JP5841210B1 - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】初期出力を向上可能な燃料電池セル及び空気極材料を提供する。【解決手段】燃料電池セル10において、空気極14は、一般式ABO3で表され、Aサイトに少なくともSrを含むペロブスカイト型酸化物を主成分とする主相と、硫酸ストロンチウム及びクロム酸ストロンチウムを主成分とする第二相とを含む。空気極14の断面における第二相の面積占有率は、10.2%以下である。【選択図】図1A fuel cell and an air electrode material capable of improving an initial output are provided. In a fuel cell, an air electrode is represented by a general formula ABO3, and a main phase mainly composed of a perovskite oxide containing at least Sr at an A site, strontium sulfate and strontium chromate as main components. And a second phase as a component. The area occupation ratio of the second phase in the cross section of the air electrode 14 is 10.2% or less. [Selection] Figure 1
Description
本発明は、固体酸化物型の燃料電池セルに関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell.
近年、環境問題及びエネルギー資源の有効利用の観点から、燃料電池に注目が集まっている。燃料電池は、燃料電池セル及びインターコネクタ等を備える。燃料電池セルは、一般的に、燃料極と、空気極と、燃料極および空気極の間に配置される固体電解質層とを有する。空気極は、例えばLSCF((La,Sr)(Co,Fe)O3)、LSF((La,Sr)FeO3)、LSC((La,Sr)CoO3)などのペロブスカイト型酸化物によって構成される(例えば、特許文献1参照)。 In recent years, attention has been focused on fuel cells from the viewpoint of environmental problems and effective use of energy resources. The fuel cell includes a fuel cell and an interconnector. A fuel cell generally has a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte layer disposed between the fuel electrode and the air electrode. The air electrode is composed of a perovskite oxide such as LSCF ((La, Sr) (Co, Fe) O 3 ), LSF ((La, Sr) FeO 3 ), LSC ((La, Sr) CoO 3 ), for example. (See, for example, Patent Document 1).
しかしながら、上記材料によって構成される空気極を備える燃料電池では、初期出力が低下しやすいという問題がある。本発明者らは、初期出力の低下の原因の1つが空気極内部に発生する不活性領域によるものであることを新たに見出した。 However, in a fuel cell including an air electrode made of the above material, there is a problem that the initial output is likely to decrease. The present inventors have newly found that one of the causes of the decrease in the initial output is due to an inactive region generated inside the air electrode.
本発明は、このような新たな知見に基づくものであって、初期出力を向上可能な燃料電池セルを提供することを目的とする。 The present invention is based on such new knowledge, and an object of the present invention is to provide a fuel cell that can improve the initial output.
本発明に係る燃料電池セルは、燃料極と、空気極と、燃料極と空気極の間に配置される固体電解質層とを備える。空気極は、主相と、第二相とを含む。主相は、一般式ABO3で表され、Aサイトに少なくともSrを含むペロブスカイト型酸化物を主成分とする。第二相は、硫酸ストロンチウムとクロム酸ストロンチウムを主成分とする。空気極の断面における第二相の面積占有率は、10.2%以下である。 The fuel cell according to the present invention includes a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte layer disposed between the fuel electrode and the air electrode. The air electrode includes a main phase and a second phase. The main phase is represented by the general formula ABO 3 and contains a perovskite oxide containing at least Sr at the A site as a main component. The second phase is mainly composed of strontium sulfate and strontium chromate. The area occupation ratio of the second phase in the cross section of the air electrode is 10.2% or less.
本発明によれば、初期出力を向上可能な燃料電池セル及び空気極材料を提供する。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell and air electrode material which can improve an initial stage output are provided.
次に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なっている場合がある。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, the drawings are schematic, and the ratio of each dimension may be different from the actual one. Accordingly, specific dimensions and the like should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
以下の実施形態では、燃料電池セルとして縦縞形の固体酸化物型燃料電池セル(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)を例に挙げて説明する。 In the following embodiments, a vertical stripe solid oxide fuel cell (SOFC) will be described as an example of the fuel cell.
(燃料電池セル10の構成)
燃料電池セル(以下、「セル」と略称する。)10の構成について、図面を参照しながら説明する。図1は、セル10の構成を示す断面図である。
(Configuration of fuel cell 10)
The configuration of the fuel cell (hereinafter abbreviated as “cell”) 10 will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the
セル10は、セラミックス材料によって構成される薄板体である。セル10の厚みは、例えば300μm〜3mmであり、セル10の直径は、例えば5mm〜50mmである。複数のセル10がインターコネクタによって直列に接続されることによって、燃料電池が形成されうる。
The
セル10は、燃料極11、固体電解質層12、バリア層13および空気極14を備える。
The
燃料極11は、セル10のアノードとして機能する。燃料極11は、図1に示すように、燃料極集電層111と燃料極活性層112とを有する。
The fuel electrode 11 functions as an anode of the
燃料極集電層111は、遷移金属と酸素イオン伝導性物質とを含む多孔質の板状焼成体である。燃料極集電層111は、例えば、酸化ニッケル(NiO)及び/又はニッケル(Ni)とイットリア安定化ジルコニア(8YSZ、10YSZなど)とを含んでいてもよい。燃料極集電層111の厚みは、0.2mm〜5.0mmとすることができる。燃料極集電層111の厚みは、燃料極集電層111が支持基板として機能する場合には、セル10の各構成部材のうちで最も厚くてもよい。燃料極集電層111において、Ni及び/又はNiOの体積比率はNi換算で35〜65体積%とすることができ、YSZの体積比率は35〜65体積%とすることができる。なお、燃料極集電層111は、YSZに代えてイットリア(Y2O3)を含んでいてもよい。
The anode current collecting layer 111 is a porous plate-like fired body containing a transition metal and an oxygen ion conductive material. The anode current collecting layer 111 may include, for example, nickel oxide (NiO) and / or nickel (Ni) and yttria-stabilized zirconia (8YSZ, 10YSZ, etc.). The thickness of the anode current collecting layer 111 can be set to 0.2 mm to 5.0 mm. The thickness of the anode current collecting layer 111 may be the thickest among the constituent members of the
燃料極活性層112は、燃料極集電層111と固体電解質層12の間に配置される。燃料極活性層112は、遷移金属と酸素イオン伝導性物質とを含む多孔質の板状焼成体である。燃料極活性層112は、燃料極集電層111と同様に、NiO及び/又はNiとイットリア安定化ジルコニアとを含んでいてもよい。燃料極活性層112の厚みは5.0μm〜30μmとすることができる。燃料極活性層112において、Ni及び/又はNiOの体積比率はNi換算で25〜50体積%とすることができ、YSZの体積比率は50〜75体積%とすることができる。このように、燃料極活性層112では、燃料極集電層111よりもYSZの含有率が大きくてもよい。燃料極活性層112は、YSZに代えて、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)などのジルコニア系材料を含んでいてもよい。
The anode
固体電解質層12は、燃料極11とバリア層13の間に配置される。固体電解質層12は、緻密質の板状焼成体である。固体電解質層12は、空気極14で生成される酸素イオンを透過させる機能を有する。固体電解質層12は、ジルコニウム(Zr)を含む。固体電解質層12は、Zrをジルコニア(ZrO2)として含んでもよい。固体電解質層12は、ZrO2を主成分として含んでいてもよい。
The
また、固体電解質層12は、ZrO2の他に、Y2O3及び/又はSc2O3等の添加剤を含んでいてもよい。これらの添加剤は、安定化剤として機能する。固体電解質層12において、安定化剤のZrO2に対するmol組成比(安定化剤:ZrO2)は、3:97〜20:80程度とすることができる。すなわち、固体電解質層12の材料としては、例えば、3YSZ、8YSZ及び10YSZなどのイットリア安定化ジルコニアやScSZなどのジルコニア系材料を挙げることができる。固体電解質層12の厚みは、3μm〜30μmとすることができる。
The
バリア層13は、固体電解質層12と空気極14の間に配置される。バリア層13は、緻密質の板状焼成体である。バリア層13は、固体電解質層12と空気極14の間に高抵抗層が形成されることを抑制する機能を有する。バリア層13の材料としては、セリウム(Ce)及びCeに固溶した希土類金属酸化物を含むセリア系材料が挙げられる。具体的に、セリア系材料としては、GDC((Ce,Gd)O2:ガドリニウムドープセリア)、SDC((Ce,Sm)O2:サマリウムドープセリア)等が挙げられる。バリア層13の厚みは、3μm〜20μmとすることができる。
The
空気極14は、バリア層13上に配置される。空気極14は、セル10のカソードとして機能する。空気極14の厚みは、10μm〜100μmとすることができる。空気極14は多孔体であり、空気極14の気孔率は25%〜50%とすることができる。
The
空気極14は、一般式ABO3で表され、AサイトにSrを含むペロブスカイト型酸化物を主成分とする主相を含む。このようなペロブスカイト型酸化物には、ランタンを含有するペロブスカイト型複合酸化物と、ランタンを含有しないペロブスカイト型複合酸化物とがある。ランタンを含有するペロブスカイト型複合酸化物としては、例えば、LSCF(ランタンストロンチウムコバルトフェライト:(La,Sr)(Co,Fe)O3)、LSF(ランタンストロンチウムフェライト:(La,Sr)FeO3)、及びLSC(ランタンストロンチウムコバルタイト:(La,Sr)CoO3)などが挙げられる。ランタンを含有しないペロブスカイト型複合酸化物としては、例えば、SSC(サマリウムストロンチウムコバルタイト:(Sm,Sr)CoO3)などが挙げられる。主相の密度は、5.5g/cm3〜8.5g/cm3とすることができる。なお、本実施形態において、「AがBを主成分として含む」とは、Aの70%以上がBによって構成されていることをいうものとする。
The
空気極14は、硫酸ストロンチウム(SrSO4)とクロム酸ストロンチウム(SrCrO4)とを主成分とする第二相を含む。第二相には、主相の構成元素(例えば、LaやCoなど)が固溶していてもよい。また、第二相には、SrSO4及びSrCrO4以外の不純物が含まれていてもよい。第二相の密度は、主相の密度よりも小さくてもよい。例えば、第二相の密度は、3.2g/cm3〜5.2g/cm3とすることができる。
The
空気極14の断面における第二相の面積占有率は、10.2%以下である。これによって、空気極14内部に発生する不活性領域が減少されるため、初期出力が低下することを抑制できる。さらに、通電時における第二相と主相の反応を抑えることができるため、空気極14の劣化が進行することを抑制できる。
The area occupation ratio of the second phase in the cross section of the
なお、本実施形態において、「空気極14の断面における対象物Xの面積占有率」とは、空気極14の内部に含まれる気孔を除いた領域(すなわち、空気極14の固相)の全面積に対する対象物Xの総面積の割合をいうものとする。
In the present embodiment, the “area occupation ratio of the object X in the cross section of the
空気極14の断面における第二相の面積占有率は、0.2%以上であることが好ましく、0.36%以上であることがさらに好ましい。これによって、SrSO4及びSrCrO4を主成分とする第二相が焼結助剤として機能するため、多孔質構造である空気極14の骨格を強化することができる。その結果、通電時において空気極14にクラックが発生することを抑制できるため、空気極14の耐久性を向上させることができる。
The area occupation ratio of the second phase in the cross section of the
空気極14の断面における第二相の構成粒子の平均円相当径は、0.05μm以上2.5μm以下であることが好ましい。これによって、空気極14の耐久性をより向上させることができる。なお、平均円相当径とは、第二相を構成する粒子と同じ面積を有する円の直径の算術平均値である。
The average equivalent circle diameter of the constituent particles of the second phase in the cross section of the
(面積占有率の算出方法)
次に、空気極14の断面における第二相の面積占有率の算出方法を説明する。
(Calculation method of area occupancy)
Next, a method for calculating the area occupation ratio of the second phase in the cross section of the
(1)FE−SEM画像
まず、インレンズ二次電子検出器を用いたFE−SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope:電界放射型走査型電子顕微鏡)によって倍率10000倍に拡大された空気極14の断面を取得する。具体的に、FE−SEM画像は、加速電圧:1kV、ワーキングディスタンス:2mmに設定されたZeiss社(ドイツ)製のFE−SEM(型式:ULTRA55)によって得ることができる。なお、空気極14の断面には、精密機械研磨後に株式会社日立ハイテクノロジーズのIM4000によってイオンミリング加工処理を予め施しておくことが好ましい。
(1) FE-SEM image First, the cross section of the
FE−SEM画像では、主相(LSCF)と第二相(SrSO4及びSrCrO4)と気孔の明暗差が異なっており、主相が“灰白色”、第二相が“灰色”、気孔が“黒色”にて表示されている。このような明暗差による3値化は、画像の輝度を256階調に分類することによって実現可能である。 In the FE-SEM image, the main phase (LSCF) and the second phase (SrSO 4 and SrCrO 4 ) are different in the brightness difference between the pores, the main phase is “gray white”, the second phase is “gray”, and the pores are “ “Black”. Such ternarization by light and dark difference can be realized by classifying the luminance of an image into 256 gradations.
ただし、主相、第二相及び気孔を判別する手法は、FE−SEM画像における明暗差を用いるものには限られない。例えば、SEM−EDS(Scanning Electron Microscope Energy Dispersive X−ray Spectrometry)により同一視野の元素マッピングを取得した後に、FE−SEM画像と照らし合わせて画像中の各粒子を同定することによっても、主相と第二相と気孔を精度良く3値化することができる。 However, the method of discriminating the main phase, the second phase, and the pores is not limited to using the light / dark difference in the FE-SEM image. For example, after obtaining element mapping of the same field of view by SEM-EDS (Scanning Electron Microscope Energy Dispersive X-ray Spectrometry), each particle in the image is identified by comparing with the FE-SEM image. The second phase and the pores can be ternized with high accuracy.
(2)FE−SEM画像の解析
次に、FE−SEM画像をMVTec社(ドイツ)製の画像解析ソフトHALCONによって画像解析する。解析画像では、所定の手法(例えば、線で囲む手法)によって第二相を特定することができる。
(2) Analysis of FE-SEM Image Next, the FE-SEM image is subjected to image analysis using image analysis software HALCON manufactured by MVTec (Germany). In the analysis image, the second phase can be specified by a predetermined method (for example, a method surrounded by a line).
(3)面積占有率の算出
次に、解析画像において特定された第二相の合計面積を算出する。
(3) Calculation of area occupation ratio Next, the total area of the second phase specified in the analysis image is calculated.
次に、気孔を除いた領域(すなわち、空気極14の固相)の総面積に対する第二相の合計面積の割合を算出する。このように算出された第二相の合計面積の割合が、第二相の面積占有率である。 Next, the ratio of the total area of the second phase to the total area of the region excluding the pores (that is, the solid phase of the air electrode 14) is calculated. The ratio of the total area of the second phase calculated in this way is the area occupation ratio of the second phase.
なお、以上の手法を用いることで、主相の面積占有率を算出することもできる。 In addition, the area occupation rate of the main phase can also be calculated by using the above method.
(空気極材料)
空気極14を構成する空気極材料には、一般式ABO3で表され、AサイトにSrを含むペロブスカイト型酸化物粉末とSrSO4粉末とSrCrO4粉末の混合材料が好適である。AサイトにSrを含むペロブスカイト型複合酸化物としては、上述の通り、LSCF、LSF、LSC、SSCなどが挙げられる。
(Air electrode material)
The air electrode material constituting the
空気極材料におけるSrSO4粉末とSrCrO4粉末の添加量は、11.7重量%以下であることが好ましい。これによって、空気極14の断面における第二相の面積占有率を10.2%以下に制御できる。また、空気極材料におけるSrSO4粉末とSrCrO4粉末の添加量は、0.05重量%以上であることがより好ましい。これによって、空気極14の断面における第二相の面積占有率を0.2%以上に制御できる。
The addition amount of SrSO 4 powder and SrCrO 4 powder in the air electrode material is preferably 11.7% by weight or less. Thereby, the area occupation ratio of the second phase in the cross section of the
また、SrSO4粉末とSrCrO4粉末の平均密度をペロブスカイト型酸化物粉末の密度よりも小さくすることによって、空気極14における第二相の密度を主相の密度よりも小さくすることができる。
Moreover, the density of the second phase in the
また、SrSO4粉末とSrCrO4粉末の粒度を調整することによって、空気極14における第二相の構成粒子の平均円相当径や第二相の面積占有率を調整することができる。気流式分級機を用いてSrSO4粉末とSrCrO4粉末の粒度を調整することによって、上限値及び下限値を含む精密な分級が可能となる。
Further, by adjusting the particle sizes of the SrSO 4 powder and the SrCrO 4 powder, the average equivalent circle diameter of the constituent particles of the second phase in the
(セル10の製造方法)
次に、セル10の製造方法の一例について説明する。ただし、以下に述べる材料、粒径、温度、及び塗布方法等の各種条件は、適宜変更することができる。以下、「成形体」とは、焼成前の部材を指すものとする。
(Manufacturing method of cell 10)
Next, an example of a method for manufacturing the
まず、NiO粉末とYSZ粉末と造孔剤(例えばPMMA(ポリメタクリル酸メチル樹脂))の混合物に、バインダーとしてのポリビニルアルコール(PVA)を添加してスラリーを作製する。次に、このスラリーをスプレードライヤーで乾燥・造粒することによって燃料極集電層用粉末を得る。次に、金型プレス成形法で燃料極用粉末を成形することによって、燃料極集電層111の成形体を形成する。 First, a slurry is prepared by adding polyvinyl alcohol (PVA) as a binder to a mixture of NiO powder, YSZ powder, and a pore-forming agent (for example, PMMA (polymethyl methacrylate resin)). Next, this slurry is dried and granulated with a spray dryer to obtain a fuel electrode current collecting layer powder. Next, a molded body of the fuel electrode current collecting layer 111 is formed by molding the fuel electrode powder by a die press molding method.
次に、NiO粉末とYSZ粉末と造孔剤の混合物にポリビニルアルコールを添加してスラリーを作製する。次に、このスラリーを印刷法で燃料極集電層111の成形体上に印刷することによって、燃料極活性層112の成形体を形成する。
Next, polyvinyl alcohol is added to a mixture of NiO powder, YSZ powder, and a pore-forming agent to prepare a slurry. Next, this slurry is printed on the molded body of the anode current collecting layer 111 by a printing method to form a molded body of the anode
次に、YSZ粉末に水とバインダーの混合物をボールミルで24時間混合することによってスラリーを作製する。次に、このスラリーを燃料極活性層112の成形体上に塗布した後乾燥することによって固体電解質層12の成形体を形成する。ただし、塗布法に代えてテープ積層法や印刷法等を用いることができる。
Next, a slurry is prepared by mixing the YSZ powder with a mixture of water and a binder in a ball mill for 24 hours. Next, this slurry is applied onto the molded body of the fuel electrode
次に、GDC粉末に水とバインダーの混合物をボールミルで24時間混合することによってスラリーを作製する。次に、このスラリーを固体電解質層12の成形体上に塗布した後乾燥することによってバリア層13の成形体を形成する。ただし、塗布法に代えてテープ積層法や印刷法等を用いることができる。
Next, a slurry is prepared by mixing a mixture of water and a binder with the GDC powder in a ball mill for 24 hours. Next, the slurry is applied on the
以上によって、燃料極11、固体電解質層12及びバリア層13それぞれの成形体の積層体が完成する。
As a result, a laminate of the molded bodies of the fuel electrode 11, the
次に、成形体の積層体を1300〜1600℃で2〜20時間共焼結することによって、多孔質の燃料極11と緻密質の固体電解質層12及びバリア層13の共焼成体を形成する。
Next, a co-fired body of the porous fuel electrode 11, the dense
次に、上述した空気極材料と水とバインダーをボールミルで24時間混合することによってスラリーを作製する。次に、このスラリーを共焼成体のバリア層13上に塗布した後乾燥させることによって空気極14の成形体を形成する。そして、空気極14の成形体を電気炉(酸素含有雰囲気、900℃〜1100℃)で1時間〜20時間焼成することによって空気極14を形成する。
Next, a slurry is prepared by mixing the air electrode material, water, and binder described above with a ball mill for 24 hours. Next, this slurry is applied onto the
(他の実施形態)
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications or changes can be made without departing from the scope of the present invention.
(A)上記実施形態において、セル10は、燃料極11、固体電解質層12、バリア層13および空気極14を備えることとしたが、これに限られるものではない。セル10は、燃料極11、固体電解質層12および空気極14を備えていればよく、各層間には他の層が介挿されていてもよい。具体的には、バリア層13と空気極14との間に多孔質のバリア層が介挿されていてもよい。
(A) In the above embodiment, the
(B)上記実施形態では、縦縞形のセル10について説明したが、セル10は、燃料極支持形、平板形、円筒形、横縞形などであってもよい。なお、セル10の断面は、楕円形状などであってもよい。
(B) Although the vertical stripe-shaped
以下において本発明に係る燃料電池セルの実施例について説明するが、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。 Examples of the fuel battery cell according to the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the examples described below.
[サンプルNo.1〜No.20の作製]
以下のようにして、燃料極集電層を支持基板とする燃料極支持型セルのサンプルNo.1〜No.20を作製した。
[Sample No. 1-No. 20 production]
In the following manner, the sample No. of the fuel electrode support type cell having the fuel electrode current collecting layer as the support substrate was used. 1-No. 20 was produced.
まず、金型プレス成形法で厚み500μmの燃料極集電層(NiO:8YSZ=50:50(Ni体積%換算))を成形し、その上に厚み20μmの燃料極活性層(NiO:8YSZ=45:55(Ni体積%換算))を印刷法で形成した。 First, a fuel electrode current collecting layer (NiO: 8YSZ = 50: 50 (Ni volume% conversion)) having a thickness of 500 μm is formed by a die press molding method, and a fuel electrode active layer (NiO: 8YSZ = 20 μm thickness) is formed thereon. 45:55 (Ni volume% conversion)) was formed by a printing method.
次に、燃料極活性層上に厚み5μmの8YSZ電解質と厚み5μmのGDCバリア膜とを順次形成して積層体を作製した。 Next, an 8YSZ electrolyte having a thickness of 5 μm and a GDC barrier film having a thickness of 5 μm were sequentially formed on the fuel electrode active layer to prepare a laminate.
次に、積層体を1400℃で2時間共焼結することによって共焼成体を得た。 Next, the laminate was co-sintered at 1400 ° C. for 2 hours to obtain a co-fired body.
次に、表1に示す空気極材料と水とバインダーをボールミルで24時間混合することによってスラリーを作製した。そして、このスラリーをバリア膜上に塗布した後に1000℃で2時間焼き付けることによって、厚み30μmの空気極を作製した。表1に示す通り、空気極材料の主成分にはLSCF、LSF及びSSCを用い、サンプルごとに異なる量のSrSO4粉末及びSrCrO4粉末を添加した。 Next, a slurry was prepared by mixing the air electrode material shown in Table 1, water, and a binder with a ball mill for 24 hours. And after apply | coating this slurry on a barrier film | membrane, it baked at 1000 degreeC for 2 hours, and produced the 30-micrometer-thick air electrode. As shown in Table 1, LSCF, LSF, and SSC were used as the main components of the air electrode material, and different amounts of SrSO 4 powder and SrCrO 4 powder were added for each sample.
[面積占有率の測定]
まず、各サンプルの空気極を精密機械研磨した後に、株式会社日立ハイテクノロジーズのIM4000によってイオンミリング加工を施した。
[Measurement of area occupancy]
First, the air electrode of each sample was subjected to precision mechanical polishing, and then subjected to ion milling using IM4000 manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation.
次に、インレンズ二次電子検出器を用いたFE−SEMによって倍率10000倍に拡大された空気極の断面を示すFE−SEM画像を取得した。 Next, the FE-SEM image which shows the cross section of the air electrode expanded by 10,000 times by FE-SEM using the in-lens secondary electron detector was acquired.
次に、各サンプルのFE−SEM画像をMVTec社(ドイツ)製画像解析ソフトHALCONで解析することによって解析画像を取得した。 Next, the analysis image was acquired by analyzing the FE-SEM image of each sample with image analysis software HALCON manufactured by MVTec (Germany).
次に、解析画像を用いて、SrSO4及びSrCrO4を含む第二相の面積占有率を算出した。第二相の面積占有率の算出結果は、表1に示す通りである。 Next, the area occupation ratio of the second phase containing SrSO 4 and SrCrO 4 was calculated using the analysis image. The calculation results of the area occupancy ratio of the second phase are as shown in Table 1.
[第二相の成分分析]
次に、第二相の成分分析を行って、第二相の主成分がSrSO4及びSrCrO4であることを確認した。
[Component analysis of the second phase]
Next, component analysis of the second phase was performed, and it was confirmed that the main components of the second phase were SrSO 4 and SrCrO 4 .
まず、TEM(Transmission Electron Microscope:透過型電子顕微鏡)によって空気極断面のTEM画像を取得した。そして、TEM画像を参照して、第二相の位置を確認した。 First, a TEM image of an air electrode cross section was obtained by TEM (Transmission Electron Microscope). And the position of the 2nd phase was confirmed with reference to the TEM image.
次に、EDX(Energy Dispersive X−ray Spectroscopy:エネルギー分散型X線分光法)によって、TEM画像で確認した第二相上の第1領域におけるEDXスペクトルと、当該第二相上の第2領域(第1領域から離れた領域)におけるEDXスペクトルとを取得した。これらのEDXスペクトルを半定量分析することによって、第二相の構成物質を推察することができる。第1領域におけるEDXスペクトルではSr、S、O、Cuの特性X線が検出され、第2領域におけるEDXスペクトルではSr、Cr、O、Cuの特性X線が検出された。なお、Cuの特性X線が検出されたのは、分析装置のサンプルホルダーの成分が検出されたものであり第二相の構成物質ではない。 Next, by EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy: Energy Dispersive X-ray Spectroscopy), the EDX spectrum in the first region on the second phase confirmed by the TEM image and the second region on the second phase ( An EDX spectrum in a region away from the first region was acquired. By semi-quantitatively analyzing these EDX spectra, constituent materials of the second phase can be inferred. Characteristic X-rays of Sr, S, O, and Cu were detected in the EDX spectrum in the first region, and characteristic X-rays of Sr, Cr, O, and Cu were detected in the EDX spectrum in the second region. The characteristic X-ray of Cu was detected because the component of the sample holder of the analyzer was detected and not a constituent material of the second phase.
次に、SAED(Selected Area Electron Diffraction:制限視野解析)によって、第二相の構成粒子の結晶構造(格子定数、格子型、結晶方位)を解析した。SAED画像に基づいて格子定数、格子型及び結晶方位を解析することによって、第二相がSrSO4及びSrCrO4を主成分としていることが確認された。 Next, the crystal structure (lattice constant, lattice type, crystal orientation) of the constituent particles of the second phase was analyzed by SAED (Selected Area Electron Diffraction). By analyzing the lattice constant, lattice type, and crystal orientation based on the SAED image, it was confirmed that the second phase was mainly composed of SrSO 4 and SrCrO 4 .
[焼成後の空気極における微小クラックの確認]
空気極を焼成して各サンプルが完成した時点において、空気極の断面を電子顕微鏡で観察することによって、微小クラックの有無を観察した。観察結果を表1にまとめて記載する。
[Confirmation of microcracks in air electrode after firing]
At the time when each sample was completed by firing the air electrode, the presence or absence of microcracks was observed by observing the cross section of the air electrode with an electron microscope. The observation results are summarized in Table 1.
[性能評価試験と耐久性試験後の空気極における微小クラックの確認]
各サンプルについて、燃料極側に窒素ガス、空気極側に空気を供給しながら750℃まで昇温し、750℃に達した時点で燃料極に水素ガスを供給しながら還元処理を3時間行った。そして、各サンプルについて、温度が750℃で定格電流密度0.2A/cm2における出力密度(初期出力)を測定した。測定結果を表1にまとめて記載する。
[Confirmation of microcracks in air electrode after performance evaluation test and durability test]
About each sample, it heated up to 750 degreeC, supplying nitrogen gas to the fuel electrode side, and air to the air electrode side, and when 750 degreeC was reached, reduction processing was performed for 3 hours, supplying hydrogen gas to a fuel electrode. . For each sample, the output density (initial output) at a rated current density of 0.2 A / cm 2 at a temperature of 750 ° C. was measured. The measurement results are summarized in Table 1.
次に、1000時間当たりの電圧降下率を劣化率として測定した。測定結果を表1にまとめて記載する。 Next, the voltage drop rate per 1000 hours was measured as the deterioration rate. The measurement results are summarized in Table 1.
続いて、1000時間経過後に空気極の断面を電子顕微鏡で観察することによってクラックの有無を観察した。観察結果を表1にまとめて記載する。 Subsequently, the presence or absence of cracks was observed by observing the cross section of the air electrode with an electron microscope after 1000 hours had elapsed. The observation results are summarized in Table 1.
表1に示すように、空気極断面における第二相(SrSO4及びSrCrO4)の面積占有率が10.2%以下に抑えたサンプルでは、初期出力を0.15W/cm2以上に向上させることができた。これは、空気極内部の不活性領域を低減することができたためである。
As shown in Table 1, in the sample in which the area occupancy of the second phase (SrSO 4 and SrCrO 4 ) in the air electrode cross section is suppressed to 10.2% or less, the initial output is improved to 0.15 W / cm 2 or more. I was able to. This is because the inactive area inside the air electrode could be reduced.
また、表1に示すように、空気極断面における第二相の面積占有率が0.20%以上にしたサンプルでは、焼成後における微小クラックの発生を抑制できた。これは、添加されたSrSO4及びSrCrO4によって空気極の焼結性が改善されて多孔質構造の骨格が強化されたためである。 Moreover, as shown in Table 1, in the sample in which the area occupation ratio of the second phase in the air electrode cross section was 0.20% or more, generation of microcracks after firing could be suppressed. This is because the added SrSO 4 and SrCrO 4 improve the sinterability of the air electrode and strengthen the skeleton of the porous structure.
また、表1に示すように、空気極断面における第二相の面積占有率が0.36%以上にしたサンプルでは、耐久性試験後においても微小クラックの発生を抑制できた。これは、添加されたSrSO4及びSrCrO4によって空気極の焼結性がさらに改善されて多孔質構造の骨格が強化されたためである。 Moreover, as shown in Table 1, in the sample in which the area occupancy of the second phase in the air electrode cross section was 0.36% or more, generation of microcracks could be suppressed even after the durability test. This is because the SrSO 4 and SrCrO 4 that is added is improved sinterability of the air electrode further because the skeleton of the porous structure has been strengthened.
また、表1に示すように、第二相を構成する粒子の平均円相当径が0.05μm以上2.5μm以下のサンプルでは、劣化率を1.5%以下に抑えることができた。 Further, as shown in Table 1, the deterioration rate could be suppressed to 1.5% or less in the sample having the average equivalent circle diameter of the particles constituting the second phase of 0.05 μm or more and 2.5 μm or less.
10 燃料電池セル
11 燃料極
111 燃料極集電層
112 燃料極活性層
12 固体電解質層
13 バリア層
14 空気極
DESCRIPTION OF
Claims (6)
一般式ABO3で表され、Aサイトに少なくともSrを含むペロブスカイト型酸化物を主成分とする主相と、硫酸ストロンチウムとクロム酸ストロンチウムを主成分とする第二相と、を含む空気極と、
前記燃料極と前記空気極の間に配置される固体電解質層と、
を備え、
前記空気極の断面における前記第二相の面積占有率は、10.2%以下である、
燃料電池セル。 An anode,
An air electrode that is represented by the general formula ABO 3 and includes a main phase mainly composed of a perovskite oxide containing at least Sr at the A site, and a second phase mainly composed of strontium sulfate and strontium chromate;
A solid electrolyte layer disposed between the fuel electrode and the air electrode;
With
The area occupancy of the second phase in the cross section of the air electrode is 10.2% or less.
Fuel cell.
請求項1に記載の燃料電池セル。 The area occupancy of the second phase is 0.20% or more.
The fuel battery cell according to claim 1.
請求項1に記載の燃料電池セル。 The area occupancy of the second phase is 0.36% or more.
The fuel battery cell according to claim 1.
請求項1乃至3のいずれかに記載の燃料電池セル。 The average equivalent circle diameter of the second phase in the cross section is 0.05 μm or more and 2.5 μm or less.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 3.
請求項1乃至4のいずれかに記載の燃料電池セル。 The density of the second phase is smaller than the density of the main phase,
The fuel cell according to any one of claims 1 to 4.
請求項1乃至5のいずれかに記載の燃料電池セル。 The perovskite oxide is LSCF.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 5.
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Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH07267748A (en) * | 1994-03-30 | 1995-10-17 | Ngk Insulators Ltd | Porous sintered compact and its production |
JPH08236138A (en) * | 1995-02-28 | 1996-09-13 | Kyocera Corp | Solid oxide fuel cell and method for manufacturing the same |
JPH08259346A (en) * | 1995-03-28 | 1996-10-08 | Ngk Insulators Ltd | Porous sintered compact and its production |
JP2002367615A (en) * | 2001-06-12 | 2002-12-20 | Tokyo Gas Co Ltd | Solid oxide fuel cell |
JP2007200693A (en) * | 2006-01-26 | 2007-08-09 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | Method for producing solid oxide fuel cell material |
JP2009016351A (en) * | 2007-07-05 | 2009-01-22 | General Electric Co <Ge> | Solid oxide electrochemical device provided with improved electrode |
JP2010225363A (en) * | 2009-03-23 | 2010-10-07 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Solid oxide fuel cell |
JP2011105582A (en) * | 2009-08-26 | 2011-06-02 | Ngk Insulators Ltd | Bonding agent |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH07267748A (en) * | 1994-03-30 | 1995-10-17 | Ngk Insulators Ltd | Porous sintered compact and its production |
JPH08236138A (en) * | 1995-02-28 | 1996-09-13 | Kyocera Corp | Solid oxide fuel cell and method for manufacturing the same |
JPH08259346A (en) * | 1995-03-28 | 1996-10-08 | Ngk Insulators Ltd | Porous sintered compact and its production |
JP2002367615A (en) * | 2001-06-12 | 2002-12-20 | Tokyo Gas Co Ltd | Solid oxide fuel cell |
JP2007200693A (en) * | 2006-01-26 | 2007-08-09 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | Method for producing solid oxide fuel cell material |
JP2009016351A (en) * | 2007-07-05 | 2009-01-22 | General Electric Co <Ge> | Solid oxide electrochemical device provided with improved electrode |
JP2010225363A (en) * | 2009-03-23 | 2010-10-07 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Solid oxide fuel cell |
JP2011105582A (en) * | 2009-08-26 | 2011-06-02 | Ngk Insulators Ltd | Bonding agent |
JP2011150813A (en) * | 2010-01-19 | 2011-08-04 | Honda Motor Co Ltd | Electrolyte-electrode assembly and method for manufacturing the same |
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