1の面方向に沿ってアノード1に供給される燃料ガスFとカソード3の面方向に沿ってカソード3に供給される酸化剤ガスとが互いに直交するように燃料電池単セル5に供給される、いわゆるクロスフロー方式とされている。以下、これらを詳説する。
Further, as shown in FIG. 1, the fuel cell
本例の燃料電池用アノード10は、具体的には、燃料ガスFの供給流路側に配置される最外層11と、固体電解質層2側に配置される活性層13と、最外層11と活性層13との間に配置され、最外層11における固体電解質層2側の面および活性層13における固体電解質層2側と反対側の面に接する拡散層121とを有している。本例では、拡散層121が内層12である。
Specifically, the
本例の燃料電池用アノード10において、最外層11の平均気孔径は、具体的には、内層12としての拡散層121の平均気孔径に対して、80%〜95%の範囲内にある。拡散層12の平均気孔径は、より具体的には、0.3〜5μmの範囲内にあり、活性層13の平均気孔径は、0.1〜5μmの範囲内にある。なお、最外層11、内層12としての拡散層121、活性層13に含まれる気孔101は、いずれも主に造孔剤に由来するものである。
In the
本例の燃料電池用アノード10において、最外層11、内層12としての拡散層121、活性層13は、いずれも触媒と固体電解質とを含む混合物より構成されている。触媒は、具体的にはいずれもNiOであり、固体電解質は、具体的には、いずれもジルコニア系固体電解質としての8mol%のY2O3を含むイットリア安定化ジルコニア(以下、8YSZ)である。なお、本例では、最外層11、内層12としての拡散層121、活性層13に含まれる各固体電解質は、活性層13に含まれる固体電解質粒子の粒子径<最外層11に含まれる固体電解質粒子の粒子径<内層12としての拡散層121に含まれる固体電解質粒子の粒子径の関係を満たしている。また、最外層11の厚みは10μmであり、内層12としての拡散層121の厚みは400μmであり、活性層13の厚みは20μmである。
In the
本例において、固体電解質層2は、具体的には、ジルコニア系固体電解質より形成されている。より具体的には、ジルコニア系固体電解質は、酸化ジルコニウム系酸化物である、8YSZであり、その厚みは10μmである。
In this example, the
本例において、中間層4は、具体的には、酸化セリウム系酸化物である、10mol%のGdがドープされたセリア(以下、10GDC)より形成されており、その厚みは10μmである。
In this example, specifically, the
本例において、カソード3は、具体的には、ペロブスカイト型酸化物と固体電解質とを含む混合物より層状に形成されている。より具体的には、ペロブスカイト型酸化物は、La1−xSrxCo1−yFyO3(x=0.4、y=0.8、以下、LSCF)であり、固体電解質は、酸化セリウム系酸化物である10GDCである。カソード3の厚みは40μmである。
In this example, specifically, the
本例において、燃料電池用アノード10、固体電解質層2、中間層4、および、カソード3は、いずれも、平面視で、矩形状の形状を呈している。また、燃料電池用アノード10、固体電解質層2、および中間層4の外形は、同じ大きさに揃えられている。一方、カソード3の外形は、固体電解質層2の外形よりも小さく形成されている。つまり、本例では、燃料電池単セル5は、カソード3および固体電解質層2の外形の大きさが、カソード3の外形<固体電解質層2の外形の関係を満たすように構成されている。
In this example, the
本例の燃料電池用アノードの作用効果について説明する。 The effect of the fuel cell anode of this example will be described.
燃料電池用アノード10は、上記構成を有している。特に、最外層11の平均気孔径は、内層12の平均気孔径よりも小さい構成とされている。そのため、燃料電池用アノード10は、燃料電池単セル5に用いた場合に、供給される燃料ガスFのガス流れ上流側におけるアノード内への燃料ガスFの過剰な流入を抑制することができ、ガス流れ下流側に燃料ガスFを十分に送ることが可能となる。そのため、燃料電池アノード10は、燃料ガスFの流れに起因するセル面内の発電分布の均一化を図ることができる。その結果、燃料電池用アノード10は、燃料電池単セル5に用いた場合に、セル面内の温度分布が小さくなり、セルに局所的な応力が生じ難くなって発電時のセル割れが生じ難くなる。そのため、燃料電池用アノード10は、燃料電池単セル5の信頼性向上に有効である。
The
また、本例の燃料電池用アノード10は、内層12よりも最外層11の平均気孔径を意図的に小さくすることにより、アノード内への燃料ガスFの流入量を絞り、燃料ガスFのガス流れ下流側まで燃料ガスを均等分配することができる。そのため、燃料ガスの流れ方向でアノードの気孔率を変えてガス拡散性を制御する燃料電池用アノードに比べ、製造性が良好であるなどの利点がある。
Further, in the
また、本例の燃料電池用アノード10は、燃料ガスFの供給流路側に配置される最外層11と、固体電解質層2側に配置される活性層13と、最外層11と活性層13との間に配置され、最外層11における固体電解質層2側の面および活性層13における固体電解質層2側と反対側の面に接する内層12としての拡散層121とを有している。そのため、本例の燃料電池用アノード10は、最外層11によって、燃料ガス流入量をガス流れ方向で制御することができ、ガス流れ上流側からガス流れ下流側にかけて比較的均一に燃料ガスFをアノード内へ流入させることができる。また、拡散層121によって、流入した燃料ガスFを適切に拡散させることができる。また、活性層13によって、最外層11がない場合に比べ、ガス流れ方向で均一に電気化学的反応を生じさせることができる。そのため、本例の燃料電池用アノード10は、機能分担された各層11、121、13が各機能を十分に発揮することによって、燃料ガスFの流れに起因するセル面内の発電分布の均一化を図りやすい利点がある。
The
また、本例の燃料電池用アノード10は、拡散層121の平均気孔径が、0.3〜5μmの範囲内とされている。そのため、本例の燃料電池用アノード10は、拡散層121によって燃料ガスFを活性層13に速やかに拡散させやすく、出力密度の低下抑制に有利である。また、造孔剤によって気孔101を形成する際に、形成した気孔101の連続性を確保しやすくなり、拡散層121によって燃料ガスFを速やかに拡散させやすく、出力密度の低下抑制に有利である。
In the
本例の燃料電池単セルの作用効果について説明する。 The effect of the fuel cell single cell of this example is demonstrated.
燃料電池単セル5は、燃料電池用アノード10と、固体電解質層2と、カソード3とを有している。そのため、燃料電池単セル5は、セル面内の温度分布が小さくなり、セルに局所的な応力が生じ難くなって発電時のセル割れが生じ難くなる。そのため、燃料電池単セル5は、高い信頼性を発揮することができる。
The fuel cell
(実施例2)
実施例2の燃料電池用アノードおよび燃料電池単セルについて、図3を用いて説明する。図3に示すように、本例の燃料電池用アノード10は、最外層11の気孔率が、内層12の気孔率よりも小さい。また、本例の燃料電池単セル5は、実施例2の燃料電池用アノード10を用いている。
(Example 2)
A fuel cell anode and a fuel cell single cell of Example 2 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 3, in the
本例の燃料電池用アノード10において、最外層11の気孔率は、具体的には、内層12としての拡散層121の気孔率に対して、80〜95%の範囲内にある。拡散層121の気孔率は、より具体的には、30〜60%の範囲内にあり、活性層13の気孔率は、より具体的には、30〜50%の範囲内にある。その他の構成は、平均気孔率の構成を除いて実施例1の燃料電池用アノード10、燃料電池単セル5と同様の構成である。
In the
本例の燃料電池用アノード10は、上記構成を有している。特に、最外層11の気孔率は、内層12の気孔率よりも小さい構成とされている。本例の燃料電池用アノード10は、内層12よりも最外層11の気孔率を意図的に小さくすることにより、アノード内への燃料ガスFの流入量を絞り、燃料ガスFのガス流れ下流側まで燃料ガスを均等分配することができる。そのため、実施例1の燃料電池用アノード10と同様の作用効果を奏することができる。また、本例の燃料電池単セル5は、本例の燃料電池用アノード10を用いている。そのため、本例の燃料電池単セル5は、実施例1の燃料電池単セル5と同様の作用効果を奏することができる。
The
以下、実験例を用いてより具体的に説明する。
<実験例1>
(材料準備)
NiO粉末(平均粒子径:1μm)と、8YSZ粉末(平均粒子径:0.3μm)と、造孔剤としての球状の樹脂粒子(平均粒子径:1μm)と、ポリビニルブチラール(有機材料)と、酢酸イソアミル、2−ブタノールおよびエタノール(混合溶媒)とをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。NiO粉末と8YSZ粉末の質量比は、65:35である。造孔剤の含有量は、NiO−8YSZの合計100質量部に対して7質量部である。上記スラリーを、ドクターブレード法を用いて、プラスチック製の基材上に層状に塗工し、乾燥させることにより、シート状の最外層形成用材料を準備した。なお、上記平均粒子径は、レーザー回折・散乱法により測定した体積基準の累積度数分布が50%を示すときの粒子径(直径)d50である(以下、同様)。
Hereinafter, it demonstrates more concretely using an experiment example.
<Experimental example 1>
(Material preparation)
NiO powder (average particle size: 1 μm), 8YSZ powder (average particle size: 0.3 μm), spherical resin particles (average particle size: 1 μm) as a pore-forming agent, polyvinyl butyral (organic material), A slurry was prepared by mixing isoamyl acetate, 2-butanol and ethanol (mixed solvent) with a ball mill. The mass ratio of NiO powder and 8YSZ powder is 65:35. Content of a pore making material is 7 mass parts with respect to a total of 100 mass parts of NiO-8YSZ. The slurry was applied in a layer on a plastic substrate using a doctor blade method and dried to prepare a sheet-shaped outermost layer forming material. The average particle diameter is the particle diameter (diameter) d50 when the volume-based cumulative frequency distribution measured by the laser diffraction / scattering method shows 50% (hereinafter the same).
NiO粉末(平均粒子径:1μm)と、8YSZ粉末(平均粒子径:0.5μm)と、造孔剤としての球状の樹脂粒子(平均粒子径:1.5μm)と、ポリビニルブチラール(有機材料)と、酢酸イソアミル、2−ブタノールおよびエタノール(混合溶媒)とをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。NiO粉末と8YSZ粉末の質量比は、65:35である。造孔剤の含有量は、NiO−8YSZの合計100質量部に対して7質量部である。上記スラリーを、ドクターブレード法を用いて、プラスチック製の基材上に層状に塗工し、乾燥させることにより、シート状の拡散層形成用材料を準備した。 NiO powder (average particle size: 1 μm), 8YSZ powder (average particle size: 0.5 μm), spherical resin particles (average particle size: 1.5 μm) as a pore-forming agent, and polyvinyl butyral (organic material) A slurry was prepared by mixing isoamyl acetate, 2-butanol and ethanol (mixed solvent) with a ball mill. The mass ratio of NiO powder and 8YSZ powder is 65:35. Content of a pore making material is 7 mass parts with respect to a total of 100 mass parts of NiO-8YSZ. The slurry was applied in a layer form on a plastic substrate using a doctor blade method and dried to prepare a sheet-shaped diffusion layer forming material.
NiO粉末(平均粒子径:1μm)と、8YSZ粉末(平均粒子径:0.3μm)と、造孔剤としての球状の樹脂粒子(平均粒子径:0.8μm)と、ポリビニルブチラール(有機材料)と、酢酸イソアミル、2−ブタノールおよびエタノール(混合溶媒)とをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。NiO粉末と8YSZ粉末の質量比は、60:40である。造孔剤の含有量は、NiO−8YSZの合計100質量部に対して3質量部である。上記スラリーを、ドクターブレード法を用いて、プラスチック製の基材上に層状に塗工し、乾燥させることにより、シート状の活性層形成用材料を準備した。 NiO powder (average particle size: 1 μm), 8YSZ powder (average particle size: 0.3 μm), spherical resin particles (average particle size: 0.8 μm) as a pore-forming agent, and polyvinyl butyral (organic material) A slurry was prepared by mixing isoamyl acetate, 2-butanol and ethanol (mixed solvent) with a ball mill. The mass ratio of NiO powder and 8YSZ powder is 60:40. Content of a pore making material is 3 mass parts with respect to a total of 100 mass parts of NiO-8YSZ. The slurry was applied in a layer form on a plastic substrate using a doctor blade method and dried to prepare a sheet-form active layer forming material.
8YSZ粉末(平均粒子径:0.3μm)と、ポリビニルブチラール(有機材料)と、酢酸イソアミル、2−ブタノールおよびエタノール(混合溶媒)とをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。このスラリーを、ドクターブレード法を用いて、プラスチック製の基材上に層状に塗工し、乾燥させることにより、シート状の固体電解質層形成用材料を準備した。 A slurry was prepared by mixing 8YSZ powder (average particle diameter: 0.3 μm), polyvinyl butyral (organic material), isoamyl acetate, 2-butanol and ethanol (mixed solvent) with a ball mill. The slurry was applied in a layer form on a plastic substrate using a doctor blade method and dried to prepare a sheet-shaped solid electrolyte layer forming material.
10GDC粉末(平均粒子径:0.2μm)と、ポリビニルブチラール(有機材料)と、酢酸イソアミル、2−ブタノールおよびエタノール(混合溶媒)とをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。このスラリーを、ドクターブレード法を用いて、プラスチック製の基材上に層状に塗工し、乾燥させることにより、シート状の中間層形成用材料を準備した。 A slurry was prepared by mixing 10 GDC powder (average particle size: 0.2 μm), polyvinyl butyral (organic material), isoamyl acetate, 2-butanol and ethanol (mixed solvent) with a ball mill. The slurry was applied in a layer form on a plastic substrate using a doctor blade method and dried to prepare a sheet-shaped intermediate layer forming material.
LSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3)粉末(平均粒子径:0.45μm)と、10GDC粉末(平均粒子径:0.2μm)と、エチルセルロース(有機材料)と、テルピネオール(溶媒)とをボールミルにて混合することにより、ペースト状のカソード形成用材料を準備した。なお、LSCF粉末と10GDC粉末の質量比は、90:10である。 LSCF (La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 ) powder (average particle size: 0.45 μm), 10 GDC powder (average particle size: 0.2 μm), ethyl cellulose (organic material) ) And terpineol (solvent) were mixed in a ball mill to prepare a paste-like cathode forming material. The mass ratio of the LSCF powder to the 10GDC powder is 90:10.
(第1の工程)
シート状の最外層形成用材料、シート状の拡散層形成用材料、シート状の活性層形成用材料、シート状の固体電解質層形成用材料、および、シート状の中間層形成用材料をこの順に積層し、圧着して積層体を得た。この際、シート状の拡散層形成用材料は、5枚を重ね合わせて構成した。なお、圧着には、CIP成形法を用いた。CIP成形条件は、温度80℃、加圧力50MPa、加圧時間10分という条件とした。また、上記圧着後、積層体を脱脂した。
(First step)
The sheet-shaped outermost layer forming material, the sheet-shaped diffusion layer forming material, the sheet-shaped active layer forming material, the sheet-shaped solid electrolyte layer forming material, and the sheet-shaped intermediate layer forming material in this order. It laminated | stacked and crimped | bonded and the laminated body was obtained. At this time, the sheet-like material for forming a diffusion layer was formed by superposing five sheets. Note that the CIP molding method was used for pressure bonding. The CIP molding conditions were a temperature of 80 ° C., a pressing force of 50 MPa, and a pressing time of 10 minutes. Moreover, the laminated body was degreased after the pressure bonding.
(第2の工程)
次いで、上記積層体を1350℃で2時間焼成した。これにより、最外層、拡散層、活性層、固体電解質層、および中間層がこの順に積層された焼結体を得た。
(Second step)
Next, the laminate was fired at 1350 ° C. for 2 hours. Thus, a sintered body in which the outermost layer, the diffusion layer, the active layer, the solid electrolyte layer, and the intermediate layer were laminated in this order was obtained.
(第3の工程)
次いで、上記焼結体における中間層の表面に、カソード形成用材料をスクリーン印刷法により塗布し、900℃で2時間焼成(焼付)することによって層状のカソードを形成した。なお、カソード形成用材料は、中間層の外縁まで印刷しておらず、カソード層の外形は、固体電解質層の外形よりも小さく形成されている。これにより、燃料電池用アノードを支持体とする燃料電池単セルを得た。得られた燃料電池用アノード、燃料電池単セルを、試料1の燃料電池用アノード、燃料電池単セルとする。上記最外層の厚みは5μm、上記最外層の平均気孔径は0.8μmである。上記拡散層の厚みは400μm、上記拡散層の平均気孔径は1μmである。上記活性層の厚みは20μm、上記活性層の平均気孔径は0.5μmである。上記固体電解質層の厚みは10μm、上記中間層の厚みは10μm、上記カソードの厚みは40μmである。
(Third step)
Next, a cathode forming material was applied to the surface of the intermediate layer in the sintered body by a screen printing method, and baked (baked) at 900 ° C. for 2 hours to form a layered cathode. The cathode forming material is not printed up to the outer edge of the intermediate layer, and the outer shape of the cathode layer is smaller than the outer shape of the solid electrolyte layer. As a result, a fuel cell single cell having a fuel cell anode as a support was obtained. The obtained fuel cell anode and fuel cell single cell are designated as
<実験例2>
NiO粉末(平均粒子径:1μm)と、8YSZ粉末(平均粒子径:0.3μm)と、造孔剤としての球状の樹脂粒子(平均粒子径:1μm)と、ポリビニルブチラール(有機材料)と、酢酸イソアミル、2−ブタノールおよびエタノール(混合溶媒)とをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。NiO粉末と8YSZ粉末の質量比は、65:35である。造孔剤の含有量は、NiO−8YSZの合計100質量部に対して5質量部である。上記スラリーを、ドクターブレード法を用いて、プラスチック製の基材上に層状に塗工し、乾燥させることにより、シート状の最外層形成用材料を準備した。
<Experimental example 2>
NiO powder (average particle size: 1 μm), 8YSZ powder (average particle size: 0.3 μm), spherical resin particles (average particle size: 1 μm) as a pore-forming agent, polyvinyl butyral (organic material), A slurry was prepared by mixing isoamyl acetate, 2-butanol and ethanol (mixed solvent) with a ball mill. The mass ratio of NiO powder and 8YSZ powder is 65:35. Content of a pore making material is 5 mass parts with respect to a total of 100 mass parts of NiO-8YSZ. The slurry was applied in a layer on a plastic substrate using a doctor blade method and dried to prepare a sheet-shaped outermost layer forming material.
NiO粉末(平均粒子径:1μm)と、8YSZ粉末(平均粒子径:0.5μm)と、造孔剤としての球状の樹脂粒子(平均粒子径:1.5μm)と、ポリビニルブチラール(有機材料)と、酢酸イソアミル、2−ブタノールおよびエタノール(混合溶媒)とをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。NiO粉末と8YSZ粉末の質量比は、65:35である。造孔剤の含有量は、NiO−8YSZの合計100質量部に対して7質量部である。上記スラリーを、ドクターブレード法を用いて、プラスチック製の基材上に層状に塗工し、乾燥させることにより、シート状の拡散層形成用材料を準備した。 NiO powder (average particle size: 1 μm), 8YSZ powder (average particle size: 0.5 μm), spherical resin particles (average particle size: 1.5 μm) as a pore-forming agent, and polyvinyl butyral (organic material) A slurry was prepared by mixing isoamyl acetate, 2-butanol and ethanol (mixed solvent) with a ball mill. The mass ratio of NiO powder and 8YSZ powder is 65:35. Content of a pore making material is 7 mass parts with respect to a total of 100 mass parts of NiO-8YSZ. The slurry was applied in a layer form on a plastic substrate using a doctor blade method and dried to prepare a sheet-shaped diffusion layer forming material.
NiO粉末(平均粒子径:1μm)と、8YSZ粉末(平均粒子径:0.3μm)と、造孔剤としての球状の樹脂粒子(平均粒子径:0.8μm)と、ポリビニルブチラール(有機材料)と、酢酸イソアミル、2−ブタノールおよびエタノール(混合溶媒)とをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。NiO粉末と8YSZ粉末の質量比は、60:40である。造孔剤の含有量は、NiO−8YSZの合計100質量部に対して3質量部である。上記スラリーを、ドクターブレード法を用いて、プラスチック製の基材上に層状に塗工し、乾燥させることにより、シート状の活性層形成用材料を準備した。 NiO powder (average particle size: 1 μm), 8YSZ powder (average particle size: 0.3 μm), spherical resin particles (average particle size: 0.8 μm) as a pore-forming agent, and polyvinyl butyral (organic material) A slurry was prepared by mixing isoamyl acetate, 2-butanol and ethanol (mixed solvent) with a ball mill. The mass ratio of NiO powder and 8YSZ powder is 60:40. Content of a pore making material is 3 mass parts with respect to a total of 100 mass parts of NiO-8YSZ. The slurry was applied in a layer form on a plastic substrate using a doctor blade method and dried to prepare a sheet-form active layer forming material.
そして、上記準備した最外層形成用材料、拡散層形成用材料および活性層形成用材料を用いた点以外は実験例1と同様にして、燃料電池用アノードを支持体とする燃料電池単セルを得た。得られた燃料電池用アノード、燃料電池単セルを、試料2の燃料電池用アノード、燃料電池単セルとする。なお、最外層の気孔率は45%、拡散層の気孔率は48%、活性層の気孔率は42%である。その他の構成は、実験例1と同じである。
Then, a fuel cell single cell having a fuel cell anode as a support was prepared in the same manner as in Experimental Example 1 except that the prepared outermost layer forming material, diffusion layer forming material, and active layer forming material were used. Obtained. The obtained fuel cell anode and fuel cell single cell are designated as
<実験例3>
(材料準備)
NiO粉末(平均粒子径:1μm)と、8YSZ粉末(平均粒子径:0.3μm)と、造孔剤としての球状の樹脂粒子(平均粒子径:1.5μm)と、ポリビニルブチラール(有機材料)と、酢酸イソアミル、2−ブタノールおよびエタノール(混合溶媒)とをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。NiO粉末と8YSZ粉末の質量比は、65:35である。造孔剤の含有量は、NiO−8YSZの合計100質量部に対して7質量部である。上記スラリーを、ドクターブレード法を用いて、プラスチック製の基材上に層状に塗工し、乾燥させることにより、シート状の最外層/拡散層形成用材料を準備した。
<Experimental example 3>
(Material preparation)
NiO powder (average particle size: 1 μm), 8YSZ powder (average particle size: 0.3 μm), spherical resin particles (average particle size: 1.5 μm) as a pore-forming agent, and polyvinyl butyral (organic material) A slurry was prepared by mixing isoamyl acetate, 2-butanol and ethanol (mixed solvent) with a ball mill. The mass ratio of NiO powder and 8YSZ powder is 65:35. Content of a pore making material is 7 mass parts with respect to a total of 100 mass parts of NiO-8YSZ. The slurry was applied in a layer form on a plastic substrate using a doctor blade method and dried to prepare a sheet-shaped outermost layer / diffusion layer forming material.
図4に示すように、最外層/拡散層形成用材料60は、一方表面における造孔剤61の露出面積が、他方表面における造孔剤61の露出面積よりも小さい構成を有している。これは、図5に示すように、触媒粒子(不図示)と、固体電解質粒子(不図示)と、球状の樹脂粒子より構成される造孔剤61と、有機バインダー(不図示)とを少なくとも含むスラリー62を、ドクターブレード法を用いて、基材65上に層状に塗工し、乾燥させる際に、スラリー62中の造孔剤61が次のような挙動を生じて形成されたものである。すなわち、図5に示すように、造孔剤61を含むスラリー62をシート成形する場合、造孔剤61は、スラリー62中で流動することができる。特に、造孔剤61が球形に近い球状である場合は、スラリー62中で流動しやすい。ここで、基材65上に塗工されたスラリー62において、スラリー62の表層側に存在する造孔剤61は、当初はドクターブレードのエッジ66の先端によって高さが揃っている。そして、時間が経過するにつれて、スラリー62の重量や溶媒の蒸発(レべリング)、乾燥に伴うスラリー62の面高さの減少により、スラリー62の自由表面63からはみ出す造孔剤61が増加する。一方、スラリー62の基材65側の面では、造孔剤61は、基材65の表面に点接触に近い状態で接触して、基材65の表面からの高さがほぼ自然に揃う。そのため、図4に示すように、最外層/拡散層形成用材料60は、上記基材側の面64からはみ出す造孔剤61の面積が、上記自由表面63からはみ出す造孔剤61の面積に比べると小さくなる。上記最外層/拡散層形成用材料60を、1350℃で2時間焼成したところ、図6に示すように、上記基材65と接していた面601における気孔101の気孔径(図6(b)参照)は、上記自由表面63とされていた面602における気孔101の気孔径(図6(a)参照)に比べ、小さいことが確認された。このことから、上記最外層/拡散層形成用材料60を焼成するによって造孔剤61が焼失し、拡散層121の形成と同時に拡散層121における固体電解質層2と反対側の表層部に最外層11が形成されるといえる。
As shown in FIG. 4, the outermost layer / diffusion
NiO粉末(平均粒子径:1μm)と、8YSZ粉末(平均粒子径:0.3μm)と、造孔剤としての球状の樹脂粒子(平均粒子径:0.8μm)と、ポリビニルブチラール(有機材料)と、酢酸イソアミル、2−ブタノールおよびエタノール(混合溶媒)とをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。NiO粉末と8YSZ粉末の質量比は、60:40である。造孔剤の含有量は、NiO−8YSZの合計100質量部に対して3質量部である。上記スラリーを、ドクターブレード法を用いて、プラスチック製の基材上に層状に塗工し、乾燥させることにより、シート状の活性層形成用材料を準備した。 NiO powder (average particle size: 1 μm), 8YSZ powder (average particle size: 0.3 μm), spherical resin particles (average particle size: 0.8 μm) as a pore-forming agent, and polyvinyl butyral (organic material) A slurry was prepared by mixing isoamyl acetate, 2-butanol and ethanol (mixed solvent) with a ball mill. The mass ratio of NiO powder and 8YSZ powder is 60:40. Content of a pore making material is 3 mass parts with respect to a total of 100 mass parts of NiO-8YSZ. The slurry was applied in a layer form on a plastic substrate using a doctor blade method and dried to prepare a sheet-form active layer forming material.
実験例1と同じシート状の固体電解質層形成用材料、シート状の中間層形成用材料、ペースト状のカソード形成用材料を準備した。 The same sheet-like solid electrolyte layer forming material, sheet-like intermediate layer forming material, and paste-like cathode forming material as in Experimental Example 1 were prepared.
(第1の工程)
シート状の最外層/拡散層形成用材料、シート状の活性層形成用材料、シート状の固体電解質層形成用材料、および、シート状の中間層形成用材料をこの順に積層し、圧着して積層体を得た。なお、圧着には、CIP成形法を用いた。CIP成形条件は、温度80℃、加圧力50MPa、加圧時間10分という条件とした。また、上記圧着後、積層体を脱脂した。
(First step)
A sheet-shaped outermost layer / diffusion layer forming material, a sheet-shaped active layer forming material, a sheet-shaped solid electrolyte layer forming material, and a sheet-shaped intermediate layer forming material are laminated in this order, and then pressed. A laminate was obtained. Note that the CIP molding method was used for pressure bonding. The CIP molding conditions were a temperature of 80 ° C., a pressing force of 50 MPa, and a pressing time of 10 minutes. Moreover, the laminated body was degreased after the pressure bonding.
この際、シート状の拡散層形成用材料は、5枚を重ね合わせて構成した。但し、上記重ね合わせは、図7に示すように、最外層/拡散層形成用材料60における上記自由表面63と上記基材側の面64とが互いに接するように行った。なお、図8に示すように、上記重ね合わせによる接触界面では、重ね合わせ当初、上記自由表面63からはみ出す造孔剤61の周囲に隙間603が生じる(図8(b)参照)。しかしながら、その後の圧着時の加熱により、最外層/拡散層形成用材料60を構成するバインダーが軟化変形し、隙間603が埋められる。そのため、上記重ね合わせによる接触界面の微構造は、最外層/拡散層形成用材料60における内部の平均的な微構造(造孔剤分布)とほとんど差がない程度まで均質化される。
At this time, the sheet-like material for forming a diffusion layer was formed by superposing five sheets. However, the superposition was performed so that the
(第2の工程)
次いで、上記積層体を1350℃で2時間焼成した。これにより、最外層、拡散層、活性層、固体電解質層、および中間層がこの順に積層された焼結体を得た。
(Second step)
Next, the laminate was fired at 1350 ° C. for 2 hours. Thus, a sintered body in which the outermost layer, the diffusion layer, the active layer, the solid electrolyte layer, and the intermediate layer were laminated in this order was obtained.
(第3の工程)
次いで、上記焼結体における中間層の表面に、カソード形成用材料をスクリーン印刷法により塗布し、900℃で2時間焼成(焼付)することによって層状のカソードを形成した。なお、カソード形成用材料は、中間層の外縁まで印刷しておらず、カソード層の外形は、固体電解質層の外形よりも小さく形成されている。これにより、燃料電池用アノードを支持体とする燃料電池単セルを得た。得られた燃料電池用アノード、燃料電池単セルを、試料3の燃料電池用アノード、燃料電池単セルとする。上記最外層の厚みは3μm、上記最外層の平均気孔径は0.5μmである。上記拡散層の厚みは400μm、上記拡散層の平均気孔径は1μmである。上記活性層の厚みは20μm、上記活性層の平均気孔径は0.5μmである。上記固体電解質層の厚みは10μm、上記中間層の厚みは10μm、上記カソードの厚みは40μmである。
(Third step)
Next, a cathode forming material was applied to the surface of the intermediate layer in the sintered body by a screen printing method, and baked (baked) at 900 ° C. for 2 hours to form a layered cathode. The cathode forming material is not printed up to the outer edge of the intermediate layer, and the outer shape of the cathode layer is smaller than the outer shape of the solid electrolyte layer. As a result, a fuel cell single cell having a fuel cell anode as a support was obtained. The obtained fuel cell anode and fuel cell single cell are referred to as
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲内で種々の変更が可能である。 As mentioned above, although the Example of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said Example, A various change is possible within the range which does not impair the meaning of this invention.
1 アノード
2 固体電解質層
3 カソード
5 燃料電池単セル
10 燃料電池用アノード
101 気孔
11 最外層
12 内層
F 燃料ガス
DESCRIPTION OF
Claims (7)
上記固体電解質層(2)から最も離れて配置される最外層(11)と、該最外層(11)における上記固体電解質層(2)側の面に接する内層(12)とを少なくとも有する気孔(101)を含む複数の層より構成されており、
上記最外層(11)の平均気孔径または気孔率は、上記内層(12)の平均気孔径または気孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池用アノード(10)。 A fuel cell single cell having an anode (1), a solid electrolyte layer (2), and a cathode (3), to which fuel gas (F) is supplied along the surface direction of the anode (1) ( A fuel cell anode (10) used in 5),
A pore having at least an outermost layer (11) arranged farthest from the solid electrolyte layer (2) and an inner layer (12) in contact with the surface on the solid electrolyte layer (2) side of the outermost layer (11) ( 101) including a plurality of layers,
The anode (10) for a fuel cell, wherein the outermost layer (11) has an average pore diameter or porosity smaller than the average pore diameter or porosity of the inner layer (12).
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