JP4849774B2 - Solid electrolyte fuel cell and solid electrolyte fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、固体電解質形燃料電池に関するものであり、より詳細には、酸素極を反応防止層を介して固体電解質層上に設けた固体電解質形の燃料電池セル及び燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a solid electrolyte fuel cell, and more particularly, to a fuel cell and a fuel cell of a solid electrolyte having a oxygen electrode through the reaction-preventing layer on the solid electrolyte layer.
次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セルを複数接続してなるセルスタックを収納容器に収容した燃料電池が種々提案されている。このような燃料電池には、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体電解質形など、各種のものが知られているが、中でも固体電界質形の燃料電池は、作動温度が800〜1000℃と高いものの、発電効率が高く、また排熱利用ができるなどの利点を有しており、その研究開発が推し進められている。 In recent years, various fuel cells in which a cell stack formed by connecting a plurality of fuel cells is accommodated in a storage container have been proposed as next-generation energy. Various types of fuel cells are known, such as solid polymer type, phosphoric acid type, molten carbonate type, and solid electrolyte type. Among them, solid electrolyte type fuel cells have an operating temperature. Although it is as high as 800 to 1000 ° C., it has advantages such as high power generation efficiency and the ability to use exhaust heat, and its research and development is being promoted.
固体電解質形の燃料電池セルは、固体電解質層の一方の面に、燃料極を設け、他方の面に酸素極(空気極)を設けた基本構造を有している。このような固体電解質形燃料電池セルにおいては、一般に、固体電解質の酸素イオン伝導性は600℃程度から高くなるため、600℃以上の温度域で、酸素極側に酸素を含むガスを、燃料極側に水素を含むガスを各々供給することで、酸素極と燃料極間の酸素濃度差に基づき、両極間で電位差が発生する。 A solid electrolyte fuel cell has a basic structure in which a fuel electrode is provided on one surface of a solid electrolyte layer and an oxygen electrode (air electrode) is provided on the other surface. In such a solid electrolyte fuel cell, since the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte generally increases from about 600 ° C., a gas containing oxygen on the oxygen electrode side in the temperature range of 600 ° C. or higher is used as the fuel electrode. By supplying each gas containing hydrogen to the side, a potential difference is generated between both electrodes based on the oxygen concentration difference between the oxygen electrode and the fuel electrode.
酸素極から固体電解質を通じて燃料極へ移動した酸素イオンは、燃料極で水素イオンと結合して水となる。このとき、同時に電子の移動が起こる。従って、燃料電池では、酸素を含むガスと水素を含むガスとを供給することで、以上の反応を連続して起こし、発電する。即ち、酸素極及び燃料極で、それぞれ、下記式で表される電極反応を生じることによって発電する。 Oxygen ions that have moved from the oxygen electrode to the fuel electrode through the solid electrolyte are combined with hydrogen ions at the fuel electrode to become water. At this time, electrons move simultaneously. Therefore, in the fuel cell, by supplying a gas containing oxygen and a gas containing hydrogen, the above reaction is continuously caused to generate electric power. That is, power is generated by causing an electrode reaction represented by the following formula at the oxygen electrode and the fuel electrode, respectively.
酸素極: 1/2O2+2e− →O2−(固体電解質)
燃料極: O2−(固体電解質)+H2 → H2O+2e−
Oxygen electrode: 1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (solid electrolyte)
Fuel electrode: O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e −
通常、使用される固体電解質形燃料電池セルでは、例えば、上記のようなセル構造を、内部にガス通路を備えた多孔質の導電性支持体上に形成し、導電性支持体内部のガス通路に燃料ガス(水素ガス)を流すことにより、導電性支持体を介して燃料極表面に水素を供給すると同時に、酸素極の外面に空気等の酸素含有ガスを流すことにより、酸素極表面に酸素を供給し、これにより、各電極で上記のような電極反応を生じせしめ、発電した電流を、導電性支持体に設けられているインターコネクタにより取り出すようになっている。このような構造の燃料電池セルは、その複数を集電部材により互いに直列に接続してセルスタックとし、このようなセルスタックを複数、適当な収納容器内に収容し、各セルスタックを導電部材により接続することにより、燃料電池として使用される。 Usually, in the solid oxide fuel cell used, for example, the cell structure as described above is formed on a porous conductive support having a gas passage therein, and the gas passage inside the conductive support is formed. By supplying a fuel gas (hydrogen gas) to the surface of the fuel electrode, hydrogen is supplied to the surface of the fuel electrode via the conductive support, and at the same time, an oxygen-containing gas such as air is flowed to the outer surface of the oxygen electrode to As a result, an electrode reaction as described above is caused at each electrode, and the generated current is taken out by an interconnector provided on the conductive support. Fuel cell having such a structure, the cell stack by connecting the plurality in series with each other by the current collecting member, to accommodate such a cell stack multiple, in a suitable retract and container, conductive each cell stack By connecting with a member, it is used as a fuel cell.
上記の様な固体電解質形燃料電池セルにおいては、特に酸素極形成材料として、La−Sr−Co系ペロブスカイト型複合酸化物が、酸素イオンに対して表面拡散機能と体積拡散とを有し、低温での動作性に優れているという点で広く使用されるようになっている(例えば特許文献1参照)。 In the solid electrolyte fuel cell as described above, especially as an oxygen electrode forming material, a La—Sr—Co based perovskite complex oxide has a surface diffusion function and a volume diffusion with respect to oxygen ions, and has a low temperature. It is widely used in that it has excellent operability in (see, for example, Patent Document 1).
また、発電時や製造時における加熱により、酸素極から固体電解質層への元素拡散を生じ、このような元素拡散によって酸素極と固体電解質層の界面に絶縁層が形成されてしまうことが知られており、このような元素拡散を防止するために、固体電解質層と酸素極との間に、例えばイオン伝導性や電子伝導性材料(例えばCe酸化物)からなる反応防止層を設けることが提案されている(例えば特許文献2参照)
しかしながら、上記のように反応防止層を酸素極と固体電解質層との界面に設けた場合には、酸素極の本来の特性が低下してしまうという問題があった。特に、前述した酸素イオンに対して表面拡散機能と体積拡散機能とを有する電極材料によって酸素極を形成した場合にも、その性能が十分に発揮されず、高出力を得ることができないという問題があった。 However, when the reaction preventing layer is provided at the interface between the oxygen electrode and the solid electrolyte layer as described above, there is a problem that the original characteristics of the oxygen electrode are deteriorated. In particular, even when an oxygen electrode is formed with an electrode material having a surface diffusion function and a volume diffusion function with respect to the oxygen ions described above, there is a problem that the performance is not sufficiently exhibited and high output cannot be obtained. there were.
従って本発明の目的は、酸素極と固体電解質層との間に反応防止層を形成した場合においても、酸素極本来の特性が損なわれず、十分な出力を確保することが可能な固体電解質形燃料電池セル及び燃料電池を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid electrolyte fuel capable of ensuring a sufficient output without damaging the original characteristics of the oxygen electrode even when a reaction preventing layer is formed between the oxygen electrode and the solid electrolyte layer. It aims at providing a battery cell and a fuel cell.
本発明によれば、固体電解質層の一方の面に酸素極層を有し、他方の面に燃料極層を有しているとともに、前記酸素極層は反応防止層を介して前記固体電解質層上に設けられている固体電解質形燃料電池セルにおいて、
前記酸素極層は、ペロブスカイト型複合酸化物の焼結体粒子からなり、単層構造であるとともに、下記式(1):
W=n1・L …(1)
式中、n1は、前記固体電解質形燃料電池セルを、任意の異なる3箇所で切断し、各切断面における前記酸素極層と前記反応防止層との界面で測定した単位長さ(10μm)当りの接点数の平均値を示し、Lは、前記酸素極層の厚み(μm)を示す、
で定義される極機能指数Wが300〜500となり、且つ5≦n 1 ≦20であるように形成されていることを特徴とする固体電解質形燃料電池セルが提供される。
また、本発明によれば、
固体電解質層の一方の面に酸素極層を有し、他方の面に燃料極層を有しているとともに、前記酸素極層は反応防止層を介して前記固体電解質層上に設けられている固体電解質形燃料電池セルにおいて、前記酸素極層が、前記反応防止層側に位置する内層と、表面側に位置する表面層との2層構造を有しており、前記内層が、CeO2にSm2O3が固溶した複合酸化物の粒子と、ペロブスカイト型複合酸化物の粒子との混合焼結体粒子から形成され、前記表面層が、ペロブスカイト型複合酸化物の焼結体粒子から形成されているとともに、
前記酸素極層における前記内層及び前記表面層は、下記式(2)乃至(6):
W1=n1・L1 …(2)
W2=n2・L2 …(3)
W=W1+W2 …(4)
n1>n2 …(5)
L1<L2 …(6)
式中、n1は、前記固体電解質形燃料電池セルを、任意の異なる3箇所で切断し、各切断面における前記内層と前記反応防止層との界面で測定した単位長さ(10μm)当りの接点数の平均値を示し、
L1は、前記内層の厚み(μm)を示し、
n2は前記固体電解質形燃料電池セルを、任意の異なる3箇所で切断し、各切断面における前記内層と前記表面層との界面で測定した単位長さ(10μm)当りの接点数の平均値を示し、
L2は、前記表面層の厚み(μm)を示す、
で定義される極機能指数Wが300〜500となり、且つ30≦L 2 ≦70であるように形成されていることを特徴とする固体電解質形燃料電池セルが提供される。
本発明によれば、また、上記の固体電解質形燃料電池セルを収納容器内に収納してなることを特徴とする固体電解質形燃料電池が提供される。
According to the present invention, the solid electrolyte layer has an oxygen electrode layer on one surface and a fuel electrode layer on the other surface, and the oxygen electrode layer is interposed between the solid electrolyte layer and the reaction preventing layer. In the solid oxide fuel cell provided above,
The oxygen electrode layer is made of sintered particles of perovskite complex oxide, has a single layer structure, and has the following formula (1):
W = n 1 · L (1)
In the formula, n 1 is a unit length (10 μm) measured at the interface between the oxygen electrode layer and the reaction preventing layer at each of the cut surfaces by cutting the solid electrolyte fuel cell at three different points. The average value of the number of contacts per contact, L represents the thickness (μm) of the oxygen electrode layer,
In being defined electrode function index W is Ri Do and 300 to 500, a solid electrolyte fuel cell, characterized by being formed and 5 ≦ n 1 ≦ 20 der so that is provided.
Moreover, according to the present invention,
The solid electrolyte layer has an oxygen electrode layer on one surface and a fuel electrode layer on the other surface, and the oxygen electrode layer is provided on the solid electrolyte layer via a reaction preventing layer. in the solid electrolyte fuel cell, the oxygen electrode layer is an inner layer positioned on the reaction preventing layer side, has a two-layer structure of a surface layer located on the surface side, wherein the inner layer, the CeO 2 It is formed from a mixed sintered particle of composite oxide particles in which Sm 2 O 3 is dissolved and perovskite composite oxide particles, and the surface layer is formed from sintered particles of perovskite composite oxide. As well as
It said inner layer and said surface layer in the oxygen electrode layer is represented by the following formula (2) to (6):
W 1 = n 1 · L 1 (2)
W 2 = n 2 · L 2 (3)
W = W 1 + W 2 (4)
n 1 > n 2 (5)
L 1 <L 2 (6)
In the formula, n 1 is a unit per unit length (10 μm) measured at the interface between the inner layer and the reaction preventing layer at each of the cut surfaces by cutting the solid oxide fuel cell at three different points. Shows the average number of contacts,
L 1 represents the thickness (μm) of the inner layer,
n 2 is an average value of the number of contacts per unit length (10 μm) measured at the interface between the inner layer and the surface layer in each cut surface by cutting the solid electrolyte fuel cell at three different points. Indicate
L 2 represents the thickness (μm) of the surface layer,
In being defined electrode function index W is Ri Do and 300 to 500, a solid electrolyte fuel cell, characterized by being formed and 30 ≦ L 2 ≦ 70 der so that is provided.
According to the present invention, there is also provided a solid oxide fuel cell characterized in that the solid electrolyte fuel cell is accommodated in a storage container.
本発明においては、前記いずれの固体電解質形燃料電池セルにおいても、
(a)前記反応防止層が、CeO2にSm2O3が固溶した複合酸化物の焼結体からなること、
(b)前記反応防止層を形成する前記複合酸化物が、下記一般式:
(CeO2)1−x(SmO3/2)x
式中、xは、0<x≦0.3の数である、
で表されるモル組成を有していること、
(c)前記ペロブスカイト型複合酸化物が(La,Sr)(Co,Fe)O3系酸化物であること、
が好適である。
In the present invention, in any of the solid oxide fuel cells,
(A) The reaction preventing layer is made of a composite oxide sintered body in which Sm 2 O 3 is solid-solved in CeO 2 ;
(B) The composite oxide forming the reaction preventing layer has the following general formula:
(CeO 2 ) 1-x (SmO 3/2 ) x
Where x is a number 0 <x ≦ 0.3.
Having a molar composition represented by:
(C) the perovskite complex oxide is a (La, Sr) (Co, Fe) O 3 oxide;
Is preferred.
本発明では、反応防止層を介して固体電解質層上に形成される酸素極層を、前記式(1)で定義される極機能指数Wが300〜500となるように形成することにより、酸素極層の本来の特性が十分に発揮され、例えばLa−Sr−Co系のペロブスカイト型酸化物のように、酸素イオンに対して表面拡散機能と体積拡散機能とを有する材料で酸素極を形成した場合にも、その表面拡散機能と体積拡散機能とが十分に発現し、高出力を得ることができるのである。 In the present invention, the oxygen electrode layer formed on the solid electrolyte layer via the reaction preventing layer is formed so that the polar function index W defined by the above formula (1) is 300 to 500, whereby oxygen The original characteristics of the electrode layer are sufficiently exhibited, and the oxygen electrode is formed of a material having a surface diffusion function and a volume diffusion function with respect to oxygen ions, such as a La-Sr-Co perovskite oxide. Even in this case, the surface diffusion function and the volume diffusion function are sufficiently developed, and a high output can be obtained.
即ち、酸素イオンに対する酸素極の機能には、表面拡散機能と体積拡散機能とがあり、表面拡散機能は、気相の酸素が酸素極表面で活性な原子状酸素となり、これが反応場となって電極表面を通って反応防止層(或いは固体電解質層)との界面に移行し、その界面から電子を受け取り酸素イオンを生成するというものであり、一方、体積拡散機能は、気相酸素が酸素極から電子を受け取り、生成した酸素イオンが反応防止層(或いは固体電解質層)との界面に移行するというものである。本発明においては、極機能指数Wが一定の範囲となるように酸素極を形成することにより、表面拡散機能と体積拡散機能の両方がバランスよく発現することとなる。 That is, the functions of the oxygen electrode with respect to oxygen ions include a surface diffusion function and a volume diffusion function. In the surface diffusion function, gas phase oxygen becomes atomic oxygen active on the surface of the oxygen electrode, and this serves as a reaction field. It moves to the interface with the reaction preventing layer (or solid electrolyte layer) through the electrode surface and receives electrons from the interface to generate oxygen ions. On the other hand, the volume diffusion function is that the gas phase oxygen is the oxygen electrode. The generated oxygen ions are transferred to the interface with the reaction preventing layer (or the solid electrolyte layer). In the present invention, by forming the oxygen electrode so that the polar function index W is in a certain range, both the surface diffusion function and the volume diffusion function are expressed in a balanced manner.
例えば、本発明の機能を説明するための図4を参照されたい。図4において、Aは反応防止層を示し、Bは酸素極層を示す。 For example, please refer to FIG. 4 for explaining the function of the present invention. In FIG. 4, A shows a reaction preventing layer and B shows an oxygen electrode layer.
即ち、反応防止層Aと酸素極層Bとの接点数n1が多く、且つ酸素極層Bの厚みLが厚いと(図4(a)参照)、体積拡散が主となり、反応防止層Bとの界面まで空気(酸素)が行き渡りにくいため、表面拡散機能がほとんど発現しない。また、接点数n1が少なく、且つ酸素極層Bの厚みLが厚いと(図4(b)参照)、体積拡散が生じにくくなり、表面拡散が主となるが、反応場が少なく、表面拡散機能も低い。さらに、接点数n1が多く、且つ酸素極層Bの厚みLが薄いと(図4(c)参照)、反応場が多く、表面拡散機能は十分に発現するが、体積拡散する粒子数が少なく、体積拡散機能が不満足となってしまう。しかるに、本発明にしたがって、極機能指数Wが前述した一定の範囲となるように酸素極層Bを形成すると(図4(d)参照)、接点数n1及び酸素極層Bの厚みLが何れも適度な範囲となり、この結果、体積拡散及び表面拡散の両方が十分に機能し、空気(酸素)利用率が高められ、高出力を確保することができるのである。 That is, many contact number n 1 of the reaction-preventing layer A and the oxygen electrode layer B, and the thickness L of the oxygen electrode layer B is thicker (see FIG. 4 (a)), volume diffusion is mainly, reaction-preventing layer B Because the air (oxygen) is difficult to reach the interface, the surface diffusion function is hardly expressed. Also, fewer number of contacts n 1, and the thickness L of the oxygen electrode layer B is thick (see FIG. 4 (b)), it hardly occurs volume diffusion, the surface diffusion is the main, less reaction field, surface The diffusion function is also low. Further, many contact number n 1, and the thickness L of the oxygen electrode layer B is thin (see FIG. 4 (c)), the reaction field is large, although the surface diffusion function is sufficiently expressed, the number of particles by volume diffusion The volume diffusion function is unsatisfactory. However, according to the present invention, the electrode function index W to form an oxygen electrode layer B to be constant in the range described above (see FIG. 4 (d)), the thickness L of the contact number n 1 and the oxygen electrode layer B Both are in an appropriate range. As a result, both volume diffusion and surface diffusion function sufficiently, the utilization rate of air (oxygen) is increased, and high output can be secured.
本発明を、以下、添付図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明の固体電解質形燃料電池セルの縦断面図であり、
図2は、本発明の固体電解質形燃料電池セルの他の例を示す要部断面図であり、
図3は、本発明の固体電解質形燃料電池セルを用いて形成されたセルスタックを示す概略断面図である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on specific examples shown in the accompanying drawings.
Figure 1 is a longitudinal sectional view of a solid electrolyte fuel cell of the present invention,
FIG. 2 is a cross-sectional view of an essential part showing another example of the solid oxide fuel cell of the present invention,
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a cell stack formed using the solid oxide fuel cell of the present invention.
図1において、全体として1で示す本発明の固体電解質形燃料電池セル(以下、燃料電池セルと略す場合がある)は、細長棒状であり、断面が扁平状で、全体的にみて楕円形状(平板棒状)の支持基板2を備えている。支持基板2の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス通路2aが軸方向に貫通して形成されており、この支持基板1上に、以下に述べるセル構造が形成されており、このような燃料電池セル1の複数を、図3に示すように、集電部材20により互いに直列に接続することにより、燃料電池を構成するセルスタックが形成される。
In FIG. 1, the solid electrolyte fuel cell of the present invention indicated by 1 as a whole (hereinafter sometimes abbreviated as “fuel cell”) has an elongated rod shape, a flat cross section, and an elliptical shape as a whole ( A flat-
支持基板2は、図1に示されているように、平坦部Aと平坦部Aの両端に形成された曲率部Bとからなっている。平坦部Aの両面は互いにほぼ平行に形成されており、平坦部Aの一方の面上に、燃料極層5が設けられており、この燃料極層5を覆うように緻密質な固体電解質層7が積層されている。また、固体電解質層7の上には、燃料極層5と対面するように、平坦部Aの一方の表面から両側の弧状部Bにかけて反応防止層9及び酸素極層11が、この順に積層されている。さらに、支持基板2の平坦部Aの他方の表面には、インターコネクタ13が形成されている。図1から明らかな通り、固体電解質層7は、インターコネクタ13の両サイドにまで延びており、支持基板2の表面が外部に露出しないように構成されている。
As shown in FIG. 1, the
上記のような構造の燃料電池セルでは、固体電解質層7を間に挟んで燃料極層5と酸素極層11とが対面する部分が発電部となる。即ち、酸素極層11の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持基板2内のガス通路2aに燃料ガス(水素)を流し、所定の作動温度まで加熱することにより、酸素極層11及び燃料極層5で前述した電極反応を生じることによって発電する。
In the fuel cell having the above structure, the portion where the
かかる発電によって生成した電流は、支持基板2に取り付けられているインターコネクタ13を介して集電される。
The current generated by such power generation is collected via the
(支持基板2)
上記のような構造を有する本発明の燃料電池セル1において、支持基板2は、燃料ガスを燃料極層5まで透過させるためにガス透過性であること、及びインターコネクタ13を介しての集電を行うために導電性であることが要求されるが、このような要求を満たすと同時に、同時焼成により生じる不都合を回避するために、鉄属金属成分と特定の希土類酸化物とから支持基板2を構成するのがよい。
(Support substrate 2)
In the
鉄族金属成分は、支持基板2に導電性を付与するためのものであり、鉄族金属単体であってもよいし、また鉄族金属酸化物、鉄族金属の合金もしくは合金酸化物であってもよい。鉄族金属には、鉄、ニッケル及びコバルトがあり、本発明では、何れをも使用することができるが、安価であること及び燃料ガス中で安定であることからNi及び/またはNiOを鉄族金属成分として含有していることが好ましい。
The iron group metal component is for imparting conductivity to the
また希土類酸化物成分は、支持基板2の熱膨張係数を、固体電解質層7の熱膨張係数と近似させるために使用されるものであり、高い導電率を維持し且つ固体電解質層7等への元素拡散を防止するために、Y,Lu,Yb,Tm,Er,Ho,Dy,Gd,Sm,Prからなる群より選ばれた少なくとも1種の希土類元素を含む希土類酸化物が、上記鉄族成分と組合せで使用することが好適である。このような希土類酸化物としては、Y2O3、Lu2O3、Yb2O3、Tm2O3、Er2O3、Ho2O3、Dy2O3、Gd2O3、Sm2O3、Pr2O3を例示することができ、特に安価であるという点で、Y2O3、Yb2O3が好適である。
The rare earth oxide component is used for approximating the thermal expansion coefficient of the
これらの希土類酸化物は、焼成時や発電中において、鉄族金属やその酸化物との固溶、反応をほとんど生じることがなく、しかも、支持基板2中の鉄族金属或いはその酸化物、及び上記希土類酸化物は、何れも拡散しにくい。従って、支持基板2と固体電解質層7とが同時焼成された場合においても、希土類元素の固体電解質層7への拡散が有効に抑制され、固体電解質層7のイオン伝導度等への悪影響を回避することができる。
These rare earth oxides hardly cause solid solution or reaction with the iron group metal or its oxide during firing or during power generation, and the iron group metal or its oxide in the
本発明においては、特に支持基板2の熱膨張係数を固体電解質層7の熱膨張係数に近似させるという点で、上記の鉄族金属成分は、支持基板2中に65〜35体積%の量で含まれ、上記の希土類酸化物は、支持基板2中に35〜65体積%の量で含まれていることが好適である。尚、支持基板2中には、要求される特性が損なわれない限りの範囲で他の金属成分や酸化物成分を含有していてもよい。
In the present invention, in particular, the iron group metal component is contained in the
上記のような鉄族金属成分と希土類酸化物とから構成される支持基板2は、燃料ガス透過性を有していることが必要であるため、通常、開気孔率が30%以上、特に35乃至50%の範囲にあることが好適である。また、支持基板2の導電率は、300S/cm以上、特に440S/cm以上であることが好ましい。
Since the
また、支持基板31の平坦部Aの長さは、通常、15〜35mm、曲率部Bの長さ(弧の長さ)は、3〜8mm程度であり、支持基板2の厚みは(平坦部Aの両面の間隔)は2.5〜5mm程度であることが望ましい。
Further, the length of the flat portion A of the support substrate 31 is normally 15 to 35 mm, the length of the curvature portion B (the length of the arc) is about 3 to 8 mm, and the thickness of the
(燃料極層5)
本発明において、燃料極層5は、電極反応を生じせしめるものであり、それ自体公知の多孔質のサーメットから形成される。例えば、希土類元素が固溶しているZrO2或いはCeO2と、Ni及び/またはNiOとから形成される。
(Fuel electrode layer 5)
In the present invention, the
燃料極層5中の上記ZrO2或いはCeO2含量は、35乃至65体積%の範囲にあるのが好ましく、またNi或いはNiO含量は、65乃至35体積%であるのがよい。さらに、この燃料極層5の開気孔率は、15%以上、特に20乃至40%の範囲にあるのがよく、その厚みは、性能低下及び熱膨張差による剥離等を防止するため、1〜30μmであることが望ましい。
The ZrO 2 or CeO 2 content in the
また、ZrO2或いはCeO2中に固溶している希土類元素としては、支持基板2で使用する希土類酸化物に関して示したものと同様のものを例示することができるが、セルの分極値を低くするという点で、ZrO2に対してはYが3乃至10モル%程度、CeO2に対してはSmが5〜20モル%程度固溶しているものが好ましい。
In addition, as the rare earth element dissolved in ZrO 2 or CeO 2 , the same elements as those shown for the rare earth oxide used in the
さらに、この燃料極層5は、少なくとも酸素極層11に対面する位置に存在していればよい。即ち、図1の例では、支持基板2の一方側の平坦部Aから他方の平坦部Aまで延びており、インターコネクタ13の両端まで延びているが、一方側の平坦部Aにのみ形成されていてもよいし、更には支持基板2の全周にわたって燃料極層5を形成することも可能である。
Further, it is sufficient that the
尚、図示されていないが、必要により、上記の燃料極層5上に拡散抑制層(反応防止層9とは異なる)を設け、このような拡散抑制層を燃料極層5と固体電解質層7との間に介在させることもできる。この拡散抑制層は、燃料極層や支持基板2からの固体電解質層7への元素拡散を抑制し、絶縁層形成による性能低下を回避するためのものであり、Laが固溶したCeO2、又はCeが固溶したLa2O3、あるいはそれらの混合体から形成される。さらに、元素拡散を遮断または抑制する効果を高めるために、他の希土類元素の酸化物が、この反応防止層に含有されていてもよい。この希土類元素としては、Sc,Y,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luを例示することができる。
Although not shown, if necessary, a diffusion suppression layer (different from the reaction preventing layer 9) is provided on the
また、このような拡散抑制層は、固体電解質層7と共に、インターコネクタ13の両端部まで延びていることが好ましい。これにより、支持基板2や燃料極層5から固体電解質層7への元素拡散を確実に防止することができるからである。
Moreover, it is preferable that such a diffusion suppression layer extends to both ends of the
(固体電解質層7)
固体電解質層7は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有すると同時に、燃料ガスと空気等の酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有していることが必要である。従って、固体電解質層7としては、このような特性を備えている緻密質なセラミックス、例えば、3〜15モル%の希土類元素が固溶した安定化ZrO2を用いて形成されることが好ましい。この安定化ZrO2中の希土類元素としては、Sc,Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Td,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luを例示することができるが、安価であるという点で、Y,Ybが好適である。
(Solid electrolyte layer 7)
The
さらには、LaとGaを含むペロブスカイト型ランタンガレート系複合酸化物も固体電解質として使用することができる。この複合酸化物は、高い酸素イオン伝導性を有するものであり、これを固体電解質として使用することにより、高い発電効率を得ることができる。このランタンガレート系複合酸化物は、AサイトにLaおよびSr、BサイトにGaおよびMgを有するものであり、例えば下記一般式(i):
(La1−xSrx)(Ga1−yMgy)O3 …(i)
式中、xは、0<x<0.3の数であり、
yは、0<y<0.3の数である、
で表される組成を有していることが望ましい。このような組成の複合酸化物を固体電解質として使用することによっても、高い発電性能を発揮させることができる。
Furthermore, a perovskite-type lanthanum gallate complex oxide containing La and Ga can also be used as the solid electrolyte. This composite oxide has high oxygen ion conductivity, and high power generation efficiency can be obtained by using it as a solid electrolyte. This lanthanum gallate complex oxide has La and Sr at the A site, and Ga and Mg at the B site. For example, the following general formula (i):
(La 1-x Sr x) (Ga 1-y Mg y) O 3 ... (i)
Where x is a number 0 <x <0.3;
y is a number 0 <y <0.3,
It is desirable to have the composition represented by these. High power generation performance can also be exhibited by using a composite oxide having such a composition as a solid electrolyte.
上記の固体電解質層7は、ガス透過を防止するという点から10〜100μmの厚みを有し、さらに相対密度(アルキメデス法による)が93%以上、特に95%以上であることが望ましい。
The
(反応防止層9)
固体電解質層7上に形成され、酸素極層11と固体電解質層7との間に介在する反応防止層9は、酸素極層11から固体電解質層7への元素拡散を遮断するためのものであり、一般にCe含有の複合酸化物の焼結体により形成することが好ましい。このCe含有の複合酸化物としては、CeO2にSm2O3が固溶した複合酸化物、特に下記一般式(ii):
(CeO2)1−x(SmO3/2)x …(ii)
式中、xは、0<x≦0.3、特に0.1≦x≦0.2の数である、
で表される組成を有する複合酸化物が、高い元素拡散遮断性に加えて、酸素イオン導電性及び電子伝導性に優れているという点で、極めて好適に使用される。即ち、上記モル組成を有するようなCe系複合酸化物(以下、SDC複合酸化物と呼ぶことがある)を用いて反応防止層9を形成することにより、固体電解質層7との界面で三相界面を形成し、電極反応を阻害させたり或いは電極間抵抗を増大することなく、酸素極層11から固体電解質層7への元素拡散を有効に遮断することが可能となる。尚、上記のCe系複合酸化物の優れた特性を損なわない範囲において、必要により、他の希土類元素酸化物を併用して反応防止層9を形成することもできる。
(Reaction prevention layer 9)
The
(CeO 2 ) 1-x (SmO 3/2 ) x (ii)
Where x is a number 0 <x ≦ 0.3, in particular 0.1 ≦ x ≦ 0.2.
In addition to high element diffusion barrier properties, the composite oxide having the composition represented by the above is used very suitably in that it is excellent in oxygen ion conductivity and electronic conductivity. That is, by forming the
尚、かかる反応防止層9は、所定の元素拡散遮断機能を示し且つ電極反応を阻害しないため、一般に、相対密度が80%以上の比較的緻密な焼結体で形成され、且つその厚みは、3乃至10μm程度であるのがよい。
In addition, since the
(酸素極層11)
上記の反応防止層9上に形成される酸素極層11は、前述した電極反応を生じせしめるものであり、図1に示されているように、固体電解質層7を間に挟んで、前述した燃料極層5と対面するような位置に配置されている。即ち、少なくとも支持体2の一方の平坦部A上に位置する部分に配置される。
(Oxygen electrode layer 11)
The
かかる酸素極層11は、所謂ABO3型のペロブスカイト型酸化物の焼結体粒子からなる。このようなペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属型ペロブスカイト酸化物、特にAサイトにLaを有するLaMnO3系酸化物、LaFeO3系酸化物、LaCoO3系酸化物の少なくとも一種が好適であり、600〜1000℃程度の比較的低温での電気伝導性が高く、酸素イオンに対して優れた表面拡散機能と体積拡散機能とを示すという点から、(La,Sr)(Co,Fe)O3系酸化物(以下、La−Sr−Co系複合酸化物と呼ぶことがある)、例えば下記一般式(iii):
LaySr1−yCoZFe1−ZO3 …(iii)
式中、yは、0.5≦y≦0.7の数であり、
zは、0.2≦z≦0.8の数である、
で表される組成を有する複合酸化物が特に好適である。
The
La y Sr 1-y Co Z Fe 1-Z O 3 ... (iii)
In the formula, y is a number satisfying 0.5 ≦ y ≦ 0.7,
z is a number of 0.2 ≦ z ≦ 0.8,
A composite oxide having a composition represented by:
本発明においては、酸素極層11の表面拡散機能及び体積拡散機能を十分に発揮させ、出力を高めるために、酸素極層はペロブスカイト型複合酸化物の焼結体粒子からなり、単層構造であるとともに、前記式(1)、即ち、
W=n1・L …(1)
式中、n1は、前記固体電解質形燃料電池セルを、任意の異なる3箇所で切断し、各切断面における前記酸素極層と前記反応防止層との界面で測定した単位長さ(10μm)当りの接点数を示し、
Lは、酸素極層11の厚み(μm)を示す、
で定義される極機能指数Wが300〜500、好ましくは、350〜450となるように酸素極層11が形成される。即ち、既に述べたように、極機能指数Wが上記範囲となるように、酸素極層11と反応防止層9との界面での接点数n1と酸素極層11との厚みLを調整することにより、酸素極層11の表面拡散機能と体積拡散機能とがバランスよく、十分に発揮され、酸素含有ガス(空気)の利用率が向上し、高出力を確保することができるのである。特に、上述した(La,Sr)(Co,Fe)O3系酸化物を用いて酸素極層11を形成する場合には、該酸化物の優れた表面拡散機能及び体積拡散機能が十分に発揮されるため、本発明においては、最も効果的である。
In the present invention, in order to fully exhibit the surface diffusion function and volume diffusion function of the
W = n 1 · L (1)
In the formula, n 1 is a unit length (10 μm) measured at the interface between the oxygen electrode layer and the reaction preventing layer at each of the cut surfaces by cutting the solid electrolyte fuel cell at three different points. Indicates the number of contacts per contact,
L represents the thickness (μm) of the
The
尚、酸素極層11と反応防止層9との接点数n1は、燃料電池セルを切断し、その切断面において、酸素極層11と反応防止層9との界面を電子顕微鏡で観察することにより測定することができ、例えば、後述する実施例に示したように、任意の位置に3箇所の切断面を形成し、各切断面において、界面での単位長さ(10μm)当りの接点数を測定し、その平均値として求められる。一般に、この接点数n1は、酸素極層11の極端な薄層化による強度低下や極端な圧肉化を避けるため、5乃至15個程度の範囲に設定することが好ましい。
The number of contacts n 1 between the
また、接点数n1の調整は、後述するように、焼成条件や、酸素極層11の形成に際してのコーティング条件の調整などによって行うことができる。
The number of contacts n 1 can be adjusted by adjusting the firing conditions or the coating conditions when forming the
本発明においては、酸素極層11を2層に分割して形成することもできる。即ち、図2に示すように、酸素極層11を、反応防止層9側に位置する内層11aと、その上に形成される表面層11bとから構成することにより、酸素極層11と反応防止層9との接合強度を高めることができる。例えば、酸素極層11が単層構造の場合、長時間にわたって発電を行うと、反応防止層9と酸素極層11との界面で部分的に剥離を生じ、燃料電池セルの性能低下を引き起こすことがあるが、酸素極層11を上記のような2層構造とすることにより、両層の接合強度を高め、このような不都合を有効に防止することができる。
In the present invention, the
図2のような酸素極層11の2層構造において、内層11aは、前述したLa−Sr−Co系複合酸化物からなるセラミック粒子に加え、反応防止層9の形成に使用されるCe含有の複合酸化物、特に一般式(ii)のSDC複合酸化物からなるセラミック粒子との混合粒子から形成され、表面層11bは、前述したLa−Sr−Co系複合酸化物からなるセラミック粒子から形成される。即ち、SDC複合酸化物は、優れたイオン伝導性と電子伝導性とを有する混合導電体であり、ペロブスカイト型酸化物と混合されることで所謂3相界面を形成し、しかも反応防止層9の形成に使用されている。従って、酸素極層形成材料(La−Sr−Co系複合酸化物)に加え、反応防止層形成材料であるSDC複合酸化物を含有する層(内層)11aを、酸素極層11中の反応防止層9との界面側に形成しておくことにより、酸素極層11の性能低下を生じることなく、反応防止層9との接合強度を高めることが可能となるのである。
In the two-layer structure of the
上記の内層11aにおいて、酸素極層形成材料であるLa−Sr−Co系複合酸化物の含有量は、70〜90質量%の範囲であることが好ましく、SDC複合酸化物の含有量は、10〜30質量%の範囲であることが望ましい。即ち、La−Sr−Co系複合酸化物の含有量が、上記範囲よりも多いと、酸素イオンを移動するためのバイパス機能が不足し、上記範囲よりも少ないと、酸素極性能が低下する傾向にある。
In the
また、酸素極層11の全厚みは、反応防止層9と酸素極層11(内層11a)との接点数n1及び酸素極層の厚みLによって規定される極機能指数Wが前述した範囲(300〜500、特に350〜450)となるように設定されるが、酸素極層中の内層11aの厚みL1は、酸素極性能を低下させず、反応防止層9との接合強度を高めるという見地から、通常、3〜20μm、特に5〜10μmの範囲にあるのがよく、酸素極層11中の表面層11bの厚みは、35〜85μm、特に40〜60μmの範囲にあることが、高い発電性能を確保するという点で好適である。
Further, the total thickness of the
また、上記のような酸素極層11の2層構造において、酸素極層11としての表面拡散機能及び体積拡散機能を十分に発揮させるためには、さらに下記式(2)乃至(6):
W1=n1・L1 …(2)
W2=n2・L2 …(3)
W=W1+W2 …(4)
n1>n2 …(5)
L1<L2 …(6)
式中、n1は、固体電解質形燃料電池セル1を、任意の異なる3箇所で切断し、各切断面における内層11aと反応防止層9との界面で測定した単位長さ(10μm)当りの接点数の平均値を示し、
L1は、内層11aの厚み(μm)を示し、
n2は、固体電解質形燃料電池セル1を、任意の異なる3箇所で切断し、各切断面における内層11aと表面層11bとの界面で測定した単位長さ(10μm)当りの接点数の平均値を示し、
L2は、表面層の厚み(μm)を示す、
で表される条件を満足するように形成されていることが好ましい。
Further, in the two-layer structure of the
W 1 = n 1 · L 1 (2)
W 2 = n 2 · L 2 (3)
W = W 1 + W 2 (4)
n 1 > n 2 (5)
L 1 <L 2 (6)
In the formula, n 1 is a unit per unit length (10 μm) measured at the interface between the
L 1 indicates the thickness (μm) of the
n 2 is an average of the number of contacts per unit length (10 μm) measured at the interface between the
L 2 indicates the thickness (μm) of the surface layer,
It is preferable that it is formed so as to satisfy the condition represented by
即ち、上記の条件式(5)は、接合強度を向上させるための内層11aは、表面層11bに比して、密な3次元粒子構造を有していることを意味している。
That is, the above conditional expression (5) means that the
上記のような条件式(5)を満足させることにより、酸素極層11の表面拡散機能及び体積拡散機能を一層有効に発現させ得ることの理由は解明されていないが、おそらく、このような2層の酸素極層構造では、表面拡散機能及び体積拡散機能を示し得る電極形成材料とは異なる他の材料(SDC複合酸化物)を含有する内層11aが形成されていることに起因するものと思われる。
The reason why the surface diffusion function and the volume diffusion function of the
(インターコネクタ13)
上記の酸素極層11に対面する位置において、支持基板2上に設けられているインターコネクタ13は、導電性セラミックスからなるが、燃料ガス(水素)及び酸素含有ガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性を有していることが必要である。このため、かかる導電性セラミックスとしては、一般に、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO3系酸化物)が使用される。また、支持基板2の内部を通る燃料ガス及び支持基板2の外部を通る酸素含有ガスのリークを防止するため、かかる導電性セラミックスは緻密質でなければならず、例えば93%以上、特に95%以上の相対密度を有していることが好適である。
(Interconnector 13)
The
かかるインターコネクタ13の厚みは、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、10〜200μmであることが望ましい。即ち、この範囲よりも厚みが薄いと、ガスのリークを生じやすく、またこの範囲よりも厚みが大きいと、電気抵抗が大きく、電位降下により集電機能が低下してしまうおそれがあるからである。
The thickness of the
また、このインターコネクタ13は、支持基板2の他方の平坦部A上に直接設けることもできるが、例えば、Y2O3などからなる接合層を介して支持基板2上に形成することもできる。また、先に述べたように、燃料極層5を支持基板2の全周にわたって設けた場合には、このインターコネクタ13は、燃料極層5を間に挟んで支持基板2上に形成されることとなる。
Further, the
さらに、インターコネクタ13の外面(上面)には、P型半導体層15を設けることが好ましい。即ち、この燃料電池セルから組み立てられるセルスタック(図3参照)では、インターコネクタ13には、導電性の集電部材20が接続されるが、集電部材20を直接インターコネクタ13に直接接続すると、非オーム接触により、電位降下が大きくなってしまい、集電性能が低下してしまう。しかるに、集電部材20を、P型半導体層15を介してインターコネクタ13に接続させることにより、両者の接触がオーム接触となり、電位降下を少なくし、集電性能の低下を有効に回避することが可能となり、例えば、一方の燃料電池セル1の酸素極層11からの電流を、他方の燃料電池セル1の支持基板2に効率良く伝達できる。
Furthermore, it is preferable to provide a P-
上記のようなP型半導体としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物を例示することができる。
具体的には、インターコネクタ13を構成するLaCrO3系酸化物よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、BサイトにMn、Fe、Coなどが存在するLaMnO3系酸化物、LaFeO3系酸化物、LaCoO3系酸化物などの少なくとも一種からなるP型半導体セラミックスを使用することができる。このようなP型半導体層15の厚みは、一般に、30乃至100μmの範囲にあることが好ましい。
Examples of the P-type semiconductor as described above include transition metal perovskite oxides.
Specifically, those having higher electron conductivity than LaCrO 3 oxides constituting the
(燃料電池セルの製造)
以上のような構造を有する燃料電池セルは、極機能指数Wが前述した所定の範囲内となるように接点数n1及び酸素極層11の厚みLの調整を行うことを除けば、それ自体公知の方法によって製造される。
(Manufacture of fuel cells)
The fuel cell having the above-described structure itself, except that the contact number n 1 and the thickness L of the
また、接点数n1及び酸素極層11の厚み調整Lの調整を行うために、酸素極層11は、所定の酸素極層形成材料を含有する塗布液を用い、この塗布液を予め固体電解質層7上に形成された反応防止層9上にコーティングし、焼付けることにより形成するのがよい。
In order to adjust the number of contacts n 1 and the thickness adjustment L of the
上記の塗布液は、酸素極層形成材料である所定の酸化物(前述したLa−Sr−Co系複合酸化物など)の粒子を、イソプロピルアルコールやトルエンなどの有機溶剤に分散させることにより調製される。 The above coating solution is prepared by a predetermined oxide is an oxygen electrode layer forming material particles (such as La-Sr-Co-based composite oxide as described above) are dispersed in an organic solvent such as isopropyl alcohol or toluene The
かかる塗布液において、酸化物粒子としては、累積平均粒径(D50)が0.4乃至1μm、特に0.6乃至0.8μmの範囲にあるものを使用することが、接点数n1の調整を行う上で好ましい。即ち、累積平均粒径が上記範囲外のものを使用すると、以下に述べる焼付けにより、接点数n1が必要以上に多くなったり、或いは少なくなってしまい、極機能指数Wを所望の範囲とするためには、著しく厚みを薄くし或いは厚くしなければならなくなってしまうからである。また、上記酸化物粒子は、できるだけシャープな粒度分布を有していることが好ましく、例えば、1.2μm以上の大径の粒子が5質量%以下であり、且つ0.3μm以下の微粒子が3質量%以下であることが好ましい。即ち、累積平均粒径(D50)が上記範囲内であったとしても、粒度分布がブロードであると、接点数n1が大きくばらついてしまうおそれがあるからである。 In such a coating solution, the oxide particles having a cumulative average particle diameter (D 50 ) in the range of 0.4 to 1 μm, particularly 0.6 to 0.8 μm, can be obtained when the number of contacts is n 1 . This is preferable for adjustment. That is, when the cumulative average particle size to use those outside the above range, by baking as described below, or increasingly more than necessary number of contacts n 1, or becomes small, the desired range of polar functional index W This is because the thickness must be significantly reduced or increased. The oxide particles preferably have as sharp a particle size distribution as possible. For example, particles having a large diameter of 1.2 μm or more are 5% by mass or less, and fine particles having a particle size of 0.3 μm or less are 3%. It is preferable that it is below mass%. That is, even if the cumulative average particle diameter (D 50 ) is within the above range, if the particle size distribution is broad, the number of contacts n 1 may vary greatly.
上記塗布液のコーティングは、任意の方法で行うことが可能であるが、接点数n1の調整を行うという点で、スプレーによる行うことが好ましい。即ち、スプレーが可能となる程度の量の溶媒を用いて塗布液を調製し、その溶媒量に応じて、スプレー距離や噴霧圧力を調整することにより、接点数n1をコントロールすることができる。例えば、スプレー距離や噴霧圧力を大きくすると、スプレー中での溶媒の乾燥量が大きくなるため、反応防止層9上のコーティング層の溶媒含量が少なくなり、接点数n1を大きくすることができ、逆にスプレー距離や噴霧圧力を小さくすると、スプレー中での溶媒の乾燥量が少なくなり、反応防止層9上のコーティング層の溶媒含量が多くなり、この結果、接点数n1を小さくすることができる。
Coating the coating liquid, it is possible to perform in any manner, in that adjusting the number of contact points n 1, is preferably performed by spraying. That is, using a solvent amount that the spray becomes possible to prepare a coating liquid, depending on the amount of solvent, by adjusting the spray distance and spray pressure, it is possible to control the number of contacts n 1. For example, if the spray distance or spray pressure is increased, the amount of solvent dried in the spray increases, so the solvent content of the coating layer on the
このように、接点数n1の調整を行いながら、目的とする接点数n1に応じて、所望の極機能指数Wが得られるような厚みLが形成されるように、塗布液を反応防止層9上にスプレー塗布する。
Thus, while the adjustment of the contact number n 1, as in accordance with the number of contacts n 1 of interest, the thickness as obtained the desired electrode function index W L is formed, preventing the reaction a coating solution Spray on
塗布後の焼付けは、1000乃至1200℃程度の比較的低温で行うのがよい。あまり低温で焼付けを行うと、粒子の焼結が生ぜず、層形成が困難となってしまうし、あまり高温で焼付けを行うと、粒子相互が一体化してしまい、接点数n1の著しい低下が生じたり、或いは形成される酸素極層11のガス透過性が損なわれてしまい、電極特性が低下してしまうからである。
Baking after application is preferably performed at a relatively low temperature of about 1000 to 1200 ° C. If the baking is performed at a very low temperature, the particles are not sintered and layer formation becomes difficult. If the baking is performed at a too high temperature, the particles are integrated with each other, and the number of contacts n 1 is significantly reduced. This is because the gas permeability of the
尚、酸素極層11を内層11aと表面層11bとの2層構造とする場合には、上記の方法に従って、内層11a及び表面層11bを順次形成することにより、所望の極機能指数Wと、条件式(2)及び(3)を満足するような2層構造の酸素極層11を得ることができる。
In the case where the
本発明において、上記のような酸素極層11を除く部分は、以下のような同時焼成により作製することができる。
In the present invention, the portion excluding the
先ず、支持基板形成用材料の粉末を、有機バインダー及び溶媒とを混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いての押出成形により、支持基板成形用シート(支持基板成形体)を作製し、これを乾燥する。この支持基板成形体を900〜1000℃で仮焼し、支持基板仮焼体を作製する。尚、支持基板成形体は、所定の強度を有するならば、仮焼しないでもよい。 First, the powder of the support substrate forming material is mixed with an organic binder and a solvent to prepare a slurry, and a support substrate molding sheet (support substrate molded body) is produced by extrusion molding using this slurry. This is dried. The support substrate molded body is calcined at 900 to 1000 ° C. to prepare a support substrate calcined body. The support substrate molded body may not be calcined as long as it has a predetermined strength.
また、所定の燃料極層形成材料の粉末を、有機バインダー及び溶媒と混合してスラリーを調製し、このスラリーをドクターブレード法等によって燃料極層成形用シート(燃料極層成形体)を作製し、上記の支持基板仮焼体に積層する。尚、燃料極層成形体を作製する代りに、燃料極層用の原料を溶媒中に分散したペーストを、上記で形成された支持基板仮焼体の所定位置に塗布し乾燥して、燃料極層用のコーティング層を形成することもできる。 Further, the powder of a given fuel electrode layer forming material, is mixed with an organic binder and a solvent slurry was prepared, to prepare a fuel electrode layer molding sheet (fuel electrode layer formed body) the slurry by a doctor blade method or the like Then, it is laminated on the support substrate calcined body. Incidentally, instead of producing a fuel electrode layer formed body, the raw material for the fuel electrode layer dispersed in a solvent paste was applied and dried at a predetermined position of the supporting substrate calcined body formed by the fuel electrode A coating layer for the layer can also be formed.
さらに、固体電解質層形成用材料の粉末(通常、粒径が0.5〜3μmの範囲にあるのがよい)に、トルエン、バインダー、市販の分散剤を加えてスラリー化したものをドクターブレード法等により、例えば、10〜50μmの厚さに成形してシート状の固体電解質層成形体を作製する。この固体電解質層用成形体を、上記支持基板仮焼体上の燃料極層成形体上に積層し、乾燥する。この場合、上記の燃料極層成形体上に、拡散抑制層形成材料を含有するスラリーを用いて、拡散抑制層成形体を形成しておき、この拡散抑制成形体層上に固体電解質層用成形体を配置することもできる。 Furthermore, a powder obtained by adding a solid electrolyte layer forming material powder (usually, the particle diameter should be in the range of 0.5 to 3 μm) to a slurry by adding toluene, a binder, and a commercially available dispersant is a doctor blade method. For example, a sheet-like solid electrolyte layer molded body is formed by molding to a thickness of 10 to 50 μm, for example. This solid electrolyte layer molded body is laminated on the fuel electrode layer molded body on the support substrate calcined body and dried. In this case, the above fuel electrode layer formed body on, using a slurry containing a diffusion barrier layer forming material, previously formed diffusion suppressing layer molded article, for a solid electrolyte layer formed on the diffusion suppressing molded body layer The body can also be placed.
尚、上記のように燃料極層成形体及び固体電解質層用成形体と支持基板成形体上に設けた後に、仮焼を行ってもよい。 Incidentally, after providing the fuel electrode layer formed body as described above and the solid electrolyte layer formed body and the support base ItaNaru on feature, it may be performed calcination.
次いで、上記の固体電解質層成形体上に、反応防止層成形体を設ける。この反応防止層成形体は、反応防止層形成材料のセラミック粉末を、アクリル樹脂等のバインダー及びトルエン等の溶媒に混合してスラリーを調製し、このスラリーを、上記の固体電解質層成形体に塗布することにより形成される。 Next, a reaction preventing layer molded body is provided on the solid electrolyte layer molded body. This reaction-prevention layer molded body is prepared by mixing a ceramic powder of a reaction-prevention layer-forming material with a binder such as an acrylic resin and a solvent such as toluene, and applying this slurry to the solid electrolyte layer molded body. It is formed by doing.
尚、このセラミック粉末は、凝集度が5〜35に調整されていることが好ましく、これにより、焼成収縮を制御でき、固体電解質層7の剥離やクラック発生を防止することができる。特に、発電性能が低下することを防止できるという点で、凝集度を5〜15に調整することが望ましい。尚、凝集度は、下記式により求められる。
凝集度=(レーザー光散乱法で求めた粒子の径)/(BET比表面積から求めた擬似的球の直径)
The ceramic powder preferably has a cohesion degree adjusted to 5 to 35, whereby the firing shrinkage can be controlled, and the
Aggregation degree = (particle diameter determined by laser light scattering method) / (pseudo sphere diameter determined from BET specific surface area)
凝集度が大きい場合、凝集粒子内の1次粒子が非常に小さく焼結活性が高いために、凝集粒子間の焼結よりも早く1次粒子間の焼結が進行する。これにより、凝集粒子の収縮が進行し、全体の収縮が遅れた形となり、石垣のような凝集粒子間に隙間が生じたようなクラックが生じる。一方、固体電解質層用の原料は支持基板との共焼結の兼ね合いから粒径を0.5〜3μmとしているために、反応防止層9と接触している固体電解質層7は反応防止層9の焼成収縮に引っ張られて石垣のようなクラックや剥離が生じてしまう。凝集度が小さい場合、1次粒子の焼結と凝集粒子間の焼結、ならびに固体電解質層7の焼結がほぼ同時に始まるために均一な焼結体となる。凝集度は、例えば原料粉末を振動ミルなどを用いて解砕して粒度調整した後、800乃至1000℃程度の温度で数時間仮焼を行った後、ボールミルなどを用いて、再度、解砕することにより行うことができる。
When the degree of aggregation is large, since the primary particles in the aggregated particles are very small and the sintering activity is high, the sintering between the primary particles proceeds faster than the sintering between the aggregated particles. As a result, the shrinkage of the aggregated particles proceeds, the overall shrinkage is delayed, and cracks such as gaps are formed between the aggregated particles such as stone walls. On the other hand, since the raw material for the solid electrolyte layer has a particle size of 0.5 to 3 μm in consideration of co-sintering with the support substrate , the
上記のように反応防止層成形体を設けた後、インターコネクタ用材料を、有機バインダー及び溶媒と混合してスラリーを調製し、インターコネクタ用シートを作製する。このインターコネクタ用シートを、上記で得られた積層成形体の所定位置にさらに積層し、焼成用積層成形体を作製する。 After providing the reaction preventing layer molded body as described above, the interconnector material is mixed with an organic binder and a solvent to prepare a slurry, and an interconnector sheet is prepared. This interconnector sheet is further laminated at a predetermined position of the laminated molded body obtained above to produce a fired laminated molded body.
次いで、上記の焼成用積層成形体を脱バインダー処理し、大気中、1350〜1600℃で同時焼成し、得られた焼結体の所定の位置に、前述した方法にしたがって、酸素極層11を形成することにより、目的とする燃料電池セルを製造することができる。尚、酸素極層11の形成とともに、必要により、P型半導体層材料(例えば、LaFeO3系酸化物粉末)と溶媒を含むペーストを、ディッピング等により塗布し、1000〜1300℃で焼き付けることにより、インターコネクタ13上にP型半導体層15を形成することができる。
Next, the above laminated molded body for firing is subjected to binder removal treatment, and simultaneously fired in the atmosphere at 1350 to 1600 ° C., and the
(セルスタック)
セルスタックは、図3に示すように、上述した燃料電池セル1が複数集合して、上下に隣接する一方の燃料電池セル1aと他方の燃料電池セル1bとの間に、金属フェルト及び/又は金属板からなる集電部材20を介在させ、両者を互いに直列に接続することにより構成されている。即ち、一方の燃料電池セル1aの支持基板2は、インターコネクタ13、P型半導体層15、集電部材20を介して、他方の燃料電池セル1bの酸素極層11に電気的に接続されている。また、このようなセルスタックは、図3に示すように、隣接して配置されており、隣接するセルスタック同士は、導電部材22によって直列に接続されている。
(Cell stack)
As shown in FIG. 3, the cell stack includes a plurality of the
本発明の燃料電池は、図3のセルスタックを、収納容器内に収容して構成される。この収納容器には、外部から水素等の燃料ガスを燃料電池セル1に導入する導入管、及び空気等の酸素含有ガスを燃料電池セル1の外部空間に導入するための導入管が設けられており、燃料電池セル1が所定温度(例えば、600乃至900℃)に加熱されることにより発電し、余剰の燃料ガス、酸素含有ガスは、燃焼して収納容器外に排出される。
The fuel cell of the present invention is configured by accommodating the cell stack of FIG. 3 in a storage container. The storage container is provided with an introduction pipe for introducing a fuel gas such as hydrogen into the
尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、酸素極層11が所定の条件を満足するように形成されている限り、種々の変更が可能である。例えば、支持基板2の形状を円筒状とすることも可能である。
In addition, this invention is not limited to the said form, As long as the
本発明を、次の実験例で説明する。
尚、以下の実験例において、反応防止層と酸素極層との界面の接点数n1及び2層構造の酸素極層における接点数n2は、以下の方法で求めた。
The invention is illustrated by the following experimental example.
In the following experimental examples, the number of contacts n 1 at the interface between the reaction preventing layer and the oxygen electrode layer and the number of contacts n 2 in the oxygen electrode layer having a two-layer structure were determined by the following methods.
接点数の測定;
試料の燃料電池セルを、縦方向に、異なる3箇所で切断し、各切断面(10μm)において、電子顕微鏡により、反応防止層との界面での接点数n1及び内層と表面層との界面での接点数n2を、平均値として求めた。
また厚みは、上記切断面の接点数の測定範囲において電子顕微鏡観察により求め、最大厚みを内層、表面層の厚みとした。
Measuring the number of contacts;
The fuel cell of the sample was cut at three different locations in the vertical direction, and at each cut surface (10 μm), the number of contacts n 1 at the interface with the reaction preventing layer and the interface between the inner layer and the surface layer were measured by an electron microscope. the contact number n 2 in was determined as the mean value.
The thickness was determined by electron microscope observation within the measurement range of the number of contacts on the cut surface, and the maximum thickness was defined as the thickness of the inner layer and the surface layer.
また、以下の実験例において、単層での酸素極層形成材料及び2層構造での内層形成材料、表面層形成材料としては、以下の粉末を用いた。 In the following experimental examples, the following powders were used as a single layer oxygen electrode layer forming material, a two-layer structure inner layer forming material, and a surface layer forming material.
単層での酸素極層形成材料
La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3粉末
平均粒径(D50):0.8μm
粗粒(粒径1.2μm以上)含量:5重量%以下
微粒(粒径0.3μm以下)含量:3重量積%以下
Oxygen electrode layer forming material in a single layer La 0.6 Sr 0.4 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 powder Average particle diameter (D 50 ): 0.8 μm
Coarse grain (particle size 1.2 μm or more) content: 5% by weight or less Fine particle (particle size 0.3 μm or less) content: 3% by weight or less
内層形成材料
La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3粉末と
(CeO2)85(SmO3/2)15粉末(SDC15と呼ぶ)との混合粉末
SDC15含量:10質量%(混合粉末中)
混合粉末の粒度分布
平均粒径(D50):0.6μm
粗粒(粒径1.2μm以上)含量:5重量%以下
微粒(粒径0.3μm以下)含量:3重量%以下
Inner layer forming material Mixed powder of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 powder and (CeO 2 ) 85 (SmO 3/2 ) 15 powder (referred to as SDC15) SDC15 content: 10 mass % (In mixed powder)
Particle size distribution of mixed powder Average particle size (D 50 ): 0.6 μm
Coarse grain (particle size 1.2 μm or more) content: 5% by weight or less Fine particle (particle size 0.3 μm or less) content: 3% by weight or less
表面層
La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3粉末
平均粒径(D50):0.8μm
粗粒(粒径1.2μm以上)含量:5重量%以下
微粒(粒径0.3μm以下)含量:3重量%以下
Surface layer La 0.6 Sr 0.4 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 powder Average particle diameter (D 50 ): 0.8 μm
Coarse grain (particle size 1.2 μm or more) content: 5% by weight or less Fine particle (particle size 0.3 μm or less) content: 3% by weight or less
(実験例1)
先ず、平均粒径0.5μmのNiO粉末と、平均粒径0.9μmのY2O3粉末とを、焼成−還元後における体積比率が、Ni:48体積%、Y2O3:52体積%になるように混合し、有機バインダーと溶媒にて作製したスラリーを押し出し成型法にて成形し、乾燥、脱脂して支持基板成形体を作製した。
(Experimental example 1)
First, NiO powder having an average particle size of 0.5 μm and Y 2 O 3 powder having an average particle size of 0.9 μm have a volume ratio of Ni: 48 vol% and Y 2 O 3 : 52 vol after firing and reduction. The slurry prepared with an organic binder and a solvent was molded by an extrusion molding method, dried and degreased to prepare a support substrate molded body.
また、平均粒径0.5μmのNi粉末と、希土類元素が固溶したZrO2粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合したスラリーを作製し、前記支持基板成形体に、スクリーン印刷法にて塗布、乾燥して、燃料極層用のコーティング層を形成した。 Further, a slurry in which Ni powder having an average particle size of 0.5 μm, ZrO 2 powder in which a rare earth element is dissolved, an organic binder, and a solvent is mixed is prepared, and the support substrate molded body is subjected to screen printing. Coating and drying were performed to form a coating layer for the fuel electrode layer.
次に、10mol%のスカンジウムが固溶したZrO2粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して得られたスラリーを、ドクターブレード法にて厚み40μmの固体電解質層用シートを作製し、支持基板成形体上の燃料極層用のコーティング層に貼り付け、乾燥した。この積層成形体を、1000℃にて仮焼処理した。 Next, a slurry obtained by mixing ZrO 2 powder in which 10 mol% of scandium is dissolved, an organic binder, and a solvent is prepared by a doctor blade method to produce a sheet for a solid electrolyte layer having a thickness of 40 μm, and then supported. It stuck on the coating layer for fuel electrode layers on a board | substrate molded object, and dried. This laminated molded body was calcined at 1000 ° C.
さらに、CeO2を85モル%、Sm2O3を15モル%含む複合酸化物(SDC15)を振動ミルにて24時間解砕した後、900℃−4時間仮焼処理を行い、再度ボールミルにて解砕処理を行い、粉体の凝集度(レーザ回折による粒径/BET比表面積から計算した疑似球形状粒径)を13〜16に合わせた。この粉体にアクリル系バインダーとトルエンを添加し、混合して作製したスラリーを、上記で得られた仮焼体の固体電解質層成形体の表面に、スクリーン印刷法にて塗布して反応防止層成形体を作製した。 Furthermore, after pulverizing the composite oxide (SDC15) containing 85 mol% CeO 2 and 15 mol% Sm 2 O 3 with a vibration mill for 24 hours, a calcination treatment is performed at 900 ° C. for 4 hours, The powder was agglomerated to adjust the powder agglomeration degree (particle diameter by laser diffraction / pseudo-spherical particle diameter calculated from BET specific surface area) to 13-16. Was added acrylic binder and toluene into the powder, the slurry prepared by mixing, on the surface of the solid electrolyte layer formed body of the calcined body obtained in the above, reaction-preventing layer was coated by screen printing the adult form was produced.
また、LaCrO3系酸化物と、有機バインダーと、溶媒とを混合したスラリーを作製し、これを、上記の積層成形体の支持基板成形体露出部上に積層し、酸素含有雰囲気中で、1485℃焼成温度で同時焼成した。 Further, a slurry in which a LaCrO 3 oxide, an organic binder, and a solvent are mixed is prepared, and this is laminated on the support substrate molded body exposed portion of the above-mentioned laminated molded body, and in an oxygen-containing atmosphere, 1485 Simultaneous firing was performed at the firing temperature.
得られた焼結体における支持基板の厚さは3mm、開気孔率35%、燃料極層の厚さは10μm、開気孔率24%、固体電解質層の厚さは30μm、相対密度は97%、反応防止層の厚みは5μmであった。 The thickness of the support substrate in the obtained sintered body was 3 mm, the open porosity was 35%, the thickness of the fuel electrode layer was 10 μm, the open porosity was 24%, the thickness of the solid electrolyte layer was 30 μm, and the relative density was 97%. The thickness of the reaction preventing layer was 5 μm.
次に、単層酸素極層形成材料粉末と、イソプロピルアルコールとを混合して得られた塗布液を、スプレー塗布し、酸素極層用コーティング層を形成し、1150℃で焼き付け、酸素極層を形成し、燃料電池セルを作製した。なお、作製した燃料電池セルの寸法は25mm×140mmである。 Next, a single-layer oxygen electrode layer forming material powder, a coating solution obtained by mixing the isopropyl alcohol, and spray coating to form an oxygen electrode layer coating layer, baked at 1150 ° C., the oxygen electrode layer The fuel cell was formed. The produced fuel cell has a size of 25 mm × 140 mm.
上記のようにして、酸素極層用コーティング層の形成条件(塗布液の溶媒濃度、スプレー圧及びスプレー間隔)及び厚みを種々変更して、試料No.1〜15の燃料電池セルを作製し、その接点数n1、極機能指数W、形成された酸素極層の厚みを表1に示した。 As described above, the conditions for forming the coating layer for the oxygen electrode layer (solvent concentration of the coating solution, spray pressure and spray interval) and thickness were variously changed. 1 to 15 fuel cells were prepared. The number of contacts n1, the polar function index W, and the thickness of the formed oxygen electrode layer are shown in Table 1.
また、上記で作製された各燃料電池セルの内部に、水素ガスを流し、850℃で、支持基板及び燃料極層の還元処理を施した後、各燃料電池セルの燃料ガス流路に燃料ガスを流通させ、燃料電池セルの外側に酸素含有ガスを流通させ、燃料電池セルを電気炉を用いて750℃まで加熱し、発電試験を行った。このときの発電特性(出力密度)を表1に示した。 Also, hydrogen gas is allowed to flow inside each fuel cell produced as described above, and after the reduction treatment of the support substrate and the fuel electrode layer is performed at 850 ° C., the fuel gas flows into the fuel gas flow path of each fuel cell. was circulated, was circulated oxygen-containing gas outside the fuel cell to heat the fuel cell up to 750 ° C. using an electric furnace, a power generation test was performed. The power generation characteristics (power density) at this time are shown in Table 1.
表1の結果から、極機能指数Wが500より大きい試料No.1(接点数n1が少なく、酸素極層厚みLが厚い)、及び極機能指数Wが300に満たない試料No.4(接点数n1が少なく酸素極層厚みが薄い)は、発電性能が悪い。
試料No.1は反応場が少ない上に、表面拡散によって酸素イオンを運ぼうとしても厚みが厚く反応場までの距離があるために吸着酸素の移動が律速となるためであり、試料No.4は反応場が少ない上に吸着酸素を作製するための酸素極層そのものが少ないためである。
From the results shown in Table 1, sample No. No. 1 (the number of contacts n 1 is small and the oxygen electrode layer thickness L is thick), and the sample No. 4 (thin contact number n 1 is less oxygen electrode layer thickness), poor power generation performance.
Sample No. No. 1 is because there are few reaction fields, and even if oxygen ions are carried by surface diffusion, the thickness is large and there is a distance to the reaction field. 4 is because there are few reaction fields and there are few oxygen electrode layers themselves for producing adsorbed oxygen.
また、接点数n1が12で極機能指数Wが240の試料No.9も出力密度が低い。これも接点場に対して吸着酸素を形成するための酸素極層が不足しているためである。更に、接点数n1が20で極機能指数Wが600の試料No.14は、接点数が多いため、酸素極層自体が密に詰まっており、この結果、酸素イオンの運搬は体積拡散になるが、厚みが厚いために体積拡散にて運搬される酸素イオンが多くの粒界を通るために抵抗が高くなり性能が劣化すると考える。その他の試料No.2、3、5〜8、10〜13(本発明例)は、接点数n1と厚みLのバランスにより表面拡散と体積拡散のバランスから高い出力を有していると考える。 Sample No. 1 with 12 contacts and 12 polar function index W was used. 9 also has a low power density. This is also because the oxygen electrode layer for forming an adsorbed oxygen with respect to the contact field is insufficient. Furthermore, the sample No. 1 with the contact number n 1 of 20 and the polar function index W of 600 was used. 14, since there are many number of contacts, and densely packed oxygen electrode layer itself, as a result, although transport of oxygen ions to a volume diffusion, many oxygen ions are transported by volume diffusion due to the large thickness It is thought that the resistance deteriorates because of passing through the grain boundaries of the steel, and the performance deteriorates. Other sample No. 2, 3, 5-8 and 10-13 (examples of the present invention) are considered to have a high output due to the balance between surface diffusion and volume diffusion due to the balance between the number of contacts n 1 and the thickness L.
(実験例2)
単層の酸素極層を形成する代わりに、内層形成材料粉末とイソプロピルアルコールとを混合して得られた塗布液を形成条件を変えながら(塗布液の溶媒濃度、スプレー圧、スプレー間隔)、厚みを種々変更して、スプレー塗布し、内層酸素極層用コーティング層を形成し、120℃にて乾燥した後、表面層形成材料粉末とイソプロピルアルコールとを混合して得られた塗布液を形成条件を変えながら(塗布液の溶媒濃度、スプレー圧、スプレー間隔)、厚みを種々変更してスプレー塗布し、表面層酸素極層用コーティング層を形成し、120℃で乾燥した後に1050℃で焼き付け、2層酸素極層を形成し、燃料電池セルを作製した。なお、作製した燃料電池セルの寸法は25mm×140mmである。
(Experimental example 2)
Instead of forming a single oxygen electrode layer, the thickness of the coating solution obtained by mixing the inner layer forming material powder and isopropyl alcohol while changing the forming conditions (solvent concentration of the coating solution, spray pressure, spray interval) The coating solution obtained by mixing the surface layer forming material powder and isopropyl alcohol after forming the coating layer for the inner layer oxygen electrode layer, drying at 120 ° C. (Solvent concentration of coating solution, spray pressure, spray interval) while changing the thickness, spray coating with various changes in thickness, forming a coating layer for the surface layer oxygen electrode layer, drying at 120 ° C, and baking at 1050 ° C, A two-layer oxygen electrode layer was formed to produce a fuel cell. The produced fuel cell has a size of 25 mm × 140 mm.
この後、実験例1と同様の発電試験を行い、このときの発電特性(出力密度)を表2に示した。 Thereafter, a power generation test similar to that of Experimental Example 1 was performed, and the power generation characteristics (power density) at this time are shown in Table 2.
表2に示すように、極機能指数Wが500より大きい試料No.18、20は(表面層の酸素極層の接点数が少なく、厚みが厚い)発電性能が悪い。共に内層との接点数が少ない割に厚みが厚いため表面拡散によって酸素イオンを運ぼうとしても厚みが厚く内層までの距離が有るために吸着酸素の移動が律速となるためである。また、内層の方が厚みの厚い試料No.23は表面層にて運ばれてきた吸着酸素を内層の密な酸素極層では厚みが厚すぎて吸着酸素の移動が律速となり発電特性(出力密度)が悪い。また、接点数が逆転している(内層より表面層の方が緻密)試料No.27は表面から送られてきた吸着酸素に対して、電解質との界面に生じる反応場が少ないために、有効に活用できず発電性能が低下してしまう。
その他の試料No.15〜17、19、21、22、24〜26、28、29(本発明例)は接点数と厚みのバランスにより表面拡散と体積拡散のバランスから高い出力を有している。
As shown in Table 2, electrode function index W is greater than 500 Sample No. 18 and 20 (less number of contacts of the oxygen electrode layer of the surface layer, a thick thickness) is poor power generation performance. This is because both the number of contacts with the inner layer is large and the thickness is large, so even if oxygen ions are carried by surface diffusion, the thickness is large and there is a distance to the inner layer. In addition, the inner layer has a thicker sample No. No. 23 shows that the adsorbed oxygen transported by the surface layer is too thick in the dense oxygen electrode layer of the inner layer, and the movement of the adsorbed oxygen becomes rate limiting, resulting in poor power generation characteristics (power density). Further, (denser towards the front surface layer from the inner layer) the number of contacts are reversed Sample No. 27 has little reaction field generated at the interface with the electrolyte with respect to the adsorbed oxygen sent from the surface, so that it cannot be used effectively and power generation performance is reduced.
Other sample No. 15-17, 19, 21, 22, 24-26, 28, 29 (examples of the present invention) have high output due to the balance between surface diffusion and volume diffusion due to the balance between the number of contacts and the thickness.
1:固体電解質形燃料電池セル
2:支持体
2a:燃料ガス流路
5:燃料極層
7:固体電解質層
9:反応防止層
11:酸素極層
13:インターコネクタ
1: solid electrolyte fuel cell 2:
Claims (6)
前記酸素極層は、ペロブスカイト型複合酸化物の焼結体粒子からなり、単層構造であるとともに、下記式(1):
W=n1・L …(1)
式中、n1は、前記固体電解質形燃料電池セルを、任意の異なる3箇所で切断し、各切断面における前記酸素極層と前記反応防止層との界面で測定した単位長さ(10μm)当りの接点数の平均値を示し、Lは、前記酸素極層の厚み(μm)を示す、
で定義される極機能指数Wが300〜500となり、且つ5≦n 1 ≦20であるように形成されていることを特徴とする固体電解質形燃料電池セル。 The solid electrolyte layer has an oxygen electrode layer on one surface and a fuel electrode layer on the other surface, and the oxygen electrode layer is provided on the solid electrolyte layer via a reaction preventing layer. In a solid oxide fuel cell,
The oxygen electrode layer is made of sintered particles of perovskite complex oxide, has a single layer structure, and has the following formula (1):
W = n 1 · L (1)
In the formula, n 1 is a unit length (10 μm) measured at the interface between the oxygen electrode layer and the reaction preventing layer at each of the cut surfaces by cutting the solid electrolyte fuel cell at three different points. The average value of the number of contacts per contact, L represents the thickness (μm) of the oxygen electrode layer,
In being defined electrode function index W is Ri Do and 300-500, and 5 ≦ n 1 ≦ 20 solid electrolyte fuel cell, characterized by being formed in der so that.
前記酸素極層における前記内層及び前記表面層は、下記式(2)乃至(6):
W1=n1・L1 …(2)
W2=n2・L2 …(3)
W=W1+W2 …(4)
n1>n2 …(5)
L1<L2 …(6)
式中、n1は、前記固体電解質形燃料電池セルを、任意の異なる3箇所で切断し、各切断面における前記内層と前記反応防止層との界面で測定した単位長さ(10μm)当りの接点数の平均値を示し、
L1は、前記内層の厚み(μm)を示し、
n2は前記固体電解質形燃料電池セルを、任意の異なる3箇所で切断し、各切断面における前記内層と前記表面層との界面で測定した単位長さ(10μm)当りの接点数の平均値を示し、
L2は、前記表面層の厚み(μm)を示す、
で定義される極機能指数Wが300〜500となり、且つ30≦L 2 ≦70であるように形成されていることを特徴とする固体電解質形燃料電池セル。 The solid electrolyte layer has an oxygen electrode layer on one surface and a fuel electrode layer on the other surface, and the oxygen electrode layer is provided on the solid electrolyte layer via a reaction preventing layer. in the solid electrolyte fuel cell, the oxygen electrode layer is an inner layer positioned on the reaction preventing layer side, has a two-layer structure of a surface layer located on the surface side, wherein the inner layer, the CeO 2 It is formed from a mixed sintered particle of composite oxide particles in which Sm 2 O 3 is dissolved and perovskite composite oxide particles, and the surface layer is formed from sintered particles of perovskite composite oxide. As well as
It said inner layer and said surface layer in the oxygen electrode layer is represented by the following formula (2) to (6):
W 1 = n 1 · L 1 (2)
W 2 = n 2 · L 2 (3)
W = W 1 + W 2 (4)
n 1 > n 2 (5)
L 1 <L 2 (6)
In the formula, n 1 is a unit per unit length (10 μm) measured at the interface between the inner layer and the reaction preventing layer at each of the cut surfaces by cutting the solid oxide fuel cell at three different points. Shows the average number of contacts,
L 1 represents the thickness (μm) of the inner layer,
n 2 is an average value of the number of contacts per unit length (10 μm) measured at the interface between the inner layer and the surface layer in each cut surface by cutting the solid electrolyte fuel cell at three different points. Indicate
L 2 represents the thickness (μm) of the surface layer,
In being defined electrode function index W Ri is Do and 300-500, and 30 solid electrolyte fuel cell, characterized by being formed into ≦ L 2 ≦ 70 der so that.
(CeO2)1−x(SmO3/2)x
式中、xは、0<x≦0.3の数である、
で表されるモル組成を有している請求項3に記載の固体電解質形燃料電池セル。 The composite oxide forming the reaction preventing layer has the following general formula:
(CeO 2 ) 1-x (SmO 3/2 ) x
Where x is a number 0 <x ≦ 0.3.
The solid oxide fuel cell according to claim 3, having a molar composition represented by:
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