JP5511875B2 - Solid oxide fuel cell and method for producing the same - Google Patents
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Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池及びその製造方法に関するものであり、具体的には、筒状構造(チューブ型)で内部にガス流路を有する電極支持型の固体酸化物形燃料電池に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell and a method for manufacturing the same, and more specifically to an electrode-supported solid oxide fuel cell having a tubular structure (tube type) and having a gas flow path therein. .
従来、固体酸化物形燃料電池(以下単に燃料電池と記すこともある)としては、チューブ型の固体電解質体(固体酸化物体)の内側と外側に電極を備えたものが知られている。
この燃料電池の電極については、構造支持部を担う電極は、構造を維持するために厚肉とする必要がある。また、高い発電効率を有する燃料電池とするためには、電極に供給するガスを出来る限り少量にして、そのガスを燃料電池内部で出来る限り効率良く利用できる構造が必要となる。
Conventionally, as a solid oxide fuel cell (hereinafter sometimes simply referred to as a fuel cell), a tube-type solid electrolyte body (solid oxide body) provided with electrodes inside and outside is known.
As for the electrode of this fuel cell, the electrode that bears the structure support portion needs to be thick in order to maintain the structure. Further, in order to obtain a fuel cell having high power generation efficiency, a structure is required in which the gas supplied to the electrode is made as small as possible and the gas can be used as efficiently as possible inside the fuel cell.
そのためには、厚肉の構造を有する電極内部を効率よくガスが拡散できる電極構造とする必要がある。一方で、電極反応を促すためには、微細な構造を形成して、電極表面積を増加させることで、燃料電池の内部抵抗を低減することが必要となる。 For that purpose, it is necessary to make it the electrode structure which can diffuse gas efficiently inside the electrode which has a thick structure. On the other hand, in order to promote the electrode reaction, it is necessary to reduce the internal resistance of the fuel cell by forming a fine structure and increasing the electrode surface area.
この対策として、後者については、下記特許文献1にて、原料粒子径や電極材料の混合比などを制御することで、非常に良い電極性能(燃料極と電解質界面の低い電気抵抗)を実現する技術が提案されている。 As a countermeasure against the latter, the following patent document 1 realizes very good electrode performance (low electric resistance between the fuel electrode and the electrolyte interface) by controlling the raw material particle diameter, the mixing ratio of the electrode material, and the like. Technology has been proposed.
また、両者を実現するための検討としては、下記特許文献2に示すように、電極を2層構造とし、構造支持部は、主にガス拡散性を重視した電極構造とすると同時に、固体電解質体近傍の反応場については、微細な電極構造とすることで電極性能を確保する技術が提案されている。 As a study for realizing both, as shown in Patent Document 2 below, the electrode has a two-layer structure, and the structure support portion has an electrode structure mainly focusing on gas diffusivity. As for the reaction field in the vicinity, a technique for ensuring electrode performance by adopting a fine electrode structure has been proposed.
しかしながら、電極が構造支持部であり、その構造支持部の内側にガス流路が形成されているタイプの燃料電池、即ち上述したチューブ型の固体酸化物形燃料電池においては、電流が固体電解質体からガス流路の方向(即ち径方向)に流れず、電極の長さ方向(即ち軸方向)に電流が流れることによって電気が取り出される構造である。そのため、このような形態の燃料電池においては、電極反応を対象とした上記の燃料電池の内部抵抗(反応抵抗)、ガス拡散性のほかに、電極内を(軸方向に)流れる電子の移動抵抗を小さくする必要がある。 However, in a fuel cell of a type in which the electrode is a structure support portion and a gas flow path is formed inside the structure support portion, that is, the above-described tube-type solid oxide fuel cell, the current is a solid electrolyte body. In this structure, electricity does not flow in the direction of the gas flow path (ie, in the radial direction), and electricity is taken out when current flows in the length direction of the electrode (ie, in the axial direction). Therefore, in such a fuel cell, in addition to the internal resistance (reaction resistance) and gas diffusivity of the above fuel cell intended for electrode reaction, the resistance of movement of electrons flowing in the electrode (in the axial direction) Need to be small.
つまり、このような構造を有する燃料電池では、固体電解質体の内側に形成される電極は、発電により得られた電流を集める役割を担うと同時に、固体電解質体近傍の反応活性場までガスを拡散する役割を担うため、その特性が燃料電池性能に大きな影響を与えるが、その検討が十分ではない。 In other words, in the fuel cell having such a structure, the electrode formed inside the solid electrolyte body plays a role of collecting the current obtained by power generation, and at the same time, diffuses the gas to the reaction activation field near the solid electrolyte body. Therefore, the characteristics have a great influence on the fuel cell performance, but the examination is not sufficient.
また、前記特許文献2のような2層構造の電極とした場合には、工程が増えコスト高となりうるため、好ましくない。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、容易に製造できるとともに、良好な電気的特性及びガス拡散性を有し、優れた発電特性を有するチューブ型の固体酸化物形燃料電池及びその製造方法を提供することである。
In addition, in the case of an electrode having a two-layer structure as in Patent Document 2, the number of steps increases and the cost may be increased, which is not preferable.
The present invention has been made in order to solve the above-described problems. The object of the present invention is a tube type that can be easily manufactured, has good electrical characteristics and gas diffusibility, and has excellent power generation characteristics. To provide a solid oxide fuel cell and a method for manufacturing the same.
(1)本発明は、第1態様として、内側と外側を有するチューブ状の固体電解質体と、前記固体電解質体の内側に配置されて構造支持体となる第1電極層と、前記固体電解質体の外側に配置された第2電極層と、を備えるチューブ型の固体酸化物形燃料電池において、前記第1電極層の内表面から、前記第1電極層と前記固体電解質体の界面までのガス透過率が、1×10-4ml/cm2secPa以上であり、且つ、前記第1電極層は、25℃において3000S/cm以上の電気伝導率を有することを特徴とする。 (1) The present invention provides, as a first aspect, a tubular solid electrolyte body having an inner side and an outer side, a first electrode layer disposed inside the solid electrolyte body and serving as a structural support, and the solid electrolyte body In a tube-type solid oxide fuel cell comprising a second electrode layer disposed outside the gas, a gas from an inner surface of the first electrode layer to an interface between the first electrode layer and the solid electrolyte body The transmittance is 1 × 10 −4 ml / cm 2 secPa or more, and the first electrode layer has an electric conductivity of 3000 S / cm or more at 25 ° C.
本発明では、第1電極層の内表面(即ちチューブの貫通孔側の表面)から、第1電極層と固体電解質体の界面までのガス透過率が、1×10-4ml/cm2secPa以上であるので、ガスの拡散性が良好であり、反応場となる固体電解質体近傍までガスが効率よく供給されることにより、優れた発電特性を得ることができる。 In the present invention, the gas permeability from the inner surface of the first electrode layer (that is, the surface on the through hole side of the tube) to the interface between the first electrode layer and the solid electrolyte body is 1 × 10 −4 ml / cm 2 secPa. As described above, gas diffusibility is good, and excellent power generation characteristics can be obtained by efficiently supplying the gas to the vicinity of the solid electrolyte body serving as a reaction field.
しかも、第1電極層は、25℃において3000S/cm以上の電気伝導率を有するので、第1電極層から発電により得られた電気を(特に軸方向に)取り出す上で、十分に電気抵抗が低く、発電ロスを小さくできる。 In addition, since the first electrode layer has an electric conductivity of 3000 S / cm or more at 25 ° C., the electric resistance is sufficient for taking out electricity (especially in the axial direction) obtained by power generation from the first electrode layer. Low power generation loss can be reduced.
従って、本発明では、良好な電気的特性及びガス拡散性を有し、優れた発電特性を有する固体酸化物形燃料電池を実現することができる。
このことは、後述する表1の電気伝導率とガス透過率と発電出力との関係から明らかである。
Therefore, in the present invention, it is possible to realize a solid oxide fuel cell having good electrical characteristics and gas diffusibility and having excellent power generation characteristics.
This is clear from the relationship among the electrical conductivity, gas permeability, and power generation output in Table 1 described later.
なお、ガス透過率の上限としては、電気の伝導性を考慮すると、例えば9.5×10-4ml/cm2secPa以下が好ましい。
なお、本発明の「チューブ状」は、軸方向に貫通孔を有する筒形状であり、真円筒状のほか、扁平円筒状や柱型筒状も含む。
The upper limit of the gas permeability is preferably, for example, 9.5 × 10 −4 ml / cm 2 secPa or less in consideration of electrical conductivity.
The “tubular shape” of the present invention is a cylindrical shape having a through-hole in the axial direction, and includes a flat cylindrical shape and a columnar cylindrical shape in addition to a true cylindrical shape.
(2)本発明は、第2態様として、前記第1電極層を構成する材料粒子のうち、8〜60体積%が粒子径2μm以上の粒子で構成されていることを特徴とする。
この様に、粒子径2μm以上の粒子を8体積%以上存在させることにより、電極のガス拡散性が飛躍的に向上し、良好な発電性能を得やすくなる。なお、ここで、粒子の割合を60体積%以下としたのは、粒子径2μm以上の粒子の表面積は小さく、その割合が大きくなると電極表面積の低下により性能低下を招くからである。
(2) As a second aspect, the present invention is characterized in that 8 to 60% by volume of the material particles constituting the first electrode layer is composed of particles having a particle diameter of 2 μm or more.
In this way, the presence of 8% by volume or more of particles having a particle diameter of 2 μm or more dramatically improves the gas diffusibility of the electrode and makes it easy to obtain good power generation performance. Here, the reason why the ratio of the particles is set to 60% by volume or less is that the surface area of the particles having a particle diameter of 2 μm or more is small, and if the ratio is large, the performance of the electrode is decreased due to the decrease in the electrode surface area.
つまり、第1電極層を形成する場合には、造孔材などにより気孔を形成してガスの透過性を向上させる方法があるが、造孔材を用いた場合、電極構造中の導入した造孔材の体積分は気孔として残るため、電極触媒能を有する電極材料そのものの存在比率が低下してしまう。一方で、2μm以上の粗粒子を導入することで、ガス透過性を向上した場合には、造孔材の使用量を低減することができるため、電極構造中の電極材料の存在比率が向上できる。それにより、良好なガス透過性、および低い電極反応抵抗(径方向の電気伝導性)、更には、電極中の電子電導に関する抵抗(軸方向の電気伝導性)を同時に実現できる。 In other words, when forming the first electrode layer, there is a method of improving the gas permeability by forming pores with a pore former or the like. However, when the pore former is used, the introduced structure in the electrode structure is used. Since the volume fraction of the pore material remains as pores, the abundance ratio of the electrode material itself having an electrode catalytic ability is lowered. On the other hand, when the gas permeability is improved by introducing coarse particles of 2 μm or more, the amount of the pore former can be reduced, so that the ratio of the electrode material in the electrode structure can be improved. . Thereby, good gas permeability, low electrode reaction resistance (radial electrical conductivity), and further resistance related to electronic conduction in the electrode (axial electrical conductivity) can be realized simultaneously.
このことは、後述する表1の実測の粗粒子割合と発電出力との関係から明らかである。
なお、ここで、粒子径とは、各粒子の最大径を示している(以下同様)。
また、以下では、粒子径2μm以上の粒子を粗粒子と称し、粒子径1μm以下の粒子を微粒子と称する。この粗粒子を構成する材料としては、使用において構造変化を伴わない材料が好ましい。
This is clear from the relationship between the measured coarse particle ratio and power generation output in Table 1 described later.
Here, the particle diameter indicates the maximum diameter of each particle (the same applies hereinafter).
Hereinafter, particles having a particle diameter of 2 μm or more are referred to as coarse particles, and particles having a particle diameter of 1 μm or less are referred to as fine particles. The material constituting the coarse particles is preferably a material that does not undergo structural change in use.
(3)本発明は、第3態様として、前記第1電極層が、均質な構造を有する1層構造からなることを特徴とする。
この様に、第1電極層を、均一な1層構造とすることにより、製造工程を簡易化でき、製造コストを低減できる。また、形状精度を高めることができる。
(3) As a third aspect, the present invention is characterized in that the first electrode layer has a single-layer structure having a homogeneous structure.
Thus, by making the first electrode layer have a uniform single layer structure, the manufacturing process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced. Further, the shape accuracy can be increased.
なお、前記均質とは、第1電極層の内表面から外表面に向かう方向に対し、電極組織が明確に異なる複数の層からなる構造を有していないことである。
(4)本発明は、第4態様として、前記第1電極層が燃料極であることを特徴とする。
The term “homogeneous” means that the first electrode layer does not have a structure composed of a plurality of layers with clearly different electrode structures in the direction from the inner surface to the outer surface.
(4) As a fourth aspect of the present invention, the first electrode layer is a fuel electrode.
ここでは、好ましい第1電極層を例示している。燃料極材料の方が一般に製造段階に高温での焼結が求められ、より大きな電極表面積を確保できる観点から、より優れた燃料電池が得られる。また、本発明では、第1電極層は高い電気伝導率を有しており、燃料極として用いた場合に、より優れた燃料電池になる。 Here, a preferable first electrode layer is illustrated. The fuel electrode material is generally required to be sintered at a high temperature in the production stage, and a more excellent fuel cell can be obtained from the viewpoint of securing a larger electrode surface area. In the present invention, the first electrode layer has a high electrical conductivity, and when used as a fuel electrode, a better fuel cell is obtained.
(5)本発明は、第5態様として、前記第1電極層の気孔率が30〜60体積%であることを特徴とする。
第1電極層の気孔率を30体積%以上としたのは、気孔率が30体積%を下回る場合には、ガスの拡散性が低下し固体電解質体近傍の反応場まで効率よくガスが供給されなくなり発電性能が低下するからである。
(5) As a fifth aspect of the present invention, the porosity of the first electrode layer is 30 to 60% by volume.
The reason why the porosity of the first electrode layer is set to 30% by volume or more is that when the porosity is lower than 30% by volume, the gas diffusibility is lowered and the gas is efficiently supplied to the reaction field in the vicinity of the solid electrolyte body. This is because the power generation performance is reduced.
また、第1電極層の気孔率を60体積%以下としたのは、気孔率が60体積%を上回る場合には、気孔が多くなることにより電気伝導を担う電極材料そのものの存在量が低下し、高い電気伝導率(5000S/cm以上)を得ることが容易ではないからである。 In addition, the porosity of the first electrode layer is set to 60% by volume or less because when the porosity exceeds 60% by volume, the abundance of the electrode material itself responsible for electrical conduction decreases due to an increase in the number of pores. This is because it is not easy to obtain high electrical conductivity (5000 S / cm or more).
このことは、後述する表1の気孔率と発電出力と電気伝導率との関係から明らかである。
(6)本発明は、第6態様として、前記第1電極層に供給されるガスの流路から、前記固体電解質体までの最短距離が、500μm以下であることを特徴とする。
This is clear from the relationship among the porosity, power generation output, and electrical conductivity in Table 1 described later.
(6) As a sixth aspect of the present invention, the shortest distance from the flow path of the gas supplied to the first electrode layer to the solid electrolyte body is 500 μm or less.
ここで、ガスの流路(チューブ内部の軸方向に伸びるガス流路)から、固体電解質体までの最短距離を500μm以下としたのは、最短距離が500μmを上回る場合には、ガスの拡散距離が長くなり、固体電解質体近傍へのガス供給が難しくなり、発電性能が低下するからである。 Here, the shortest distance from the gas flow path (the gas flow path extending in the axial direction inside the tube) to the solid electrolyte body is set to 500 μm or less. When the shortest distance exceeds 500 μm, the gas diffusion distance This is because the gas supply to the vicinity of the solid electrolyte body becomes difficult and the power generation performance decreases.
このことは、後述する表1の燃料極の厚さと発電出力と電気伝導率との関係から明らかである。
(7)本発明は、第7態様では、前記第1電極層を構成する粒子径2μm以上の粒子のうち、ジルコニア系粒子が最も高い含有量であることを特徴とする。
This is apparent from the relationship between the thickness of the fuel electrode, the power generation output, and the electrical conductivity in Table 1 described later.
(7) In the seventh aspect, the present invention is characterized in that zirconia-based particles have the highest content among particles having a particle diameter of 2 μm or more constituting the first electrode layer.
ここで、第1電極層を構成する粒子径2μm以上の粒子のうち、ジルコニア系粒子を最も高い含有量(例えばモル比)としたのは、電極材料として用いる材料の中で、ジルコニアが運転温度付近で最も化学的安定性に優れた材料であり、安定性に優れた材料で大きな骨格を形成することで、長期耐久性に優れた電極を得ることができるためである。 Here, among the particles having a particle diameter of 2 μm or more constituting the first electrode layer, the zirconia-based particles have the highest content (for example, molar ratio) because zirconia is the operating temperature among the materials used as the electrode material. This is because an electrode having excellent long-term durability can be obtained by forming a large skeleton from a material having excellent chemical stability in the vicinity and having excellent stability.
なお、前記ジルコニア系粒子とは、ジルコニアを主成分又は全成分とする粒子である(以下同様)。
(8)本発明は、第8態様では、前記第1電極層を構成する材料粒子のうち、30体積%以上が粒子径1μm以下の粒子で構成されていることを特徴とする。
The zirconia-based particles are particles containing zirconia as a main component or all components (the same applies hereinafter).
(8) In the eighth aspect, the present invention is characterized in that, among the material particles constituting the first electrode layer, 30% by volume or more is composed of particles having a particle diameter of 1 μm or less.
ここで、第1電極層を構成する材料粒子のうち、30体積%以上を粒子径1μm以下の粒子で構成したのは、粒子径1μm以下の細かい粒子を30体積%以上導入することで、電極の比表面積が増加するため、より多くの反応場を導入できるためである。 Here, among the material particles constituting the first electrode layer, 30% by volume or more is composed of particles having a particle diameter of 1 μm or less. By introducing 30% by volume or more of fine particles having a particle diameter of 1 μm or less, the electrode This is because more specific reaction fields can be introduced because the specific surface area increases.
このことは、後述する表1の実測の微粒子割合と発電出力との関係から明らかである。
(9)本発明は、第9態様では、前記第1電極層を構成する材料粒子のうち、50〜90体積%が粒子径1μm以下の粒子(例えば後述する表2の実測のNi微粒子割合+実測のYSZ微粒子割合、又は、実測のNi微粒子割合+実測のScSZ微粒子割合)で構成されていることを特徴とする。
This is clear from the relationship between the actually measured fine particle ratio and power generation output in Table 1 described later.
(9) According to the ninth aspect of the present invention, in the ninth aspect, among the material particles constituting the first electrode layer, 50 to 90% by volume of particles having a particle diameter of 1 μm or less (for example, measured Ni fine particle ratio in Table 2 described later + The measured YSZ fine particle ratio, or the measured Ni fine particle ratio + the measured ScSZ fine particle ratio).
第1電極層を構成する材料粒子のうち、50〜90体積%を粒子径1μm以下の細かい粒子で構成したのは、高性能と同時に高耐久性を得るには、粒子径1μm以下の細かい粒子を導入することが必要となるからである。 Of the material particles constituting the first electrode layer, 50 to 90% by volume are composed of fine particles having a particle diameter of 1 μm or less. In order to obtain high performance and high durability, fine particles having a particle diameter of 1 μm or less. This is because it is necessary to introduce.
つまり、50体積%未満しか導入しない場合には、第1電極層中の金属粒子(例えばNi、Cu、Feなど)の焼結抑制効果が十分得られず、性能劣化が起こりやすいからである。なお、微粒子が多いと焼結抑制効果が得られるのは、金属粒子(例えばNi、Cu、Feなど)同士の接触を低減することが可能だからである。 That is, if less than 50% by volume is introduced, the effect of suppressing the sintering of metal particles (for example, Ni, Cu, Fe, etc.) in the first electrode layer cannot be obtained sufficiently, and performance deterioration easily occurs. The reason why the sintering suppression effect is obtained when there are many fine particles is that the contact between metal particles (for example, Ni, Cu, Fe, etc.) can be reduced.
また、90体積%より多く導入する場合には、ガス拡散性が損なわれ良好な発電性能を得にくくなるからである。すなわち、50〜90体積%のとき、特に良好な燃料電池性能を得ることができるためである。 Moreover, when it introduce | transduces more than 90 volume%, gas diffusibility is impaired and it becomes difficult to obtain favorable electric power generation performance. That is, when the content is 50 to 90% by volume, particularly good fuel cell performance can be obtained.
このことは、後述する表2の「実測のNi微粒子割合+実測のYSZ微粒子割合」又は「実測のNi微粒子割合+実測のScSZ微粒子割合」と発電出力と劣化率との関係から明らかである。 This is apparent from the relationship between “measured Ni fine particle ratio + actually measured YSZ fine particle ratio” or “actually measured Ni fine particle ratio + measured ScSZ fine particle ratio” and power generation output and deterioration rate in Table 2 described later.
(10)本発明は、第10態様では、前記第1電極層を構成する粒子径1μm以下の粒子のうち少なくとも一部は、主成分がニッケル、銅、鉄、銀、白金、ルテニウム、ロジウム、コバルトのうち少なくとも1種からなる金属又は合金粒子であることを特徴とする。 (10) In the tenth aspect of the present invention, at least a part of the particles having a particle diameter of 1 μm or less constituting the first electrode layer is composed mainly of nickel, copper, iron, silver, platinum, ruthenium, rhodium, It is a metal or alloy particle made of at least one of cobalt.
このような材料は、固体酸化物形燃料電池の電極材料として優れた触媒能を有する。
(11)本発明は、第11態様では、前記第1電極層を構成する材料粒子のうち、20〜50体積%が粒子径1μm以下のジルコニア系粒子(例えば表2の実測のYSZ微粒子割合)で構成されていることを特徴とする。
Such a material has excellent catalytic ability as an electrode material of a solid oxide fuel cell.
(11) In the eleventh aspect of the present invention, in the eleventh aspect, zirconia-based particles having a particle diameter of 1 μm or less (for example, the actually measured YSZ fine particle ratio in Table 2) of the material particles constituting the first electrode layer. It is characterized by comprising.
第1電極層を構成する材料粒子のうち、20〜50体積%を粒子径1μm以下のジルコニア系粒子で構成したのは、燃料電池の劣化の主要因は、発電時の金属(例えばNi、Cu、Feなど)又は合金粒子(例えばNi−Fe、Ni−Cuなど)の焼結凝集であるが、20体積%未満の時は、焼結抑制効果が十分でなく、50体積%より多い時は、第1電極層のガス透過性が低く、十分な燃料電池性能を得にくくなるためである。つまり、20〜50体積%のときに、長期耐久性に優れ、性能良好な電極を得ることができるためである。 Of the material particles constituting the first electrode layer, 20 to 50% by volume is composed of zirconia-based particles having a particle diameter of 1 μm or less. The main cause of deterioration of the fuel cell is the metal during power generation (eg, Ni, Cu , Fe, etc.) or alloy particles (for example, Ni-Fe, Ni-Cu, etc.), but when the amount is less than 20% by volume, the sintering inhibiting effect is not sufficient, and when the amount is more than 50% by volume. This is because the gas permeability of the first electrode layer is low and it becomes difficult to obtain sufficient fuel cell performance. That is, when the content is 20 to 50% by volume, an electrode having excellent long-term durability and good performance can be obtained.
このことは、後述する表2の「実測の微粒子割合」と発電出力と劣化率との関係から明らかである。
(12)本発明は、第12態様では、前記ジルコニア系粒子は、スカンジウム安定化ジルコニア又はイットリウム安定化ジルコニアを主成分とすることを特徴とする。
This is apparent from the relationship between “actually measured fine particle ratio” in Table 2 described later, the power generation output, and the deterioration rate.
(12) The twelfth aspect of the present invention is characterized in that the zirconia-based particles contain scandium-stabilized zirconia or yttrium-stabilized zirconia as a main component.
ジルコニア系粒子を、スカンジウム安定化型ジルコニア(ScSZ)又はイットリウム安定化型ジルコニア(YSZ)で構成したのは、これら材料がイオン伝導率に優れており、電気的に優れた電極を得ることができるためである。 The reason why the zirconia-based particles are composed of scandium-stabilized zirconia (ScSZ) or yttrium-stabilized zirconia (YSZ) is that these materials are excellent in ionic conductivity, and an electrode having excellent electrical properties can be obtained. Because.
(13)本発明は、第13態様では、前記第1電極層を構成する材料粒子のうち、ジルコニア系粒子(例えば表2のYSZ混合率)の占める割合が50〜60体積%であることを特徴とする。 (13) In the thirteenth aspect of the present invention, the proportion of the zirconia-based particles (for example, YSZ mixing ratio in Table 2) in the material particles constituting the first electrode layer is 50 to 60% by volume. Features.
第1電極層を構成する材料粒子のうち、ジルコニア系粒子が占める割合を50〜60体積%としたのは、50体積%未満の時には、金属粒子(例えばNi、Cu、Feなど)同士の接触を低減するために必要なジルコニア系粒子数が不十分なので、電極中の金属又は合金粒子の焼結凝集が起こりやすく、60体積%より多い時は、触媒となる金属又は合金粒子の存在比率が少なくなり、高い燃料電池性能を得にくくなるためである。 Of the material particles constituting the first electrode layer, the proportion of the zirconia-based particles is 50 to 60% by volume. When the ratio is less than 50% by volume, the metal particles (for example, Ni, Cu, Fe, etc.) contact each other. Since the number of zirconia-based particles necessary to reduce the amount is insufficient, sintering or aggregation of metal or alloy particles in the electrode is likely to occur. When the amount is more than 60% by volume, the abundance ratio of metal or alloy particles serving as a catalyst is high. This is because it becomes less and it becomes difficult to obtain high fuel cell performance.
このことは、後述する表2のYSZ混合率と発電出力と劣化率との関係から明らかである。なお、YSZ混合率と第1電極層の材料粒子の割合とは、実質的に同一である。
(14)本発明は、第14態様では、前記固体電解質体の外表面から前記第1電極層の内表面までのヘリウムガスの透過量(例えば表3のヘリウムガス透過量)が、1cm2当たり、5.0×10-5Pa・m3/sec以下であることを特徴とする。
This is apparent from the relationship among the YSZ mixing ratio, the power generation output, and the deterioration rate in Table 2 described later. The YSZ mixing ratio and the ratio of the material particles of the first electrode layer are substantially the same.
(14) In the fourteenth aspect of the present invention, the permeation amount of helium gas from the outer surface of the solid electrolyte body to the inner surface of the first electrode layer (for example, the helium gas permeation amount in Table 3) per cm 2 5.0 × 10 −5 Pa · m 3 / sec or less.
ヘリウムガスの透過量を、1cm2当たり、5.0×10-5Pa・m3/sec以下としたのは、この透過量を超える固体電解質体では、緻密な組織になっていないために、燃料ガス及び空気が固体電解質体から漏れてしまい、特に高い燃料利用率で発電する際には、反応に必要な燃料ガスが不足した状態になり、第1電極層の反応場において空気過剰な状態となって第1電極層が酸化され、耐久性能の低下を招くからである。 The permeation amount of helium gas was set to 5.0 × 10 −5 Pa · m 3 / sec or less per 1 cm 2 because the solid electrolyte body exceeding this permeation amount is not a dense structure. When fuel gas and air leak from the solid electrolyte body, particularly when power generation is performed at a high fuel utilization rate, the fuel gas necessary for the reaction becomes insufficient, and there is excess air in the reaction field of the first electrode layer. This is because the first electrode layer is oxidized and the durability performance is lowered.
(15)本発明は、第15態様として、上述した固体酸化物形燃料電池の製造方法であって、粉末を混合して粘土状にする工程と、前記粘土状にした混合物を押出成形する工程と、を有し、前記第1電極層を押出成形で形成することを特徴とする。 (15) The present invention provides, as a fifteenth aspect, a method for producing the above-described solid oxide fuel cell, the step of mixing powder into a clay state, and the step of extruding the clay-like mixture And the first electrode layer is formed by extrusion molding.
ここで、押出成形で第1電極層を形成するのは、チューブ状の固体酸化物形燃料電池の第1電極層の内部に、(軸方向に伸びる)ガス流路を有する形態として成形する手段として、最も簡便で精度良く製造できる製造方法であるからである。 Here, the first electrode layer is formed by extrusion molding in a form having a gas flow path (extending in the axial direction) inside the first electrode layer of the tube-shaped solid oxide fuel cell. This is because it is the most convenient and accurate manufacturing method.
(16)本発明は、第16態様として、前記第1電極層の原料として、2μm以上の平均粒子径を有する原料を、焼成段階で消失する成分(例えば造孔材)を除く部分の体積比換算で8〜60体積%の比率で混合して製造することを特徴とする。 (16) As a sixteenth aspect, the present invention provides a raw material having an average particle diameter of 2 μm or more as a raw material of the first electrode layer, and a volume ratio of a portion excluding a component (for example, pore former) that disappears in a firing stage. It mixes and manufactures in the ratio of 8-60 volume% in conversion, It is characterized by the above-mentioned.
ここで、2μm以上の平均粒子径を有する原料を混合するのは、ガス拡散性が良好な第1電極層を容易に実現できるからである。
(17)本発明は、第17態様として、前記第1電極層の原料として、1μm以下の平均粒子径を有する原料を、焼成段階で消失する成分(例えば造孔材)を除く部分の体積比換算で30体積%以上の比率で混合して製造することを特徴とする。
Here, the raw material having an average particle diameter of 2 μm or more is mixed because the first electrode layer having good gas diffusibility can be easily realized.
(17) In the seventeenth aspect of the present invention, as a seventeenth aspect, a raw material having an average particle diameter of 1 μm or less is used as a raw material for the first electrode layer, and a volume ratio of a portion excluding a component (for example, pore former) that disappears in the firing stage It is characterized by being manufactured by mixing at a ratio of 30% by volume or more in terms of conversion.
ここで、1μm以下の平均粒子径を有する原料を混合するのは、電極表面積の大きな第1電極層を容易に実現できるからである。
(18)本発明は、第18態様として、造孔材を第1電極層の原料の体積に対し、20〜40外体積%添加して製造することを特徴とする。
Here, the raw material having an average particle diameter of 1 μm or less is mixed because the first electrode layer having a large electrode surface area can be easily realized.
(18) The present invention is characterized in that, as an eighteenth aspect, the pore former is produced by adding 20 to 40% by volume with respect to the volume of the raw material of the first electrode layer.
ここで、造孔材を20〜40外体積%添加するのは、高い性能を有する固体酸化物形燃料電池を得るための第1電極の気孔率を容易に実現できるからである。
(19)本発明は、第19態様として、前記造孔材は、球形状の造孔材又は該球形状の粒子を組み合わせた造孔材であり、かつ、該造孔材の粒子径は1〜10μmであることを特徴とする。
Here, the reason why 20-40% by volume of the pore former is added is that the porosity of the first electrode for obtaining a solid oxide fuel cell having high performance can be easily realized.
(19) In the nineteenth aspect of the present invention, the pore former is a spherical pore former or a pore former obtained by combining the spherical particles, and the particle diameter of the pore former is 1. 10 to 10 μm.
ここで、球形状の造孔材を用いるのは、成形段階において電極材料の粉末の充填密度が変化をしにくく、製品の形状精度が得やすいからである。また、造孔材の粒子径を1〜10μmとしたのは、1μmを下回る造孔材料の場合には、焼結体の強度が低くなりやすく、また、10μmを上回る造孔材料の場合には、造孔材による気孔が電極構造中にまばらに点在する状態となり、電極性能の向上には効果がなくなるためである。 Here, the spherical pore former is used because the packing density of the electrode material powder hardly changes during the molding stage, and the shape accuracy of the product is easily obtained. Moreover, the particle diameter of the pore former was set to 1 to 10 μm. In the case of a pore former less than 1 μm, the strength of the sintered body tends to be low, and in the case of a pore former more than 10 μm This is because pores due to the pore former are sparsely scattered in the electrode structure, and the effect of improving the electrode performance is lost.
(20)本発明は、第20態様では、前記第1電極層の原料として、1μm以下の平均粒子径を有する原料(例えば表2の微粒子混合率)を、焼成段階で消失する成分を除く部分の体積比換算で55〜95体積%の比率で混合して製造することを特徴とする。 (20) According to the twentieth aspect of the present invention, in the twentieth aspect, a raw material having an average particle diameter of 1 μm or less (for example, a mixing ratio of fine particles in Table 2) is excluded as a raw material for the first electrode layer It is characterized by being manufactured by mixing at a ratio of 55 to 95% by volume in terms of volume ratio.
第1電極層の原料として、1μm以下の平均粒子径を有する原料を、焼成段階で消失する成分(例えば造孔材)を除く部分の体積比換算で55〜95体積%の比率で混合して製造するのは、請求項9に記載したような電極構造を得るためには、製造上最も適した混合比率であるためである。 As a raw material for the first electrode layer, a raw material having an average particle diameter of 1 μm or less is mixed at a ratio of 55 to 95% by volume in terms of the volume ratio of the portion excluding components (for example, pore former) that disappear in the firing stage. The reason for manufacturing is that the mixing ratio is most suitable for manufacturing in order to obtain an electrode structure as set forth in claim 9.
(21)本発明は、第21態様では、前記第1電極層の原料として、1μm以下の平均粒子径を有する酸化ニッケル(NiO)を混合することを特徴とする。
この酸化ニッケル(NiO)を使用すると、焼成時には焼結を低く抑えることができ、発電時には還元されてニッケルとなり、優れた触媒活性を有するからである。
(21) In the twenty-first aspect, the present invention is characterized in that nickel oxide (NiO) having an average particle diameter of 1 μm or less is mixed as a raw material for the first electrode layer.
When this nickel oxide (NiO) is used, sintering can be kept low at the time of firing, and it is reduced to nickel during power generation and has excellent catalytic activity.
(22)本発明は、第22態様では、前記第1電極層と前記固体電解質体とを、1350℃以下の温度(例えば表3の焼成温度)で同時焼成することを特徴とする。
第1電極層と固体電解質体との同時焼成温度を1350℃以下としたのは、焼成温度が低いほど第1電極層の表面積の大きな組織を得やすいが、固体電解質体の緻密度を得ながら良好な燃料電池性能を得るためには、1350℃以下の焼成温度が好ましいからである。
(22) In the twenty-second aspect, the present invention is characterized in that the first electrode layer and the solid electrolyte body are simultaneously fired at a temperature of 1350 ° C. or lower (for example, the firing temperature in Table 3).
The co-firing temperature of the first electrode layer and the solid electrolyte body is set to 1350 ° C. or lower. The lower the firing temperature, the easier it is to obtain a structure with a large surface area of the first electrode layer, while obtaining the density of the solid electrolyte body. This is because a firing temperature of 1350 ° C. or lower is preferable in order to obtain good fuel cell performance.
なお、焼成温度は、固体電解質体の緻密度を得る観点から、1300℃以上が望ましい。
<以下、本発明の各構成について説明する>
・前記第1電極層(例えば内側電極)及び第2電極層(外側電極)は、それぞれ、例えば燃料ガスと接触する燃料極、酸素源となる空気などの支燃性ガスと接触する空気極として使用できる。
The firing temperature is preferably 1300 ° C. or higher from the viewpoint of obtaining the density of the solid electrolyte body.
<Hereinafter, each configuration of the present invention will be described>
The first electrode layer (for example, the inner electrode) and the second electrode layer (for the outer electrode) are, for example, a fuel electrode that is in contact with a fuel gas and an air electrode that is in contact with a combustion-supporting gas such as air that is an oxygen source. Can be used.
このうち、「燃料極」の場合には、水素源となる燃料ガスと接触し、単セルにおける負電極として機能する。この燃料極としては、金属(特にNi)粒子とセラミックス粒子からなるサーメットを採用できる。 Among these, in the case of the “fuel electrode”, the fuel electrode is in contact with the hydrogen gas and functions as a negative electrode in the single cell. As the fuel electrode, a cermet made of metal (particularly Ni) particles and ceramic particles can be employed.
この金属としては、Ni以外に、Cu、Fe、Co、Ag、Pt、Pd、W、Mo、及びこれらの合金等を採用できる。
また、セラミックスとしては、ジルコニア、YSZ(イットリウム安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジウム安定化ジルコニア)、SDC(サマリウムをドープしたセリア)、GDC(ガドリニウムをドープしたセリア)、アルミナ、シリカ、チタニアなどが挙げられる。特に、YSZ、ScSZ、SDC、GDCが望ましい。
In addition to Ni, Cu, Fe, Co, Ag, Pt, Pd, W, Mo, and alloys thereof can be used as the metal.
Examples of ceramics include zirconia, YSZ (yttrium stabilized zirconia), ScSZ (scandium stabilized zirconia), SDC (ceria doped with samarium), GDC (ceria doped with gadolinium), alumina, silica, titania, and the like. It is done. In particular, YSZ, ScSZ, SDC, and GDC are desirable.
一方、「空気極」の場合には、酸素源となる支燃性ガスと接触し、単セルにおける正電極として機能する。
空気極の材料としては、例えば固体酸化物形燃料電池の使用条件等により適宜選択することができる。この材料としては、例えば金属、金属の酸化物、金属の複合酸化物等を用いることができる。金属としては、Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ru、Rh等の金属又は2種以上の金属を含有する合金が挙げられる。
On the other hand, in the case of an “air electrode”, it comes into contact with a combustion-supporting gas serving as an oxygen source and functions as a positive electrode in a single cell.
The material of the air electrode can be appropriately selected depending on, for example, the use conditions of the solid oxide fuel cell. As this material, for example, a metal, a metal oxide, a metal composite oxide, or the like can be used. Examples of the metal include metals such as Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, Rh, and alloys containing two or more metals.
更に、金属の酸化物としては、例えば、La、Sr、Ce、Co、Mn、Fe等の酸化物(例えば、La2O3、SrO、Ce2O3、Co2O3、MnO2、FeO等)が挙げられる。また、複酸化物としては、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(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系複合酸化物等)が挙げられる。 Furthermore, 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 , FeO). Etc.). Further, as the complex oxide, various complex oxides containing at least one of La, Pr, Sm, Sr, Ba, Co, Fe, Mn, etc. (for example, La 1-x Sr x CoO 3 series) Complex oxides, La 1-x Sr x FeO 3 complex oxides, La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 complex oxides, La 1-x Sr x MnO 3 complex oxides, Pr 1-x Ba x CoO 3 composite oxide, Sm 1-x Sr x CoO 3 composite oxide, and the like.
更に、「固体電解質体」としては、YSZ、ScSZ、SDC、GDC、ペロブスカイト系酸化物等の固体電解質(固体酸化物)が挙げられる。これらは、単一膜でもよいし、2種以上の組成が積層構造となっている多層膜でもよい。多層膜としては、例えばYSZ+SDC膜、YSZ+GDC膜などが挙げられる。 Furthermore, examples of the “solid electrolyte body” include solid electrolytes (solid oxides) such as YSZ, ScSZ, SDC, GDC, and perovskite oxides. These may be a single film or a multilayer film in which two or more kinds of compositions have a laminated structure. Examples of the multilayer film include a YSZ + SDC film and a YSZ + GDC film.
この固体電解質体は、例えば燃料電池の場合には、その動作時に燃料極に導入される燃料ガス又は空気極に導入される支燃性ガスのうち一方の少なくとも一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。どのようなイオンを伝導することができるかは特に限定されないが、イオンとしては、例えば、酸化物イオンO2-及びプロトンH+等が挙げられる。 In the case of a fuel cell, for example, this solid electrolyte body can move at least a part of one of the fuel gas introduced into the fuel electrode or the combustion-supporting gas introduced into the air electrode during operation as ions. It has ionic conductivity. Although what kind of ion can be conducted is not particularly limited, examples of the ion include oxide ion O 2− and proton H + .
以下、本発明の実施形態について説明する。
[実施形態]
a)まず、本実施形態の固体酸化物形燃料電池の構成について、図1及び図2に基づいて説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[Embodiment]
a) First, the configuration of the solid oxide fuel cell according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
図1及び図2に示す様に、固体酸化物形燃料電池1は、細径(例えば直径0.5〜2.0mm)で長尺(例えば長さ10〜50mm)の筒状(チューブ形状)の部材であり、その軸中心には燃料ガスが流される貫通孔3が形成されている。 As shown in FIGS. 1 and 2, the solid oxide fuel cell 1 has a cylindrical shape (tube shape) having a small diameter (for example, a diameter of 0.5 to 2.0 mm) and a long length (for example, a length of 10 to 50 mm). A through hole 3 through which fuel gas flows is formed at the center of the shaft.
この固体酸化物形燃料電池1は、その中心に、支持体となる筒状の燃料極(内側電極:第1電極)5を備えており、この燃料極5の外周面には、燃料極5を全周にわたって覆うように、薄肉の固体電解質体である固体電解質層(固体酸化物層)7が形成されている。なお、固体電解質層7は、固体酸化物層7の軸方向両側より、燃料極5が僅かに露出するように、燃料極5より軸方向の寸法が小さくなるように形成されている。 The solid oxide fuel cell 1 includes a cylindrical fuel electrode (inner electrode: first electrode) 5 serving as a support at the center, and the fuel electrode 5 is disposed on the outer peripheral surface of the fuel electrode 5. A solid electrolyte layer (solid oxide layer) 7 which is a thin solid electrolyte body is formed so as to cover the entire circumference. The solid electrolyte layer 7 is formed to have a smaller axial dimension than the fuel electrode 5 so that the fuel electrode 5 is slightly exposed from both axial sides of the solid oxide layer 7.
また、固体電解質層7の外周面には、固体電解質層7を全周にわたって覆うように、(固体酸化物材料と空気極材料との反応を防止する)薄肉の反応防止層9が形成されている。なお、反応防止層9は、反応防止層9の軸方向両側より、固体電解質層7が僅かに露出するように、固体電解質層7より軸方向の寸法が小さくなるように形成されている。 Further, a thin reaction prevention layer 9 (which prevents reaction between the solid oxide material and the air electrode material) is formed on the outer peripheral surface of the solid electrolyte layer 7 so as to cover the entire circumference of the solid electrolyte layer 7. Yes. The reaction preventing layer 9 is formed to have a smaller axial dimension than the solid electrolyte layer 7 so that the solid electrolyte layer 7 is slightly exposed from both axial sides of the reaction preventing layer 9.
更に、反応防止層9の外周面には、反応防止層9を全周にわたって覆うように、薄肉の空気極(外側電極:第2電極)11が形成されている。なお、空気極11は、空気極11の軸方向両側より、反応防止層9が僅かに露出するように、反応防止層9より軸方向の寸法が小さくなるように形成されている。 Further, a thin air electrode (outside electrode: second electrode) 11 is formed on the outer peripheral surface of the reaction preventing layer 9 so as to cover the entire reaction preventing layer 9. The air electrode 11 is formed to have a smaller axial dimension than the reaction preventing layer 9 so that the reaction preventing layer 9 is slightly exposed from both axial sides of the air electrode 11.
以下、各構成について説明する。
前記燃料極5は、主として、ニッケル及びイットリウム安定化型ジルコニア(YSZ)からなるとともに、均質な構造を有する1層構造であり、その厚みは500μm以下である。
Each configuration will be described below.
The fuel electrode 5 is mainly composed of nickel and yttrium-stabilized zirconia (YSZ) and has a single layer structure having a homogeneous structure, and the thickness thereof is 500 μm or less.
また、燃料極5の(厚み方向における)ガス透過率は、1×10-4ml/cm2secPa以上であり、その電気伝導率は、25℃において3000S/cm以上である。なお、燃料極5の気孔率は30〜60体積%である。 Further, the gas permeability (in the thickness direction) of the fuel electrode 5 is 1 × 10 −4 ml / cm 2 secPa or more, and its electric conductivity is 3000 S / cm or more at 25 ° C. The porosity of the fuel electrode 5 is 30 to 60% by volume.
更に、燃料極5を構成する材料粒子のうち、8〜60体積%が粒子径2μm以上の粒子(粗粒子)で構成されており、その粒子径2μm以上の粗粒子のうち、ジルコニア系粒子(ここではYSZ粒子)が最も高い含有量(モル比)である。なお、この含有量としては、例えば50%が挙げられる。 Further, among the material particles constituting the fuel electrode 5, 8 to 60% by volume is composed of particles (coarse particles) having a particle diameter of 2 μm or more, and among the coarse particles having a particle diameter of 2 μm or more, zirconia-based particles ( Here, YSZ particles) has the highest content (molar ratio). In addition, as this content, 50% is mentioned, for example.
しかも、燃料極5を構成する材料粒子のうち、30体積%以上(特に50〜90体積%)が粒子径1μm以下の粒子で構成されている。
また、前記粒子径1μm以下の粒子のうち少なくとも一部は、主成分がニッケルである。なお、ニッケル以外に、銅、鉄、銀、白金、ルテニウム、ロジウム、コバルトのうち少なくとも1種からなる金属又は合金粒子を採用することもできる。
Moreover, among the material particles constituting the fuel electrode 5, 30% by volume or more (particularly 50 to 90% by volume) is composed of particles having a particle diameter of 1 μm or less.
In addition, at least a part of the particles having a particle diameter of 1 μm or less is mainly composed of nickel. In addition to nickel, metal or alloy particles composed of at least one of copper, iron, silver, platinum, ruthenium, rhodium, and cobalt can also be employed.
更に、燃料極5を構成する材料粒子のうち、ジルコニア系粒子の占める割合が50〜60体積%であり、しかも、燃料極5を構成する材料粒子のうち、20〜50体積%が粒子径1μm以下のジルコニア系粒子で構成されている。 Furthermore, the proportion of zirconia-based particles in the material particles constituting the fuel electrode 5 is 50 to 60% by volume, and among the material particles constituting the fuel electrode 5, 20 to 50% by volume has a particle diameter of 1 μm. It is composed of the following zirconia-based particles.
なお、このジルコニア系粒子は、YSZを主成分とする粒子(ここではYSZのみからなる粒子)であるが、ScSZを主成分としてもよい。
また、固体電解質層7の外表面から燃料極5の内表面までのヘリウムガスの透過量が、1cm2当たり、5.0×10-5Pa・m3/sec以下である。
The zirconia-based particles are particles mainly composed of YSZ (here, particles composed only of YSZ), but may be composed mainly of ScSZ.
Further, the permeation amount of helium gas from the outer surface of the solid electrolyte layer 7 to the inner surface of the fuel electrode 5 is 5.0 × 10 −5 Pa · m 3 / sec or less per 1 cm 2 .
前記固体電解質層7は、厚みが例えば5μmの薄膜であり、主として、例えばイットリウム安定化型ジルコニア(YSZ)からなる。
前記反応防止層9は、厚みが例えば3μmの薄膜であり、主として、例えばガドリニウム固溶型セリア(GDC)からなる。
The solid electrolyte layer 7 is a thin film having a thickness of, for example, 5 μm, and is mainly made of, for example, yttrium-stabilized zirconia (YSZ).
The reaction preventing layer 9 is a thin film having a thickness of 3 μm, for example, and is mainly made of gadolinium solid solution type ceria (GDC), for example.
前記空気極11は、厚みが例えば20μmの薄膜であり、主として、例えば La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-x(LSCF)とGDCからなる。
そして、上述した構成の固体酸化物形燃料電池1においては、図2に示す様に、所定の温度条件(例えば650℃)で、燃料極5の貫通孔3に水素を供給するとともに、空気極11の外側に空気を供給することによって、燃料極5と空気極11との間から出力(電力)を取り出すことができる。
The air electrode 11 is a thin film having a thickness of, for example, 20 μm, and is mainly composed of, for example, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3-x (LSCF) and GDC.
In the solid oxide fuel cell 1 having the above-described configuration, as shown in FIG. 2, hydrogen is supplied to the through hole 3 of the fuel electrode 5 under a predetermined temperature condition (for example, 650 ° C.), and the air electrode By supplying air to the outside of 11, the output (electric power) can be taken out between the fuel electrode 5 and the air electrode 11.
なお、この種のチューブ状の固体酸化物形燃料電池1は、図3に示す様に、軸方向を揃えて縦横に複数配列することによって、固体酸化物形燃料電池スタック15として使用することができる。 In addition, as shown in FIG. 3, this kind of tube-shaped solid oxide fuel cell 1 can be used as the solid oxide fuel cell stack 15 by aligning a plurality of columns in the vertical and horizontal directions. it can.
b)次に、本実施形態の固体酸化物形燃料電池1の製造方法について、図4に基づいて説明する。
図4(a)に示す様に、まず、燃料極5を作製するために、酸化ニッケル(NiO)及びイットリウム安定化型ジルコニア(YSZ)の混合粉末に、セルロース系バインダーと、造孔材として(粒子径1〜10μmの範囲内の)例えば5μm径の球状のポリメタクリル酸メチル(PMMA)ビーズ粉末を加え、十分に混合した後、水を添加して粘土状になるまで混合した。
b) Next, the manufacturing method of the solid oxide fuel cell 1 of this embodiment is demonstrated based on FIG.
As shown in FIG. 4A, first, in order to produce the fuel electrode 5, a mixed powder of nickel oxide (NiO) and yttrium-stabilized zirconia (YSZ) is mixed with a cellulosic binder and a pore former ( For example, spherical polymethyl methacrylate (PMMA) bead powder having a particle diameter of 1 to 10 μm (for example) having a diameter of 5 μm was added, mixed well, and then mixed until it became clayy by adding water.
ここで、前記酸化ニッケル及びYSZからなる混合粉末としては、下記表1に例示する様に、2μm以上の平均粒子径を有する粗粒子を(造孔材を除く部分の体積比換算で)8〜60体積%、1μm以下の平均粒子径を有する微粒子を(造孔材を除く部分の体積比換算で)30体積%以上含む混合粉末を用いる。なお、酸化ニッケルにおける平均粒子径の粒子の割合及びYSZにおける平均粒子径の粒子の割合も、前記混合粉末と同様である。 Here, as the mixed powder composed of nickel oxide and YSZ, as illustrated in Table 1 below, coarse particles having an average particle diameter of 2 μm or more (in terms of the volume ratio of the portion excluding the pore former) are 8 to A mixed powder containing 60% by volume or more and 30% by volume or more of fine particles having an average particle diameter of 1 μm or less (in terms of the volume ratio of the portion excluding the pore former) is used. The ratio of particles having an average particle diameter in nickel oxide and the ratio of particles having an average particle diameter in YSZ are the same as those in the mixed powder.
更に、この混合粉末として、上記条件に加えて、例えば1μm以下の平均粒子径を有する微粒子を(造孔材を除く部分の体積比換算で)55〜95体積%含む混合粉末を用いる。 Further, as this mixed powder, in addition to the above conditions, for example, a mixed powder containing 55 to 95% by volume of fine particles having an average particle diameter of 1 μm or less (in terms of the volume ratio of the portion excluding the pore former) is used.
また、造孔材の添加率は、前記混合粉末に対して、例えば20〜40外体積%の範囲とする。
なお、酸化ニッケル及びYSZの混合比率は、例えば50体積%:50体積%である。また、混合粉末は、主には平均粒子径2μm以上の粗粒子と平均粒子径1μm以下の微粒子からなり、その粗粒子はジルコニア(YSZ)から構成され、微粒子は酸化ニッケル及びジルコニア(YSZ)から構成されている。
Moreover, the addition rate of a pore making material shall be the range of 20-40 outer volume% with respect to the said mixed powder, for example.
The mixing ratio of nickel oxide and YSZ is, for example, 50% by volume: 50% by volume. The mixed powder is mainly composed of coarse particles having an average particle diameter of 2 μm or more and fine particles having an average particle diameter of 1 μm or less. The coarse particles are composed of zirconia (YSZ), and the fine particles are composed of nickel oxide and zirconia (YSZ). It is configured.
なお、粗粒子と微粒子の割合(体積%)は、例えば下記表1及び表2に記載する様な(本発明の範囲の)所定の割合である。
次に、その粘土を、押出成形機に投入して、外径2.5mmの円筒状(チューブ)の燃料極用成形体21を作製した。なお、燃料極用成形体21は所定の長さに切断した。
The ratio (volume%) between the coarse particles and the fine particles is a predetermined ratio (within the scope of the present invention) as described in Tables 1 and 2 below, for example.
Next, the clay was put into an extrusion molding machine to produce a cylindrical (tube) fuel electrode molded body 21 having an outer diameter of 2.5 mm. The fuel electrode molded body 21 was cut to a predetermined length.
次に、図4(b)に示す様に、固体電解質層7を形成するために、YSZ粉末と、ポリビニルブチラールと、アミン系分散剤と、可塑剤を、メチルエチルケトン及びエタノールを溶媒として混合し、コーティング用スラリーを作製した。 Next, as shown in FIG. 4 (b), in order to form the solid electrolyte layer 7, YSZ powder, polyvinyl butyral, amine dispersant, plasticizer, methyl ethyl ketone and ethanol are mixed as a solvent, A slurry for coating was prepared.
次に、燃料極用成形体21の外周面において、固体電解質層7を形成しない位置に、即ち燃料極用成形体21の軸方向の両側の外周面に、所定幅でマスキングを行った後、コーティング用スラリーに浸漬して、ゆっくりと引き上げることで、燃料極用成形体21の表面に、固体電解質層用被膜23を形成した。 Next, after performing masking with a predetermined width on the outer peripheral surface of the fuel electrode molded body 21 at a position where the solid electrolyte layer 7 is not formed, that is, on the outer peripheral surfaces on both sides in the axial direction of the fuel electrode molded body 21. The solid electrolyte layer coating 23 was formed on the surface of the fuel electrode molded body 21 by dipping in the coating slurry and slowly pulling it up.
その後、1350℃にて、燃料極用成形体21と固体電解質層用形成膜23を同時焼成することで、燃料極5と固体電解質層7の同時焼成体25を得た。
次に、図4(c)に示す様に、固体電解質層7と空気極11の反応を防止する目的の反応防止層9を形成するために、ガドリニウム固溶型セリア(GDC) 粉末と、ポリビニ
ルブチラールと、アミン系分散剤と、可塑剤を、メチルエチルケトン及びエタノールを溶媒として混合し、コーティング用スラリーを作製した。
Thereafter, the fuel electrode molded body 21 and the solid electrolyte layer forming film 23 were simultaneously fired at 1350 ° C. to obtain a co-fired body 25 of the fuel electrode 5 and the solid electrolyte layer 7.
Next, as shown in FIG. 4C, gadolinium solid solution type ceria (GDC) powder and polyvinyl chloride are used to form a reaction preventing layer 9 for the purpose of preventing the reaction between the solid electrolyte layer 7 and the air electrode 11. Butyral, an amine-based dispersant, and a plasticizer were mixed with methyl ethyl ketone and ethanol as a solvent to prepare a coating slurry.
次に、燃料極5と固体電解質層7の同時焼成体25の外周面において、反応防止層9を形成しない位置に、即ち固体電解質層7の軸方向の両側の外周面に、所定幅でマスキングを行った後、コーティング用スラリーに浸漬して、ゆっくりと引き上げることで、同時焼成体25の表面に、反応防止層用被膜27を形成した。 Next, the outer peripheral surface of the co-fired body 25 of the fuel electrode 5 and the solid electrolyte layer 7 is masked at a position where the reaction preventing layer 9 is not formed, that is, the outer peripheral surfaces on both sides in the axial direction of the solid electrolyte layer 7 with a predetermined width. Then, the reaction prevention layer coating 27 was formed on the surface of the co-fired body 25 by dipping in the coating slurry and slowly pulling it up.
その後、1200℃にて、熱処理することで、同時焼成体25の表面に反応防止層9を形成した。
次に、図4(d)に示す様に、空気極11を形成するために、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-x(LSCF)粉末と、GDC粉末と、ポリビニルブチラールと、アミン系分散剤と、可塑剤を、メチルエチルケトン及びエタノールを溶媒として混合し、空気極用スラリーを作製した。
Thereafter, the reaction preventing layer 9 was formed on the surface of the co-fired body 25 by heat treatment at 1200 ° C.
Next, as shown in FIG. 4D, in order to form the air electrode 11, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3-x (LSCF) powder, GDC powder, polyvinyl butyral, amine-based A dispersing agent and a plasticizer were mixed with methyl ethyl ketone and ethanol as a solvent to prepare an air electrode slurry.
次に、空気極11を形成しない位置に、即ち反応防止層9の軸方向の両側の外周面に、所定幅でマスキングを行った後、前記反応防止層9を形成した同時焼成体25を空気極用スラリーに浸漬して、その後ゆっくりと引き上げることで、反応防止層9の表面に、空気極用被膜29を形成した。 Next, after masking with a predetermined width on the outer peripheral surfaces of the reaction preventing layer 9 in the axial direction at a position where the air electrode 11 is not formed, the co-fired body 25 having the reaction preventing layer 9 formed thereon is air A film 29 for the air electrode was formed on the surface of the reaction preventing layer 9 by dipping in the electrode slurry and then slowly pulling it up.
その後、1000℃にて焼付け処理を行って、空気極11を作製し、本実施形態の固体酸化物形燃料電池1を完成した。
c)次に、本実施形態の効果について説明する。
Thereafter, baking treatment was performed at 1000 ° C. to produce the air electrode 11, and the solid oxide fuel cell 1 of the present embodiment was completed.
c) Next, the effect of this embodiment will be described.
・本実施形態では、燃料極5の内表面から、燃料極5と固体電解質層7の界面までのガス透過率が、1×10-4ml/cm2secPa以上であるので、ガスの拡散性が良好であり、反応場となる固体電解質層7近傍までガスが効率よく供給されることにより、優れた発電特性を得ることができる。しかも、燃料極5は、25℃において3000S/cm以上の電気伝導率を有するので、燃料極5から発電により得られた電気を取り出す上で、十分に電気抵抗が低く、発電ロスを小さくできる。 In this embodiment, the gas permeability from the inner surface of the fuel electrode 5 to the interface between the fuel electrode 5 and the solid electrolyte layer 7 is 1 × 10 −4 ml / cm 2 secPa or more. The gas is efficiently supplied to the vicinity of the solid electrolyte layer 7 serving as a reaction field, whereby excellent power generation characteristics can be obtained. In addition, since the fuel electrode 5 has an electric conductivity of 3000 S / cm or more at 25 ° C., the electric resistance is sufficiently low for taking out the electricity obtained from the power generation from the fuel electrode 5, and the power generation loss can be reduced.
従って、本実施形態では、高いガス透過性、電極反応に関する低い電気抵抗、電極内部を流れる低い電子抵抗を両立でき、簡便な電極構造ながら、高い性能を有する固体酸化物形燃料電池1が実現できる。つまり、本実施形態では、良好な電気的特性及びガス拡散性を有し、優れた発電特性を有する固体酸化物形燃料電池1を実現することができる。 Therefore, in this embodiment, high gas permeability, low electric resistance related to electrode reaction, and low electronic resistance flowing inside the electrode can be compatible, and the solid oxide fuel cell 1 having high performance can be realized with a simple electrode structure. . That is, in this embodiment, the solid oxide fuel cell 1 having excellent electric characteristics and gas diffusibility and excellent power generation characteristics can be realized.
・本実施形態では、燃料極5を構成する材料粒子のうち、8〜60体積%が粒子径2μm以上の粒子で構成されているので、良好なガス透過性、および低い電極反応抵抗(径方向の電気伝導性)、更には、電極中の電子電導に関する低い電気抵抗(軸方向の電気伝導性)を同時に実現できる。 In the present embodiment, among the material particles constituting the fuel electrode 5, 8 to 60% by volume is composed of particles having a particle diameter of 2 μm or more. Therefore, good gas permeability and low electrode reaction resistance (radial direction) Electrical conductivity), and furthermore, low electrical resistance (electrical conductivity in the axial direction) related to electronic conduction in the electrode can be realized simultaneously.
・本実施形態では、燃料極5は、均一な1層構造であるので、製造工程を簡易化でき、製造コストを低減できる。また、形状精度を高めることができる。
・本実施形態では、燃料極5の気孔率が30〜60体積%であるので、ガスの拡散性が高く、固体電解質体近傍の反応場まで効率よくガスが供給され、発電性能が向上する。また、電気伝導を担う電極材料そのものの存在量が多く、十分な電気伝導率(3000S/cm以上)を得ることができる。
-In this embodiment, since the fuel electrode 5 is a uniform 1 layer structure, a manufacturing process can be simplified and manufacturing cost can be reduced. Further, the shape accuracy can be increased.
-In this embodiment, since the porosity of the fuel electrode 5 is 30-60 volume%, gas diffusivity is high, gas is efficiently supplied to the reaction field of the solid electrolyte body vicinity, and electric power generation performance improves. In addition, the abundance of the electrode material itself responsible for electrical conduction is large, and sufficient electrical conductivity (3000 S / cm or more) can be obtained.
・本実施形態では、燃料極5に供給されるガスの流路(貫通孔3)から、固体電解質層7までの最短距離が、500μm以下であるので、ガスの拡散距離が短く、固体電解質層7近傍へのガス供給が容易になり、発電性能が向上する。 In this embodiment, since the shortest distance from the flow path (through hole 3) of the gas supplied to the fuel electrode 5 to the solid electrolyte layer 7 is 500 μm or less, the gas diffusion distance is short, and the solid electrolyte layer The gas supply to the vicinity of 7 becomes easy, and the power generation performance is improved.
・本実施形態では、燃料極5を構成する粒子径2μm以上の粒子のうち、ジルコニア系粒子が最も高い含有量であるので、安定性に優れた材料で大きな骨格を形成することができ、よって、長期耐久性に優れた電極を得ることができる。 In the present embodiment, since the zirconia-based particles have the highest content among the particles having a particle diameter of 2 μm or more constituting the fuel electrode 5, a large skeleton can be formed with a material having excellent stability. An electrode having excellent long-term durability can be obtained.
・本実施形態では、燃料極5を構成する材料粒子のうち、30体積%以上が粒子径1μm以下の粒子で構成されているので、電極の比表面積が増加するため、より多くの反応場を導入できる。 In this embodiment, among the material particles constituting the fuel electrode 5, 30% by volume or more is composed of particles having a particle diameter of 1 μm or less, so that the specific surface area of the electrode is increased, so that more reaction fields are generated. Can be introduced.
・本実施形態では、燃料極5を構成する材料粒子のうち、50〜90体積%が粒子径1μm以下の粒子で構成されている。よって、燃料極5中の金属粒子の焼結抑制効果が高く、性能の劣化を抑制できるとともに、ガス拡散性に優れているので、良好な発電性能を得ることができる。 -In this embodiment, 50-90 volume% is comprised by the particle | grains with a particle diameter of 1 micrometer or less among the material particles which comprise the fuel electrode 5. FIG. Therefore, the effect of suppressing the sintering of the metal particles in the fuel electrode 5 is high, the deterioration of performance can be suppressed, and the gas diffusibility is excellent, so that good power generation performance can be obtained.
・本実施形態では、燃料極5を構成する材料粒子のうち、20〜50体積%が粒子径1μm以下のジルコニア系粒子で構成されている。よって、固体酸化物型燃料電池1の劣化主要因である、発電時の金属又は合金粒子の焼結凝集を抑制できるとともに、高いガス透過性を確保できる。つまり、長期耐久性に優れ、性能良好な燃料極5を実現できる。 -In this embodiment, 20-50 volume% is comprised with the zirconia-type particle | grains with a particle diameter of 1 micrometer or less among the material particles which comprise the fuel electrode 5. FIG. Therefore, it is possible to suppress sintering and aggregation of metal or alloy particles during power generation, which is a main cause of deterioration of the solid oxide fuel cell 1, and to ensure high gas permeability. That is, the fuel electrode 5 having excellent long-term durability and good performance can be realized.
・本実施形態では、燃料極5中のジルコニア系粒子は、YSZから構成されている。このYSZは、イオン伝導率に優れており、優れた燃料極5を実現できる。
・本実施形態では、燃料極5を構成する材料粒子のうち、ジルコニア系粒子の占める割合が50〜60体積%である。よって、燃料極5中の金属又は合金粒子の焼結凝集が起こりにくく、また、(触媒となる金属または合金粒子の存在比率が十分であるので)高い燃料電池性能を得ることができる。
-In this embodiment, the zirconia-type particle | grains in the fuel electrode 5 are comprised from YSZ. This YSZ is excellent in ionic conductivity, and an excellent fuel electrode 5 can be realized.
-In this embodiment, the ratio for which a zirconia-type particle accounts among the material particles which comprise the fuel electrode 5 is 50-60 volume%. Therefore, sintering or aggregation of metal or alloy particles in the fuel electrode 5 hardly occurs, and high fuel cell performance can be obtained (since the abundance ratio of metal or alloy particles serving as a catalyst is sufficient).
・本実施形態では、固体電解質層7の外表面から燃料極5の内表面までのヘリウムガスの透過量が、1cm2当たり、5.0×10-5Pa・m3/sec以下である。
よって、固体電解質層7は、適度に緻密な組織になっているので、燃料ガス及び空気が固体電解質層7から漏れることを回避でき、燃料極5の酸化を抑制することが可能となり、高い耐久性能を実現できる。
In this embodiment, the permeation amount of helium gas from the outer surface of the solid electrolyte layer 7 to the inner surface of the fuel electrode 5 is 5.0 × 10 −5 Pa · m 3 / sec or less per 1 cm 2 .
Therefore, since the solid electrolyte layer 7 has a moderately dense structure, the fuel gas and air can be prevented from leaking from the solid electrolyte layer 7, and the oxidation of the fuel electrode 5 can be suppressed, resulting in high durability. Performance can be realized.
・本実施形態では、押出成形で燃料極5を製造するので、最も簡便で精度良く燃料極5を製造することができる。
・本実施形態では、燃料極5の原料として、2μm以上の平均粒子径を有する粉末を、(造孔材を除く部分の体積比換算で)8〜60体積%の比率で混合して製造するので、ガス拡散性が良好な燃料極5を容易に実現できる。
-In this embodiment, since the fuel electrode 5 is manufactured by extrusion molding, the fuel electrode 5 can be manufactured most simply and accurately.
-In this embodiment, it manufactures by mixing the powder which has an average particle diameter of 2 micrometers or more as a raw material of the fuel electrode 5 in the ratio of 8-60 volume% (in the volume ratio conversion of the part except a pore making material). Therefore, the fuel electrode 5 with good gas diffusibility can be easily realized.
・本実施形態では、燃料極5の原料として、1μm以下の平均粒子径を有する粉末を、(造孔材を除く部分の体積比換算で)30体積%以上の比率で混合して製造するので、電極表面積の大きな燃料極5を容易に実現できる。 -In this embodiment, as a raw material of the fuel electrode 5, since it mixes and manufactures the powder which has an average particle diameter of 1 micrometer or less (in the volume ratio conversion of the part except a pore making material) in the ratio of 30 volume% or more. The fuel electrode 5 having a large electrode surface area can be easily realized.
・本実施形態では、造孔材を燃料極5の混合粉末に対し、20〜40外体積%添加して製造するので、高い性能を有する固体酸化物形燃料電池1を得るための燃料極5の気孔率を容易に実現できる。 In this embodiment, since the pore former is manufactured by adding 20 to 40% by volume to the mixed powder of the fuel electrode 5, the fuel electrode 5 for obtaining the solid oxide fuel cell 1 having high performance is obtained. The porosity can be easily realized.
・本実施形態では、粒子径が1〜10μmの球状の造孔材を用いるので、成形段階において電極材料の粉末の充填密度が変化をしにくく、製品の形状精度が得やすい。また、焼結体の強度が高く、しかも、電極性能が向上するという利点がある。 In this embodiment, since a spherical pore former having a particle size of 1 to 10 μm is used, the packing density of the electrode material powder hardly changes during the molding stage, and the shape accuracy of the product is easily obtained. Moreover, there exists an advantage that the intensity | strength of a sintered compact is high and electrode performance improves.
・本実施形態では、燃料極5の原料として、1μm以下の平均粒子径を有する酸化ニッケル(NiO)を混合して用いるので、焼成時には焼結を低く抑えることができ、発電時には還元されてニッケルとなり、優れた触媒活性を有する。 In this embodiment, nickel oxide (NiO) having an average particle size of 1 μm or less is mixed and used as a raw material for the fuel electrode 5, so that sintering can be kept low during firing, and reduced and nickel is generated during power generation. And has excellent catalytic activity.
d)次に、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
<実験例1>
(燃料極チューブのガス透過率測定)
図5に示す様に、本実験例で使用する試料31として、下記表1の材料(造孔材[体積%]、粗粒子[体積%]、微粒子[体積%])を用い、前記燃料極用成形体を固体電解質層のコーティングをしないまま所定の温度で焼成した後、水素中で800℃の還元処理した燃料極チューブの試料を作製した。なお、以下の実験例に記載の無い製造工程等の内容は、前記実施形態と同様である。
d) Next, experimental examples conducted to confirm the effects of the present invention will be described.
<Experimental example 1>
(Measurement of gas permeability of fuel electrode tube)
As shown in FIG. 5, as the sample 31 used in this experimental example, the materials shown in the following Table 1 (pore forming material [volume%], coarse particles [volume%], fine particles [volume%]) are used, and the fuel electrode After firing the molded body for use at a predetermined temperature without coating the solid electrolyte layer, a sample of a fuel electrode tube reduced in hydrogen at 800 ° C. was prepared. In addition, the content of the manufacturing process etc. which are not described in the following experiment examples are the same as that of the said embodiment.
そして、同図に示す様に、試料31の両端の外周面をパッキン33で気密するとともに、試料31の(同図の)下端側を閉塞した。次に、この試料31の(同図の)上端側から軸中心の貫通孔35に対して、ボンベ37よりレギュレータ38で圧力を調整した空気を供給し、その流量を石鹸膜流量計39により測定した。詳しくは、試料31の内面よりガス圧を加え、反対面へ透過したガス量を石鹸膜流量計39にて測定した。 And as shown in the figure, while the outer peripheral surface of the both ends of the sample 31 was airtight with the packing 33, the lower end side (of the figure) of the sample 31 was obstruct | occluded. Next, air whose pressure is adjusted by a regulator 38 is supplied from a cylinder 37 to the through hole 35 at the center of the shaft from the upper end side (in the figure) of the sample 31, and the flow rate is measured by a soap film flow meter 39. did. Specifically, a gas pressure was applied from the inner surface of the sample 31, and the amount of gas permeated to the opposite surface was measured with a soap film flow meter 39.
得られたガス流量をF(ml/min)、試料31の外表面積(パッキン33間の長さLに対応する表面積)をガス透過面積A(cm2)して、内面より加えたガス圧をP(Pa)として、以下の式(1)によりガス透過率C(ml/cm2secPa)を求めた。
その結果を、下記表1に記す。
The obtained gas flow rate is F (ml / min), the outer surface area of the sample 31 (the surface area corresponding to the length L between the packings 33) is the gas permeation area A (cm 2 ), and the gas pressure applied from the inner surface is As P (Pa), gas permeability C (ml / cm 2 secPa) was determined by the following formula (1).
The results are shown in Table 1 below.
なお、表1において、実施例が本発明の範囲内の試料であり、比較例が本発明の範囲外の試料である(以下他の表も同様)。
C=F/60AP・・・(1)
<実験例2>
(燃料極チューブの電気伝導率測定)
図6に示す様に、本実験例で使用する試料41として、下記表1の材料を用い、前記燃料極用成形体を固体電解質層のコーティングをしないまま所定の温度で焼成した後、水素中で800℃の還元処理した燃料極チューブの試料を作製した。
In Table 1, examples are samples within the scope of the present invention, and comparative examples are samples outside the scope of the present invention (the same applies to other tables below).
C = F / 60AP (1)
<Experimental example 2>
(Measurement of electric conductivity of fuel electrode tube)
As shown in FIG. 6, as the sample 41 used in this experimental example, the material shown in Table 1 below was used, and the fuel electrode molded body was fired at a predetermined temperature without being coated with a solid electrolyte layer, and then in hydrogen. A sample of a fuel electrode tube reduced at 800 ° C. was prepared.
そして、同図に示す様に、試料41の長手方向の中心からそれぞれ10mmの位置にAg線を巻きつけ、Agペーストにて焼付け固定することで、測定時に用いる2つの電圧端子43、45を形成した。 Then, as shown in the figure, two voltage terminals 43 and 45 used at the time of measurement are formed by winding an Ag wire at a position 10 mm from the center in the longitudinal direction of the sample 41 and baking and fixing with Ag paste. did.
更に、電圧端子43、45から外側にそれぞれ5mmの位置に、電圧端子43、45と同様の手法で電流端子47、49を形成した。
測定は、大気雰囲気にて室温中(25℃)で、直流電源51と電流計53と電圧計55を用い、試料41の両端の電流端子47,49から直流電流を印加して、そのときの電圧端子43、45間の電圧を記録することで、電流I(A)、 電圧E(V)、試料断面積A(cm2)、電圧端子間距離L(cm)から、電気伝導率κ(S/cm)を以下の式(2)で求めた。その結果を下記表1に記す。
Furthermore, current terminals 47 and 49 were formed in the same manner as the voltage terminals 43 and 45 at positions 5 mm outward from the voltage terminals 43 and 45, respectively.
The measurement was performed at room temperature (25 ° C.) in an air atmosphere by using a DC power source 51, an ammeter 53, and a voltmeter 55, and applying a DC current from the current terminals 47 and 49 at both ends of the sample 41. By recording the voltage between the voltage terminals 43 and 45, the electric conductivity κ (() is obtained from the current I (A), the voltage E (V), the sample cross-sectional area A (cm 2 ), and the distance L (cm) between the voltage terminals. S / cm) was determined by the following equation (2). The results are shown in Table 1 below.
κ=IL/EA・・・(2)
なお、ここでは、実際に発電を行う運転温度と異なる室温(25℃)における評価結果を用いているが、運転温度となった場合に、電気伝導率の数値は変化するものの、各試料41間の優劣の関係については、変化しないため、効率的に測定できる室温にて評価を行った。
κ = IL / EA (2)
Here, evaluation results at room temperature (25 ° C.) different from the operating temperature at which power is actually generated are used. However, when the operating temperature is reached, the numerical value of electrical conductivity changes, but between each sample 41. The superiority or inferiority of the evaluation did not change, and therefore, the evaluation was performed at room temperature at which it can be measured efficiently.
<実験例3>
(燃料極チューブの気孔率測定)
図示しないが、本実験例で使用する試料として、下記表1の材料を用い、前記燃料極用成形体を固体電解質層のコーティングをしないまま所定の温度で焼成した後、水素中で800℃の還元処理した燃料極チューブの試料を作製した。
<Experimental example 3>
(Measurement of porosity of fuel electrode tube)
Although not shown in the figure, as a sample used in this experimental example, the material shown in Table 1 below was used, and the molded article for a fuel electrode was fired at a predetermined temperature without being coated with a solid electrolyte layer. A sample of the fuel electrode tube subjected to reduction treatment was prepared.
この試料を用いて、水銀ポロシメーターにて気孔率を測定した。その結果を下記表1に記す。
<実験例4>
(燃料極厚さ、燃料極組織の確認)
図示しないが、本実験例で使用する試料として、下記表1の材料を用い、前記燃料極用成形体を固体電解質層のコーティングをしないまま所定の温度で焼成した後、水素中で800℃の還元処理した燃料極チューブの試料を作製した。
Using this sample, the porosity was measured with a mercury porosimeter. The results are shown in Table 1 below.
<Experimental example 4>
(Confirmation of anode thickness and anode structure)
Although not shown in the figure, as a sample used in this experimental example, the material shown in Table 1 below was used, and the molded article for a fuel electrode was fired at a predetermined temperature without being coated with a solid electrolyte layer. A sample of the fuel electrode tube subjected to reduction treatment was prepared.
この試料をエポキシ樹脂に埋め込み固定した後、軸方向に垂直に切断し、鏡面研磨して、チューブ断面を走査型電子顕微鏡(SEM)にて、確認した。
燃料極厚さは、燃料極の厚み全体が確認できる視野にて、距離を測定し算出した。
This sample was embedded and fixed in an epoxy resin, then cut perpendicular to the axial direction, mirror-polished, and the tube cross section was confirmed with a scanning electron microscope (SEM).
The fuel electrode thickness was calculated by measuring the distance in a field of view where the entire thickness of the fuel electrode could be confirmed.
粒子径は、チューブ断面のSEM観察により得られた粒子像において、測定した対角線長の長い寸法を粒子径とした。
また、(粒子径が2μm以上の)粗粒子、(粒子径が1μm以下の)微粒子の存在比率を求めた。この存在比率は、粒子の大きさが確認できる倍率にて、10枚の画像を取得し、その画像中に存在する粒子の全面積に対し、該当する粒子径の範囲内の粒子が占める面積の割合を、10枚の画像について調査して、その平均値をその試料の面積比率Sとして、更にそれを体積比率Vに換算するため、式(3)にて計算した後、表1に体積比率として記載した。
The particle diameter was determined by measuring the long diagonal length in the particle image obtained by SEM observation of the tube cross section.
Further, the abundance ratio of coarse particles (having a particle diameter of 2 μm or more) and fine particles (having a particle diameter of 1 μm or less) was determined. This abundance ratio is the ratio of the area occupied by the particles within the corresponding particle diameter to the total area of the particles present in the image at a magnification at which the size of the particles can be confirmed. The ratio was investigated for 10 images, the average value was taken as the area ratio S of the sample, and further converted into the volume ratio V. After calculating by formula (3), the volume ratio is shown in Table 1. As described.
なお、表1では、粗粒子の体積比率(体積%)を「実測の粗粒子割合[%]」とし、微粒子の体積比率(体積%)を「実測の微粒子割合[%]」として示した。 In Table 1, the volume ratio (volume%) of the coarse particles is shown as “actually measured coarse particle ratio [%]”, and the volume ratio (volume%) of the fine particles is shown as “actually measured fine particle ratio [%]”.
また、混合した粉末のうちどの材料に相当する粒子であるかは、元素分析により調べることで明らかとなる。
<実験例5>
(発電評価)
図7に示す様に、本実験例で使用する試料61として、上述したチューブ型の固体酸化物形燃料電池63を用い、その固体電解質層65がコーティングされていない燃料極67が露出した部分に銀線69を巻き、銀ペーストを塗布することで、燃料極67からの集電を行う端子を形成した。
In addition, the material corresponding to which material of the mixed powder is clarified by examining by elemental analysis.
<Experimental example 5>
(Power generation evaluation)
As shown in FIG. 7, the tube-type solid oxide fuel cell 63 described above is used as the sample 61 used in this experimental example, and the fuel electrode 67 that is not coated with the solid electrolyte layer 65 is exposed to the exposed portion. A terminal for collecting current from the fuel electrode 67 was formed by winding a silver wire 69 and applying a silver paste.
また、空気極71を形成した部分にPt網73を巻き銀線75で巻き固定した後、LSCFにて作製したペーストを塗布することで、空気極71から集電を行う構成とした。そして、Pt網73を固定するために用いた銀線75を、空気極71の集電端子とした。 In addition, the Pt net 73 is wound around the portion where the air electrode 71 is formed and fixed with a silver wire 75, and then a paste produced by LSCF is applied to collect current from the air electrode 71. The silver wire 75 used for fixing the Pt net 73 was used as a current collecting terminal for the air electrode 71.
更に、同図のように、固体酸化物形燃料電池63の両端(固体電解質層77と反応防止層79の露出部分)をガラス材料81にて、ガスシール固定して、発電用治具83とした。 Further, as shown in the figure, both ends of the solid oxide fuel cell 63 (exposed portions of the solid electrolyte layer 77 and the reaction preventing layer 79) are gas-sealed and fixed with a glass material 81, and a power generation jig 83 and did.
そして、この発電用治具83を、固体酸化物形燃料電池63が電気炉85の中央に位置するようセットし、チューブ内側に室温で加湿した水素を25cc/minの流量にて供給するように構成した。また、空気極71側は大気に開放したままとした。 The power generation jig 83 is set so that the solid oxide fuel cell 63 is positioned at the center of the electric furnace 85, and hydrogen humidified at room temperature is supplied to the inside of the tube at a flow rate of 25 cc / min. Configured. The air electrode 71 side was left open to the atmosphere.
そして、固体酸化物形燃料電池63の温度を測定するため、固体酸化物形燃料電池63の空気極71の外表面から2mm離れた位置に熱電対87をセットし、プログラム温調計を用いて固体酸化物形燃料電池63が650℃となるように調整して、発電を行った。 Then, in order to measure the temperature of the solid oxide fuel cell 63, a thermocouple 87 is set at a position 2 mm away from the outer surface of the air electrode 71 of the solid oxide fuel cell 63, and a program temperature controller is used. Electric power was generated by adjusting the solid oxide fuel cell 63 to 650 ° C.
そして、その時の発電出力(0.6V時における発電出力)を測定した。その結果を下記表1に記す。 And the power generation output at that time (power generation output at 0.6 V) was measured. The results are shown in Table 1 below.
(結果考察)
この表1から明らかな様に、本発明の範囲の試料(実施例1〜14)は、いずれも請求項1を満たしており、本発明の範囲外の試料(比較例1〜7)に対し、高い発電出力密度である0.5W/cm2以上が得られていることがわかる。
(Consideration of results)
As is apparent from Table 1, all the samples within the range of the present invention (Examples 1 to 14) satisfy Claim 1 and are out of the range of the present invention (Comparative Examples 1 to 7). It can be seen that a high power output density of 0.5 W / cm 2 or more is obtained.
これは、各比較例に対して、各実施例では、ガス透過率が高く、電極反応場に効果的に電極に供給されたガスが拡散しており、しかも、高い電気伝導率を有しているからと考えられる。 Compared to each comparative example, in each example, the gas permeability is high, the gas supplied to the electrode is effectively diffused into the electrode reaction field, and the electric conductivity is high. It is thought that there is.
比較例1、2、4では、2μm以上の粗粒子の混合がされていないためにガス透過率が低くなっている。また、比較例3、7では、燃料極の厚さが600μmと厚いことが、ガス透過率を低くしている。 In Comparative Examples 1, 2, and 4, gas permeability is low because coarse particles of 2 μm or more are not mixed. In Comparative Examples 3 and 7, the gas permeability is lowered when the thickness of the fuel electrode is as thick as 600 μm.
実施例3と実施例4を比較すると、造孔材量の少ない実施例4の方が高い性能が得られている。これは電極構造中の気孔の割合が減少した分、電極反応場が増加した効果により得られた結果だと考えられる。 When Example 3 and Example 4 are compared, the performance of Example 4 with a smaller amount of pore-forming material is obtained. This is considered to be a result obtained by the effect of increasing the electrode reaction field by the amount of the pores in the electrode structure decreased.
また、実施例4と実施例5を比較すると、実施例5は造孔材を導入していない分、気孔率が低下し、ガス透過率が低下している。これはガス拡散の不足により実施例4と比較し性能が低下したものと考えられる。 Moreover, when Example 4 and Example 5 are compared, in Example 5, since the pore former is not introduced, the porosity is lowered and the gas permeability is lowered. This is thought to be due to a decrease in performance compared to Example 4 due to insufficient gas diffusion.
更に、実施例1〜14では、2μm以上の粗粒子の割合を変化させている。ここでは、比較例3に比べて粗粒子の多い試料の方がガス透過率が高く、その効果により高い性能が得られたものと考えられる。 Furthermore, in Examples 1-14, the ratio of the coarse particle of 2 micrometers or more is changed. Here, it is considered that the sample having more coarse particles has a higher gas permeability than that of Comparative Example 3, and high performance was obtained due to the effect.
実施例13、比較例5については、実施例1〜12、14と比較し、多量の造孔材を導入している。また、実施例11では、粗粒子混合率(よって実測の粗粒子割合)が高い。従って、ガス透過率は高いが、電極構造に気孔が多く存在する分、電子電導パスが少なくなり、電気伝導率が低くなっている。つまり、気孔増加分の電極反応場が損なわれているので、結果として、実施例1〜10、12、14と比較すると低い出力しか得られなかったと考えられる。 About Example 13 and Comparative Example 5, compared with Examples 1-12 and 14, a lot of pore formers are introduced. In Example 11, the coarse particle mixing ratio (and thus the measured coarse particle ratio) is high. Therefore, although the gas permeability is high, the number of pores in the electrode structure is reduced, so that the number of electron conduction paths is reduced and the electrical conductivity is lowered. That is, since the electrode reaction field corresponding to the increase in pores is impaired, it is considered that only a low output was obtained as a result as compared with Examples 1 to 10, 12, and 14.
比較例6については、実施例1〜14と比較し、1μm以下の微粒子混合比率が少ない。つまり、実測の微粒子割合が下がったことで、電極表面積が減少し、電極反応場が損なわれた結果、実施例1〜14と比較すると、低い出力しか得られなかった。 In Comparative Example 6, compared with Examples 1 to 14, the mixing ratio of fine particles of 1 μm or less is small. In other words, as the measured fine particle ratio decreased, the electrode surface area decreased and the electrode reaction field was impaired. As a result, only a low output was obtained as compared with Examples 1-14.
なお、実施例11、14は、他の実施例に比べて実測の微粒子割合が低いので、他の実施例に比べると低い出力となっていると考えられる。
また、実施例1〜14においては、粗粒子としてジルコニア系粒子(YSZ粒子)のみを加えているので、燃料極を構成する粒子径2μm以上の粒子のうち、ジルコニア系粒子が最も高い含有量である。例えば実施例1では、粒子径2μm以上のジルコニア系粒子の含有量は、48体積%であった。
<実験例6>
(連続通電による耐久性能評価)
・図8に示す様に、前記実験例5と同様にして、上述したチューブ型の固体酸化物形燃料電池91を用いた発電用治具93を作製した。
In Examples 11 and 14, the measured fine particle ratio is lower than in the other examples, and therefore, it is considered that the output is lower than in the other examples.
In Examples 1 to 14, since only zirconia-based particles (YSZ particles) are added as coarse particles, zirconia-based particles have the highest content among particles having a particle diameter of 2 μm or more constituting the fuel electrode. is there. For example, in Example 1, the content of zirconia-based particles having a particle diameter of 2 μm or more was 48% by volume.
<Experimental example 6>
(Durability performance evaluation by continuous energization)
As shown in FIG. 8, a power generation jig 93 using the tube-type solid oxide fuel cell 91 described above was produced in the same manner as in Experimental Example 5.
そして、この発電用治具93の固体酸化物形燃料電池91を、電気炉95内にセットし、チューブ内側に室温で加湿した水素を25cc/minの流量にて供給するように構成した。また、空気極97側は大気に開放したままとした。 Then, the solid oxide fuel cell 91 of the power generation jig 93 was set in an electric furnace 95, and hydrogen humidified at room temperature was supplied to the inside of the tube at a flow rate of 25 cc / min. Further, the air electrode 97 side was left open to the atmosphere.
更に、前記実験例5と同様に、燃料極99の露出部分に集電端子の第1銀線101を接続し、空気極97の表面にも集電端子の第2銀線103を接続した。
なお、後述する他の実験に使用するために、第1銀線101と並列に(燃料極99と電気的に接続する)第3銀線105を配置するとともに、第2銀線103と並列に(空気極97と電気的に接続する)第4銀線107を配置した。
Further, as in Experimental Example 5, the first silver wire 101 of the current collector terminal was connected to the exposed portion of the fuel electrode 99, and the second silver wire 103 of the current collector terminal was also connected to the surface of the air electrode 97.
For use in other experiments described later, a third silver wire 105 (electrically connected to the fuel electrode 99) is arranged in parallel with the first silver wire 101, and in parallel with the second silver wire 103. A fourth silver wire 107 (electrically connected to the air electrode 97) was disposed.
そして、固体酸化物形燃料電池91の温度を測定するために、実験例5と同様に熱電対109をセットし、プログラム温調計を用いて固体酸化物形燃料電池91が650℃となるように調整して、発電を行った。 Then, in order to measure the temperature of the solid oxide fuel cell 91, the thermocouple 109 is set in the same manner as in Experimental Example 5, and the solid oxide fuel cell 91 is set to 650 ° C. using a programmed temperature controller. The power was generated after adjusting.
そして、前記第1銀線101及び第2銀線103を用いて、その時の発電出力(0.6V時における発電出力)を測定した。その結果を下記表2に記す。
・また、本実験例では、通電開始時のセル電圧をV0、1000hr経過後のセル電圧をV1とした時に、次の式(4)で表される劣化率により耐久性能を評価した。
Then, using the first silver wire 101 and the second silver wire 103, the power generation output at that time (power generation output at 0.6V) was measured. The results are shown in Table 2 below.
In addition, in this experimental example, when the cell voltage at the start of energization was V0 and the cell voltage after 1000 hours elapsed was V1, the durability performance was evaluated based on the deterioration rate expressed by the following equation (4).
劣化率[%]=(V0−V1)/V0×100・・・(4)
前記図8に示す様に、電圧の測定は、電流を流すための第3銀線105と第4銀線107とを電子負荷装置(図8中の可変抵抗)111に接続し、電圧を測定するための第1銀線101と第2銀線103とを電圧計113に接続する4端子法にて実施した。
Deterioration rate [%] = (V0−V1) / V0 × 100 (4)
As shown in FIG. 8, the voltage is measured by connecting the third silver wire 105 and the fourth silver wire 107 for flowing current to an electronic load device (variable resistor in FIG. 8) 111 and measuring the voltage. For this purpose, the first silver wire 101 and the second silver wire 103 were connected to a voltmeter 113 by a four-terminal method.
つまり、初期と耐久後において、第3銀線105と第4銀線107との間に電流(例えば0.4A)を流し、その際に、電圧計113によって測定される電圧(V0、V1)から、劣化率を求めた。その結果を下記表2に記す。 That is, a current (for example, 0.4 A) is passed between the third silver wire 105 and the fourth silver wire 107 in the initial stage and after the endurance, and the voltage (V0, V1) measured by the voltmeter 113 at that time. From this, the deterioration rate was determined. The results are shown in Table 2 below.
なお、表2には、本実験例の結果(発電出力、劣化率)以外に、各試料の材料の構成(各種の混合率や微粒子の割合)や、上述した各実験例で求めた各試料の特性(電気伝導率、ガス透過率)が記載してある。 In addition to the results of this experimental example (power generation output, deterioration rate), Table 2 shows the composition of the materials of each sample (various mixing ratios and proportions of fine particles) and the samples obtained in the above-described experimental examples. Characteristics (electrical conductivity, gas permeability) are described.
また、表2におけるYSZ混合率は、原料粉末の仕込み段階における比率であり、その比率は仕込み組成から得られる焼結体について、還元をした段階で、金属NiとYSZとなるが、その比率について、計算して記したものである。 Moreover, the YSZ mixing ratio in Table 2 is a ratio at the raw material powder preparation stage, and the ratio becomes metal Ni and YSZ at the stage of reduction of the sintered body obtained from the preparation composition. , Calculated and written.
つまり、焼結体とした後、還元をした段階で、金属NiとYSZの体積合計を100%として、その中でYSZの比率が何%となるかを記している。なお、Niの比率は、表2におけるYSZ混合率の残部となる。 That is, when the sintered body is reduced and reduced, the total volume of the metal Ni and YSZ is set to 100%, and the ratio of YSZ in the volume is described. The Ni ratio is the remainder of the YSZ mixing ratio in Table 2.
本実験例における評価段階では、NiOは還元されてNiとなるが、一般的には、試料作製時にあらかじめ計算して得た体積比は、焼結体の状態のNi:YSZの体積比とほぼ同等となる。なお、実際の試料から、Ni:YSZの比率を知るためには、例えば、ICP−MS等で質量を測定し、比重で除して体積を算出する手法などが挙げられる。 In the evaluation stage in this experimental example, NiO is reduced to Ni, but in general, the volume ratio obtained by calculation at the time of sample preparation is almost the same as the volume ratio of Ni: YSZ in the state of the sintered body. It becomes equivalent. In addition, in order to know the ratio of Ni: YSZ from an actual sample, for example, there is a method of measuring the mass by ICP-MS or the like and dividing the specific gravity to calculate the volume.
(結果考察)
・この表2から明らかな様に、実施例1、6、15、16、17、8、20、21は、請求項1の範囲を満たしているため、0.5W/cm2以上の良好な発電特性を有していることが確認できる。
(Consideration of results)
As is apparent from Table 2, Examples 1, 6, 15, 16, 17, 8, 20, and 21 satisfy the scope of claim 1 and therefore have a favorable value of 0.5 W / cm 2 or more. It can be confirmed that it has power generation characteristics.
・実施例1は、実測の微粒子比率が、Ni、YSZを合算しても47体積%であり、請求項9の50体積%以上という条件を満たしていない。つまり、実施例1は、微粒子比率が少なく、Niの焼結抑制効果が不足しているため、8.2%と劣化率が大きいと考えられる。 In Example 1, the actually measured fine particle ratio is 47% by volume even when Ni and YSZ are added together, and does not satisfy the condition of 50% by volume or more in claim 9. In other words, Example 1 is considered to have a large deterioration rate of 8.2% because the proportion of fine particles is small and the effect of suppressing the sintering of Ni is insufficient.
一方、比較例2は、実測の微粒子比率が、Ni、YSZを合算すると92体積%であり、請求項9の90体積%以下という条件を満たしていないので、ガス拡散性が不十分であり、発電出力が、0.45W/cm2と低いことがわかる。 On the other hand, in Comparative Example 2, the measured fine particle ratio is 92% by volume when Ni and YSZ are added together, and does not satisfy the condition of 90% by volume or less of claim 9, so that the gas diffusibility is insufficient. It can be seen that the power generation output is as low as 0.45 W / cm 2 .
・実施例1、6、15、16は、実測のYSZ微粒子割合が20体積%を下回っており、請求項11の20体積%以上という条件を満たしていない。つまり、微粒子であるYSZの存在比率が少ないことで、Niの焼結抑制効果が十分得られず、劣化率が、8.2、6.7、12.3、5.4%と比較的大きいことがわかる。 In Examples 1, 6, 15, and 16, the actually measured YSZ fine particle ratio is less than 20% by volume, and does not satisfy the condition of 20% by volume or more of claim 11. That is, since the presence ratio of YSZ which is a fine particle is small, the effect of suppressing the sintering of Ni cannot be sufficiently obtained, and the deterioration rate is relatively large at 8.2, 6.7, 12.3, 5.4%. I understand that.
一方、比較例9は、実測のYSZ微粒子割合が51体積%であり、請求項11の50体積%以下という条件を満たしていない。よって、ガス透過性が十分得られなくなることにより、発電出力が0.38W/cm2と低いことが理解できる。 On the other hand, in Comparative Example 9, the actually measured YSZ fine particle ratio is 51% by volume and does not satisfy the condition of 50% by volume or less of claim 11. Therefore, it can be understood that the power generation output is as low as 0.38 W / cm 2 because sufficient gas permeability cannot be obtained.
・実施例15については、YSZ混合率が45体積%であり、請求項13の50体積%以上という条件を満たしていない。つまり、YSZ比率が少ないために、Niの焼結抑制効果が十分でなく、劣化率が12.3%と大きいことが理解できる。 -About Example 15, YSZ mixing rate is 45 volume% and does not satisfy | fill the conditions of 50 volume% or more of Claim 13. That is, it can be understood that since the YSZ ratio is small, the effect of suppressing the sintering of Ni is not sufficient and the deterioration rate is as large as 12.3%.
一方、比較例8は、YSZ混合率が65%と高く、Ni粒子の比率が小さいことで、電気伝導率が請求項1の条件を満たさず、発電性能が、0.37W/cm2と小さいことが理解できる。 On the other hand, in Comparative Example 8, the YSZ mixing ratio is as high as 65%, and the ratio of Ni particles is small, so that the electric conductivity does not satisfy the condition of claim 1 and the power generation performance is as small as 0.37 W / cm 2. I understand that.
・実施例1は、製造段階の微粒子混合比率が50%であり、請求項20の55%以上という条件を満たしていない。
そのため、請求項9の条件を満たせず、劣化率が大きい結果となっている。
In Example 1, the fine particle mixing ratio in the manufacturing stage is 50%, and does not satisfy the condition of 55% or more of Claim 20.
Therefore, the condition of claim 9 is not satisfied and the deterioration rate is large.
一方、比較例2は、製造段階の微粒子混合比率が100%であり、請求項20の95%以下という条件を満たしていない。それによって、請求項9に記載の組織を得られていないため、発電出力が低いことが理解できる。 On the other hand, in Comparative Example 2, the fine particle mixing ratio in the manufacturing stage is 100%, and does not satisfy the condition of 95% or less of claim 20. Thereby, since the structure | tissue of Claim 9 is not obtained, it can be understood that a power generation output is low.
・実施例21は、ジルコニア系粒子として、ScSZ粒子を用いているので、高い発電出力が得られている。これにより、ScSZがYSZと同様に、優れたイオン伝導性を有しており、高い電極性能を有していることが分かる。
<実験例7>
(ヘリウムガス透過量の測定)
図9に示す様に、前記実施形態と同様な燃料極と固体電解質層とを同時焼成したチューブ状の試料121を、ヘリウムリークディテクタ123(キャノンアネルバテクニクス社製)にセットした。
-Since Example 21 uses ScSZ particle | grains as a zirconia-type particle | grain, the high electric power generation output is obtained. Thereby, it is understood that ScSZ has excellent ionic conductivity and high electrode performance like YSZ.
<Experimental example 7>
(Measurement of helium gas permeation)
As shown in FIG. 9, a tube-shaped sample 121 in which a fuel electrode and a solid electrolyte layer similar to those in the above-described embodiment were simultaneously fired was set in a helium leak detector 123 (manufactured by Canon Anelva Technics).
なお、ガス透過量の測定にヘリウムガスを用いた理由は、水素ガスのような爆発の危険性がないため排気装置が不要であり、安全で容易な測定環境が構築できるからである。
そして、試料121の外側面から15mmの位置より、0.3MPaの圧力にて、ヘリウムガスを直接噴射して、1cm2当たりのヘリウムガスの透過量を測定した。その結果を、下記表3に記す。
The reason why helium gas is used for the measurement of the gas permeation amount is that there is no danger of an explosion like hydrogen gas, so that an exhaust device is unnecessary and a safe and easy measurement environment can be constructed.
Then, helium gas was directly injected from a position 15 mm from the outer surface of the sample 121 at a pressure of 0.3 MPa, and the amount of helium gas per cm 2 was measured. The results are shown in Table 3 below.
なお、表3には、本実験例の結果(ヘリウムガス透過量)以外に、上述した各実験例で求めた各試料の特性等(電気伝導率、ガス透過率、焼成温度、発電出力、劣化率)が記載してある。 In addition to the results of this experimental example (helium gas permeation amount), Table 3 shows the characteristics of each sample obtained in each of the above experimental examples (electric conductivity, gas permeability, firing temperature, power generation output, degradation) Rate).
(結果考察)
・この表3から明らかな様に、実施例17、18、19は、請求項1の条件を満たしている。
(Consideration of results)
As is apparent from Table 3, Examples 17, 18, and 19 satisfy the conditions of Claim 1.
・実施例17、18、19の焼成温度は、請求項22の焼成温度の温度条件(1350[℃]以下)を満たしており、高い発電出力を有している。同時に、請求項14のヘリウムガス透過量の条件(5.0×10-5Pa・m3/sec以下)を満たしており、緻密な固体電解質層を得ることが可能である。 The firing temperatures of Examples 17, 18, and 19 satisfy the temperature condition of the firing temperature of claim 22 (1350 [° C.] or lower) and have a high power generation output. At the same time, the helium gas permeation condition of claim 14 (5.0 × 10 −5 Pa · m 3 / sec or less) is satisfied, and a dense solid electrolyte layer can be obtained.
これにより、高い発電能力(発電出力:0.57[W/cm2]以上)と耐久性能(劣化率:4.9%以下)を両立していることが分かる。
・一方、比較例10は、請求項22の温度条件を上回っているので、緻密な固体電解質層が得られることにより劣化率が低いが、ガス透過率が請求項1の条件を満たしていなので、発電出力が低いという問題がある。
Thereby, it turns out that high power generation capability (power generation output: 0.57 [W / cm < 2 >] or more) and durability performance (deterioration rate: 4.9% or less) are compatible.
On the other hand, since Comparative Example 10 exceeds the temperature condition of Claim 22, the deterioration rate is low by obtaining a dense solid electrolyte layer, but the gas permeability satisfies the condition of Claim 1, There is a problem that power generation output is low.
・また、比較例11は、ヘリウムガスの透過量が、請求項14のヘリウムガス透過量の条件を満たしていないので、劣化率も12.9%と大きいことから、緻密な固体電解質層が得られていないために燃料ガスが漏れ、発電に要する燃料ガスが不足して、燃料極が酸化して劣化していることが理解できる。 In Comparative Example 11, since the helium gas permeation amount does not satisfy the helium gas permeation amount condition of claim 14, the deterioration rate is as large as 12.9%, so that a dense solid electrolyte layer is obtained. Therefore, it can be understood that the fuel gas leaks, the fuel gas required for power generation is insufficient, and the fuel electrode is oxidized and deteriorated.
尚、本発明は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
(1)例えば前記実施形態では、燃料極を支持体としたが、他の構成を支持体(例えば空気極)としてもよい。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment at all, and it cannot be overemphasized that it can implement with a various aspect in the range which does not deviate from this invention.
(1) For example, in the above-described embodiment, the fuel electrode is a support, but another configuration may be a support (for example, an air electrode).
(2)また、前記実施形態では、チューブの内側を燃料極とし、外側を空気極としたが、チューブの内側を空気極とし、外側を燃料極としてもよい。
(3)更に、反応防止層を省略することも可能である。
(2) In the above embodiment, the inside of the tube is the fuel electrode and the outside is the air electrode. However, the inside of the tube may be the air electrode and the outside may be the fuel electrode.
(3) Furthermore, the reaction preventing layer can be omitted.
1、63、91…固体酸化物形燃料電池
3、35…貫通孔
5、67、99…燃料極(第1電極層)
7、65、77…固体電解質層
9…反応防止層
11、71、97…空気極(第2電極層)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 63, 91 ... Solid oxide fuel cell 3, 35 ... Through-hole 5, 67, 99 ... Fuel electrode (1st electrode layer)
7, 65, 77 ... Solid electrolyte layer 9 ... Reaction prevention layer 11, 71, 97 ... Air electrode (second electrode layer)
Claims (22)
前記固体電解質体の内側に配置されて構造支持体となる第1電極層と、
前記固体電解質体の外側に配置された第2電極層と、
を備えるチューブ型の固体酸化物形燃料電池において、
前記第1電極層の内表面から、前記第1電極層と前記固体電解質体の界面までのガス透過率が、1×10-4ml/cm2secPa以上であり、
且つ、前記第1電極層は、25℃において3000S/cm以上の電気伝導率を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 A tubular solid electrolyte body having an inner side and an outer side;
A first electrode layer disposed inside the solid electrolyte body and serving as a structural support;
A second electrode layer disposed outside the solid electrolyte body;
In a tube type solid oxide fuel cell comprising:
The gas permeability from the inner surface of the first electrode layer to the interface between the first electrode layer and the solid electrolyte body is 1 × 10 −4 ml / cm 2 secPa or more,
The first electrode layer has an electric conductivity of 3000 S / cm or more at 25 ° C.
前記第1電極層を構成する材料粒子のうち、8〜60体積%が粒子径2μm以上の粒子で構成されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to claim 1,
8 to 60% by volume of the material particles constituting the first electrode layer is composed of particles having a particle diameter of 2 μm or more.
前記第1電極層が、均質な構造を有する1層構造からなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2,
The solid oxide fuel cell, wherein the first electrode layer has a single layer structure having a homogeneous structure.
前記第1電極層が燃料極であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The solid oxide fuel cell, wherein the first electrode layer is a fuel electrode.
前記第1電極層の気孔率が30〜60体積%であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 4,
A solid oxide fuel cell, wherein the porosity of the first electrode layer is 30 to 60% by volume.
前記第1電極層に供給されるガスの流路から、前記固体電解質体までの最短距離が、500μm以下であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 A solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 5,
A solid oxide fuel cell, wherein a shortest distance from a flow path of a gas supplied to the first electrode layer to the solid electrolyte body is 500 μm or less.
前記第1電極層を構成する粒子径2μm以上の粒子のうち、ジルコニア系粒子が最も高い含有量であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 2 to 6,
A solid oxide fuel cell characterized in that zirconia-based particles have the highest content among particles having a particle diameter of 2 μm or more constituting the first electrode layer.
前記第1電極層を構成する材料粒子のうち、30体積%以上が粒子径1μm以下の粒子で構成されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 2 to 7,
30% by volume or more of material particles constituting the first electrode layer is composed of particles having a particle diameter of 1 μm or less.
前記第1電極層を構成する材料粒子のうち、50〜90体積%が粒子径1μm以下の粒子で構成されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to claim 8, wherein
50 to 90% by volume of the material particles constituting the first electrode layer are composed of particles having a particle diameter of 1 μm or less.
前記第1電極層を構成する粒子径1μm以下の粒子のうち少なくとも一部は、主成分がニッケル、銅、鉄、銀、白金、ルテニウム、ロジウム、コバルトのうち少なくとも1種からなる金属又は合金粒子であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to claim 8 or 9, wherein
At least a part of particles having a particle diameter of 1 μm or less constituting the first electrode layer is a metal or alloy particle whose main component is at least one of nickel, copper, iron, silver, platinum, ruthenium, rhodium, and cobalt. A solid oxide fuel cell characterized by the above.
前記第1電極層を構成する材料粒子のうち、20〜50体積%が粒子径1μm以下のジルコニア系粒子で構成されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 It is a solid oxide fuel cell given in any 1 paragraph of Claims 1-10,
A solid oxide fuel cell comprising 20 to 50% by volume of zirconia-based particles having a particle diameter of 1 μm or less among the material particles constituting the first electrode layer.
前記ジルコニア系粒子は、スカンジウム安定化ジルコニア又はイットリウム安定化ジルコニアを主成分とすることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to claim 11,
The solid oxide fuel cell, wherein the zirconia-based particles contain scandium-stabilized zirconia or yttrium-stabilized zirconia as a main component.
前記第1電極層を構成する材料粒子のうち、ジルコニア系粒子の占める割合が50〜60体積%であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 12,
A solid oxide fuel cell, wherein the proportion of the zirconia-based particles in the material particles constituting the first electrode layer is 50 to 60% by volume.
前記固体電解質体の外表面から前記第1電極層の内表面までのヘリウムガスの透過量が、1cm2当たり、5.0×10-5Pa・m3/sec以下であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 13,
The permeation amount of helium gas from the outer surface of the solid electrolyte body to the inner surface of the first electrode layer is 5.0 × 10 −5 Pa · m 3 / sec or less per 1 cm 2. Solid oxide fuel cell.
粉末を混合して粘土状にする工程と、
前記粘土状にした混合物を押出成形する工程と、
を有し、
前記第1電極層を押出成形で形成することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 14,
Mixing the powder into a clay,
Extruding the clay-like mixture;
Have
A method for producing a solid oxide fuel cell, wherein the first electrode layer is formed by extrusion molding.
前記第1電極層の原料として、2μm以上の平均粒子径を有する原料を、焼成段階で消失する成分を除く部分の体積比換算で8〜60体積%の比率で混合して製造することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell according to claim 15,
As a raw material for the first electrode layer, a raw material having an average particle diameter of 2 μm or more is mixed and produced at a ratio of 8 to 60% by volume in terms of the volume ratio of the portion excluding components that disappear in the firing stage. A method for producing a solid oxide fuel cell.
前記第1電極層の原料として、1μm以下の平均粒子径を有する原料を、焼成段階で消失する成分を除く部分の体積比換算で30体積%以上の比率で混合して製造することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell according to claim 16,
As a raw material for the first electrode layer, a raw material having an average particle diameter of 1 μm or less is produced by mixing at a ratio of 30% by volume or more in terms of the volume ratio of the portion excluding components that disappear in the firing stage. A method for manufacturing a solid oxide fuel cell.
造孔材を第1電極層の原料の体積に対し、20〜40外体積%添加して製造することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell according to claim 17,
A method for producing a solid oxide fuel cell, comprising producing a pore former by adding 20 to 40% by volume with respect to the volume of the raw material of the first electrode layer.
前記造孔材は、球形状の造孔材又は該球形状の粒子を組み合わせた造孔材であり、かつ、該造孔材の粒子径は1〜10μmであることを特徴とする固体酸化物形燃料電池の製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell according to claim 18,
The pore former is a spherical pore former or a pore former in which the spherical particles are combined, and the pore diameter of the pore former is 1 to 10 μm. Of manufacturing a fuel cell.
前記第1電極層の原料として、1μm以下の平均粒子径を有する原料を、焼成段階で消失する成分を除く部分の体積比換算で55〜95体積%の比率で混合して製造することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell according to any one of claims 15 to 19, comprising:
As a raw material for the first electrode layer, a raw material having an average particle diameter of 1 μm or less is mixed and manufactured at a ratio of 55 to 95% by volume in terms of the volume ratio of the portion excluding components that disappear in the firing stage. A method for producing a solid oxide fuel cell.
前記第1電極層の原料として、1μm以下の平均粒子径を有する酸化ニッケル(NiO)を混合することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell according to any one of claims 15 to 20, comprising:
A method for producing a solid oxide fuel cell, wherein nickel oxide (NiO) having an average particle diameter of 1 μm or less is mixed as a raw material for the first electrode layer.
前記第1電極層と前記固体電解質体とを、1350℃以下の温度で同時焼成することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell according to any one of claims 15 to 21,
A method for producing a solid oxide fuel cell, wherein the first electrode layer and the solid electrolyte body are co-fired at a temperature of 1350 ° C. or lower.
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