固体酸化物形燃料電池
【課題】燃料極層と固体電解質層との密着性を高くし、これにより電池運転時に燃料極層と固体電解質層とが剥離するのを防止する。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池は、正極となる空気極層１２と、負極となる燃料極層１３と、空気極層１２と燃料極層１３との間に介装された固体電解質層１４とを備える。燃料極層１３はセリア系酸化物を含み、固体電解質層１４はランタンガレート系酸化物を主成分とする。また固体電解質層１４のランタンガレート系酸化物の結晶粒界にセリア系酸化物が析出するように構成される。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池は、正極となる空気極層１２と、負極となる燃料極層１３と、空気極層１２と燃料極層１３との間に介装された固体電解質層１４とを備える。燃料極層１３はセリア系酸化物を含み、固体電解質層１４はランタンガレート系酸化物を主成分とする。また固体電解質層１４のランタンガレート系酸化物の結晶粒界にセリア系酸化物が析出するように構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気極層と燃料極層との間に固体電解質層が介装された固体酸化物形燃料電池の発電セルと、この発電セルを製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体酸化物形燃料電池用電解質シートが陥没を有し、この固体酸化物形燃料電池用電解質シート上に直接燃料極又は空気極が形成されており、燃料極又は空気極を構成する電極粒子のうち少なくとも１種の平均粒子径が、上記陥没の平均円相当径の１０分の１以下である固体酸化物形燃料電池用セルが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。このように構成された固体酸化物形燃料電池用セルでは、電解質シートに形成された陥没内に複数の電極粒子が入り込むことができ、電解質シートと電極粒子との接点をより増加させることができる。そして、電極材料との接点を増加させることにより、燃料電池の電力密度を向上させることができる。
【０００３】
また、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層が配置された発電セルを備えた固体酸化物形燃料電池において、燃料極層が固体電解質層との界面に金属粒子とセラミック粒子の混合体による第１燃料極層を有し、この第１燃料極層に混合体の平均粒径より径の大きい粗大セラミック粒子が含有された固体酸化物形燃料電池が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。この固体酸化物形燃料電池では、第１燃料極層のセラミック粒子がＮｉとサマリウム添加セリア（ＳＤＣ）の混合体からなる。このように構成された固体酸化物形燃料電池では、燃料極層と固体電解質層との界面に粗大セラミックを含むＮｉ等の金属粒子とセラミック粒子の混合体による薄い第１燃料極層を形成したので、粗大セラミックによるアンカー効果で燃料極層の耐剥離性が向上し、発電セルは長時間運転においても優れた耐久性を有し、安定した発電性能が得られるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２５１３１２号公報（請求項１３、段落［００１９］）
【特許文献２】特開２００５−２３５５４８号公報（請求項１及び７、段落［００２２］）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記従来の特許文献１に示された固体酸化物形燃料電池用セルでは、電解質表面に陥没を設け、電解質の陥没に電極粒子が入り込むことにより、電解質と電極の物理的な結合を強化しているため、電解質と電極とが化学的に結合しておらず、電解質と電極との密着性が未だ低い不具合があった。また、上記従来の特許文献２に示された固体酸化物形燃料電池では、燃料極層に粗大粒子を混合することで、燃料極層内部にアンカー効果が得られるけれども、このアンカー効果は固体電解質層内部へのアンカー効果にはなっておらず、燃料極層と固体電解質層との密着性が未だ低い問題点があった。
【０００６】
本発明の目的は、燃料極層と固体電解質層との密着性を高くすることができ、これにより電池運転時に燃料極層と固体電解質層とが剥離するのを防止できる、固体酸化物形燃料電池及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の観点は、正極となる空気極層と、負極となる燃料極層と、空気極層と燃料極層との間に介装された固体電解質層とを備え、燃料極層がセリア系酸化物を含み、固体電解質層がランタンガレート系酸化物を主成分とする固体酸化物形燃料電池において、固体電解質層のランタンガレート系酸化物の結晶粒界にセリア系酸化物が析出したことを特徴とする。
【０００８】
本発明の第２の観点は、第１の観点に基づく発明であって、更に固体電解質層が、ランタンガレート系酸化物１００質量％に対しセリア系酸化物を０．０５〜０．８質量％含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明の第３の観点は、第１又は第２の観点に基づく発明であって、更に固体電解質層のランタンガレート系酸化物がコバルトを添加したコバルト添加ランタンガレート系酸化物であることを特徴とする。
【００１０】
本発明の第４の観点は、第１ないし第３の観点に基づく発明であって、更に固体電解質層のランタンガレート系酸化物の結晶粒界に析出するセリア系酸化物がＳｍ，Ｇｄ，Ｙ及びＬａからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素を含むことを特徴とする。
【００１１】
本発明の第５の観点は、ランタンガレート系酸化物粉末１００質量％に前記セリア系酸化物粉末を０．０５〜０．８質量％混合する工程と、この混合物に溶剤、バインダ及び可塑剤を添加して電解質用スラリーを調製する工程と、この電解質用スラリーをフィルム上に均一の厚さになるように塗布してグリーンシートを作製する工程と、このグリーンシートを乾燥し焼成して固体電解質層を作製する工程と、セリアを含む燃料極用スラリーを上記固体電解質層の一方の面に均一の厚さになるように塗布する工程と、この固体電解質層の一方の面に塗布された燃料極用スラリーを乾燥し焼成して固体電解質層の一方の面に燃料極層を形成する工程とを含む固体酸化物形燃料電池の製造方法である。
【００１２】
本発明の第６の観点は、第５の観点に基づく発明であって、更にランタンガレート系酸化物粉末がコバルトを添加したコバルト添加ランタンガレート系酸化物粉末であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の第１の観点の燃料電池では、固体電解質層のランタンガレート系酸化物の結晶粒界にセリア系酸化物が析出するので、固体電解質層に埋め込まれているセリア系酸化物と燃料極層に含まれるセリア系酸化物が強固に結合する。この結果、燃料極層と固体電解質層との密着性を高くすることができるので、電池運転時において燃料極層と固体電解質層とが剥離するのを防止できる。
【００１４】
本発明の第５の観点の燃料電池の製造方法では、ランタンガレート系酸化物粉末にセリア系酸化物粉末を混合し、この混合物に溶剤等を添加して電解質用スラリーを調製し、この電解質用スラリーから作製したグリーンシートを乾燥し焼成して固体電解質層を作製し、更にセリアを含む燃料極用スラリーを上記固体電解質層の一方の面に塗布し乾燥し焼成して固体電解質層の一方の面に燃料極層を形成したので、固体電解質層のランタンガレート系酸化物の結晶粒界にセリア系酸化物が析出する。この結果、固体電解質層に埋め込まれているセリア系酸化物と燃料極層に含まれるセリア系酸化物が強固に結合するので、燃料極層と固体電解質層との密着性を高くすることができる。従って、電池運転時において燃料極層と固体電解質層とが剥離するのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明実施形態の固体酸化物形燃料電池の発電セルの断面構成図である。
【図２】本発明の固体電解質層のランタンガレートの結晶粒界にセリアが析出した状態を示すマイクロスコープ写真図である。
【図３】実施例１〜４及び比較例１の固体電解質層の強度を３点曲げ強度測定機により測定している状態を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。固体酸化物形燃料電池は、一般に、発電セルと、この発電セルの空気極層の外側に積層させた空気極集電体と、発電セルの燃料極の外側に積層させた燃料極集電体と、空気極集電体の外側に積層された空気極集電体側セパレータと、燃料極集電体の外側に積層された燃料極側セパレータとを備える。図１に示すように、発電セルは、固体酸化物形燃料電池の発電セルは、正極となる空気極層と、負極となる燃料極層と、空気極層と燃料極層との間に介装された固体電解質層とを備える。
【００１７】
空気極は、（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ3や、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ3などのセラミックスで構成される。この空気極層は（Ｓｍ0.5Ｓｒ0.5）ＣｏＯ3のセラミックスにより構成されることが好ましい。また燃料極層はセリア系酸化物を含む。燃料極層は、例えば、一般式：Ｃｅ1-mＢmＯ2（式中、ＢはＳｍ，Ｌａ，Ｇｄ，Ｙ及びＣａからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素、ｍは０＜ｍ≦０．４）で表されるＢ（但し、ＢはＳｍ，Ｌａ，Ｇｄ，Ｙ及びＣａからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素を示す。）がドープされたセリア粒とニッケル粒とで構成された多孔質焼結体からなる。上記燃料極層は（Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2Ｏ2）粒とニッケル粒とで構成された多孔質焼結体により構成されることが好ましい。
【００１８】
固体電解質層はランタンガレート系酸化物を主成分とする。このランタンガレート系酸化物としては、例えば、一般式：Ｌａ1-XＳｒXＧａ1-Y-ZＭｇYＡZＯ3（式中、ＡはＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ及びＣｕからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素、Ｘ＝０．０５〜０．３、Ｙ＝０〜０．２９、Ｚ＝０．０１〜０．３、Ｙ＋Ｚ＝０．０２５〜０．３）で表されるものが挙げられる。特にＬａ0.8Ｓｒ0.2Ｇａ0.8Ｍｇ0.15Ｃｏ0.05Ｏ3で表されるコバルト添加ランタンガレートを用いることが好ましい。これは、複数の価数が可能であるコバルト（Ｃｏ）を添加することによって、酸素イオン空孔が移動し易くなるという理由に基づく。
【００１９】
また固体電解質層は、ランタンガレート系酸化物１００質量％に対しセリア系酸化物を０．０５〜０．８質量％、好ましくは０．１〜０．５質量％含む。ここで、ランタンガレート系酸化物１００質量％に対するセリア系酸化物の含有割合を０．０５〜０．８質量％の範囲内に限定したのは、０．０５質量％未満では固体電解質層の燃料極層との密着性が高くならず、０．８質量％を越えると固体電解質層の強度が低下してしまうからである。上記セリア系酸化物は、固体電解質層のランタンガレート系酸化物の結晶粒界に析出するように構成される（図２）。なお、セリア系酸化物としては、Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2Ｏ2、Ｃｅ0.9Ｇｄ0.1Ｏ2、Ｃｅ0.8Ｙ0.2Ｏ2などが挙げられる。特にＣｅ0.8Ｓｍ0.2Ｏ2を用いることが好ましい。また、上記セリア系酸化物はＳｍ，Ｇｄ，Ｙ及びＬａからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素を含んでもよい。これは、燃料極層に上記セリア系酸化物が使用されるけれども、セリア系酸化物のうち特にＳｍ，Ｇｄ，Ｙ，Ｌａなどを含むことによって電子伝導性が発現し、燃料極材料としての特性が向上するという理由に基づく。更に、上記図２の写真図は、１００質量％のランタンガレート粉末（Ｌａ0.8Ｓｒ0.2Ｇａ0.8Ｍｇ0.15Ｃｏ0.05Ｏ3）に０．８質量％のセリア粉末（Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2Ｏ2）を混合して作製された固体電解質層の表面を、キーエンス製のデジタルマイクロスコープＶＨＸ−９００で撮影したマイクロスコープ写真図である。
【００２０】
このように構成された固体酸化物形燃料電池の発電セルの製造方法を説明する。先ずランタンガレート系酸化物粉末１００質量％にセリア系酸化物粉末を０．０５〜０．８質量％、好ましくは０．１〜０．５質量％混合する。ここで、セリア系酸化物粉末のランタンガレート系酸化物粉末への混合割合を０．０５〜０．８質量％の範囲内に限定したのは、ランタンガレート系酸化物１００質量％に対するセリア系酸化物の含有割合を０．０５〜０．８質量％の範囲内に限定した理由と同一である。この混合物に溶剤、バインダ及び可塑剤を添加して電解質用スラリーを調製する。溶剤としては、トルエン，キシレン，アセトン等が挙げられ、バインダとしては、セルロースアセテート，ポリビニルアルコール，ポリビニルブチラール等が挙げられ、可塑剤としては、ジブチルフタレート，グリセリン，セルロースアセテートイソブチレート等が挙げられる。またランタンガレート系酸化物粉末を１００質量％とするとき、溶剤の添加量は２０〜５０質量％添加されることが好ましく、バインダの添加量は５〜１５質量％添加されることが好ましく、可塑剤の添加量は１〜５質量％添加されることが好ましい。なお、ランタンガレート系酸化物粉末は、コバルトを添加したコバルト添加ランタンガレート系酸化物粉末であることが好ましい。
【００２１】
次いで、上記電解質用スラリーをフィルム上に均一の厚さになるように塗布してグリーンシートを作製する。ここで、グリーンシートを作製する方法としては、フィルム上に載せたブレード付き容器にスラリーを流込んでフィルム又は容器をスライドさせることにより均一な厚さのスラリー膜を形成するテープキャスト法、所定の間隔を持つ金型を通して均一な厚さのスラリー膜を形成する押出し成形法、押出し成形などにより帯状に作成した半乾燥状態のスラリーをフィルムに挟んで圧延して均一な厚さのスラリー膜を形成するカレンダロール法などが用いられる。上記グリーンシートを乾燥した後に、大気雰囲気中で１３５０〜１５００℃、好ましくは１４００〜１４５０℃に、３〜１０時間、好ましくは５〜６時間保持して焼成することにより、固体電解質層を作製する。ここで、グリーンシートの焼成温度を１３５０〜１５００℃の範囲内に限定したのは、１３５０℃未満ではランタンガレートの緻密体が得られないため酸素イオン伝導性が低下するという不具合があり、１５００℃を越えるとランタンガレートの結晶粒が粗大化して強度が低下するという不具合があるからである。また、グリーンシートの焼成時間を３〜１０時間の範囲内に限定したのは、３時間未満ではランタンガレートの緻密体が得られないため酸素イオン伝導性が低下するという不具合があり、１０時間を越えるとランタンガレートの結晶粒が粗大化して強度が低下するという不具合があるからである。
【００２２】
次にセリアを含む燃料極用スラリーを上記固体電解質層の一方の面に均一の厚さになるように塗布する。ここで、固体電解質層の一方の面に燃料極用スラリーを塗布する方法としては、メッシュ及びマスクを有するスクリーンを固体電解質層の一方の面に重ねておき、上からスラリーを供給しながらスキージでスクリーンを押し当てることにより、マスクの開口部分であるメッシュの隙間からスラリーが固体電解質層の一方の面に塗布されるスクリーン印刷法、噴射機からスラリーを吹き付けることによりスラリーが固体電解質層の一方の面に塗布されるスプレーコート法、固体電解質層の塗布しない他方の面を保護膜で保護した状態でスラリーを満たした容器に固体電解質層を浸漬した後に引上げて乾燥し更に保護膜を除去することによりスラリーが固体電解質層の一方の面に塗布されるディップコート法などが用いられる。更に上記固体電解質層の一方の面に塗布された燃料極用スラリーを乾燥した後に、大気雰囲気中で１１５０〜１３００℃、好ましくは１２００〜１２５０℃に、２〜８時間、好ましくは３〜５時間保持して焼成することにより、固体電解質層の一方の面に燃料極層を形成する。ここで、固体電解質層の一方の面に塗布された燃料極用スラリーの焼成温度を１１５０〜１３００℃の範囲内に限定したのは、１１５０℃未満ではセリア系酸化物の結合が弱いために燃料電池の運転中に燃料極層が粉化するという不具合があり、１３００℃を越えると焼成時に燃料極層を構成する粒子が粗大化して燃料極層としての性能が低下するという不具合があるからである。また、固体電解質層の一方の面に塗布された燃料極用スラリーの焼成時間を２〜８時間の範囲内に限定したのは、２時間未満ではセリア系酸化物の結合が弱いために燃料電池の運転中に燃料極層が粉化するという不具合があり、８時間を越えると焼成時に燃料極層を構成する粒子が粗大化して燃料極層としての性能が低下するという不具合があるからである。
【００２３】
このように製造された固体酸化物形燃料電池の発電セルでは、固体電解質層のランタンガレート系酸化物の結晶粒界にセリア系酸化物が析出するので、固体電解質層に埋め込まれているセリア系酸化物と燃料極層に含まれるセリア系酸化物が強固に結合する。即ち、固体電解質層において、ランタンガレート系酸化物とセリア系酸化物は上記焼成温度（１３５０〜１５００℃）では相互に反応せずに、別々の結晶として存在するので、固体電解質層のうち燃料極層が積層される面に析出したセリア系酸化物と、燃料極層のうち固体電解質層が積層される面に析出したセリア系酸化物とが結合する。この結果、燃料極層と固体電解質層の密着性を高くすることができるので、電池運転時において燃料極層と固体電解質層とが剥離するのを防止できる。なお、燃料極層の主成分として取り込まれる材料を、固体電解質層を作製するためのランタンガレート系酸化物に添加した場合、例えば、固体電解質層を作製するためのランタンガレート系酸化物にニッケルを添加した場合、ランタンガレート系酸化物の結晶が変化し、電池性能が低下してしまうため、好ましくない。また、燃料極層にランタンガレート系酸化物を混合した場合、一般に燃料極層を多孔質に形成するために焼成温度を下げる必要があるけれども、ランタンガレート系酸化物はその下げた温度では強固な結合が作れず、好ましくない。
【実施例】
【００２４】
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
＜実施例１＞
先ずランタンガレート（Ｌａ0.85Ｓｒ0.2Ｇａ0.8Ｍｇ0.15Ｃｏ0.05Ｏ3）粉末１００質量％に、セリア（Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2Ｏ2）粉末を０．０５質量％で混合した。この混合物に溶剤、バインダー及び可塑剤を添加してスラリーを調製した。このスラリーをテープキャスト法によりグリーンシートを作製した。次にこのグリーンシートを乾燥した後に円形に切断した。更にこの乾燥したグリーンシートを大気雰囲気中で１４００℃に６時間保持して焼成し、直径５２ｍｍ及び厚さ０．２ｍｍの固体電解質層を得た。
【００２５】
＜実施例２＞
ランタンガレート粉末１００質量％にセリアを０．１質量％混合したこと以外は、実施例１と同様にして固体電解質層を得た。
【００２６】
＜実施例３＞
ランタンガレート粉末１００質量％にセリアを０．５質量％混合したこと以外は、実施例１と同様にして固体電解質層を得た。
【００２７】
＜実施例４＞
ランタンガレート粉末１００質量％にセリアを０．８質量％混合したこと以外は、実施例１と同様にして固体電解質層を得た。
【００２８】
＜比較例１＞
ランタンガレート粉末１００質量％にセリアを１．０質量％混合したこと以外は、実施例１と同様にして固体電解質層を得た。
【００２９】
＜比較試験１及び評価＞
実施例１〜４及び比較例１の固体電解質層の強度を３点曲げ強度測定機により測定した。図３に示すように、３点曲げ強度測定機２０は、２５ｍｍの間隔をあけて互いに平行に配設された長さ６０ｍｍの一対の三角柱状冶具２１，２２と、これらの治具２１，２２の中央に設置された単一の三角柱状圧子２３と、この圧子２３を押下げる力を徐々に増大させる加重手段（図示せず）とを備える。一対の冶具２１，２２の上に固体電解質層１４を置き、この固体電解質層１４の中央上部に圧子２３を圧接させた状態で、圧子２３の押下げ力を加重手段により徐々に増大させ、固体電解質層１４が破断したときの圧子２３に加わる荷重（Ｎ）をそれぞれ計測した。なお、上記強度試験は、実施例１〜４及び比較例１の各固体電解質層について８枚ずつ行い、それぞれ平均値を算出した。その結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
表１から明らかなように、セリア粉末を１．０質量％混合した比較例１の固体電解質層では、７．１Ｎと小さい荷重で破断したのに対し、セリア粉末を０．０５〜０．８質量％の範囲内で混合した実施例１〜４の固体電解質層では、８．０〜９．２Ｎと高い荷重で破断した。この結果、固体電解質層に要求される強度を確保するために、ランタンガレート粉末に対するセリア粉末の適切な混合割合が存在することが分かった。
【符号の説明】
【００３１】
１１ 発電セル
１２ 空気極層
１３ 燃料極層
１４ 固体電解質層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気極層と燃料極層との間に固体電解質層が介装された固体酸化物形燃料電池の発電セルと、この発電セルを製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体酸化物形燃料電池用電解質シートが陥没を有し、この固体酸化物形燃料電池用電解質シート上に直接燃料極又は空気極が形成されており、燃料極又は空気極を構成する電極粒子のうち少なくとも１種の平均粒子径が、上記陥没の平均円相当径の１０分の１以下である固体酸化物形燃料電池用セルが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。このように構成された固体酸化物形燃料電池用セルでは、電解質シートに形成された陥没内に複数の電極粒子が入り込むことができ、電解質シートと電極粒子との接点をより増加させることができる。そして、電極材料との接点を増加させることにより、燃料電池の電力密度を向上させることができる。
【０００３】
また、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層が配置された発電セルを備えた固体酸化物形燃料電池において、燃料極層が固体電解質層との界面に金属粒子とセラミック粒子の混合体による第１燃料極層を有し、この第１燃料極層に混合体の平均粒径より径の大きい粗大セラミック粒子が含有された固体酸化物形燃料電池が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。この固体酸化物形燃料電池では、第１燃料極層のセラミック粒子がＮｉとサマリウム添加セリア（ＳＤＣ）の混合体からなる。このように構成された固体酸化物形燃料電池では、燃料極層と固体電解質層との界面に粗大セラミックを含むＮｉ等の金属粒子とセラミック粒子の混合体による薄い第１燃料極層を形成したので、粗大セラミックによるアンカー効果で燃料極層の耐剥離性が向上し、発電セルは長時間運転においても優れた耐久性を有し、安定した発電性能が得られるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２５１３１２号公報（請求項１３、段落［００１９］）
【特許文献２】特開２００５−２３５５４８号公報（請求項１及び７、段落［００２２］）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記従来の特許文献１に示された固体酸化物形燃料電池用セルでは、電解質表面に陥没を設け、電解質の陥没に電極粒子が入り込むことにより、電解質と電極の物理的な結合を強化しているため、電解質と電極とが化学的に結合しておらず、電解質と電極との密着性が未だ低い不具合があった。また、上記従来の特許文献２に示された固体酸化物形燃料電池では、燃料極層に粗大粒子を混合することで、燃料極層内部にアンカー効果が得られるけれども、このアンカー効果は固体電解質層内部へのアンカー効果にはなっておらず、燃料極層と固体電解質層との密着性が未だ低い問題点があった。
【０００６】
本発明の目的は、燃料極層と固体電解質層との密着性を高くすることができ、これにより電池運転時に燃料極層と固体電解質層とが剥離するのを防止できる、固体酸化物形燃料電池及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の観点は、正極となる空気極層と、負極となる燃料極層と、空気極層と燃料極層との間に介装された固体電解質層とを備え、燃料極層がセリア系酸化物を含み、固体電解質層がランタンガレート系酸化物を主成分とする固体酸化物形燃料電池において、固体電解質層のランタンガレート系酸化物の結晶粒界にセリア系酸化物が析出したことを特徴とする。
【０００８】
本発明の第２の観点は、第１の観点に基づく発明であって、更に固体電解質層が、ランタンガレート系酸化物１００質量％に対しセリア系酸化物を０．０５〜０．８質量％含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明の第３の観点は、第１又は第２の観点に基づく発明であって、更に固体電解質層のランタンガレート系酸化物がコバルトを添加したコバルト添加ランタンガレート系酸化物であることを特徴とする。
【００１０】
本発明の第４の観点は、第１ないし第３の観点に基づく発明であって、更に固体電解質層のランタンガレート系酸化物の結晶粒界に析出するセリア系酸化物がＳｍ，Ｇｄ，Ｙ及びＬａからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素を含むことを特徴とする。
【００１１】
本発明の第５の観点は、ランタンガレート系酸化物粉末１００質量％に前記セリア系酸化物粉末を０．０５〜０．８質量％混合する工程と、この混合物に溶剤、バインダ及び可塑剤を添加して電解質用スラリーを調製する工程と、この電解質用スラリーをフィルム上に均一の厚さになるように塗布してグリーンシートを作製する工程と、このグリーンシートを乾燥し焼成して固体電解質層を作製する工程と、セリアを含む燃料極用スラリーを上記固体電解質層の一方の面に均一の厚さになるように塗布する工程と、この固体電解質層の一方の面に塗布された燃料極用スラリーを乾燥し焼成して固体電解質層の一方の面に燃料極層を形成する工程とを含む固体酸化物形燃料電池の製造方法である。
【００１２】
本発明の第６の観点は、第５の観点に基づく発明であって、更にランタンガレート系酸化物粉末がコバルトを添加したコバルト添加ランタンガレート系酸化物粉末であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の第１の観点の燃料電池では、固体電解質層のランタンガレート系酸化物の結晶粒界にセリア系酸化物が析出するので、固体電解質層に埋め込まれているセリア系酸化物と燃料極層に含まれるセリア系酸化物が強固に結合する。この結果、燃料極層と固体電解質層との密着性を高くすることができるので、電池運転時において燃料極層と固体電解質層とが剥離するのを防止できる。
【００１４】
本発明の第５の観点の燃料電池の製造方法では、ランタンガレート系酸化物粉末にセリア系酸化物粉末を混合し、この混合物に溶剤等を添加して電解質用スラリーを調製し、この電解質用スラリーから作製したグリーンシートを乾燥し焼成して固体電解質層を作製し、更にセリアを含む燃料極用スラリーを上記固体電解質層の一方の面に塗布し乾燥し焼成して固体電解質層の一方の面に燃料極層を形成したので、固体電解質層のランタンガレート系酸化物の結晶粒界にセリア系酸化物が析出する。この結果、固体電解質層に埋め込まれているセリア系酸化物と燃料極層に含まれるセリア系酸化物が強固に結合するので、燃料極層と固体電解質層との密着性を高くすることができる。従って、電池運転時において燃料極層と固体電解質層とが剥離するのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明実施形態の固体酸化物形燃料電池の発電セルの断面構成図である。
【図２】本発明の固体電解質層のランタンガレートの結晶粒界にセリアが析出した状態を示すマイクロスコープ写真図である。
【図３】実施例１〜４及び比較例１の固体電解質層の強度を３点曲げ強度測定機により測定している状態を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。固体酸化物形燃料電池は、一般に、発電セルと、この発電セルの空気極層の外側に積層させた空気極集電体と、発電セルの燃料極の外側に積層させた燃料極集電体と、空気極集電体の外側に積層された空気極集電体側セパレータと、燃料極集電体の外側に積層された燃料極側セパレータとを備える。図１に示すように、発電セルは、固体酸化物形燃料電池の発電セルは、正極となる空気極層と、負極となる燃料極層と、空気極層と燃料極層との間に介装された固体電解質層とを備える。
【００１７】
空気極は、（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ3や、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ3などのセラミックスで構成される。この空気極層は（Ｓｍ0.5Ｓｒ0.5）ＣｏＯ3のセラミックスにより構成されることが好ましい。また燃料極層はセリア系酸化物を含む。燃料極層は、例えば、一般式：Ｃｅ1-mＢmＯ2（式中、ＢはＳｍ，Ｌａ，Ｇｄ，Ｙ及びＣａからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素、ｍは０＜ｍ≦０．４）で表されるＢ（但し、ＢはＳｍ，Ｌａ，Ｇｄ，Ｙ及びＣａからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素を示す。）がドープされたセリア粒とニッケル粒とで構成された多孔質焼結体からなる。上記燃料極層は（Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2Ｏ2）粒とニッケル粒とで構成された多孔質焼結体により構成されることが好ましい。
【００１８】
固体電解質層はランタンガレート系酸化物を主成分とする。このランタンガレート系酸化物としては、例えば、一般式：Ｌａ1-XＳｒXＧａ1-Y-ZＭｇYＡZＯ3（式中、ＡはＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ及びＣｕからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素、Ｘ＝０．０５〜０．３、Ｙ＝０〜０．２９、Ｚ＝０．０１〜０．３、Ｙ＋Ｚ＝０．０２５〜０．３）で表されるものが挙げられる。特にＬａ0.8Ｓｒ0.2Ｇａ0.8Ｍｇ0.15Ｃｏ0.05Ｏ3で表されるコバルト添加ランタンガレートを用いることが好ましい。これは、複数の価数が可能であるコバルト（Ｃｏ）を添加することによって、酸素イオン空孔が移動し易くなるという理由に基づく。
【００１９】
また固体電解質層は、ランタンガレート系酸化物１００質量％に対しセリア系酸化物を０．０５〜０．８質量％、好ましくは０．１〜０．５質量％含む。ここで、ランタンガレート系酸化物１００質量％に対するセリア系酸化物の含有割合を０．０５〜０．８質量％の範囲内に限定したのは、０．０５質量％未満では固体電解質層の燃料極層との密着性が高くならず、０．８質量％を越えると固体電解質層の強度が低下してしまうからである。上記セリア系酸化物は、固体電解質層のランタンガレート系酸化物の結晶粒界に析出するように構成される（図２）。なお、セリア系酸化物としては、Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2Ｏ2、Ｃｅ0.9Ｇｄ0.1Ｏ2、Ｃｅ0.8Ｙ0.2Ｏ2などが挙げられる。特にＣｅ0.8Ｓｍ0.2Ｏ2を用いることが好ましい。また、上記セリア系酸化物はＳｍ，Ｇｄ，Ｙ及びＬａからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素を含んでもよい。これは、燃料極層に上記セリア系酸化物が使用されるけれども、セリア系酸化物のうち特にＳｍ，Ｇｄ，Ｙ，Ｌａなどを含むことによって電子伝導性が発現し、燃料極材料としての特性が向上するという理由に基づく。更に、上記図２の写真図は、１００質量％のランタンガレート粉末（Ｌａ0.8Ｓｒ0.2Ｇａ0.8Ｍｇ0.15Ｃｏ0.05Ｏ3）に０．８質量％のセリア粉末（Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2Ｏ2）を混合して作製された固体電解質層の表面を、キーエンス製のデジタルマイクロスコープＶＨＸ−９００で撮影したマイクロスコープ写真図である。
【００２０】
このように構成された固体酸化物形燃料電池の発電セルの製造方法を説明する。先ずランタンガレート系酸化物粉末１００質量％にセリア系酸化物粉末を０．０５〜０．８質量％、好ましくは０．１〜０．５質量％混合する。ここで、セリア系酸化物粉末のランタンガレート系酸化物粉末への混合割合を０．０５〜０．８質量％の範囲内に限定したのは、ランタンガレート系酸化物１００質量％に対するセリア系酸化物の含有割合を０．０５〜０．８質量％の範囲内に限定した理由と同一である。この混合物に溶剤、バインダ及び可塑剤を添加して電解質用スラリーを調製する。溶剤としては、トルエン，キシレン，アセトン等が挙げられ、バインダとしては、セルロースアセテート，ポリビニルアルコール，ポリビニルブチラール等が挙げられ、可塑剤としては、ジブチルフタレート，グリセリン，セルロースアセテートイソブチレート等が挙げられる。またランタンガレート系酸化物粉末を１００質量％とするとき、溶剤の添加量は２０〜５０質量％添加されることが好ましく、バインダの添加量は５〜１５質量％添加されることが好ましく、可塑剤の添加量は１〜５質量％添加されることが好ましい。なお、ランタンガレート系酸化物粉末は、コバルトを添加したコバルト添加ランタンガレート系酸化物粉末であることが好ましい。
【００２１】
次いで、上記電解質用スラリーをフィルム上に均一の厚さになるように塗布してグリーンシートを作製する。ここで、グリーンシートを作製する方法としては、フィルム上に載せたブレード付き容器にスラリーを流込んでフィルム又は容器をスライドさせることにより均一な厚さのスラリー膜を形成するテープキャスト法、所定の間隔を持つ金型を通して均一な厚さのスラリー膜を形成する押出し成形法、押出し成形などにより帯状に作成した半乾燥状態のスラリーをフィルムに挟んで圧延して均一な厚さのスラリー膜を形成するカレンダロール法などが用いられる。上記グリーンシートを乾燥した後に、大気雰囲気中で１３５０〜１５００℃、好ましくは１４００〜１４５０℃に、３〜１０時間、好ましくは５〜６時間保持して焼成することにより、固体電解質層を作製する。ここで、グリーンシートの焼成温度を１３５０〜１５００℃の範囲内に限定したのは、１３５０℃未満ではランタンガレートの緻密体が得られないため酸素イオン伝導性が低下するという不具合があり、１５００℃を越えるとランタンガレートの結晶粒が粗大化して強度が低下するという不具合があるからである。また、グリーンシートの焼成時間を３〜１０時間の範囲内に限定したのは、３時間未満ではランタンガレートの緻密体が得られないため酸素イオン伝導性が低下するという不具合があり、１０時間を越えるとランタンガレートの結晶粒が粗大化して強度が低下するという不具合があるからである。
【００２２】
次にセリアを含む燃料極用スラリーを上記固体電解質層の一方の面に均一の厚さになるように塗布する。ここで、固体電解質層の一方の面に燃料極用スラリーを塗布する方法としては、メッシュ及びマスクを有するスクリーンを固体電解質層の一方の面に重ねておき、上からスラリーを供給しながらスキージでスクリーンを押し当てることにより、マスクの開口部分であるメッシュの隙間からスラリーが固体電解質層の一方の面に塗布されるスクリーン印刷法、噴射機からスラリーを吹き付けることによりスラリーが固体電解質層の一方の面に塗布されるスプレーコート法、固体電解質層の塗布しない他方の面を保護膜で保護した状態でスラリーを満たした容器に固体電解質層を浸漬した後に引上げて乾燥し更に保護膜を除去することによりスラリーが固体電解質層の一方の面に塗布されるディップコート法などが用いられる。更に上記固体電解質層の一方の面に塗布された燃料極用スラリーを乾燥した後に、大気雰囲気中で１１５０〜１３００℃、好ましくは１２００〜１２５０℃に、２〜８時間、好ましくは３〜５時間保持して焼成することにより、固体電解質層の一方の面に燃料極層を形成する。ここで、固体電解質層の一方の面に塗布された燃料極用スラリーの焼成温度を１１５０〜１３００℃の範囲内に限定したのは、１１５０℃未満ではセリア系酸化物の結合が弱いために燃料電池の運転中に燃料極層が粉化するという不具合があり、１３００℃を越えると焼成時に燃料極層を構成する粒子が粗大化して燃料極層としての性能が低下するという不具合があるからである。また、固体電解質層の一方の面に塗布された燃料極用スラリーの焼成時間を２〜８時間の範囲内に限定したのは、２時間未満ではセリア系酸化物の結合が弱いために燃料電池の運転中に燃料極層が粉化するという不具合があり、８時間を越えると焼成時に燃料極層を構成する粒子が粗大化して燃料極層としての性能が低下するという不具合があるからである。
【００２３】
このように製造された固体酸化物形燃料電池の発電セルでは、固体電解質層のランタンガレート系酸化物の結晶粒界にセリア系酸化物が析出するので、固体電解質層に埋め込まれているセリア系酸化物と燃料極層に含まれるセリア系酸化物が強固に結合する。即ち、固体電解質層において、ランタンガレート系酸化物とセリア系酸化物は上記焼成温度（１３５０〜１５００℃）では相互に反応せずに、別々の結晶として存在するので、固体電解質層のうち燃料極層が積層される面に析出したセリア系酸化物と、燃料極層のうち固体電解質層が積層される面に析出したセリア系酸化物とが結合する。この結果、燃料極層と固体電解質層の密着性を高くすることができるので、電池運転時において燃料極層と固体電解質層とが剥離するのを防止できる。なお、燃料極層の主成分として取り込まれる材料を、固体電解質層を作製するためのランタンガレート系酸化物に添加した場合、例えば、固体電解質層を作製するためのランタンガレート系酸化物にニッケルを添加した場合、ランタンガレート系酸化物の結晶が変化し、電池性能が低下してしまうため、好ましくない。また、燃料極層にランタンガレート系酸化物を混合した場合、一般に燃料極層を多孔質に形成するために焼成温度を下げる必要があるけれども、ランタンガレート系酸化物はその下げた温度では強固な結合が作れず、好ましくない。
【実施例】
【００２４】
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
＜実施例１＞
先ずランタンガレート（Ｌａ0.85Ｓｒ0.2Ｇａ0.8Ｍｇ0.15Ｃｏ0.05Ｏ3）粉末１００質量％に、セリア（Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2Ｏ2）粉末を０．０５質量％で混合した。この混合物に溶剤、バインダー及び可塑剤を添加してスラリーを調製した。このスラリーをテープキャスト法によりグリーンシートを作製した。次にこのグリーンシートを乾燥した後に円形に切断した。更にこの乾燥したグリーンシートを大気雰囲気中で１４００℃に６時間保持して焼成し、直径５２ｍｍ及び厚さ０．２ｍｍの固体電解質層を得た。
【００２５】
＜実施例２＞
ランタンガレート粉末１００質量％にセリアを０．１質量％混合したこと以外は、実施例１と同様にして固体電解質層を得た。
【００２６】
＜実施例３＞
ランタンガレート粉末１００質量％にセリアを０．５質量％混合したこと以外は、実施例１と同様にして固体電解質層を得た。
【００２７】
＜実施例４＞
ランタンガレート粉末１００質量％にセリアを０．８質量％混合したこと以外は、実施例１と同様にして固体電解質層を得た。
【００２８】
＜比較例１＞
ランタンガレート粉末１００質量％にセリアを１．０質量％混合したこと以外は、実施例１と同様にして固体電解質層を得た。
【００２９】
＜比較試験１及び評価＞
実施例１〜４及び比較例１の固体電解質層の強度を３点曲げ強度測定機により測定した。図３に示すように、３点曲げ強度測定機２０は、２５ｍｍの間隔をあけて互いに平行に配設された長さ６０ｍｍの一対の三角柱状冶具２１，２２と、これらの治具２１，２２の中央に設置された単一の三角柱状圧子２３と、この圧子２３を押下げる力を徐々に増大させる加重手段（図示せず）とを備える。一対の冶具２１，２２の上に固体電解質層１４を置き、この固体電解質層１４の中央上部に圧子２３を圧接させた状態で、圧子２３の押下げ力を加重手段により徐々に増大させ、固体電解質層１４が破断したときの圧子２３に加わる荷重（Ｎ）をそれぞれ計測した。なお、上記強度試験は、実施例１〜４及び比較例１の各固体電解質層について８枚ずつ行い、それぞれ平均値を算出した。その結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
表１から明らかなように、セリア粉末を１．０質量％混合した比較例１の固体電解質層では、７．１Ｎと小さい荷重で破断したのに対し、セリア粉末を０．０５〜０．８質量％の範囲内で混合した実施例１〜４の固体電解質層では、８．０〜９．２Ｎと高い荷重で破断した。この結果、固体電解質層に要求される強度を確保するために、ランタンガレート粉末に対するセリア粉末の適切な混合割合が存在することが分かった。
【符号の説明】
【００３１】
１１ 発電セル
１２ 空気極層
１３ 燃料極層
１４ 固体電解質層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極となる空気極層と、負極となる燃料極層と、前記空気極層と前記燃料極層との間に介装された固体電解質層とを備え、前記燃料極層がセリア系酸化物を含み、前記固体電解質層がランタンガレート系酸化物を主成分とする固体酸化物形燃料電池において、
前記固体電解質層のランタンガレート系酸化物の結晶粒界にセリア系酸化物が析出したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記固体電解質層が、前記ランタンガレート系酸化物１００質量％に対し前記セリア系酸化物を０．０５〜０．８質量％含む請求項１記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記固体電解質層のランタンガレート系酸化物がコバルトを添加したコバルト添加ランタンガレート系酸化物である請求項１又は２記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記固体電解質層のランタンガレート系酸化物の結晶粒界に析出するセリア系酸化物がＳｍ，Ｇｄ，Ｙ及びＬａからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素を含む請求項１ないし３いずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
ランタンガレート系酸化物粉末１００質量％にセリア系酸化物粉末を０．０５〜０．８質量％混合する工程と、
前記混合物に溶剤、バインダ及び可塑剤を添加して電解質用スラリーを調製する工程と、
前記電解質用スラリーをフィルム上に均一の厚さになるように塗布してグリーンシートを作製する工程と、
前記グリーンシートを乾燥し焼成して固体電解質層を作製する工程と、
セリアを含む燃料極用スラリーを前記固体電解質層の一方の面に均一の厚さになるように塗布する工程と、
前記固体電解質層の一方の面に塗布された燃料極用スラリーを乾燥し焼成して前記固体電解質層の一方の面に燃料極層を形成する工程と
を含む固体酸化物形燃料電池の製造方法。
【請求項６】
前記ランタンガレート系酸化物粉末がコバルトを添加したコバルト添加ランタンガレート系酸化物粉末である請求項５記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。
【請求項１】
正極となる空気極層と、負極となる燃料極層と、前記空気極層と前記燃料極層との間に介装された固体電解質層とを備え、前記燃料極層がセリア系酸化物を含み、前記固体電解質層がランタンガレート系酸化物を主成分とする固体酸化物形燃料電池において、
前記固体電解質層のランタンガレート系酸化物の結晶粒界にセリア系酸化物が析出したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記固体電解質層が、前記ランタンガレート系酸化物１００質量％に対し前記セリア系酸化物を０．０５〜０．８質量％含む請求項１記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記固体電解質層のランタンガレート系酸化物がコバルトを添加したコバルト添加ランタンガレート系酸化物である請求項１又は２記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記固体電解質層のランタンガレート系酸化物の結晶粒界に析出するセリア系酸化物がＳｍ，Ｇｄ，Ｙ及びＬａからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素を含む請求項１ないし３いずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
ランタンガレート系酸化物粉末１００質量％にセリア系酸化物粉末を０．０５〜０．８質量％混合する工程と、
前記混合物に溶剤、バインダ及び可塑剤を添加して電解質用スラリーを調製する工程と、
前記電解質用スラリーをフィルム上に均一の厚さになるように塗布してグリーンシートを作製する工程と、
前記グリーンシートを乾燥し焼成して固体電解質層を作製する工程と、
セリアを含む燃料極用スラリーを前記固体電解質層の一方の面に均一の厚さになるように塗布する工程と、
前記固体電解質層の一方の面に塗布された燃料極用スラリーを乾燥し焼成して前記固体電解質層の一方の面に燃料極層を形成する工程と
を含む固体酸化物形燃料電池の製造方法。
【請求項６】
前記ランタンガレート系酸化物粉末がコバルトを添加したコバルト添加ランタンガレート系酸化物粉末である請求項５記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。
【図１】
【図３】
【図２】
【図３】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−１７８３０５（Ｐ２０１２−１７８３０５Ａ）
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４１３３９（Ｐ２０１１−４１３３９）
【出願日】平成２３年２月２８日（２０１１．２．２８）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【出願人】（５９１１０８１７８）秋田県 (126)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２８日（２０１１．２．２８）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【出願人】（５９１１０８１７８）秋田県 (126)
【Ｆターム（参考）】
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