(57)【要約】  本明細書は、アノードと、カソードと、前記アノードおよびカソードの間に備えられた電解質層とを含む固体酸化物燃料電池および固体酸化物燃料電池の製造方法に関する。
2019515462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード支持体、アノード機能層、電解質、およびカソードが順次に備えられたアノード支持体型固体酸化物燃料電池であって、
前記電解質は、セリア系金属酸化物を含み、
前記カソードは、前記電解質上に備えられたカソード薄膜層と、前記カソード薄膜層上に備えられたカソード厚膜層とを含み、
前記カソード薄膜層の厚さは５０ｎｍ未満であり、前記カソード薄膜層の気孔率は１％以下であり、
前記カソード厚膜層の厚さは２０μｍ以上４０μｍ以下であり、前記カソード厚膜層の気孔率は３０％以上であり、
前記電解質の表面のうち前記カソード薄膜層に対向する一面の全体面積を基準として、前記電解質とカソード薄膜層との接する面積は１００％であり、
前記カソード薄膜層の表面のうち前記カソード厚膜層に対向する一面の全体面積を基準として、前記カソード薄膜層とカソード厚膜層との接する面積は８０％以上９７％以下であるアノード支持体型固体酸化物燃料電池。
【請求項２】
前記カソード薄膜層の表面のうち前記カソード厚膜層に対向する一面において、前記カソード厚膜層と接しない部分の一部または全部は、前記アノード支持体型固体酸化物燃料電池を密封するシーリング層と接し、
前記カソード薄膜層の表面のうち前記カソード厚膜層に対向する一面の全体面積を基準として、前記カソード薄膜層とシーリング層との接する面積は３％以上２０％以下である、請求項１に記載のアノード支持体型固体酸化物燃料電池。
【請求項３】
前記カソード薄膜層の表面のうち前記カソード厚膜層に対向する一面において、前記カソード厚膜層と前記シーリング層は、互いに離隔したものである、請求項２に記載のアノード支持体型固体酸化物燃料電池。
【請求項４】
前記セリア系金属酸化物は、サマリウムドープセリアおよびガドリニウムドープセリアのうちの少なくとも１つを含むものである、請求項１〜３のいずれか１項に記載のアノード支持体型固体酸化物燃料電池。
【請求項５】
前記電解質の表面のうち前記アノード機能層に対向する一面の全体面積を基準として、前記電解質と前記アノード機能層との接する面積は１００％である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のアノード支持体型固体酸化物燃料電池。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のアノード支持体型固体酸化物燃料電池を単位電池として含む電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２０１６年９月３０日付で韓国特許庁に出願された韓国特許出願第１０−２０１６−０１２６７１２号の出願日の利益を主張し、その内容のすべては本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本明細書は、アノードと、カソードと、前記アノードおよびカソードの間に備えられた電解質層とを含む固体酸化物燃料電池および固体酸化物燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
最近、石油や石炭のような既存のエネルギー資源の枯渇が予測されるにつれ、これらを代替できるエネルギーに対する関心が高まっている。このような代替エネルギーの一つとして、燃料電池は高効率であり、ＮＯｘおよびＳＯｘなどの公害物質を排出せず、使用される燃料が豊富であるなどの利点によって特に注目されている。
【０００４】
燃料電池は、燃料と酸化剤の化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換させる発電システムであって、燃料としては水素とメタノール、ブタンなどのような炭化水素が、酸化剤としては酸素が代表的に使用される。
【０００５】
燃料電池には、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）などがある。
【０００６】
一方、燃料電池の空気極の原理を応用して、金属二次電池のカソードを空気極として製造する金属空気二次電池に対する研究も必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本明細書は、アノードと、カソードと、前記アノードおよびカソードの間に備えられた電解質層とを含む固体酸化物燃料電池および固体酸化物燃料電池の製造方法を提供しようとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書は、アノード支持体、アノード機能層、電解質、およびカソードが順次に備えられたアノード支持体型固体酸化物燃料電池であって、前記電解質は、セリア系金属酸化物を含み、前記カソードは、前記電解質上に備えられたカソード薄膜層と、前記カソード薄膜層上に備えられたカソード厚膜層とを含み、前記カソード薄膜層の厚さは５０ｎｍ未満であり、前記カソード薄膜層の気孔率は１％以下であり、前記カソード厚膜層の厚さは２０μｍ以上４０μｍ以下であり、前記カソード厚膜層の気孔率は３０％以上であり、前記電解質の表面のうち前記カソード薄膜層に対向する一面の全体面積を基準として、前記電解質とカソード薄膜層との接する面積は１００％であり、前記カソード薄膜層の表面のうち前記カソード厚膜層に対向する一面の全体面積を基準として、前記カソード薄膜層とカソード厚膜層との接する面積は８０％以上９７％以下であるアノード支持体型固体酸化物燃料電池を提供する。
【０００９】
また、本明細書は、固体酸化物燃料電池を単位電池として含む電池モジュールを提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本明細書の一実施態様に係るセリア系金属酸化物を含む電解質は、水素に対する還元耐久性が向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】固体酸化物型燃料電池の電気発生原理を示す概略図である。
【図２】燃料電池を含む電池モジュールの一実施例を概略的に示す図である。
【図３】比較例の燃料電池の構造を示す。
【図４】本明細書の一実施態様に係る燃料電池の構造を示す。
【図５】比較例の燃料電池を用いた電池セルの水素流量の増加に応じてＯＣＶを測定したグラフである。
【図６】実施例の燃料電池を用いた電池セルの水素流量の増加に応じてＯＣＶを測定したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本明細書について詳細に説明する。
【００１３】
本明細書は、アノード支持体、アノード機能層、電解質、およびカソードが順次に備えられたアノード支持体型固体酸化物燃料電池を提供する。
【００１４】
図１は、固体酸化物型燃料電池の電気発生原理を概略的に示すもので、固体酸化物型燃料電池は、電解質層（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）と、該電解質層の両面に形成される燃料極（Ａｎｏｄｅ）および空気極（Ｃａｔｈｏｄｅ）とから構成される。固体酸化物型燃料電池の電気発生原理を示す図１を参照すれば、カソードで空気が電気化学的に還元されながら酸素イオンが生成され、生成された酸素イオンは電解質層を通してアノードに伝達される。アノードでは、水素、メタノール、ブタンなどのような燃料が注入され、燃料が酸素イオンと結合して電気化学的に酸化されながら電子を出して水を生成する。この反応によって、外部回路に電子の移動が発生する。
【００１５】
前記電解質は、セリア系金属酸化物を含むことができる。
【００１６】
前記セリア系金属酸化物は、酸素イオン伝導性があるセリア系金属酸化物であれば特に限定しないが、具体的には、サマリウムドープセリアおよびガドリニウムドープセリアのうちの少なくとも１つを含むことができ、より具体的には、ガドリニウムドープセリアを含むことができる。
【００１７】
前記電解質の厚さは１０μｍ以上１００μｍ以下であってもよい。具体的には、前記電解質の厚さは２０μｍ以上５０μｍ以下であってもよい。
【００１８】
前記電解質の製造方法は特に限定しないが、例えば、電解質用スラリーをコーティングして、これを乾燥および焼成するか、電解質スラリーを別の離型紙上にコーティングし、乾燥して電解質用グリーンシートを製造し、１以上の電解質用グリーンシート単独または隣接する二重層のグリーンシートと共に焼成されて電解質を製造することができる。
【００１９】
前記電解質用グリーンシートの厚さは１０μｍ以上１００μｍ以下であってもよい。
【００２０】
前記電解質用スラリーは、セリア系金属酸化物粒子を含み、必要に応じて、前記電解質用スラリーは、バインダー樹脂、可塑剤、分散剤、および溶媒のうちの少なくとも１つをさらに含んでもよい。前記バインダー樹脂、可塑剤、分散剤、および溶媒は特に限定せず、当該技術分野で知られている通常の材料を用いることができる。
【００２１】
前記電解質層用スラリーの総重量を基準として、前記セリア系金属酸化物粒子の含有量は４０重量％以上７０重量％以下であってもよい。
【００２２】
前記電解質層用スラリーの総重量を基準として、溶媒の含有量が１０重量％以上３０重量％以下であり、分散剤の含有量が５重量％以上１０重量％以下であり、可塑剤の含有量が０．５重量％以上３重量％以下であり、バインダーが１０重量％以上３０重量％以下であってもよい。
【００２３】
前記カソードは、前記電解質上に備えられたカソード薄膜層と、前記カソード薄膜層上に備えられたカソード厚膜層とを含むことができる。
【００２４】
前記カソード薄膜層および前記カソード厚膜層は、それぞれ独立に酸素イオン伝導性を有する無機物を含むことができる。前記無機物の種類は特に限定しないが、前記無機物は、イットリア（ｙｔｔｒｉａ）安定化酸化ジルコニウム（ｚｉｒｃｏｎｉａ）（ＹＳＺ：（Ｙ２Ｏ３）ｘ（ＺｒＯ２）１−ｘ、ｘ＝０．０５〜０．１５）、スカンジア安定化酸化ジルコニウム（ＳｃＳＺ：（Ｓｃ２Ｏ３）ｘ（ＺｒＯ２）１−ｘ、ｘ＝０．０５〜０．１５）、サマリウムドープセリア（ｃｅｒｉａ）（ＳＤＣ：（Ｓｍ２Ｏ３）ｘ（ＣｅＯ２）１−ｘ、ｘ＝０．０２〜０．４）、ガドリニウムドープセリア（ｃｅｒｉａ）（ＧＤＣ：（Ｇｄ２Ｏ３）ｘ（ＣｅＯ２）１−ｘ、ｘ＝０．０２〜０．４）、ランタンストロンチウムマンガン酸化物（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｍａｎｇａｎｅｓｅ  ｏｘｉｄｅ：ＬＳＭ）、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｃｏｂａｌｔ  ｆｅｒｒｉｔｅ：ＬＳＣＦ）、ランタンストロンチウムニッケルフェライト（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｎｉｃｋｅｌ  ｆｅｒｒｉｔｅ：ＬＳＮＦ）、ランタンカルシウムニッケルフェライト（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｃａｌｃｉｕｍ  ｎｉｃｋｅｌ  ｆｅｒｒｉｔｅ：ＬＣＮＦ）、ランタンストロンチウムコバルト酸化物（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｃｏｂａｌｔ  ｏｘｉｄｅ：ＬＳＣ）、ガドリニウムストロンチウムコバルト酸化物（Ｇａｄｏｌｉｎｉｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｃｏｂａｌｔ  ｏｘｉｄｅ：ＧＳＣ）、ランタンストロンチウムフェライト（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｆｅｒｒｉｔｅ：ＬＳＦ）、サマリウムストロンチウムコバルト酸化物（Ｓａｍａｒｉｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｃｏｂａｌｔ  ｏｘｉｄｅ：ＳＳＣ）、バリウムストロンチウムコバルトフェライト（Ｂａｒｉｕｍ  Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｃｏｂａｌｔ  ｆｅｒｒｉｔｅ：ＢＳＣＦ）、およびランタンストロンチウムガリウムマグネシウム酸化物（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｇａｌｌｉｕｍ  ｍａｇｎｅｓｉｕｍ  ｏｘｉｄｅ：ＬＳＧＭ）のうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００２５】
前記カソード薄膜層の厚さは５０ｎｍ未満であってもよいし、具体的には１０ｎｍ以上５０ｎｍ未満であってもよく、より具体的には１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であってもよい。この場合、酸素イオンが電解質に移動する時の抵抗を最小化できるという利点がある。
【００２６】
前記カソード薄膜層の気孔率は１％以下であってもよいし、具体的には０％以上１％以下であってもよく、より具体的には０％以上０．１％以下であってもよい。前記カソード薄膜層が緻密（ｄｅｎｓｅ）な場合、燃料と空気の漏出（ｌｅａｋａｇｅ）を防止することができる。
【００２７】
前記電解質の表面のうち前記カソード薄膜層に対向する一面の全体面積を基準として、前記電解質とカソード薄膜層との接する面積は約１００％であってもよい。この時、工程上若干の誤差がありうるが、理論的には、電解質の表面のうち前記カソード薄膜層に対向する一面の全体面積を基準として、前記電解質とカソード薄膜層との接する面積は１００％であってもよい。
【００２８】
前記セリア系金属酸化物を含む電解質の表面のうち前記カソード薄膜層に対向する一面の全体面積に、カソード薄膜層が接触して、電解質とカソードの面積が増加できる。この場合、酸素イオン（Ｏ２−）をより広い面積の電解質に注入させることができ、カソード側から注入された酸素イオンは電解質を酸化させることにより、水素が供給されるアノード側から還元される面積を減少させて水素に対する還元耐久性を向上させることができる。
【００２９】
前記カソード薄膜層の製造方法は特に限定しないが、例えば、カソード薄膜層用スラリーを電解質層上にコーティングして、これを乾燥および焼成するか、カソード薄膜層スラリーを別の離型紙上にコーティングし、乾燥してカソード薄膜層用グリーンシートを製造し、１以上のカソード薄膜層用グリーンシート単独または隣接する二重層のグリーンシートと共に焼成されてカソード薄膜層を製造することができる。
【００３０】
前記カソード薄膜層用スラリーを隣接する層上にコーティングする場合、コーティングする方法は特に限定せず、例えば、スパッタリング、スピンコーティングなどであってもよい。
【００３１】
前記カソード薄膜層用スラリーは、酸素イオン伝導性を有する無機物粒子を含み、必要に応じて、前記カソード薄膜層用スラリーは、バインダー樹脂、可塑剤、分散剤、および溶媒のうちの少なくとも１つをさらに含んでもよい。前記バインダー樹脂、可塑剤、分散剤、および溶媒は特に限定せず、当該技術分野で知られている通常の材料を用いることができる。
【００３２】
前記カソード薄膜層用スラリーの総重量を基準として、前記酸素イオン伝導性を有する無機物粒子の含有量が４０重量％以上７０重量％以下であり、溶媒の含有量が１０重量％以上３０重量％以下であり、分散剤の含有量が５重量％以上１０重量％以下であり、可塑剤の含有量が０．５重量％以上３重量％以下であり、バインダーが１０重量％以上３０重量％以下であってもよい。
【００３３】
前記カソード厚膜層の厚さは２０μｍ以上４０μｍ以下であってもよいし、具体的には２０μｍ以上３０μｍ以下であってもよく、より具体的には２５μｍ以上３０μｍ以下であってもよい。
【００３４】
前記カソード厚膜層の気孔率は３０％以上であってもよいし、具体的には３０％以上５０％以下であってもよい。
【００３５】
前記カソード薄膜層の表面のうち前記カソード厚膜層に対向する一面の全体面積を基準として、前記カソード薄膜層とカソード厚膜層との接する面積は８０％以上９７％以下であってもよい。
【００３６】
前記カソード厚膜層の製造方法は特に限定しないが、例えば、カソード厚膜層用スラリーをカソード薄膜層上にコーティングし、これを乾燥および焼成するか、カソード厚膜層スラリーを別の離型紙上にコーティングし、乾燥してカソード厚膜層用グリーンシートを製造し、１以上のカソード厚膜層用グリーンシート単独または隣接する二重層のグリーンシートと共に焼成されてカソード厚膜層を製造することができる。
【００３７】
前記カソード厚膜層用スラリーをカソード薄膜層上にコーティングする場合、コーティングする方法は特に限定せず、例えば、スパッタリング、スピンコーティングなどであってもよい。
【００３８】
前記カソード薄膜層とカソード厚膜層は、互いに気孔度を異ならせて製造するために、前記カソード薄膜層とカソード厚膜層を形成するスラリーの組成または含有量を調節するか、形成された塗布膜を形成する方法または焼結する条件を異ならせて調節して形成することができる。具体的には、前記カソード薄膜層とカソード厚膜層を製造するために形成されたそれぞれの塗布膜を独立して焼結し、この時の焼結する条件を異ならせて調節して前記カソード薄膜層とカソード厚膜層の気孔度を異ならせて製造することができる。より具体的には、前記電解質上にカソード薄膜層用塗布膜を形成して緻密な層を形成するための条件で焼結し、焼結されたカソード薄膜層上にカソード厚膜層用塗布膜を形成して多孔性（ｐｏｒｏｕｓ）層を形成するための条件で焼結することができる。
【００３９】
前記カソード厚膜層用スラリーは、酸素イオン伝導性を有する無機物粒子を含み、必要に応じて、前記カソード厚膜層用スラリーは、バインダー樹脂、可塑剤、分散剤、および溶媒のうちの少なくとも１つをさらに含んでもよい。前記バインダー樹脂、可塑剤、分散剤、および溶媒は特に限定せず、当該技術分野で知られている通常の材料を用いることができる。
【００４０】
前記カソード厚膜層用スラリーの総重量を基準として、前記酸素イオン伝導性を有する無機物粒子の含有量が４０重量％以上７０重量％以下であり、溶媒の含有量が１０重量％以上３０重量％以下であり、分散剤の含有量が５重量％以上１０重量％以下であり、可塑剤の含有量が０．５重量％以上３重量％以下であり、バインダーが１０重量％以上３０重量％以下であってもよい。
【００４１】
前記アノードは、固体酸化物燃料電池用アノードに適用できるように、酸素イオン伝導性を有する無機物を含むことができる。前記無機物の種類は特に限定しないが、前記無機物は、イットリア（ｙｔｔｒｉａ）安定化酸化ジルコニウム（ｚｉｒｃｏｎｉａ）（ＹＳＺ：（Ｙ２Ｏ３）ｘ（ＺｒＯ２）１−ｘ、ｘ＝０．０５〜０．１５）、スカンジア安定化酸化ジルコニウム（ＳｃＳＺ：（Ｓｃ２Ｏ３）ｘ（ＺｒＯ２）１−ｘ、ｘ＝０．０５〜０．１５）、サマリウムドープセリア（ｃｅｒｉａ）（ＳＤＣ：（Ｓｍ２Ｏ３）ｘ（ＣｅＯ２）１−ｘ、ｘ＝０．０２〜０．４）、およびガドリニウムドープセリア（ｃｅｒｉａ）（ＧＤＣ：（Ｇｄ２Ｏ３）ｘ（ＣｅＯ２）１−ｘ、ｘ＝０．０２〜０．４）のうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００４２】
前記アノードは、電解質の金属酸化物と同一の無機物を含むことができる。具体的には、前記電解質がセリア系金属酸化物を含む場合、前記アノードは、セリア系金属酸化物を含むことができる。より具体的には、前記電解質がガドリニウムドープセリアを含む場合、前記アノードは、ガドリニウムドープセリアを含むことができる。
【００４３】
前記アノードの厚さは３００μｍ以上８００μｍ以下であってもよい。具体的には、前記アノードの厚さは５００μｍ以上７００μｍ以下であってもよい。
【００４４】
前記アノードの気孔率は１０％以上５０％以下であってもよい。具体的には、前記アノードの気孔率は１０％以上３０％以下であってもよい。
【００４５】
前記アノードの気孔の直径は０．１μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。具体的には、前記アノードの気孔の直径は０．５μｍ以上５μｍ以下であってもよい。より具体的には、前記アノードの気孔の直径は０．５μｍ以上２μｍ以下であってもよい。
【００４６】
前記アノードの製造方法は特に限定しないが、例えば、アノード用スラリーをコーティングして、これを乾燥および焼成するか、アノードスラリーを別の離型紙上にコーティングし、乾燥してアノード用グリーンシートを製造し、１以上のアノード用グリーンシート単独または隣接する二重層のグリーンシートと共に焼成されてアノードを製造することができる。
【００４７】
前記アノード用グリーンシートの厚さは５００μｍ以上１０００μｍ以下であってもよい。
【００４８】
前記アノード用スラリーは、酸素イオン伝導性を有する無機物粒子を含み、必要に応じて、前記アノード用スラリーは、バインダー樹脂、可塑剤、分散剤、および溶媒のうちの少なくとも１つをさらに含んでもよい。前記バインダー樹脂、可塑剤、分散剤、および溶媒は特に限定せず、当該技術分野で知られている通常の材料を用いることができる。
【００４９】
前記アノード用スラリーの総重量を基準として、前記酸素イオン伝導性を有する無機物粒子の含有量が１０重量％以上４０重量％以下であり、溶媒の含有量が１０重量％以上３０重量％以下であり、分散剤の含有量が５重量％以上１０重量％以下であり、可塑剤の含有量が０．５重量％以上３重量％以下であり、バインダーが１０重量％以上３０重量％以下であってもよい。
【００５０】
前記アノード用スラリーは、ＮｉＯをさらに含んでもよい。前記アノード用スラリーの総重量を基準として、前記ＮｉＯの含有量は３０重量％以上６０重量％以下であってもよい。
【００５１】
前記アノードは、アノード支持体とアノード機能層とを含むことができる。この時、アノード支持体は、アノード機能層と同一の無機物を含むが、アノード機能層より気孔率が高く相対的に厚さが厚くて他の層を支持する層であり、前記アノード機能層は、前記アノード支持体と電解質層との間に備えられ、実際にアノードとしての主な役割を果たす層であってもよい。
【００５２】
前記アノードがアノード支持体とアノード機能層とを含む場合、製造されたアノード機能層用グリーンシートを焼成されたアノード支持体上にラミネートした後、これを焼成してアノードを製造することができる。
【００５３】
前記アノードがアノード支持体とアノード機能層とを含む場合、前記アノード支持体の厚さは３５０μｍ以上１０００μｍ以下であってもよいし、アノード機能層の厚さは５μｍ以上５０μｍ以下であってもよい。
【００５４】
前記電解質の表面のうち前記アノードに対向する一面の全体面積を基準として、前記電解質とアノードとの接する面積は約１００％であってもよい。この時、工程上若干の誤差がありうるが、理論的には、電解質の表面のうち前記アノードに対向する一面の全体面積を基準として、前記電解質とアノードとの接する面積は１００％であってもよい。
【００５５】
前記カソード薄膜層の表面のうち前記カソード厚膜層に対向する一面において、前記カソード厚膜層と接しない部分の一部または全部は、前記固体酸化物燃料電池を密封するシーリング層と接することができる。
【００５６】
前記カソード薄膜層の表面のうち前記カソード厚膜層に対向する一面の全体面積を基準として、前記カソード薄膜層とシーリング層との接する面積は３％以上２０％以下であってもよい。
【００５７】
前記カソード薄膜層の表面のうち前記カソード厚膜層に対向する一面において、前記カソード厚膜層とシーリング層は、互いに離隔することが好ましい。
【００５８】
本明細書において、前記グリーンシートは、完全な最終製品でない次のステップで加工できる状態のフィルム状の膜を意味する。つまり、前記グリーンシートは、無機物粒子および溶媒を含むコーティング組成物で塗布して、シート状に乾燥させたものであり、前記グリーンシートは、若干の溶媒を含みながらシート状を維持できる半乾燥状態のシートをいう。
【００５９】
前記燃料電池の形態は制限されず、例えば、コイン型、平板型、円筒型、角型、ボタン型、シート型、または積層型であってもよい。
【００６０】
前記燃料電池は、具体的には、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグ−インハイブリッド電気自動車、または電力貯蔵装置の電源として用いられる。
【００６１】
本明細書は、前記固体酸化物燃料電池を単位電池として含む電池モジュールを提供する。
【００６２】
図２は、燃料電池を含む電池モジュールの一実施例を概略的に示すもので、燃料電池は、電池モジュール６０と、酸化剤供給部７０と、燃料供給部８０とを含んでなる。
【００６３】
電池モジュール６０は、上述した燃料電池を単位電池として１つまたは２つ以上含み、単位電池が２つ以上含まれる場合には、これらの間に介在するセパレータを含む。セパレータは、単位電池が電気的に連結されるのを防止し、外部から供給された燃料および酸化剤を単位電池に伝達する役割を果たす。
【００６４】
酸化剤供給部７０は、酸化剤を電池モジュール６０に供給する役割を果たす。酸化剤としては、酸素が代表的に使用され、酸素または空気を酸化剤供給部７０に注入して用いることができる。
【００６５】
燃料供給部８０は、燃料を電池モジュール６０に供給する役割を果たし、燃料を貯蔵する燃料タンク８１と、燃料タンク８１に貯蔵された燃料を電池モジュール６０に供給するポンプ８２とから構成される。燃料としては、気体または液体状態の水素または炭化水素燃料が用いられる。炭化水素燃料の例としては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、または天然ガスが挙げられる。
【実施例】
【００６６】
以下、実施例を通じて本明細書をより詳細に説明する。しかし、以下の実施例は本明細書を例示するためのものに過ぎず、本明細書を限定するためのものではない。
【００６７】
［実施例］
厚さが１２０μｍの燃料極（アノード）支持体（ＧＤＣ／ＮｉＯ）グリーンシートを８枚積層し、その上に、厚さが５０μｍの燃料極（アノード）機能層（ＧＤＣ／ＮｉＯ）グリーンシート１枚および厚さが１５μｍのＧＤＣ電解質グリーンシート２枚を順次に積層した積層体を製造した。前記積層体を切削した後、多孔性セラミックセッター上にて、最終温度１５００℃で３時間焼結を進行させた。この時、焼結後、燃料極支持体の厚さは７００〜７５０μｍであり、燃料極機能層の厚さは３０〜４０μｍであり、ＧＤＣ電解質層の厚さは２３μｍであった。
【００６８】
焼結されたＧＤＣ電解質層の全面にカソード薄膜層をスパッタリング法で形成した後、ｄｅｎｓｅな膜を形成するために、３時間１２００℃で焼成してＳＯＦＣセルを作製した。焼成されたカソード薄膜層上にスパッタリング法でカソード厚膜層を形成した後、多孔性（ｐｒｏｕｓ）膜を得るために、２時間１０５０℃で焼成した。焼成されたカソード薄膜層の厚さは３０ｎｍであり、気孔率は０．１％未満であり、焼成されたカソード厚膜層の厚さは３０μｍであった。
【００６９】
この時、ＧＤＣ電解質層の面積は９ｍｍ２（３ｍｍ×３ｍｍ）であり、カソード薄膜層の面積は９ｍｍ２（３ｍｍ×３ｍｍ）であり、カソード厚膜層の面積は７．２９ｍｍ２（２．７ｍｍ×２．７ｍｍ）である。これにより、ＧＤＣ電解質層の面積（９ｍｍ２）を基準として、前記電解質層とカソード薄膜層との接する面積（９ｍｍ２）は約１００％であり、カソード薄膜層の面積（９ｍｍ２）を基準として、前記カソード薄膜層とカソード厚膜層との接する面積（７．２９ｍｍ２）は約８１％であった。
【００７０】
［比較例］
カソード薄膜層なしに、ＧＤＣ電解質層上に実施例のカソード厚膜層を直接的に形成したことを除き、実施例と同様に、ＳＯＦＣセルを作製した。焼成されたカソード厚膜層の厚さは３０μｍに形成された。
【００７１】
この時、ＧＤＣ電解質層の面積は９ｍｍ２（３ｍｍ×３ｍｍ）であり、カソード厚膜層の面積は７．２９ｍｍ２（２．７ｍｍ×２．７ｍｍ）である。これにより、ＧＤＣ電解質層の面積（９ｍｍ２）を基準として、前記電解質層とカソード厚膜層との接する面積（７．２９ｍｍ２）は約８１％であった。
【００７２】
［実験例１］
前記セルの水素流量を単位面積あたり２．５ｃｃ／ｃｍ２〜１２５ｃｃ／ｃｍ２まで変化させ、実施例および比較例の開放回路電圧（ＯＣＶ）特性を分析した。その結果を図５（比較例）および図６（実施例）に示した。
【００７３】
電解質の全面に蒸着された実施例のカソード薄膜層が水素に対する還元を防止する役割を果たせるかをＯＣＶ分析により確認することができた。具体的には、カソード薄膜層がない比較例は、水素流量の増加に伴ってＯＣＶが減少することが分かるが、カソード薄膜層がある実施例は、水素流量の増加に伴ってＯＣＶが減少しないか、むしろ増加することが分かる。すなわち、カソード薄膜層がある実施例は、ＧＤＣ電解質の水素還元の耐久性が向上したことが分かる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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