JP2013077395A - Anode substrate, solid oxide fuel cell and manufacturing method of anode substrate - Google Patents
Anode substrate, solid oxide fuel cell and manufacturing method of anode substrate Download PDFInfo
- Publication number
- JP2013077395A JP2013077395A JP2011215395A JP2011215395A JP2013077395A JP 2013077395 A JP2013077395 A JP 2013077395A JP 2011215395 A JP2011215395 A JP 2011215395A JP 2011215395 A JP2011215395 A JP 2011215395A JP 2013077395 A JP2013077395 A JP 2013077395A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- anode substrate
- anode
- green sheet
- main surface
- fuel cell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 122
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 37
- 239000007787 solid Substances 0.000 title claims description 23
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 12
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 claims description 39
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 36
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 26
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 claims description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 20
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 17
- 238000010304 firing Methods 0.000 claims description 13
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 9
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims description 6
- 229910000480 nickel oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N oxonickel Chemical compound [Ni]=O GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000035699 permeability Effects 0.000 abstract description 11
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 26
- 229910002076 stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 21
- 239000000463 material Substances 0.000 description 17
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 16
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 6
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 6
- CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N ceric oxide Chemical compound O=[Ce]=O CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910000422 cerium(IV) oxide Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 5
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 5
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 5
- HYXGAEYDKFCVMU-UHFFFAOYSA-N scandium oxide Chemical compound O=[Sc]O[Sc]=O HYXGAEYDKFCVMU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 5
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 5
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N Magnesium oxide Chemical compound [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 4
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 4
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 4
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 4
- LNTHITQWFMADLM-UHFFFAOYSA-N gallic acid Chemical compound OC(=O)C1=CC(O)=C(O)C(O)=C1 LNTHITQWFMADLM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 4
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 4
- 229910001233 yttria-stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 4
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 3
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 3
- 239000006257 cathode slurry Substances 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoyttriooxy)yttrium Chemical compound O=[Y]O[Y]=O SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- -1 oxygen ions Chemical class 0.000 description 3
- UZLYXNNZYFBAQO-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);ytterbium(3+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Yb+3].[Yb+3] UZLYXNNZYFBAQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910003454 ytterbium oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 229940075624 ytterbium oxide Drugs 0.000 description 3
- RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N yttrium(III) oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Y+3].[Y+3] RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910021193 La 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000968352 Scandia <hydrozoan> Species 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BQENXCOZCUHKRE-UHFFFAOYSA-N [La+3].[La+3].[O-][Mn]([O-])=O.[O-][Mn]([O-])=O.[O-][Mn]([O-])=O Chemical compound [La+3].[La+3].[O-][Mn]([O-])=O.[O-][Mn]([O-])=O.[O-][Mn]([O-])=O BQENXCOZCUHKRE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000287 alkaline earth metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- VSCWAEJMTAWNJL-UHFFFAOYSA-K aluminium trichloride Chemical compound Cl[Al](Cl)Cl VSCWAEJMTAWNJL-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 2
- 238000009412 basement excavation Methods 0.000 description 2
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 2
- 229910000420 cerium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- DOIRQSBPFJWKBE-UHFFFAOYSA-N dibutyl phthalate Chemical compound CCCCOC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OCCCC DOIRQSBPFJWKBE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 238000007606 doctor blade method Methods 0.000 description 2
- CMIHHWBVHJVIGI-UHFFFAOYSA-N gadolinium(iii) oxide Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Gd+3].[Gd+3] CMIHHWBVHJVIGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 2
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoceriooxy)cerium Chemical compound [Ce]=O.O=[Ce]=O BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- HJGMWXTVGKLUAQ-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);scandium(3+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Sc+3].[Sc+3] HJGMWXTVGKLUAQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 229910001404 rare earth metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910015902 Bi 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002127 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002138 La0.6Sr0.4CoO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002147 La0.6Sr0.4FeO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002204 La0.8Sr0.2MnO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910017493 Nd 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052772 Samarium Inorganic materials 0.000 description 1
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WNROFYMDJYEPJX-UHFFFAOYSA-K aluminium hydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[OH-].[Al+3] WNROFYMDJYEPJX-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 1
- DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N barium atom Chemical compound [Ba] DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 229910000428 cobalt oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- IVMYJDGYRUAWML-UHFFFAOYSA-N cobalt(ii) oxide Chemical compound [Co]=O IVMYJDGYRUAWML-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052963 cobaltite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 235000014113 dietary fatty acids Nutrition 0.000 description 1
- KZHJGOXRZJKJNY-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O KZHJGOXRZJKJNY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003411 electrode reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000000194 fatty acid Substances 0.000 description 1
- 229930195729 fatty acid Natural products 0.000 description 1
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000007373 indentation Methods 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012046 mixed solvent Substances 0.000 description 1
- 229910052863 mullite Inorganic materials 0.000 description 1
- NQNBVCBUOCNRFZ-UHFFFAOYSA-N nickel ferrite Chemical compound [Ni]=O.O=[Fe]O[Fe]=O NQNBVCBUOCNRFZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002037 poly(vinyl butyral) polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000002250 progressing effect Effects 0.000 description 1
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- FKTOIHSPIPYAPE-UHFFFAOYSA-N samarium(iii) oxide Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Sm+3].[Sm+3] FKTOIHSPIPYAPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 1
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium atom Chemical compound [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000004154 testing of material Methods 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- 235000012773 waffles Nutrition 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
本発明は、アノード基板、固体酸化物形燃料電池及びアノード基板の製造方法に関する。 The present invention relates to an anode substrate, a solid oxide fuel cell, and a method for manufacturing an anode substrate.
燃料電池は次世代のクリーンエネルギー源として注目されており、その研究開発が急速に進められている。燃料電池の1つとして、固体酸化物形燃料電池が知られている。固体酸化物形燃料電池は、例えば、アノード、固体電解質層及びカソードを含む板状のセルを多数積層した平板型の構造を有する。平板型の固体酸化物形燃料電池は、円筒型の固体酸化物形燃料電池に比べると、単位体積あたりの出力密度が高いという特徴を持っている。 Fuel cells are attracting attention as a next-generation clean energy source, and their research and development are rapidly progressing. A solid oxide fuel cell is known as one of the fuel cells. The solid oxide fuel cell has, for example, a flat plate structure in which a large number of plate cells including an anode, a solid electrolyte layer, and a cathode are stacked. The flat plate type solid oxide fuel cell has a feature that the output density per unit volume is higher than that of the cylindrical solid oxide fuel cell.
固体酸化物形燃料電池の発電性能を高めるためには、固体電解質層の緻密化及び薄肉化が有効である。しかし、固体電解質層が薄ければ薄いほど、積層荷重によってセルが割れやすくなる。固体電解質層を薄くするために、アノードを支持体(アノード基板)として用いた燃料電池が提案されている(特許文献1及び2)。 In order to improve the power generation performance of the solid oxide fuel cell, it is effective to make the solid electrolyte layer dense and thin. However, the thinner the solid electrolyte layer, the easier it is for the cell to crack due to the stack load. In order to make the solid electrolyte layer thin, a fuel cell using an anode as a support (anode substrate) has been proposed (Patent Documents 1 and 2).
アノード基板には、十分なガス透過性が要求される。他方、アノード基板には、高い機械強度も要求される。アノード基板を薄くするとガス透過性は高まるが、機械強度は低下する。すなわち、アノード基板において、ガス透過性と機械強度とはトレードオフの関係にある。アノード基板が厚すぎると、材料費の高騰を招く可能性もある。 The anode substrate is required to have sufficient gas permeability. On the other hand, high mechanical strength is also required for the anode substrate. When the anode substrate is thinned, the gas permeability increases, but the mechanical strength decreases. That is, in the anode substrate, gas permeability and mechanical strength are in a trade-off relationship. If the anode substrate is too thick, the material cost may increase.
本発明は、ガス透過性と機械強度とを両立できるアノード基板及びその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、そのアノード基板を用いた固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the anode substrate which can make gas permeability and mechanical strength compatible, and its manufacturing method. Another object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell using the anode substrate.
すなわち、本発明は、
固体酸化物形燃料電池の固体電解質層を支持するためのアノード基板であって、
第一主面と、
起伏のある第二主面と、
前記燃料電池のセパレータに接するべき堤部と、
前記堤部よりも薄肉に形成された窪み部と、を備え、
当該アノード基板は全体として平板の形状を有し、
前記堤部の表面と前記窪み部の表面とが同一平面上に存在することによって前記第一主面が形成されており、
前記第二主面の起伏が、前記堤部と前記窪み部との間の厚さの相違に起因して形成されている、アノード基板を提供する。
That is, the present invention
An anode substrate for supporting a solid electrolyte layer of a solid oxide fuel cell,
The first main surface,
A undulating second main surface,
A bank portion to be in contact with a separator of the fuel cell;
And a hollow portion formed thinner than the bank portion,
The anode substrate has a flat plate shape as a whole,
The first main surface is formed by the surface of the bank portion and the surface of the recess portion being on the same plane,
Provided is an anode substrate in which the undulation of the second main surface is formed due to a difference in thickness between the bank portion and the recess portion.
別の側面において、本発明は、
上記本発明のアノード基板と、
カソードと、
前記アノード基板と前記カソードの間に配置された固体電解質層と、
を備えた、固体酸化物形燃料電池を提供する。
In another aspect, the present invention provides:
The anode substrate of the present invention;
A cathode,
A solid electrolyte layer disposed between the anode substrate and the cathode;
A solid oxide fuel cell is provided.
さらに別の側面において、本発明は、
固体酸化物形燃料電池の固体電解質層を支持するためのアノード基板を製造するための方法であって、
平板状の第一セラミックグリーンシートを準備する工程と、
開口部を有する第二セラミックグリーンシートを準備する工程と、
前記第一セラミックグリーンと前記第二セラミックグリーンシートとの積層体が形成されるように、前記第一セラミックグリーンシートと前記第二セラミックグリーンシートとを互いに貼りあわせる工程と、
前記積層体を焼成する工程と、
を含む、アノード基板の製造方法を提供する。
In yet another aspect, the present invention provides:
A method for manufacturing an anode substrate for supporting a solid electrolyte layer of a solid oxide fuel cell, comprising:
Preparing a flat first ceramic green sheet;
Preparing a second ceramic green sheet having an opening;
Bonding the first ceramic green sheet and the second ceramic green sheet to each other so that a laminate of the first ceramic green and the second ceramic green sheet is formed;
Firing the laminate;
A method for manufacturing an anode substrate is provided.
本発明のアノード基板は、堤部及び窪み部を備えている。第一主面側において、堤部の表面は、窪み部の表面と同一平面上に存在する。堤部と窪み部との間の厚さの相違に起因して、第二主面の起伏が形成されている。このような構造を採用すると、単位重量あたりの機械強度を高めることができる。さらに、窪み部は堤部よりも薄いため、燃料ガスがアノード基板を通り抜ける際の抵抗が小さくなる。その結果、十分なガス透過性も確保される。従って、本発明によれば、優れたガス透過性と高い機械強度とを兼ね備えたアノード基板を提供できる。単位重量あたりの機械強度を高めることができるので、材料費も節約できる。 The anode substrate of the present invention includes a bank portion and a recess portion. On the first main surface side, the surface of the bank portion is on the same plane as the surface of the recess portion. Due to the difference in thickness between the bank portion and the recess portion, the undulation of the second main surface is formed. When such a structure is employed, the mechanical strength per unit weight can be increased. Furthermore, since the hollow portion is thinner than the bank portion, the resistance when the fuel gas passes through the anode substrate is reduced. As a result, sufficient gas permeability is ensured. Therefore, according to the present invention, an anode substrate having both excellent gas permeability and high mechanical strength can be provided. Since the mechanical strength per unit weight can be increased, material costs can be saved.
本発明のアノード基板を使用すれば、優れた発電性能及び高い信頼性を有する固体酸化物形燃料電池を提供できる。 If the anode substrate of the present invention is used, a solid oxide fuel cell having excellent power generation performance and high reliability can be provided.
本発明の方法によれば、上記のアノード基板を容易かつ安価に製造できる。 According to the method of the present invention, the above anode substrate can be easily and inexpensively manufactured.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments.
図1に示すように、本実施形態の固体酸化物形燃料電池100は、発電要素24、第一セパレータ20及び第二セパレータ22を備えている。発電要素24は、第一セパレータ20及び第二セパレータ22に電気的に接触するように、それらによって挟まれている。発電要素24は、アノード10、固体電解質層12及びカソード14で構成されている。固体電解質層12は、アノード10とカソード14との間に配置されている。アノード10は、固体電解質層12の厚さとカソード14の厚さとの合計を十分に上回る厚さを有する。固体電解質層12及びカソード14は、アノード10によって支持されている。アノード10は、固体電解質層12及びカソード14を支持する支持体の役割を担っている。すなわち、燃料電池100は、アノード支持型かつ平板型の固体酸化物形燃料電池である。
As shown in FIG. 1, the solid
発電要素24は、平面視で方形、典型的には正方形の形状を有する。ただし、発電要素24の形状は特に限定されない。発電要素24の平面視での形状は、円形、多角形などの他の形状であってもよい。
The
固体電解質層12は、イットリア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニアなどを主成分として含むセラミックで作られている。固体電解質層12は、例えば、5〜30μmの範囲の厚さを有する。カソード14は、ランタンマンガナイトなどを主成分として含む多孔質セラミックで作られている。カソード14は、例えば、10〜70μmの範囲の厚さを有する。本実施形態では、カソード14が固体電解質層12に直接接している。ただし、固体電解質層12の材料とカソード14の材料との組み合わせに応じて、カソード14と固体電解質層12との間にバリア層が設けられていてもよい。バリア層は、CeO2などを主成分として含むセラミックで作られている。バリア層は、固体電解質層12の材料とカソード14の材料との反応によって高抵抗物質層が形成されて燃料電池100の性能が低下することを防ぐ。そのような現象は、発電要素24を作製するためにカソード14を焼成するとき、及び、燃料電池100の運転中に起こり得る。「主成分」とは、重量比で最も多く含まれた成分を意味する。
The
第一セパレータ20及び第二セパレータ22は、それぞれ、耐熱金属又は導電性セラミックで作られている。セパレータ20及び22は、インターコネクタとも呼ばれる。第一セパレータ20は、アノード10(本実施形態ではアノード基板16)に燃料ガスを供給するように構成されている。具体的に、第一セパレータ20には、アノード10に燃料ガスを供給するための複数の燃料ガス供給溝20aが一方向に延びるように形成されている。燃料ガスは、典型的には、水素ガスである。第二セパレータ22は、カソード14に酸化剤ガスを供給するように構成されている。具体的に、第二セパレータ22には、カソード14に酸化剤ガスを供給するための複数の酸化剤ガス供給溝22aが他方向に延びるように形成されている。酸化剤ガスは、典型的には、空気である。
The
アノード10は、アノード基板16及びアノード活性層18で構成されている。アノード基板16及びアノード活性層18は、典型的には、酸化ニッケル及びジルコニアを主成分として含む多孔質セラミックで作られている。アノード基板16は、例えば、150〜1500μmの範囲の厚さを有する。アノード活性層18は、例えば、5〜30μmの範囲の厚さを有する。アノード基板16は、発電要素24の機械強度を保持することを主な目的とし、発電に関する電気化学反応を実質的に担わない点でアノード活性層18と異なる。アノード活性層18は、水素と酸素イオンとの反応によって水蒸気と電子とを生成する反応場の役割を担う。ただし、アノード基板16が単独でアノード10として機能できる場合には、アノード活性層18を省略することができる。
The
図2に示すように、アノード基板16は、第一主面16p及び第二主面16qを有する。第一主面16pは、アノード活性層18に接するべき主面である。アノード活性層18が省略されている場合、第一主面16pは、固体電解質層12に接するべき主面である。第二主面16qは、第一セパレータ20に接するべき主面である。図2に示すように、第二主面16qには起伏が設けられている。本明細書において、「主面」は、最も広い面積を有する面を意味する。
As shown in FIG. 2, the
アノード基板16は、堤部30及び窪み部32で構成されている。堤部30は、第一セパレータ20に接するべき部分である。窪み部32は、堤部30よりも薄肉に形成された部分である。アノード基板16は、全体として平板の形状を有する。堤部30の表面と窪み部32の表面とが同一平面上に存在することによって第一主面16pが形成されている。つまり、第一主面16pは平坦面である。第二主面16qの起伏は、堤部30と窪み部32との間の厚さの相違に起因して形成されている。堤部30及び窪み部32によって、単位重量あたりのアノード基板16の機械強度が向上する。さらに、窪み部32によって十分なガス透過性も確保される。
The
本実施形態では、堤部30によって個別に囲まれる形で複数の窪み部32が設けられている。複数の窪み部32が設けられていると、第一セパレータ20の燃料ガス供給溝20aから窪み部32のそれぞれに燃料ガスを供給しやすい。図3に示すように、燃料電池100において、第一セパレータ20はアノード基板16の堤部30に面接触している。堤部30が一定の厚さDを有しているので、アノード基板16と第一セパレータ20との密着性も良好である。燃料ガス供給溝20aからアノード基板16の窪み部32に燃料ガスが導かれるように、燃料ガス供給溝20aと窪み部32とが連通している。詳細には、複数の窪み部32は、それぞれ、複数の燃料ガス供給溝20aのいずれかに面している。このような位置関係によれば、燃料ガス供給溝20aを通じて、窪み部32に燃料ガスを確実に供給できる。燃料ガスは、アノード基板16の内部に滞留することなくアノード活性層18へと移動し、アノード活性層18と固体電解質層12と燃料ガスとが互いに接する3相界面で電極反応に有効利用される。
In the present embodiment, a plurality of
図2に示すように、アノード基板16は、いわゆるワッフルの外観を有している。つまり、第二主面16qの起伏が規則的なパターンを示している。本実施形態において、規則的なパターンは格子状である。堤部30が格子部分を構成し、複数の窪み部32が格子の空間部分を構成している。格子状の堤部30によれば、アノード基板16の機械強度に指向性が生じることを防止できる。規則的なパターンは、同一形状及び同一寸法を有する複数の窪み部32が一定の規則で配列していることに限定されない。例えば、互いに異なる形状を有する2種類以上の窪み部が一定の規則で配列していてもよい。互いに異なる寸法(厚さ、平面視での面積)を有する2種類以上の窪み部が一定の規則で配列していてもよい。
As shown in FIG. 2, the
また、堤部30は、アノード基板16の外縁に沿って形成された枠状部分を含む。つまり、アノード基板16を平面視したときに複数の窪み部32の全部が堤部30の内側に位置するように、堤部30によってアノード基板16の最外周部分が形成されている。アノード基板16の側面は、全周囲にわたって、堤部30によって形成されている。このような構造によれば、堤部30の枠状部分が第一セパレータ20に接触できるので、燃料電池100におけるガスシールが容易となる。
The
窪み部32の厚さが小さければ小さいほどアノード基板16の材料費を節約できるとともに、優れたガス透過性が発揮される。しかし、窪み部32の厚さは、アノード基板16の機械強度との兼ね合いで調節されるべきである。図3に示すように、堤部30の厚さ(堤部30におけるアノード基板16の厚さ)をD、窪み部32の厚さ(窪み部32におけるアノード基板16の厚さ)をdとしたとき、例えば0.3D<d<D(好ましくは0.6D<d<0.8D)の関係を満たすように窪み部32の厚さdを調節することができる。窪み部32の厚さdが適切に調節されていると、アノード基板16の十分な機械強度を確保しつつ、ガス透過性を高めることができる。材料費も節約できる。
The smaller the thickness of the
同様の観点から、アノード基板16における窪み部32の占める割合は、第二主面16qを平面視したときに観察される表面積に換算して、例えば35%以下であり、好ましくは15〜25%である。これにより、アノード基板16の十分な機械強度を確保しつつ、ガス透過性を高めることができる。
From the same viewpoint, the proportion of the
本実施形態において、窪み部32は、平面視で正方形の形状を有している。第二主面16q側において、窪み部32によって形成された空間部分は、直方体の形状を有する。ただし、窪み部32の平面視形状は特に限定されない。窪み部32は、平面視で円形、ひし形などの他の形状を有していてもよい。空間部分の形状も特に限定されない。空間部分は、円柱状、半球状、錘状などの他の立体形状を有していてもよい。
In the present embodiment, the
次に、図4を参照しつつ、発電要素24の製造方法を説明する。
Next, a method for manufacturing the
まず、導電成分、骨格成分及び溶媒を混合し、アノード基板用スラリーを調製する。アノード基板用スラリーをドクターブレード法などの方法でシート状に成形する。得られたシート状成形体を乾燥させる。これにより、平板グリーンシート160(第一セラミックグリーンシート)が得られる(STEP1)。溶媒を適度に除去できる条件であれば、成形体の乾燥条件は特に限定されない。例えば、乾燥温度が70〜120℃であり、乾燥時間が1〜10時間である。これらの条件は、後述する他の乾燥工程にも適用されうる。 First, a conductive component, a skeleton component, and a solvent are mixed to prepare an anode substrate slurry. The anode substrate slurry is formed into a sheet by a method such as a doctor blade method. The obtained sheet-like molded body is dried. Thereby, a flat green sheet 160 (first ceramic green sheet) is obtained (STEP 1). As long as the solvent can be removed appropriately, the drying condition of the molded body is not particularly limited. For example, the drying temperature is 70 to 120 ° C., and the drying time is 1 to 10 hours. These conditions can also be applied to other drying processes described later.
導電成分は、アノード基板16に導電性を付与するための成分である。導電成分としては、ニッケル、コバルト、鉄、白金、パラジウム、ルテニウムなどの金属;酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄のように、燃料電池の稼動時の還元性雰囲気で導電性金属に変化する金属酸化物;ニッケルフェライト、コバルトフェライトのように、これらの金属酸化物を2種以上含有する複合金属酸化物が挙げられる。これらは、単独又は2種以上を組み合わせて使用されうる。これらの中でも、ニッケル、コバルト、鉄又はこれらの酸化物を好適に使用できる。
The conductive component is a component for imparting conductivity to the
骨格成分は、機械強度及び耐レドックス性を確保するための成分である。「耐レドックス性」は、酸化雰囲気から還元雰囲気又は還元雰囲気から酸化雰囲気へとアノード基板16を繰り返し暴露した際の化学的安定性及び強度的安定性を意味する。骨格成分としては、ジルコニア、アルミナ、マグネシア、チタニア、窒化アルミニウム、ムライトが挙げられる。これらの骨格成分の複合物も使用できる。最も汎用性の高いのは安定化ジルコニアである。安定化ジルコニアは、ジルコニアと安定化剤との固溶体である。安定化剤としては、MgO、CaO、SrO、BaOなどのアルカリ土類金属の酸化物;Y2O3、La2O3、CeO2、Pr2O3、Nd2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Tb2O3、Dy2O3、Er2O3、Tm2O3、Yb2O3などの希土類元素の酸化物;Sc2O3、Bi2O3、In2O3などの遷移金属の酸化物が挙げられる。安定化ジルコニアは、分散強化剤としてアルミナ、チタニア、Ta2O5、Nb2O5などの酸化物を含んでいてもよい。また、骨格成分として、CaO、SrO、BaO、Y2O3、La2O3、Ce2O3、Pr2O3、Nb2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Tb2O3、Dr2O3、Ho2O3、Er2O3、Yb2O3、PbO、WO3、MoO3、V2O5、Ta2O5及びNb2O5からなる群より選ばれる少なくとも1つをCeO2又はBi2O3に添加したセリア系セラミック又はビスマス系セラミックも使用できる。更には、骨格成分として、LaGaO3のようなガレート系セラミックも使用できる。これらは、単独又は2種以上を組み合わせて使用されうる。これらの中でも、骨格成分として、安定化ジルコニア、セリア系セラミック及びランタンガレートが好ましく、安定化ジルコニアがより好ましい。特に好ましいのは、2.5〜12モル%のイットリアで安定化されたジルコニア又は3〜15モル%のスカンジアで安定化されたジルコニアである。
The skeleton component is a component for ensuring mechanical strength and redox resistance. “Redox resistance” means chemical stability and strength stability when the
特に、アノード基板16が以下のような組成を有するように、アノード基板用スラリーを調製することができる。アノード基板16の骨格成分は、ジルコニアを含む。このジルコニアは、2〜11モル%の希土類金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物を安定化剤として含む安定化ジルコニアであって、さらにAl原子を含んでいる。このジルコニアに含まれるAl原子の量は、Zr原子に対するAl原子のモル比(Al/Zr)が0.10〜2.50を満たす範囲内である。
In particular, the anode substrate slurry can be prepared so that the
例えば、Sc、Y及びCe等の希土類金属の酸化物2.5〜15モル%を安定化剤として含む安定化ジルコニア、及び、Mg及びCa等のアルカリ土類金属の酸化物5〜20モル%を安定化剤として含む安定化ジルコニアが例示される。これらは、必要に応じて2種類以上を併用されることも可能である。これらの安定化ジルコニアの中で特に好ましいのは、3〜6モル%のイットリアで安定化されたジルコニア(YSZ)、及び、3〜6モル%のスカンジアで安定化されたジルコニア(ScSZ)である。 For example, stabilized zirconia containing 2.5 to 15 mol% of a rare earth metal oxide such as Sc, Y and Ce as a stabilizer, and 5 to 20 mol% of an alkaline earth metal oxide such as Mg and Ca. Is exemplified by stabilized zirconia containing as a stabilizer. These may be used in combination of two or more as required. Particularly preferred among these stabilized zirconia are 3-6 mol% yttria stabilized zirconia (YSZ) and 3-6 mol% scandia stabilized zirconia (ScSZ). .
この安定化ジルコニアに含まれるAl原子の量は、上記のとおり、Zr原子に対するAl原子のモル比(Al/Zr)が0.10〜2.50となる範囲内であり、好ましくは0.25〜2.00となる範囲内であり、より好ましくは0.50〜1.50となる範囲内である。安定化ジルコニアに添加されるAl原子源としては、アルミナ、水酸化アルミ及び塩化アルミ等が例示できる。例えば、アルミナが添加剤として使用される場合は、骨格成分全体に対してアルミナが5〜40質量%となるように添加されることが好ましく、7.5〜30質量%となるように添加されることがより好ましく、10〜25質量%となるように添加されることがさらに好ましい。 As described above, the amount of Al atoms contained in the stabilized zirconia is within a range where the molar ratio of Al atoms to Zr atoms (Al / Zr) is 0.10 to 2.50, preferably 0.25. It is in the range which becomes -2.00, More preferably, it exists in the range which becomes 0.50-1.50. Examples of the Al atom source added to the stabilized zirconia include alumina, aluminum hydroxide, and aluminum chloride. For example, when alumina is used as an additive, it is preferable to add 5 to 40% by mass of alumina with respect to the entire skeletal component, and to add 7.5 to 30% by mass. More preferably, it is more preferable to add so that it may become 10-25 mass%.
特に好ましい例は、アノード基板16に含まれるジルコニアが、20質量%のアルミナが均一に分散された3〜6モル%のイットリアで安定化されたジルコニアである。
A particularly preferable example is zirconia in which the zirconia contained in the
本実施形態のアノード基板16は、上記のような範囲でアルミナが添加された安定化ジルコニアを含むことにより、セルの高い機械的強度を実現できる。アルミナは、安定化ジルコニア中で均一に分散していることが望ましい。したがって、アルミナが均一に分散された安定化ジルコニア粉末を原料として用い、当該ジルコニウム粉末の焼結体によって、本実施形態のアノード基板16が形成されることが好ましい。なお、アノード基板16においては、骨格成分の5質量%以上が、上記のような範囲でAl原子を含む安定化ジルコニアであることが好ましい。より好ましくは、アノード基板16の骨格成分が、上記のような範囲でAl原子を含む安定化ジルコニアからなることである。骨格成分は、Al原子を含む安定化ジルコニアの他に、Gd、Sm、Y等の希土類元素の酸化物等をドープしたセリア等を含んでいてもよい。
The
導電成分の質量W1と骨格成分の質量W2との比率(W1:W2)は、例えば、3:7〜8:2であり、好ましくは、4:6〜7:3である。「導電成分の質量」は、導電成分が酸化物として存在するときの質量を意味する。 The ratio (W1: W2) between the mass W1 of the conductive component and the mass W2 of the skeleton component is, for example, 3: 7 to 8: 2, and preferably 4: 6 to 7: 3. “Mass of conductive component” means the mass when the conductive component is present as an oxide.
アノード基板用スラリーは、空孔形成剤、可塑剤、バインダー及び分散剤などの添加剤を含んでいてもよい。これらの添加剤として、固体酸化物形燃料電池の分野で公知のものを適宜使用できる。これらの添加剤は、後述するアノード活性層用スラリー、固体電解質層用スラリー及びカソード用スラリーに含まれていてもよい。 The anode substrate slurry may contain additives such as a pore forming agent, a plasticizer, a binder and a dispersing agent. As these additives, those known in the field of solid oxide fuel cells can be appropriately used. These additives may be contained in the anode active layer slurry, the solid electrolyte layer slurry, and the cathode slurry described later.
次に、図5のSTEP2に示すように、複数の開口部32hを有する打抜きグリーンシート161(第二セラミックグリーンシート)が得られるように、平板グリーンシート160を所定のパターンで打ち抜く。つまり、平板グリーンシート160から打抜きグリーンシート161を作製することができる。開口部32hは、アノード基板16の窪み部32によって形成される空間部分に対応している。複数の開口部32hは、打抜きグリーンシート161において規則的に配列している。平板グリーンシート160の材料、厚さ、外形の寸法、外形の形状は、打抜きグリーンシート161のそれらと同じである。このようにすれば、材料費及び生産費を節約できる。ただし、平板グリーンシート160の材料及び厚さが、打抜きグリーンシート161のそれらと異なっていてもよい。
Next, as shown in STEP 2 of FIG. 5, the flat
次に、図5のSTEP3に示すように、平板グリーンシート160と打抜きグリーンシート161とを互いに貼り合わせる。これにより、平板グリーンシート160と打抜きグリーンシート161との積層体162が形成される。平板グリーンシート160と打抜きグリーンシート161との密着性を高めるために、必要に応じて、積層体162をプレス加工してもよい。
Next, as shown in STEP 3 in FIG. 5, the flat
本実施形態では、打抜きグリーンシート161の厚さが平板グリーンシート160の厚さに等しく、打抜きグリーンシート161の外形の寸法が平板グリーンシート160の外形の寸法に等しい。この場合、打抜きグリーンシート161において開口部32hの占める面積割合が平板グリーンシート160の主面の面積に対して35%以下となるように、開口部32hの数、寸法及び形状を定めることができる。後述するように、開口部32hの割合を35%以下に調整することによって、十分な機械強度を有するアノード基板16を製造できる。
In this embodiment, the thickness of the punched
なお、焼成時の収縮を厳密に考慮すれば、打抜きグリーンシート161における開口部32hの割合は、アノード基板16における窪み部32の割合に一致しない可能性がある。しかし、本明細書では、これらの割合は、焼成の前後を通じて互いに等しいものとみなす。
If the shrinkage during firing is strictly considered, the ratio of the
打抜きグリーンシート161を使用せずに積層体162を形成する方法も採用できる。例えば、複数の平板グリーンシート160を積層することによって平板積層体を形成する。次に、窪み部32となるべき部分が形成されるように、平板積層体の一方の面において、平板積層体の一部を除去する。この除去工程は、レーザー加工又は鋭利な刃で平板積層体の一部を削り取る掘削加工によって実施されうる。場合によっては、積層体170の焼成後において、窪み部32をレーザー加工又は掘削加工によって形成してもよい。
A method of forming the laminate 162 without using the punched
次に、図5のSTEP4に示すように、積層体162の上(詳細には、平板グリーンシート160の上)に未焼成アノード活性層180及び未焼成固体電解質層120をこの順番で形成する。これにより、積層体170が得られる。具体的には、スクリーン印刷などの薄膜形成方法によって、積層体162の上にアノード活性層用スラリー及び固体電解質層用スラリーをこの順番で印刷する。必要に応じて、積層体170を乾燥させ、積層体170のプレス加工を行う。その後、積層体170を焼成する。焼成条件は特に限定されず、使用材料に応じて調節される。例えば、焼成温度が1100〜1500℃であり、焼成時間が1〜10時間である。
Next, as shown in STEP 4 of FIG. 5, the unfired anode
アノード活性層用スラリーとしては、アノード基板用スラリーの組成と概ね同じ組成のものを使用できる。アノード活性層用スラリーの粘度をスクリーン印刷に適した粘度に調節するために、アノード活性層用スラリーの組成は、アノード基板用スラリーの組成と異なっていてもよい。例えば、バインダーの種類、バインダーの量、可塑剤の種類、可塑剤の量、導電成分として用いられる粉末の粒径、及び骨格成分として用いられる粉末の粒径などがアノード活性層用スラリーとアノード基板用スラリーとの間で相違しうる。 As the anode active layer slurry, one having substantially the same composition as that of the anode substrate slurry can be used. In order to adjust the viscosity of the anode active layer slurry to a viscosity suitable for screen printing, the composition of the anode active layer slurry may be different from the composition of the anode substrate slurry. For example, the anode active layer slurry and the anode substrate include the type of binder, the amount of binder, the type of plasticizer, the amount of plasticizer, the particle size of powder used as a conductive component, and the particle size of powder used as a skeletal component. It can be different from the slurry for use.
固体電解質層用スラリーとしては、セラミック材料及び溶媒を含むものを使用できる。固体電解質層12を形成するためのセラミック材料としては、固体酸化物形燃料電池の電解質層の材料として公知のものを使用できる。例えば、酸化イットリウム、酸化セリウム、酸化スカンジウム、酸化イッテルビウムなどの酸化物で安定化されたジルコニア;イットリア、サマリア、ガドリニアなどがドープされたセリア;ランタンガレート;ランタンガレートのランタン又はガリウムの一部が他の元素(ストロンチウム、カルシウム、バリウム、マグネシウム、アルミニウム、インジウム、コバルト、鉄、ニッケル、銅など)で置換されたランタンガレート型ペロブスカイト構造酸化物を使用することができる。これらは、単独又は2種以上を組み合わせて使用されうる。これらの中でも、酸化イットリウム、酸化スカンジウム又は酸化イッテルビウムで安定化されたジルコニアが好適である。
As the slurry for the solid electrolyte layer, a slurry containing a ceramic material and a solvent can be used. As the ceramic material for forming the
特に、3〜10モル%の酸化イットリウムで安定化されたジルコニア、4〜12モル%の酸化スカンジウムで安定化されたジルコニア、8〜12モル%の酸化スカンジウムで安定化されたジルコニア、4〜15モル%の酸化イッテルビウムとで安定化されたジルコニア、8〜12モル%の酸化スカンジウムと0.5〜5モル%の酸化セリウムとで安定化されたジルコニアを好適に使用できる。アルミナ、シリカ、チタニアなどの酸化物を焼結助剤又は分散強化剤として安定化ジルコニアに添加した材料も好適に使用できる。 In particular, zirconia stabilized with 3-10 mol% yttrium oxide, 4-12 mol% zirconia stabilized with scandium oxide, zirconia stabilized with 8-12 mol% scandium oxide, 4-15 Zirconia stabilized with mol% ytterbium oxide, zirconia stabilized with 8-12 mol% scandium oxide and 0.5-5 mol% cerium oxide can be preferably used. A material in which an oxide such as alumina, silica, titania or the like is added to stabilized zirconia as a sintering aid or dispersion strengthener can also be suitably used.
最後に、アノード基板16、アノード活性層18及び固体電解質層12で構成されたハーフセルの固体電解質層12の上にカソード用スラリーをスクリーン印刷などの薄膜形成方法で塗布し、ハーフセルの上に未焼成カソード層を形成する。そして、ハーフセル及び未焼成カソード層で構成された積層体を焼成する。これにより、発電要素24が得られる(STEP5)。
Finally, a slurry for cathode is applied onto the half-cell
カソード用スラリーとしては、セラミック材料及び溶媒を含むものを使用できる。カソード14を形成するためのセラミック材料としては、固体酸化物形燃料電池のカソードの材料として公知のものを使用できる。カソード14を形成するためのセラミック材料としては、電子導電性に優れ、酸化雰囲気下でも安定なペロブスカイト形酸化物が代表的である。具体的には、ランタンマンガナイト、ランタンフェライト及びランタンコバルタイトがカソード材料としてよく知られている。そのようなカソード材料として、La0.8Sr0.2MnO3、La0.6Sr0.4CoO3、La0.6Sr0.4FeO3、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3が挙げられる。また、カソード14に酸素イオン導電性を付与するために、カソード用スラリーを調製するためのセラミック材料には、希土類元素をドープしたセリア又は安定化ジルコニアなどが含まれていてもよい。
As the cathode slurry, a slurry containing a ceramic material and a solvent can be used. As the ceramic material for forming the
なお、発電要素24の製造において、焼成工程を実施するタイミング及び焼成工程の実施回数は限定されない。例えば、焼成されたアノード基板16の上にアノード活性層用スラリー及び固体電解質層用スラリーを塗布してもよい。ただし、本実施形態の方法によれば、焼成回数は合計で2回である。1回目の焼成工程において、積層体160(打抜きグリーンシート161及び平板グリーンシート160)、未焼成アノード活性層180及び未焼成固体電解質層120を含む積層体170を焼成する。2回目の焼成工程において、ハーフセル及び未焼成カソード層で構成された積層体を焼成する。このような方法によれば、焼成回数を極力少なくすることによる生産性の向上及び生産費の節約を期待できる。また、カソード14を形成するのに適した温度で2回目の焼成工程を実施できる。複数回の焼成工程を実施するので、各スラリーを塗布する工程で、未焼成アノード層の厚さ、未焼成固体電解質層の厚さ及び未焼成カソード層の厚さを正確に調節できる。
In addition, in manufacture of the electric
上記した方法によれば、2枚のグリーンシート160及び161で構成された積層体162を焼成することによってアノード基板16が製造される。ただし、アノード基板16を形成するために使用されるグリーンシートの数は2枚に限定されない。すなわち、積層体162は、3枚以上の複数のグリーンシートを互いに貼り合わせることによって形成されていてもよい。この場合、少なくとも1つのグリーンシートが平板グリーンシート160で構成されうる。例えば、3枚の平板グリーンシート160を作製し、そのうちの1枚又は2枚を用いて打抜きグリーンシート161を作製する。1枚の打抜きグリーンシート161と2枚の平板グリーンシート160とを貼り合わせて積層体162を形成する場合、窪み部32の厚さは、堤部30の厚さの1/3となる。2枚の打抜きグリーンシート161と1枚の平板グリーンシート160とを貼り合わせて積層体162を形成する場合、窪み部32の厚さは、堤部30の厚さの2/3となる。
According to the method described above, the
また、未焼成アノード活性層180及び未焼成固体電解質層120の形成方法はスクリーン印刷に限定されない。例えば、アノード活性層用スラリー及び固体電解質層用スラリーを用い、平板グリーンシート160と同じ方法で、アノードグリーンシート及び固体電解質グリーンシートを作製する。アノードグリーンシート及び固体電解質グリーンシートをこの順番で積層体162の上に積層することによって、積層体170を形成することができる。
Further, the method for forming the unfired anode
(変形例)
図2に示すアノード基板16において、窪み部32は、平面視で正方形の形状を有する。しかし、窪み部32の形状は特に限定されない。以下、いくつかの変形例を説明する。
(Modification)
In the
図5(a)に示すアノード基板50は、特定の方向に向かって延びる溝状の窪み部42を有している。その他の点は、図2に示すアノード基板16の説明を援用できる。図5(b)に示すアノード基板60は、半球状の空間部分を形成している複数の窪み部44を有する。すなわち、窪み部によって形成される空間部分の形状は特に限定されない。図5(c)に示すアノード基板70は、複数の突起状の堤部40と、窪み部46としての平板部分とによって構成されている。複数の堤部40は、それぞれ、平板部分から突出する形で形成されている。複数の堤部40は、平板部分の上に規則的に配置されている。各堤部40の高さが揃っているので、第一セパレータ20とアノード基板70との接触に支障をきたすおそれもない。堤部40の形状は特に限定されない。円柱状、角柱状、錘状などの各種の凸形状を堤部40に採用できる。このような構造を有するアノード基板70が燃料電池100に使用されていると、第一セパレータ20(図1及び図3参照)の燃料ガス供給溝20aを省略できる可能性がある。すなわち、アノード基板70の側面に窪み部46に由来する空間部分が開口しているので、その空間部分を通じてアノードに燃料ガスを供給することができる。
The anode substrate 50 shown in FIG. 5A has a groove-
(実施例1)
導電成分としての酸化ニッケル粉末(正同化学社製、平均粒子径0.7μm、90体積%径1.2μm)60質量部、骨格成分としての3モル%イットリア安定化ジルコニア粉末(第一希元素社製、商品名「HSY−3.0」、平均粒子径0.7μm、90体積%径1.9μm)40質量部、空孔形成剤としてのカーボンブラック(SECカーボン社製、SGP−3、平均粒子径3.3μm、10体積%径1.5μm)10質量部、溶媒としてのトルエン60質量部とエタノール40質量部との混合溶剤、バインダーとしてのブチラール樹脂(積水化学社製、商品名「BM−S」)10質量部、可塑剤としてのジブチルフタレート(和光純薬工業社製)3質量部、及び、分散剤としてのソルビタン脂肪酸エステル系界面活性剤2質量部をボールミルにより混合し、スラリーを調製した。スラリーをドクターブレード法でシート状に成形し、得られた成形体を70℃で5時間乾燥させ、厚さ150μm、一辺の長さが65mmの正方形の形状の平板グリーンシートを作製した。
Example 1
60 parts by mass of nickel oxide powder (manufactured by Shodo Chemical Co., Ltd., average particle diameter 0.7 μm, 90 vol% diameter 1.2 μm) as a conductive component, 3 mol% yttria-stabilized zirconia powder (first rare element company) as a skeletal component Manufactured, trade name “HSY-3.0”, average particle diameter 0.7 μm, 90 volume% diameter 1.9 μm) 40 parts by mass, carbon black as pore forming agent (manufactured by SEC Carbon, SGP-3, average 10 parts by mass of a particle diameter of 3.3 μm, 10% by volume of 1.5 μm), a mixed solvent of 60 parts by mass of toluene and 40 parts by mass of ethanol as a solvent, butyral resin as a binder (manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd., trade name “BM” -S ") 10 parts by weight, 3 parts by weight of dibutyl phthalate (made by Wako Pure Chemical Industries) as a plasticizer, and 2 parts by weight of a sorbitan fatty acid ester surfactant as a dispersant Mixed by, to prepare a slurry. The slurry was formed into a sheet shape by the doctor blade method, and the obtained formed body was dried at 70 ° C. for 5 hours to produce a flat green sheet having a square shape with a thickness of 150 μm and a side length of 65 mm.
次に、打ち抜き機を使用し、平板グリーンシートを図6(a)に示す形状に打ち抜いた。打ち抜いた部分の割合(面積比率)は、21.3%であった。次に、打抜きグリーンシートと平板グリーンシートとを熱プレスで貼り合せた。得られた積層体を1300℃で2時間焼成し、実施例1のアノード基板を得た。実施例1のアノード基板において、堤部の厚さは250μm、窪み部の厚さは125μmであった。 Next, a flat plate green sheet was punched into a shape shown in FIG. The ratio (area ratio) of the punched portion was 21.3%. Next, the punched green sheet and the flat green sheet were bonded together by a hot press. The obtained laminate was fired at 1300 ° C. for 2 hours to obtain an anode substrate of Example 1. In the anode substrate of Example 1, the thickness of the bank portion was 250 μm, and the thickness of the hollow portion was 125 μm.
(実施例2〜6)
実施例1で作製した平板グリーンシートを図6(b)〜(f)に示す形状に打ち抜いた点を除き、実施例1と同じ方法で実施例2〜6のアノード基板を作製した。実施例2〜6のアノード基板においても、堤部の厚さは250μm、窪み部の厚さは125μmであった。
(Examples 2 to 6)
Except for the point that the flat green sheet produced in Example 1 was punched into the shapes shown in FIGS. 6B to 6F, anode substrates of Examples 2 to 6 were produced in the same manner as in Example 1. Also in the anode substrates of Examples 2 to 6, the thickness of the bank portion was 250 μm, and the thickness of the recess portion was 125 μm.
(参照例)
実施例1と同じ方法で作製した2枚の平板グリーンシートを熱プレスで貼り合わせた。得られた積層体を実施例1と同じ条件で焼成し、参照例のアノード基板を得た。
(Reference example)
Two flat green sheets produced by the same method as in Example 1 were bonded together by hot pressing. The obtained laminate was fired under the same conditions as in Example 1 to obtain an anode substrate of a reference example.
[圧縮強度試験]
平滑な表面を有し、互いに平行に保持された2枚のアルミナ板(ニッカトー社製、SSA−S)の間にアノード基板を配置した。材料試験機(インストロン社製、4301型)を使用し、上部アルミナ板に荷重を加え、荷重を徐々に増やし、アノード基板が割れたときの荷重(破壊荷重)をアノード基板の機械強度の目安として記録した。結果を表1に示す。
[Compressive strength test]
The anode substrate was disposed between two alumina plates (Nikkato Corp., SSA-S) having a smooth surface and held parallel to each other. Using a material testing machine (Instron model 4301), apply a load to the upper alumina plate, gradually increase the load, and use the load when the anode substrate cracks (destructive load) as a measure of the mechanical strength of the anode substrate. Recorded as. The results are shown in Table 1.
表1に示すように、窪み部の割合が14.8%〜32.8%の実施例1〜4の破壊荷重は3.0kN〜3.2kNであり、参照例の破壊荷重(3.3kN)に概ね等しかった。すなわち、従来と同等の強度を有するアノード基板(単位重量あたりの強度が高い基板)を少ない材料で製造できた。 As shown in Table 1, the breaking load of Examples 1 to 4 with the ratio of the depressions of 14.8% to 32.8% is 3.0 kN to 3.2 kN, and the breaking load of the reference example (3.3 kN) ). That is, an anode substrate having a strength equivalent to that of a conventional substrate (a substrate having a high strength per unit weight) can be manufactured with a small amount of material.
10 アノード
12 固体電解質層
14 カソード
16,50,60,70 アノード基板
16p 第一主面
16q 第二主面
18 アノード活性層
20 第一セパレータ
20a 燃料ガス供給溝
22 第二セパレータ
22a 酸化剤ガス供給溝
24 発電要素
30,40 堤部
32,42,44,46 窪み部
100 固体酸化物形燃料電池
160 平板グリーンシート(第一セラミックグリーンシート)
161 打抜きグリーンシート(第二セラミックグリーンシート)
162 積層体
DESCRIPTION OF
161 Punched green sheet (second ceramic green sheet)
162 Laminate
Claims (9)
第一主面と、
起伏のある第二主面と、
前記燃料電池のセパレータに接するべき堤部と、
前記堤部よりも薄肉に形成された窪み部と、を備え、
当該アノード基板は全体として平板の形状を有し、
前記堤部の表面と前記窪み部の表面とが同一平面上に存在することによって前記第一主面が形成されており、
前記第二主面の起伏が、前記堤部と前記窪み部との間の厚さの相違に起因して形成されている、アノード基板。 An anode substrate for supporting a solid electrolyte layer of a solid oxide fuel cell,
The first main surface,
A undulating second main surface,
A bank portion to be in contact with a separator of the fuel cell;
And a hollow portion formed thinner than the bank portion,
The anode substrate has a flat plate shape as a whole,
The first main surface is formed by the surface of the bank portion and the surface of the recess portion being on the same plane,
The anode substrate, wherein the undulations of the second main surface are formed due to a difference in thickness between the bank portion and the recess portion.
カソードと、
前記アノード基板と前記カソードの間に配置された固体電解質層と、
を備えた、固体酸化物形燃料電池。 The anode substrate according to any one of claims 1 to 6,
A cathode,
A solid electrolyte layer disposed between the anode substrate and the cathode;
A solid oxide fuel cell comprising:
前記カソードに酸化剤ガスを供給するように構成された第二セパレータと、
をさらに備え、
前記第一セパレータには、前記アノード基板に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給溝が形成されており、
前記第一セパレータが前記アノード基板の前記堤部に面接触しており、
前記燃料ガス供給溝から前記アノード基板の前記窪み部に前記燃料ガスが導かれるように、前記燃料ガス供給溝と前記窪み部とが連通している、請求項7に記載の固体酸化物形燃料電池。 A first separator configured to supply fuel gas to the anode substrate;
A second separator configured to supply an oxidant gas to the cathode;
Further comprising
The first separator is formed with a fuel gas supply groove for supplying the fuel gas to the anode substrate,
The first separator is in surface contact with the bank portion of the anode substrate;
8. The solid oxide fuel according to claim 7, wherein the fuel gas supply groove communicates with the depression so that the fuel gas is guided from the fuel gas supply groove to the depression of the anode substrate. battery.
平板状の第一セラミックグリーンシートを準備する工程と、
開口部を有する第二セラミックグリーンシートを準備する工程と、
前記第一セラミックグリーンと前記第二セラミックグリーンシートとの積層体が形成されるように、前記第一セラミックグリーンシートと前記第二セラミックグリーンシートとを互いに貼りあわせる工程と、
前記積層体を焼成する工程と、
を含む、アノード基板の製造方法。
A method for manufacturing an anode substrate for supporting a solid electrolyte layer of a solid oxide fuel cell, comprising:
Preparing a flat first ceramic green sheet;
Preparing a second ceramic green sheet having an opening;
Bonding the first ceramic green sheet and the second ceramic green sheet to each other so that a laminate of the first ceramic green and the second ceramic green sheet is formed;
Firing the laminate;
A method for manufacturing an anode substrate, comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2011215395A JP2013077395A (en) | 2011-09-29 | 2011-09-29 | Anode substrate, solid oxide fuel cell and manufacturing method of anode substrate |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2011215395A JP2013077395A (en) | 2011-09-29 | 2011-09-29 | Anode substrate, solid oxide fuel cell and manufacturing method of anode substrate |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2013077395A true JP2013077395A (en) | 2013-04-25 |
Family
ID=48480729
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2011215395A Withdrawn JP2013077395A (en) | 2011-09-29 | 2011-09-29 | Anode substrate, solid oxide fuel cell and manufacturing method of anode substrate |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2013077395A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019203465A1 (en) * | 2018-04-18 | 2019-10-24 | 주식회사 엘지화학 | Fuel battery cell and manufacturing method therefor |
-
2011
- 2011-09-29 JP JP2011215395A patent/JP2013077395A/en not_active Withdrawn
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019203465A1 (en) * | 2018-04-18 | 2019-10-24 | 주식회사 엘지화학 | Fuel battery cell and manufacturing method therefor |
| KR20190121513A (en) * | 2018-04-18 | 2019-10-28 | 주식회사 엘지화학 | Fuel-cell and manufacturing method therefor |
| KR102243730B1 (en) * | 2018-04-18 | 2021-04-22 | 주식회사 엘지화학 | Fuel-cell and manufacturing method therefor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6018639B2 (en) | Solid oxide fuel cell half-cell and solid oxide fuel cell | |
| JPWO2013012009A1 (en) | Electrical connection material for solid oxide fuel cell, solid oxide fuel cell, solid oxide fuel cell module, and method for producing solid oxide fuel cell | |
| JP6338342B2 (en) | Solid oxide fuel cell half-cell and solid oxide fuel cell | |
| JP5242840B1 (en) | Fuel cell | |
| JP5686190B2 (en) | Joining material for solid oxide fuel cell, method for producing solid oxide fuel cell, method for producing solid oxide fuel cell module, solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell module | |
| KR101154506B1 (en) | Unit cell for solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof | |
| JP5517297B2 (en) | Single cell for solid oxide fuel cell | |
| JP5888420B2 (en) | Fuel cell | |
| JP2015191810A (en) | Anode support substrate for solid oxide fuel batteries and solid oxide fuel battery cell | |
| JP2011142042A (en) | Power generation cell for solid oxide fuel battery and its manufacturing method | |
| JP6044717B2 (en) | CERAMIC SUBSTRATE FOR ELECTROCHEMICAL DEVICE, PROCESS FOR PRODUCING THE SAME, FUEL CELL AND FUEL CELL STACK | |
| JP4377856B2 (en) | Method for manufacturing flat fuel cell | |
| JP4864171B1 (en) | Solid oxide fuel cell | |
| JP2013229311A (en) | Solid oxide fuel cell | |
| KR102111859B1 (en) | Solid oxide fuel cell and a battery module comprising the same | |
| JP2013077395A (en) | Anode substrate, solid oxide fuel cell and manufacturing method of anode substrate | |
| WO2015046331A1 (en) | Anode for fuel cells and single cell of fuel cell | |
| JP2013077397A (en) | Solid oxide fuel cell | |
| KR101346205B1 (en) | Forming method of air electrodes for solid oxide fuel cells | |
| JP2010129267A (en) | Solid oxide fuel battery cell, fuel battery cell stack device, fuel battery module, and fuel battery device | |
| JP6254200B2 (en) | Method for producing solid oxide fuel cell | |
| JP6257821B2 (en) | Electrochemical cell | |
| JP6075924B2 (en) | Fuel cell single cell and manufacturing method thereof | |
| JP2014007127A (en) | Method for manufacturing single cell for solid oxide fuel cell, single cell for solid oxide fuel cell, and solid oxide fuel cell | |
| JP5412534B2 (en) | Method for producing composite substrate and method for producing solid oxide fuel cell |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20141202 |