JP2017147053A - Air electrode for solid oxide fuel battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発電性能に優れた固体酸化物形燃料電池を構成することができる空気極と、当該空気極を有する固体酸化物形燃料電池単セルに関するものである。 The present invention relates to an air electrode that can constitute a solid oxide fuel cell excellent in power generation performance, and a solid oxide fuel cell single cell having the air electrode.
燃料電池はクリーンなエネルギー源として注目されており、その用途は家庭用発電から業務用発電、さらには自動車用発電などを主体にして、改良研究や実用化研究が急速に進められている。かかる燃料電池の中でも固体酸化物形燃料電池は、発電効率が高く長期安定性にも優れることから、家庭用や業務用の電力源として期待されている。 Fuel cells are attracting attention as a clean energy source. Improvements and practical application studies are being rapidly promoted mainly for household power generation, commercial power generation, and automobile power generation. Among such fuel cells, a solid oxide fuel cell is expected as a power source for home use and business use because of its high power generation efficiency and excellent long-term stability.
固体酸化物形燃料電池の空気極では、酸素分子(O2)と電子(e-)から酸化物イオン(O2-)が生成し、この酸化物イオンが固体電解質層を通過して燃料極に達し、水素(H2)、一酸化炭素(CO)、メタン(CH4)などの燃料と反応して、水(H2O)や二酸化炭素(CO2)に加えて電子が生成する。よって、空気極では、空気などの酸素含有ガスに含まれる酸素分子と電子との反応が円滑に進行するよう工夫することが重要である。 In the air electrode of a solid oxide fuel cell, oxide ions (O 2− ) are generated from oxygen molecules (O 2 ) and electrons (e − ), and these oxide ions pass through the solid electrolyte layer to form the fuel electrode. It reacts with fuels such as hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), methane (CH 4 ), etc. to generate electrons in addition to water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ). Therefore, in the air electrode, it is important to devise so that the reaction between oxygen molecules contained in an oxygen-containing gas such as air and electrons proceeds smoothly.
かかる観点から、特許文献1には、酸化物イオンを運ぶ固体電解質と、電子を運ぶ電極と、酸素分子または燃料を供給する気相の三相の界面を増大させるべく、酸化物イオン伝導性材料などからなる三次元網状構造の多孔質焼結体に別の粒子を付着させた固体酸化物形燃料電池用電極が開示されている。 From this point of view, Patent Document 1 discloses an oxide ion conductive material in order to increase a three-phase interface of a solid electrolyte that carries oxide ions, an electrode that carries electrons, and a gas phase that supplies oxygen molecules or fuel. There is disclosed a solid oxide fuel cell electrode in which different particles are attached to a porous sintered body having a three-dimensional network structure composed of the above.
その他、特許文献2には、空気極層を構成する粒子の成長に起因する発電性能の劣化を抑制するために、当該粒子の比表面積を1.5〜9.0m2/gとし且つ空気極層の細孔径を30〜100nmとする発明が開示されている。 In addition, Patent Document 2 discloses that the specific surface area of the particles is 1.5 to 9.0 m 2 / g and the air electrode in order to suppress deterioration of power generation performance due to the growth of particles constituting the air electrode layer. An invention in which the pore diameter of the layer is 30 to 100 nm is disclosed.
上述したように、電極反応を十分促進するために、固体電解質と電極と気相との三相界面を増大する技術は知られていた。しかし、電極における三相界面を増大せしめるのみでは、固体酸化物形燃料電池の発電性能を十分に高められないことがあった。 As described above, in order to sufficiently promote the electrode reaction, a technique for increasing the three-phase interface between the solid electrolyte, the electrode, and the gas phase has been known. However, the power generation performance of the solid oxide fuel cell may not be sufficiently improved only by increasing the three-phase interface in the electrode.
そこで本発明は、発電性能に優れた固体酸化物形燃料電池を構成することができる空気極と、当該空気極を有する固体酸化物形燃料電池単セルを提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an air electrode capable of constituting a solid oxide fuel cell excellent in power generation performance, and a solid oxide fuel cell single cell having the air electrode.
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、電極の三相界面のみに着目しても不十分であり、それに加えて、空気極での電極反応により生じた酸化物イオンを固体電解質層へ送達するための酸化物イオン伝導パスと、受け取った電子を空気極での電極反応場に送達するための電子伝導パスも検討した。その結果、空気極層の比表面積をより適切に規定することにより、三相界面と共に酸化物イオン伝導パスと電子伝導パスも十分なものとなり、発電性能がより一層優れた固体酸化物形燃料電池単セルが得られることを見出して、本発明を完成した。 This inventor repeated earnest research in order to solve the said subject. As a result, it is insufficient to focus only on the three-phase interface of the electrode, and in addition, an oxide ion conduction path for delivering oxide ions generated by the electrode reaction at the air electrode to the solid electrolyte layer We also investigated an electron conduction path for delivering the received electrons to the electrode reaction field at the air electrode. As a result, by appropriately defining the specific surface area of the air electrode layer, the oxide ion conduction path and the electron conduction path are sufficient as well as the three-phase interface, and the solid oxide fuel cell with further excellent power generation performance The present invention was completed by finding that a single cell could be obtained.
以下、本発明を示す。 Hereinafter, the present invention will be described.
[1] 比表面積が0.1m2/g以上、1.0m2/g未満であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用空気極。 [1] A solid oxide fuel cell air electrode having a specific surface area of 0.1 m 2 / g or more and less than 1.0 m 2 / g.
[2] AサイトにLaまたはSrの少なくとも一方を含む一般式ABO3で表されるペロブスカイト型複合酸化物からなる上記[1]に記載の固体酸化物形燃料電池用空気極。 [2] The air electrode for a solid oxide fuel cell according to [1], comprising a perovskite complex oxide represented by the general formula ABO 3 containing at least one of La and Sr at the A site.
[3] 厚さが5μm以上、50μm以下である上記[1]または[2]に記載の固体酸化物形燃料電池用空気極。 [3] The air electrode for a solid oxide fuel cell according to [1] or [2], wherein the thickness is 5 μm or more and 50 μm or less.
[4] 少なくとも、燃料極層、固体電解質層、および上記[1]〜[3]のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池用空気極からなる層が、この順番で積層されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用単セル。 [4] At least a layer composed of a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer, and an air electrode for a solid oxide fuel cell according to any one of the above [1] to [3] is laminated in this order. A single cell for a solid oxide fuel cell.
[5] さらに、固体電解質層と固体酸化物形燃料電池用空気極からなる層との間に反応防止層を有する上記[4]に記載の固体酸化物形燃料電池用単セル。 [5] The unit cell for a solid oxide fuel cell according to the above [4], further comprising a reaction preventing layer between the solid electrolyte layer and the layer composed of the solid oxide fuel cell air electrode.
本発明に係る固体酸化物形燃料電池用空気極においては、おそらくは三相界面と共に酸化物イオン伝導パスと電子伝導パスも十分であることにより、電極反応が良好に進行する。その結果、本発明に係る空気極を含む固体酸化物形燃料電池単セルは、非常に優れた発電性能を示す。よって本発明は、固体酸化物形燃料電池の性能をより一層高めるものとして、産業上極めて有用である。 In the air electrode for a solid oxide fuel cell according to the present invention, the electrode reaction proceeds favorably because the oxide ion conduction path and the electron conduction path are probably sufficient together with the three-phase interface. As a result, the solid oxide fuel cell single cell including the air electrode according to the present invention exhibits very excellent power generation performance. Therefore, the present invention is extremely useful industrially as a further enhancement of the performance of the solid oxide fuel cell.
1.空気極層
本発明に係る固体酸化物形燃料電池用空気極は、比表面積が0.1m2/g以上、1.0m2/g未満であることを特徴とする。以下、固体酸化物形燃料電池を「SOFC」と略記する。
1. Air electrode layer The air electrode for a solid oxide fuel cell according to the present invention has a specific surface area of 0.1 m 2 / g or more and less than 1.0 m 2 / g. Hereinafter, the solid oxide fuel cell is abbreviated as “SOFC”.
空気極層の材料としては、一般的なSOFCの空気極層の材料を特に制限せず用いることができる。詳しくは、特に限定されないが、例えば、金属、金属の酸化物、金属の複合酸化物などを用いることができる。 As a material for the air electrode layer, a general SOFC air electrode layer material can be used without particular limitation. Although it does not specifically limit in detail, For example, a metal, a metal oxide, a metal complex oxide etc. can be used.
空気極層材料として用い得る金属としては、Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ruなどの金属、または2種以上の金属を含有する合金を挙げることができる。また、金属の酸化物としては、La、Sr、Ce、Co、Mn、Fe等の酸化物、即ち、例えば、La2O3、SrO、Ce2O3、Co2O3、MnO2、FeO等を挙げることができる。また、金属の複合酸化物としては、La、Pr、Sm、Sr、Ba、Co、Fe、Mn等のうちの少なくとも1種を含有する各種の複合酸化物を挙げることができる。かかる複合酸化物として、より具体的には、例えば、La1-xSrxCoO3系複合酸化物、La1-xSrxFeO3系複合酸化物、La1-xSrxCo1-yFeyO3系複合酸化物、La1-xSrxMnO3系複合酸化物、Pr1-xBaxCoO3系複合酸化物、Sm1-xSrxCoO3系複合酸化物などを挙げることができる。ここで、0<x<1、0<y<1である。 Examples of the metal that can be used as the air electrode layer material include metals such as Pt, Au, Ag, Pd, Ir, and Ru, or alloys containing two or more metals. Examples of the metal oxide include oxides such as La, Sr, Ce, Co, Mn, and Fe, for example, La 2 O 3 , SrO, Ce 2 O 3 , Co 2 O 3 , MnO 2 , and FeO. Etc. Examples of the metal complex oxide include various complex oxides containing at least one of La, Pr, Sm, Sr, Ba, Co, Fe, Mn, and the like. More specifically, examples of the composite oxide include La 1-x Sr x CoO 3 composite oxide, La 1-x Sr x FeO 3 composite oxide, and La 1-x Sr x Co 1-y. Fe y O 3 -based composite oxide, La 1 -x Sr x MnO 3 -based composite oxide, Pr 1 -x Ba x CoO 3 -based composite oxide, Sm 1 -x Sr x CoO 3 -based composite oxide, and the like be able to. Here, 0 <x <1, 0 <y <1.
前記例の中でも、空気極の材料としては、La1-xSrxCoO3系複合酸化物、La1-xSrxCo1-yFeyO3系複合酸化物、La1-xSrxMnO3系複合酸化物など、AサイトにLaまたはSrの少なくとも一方を含む一般式ABO3で表されるペロブスカイト型複合酸化物からなるものが望ましい。ここで、「ペロブスカイト型複合酸化物からなる」とは、意図的に添加したものではない不可避的不純物以外、空気極材料の成分がペロブスカイト型複合酸化物であることを意味する。 Among the examples, the air electrode materials include La 1-x Sr x CoO 3 composite oxide, La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 composite oxide, and La 1-x Sr x. It is desirable to use a perovskite complex oxide represented by the general formula ABO 3 containing at least one of La and Sr at the A site, such as a MnO 3 complex oxide. Here, “consisting of a perovskite type complex oxide” means that the components of the air electrode material are perovskite type complex oxides, other than inevitable impurities that are not intentionally added.
また、上記金属、金属の酸化物、金属の複合酸化物などに、燃料極の骨格成分であるジルコニア、アルミナ、マグネシア、チタニア、セリア、アルミニウムマグネシウムスピネル、アルミニウムニッケルスピネルなどのセラミックスを、単独で或いは2種以上混合して使用することも可能である。これらセラミックスには、酸化物イオン伝導性や電子伝導性などの観点から、1種以上の金属酸化物をドープしてもよい。かかる金属酸化物としては、MgO、CaO、SrO、BaOなどのアルカリ土類金属酸化物;Sc2O3、Y2O3、La2O3、CeO2、Pr6O11、Nd2O3、Sm2O3、Tb2O3、Eu2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3、Yb2O3などの希土類元素酸化物;TiO2などの第4族元素酸化物;NbO、Ta2O5などの第5族元素酸化物;WO2などの第6族元素酸化物;NiOなどの第10族元素酸化物;Al2O3、B2O3、Ga2O3、In2O3などの第13族元素酸化物;SiO2、GeO2、SnOなどの第14族元素酸化物;Bi2O3、Sb2O3などの第15族元素酸化物などを挙げることができる。セラミックスに上記金属酸化物をドープさせる場合、そのドープ量は適宜調整すればよいが、例えば、1モル%以上、30モル%以下とすることができる。 In addition, ceramics such as zirconia, alumina, magnesia, titania, ceria, aluminum magnesium spinel, aluminum nickel spinel, which are skeletal components of the fuel electrode, may be used alone or in addition to the metal, metal oxide, metal composite oxide, and the like. It is also possible to use a mixture of two or more. These ceramics may be doped with one or more metal oxides from the viewpoints of oxide ion conductivity and electronic conductivity. Such metal oxides include alkaline earth metal oxides such as MgO, CaO, SrO, BaO; Sc 2 O 3 , Y 2 O 3 , La 2 O 3 , CeO 2 , Pr 6 O 11 , Nd 2 O 3. Rare earth element oxides such as Sm 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Yb 2 O 3 ; Group 4 elements such as TiO 2 Oxides; Group 5 element oxides such as NbO and Ta 2 O 5 ; Group 6 element oxides such as WO 2 ; Group 10 element oxides such as NiO; Al 2 O 3 , B 2 O 3 , Ga Group 13 element oxides such as 2 O 3 and In 2 O 3 ; Group 14 element oxides such as SiO 2 , GeO 2 and SnO; Group 15 element oxides such as Bi 2 O 3 and Sb 2 O 3 And so on. When the above metal oxide is doped into ceramics, the amount of doping may be adjusted as appropriate, and for example, it may be 1 mol% or more and 30 mol% or less.
本発明に係る固体酸化物形燃料電池用空気極は、比表面積が0.1m2/g以上、1.0m2/g未満である。当該比表面積が1.0m2/g以上であると、空気極を構成する粒子間の空隙が大きくなり過ぎ、且つ酸化物イオン伝導パスや電子伝導パスが少なくなり、結果としてSOFCの発電性能が低下し得る。一方、当該比表面積が小さ過ぎると、上記空隙が狭くなり過ぎて酸素含有ガスが空気極全体に行き渡らず、電極反応が十分に進行し難くなるおそれがある。当該比表面積としては、0.2m2/g以上が好ましく、0.4m2/g以上がより好ましく、0.5m2/g以上が特に好ましく、また、0.99m2/g以下が好ましく、0.9m2/g以下がより好ましい。 The air electrode for a solid oxide fuel cell according to the present invention has a specific surface area of 0.1 m 2 / g or more and less than 1.0 m 2 / g. When the specific surface area is 1.0 m 2 / g or more, voids between particles constituting the air electrode are excessively large, and oxide ion conduction paths and electron conduction paths are reduced. As a result, the power generation performance of SOFC is reduced. Can be reduced. On the other hand, if the specific surface area is too small, the voids become too narrow and the oxygen-containing gas does not reach the entire air electrode, and the electrode reaction may not proceed sufficiently. As the specific surface area, preferably at least 0.2 m 2 / g, more preferably at least 0.4 m 2 / g, particularly preferably not less than 0.5 m 2 / g, also is preferably not more than 0.99 m 2 / g, 0.9 m 2 / g or less is more preferable.
空気極層の厚さは特に限定されないが、例えば、5μm以上、50μm以下とすることができる。空気極層の厚さが5μm未満であると、十分な反応場を確保できず、発電性能が低下する可能性があり得る。一方、空気極層の厚さが厚すぎると、特に酸化物イオンが反応場まで伝達する距離が長くなり発電性能が低下するおそれがあり得るため、当該厚さとしては50μm以下が好ましい。 Although the thickness of an air electrode layer is not specifically limited, For example, it is 5 micrometers or more and 50 micrometers or less. If the thickness of the air electrode layer is less than 5 μm, a sufficient reaction field cannot be secured, and power generation performance may be reduced. On the other hand, if the thickness of the air electrode layer is too thick, the distance that oxide ions are transmitted to the reaction field is particularly long, and the power generation performance may be lowered. Therefore, the thickness is preferably 50 μm or less.
固体酸化物形燃料電池の単セルは、少なくとも、燃料極層、固体電解質層および空気極層がこの順番で積層されており、固体電解質層と空気極層との間に層間反応を防止するための反応防止層を有するものであってもよい。以下に、燃料極層、固体電解質層、反応防止層について説明する。 In a single cell of a solid oxide fuel cell, at least a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer, and an air electrode layer are laminated in this order, and an interlayer reaction is prevented between the solid electrolyte layer and the air electrode layer. It may have a reaction preventing layer. Hereinafter, the fuel electrode layer, the solid electrolyte layer, and the reaction preventing layer will be described.
2.燃料極層
燃料極層の材料としては、一般的なSOFCの燃料極層の材料を特に制限せず用いることができる。詳しくは、固体電解質材料と、導電成分材料を用いる。
2. Fuel Electrode Layer As a material for the fuel electrode layer, a general SOFC fuel electrode layer material can be used without particular limitation. Specifically, a solid electrolyte material and a conductive component material are used.
固体電解質材料としては、空気極材料としてのセラミックスにドープさせるべきものとして挙げた金属酸化物をドープしたジルコニアを挙げることができる。特に、スカンジアをドープさせたScSZ、スカンジアとセリアをドープさせたScCeSZ、イットリアをドープさせたYSZ、イッテルビウムをドープさせたYbSZを挙げることができる。 Examples of the solid electrolyte material include zirconia doped with the metal oxides mentioned as those to be doped into the ceramic as the air electrode material. In particular, there can be mentioned ScSZ doped with scandia, ScCeSZ doped with scandia and ceria, YSZ doped with yttria, and YbSZ doped with ytterbium.
導電成分としては、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄など、SOFC稼働時の還元性雰囲気で導電性金属に変化する金属酸化物;或いは、ニッケルフェライトやコバルトフェライトなど、これら金属酸化物を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、単独で使用してもよいし、必要に応じて2種以上を適宜組み合わせて使用してもよい。 As the conductive component, nickel oxide, cobalt oxide, iron oxide, etc., metal oxides that change into a conductive metal in a reducing atmosphere during SOFC operation; or two or more of these metal oxides, such as nickel ferrite and cobalt ferrite Examples thereof include composite metal oxides contained therein. These may be used alone or in combination of two or more as necessary.
燃料極層の厚さは特に限定されないが、例えば、5μm以上、50μm以下とすることができる。 The thickness of the fuel electrode layer is not particularly limited, but can be, for example, 5 μm or more and 50 μm or less.
但し、燃料極層は、燃料極支持体としてもよい。その場合の厚さとしては、100μm以上、1000μm以下とすることができる。当該厚さが100μm以上であれば、燃料極支持体は十分な機械的強度を有するといえる。一方、当該厚さが1000μm以下であれば、燃料ガス透過性は十分であるといえる。当該厚さとしては、150μm以上がより好ましく、200μm以上がさらに好ましく、また、750μm以下がより好ましく、500μm以下がさらに好ましい。 However, the fuel electrode layer may be a fuel electrode support. In this case, the thickness can be 100 μm or more and 1000 μm or less. If the said thickness is 100 micrometers or more, it can be said that a fuel electrode support body has sufficient mechanical strength. On the other hand, if the thickness is 1000 μm or less, it can be said that the fuel gas permeability is sufficient. The thickness is more preferably 150 μm or more, further preferably 200 μm or more, more preferably 750 μm or less, and further preferably 500 μm or less.
さらに、燃料極は、燃料極支持体と燃料極活性層から構成してもよい。燃料極活性層の厚さは特に限定されないが、例えば、5μm以上、30μmとすることができる。 Further, the fuel electrode may be composed of a fuel electrode support and a fuel electrode active layer. The thickness of the anode active layer is not particularly limited, but can be, for example, 5 μm or more and 30 μm.
3.固体電解質層
固体電解質層の材料としては、一般的なSOFCの固体電解質層の材料を特に制限せず用いることができる。例えば、燃料極層材料として挙げた上記固体電解質材料と同様のものを用いることができる。
3. Solid Electrolyte Layer As a material for the solid electrolyte layer, a general SOFC solid electrolyte layer material can be used without particular limitation. For example, the same material as the solid electrolyte material mentioned as the fuel electrode layer material can be used.
電解質支持セル(ESC)の場合、固体電解質層の厚さとしては50μm以上、300μm以下とすることができる。当該厚さが薄い程、固体酸化物形燃料電池の発電性能は高くなり、300μm以下であれば十分に高い発電特性が得られる。一方、薄過ぎると強度に問題が生じるおそれがあり得るので、当該厚さとしては50μm以上が好ましい。当該厚さとしては、60μm以上がより好ましく、80μm以上がさらに好ましく、また、200μm以下がより好ましく、180μm以下がさらに好ましく、160μm以下が特に好ましい。 In the case of an electrolyte support cell (ESC), the thickness of the solid electrolyte layer can be 50 μm or more and 300 μm or less. The thinner the thickness, the higher the power generation performance of the solid oxide fuel cell. If the thickness is 300 μm or less, sufficiently high power generation characteristics can be obtained. On the other hand, if the thickness is too thin, there may be a problem in strength, so the thickness is preferably 50 μm or more. The thickness is more preferably 60 μm or more, further preferably 80 μm or more, more preferably 200 μm or less, further preferably 180 μm or less, and particularly preferably 160 μm or less.
燃料極支持セル(ASC)の場合、発電性能の観点から固体電解質層の厚さはより薄くすることが好ましく、例えば、1μm以上が好ましく、2μm以上がより好ましく、また、30μm以下が好ましく、20μm以下がより好ましい。 In the case of an anode support cell (ASC), it is preferable to make the thickness of the solid electrolyte layer thinner from the viewpoint of power generation performance, for example, preferably 1 μm or more, more preferably 2 μm or more, and preferably 30 μm or less, 20 μm. The following is more preferable.
4.反応防止層
反応防止層の材料としては、一般的なSOFCの反応防止層の材料を特に制限せず用いることができる。例えば、空気極材料としてのセラミックスにドープさせるべきものとして挙げた金属酸化物をドープしたセリアを挙げることができる。
4). Reaction Prevention Layer As a material for the reaction prevention layer, a general SOFC reaction prevention layer material can be used without particular limitation. For example, ceria doped with the metal oxide mentioned as a material to be doped into ceramics as an air electrode material can be mentioned.
反応防止層の厚さは、空気極層と固体電解質層との間の反応を抑制できる範囲で、発電性能の観点からできるだけ薄くすることが好ましい。例えば、0.5μm以上、5μm以下程度にすることができる。 The thickness of the reaction preventing layer is preferably as thin as possible from the viewpoint of power generation performance as long as the reaction between the air electrode layer and the solid electrolyte layer can be suppressed. For example, it can be about 0.5 μm or more and 5 μm or less.
5.製造方法
次に、本発明に係る空気極および固体酸化物形燃料電池の製造方法につき説明する。
5. Manufacturing Method Next, a manufacturing method of the air electrode and the solid oxide fuel cell according to the present invention will be described.
(1)スラリー調製工程
本工程では、少なくとも、各層の原材料粉末、溶媒およびバインダーを混合することにより、各層を形成するためのスラリーを調製する。当該スラリーには、その他に、例えば可塑剤、分散剤、消泡剤などを添加してもよい。電極形成用スラリーには、さらに、カーボンブラックなどの空孔形成材を添加してもよい。
(1) Slurry preparation process At this process, the slurry for forming each layer is prepared by mixing the raw material powder of each layer, a solvent, and a binder at least. In addition, for example, a plasticizer, a dispersant, an antifoaming agent, and the like may be added to the slurry. A pore forming material such as carbon black may be further added to the electrode forming slurry.
各層の原材料粉末のうち、特に固体電解質材料である複合金属酸化物は、共沈法、ゾルゲル法、粉末混合法、噴霧熱分解法などの常法により製造することができる。例えば共沈法では、複合金属酸化物を構成する各金属を含む化合物を原料化合物とし、各金属の相対的モル数が所望の割合となるよう秤量した上で硝酸などに溶解し、さらにアルカリを加えて中和共沈させる。得られた沈殿物を濾別し、水洗した後、仮焼成すればよい。或いは、例えば各原料化合物をクエン酸水溶液中で混合し、複合クエン酸塩とし、これを仮焼成してもよい。 Of the raw material powders in each layer, the composite metal oxide, which is a solid electrolyte material, can be produced by a conventional method such as a coprecipitation method, a sol-gel method, a powder mixing method, or a spray pyrolysis method. For example, in the coprecipitation method, a compound containing each metal constituting the composite metal oxide is used as a raw material compound, weighed so that the relative mole number of each metal is a desired ratio, dissolved in nitric acid, etc. In addition, neutralization coprecipitation is performed. The obtained precipitate may be filtered off, washed with water, and then calcined. Alternatively, for example, each raw material compound may be mixed in an aqueous citric acid solution to form a composite citrate, which may be pre-baked.
本発明では、空気極の比表面積を特定している。所望の比表面積を得るためには、空気極の原材料粉末の粒径の他、空孔形成材の種類、粒径、量、使用の有無、スクリーン印刷により空気極を形成する際の刷版メッシュ数、空気極形成時の焼成温度や昇温速度を適宜選択すればよい。 In the present invention, the specific surface area of the air electrode is specified. In order to obtain the desired specific surface area, in addition to the particle size of the raw material powder of the air electrode, the type of pore forming material, particle size, amount, use / non-use, printing plate mesh when forming the air electrode by screen printing What is necessary is just to select suitably the firing temperature at the time of air electrode formation, and a temperature increase rate.
例えば、本発明に係る空気極を形成するには、原材料粉末の平均粒子径を0.01μm以上、5μm以下程度とすることが好ましい。当該平均粒子径としては、0.05μm以上または0.1μm以上がより好ましく、0.2μm以上がよりさらに好ましく、また、4μm以下または3μm以下がより好ましく、2μm以下がよりさらに好ましい。 For example, in order to form the air electrode according to the present invention, the average particle diameter of the raw material powder is preferably about 0.01 μm or more and 5 μm or less. The average particle diameter is more preferably 0.05 μm or more or 0.1 μm or more, still more preferably 0.2 μm or more, more preferably 4 μm or less or 3 μm or less, and even more preferably 2 μm or less.
また、後記の焼成工程において、空気極の焼成温度としては、1000℃以上、1300℃以下が好ましい。焼成温度が1000℃未満であると、空気極の比表面積が大きくなりすぎる可能性があり。焼成温度が1300℃を超えると、空気極の比表面積が小さくなり過ぎる可能性がある。焼成温度としては、1005℃以上がより好ましく、1010℃以上がよりさらに好ましく、また、1200℃以下がより好ましく、1150℃以下がよりさらに好ましい。 In the baking step described later, the firing temperature of the air electrode is preferably 1000 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower. If the firing temperature is less than 1000 ° C., the specific surface area of the air electrode may become too large. If the firing temperature exceeds 1300 ° C., the specific surface area of the air electrode may become too small. As a calcination temperature, 1005 degreeC or more is more preferable, 1010 degreeC or more is further more preferable, 1200 degreeC or less is more preferable, and 1150 degreeC or less is more preferable.
さらに、後記のグリーン体作製工程において、空気極スクリーン印刷時の刷版メッシュ数を150以上、250以下にすることが好ましい。当該刷版メッシュ数が150未満であると、空気極の比表面積が小さくなりすぎる可能性があり、当該刷版メッシュ数が250を超えると、空気極の比表面積が大きくなり過ぎる可能性がある。当該刷版メッシュ数としては、160以上がより好ましく、170以上がよりさらに好ましく、また、240以下がより好ましく、230以下がよりさらに好ましい。 Furthermore, it is preferable that the number of plate meshes during air electrode screen printing is 150 or more and 250 or less in the green body manufacturing process described later. If the number of printing plate meshes is less than 150, the specific surface area of the air electrode may be too small, and if the number of printing plate meshes exceeds 250, the specific surface area of the air electrode may be too large. . The number of plate meshes is more preferably 160 or more, still more preferably 170 or more, more preferably 240 or less, and even more preferably 230 or less.
空気極の比表面積を調整する方法としては、上記の原料粒子の平均粒子径、焼成温度、および空気極スクリーン印刷時の刷版メッシュ数をそれぞれ調整して組み合わせることが好ましい。 As a method of adjusting the specific surface area of the air electrode, it is preferable to adjust and combine the average particle diameter of the raw material particles, the firing temperature, and the number of printing plate meshes during air electrode screen printing.
(2)グリーン体の作製工程
本工程では、上記スラリーから各層のグリーン体を作製する。
(2) Green body production process In this process, green bodies of each layer are produced from the slurry.
最初に支持体グリーンシートを作製する場合には、上記スラリーをPETフィルムなどの基材に塗工した後に乾燥することによりグリーンシートを得る。本工程においては、ESCの場合は固体電解質支持体グリーンシートを作製し、ASCの場合は燃料極支持体グリーンシートを作製する。空気極支持セル(CSC)の場合も同様に空気極支持体グリーンシートを作製すればよい。但し、金属支持セル(MSC)の場合には、多孔質フェライト系ステンレス鋼などの金属支持体の上に各層を形成していけばよいので、支持体グリーンシートは特に作製する必要がない。 When a support green sheet is first prepared, the slurry is applied to a substrate such as a PET film and then dried to obtain a green sheet. In this step, a solid electrolyte support green sheet is produced in the case of ESC, and a fuel electrode support green sheet is produced in the case of ASC. Similarly, in the case of an air electrode support cell (CSC), an air electrode support green sheet may be prepared. However, in the case of a metal support cell (MSC), it is only necessary to form each layer on a metal support such as porous ferritic stainless steel, so that the support green sheet is not particularly required.
支持体のグリーンシートや焼成後の支持体などの上に各層のグリーン体を形成する場合には、上記スラリーを印刷した後、乾燥すればよい。 When the green body of each layer is formed on the green sheet of the support or the support after firing, the slurry may be printed and then dried.
基材上へのスラリーの塗工方法は特に制限されず、ドクターブレード法やカレンダーロール法などの常法を用いることができる。具体的には、スラリーを塗工ダムへ輸送し、ドクターブレードにより均一な厚さとなるように基材上にキャスティングし、乾燥する。支持体などの上にグリーン体を形成する場合には、スクリーン印刷などをすればよい。 The method for applying the slurry onto the substrate is not particularly limited, and a conventional method such as a doctor blade method or a calender roll method can be used. Specifically, the slurry is transported to a coating dam, cast on a substrate so as to have a uniform thickness by a doctor blade, and dried. When a green body is formed on a support or the like, screen printing or the like may be performed.
乾燥条件は、使用した溶媒の種類などに応じて適宜調整すればよいが、通常は40℃以上、より好ましくは80℃以上で、150℃以下程度とする。乾燥は一定温度で行ってもよいし、50℃、80℃、120℃の様に順次連続的に昇温して加熱乾燥してもよい。 The drying conditions may be appropriately adjusted according to the type of solvent used, but are usually 40 ° C. or higher, more preferably 80 ° C. or higher and about 150 ° C. or lower. Drying may be performed at a constant temperature, or may be performed by heating by successively raising the temperature sequentially such as 50 ° C., 80 ° C., and 120 ° C.
塗工厚さは、目的とする各層の焼成後厚さに応じて適宜調整すればよい。 What is necessary is just to adjust coating thickness suitably according to the thickness after baking of each layer made into the objective.
支持体グリーンシートの形状や大きさは、目的の固体酸化物形燃料電池の形状や大きさに合わせて決定すればよい。或いは、例えば長尺の支持体グリーンテープを作製した後、所望の形状や大きさに切断してもよい。 The shape and size of the support green sheet may be determined according to the shape and size of the target solid oxide fuel cell. Alternatively, for example, a long support green tape may be produced and then cut into a desired shape and size.
好ましくは、長尺の支持体グリーンテープを作製した後、所望の形状に切断する。シートの形状は特に制限されず、目的のSOFCの形状に合わせればよく、例えば、円形、楕円形、R(アール)を持った角形などとすることができ、また、これらのシート内に円形、楕円形、Rを持った角形などの穴を有するものであってもよい。 Preferably, after producing a long support green tape, it is cut into a desired shape. The shape of the sheet is not particularly limited, and may be matched to the shape of the target SOFC. For example, the shape may be a circle, an ellipse, a square with R (R), It may have a hole such as an ellipse or a square with R.
支持体グリーンシートの大きさも、目的SOFCに合わせればよいが、例えば、一辺が25mm以上、250mm以下の角形や、直径が25mm以上、250mm以下の円形とすることができる。当該長さまたは直径としては、40mm以上が好ましく、50mm以上がより好ましく、また、220mm以下が好ましく、200mm以下がより好ましい。 The size of the support green sheet may be matched to the target SOFC, but may be, for example, a square having a side of 25 mm or more and 250 mm or less, or a circle having a diameter of 25 mm or more and 250 mm or less. The length or diameter is preferably 40 mm or more, more preferably 50 mm or more, and preferably 220 mm or less, more preferably 200 mm or less.
支持体などの上にグリーン体を形成する場合には、グリーン体の形状や大きさは、支持体などの形状や大きさに応じて適宜選択すればよい。 When a green body is formed on a support or the like, the shape or size of the green body may be appropriately selected according to the shape or size of the support or the like.
(3)焼成工程
次に、上記グリーン体を焼成する。なお、焼成のタイミングは特に制限されず、各層のグリーン体を形成した都度焼成してもよいが、製造効率などの観点から、グリーン体の積層体を焼成することが好ましい。例えば、燃料極支持体グリーンシート上に、任意に燃料極活性層グリーン体、必須的に固体電解質層、任意に反応防止層グリーン体を形成してグリーン積層体とした後にいったん焼成し、さらに反応防止層上に空気極グリーン体を形成し、再度焼成してもよい。
(3) Firing step Next, the green body is fired. The timing of firing is not particularly limited, and may be fired each time a green body of each layer is formed. However, from the viewpoint of manufacturing efficiency and the like, it is preferable to fire a laminate of green bodies. For example, an anode active layer green body, an essentially solid electrolyte layer, and optionally a reaction-preventing layer green body are optionally formed on the anode support green sheet to form a green laminate, which is then baked and further reacted An air electrode green body may be formed on the prevention layer and fired again.
焼成条件は適宜調整すればよいが、例えば、1000℃以上、1500℃以下で焼結する。1000℃以上で焼結すれば十分な焼成効果が得られ、高靭性が得られる。一方、焼結温度が高過ぎるとシートの結晶粒径が過大となって靭性がかえって低下するおそれがあるため、上限を1500℃とする。但し、本発明に係る空気極を得るための好適な焼成温度は、別途、上述した通りである。 The firing conditions may be adjusted as appropriate. For example, sintering is performed at 1000 ° C. or more and 1500 ° C. or less. If sintered at 1000 ° C. or higher, a sufficient firing effect can be obtained and high toughness can be obtained. On the other hand, if the sintering temperature is too high, the crystal grain size of the sheet becomes excessive and the toughness may be reduced, so the upper limit is set to 1500 ° C. However, the preferable firing temperature for obtaining the air electrode according to the present invention is as described above.
焼成温度に至るまでの加熱速度は適宜調整すればよいが、通常、0.05℃/分以上、4℃/分以下程度とすることができる。 The heating rate up to the firing temperature may be adjusted as appropriate, but can usually be about 0.05 ° C./min to 4 ° C./min.
本発明に係る支持体の形状や大きさは、目的SOFCの形状や大きさなどに応じて適宜決定すればよい。例えば形状は、正方形や長方形などの角形や、円形など、特に制限されない。角形の一辺の長さや円形の直径としては、例えば、20mm以上、200mm以下とすることができる。当該長さおよび直径としては、30mm以上がより好ましく、40mm以上がさらに好ましく、また、180mm以下がより好ましく、150mm以下がさらに好ましい。 The shape and size of the support according to the present invention may be appropriately determined according to the shape and size of the target SOFC. For example, the shape is not particularly limited, such as a square such as a square or a rectangle, or a circle. The length of one side of the square or the diameter of the circle can be, for example, 20 mm or more and 200 mm or less. The length and diameter are more preferably 30 mm or more, further preferably 40 mm or more, more preferably 180 mm or less, and further preferably 150 mm or less.
支持体上の各層の形状や大きさは、支持体の形状や大きさに応じて適宜選択すればよい。 The shape and size of each layer on the support may be appropriately selected according to the shape and size of the support.
以上で得られた本発明に係る空気極は、所定の比表面積を有することにより電極反応が良好に進行することから、当該空気極を有するSOFCは、極めて優れた発電性能を示すものである。 Since the air electrode according to the present invention obtained as described above has a predetermined specific surface area, the electrode reaction proceeds favorably. Therefore, the SOFC having the air electrode exhibits extremely excellent power generation performance.
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited by the following examples, but may be appropriately modified within a range that can meet the purpose described above and below. Of course, it is possible to implement them, and they are all included in the technical scope of the present invention.
実施例1
(1)燃料極支持基板グリーンシートの作製
酸化ニッケル粉末(正同化学社製,平均粒子径:1.2μm)60質量部、ジルコニア粉末(「TZ−3Y20A」東ソー社製)40質量部、空孔形成材として市販のカーボンブラック3質量部、バインダーとして市販の(メタ)アクリル樹脂(数平均分子量:20,000)15質量部、分散剤として市販のαオレフィン・無水マレイン酸共重合物2質量部、可塑剤として市販のカルボキシル基含有ポリマー変性物2質量部、並びに、分散媒としてトルエン30質量部および酢酸エチル24質量部を、ボールミルにより混合してスラリーを調製した。得られたスラリーを使用し、ドクターブレード法によりシート成形し、80℃で2時間乾燥させて、燃料極支持基板グリーンシートを作製した。なお、作製したグリーンシートの厚みについては、焼成後の厚みが300μmになるように調整した。
Example 1
(1) Production of fuel electrode support substrate green sheet 60 parts by mass of nickel oxide powder (manufactured by Shodo Chemical Co., Ltd., average particle size: 1.2 μm), 40 parts by mass of zirconia powder (“TZ-3Y20A” manufactured by Tosoh Corporation), empty 3 parts by mass of commercially available carbon black as the pore-forming material, 15 parts by mass of commercially available (meth) acrylic resin (number average molecular weight: 20,000) as the binder, and 2 parts by mass of commercially available α-olefin / maleic anhydride copolymer as the dispersant 2 parts by mass of a commercially available modified carboxyl group-containing polymer as a plasticizer, and 30 parts by mass of toluene and 24 parts by mass of ethyl acetate as a dispersion medium were mixed by a ball mill to prepare a slurry. Using the obtained slurry, a sheet was formed by the doctor blade method and dried at 80 ° C. for 2 hours to prepare a fuel electrode supporting substrate green sheet. In addition, about the thickness of the produced green sheet, it adjusted so that the thickness after baking might be set to 300 micrometers.
(2)燃料極活性層用グリーン層の形成
酸化ニッケル粉末(正同化学社製,平均粒子径:1.2μm)60質量部、ジルコニア粉末(「HSY−8.0」第一稀元素社製,平均粒子径:0.5μm)40質量部、バインダーとして市販のメタクリル系樹脂12質量部、可塑剤として市販のジブチルフタレート5質量部、および分散剤として市販のソルビタン脂肪酸エステル系界面活性剤8質量部を予備混合した後、3本ロールミル(型式「M−80S」EXAKT technologies社製,ロール材質:アルミナ)を用いて解砕し、燃料極層用ペーストを作製した。
(2) Formation of green layer for fuel electrode active layer 60 parts by mass of nickel oxide powder (manufactured by Shodo Chemical Co., Ltd., average particle size: 1.2 μm), zirconia powder (“HSY-8.0” manufactured by Daiichi Rare Element Co., Ltd.) , Average particle size: 0.5 μm) 40 parts by weight, 12 parts by weight of a commercially available methacrylic resin as a binder, 5 parts by weight of commercially available dibutyl phthalate as a plasticizer, and 8 parts by weight of a commercially available sorbitan fatty acid ester surfactant as a dispersant The parts were premixed and then crushed using a three-roll mill (model “M-80S” manufactured by EXAK technologies, roll material: alumina) to prepare a fuel electrode layer paste.
上記(1)で得た燃料極支持基板グリーンシート上に、焼成後の厚さが15μmとなるように燃料極層用ペーストをスクリーン印刷し、80℃で30分間乾燥させ、燃料極活性層用グリーン層を形成した。 On the fuel electrode support substrate green sheet obtained in (1) above, a paste for the fuel electrode layer is screen-printed so that the thickness after firing is 15 μm, and dried at 80 ° C. for 30 minutes, for the fuel electrode active layer A green layer was formed.
(3)電解質層用グリーン層の形成
セラミックス質として8モル%イットリア安定化ジルコニア粉末(「HSY−8.0」第一稀元素社製,平均粒子径:0.5μm)100質量部、バインダーとして市販のエチルセルロース7.5質量部、溶剤として市販のα−テルピネオール67.5質量部、可塑剤として市販のジブチルフタレート6質量部、および分散剤として市販のソルビタン酸エステル系界面活性剤10質量部を予備混合した後、3本ロールミル(型式「M−80S」EXAKT technologies社製,ロール材質:アルミナ)を用いて解砕し、電解質層用ペーストを作製した。
(3) Formation of Green Layer for Electrolyte Layer 8 parts by weight of yttria stabilized zirconia powder (“HSY-8.0” manufactured by Daiichi Rare Element Co., Ltd., average particle size: 0.5 μm) as ceramics, 100 parts by mass as binder 7.5 parts by weight of commercially available ethyl cellulose, 67.5 parts by weight of commercially available α-terpineol as a solvent, 6 parts by weight of commercially available dibutyl phthalate as a plasticizer, and 10 parts by weight of a commercially available sorbitan acid ester surfactant as a dispersant After the preliminary mixing, the mixture was crushed using a three-roll mill (model “M-80S” manufactured by EXKT technologies, roll material: alumina) to prepare an electrolyte layer paste.
上記(2)で得た燃料極活性層用グリーン層上に、焼成後の厚さが10μmとなるように上記電解質層用ペーストをスクリーン印刷し、80℃で30分間乾燥させ、電解質層用グリーン層を形成した。 The electrolyte layer paste is screen-printed on the fuel electrode active layer green layer obtained in the above (2) so that the thickness after firing is 10 μm, and dried at 80 ° C. for 30 minutes. A layer was formed.
(4)反応防止層用グリーン層の形成
セラミックス質として20モル%ガドリニアが固溶されたセリア粉末(AGCセイミケミカル社製)100質量部、バインダーとして市販のエチルセルロース7.5質量部、溶剤として市販のα−テルピネオール67.5質量部、可塑剤として市販のジブチルフタレート8質量部、および分散剤として市販のソルビタン酸エステル系界面活性剤20質量部を予備混合した後、3本ロールミル(型式「M−80S」EXAKT technologies社製,ロール材質:アルミナ)を用いて解砕し、反応防止層用ペーストを作製した。
(4) Formation of green layer for reaction prevention layer 100 parts by mass of ceria powder (manufactured by AGC Seimi Chemical Co., Ltd.) in which 20 mol% gadolinia is dissolved as a ceramic material, 7.5 parts by mass of ethyl cellulose commercially available as a binder, and commercially available as a solvent Α-terpineol 67.5 parts by weight, 8 parts by weight of commercially available dibutyl phthalate as a plasticizer, and 20 parts by weight of a commercially available sorbitan acid-based surfactant as a dispersant were premixed, and then a three-roll mill (model “M” -80S "manufactured by EXAK technologies, roll material: alumina) was crushed to prepare a reaction preventing layer paste.
上記で得た電解質層用グリーン層上に、焼成後の厚さが2μm以下となるように上記反応防止層用ペーストをスクリーン印刷し、80℃で30分間乾燥させ、反応防止層用グリーン層を形成した。 On the green layer for electrolyte layer obtained above, the paste for reaction-preventing layer is screen-printed so that the thickness after firing is 2 μm or less, and dried at 80 ° C. for 30 minutes. Formed.
(5)焼成
上記で得た、燃料極支持基板グリーンシート、燃料極活性層用グリーン層、電解質層用グリーン層および反応防止層用グリーン層が順に積層された積層体を、焼成後の1辺が6cmの正方形になるように打ち抜いた。打ち抜いた後、1350℃、空気雰囲気下で3時間焼成して、燃料極支持型ハーフセルを得た。
(5) Firing The laminate obtained by laminating the fuel electrode supporting substrate green sheet, the fuel electrode active layer green layer, the electrolyte layer green layer, and the reaction preventing layer green layer obtained in the above order on one side after firing. Was punched out into a 6 cm square. After punching, firing was performed at 1350 ° C. in an air atmosphere for 3 hours to obtain a fuel electrode-supported half cell.
(6)空気極層の形成
La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3(AGCセイミケミカル社製,平均粒子径:0.6μm)80質量部と20モル%ガドリニアドープセリア(AGCセイミケミカル社製,平均粒子径:0.5μm)20質量部とを混合し、さらにバインダーとしてエチルセルロース2質量部と、溶媒としてα−テルピネオール30質量部とを加えて、3本ロールミルを用いて混練し、空気極層用ペーストを作製した。
(6) Formation of air electrode layer La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 (manufactured by AGC Seimi Chemical Co., average particle size: 0.6 μm) 80 parts by mass and 20 mol% gadolinia doped ceria (manufactured by AGC Seimi Chemical Co., Ltd.) (Average particle size: 0.5 μm) 20 parts by mass, 2 parts by mass of ethyl cellulose as a binder and 30 parts by mass of α-terpineol as a solvent are added and kneaded using a three-roll mill, and the air electrode layer A paste was prepared.
上記(5)で得られた燃料極支持型ハーフセルの反応防止層上に、焼成後の厚さが20μmとなるように、上記空気極層用ペーストを1cm×1cmの正方形にスクリーン印刷により塗布し、100℃で30分乾燥させ、空気極層用グリーン層を形成した。なお、空気極層形成時のスクリーン印刷では、刷版メッシュ数150のスクリーンメッシュを用いた。この空気極層用グリーン層に、2.3kPaの荷重をかけながら1100℃で2時間焼成し、SOFCを得た。 On the reaction preventing layer of the fuel electrode supporting half cell obtained in (5) above, the air electrode layer paste is applied to a 1 cm × 1 cm square by screen printing so that the thickness after firing is 20 μm. And dried at 100 ° C. for 30 minutes to form a green layer for the air electrode layer. In the screen printing at the time of forming the air electrode layer, a screen mesh having 150 printing plate meshes was used. This air electrode green layer was baked at 1100 ° C. for 2 hours while applying a load of 2.3 kPa to obtain SOFC.
実施例2
上記実施例1において、空気極形成用のLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O380質量部と20モル%ガドリニアドープセリア20質量部との混合粉末をLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3(AGCセイミケミカル社製,平均粒子径:0.6μm)100質量部に変更する以外は同様にして、SOFCを得た。
Example 2
In Example 1 above, a mixed powder of 80 parts by mass of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 and 20 parts by mass of 20 mol% gadolinia-doped ceria for forming an air electrode was prepared using La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 ( SOFC was obtained in the same manner except that the amount was changed to 100 parts by mass (manufactured by AGC Seimi Chemical Co., average particle size: 0.6 μm).
実施例3
上記実施例1において、空気極形成用のLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O380質量部と20モル%ガドリニアドープセリア20質量部との混合粉末をLa0.6Sr0.4CoO3(AGCセイミケミカル社製,平均粒子径:1.2μm)100質量部に変更する以外は同様にして、SOFCを得た。
Example 3
In Example 1 above, a mixed powder of 80 parts by mass of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 for forming an air electrode and 20 parts by mass of 20 mol% gadolinia-doped ceria was mixed with La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 (AGC Seimi Chemical Co., Ltd.). SOFC was obtained in the same manner except that the mass was changed to 100 parts by mass.
比較例1
上記実施例1において、空気極の比表面積を大きくするために、空気極層用ペースト作製時に空孔形成剤として市販のカーボンブラック3.5質量部を添加し、さらに空気極の焼結を抑制すべく焼成温度を1000℃に変更し、加えて、空気極用グリーン層の形成時のスクリーン印刷では、刷版メッシュ数500のスクリーンメッシュを用いた以外は同様にして、SOFCを得た。
Comparative Example 1
In Example 1 above, in order to increase the specific surface area of the air electrode, 3.5 parts by mass of commercially available carbon black was added as a pore forming agent during the preparation of the air electrode layer paste, and further the sintering of the air electrode was suppressed. The firing temperature was changed to 1000 ° C., and in addition, in the screen printing at the time of forming the air electrode green layer, SOFC was obtained in the same manner except that a screen mesh having 500 printing plate meshes was used.
比較例2
上記実施例2において、空気極の比表面積を大きくするために、空気極層用ペースト作製時に空孔形成剤として市販のカーボンブラック3.5質量部を添加し、さらに空気極の焼結を抑制すべく焼成温度を1000℃に変更し、加えて、空気極用グリーン層の形成時のスクリーン印刷では、刷版メッシュ数500のスクリーンメッシュを用いた以外は同様にして、SOFCを得た。
Comparative Example 2
In Example 2 above, in order to increase the specific surface area of the air electrode, 3.5 parts by mass of commercially available carbon black was added as a pore-forming agent during the preparation of the air electrode layer paste, and further the sintering of the air electrode was suppressed. The firing temperature was changed to 1000 ° C., and in addition, in the screen printing at the time of forming the air electrode green layer, SOFC was obtained in the same manner except that a screen mesh having 500 printing plate meshes was used.
比較例3
上記実施例3において、空気極の比表面積を大きくするために、空気極層用ペースト作製時に空孔形成剤として市販のカーボンブラック3.5質量部を添加し、さらに空気極の焼結を抑制すべく焼成温度を1000℃に変更し、加えて、空気極用グリーン層の形成時のスクリーン印刷では、刷版メッシュ数500のスクリーンメッシュを用いた以外は同様にして、SOFCを得た。
Comparative Example 3
In Example 3 above, in order to increase the specific surface area of the air electrode, 3.5 parts by mass of commercially available carbon black was added as a pore-forming agent during the preparation of the air electrode layer paste, and further the sintering of the air electrode was suppressed. The firing temperature was changed to 1000 ° C., and in addition, in the screen printing at the time of forming the air electrode green layer, SOFC was obtained in the same manner except that a screen mesh having 500 printing plate meshes was used.
試験例1:空気極の比表面積の測定
SOFCにおける空気極のみの比表面積を測定するのは困難であり、また、薄い(上記製造例では20μm)空気極のみをセルから分離することも困難であることから、比表面積測定用の空気極ペレットを別途作製した。
Test Example 1: Measurement of specific surface area of air electrode It is difficult to measure the specific surface area of only the air electrode in SOFC, and it is also difficult to separate only a thin (20 μm in the above production example) air electrode from the cell. Therefore, an air electrode pellet for specific surface area measurement was separately prepared.
具体的には、上記実施例1〜3および比較例1〜3で使用した空気極用ペーストを、それぞれ焼成後の厚さが20μmになるように、実施例1〜3では刷版メッシュ数150のスクリーンメッシュを用い、比較例1〜3では刷版メッシュ数500のスクリーンメッシュを用いてPET基板上にスクリーン印刷し、100℃で30分間乾燥させ、空気極層用グリーン層を形成した。次に、PET基板上に形成した空気極層を、体積が1.0〜6.0mm3以下で且つ2.0〜4.0mmΦの穴に入るように削り出し、るつぼに移した。なお、比表面積測定用サンプルはシート状態の空気極層を小さく削り出したものであるため、比表面積がより大きくなるのが一般的であるが、本発明に係る空気極の比表面積程度であれば、上記の大きさの試料とシート状態とでは、それらの比表面積は同等であるといえる。その後、空気極の焼成条件と同様に1100℃で2時間焼成し、比表面積測定用空気極層ペレットを作製した。但し、比較例1〜3では、空気極材料の焼結を抑制して比表面積をより大きなものとするために、焼成温度を1000℃とした。 Specifically, in Examples 1 to 3, the number of plate meshes is 150 so that the air electrode pastes used in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 have a thickness of 20 μm after firing. In Comparative Examples 1 to 3, screen printing was performed on a PET substrate using a screen mesh with 500 printing plate meshes and dried at 100 ° C. for 30 minutes to form a green layer for the air electrode layer. Next, the air electrode layer formed on the PET substrate was cut out so as to enter a hole having a volume of 1.0 to 6.0 mm 3 or less and 2.0 to 4.0 mmΦ, and transferred to a crucible. Note that the specific surface area measurement sample is a sheet-shaped air electrode layer cut out small, so that the specific surface area is generally larger, but it should be about the specific surface area of the air electrode according to the present invention. For example, it can be said that the specific surface area of the sample of the above size and the sheet state are the same. Then, it baked at 1100 degreeC for 2 hours similarly to the baking conditions of the air electrode, and produced the air electrode layer pellet for a specific surface area measurement. However, in Comparative Examples 1 to 3, the firing temperature was set to 1000 ° C. in order to suppress the sintering of the air electrode material and increase the specific surface area.
得られた比表面積測定用空気極層ペレットについて、全自動比表面積測定装置(「Macsorb Model−1201」Mountech社製)を用いて比表面積を測定した。結果を表1に示す。 About the obtained air electrode layer pellet for specific surface area measurement, the specific surface area was measured using the fully automatic specific surface area measuring apparatus ("Macsorb Model-1201" product made by Mounttech). The results are shown in Table 1.
試験例2:電池性能評価試験
実施例1〜3および比較例1〜3で作製した各SOFCについて、以下の方法で電池性能を評価した。具体的には、燃料極に100mL/分の窒素を、空気極に100mL/分の空気を供給しつつ、100℃/時間の速度で測定温度である750℃まで昇温した。昇温後、燃料極および空気極の出口側のガスの流量を流量計で測定し、漏れが無いことを確認した。次いで、水素を6mL/分および窒素を194mL/分含む加湿混合ガスを燃料極へ、200mL/分の空気を空気極へ供給した。1時間以上経過後に起電力が発生し、漏れが無いことを再度確認した後、燃料極側ガスを加湿器に流通させて水素と水蒸気が合計で200mL/分の流量になるように調整して燃料極へ供給し、起電力が安定してから10分以上経過後に、起電力が理論起電力の95〜100%の範囲にあることを確認してから、電流−電圧特性による電池性能評価試験を実施した。得られた電流−電圧特性から、実施例1〜3および比較例1〜3の各SOFCの出力密度を求めた。電圧0.70Vにおける単位面積当たりの出力密度を表1に示す。
Test Example 2: Battery Performance Evaluation Test For each SOFC produced in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3, the battery performance was evaluated by the following method. Specifically, the temperature was raised to 750 ° C. as the measurement temperature at a rate of 100 ° C./hour while supplying 100 mL / min of nitrogen to the fuel electrode and 100 mL / min of air to the air electrode. After raising the temperature, the flow rate of the gas on the outlet side of the fuel electrode and the air electrode was measured with a flow meter, and it was confirmed that there was no leakage. Next, a humidified mixed gas containing 6 mL / min of hydrogen and 194 mL / min of nitrogen was supplied to the fuel electrode, and 200 mL / min of air was supplied to the air electrode. After confirming that electromotive force is generated after 1 hour or more has passed and there is no leakage, adjust the fuel and gas to flow in a humidifier so that the total flow rate of hydrogen and water vapor is 200 mL / min. Battery performance evaluation test based on current-voltage characteristics after confirming that the electromotive force is in the range of 95 to 100% of the theoretical electromotive force after 10 minutes have passed since the electromotive force has been stabilized after being supplied to the fuel electrode Carried out. From the obtained current-voltage characteristics, the output densities of the SOFCs of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were determined. Table 1 shows the output density per unit area at a voltage of 0.70V.
表1に示される結果のとおり、組成が同一であるSOFC間で出力密度を比較すると、実施例1のSOFCは比較例1のSOFCと比較して7.5%、実施例2のSOFCは比較例2のSOFCと比較して27.4%、実施例3のSOFCは比較例3のSOFCと比較して3.8%、それぞれ出力密度が向上していることが確認された。 As shown in Table 1, when comparing the power density between SOFCs having the same composition, the SOFC of Example 1 is 7.5% compared with the SOFC of Comparative Example 1, and the SOFC of Example 2 is compared. It was confirmed that the output density was improved by 27.4% compared with the SOFC of Example 2 and the SOFC of Example 3 by 3.8% compared with the SOFC of Comparative Example 3.
以上の結果から、空気極層が本発明で特定された比表面積を満たすことで、SOFCの発電性能を向上できることが確認された。 From the above results, it was confirmed that the power generation performance of the SOFC can be improved when the air electrode layer satisfies the specific surface area specified in the present invention.
Claims (5)
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JP2022523304A (en) * | 2019-01-25 | 2022-04-22 | セラミック パウダー テクノロジー エーエス | Ceramic composite oxide |
CN118073584A (en) * | 2024-03-12 | 2024-05-24 | 中国矿业大学 | A composite cathode material and preparation method thereof and medium-low temperature solid oxide fuel cell |
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- 2016-02-15 JP JP2016026249A patent/JP2017147053A/en active Pending
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