JP6311970B2 - Electrode for solid oxide fuel cell, production method thereof, and solid oxide fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池用電極、その製造方法及び固体酸化物形燃料電池に関する。更に詳細には、本発明は、所定の中間層と導電パス層とを備えた固体酸化物形燃料電池用電極、その製造方法及び固体酸化物形燃料電池に関する。 The present invention relates to an electrode for a solid oxide fuel cell, a method for producing the electrode, and a solid oxide fuel cell. More specifically, the present invention relates to a solid oxide fuel cell electrode having a predetermined intermediate layer and a conductive path layer, a method for producing the same, and a solid oxide fuel cell.
燃料電池は、化学エネルギーを電気化学的な反応により電気エネルギーに変換する装置である。このような燃料電池の1種である固体酸化物形燃料電池は、燃料極、固体電解質及び空気極の各層を積層した3層構造を有する。
そして、この固体酸化物形燃料電池は、外部から水素や炭化水素などの燃料ガスを燃料極に供給すると共に、空気などの酸化剤ガスを空気極に供給することによって、電気を発生させることができる。
また、燃料極及び空気極には、これら電極表面に集電体が配設されている。また、燃料極又は空気極と集電体との導電性を向上させるために、燃料極や空気極に導電性粒子を混合し、導電パスを形成するものが知られているが、導電パスの形成が難しかった。
A fuel cell is a device that converts chemical energy into electrical energy through an electrochemical reaction. A solid oxide fuel cell, which is one of such fuel cells, has a three-layer structure in which layers of a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are stacked.
The solid oxide fuel cell can generate electricity by supplying a fuel gas such as hydrogen or hydrocarbon from the outside to the fuel electrode and supplying an oxidant gas such as air to the air electrode. it can.
Further, current collectors are disposed on the electrode surfaces of the fuel electrode and the air electrode. In addition, in order to improve the conductivity between the fuel electrode or air electrode and the current collector, a conductive path is formed by mixing conductive particles in the fuel electrode or air electrode. Formation was difficult.
これに対して、導電パスを形成し、燃料極及び空気極と集電体との接触抵抗の増加等による抵抗値の増加を抑え、電池性能が損なわれることを防止可能な固体酸化物形燃料電池が提案されている(特許文献1参照。)。
この固体酸化物形燃料電池は、電解質を介して、一方面に燃料極、他方面に空気極を配置した構造を持つ電池構造を有し、燃料極上及び空気極上の少なくとも一方に、各々の燃料極及び空気極が露出する露出領域を残しつつ集電体を印刷形成したものである。
On the other hand, a solid oxide fuel that forms a conductive path, suppresses an increase in resistance value due to an increase in contact resistance between the fuel electrode and the air electrode and the current collector, and prevents the battery performance from being impaired. A battery has been proposed (see Patent Document 1).
This solid oxide fuel cell has a battery structure having a structure in which a fuel electrode is disposed on one surface and an air electrode on the other surface via an electrolyte, and each fuel is provided on at least one of the fuel electrode and the air electrode. The current collector is formed by printing while leaving an exposed region where the electrode and the air electrode are exposed.
しかしながら、特許文献1に記載の集電体は、燃料極や空気極との熱膨張差により剥離してしまうという問題点があった。また、そのため、集電体を設けることによる導電性の向上も十分でないという問題点があった。
However, the current collector described in
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明は、剥離し難い導電パス層を備え、優れた導電性を有する固体酸化物形燃料電池用電極、その製造方法及び固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art. Then, an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell electrode, a manufacturing method thereof, and a solid oxide fuel cell which have a conductive path layer that is difficult to peel off and have excellent conductivity.
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。その結果、所定の中間層と導電パス層とを設けた構成とすることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。 The inventors of the present invention have made extensive studies in order to achieve the above object. As a result, it has been found that the above object can be achieved by providing a predetermined intermediate layer and conductive path layer, and the present invention has been completed.
すなわち、本発明の固体酸化物形燃料電池用電極は、固体電解質層に接して配設される電極層と、電極層の固体電解質層が配設される側と電極層を挟んで反対側であって、電極層に接して配設される集電体と、を具備し、電極層の集電体が配設される側の少なくとも一部の表面に配設される導電パス層と、電極層と導電パス層との間に配設される中間層と、を備えたものである。
そして、導電パス層は、電極層の導電性と同等の導電性を有する材料及び電極層の導電性より高い導電性を有する材料の少なくとも一方の導電パス層材料からなる複数の導電パス層材料粒子からなり、導電パス層材料粒子同士が接合された構造を有する。
また、中間層は、電極層を形成する電極層材料と導電パス層材料とからなり、中間層の厚み方向において導電パス層との距離が近づくにしたがって導電パス層材料の含有割合が増加する組成傾斜構造を有する。
また、本発明の他の固体酸化物形燃料電池用電極は、固体電解質層に接して配設される電極層と、電極層の固体電解質層が配設される側と電極層を挟んで反対側に接して配設される集電体と、を具備し、電極層の集電体が配設される側の少なくとも一部の表面に配設される導電パス層と、電極層と導電パス層との間に配設される中間層と、を備えたものである。
そして、導電パス層は、電極層の導電性と同等の導電性を有する材料及び電極層の導電性より高い導電性を有する材料の少なくとも一方の導電パス層材料からなる複数の導電パス層材料粒子からなり、導電パス層材料粒子同士が接合された構造を有する。
また、中間層は、電極層を形成する電極層材料と導電パス層材料とからなり、中間層の厚み方向において導電パス層との距離が近づくにしたがって導電パス層材料の含有割合が増加する組成傾斜構造を有する。
更に、中間層は、電極層材料を構成する少なくとも1種の成分元素と導電パス層材料を構成する少なくとも1種の成分元素とを含有する複合材料を含まない。
さらに、本発明の更に他の固体酸化物形燃料電池用電極は、固体電解質層に接して配設される電極層と、電極層の固体電解質層が配設される側と電極層を挟んで反対側に接して配設される集電体と、を具備し、電極層の集電体が配設される側の少なくとも一部の表面に配設される導電パス層と、電極層と導電パス層との間に配設される中間層と、を備えたものである。
そして、導電パス層は、電極層の導電性と同等の導電性を有する材料及び電極層の導電性より高い導電性を有する材料の少なくとも一方の導電パス層材料からなる複数の導電パス層材料粒子からなり、導電パス層材料粒子同士が接合された構造を有する。
また、中間層は、電極層を形成する電極層材料と導電パス層材料とからなり、中間層の厚み方向において導電パス層との距離が近づくにしたがって導電パス層材料の含有割合が増加する組成傾斜構造を有する。
更に、中間層の厚みが、0.1〜2μmである。
That is, the solid oxide fuel cell electrode of the present invention includes an electrode layer disposed in contact with the solid electrolyte layer, on the opposite side across the side and the electrode layer a solid electrolyte layer is disposed in the electrode layer there are, comprises a current collector disposed in contact with the electrode layer, and a conductive path layer disposed on at least a portion of the surface on which the collector electrode layer is disposed, electrode And an intermediate layer disposed between the layer and the conductive path layer.
The conductive path layer is composed of a plurality of conductive path layer material particles made of at least one conductive path layer material of a material having conductivity equivalent to the conductivity of the electrode layer and a material having conductivity higher than that of the electrode layer. The conductive path layer material particles are joined together.
The intermediate layer is composed of an electrode layer material forming the electrode layer and a conductive path layer material, and the content ratio of the conductive path layer material increases as the distance from the conductive path layer decreases in the thickness direction of the intermediate layer. Has an inclined structure.
Another electrode for a solid oxide fuel cell of the present invention is opposite to the electrode layer disposed in contact with the solid electrolyte layer, the side of the electrode layer on which the solid electrolyte layer is disposed, and the electrode layer interposed therebetween. A conductive path layer disposed on at least a part of the surface of the electrode layer on the side where the current collector is disposed, and the electrode layer and the conductive path. And an intermediate layer disposed between the layers.
The conductive path layer is composed of a plurality of conductive path layer material particles made of at least one conductive path layer material of a material having conductivity equivalent to the conductivity of the electrode layer and a material having conductivity higher than that of the electrode layer. The conductive path layer material particles are joined together.
The intermediate layer is composed of an electrode layer material forming the electrode layer and a conductive path layer material, and the content ratio of the conductive path layer material increases as the distance from the conductive path layer decreases in the thickness direction of the intermediate layer. Has an inclined structure.
Further, the intermediate layer does not include a composite material containing at least one component element constituting the electrode layer material and at least one component element constituting the conductive path layer material.
Furthermore, another electrode for a solid oxide fuel cell of the present invention includes an electrode layer disposed in contact with the solid electrolyte layer, a side of the electrode layer on which the solid electrolyte layer is disposed, and an electrode layer sandwiched between the electrode layer and the electrode layer. A conductive path layer disposed on at least a portion of the surface of the electrode layer on the side where the current collector is disposed, and the electrode layer and the conductive layer. And an intermediate layer disposed between the pass layer.
The conductive path layer is composed of a plurality of conductive path layer material particles made of at least one conductive path layer material of a material having conductivity equivalent to the conductivity of the electrode layer and a material having conductivity higher than that of the electrode layer. The conductive path layer material particles are joined together.
The intermediate layer is composed of an electrode layer material forming the electrode layer and a conductive path layer material, and the content ratio of the conductive path layer material increases as the distance from the conductive path layer decreases in the thickness direction of the intermediate layer. Has an inclined structure.
Furthermore, the thickness of the intermediate layer is 0.1 to 2 μm.
また、本発明の固体酸化物形燃料電池は、上記本発明の固体酸化物形燃料電池用電極と、固体電解質層とを有するものである。 The solid oxide fuel cell of the present invention has the above-described electrode for a solid oxide fuel cell of the present invention and a solid electrolyte layer.
更に、本発明の固体酸化物形燃料電池用電極の製造方法は、上記本発明の固体酸化物形燃料電池用電極を製造するに当たり、電極層の少なくとも一部の表面に、電極層の導電性と同等の導電性を有する材料及び電極層の導電性より高い導電性を有する材料の少なくとも一方の導電パス層材料からなる導電パス層材料粒子を衝突させることにより中間層と導電パス層とを形成する製造方法である。 Furthermore, the method for producing an electrode for a solid oxide fuel cell according to the present invention provides the conductivity of the electrode layer on at least a part of the surface of the electrode layer when producing the electrode for a solid oxide fuel cell according to the present invention. The intermediate layer and the conductive path layer are formed by colliding the conductive path layer material particles made of at least one of the conductive path layer material and the material having the same conductivity as that of the electrode layer and the conductivity of the electrode layer. Manufacturing method.
本発明によれば、電極層と、所定の集電体と、電極層の集電体が配設される側の少なくとも一部の表面に配設される導電パス層と、電極層と導電パス層との間に配設される中間層と、を備え、導電パス層が、電極層の導電性と同等の導電性を有する材料及び電極層の導電性より高い導電性を有する材料の少なくとも一方の導電パス層材料からなる複数の導電パス層材料粒子からなり、導電パス層材料粒子同士が接合された構造を有し、中間層が、電極層を形成する電極層材料と導電パス層材料とからなり、中間層の厚み方向において導電パス層との距離が近づくにしたがって導電パス層材料の含有割合が増加する組成傾斜構造を有する構成、又は、電極層の集電体が配設される側の少なくとも一部の表面に配設される導電パス層と、電極層と導電パス層との間に配設される中間層と、を備え、導電パス層が、電極層の導電性と同等の導電性を有する材料及び電極層の導電性より高い導電性を有する材料の少なくとも一方の導電パス層材料からなる複数の導電パス層材料粒子からなり、導電パス層材料粒子同士が接合された構造を有し、中間層が、電極層を形成する電極層材料と導電パス層材料とからなり、中間層の厚み方向において導電パス層との距離が近づくにしたがって導電パス層材料の含有割合が増加する組成傾斜構造を有し、中間層は、電極層材料を構成する少なくとも1種の成分元素と導電パス層材料を構成する少なくとも1種の成分元素とを含有する複合材料を含まない構成、又は、電極層の集電体が配設される側の少なくとも一部の表面に配設される導電パス層と、電極層と導電パス層との間に配設される中間層と、を備え、導電パス層が、電極層の導電性と同等の導電性を有する材料及び電極層の導電性より高い導電性を有する材料の少なくとも一方の導電パス層材料からなる複数の導電パス層材料粒子からなり、導電パス層材料粒子同士が接合された構造を有し、中間層が、電極層を形成する電極層材料と導電パス層材料とからなり、中間層の厚み方向において導電パス層との距離が近づくにしたがって導電パス層材料の含有割合が増加する組成傾斜構造を有し、中間層の厚みが、0.1〜2μmである構成とした。
そのため、剥離し難い導電パス層を備え、優れた導電性を有する固体酸化物形燃料電池用電極、その製造方法及び固体酸化物形燃料電池を提供することができる。
According to the present invention, the electrode layer, the predetermined current collector, the conductive path layer disposed on at least a part of the surface of the electrode layer on the side where the current collector is disposed, the electrode layer and the conductive path An intermediate layer disposed between the conductive layer and the conductive path layer, at least one of a material having a conductivity equivalent to that of the electrode layer and a material having a conductivity higher than that of the electrode layer The conductive path layer material particles are composed of a plurality of conductive path layer material particles, the conductive path layer material particles are joined to each other, and the intermediate layer includes an electrode layer material that forms an electrode layer, and a conductive path layer material. A structure having a composition gradient structure in which the content ratio of the conductive path layer material increases as the distance from the conductive path layer in the thickness direction of the intermediate layer decreases , or the side on which the current collector of the electrode layer is disposed A conductive path layer disposed on at least a portion of the surface, an electrode layer, An intermediate layer disposed between the conductive path layer and the conductive path layer, wherein the conductive path layer is made of a material having conductivity equivalent to that of the electrode layer and a material having conductivity higher than that of the electrode layer. An electrode layer material comprising a plurality of conductive path layer material particles made of at least one conductive path layer material, the conductive path layer material particles being joined together, and an intermediate layer forming an electrode layer and the conductive path layer The composition has a composition gradient structure in which the content of the conductive path layer material increases as the distance from the conductive path layer in the thickness direction of the intermediate layer decreases, and the intermediate layer includes at least one of the electrode layer materials. A structure not including a composite material containing at least one kind of constituent element and at least one kind of constituent element constituting the conductive path layer material, or at least a part of the surface of the electrode layer on the side where the current collector is disposed A conductive path layer disposed; An intermediate layer disposed between the electrode layer and the conductive path layer, wherein the conductive path layer has a conductivity higher than that of the electrode layer and a material having conductivity equivalent to that of the electrode layer. An electrode layer material comprising a plurality of conductive path layer material particles made of at least one conductive path layer material of the material having a structure in which the conductive path layer material particles are joined to each other, and the intermediate layer forms an electrode layer The conductive path layer material has a composition gradient structure in which the content ratio of the conductive path layer material increases as the distance from the conductive path layer decreases in the thickness direction of the intermediate layer, and the thickness of the intermediate layer is 0.1 It was set as the structure which is -2 micrometers .
Therefore, it is possible to provide a solid oxide fuel cell electrode, a method for manufacturing the same, and a solid oxide fuel cell that have a conductive path layer that does not easily peel off and have excellent conductivity.
以下、本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用電極、その製造方法及び固体酸化物形燃料電池について詳細に説明する。 Hereinafter, a solid oxide fuel cell electrode, a method of manufacturing the same, and a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
(第1の実施形態)
まず、第1の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用電極について詳細に説明する。
本実施形態の固体酸化物形燃料電池用電極は、電極層と、集電体とを具備し、導電パス層と所定の中間層とを備えるものである。
そして、電極層は、固体電解質層に接して配設され、集電体は、電極層の固体電解質層が配設される側と電極層を挟んで反対側に接して配設される。
また、導電パス層は、電極層の集電体が配設される側の少なくとも一部の表面に配設され、電極層の導電性と同等の導電性を有する材料及び電極層の導電性より高い導電性を有する材料の少なくとも一方の導電パス層材料からなる複数の導電パス層材料粒子からなり、導電パス層材料粒子同士が接合された構造を有する。
更に、中間層は、電極層と導電パス層との間に配設され、電極層を形成する電極層材料と導電パス層材料とからなり、中間層の厚み方向において導電パス層との距離が近づくにしたがって導電パス層材料の含有割合が増加する組成傾斜構造を有する。
(First embodiment)
First, the electrode for a solid oxide fuel cell according to the first embodiment will be described in detail.
The electrode for a solid oxide fuel cell of the present embodiment includes an electrode layer and a current collector, and includes a conductive path layer and a predetermined intermediate layer.
The electrode layer is disposed in contact with the solid electrolyte layer, and the current collector is disposed in contact with the side of the electrode layer on which the solid electrolyte layer is disposed and the opposite side across the electrode layer.
In addition, the conductive path layer is disposed on at least a part of the surface of the electrode layer on the side where the current collector is disposed, and has a conductivity equivalent to the conductivity of the electrode layer and the conductivity of the electrode layer. It is composed of a plurality of conductive path layer material particles made of at least one conductive path layer material of a material having high conductivity, and has a structure in which the conductive path layer material particles are joined to each other.
Further, the intermediate layer is disposed between the electrode layer and the conductive path layer, and is composed of an electrode layer material forming the electrode layer and a conductive path layer material, and the distance from the conductive path layer in the thickness direction of the intermediate layer is It has a composition gradient structure in which the content of the conductive path layer material increases as it approaches.
電極層材料と導電パス層材料とからなり、中間層の厚み方向において導電パス層との距離が近づくにしたがって導電パス層材料の含有割合が増加する組成傾斜構造を有する中間層を備えることによって、熱膨張変化を漸進的なものとすることができ、導電パス層の剥離が抑制ないし防止される。
また、電極層の導電性と同等の導電性を有する材料及び電極層の導電性より高い導電性を有する材料の少なくとも一方の導電パス層材料からなる複数の導電パス層材料粒子からなり、導電パス層材料粒子同士が接合された構造を有する導電パス層を備えることによって、十分な導電パスが形成され、導電性が向上する。
つまり、このような構成とすることにより、剥離し難い導電パス層を備え、優れた導電性を有する固体酸化物形燃料電池用電極となる。また、このような固体酸化物形燃料電池用電極を固体酸化物形燃料電池に適用すると、セル出力を向上することができる。
By comprising an intermediate layer having a composition gradient structure that is composed of an electrode layer material and a conductive path layer material, and the content ratio of the conductive path layer material increases as the distance from the conductive path layer approaches in the thickness direction of the intermediate layer, The change in thermal expansion can be made gradual, and peeling of the conductive path layer is suppressed or prevented.
Further, the conductive path is composed of a plurality of conductive path layer material particles composed of at least one conductive path layer material of a material having conductivity equivalent to that of the electrode layer and a material having conductivity higher than that of the electrode layer. By providing a conductive path layer having a structure in which layer material particles are joined together, a sufficient conductive path is formed, and the conductivity is improved.
In other words, by adopting such a configuration, a solid oxide fuel cell electrode having a conductive path layer that is difficult to peel off and having excellent conductivity is obtained. Further, when such an electrode for a solid oxide fuel cell is applied to a solid oxide fuel cell, cell output can be improved.
ここで、本発明において「電極層を形成する電極層材料」とは、電極層そのものを形成する材料を意味する。例えば、電極層がランタンストロンチウムコバルトフェライト(La1−xSrxCo1−yFeyO3:LSCF)からなる場合には、電極層材料はあくまでもランタンストロンチウムコバルトフェライト(La1−xSrxCo1−yFeyO3:LSCF)であって、ランタンストロンチウムコバルトフェライト(La1−xSrxCo1−yFeyO3:LSCF)を構成するランタン酸化物やストロンチウム酸化物、コバルト酸化物、鉄酸化物などを意味するものではない。但し、電極層がニッケル(Ni)とイットリア安定化ジルコニア(YSZ)とのサーメットからなるような場合には、電極層材料はニッケル(Ni)及びイットリア安定化ジルコニア(YSZ)である。なお、この解釈は、導電パス層材料についても同様である。 Here, in the present invention, the “electrode layer material for forming the electrode layer” means a material for forming the electrode layer itself. For example, when the electrode layer is made of lanthanum strontium cobalt ferrite (La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 : LSCF), the electrode layer material is only lanthanum strontium cobalt ferrite (La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3: a LSCF), lanthanum strontium cobalt ferrite (La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3: LSCF) lanthanum oxide and strontium oxide constituting the cobalt oxide It does not mean iron oxide or the like. However, when the electrode layer is made of cermet of nickel (Ni) and yttria stabilized zirconia (YSZ), the electrode layer material is nickel (Ni) and yttria stabilized zirconia (YSZ). This interpretation is the same for the conductive path layer material.
以下、各構成について更に詳細に説明する。 Hereinafter, each configuration will be described in more detail.
上記電極層としては、固体電解質層に接して配設される空気極層又は燃料極層のいずれか一方又は双方を挙げることができる。なお、電極層は、好ましくは、集電体側に複数のリブが設けられた構造を有する。 Examples of the electrode layer include one or both of an air electrode layer and a fuel electrode layer disposed in contact with the solid electrolyte layer. The electrode layer preferably has a structure in which a plurality of ribs are provided on the current collector side.
また、上記固体電解質層としては、ガス不透過性と、電子を通さずに酸化物イオンを通す性能を有するものを好適に用いることができる。固体電解質層の構成材料としては、例えば、イットリア(Y2O3)や酸化ネオジム(Nd2O3)、サマリア(Sm2O3)、ガドリア(Gd2O3)、スカンジア(Sc2O3)などを固溶した安定化ジルコニアを適用することができる。また、サマリアドープセリア(SDC)やイットリアドープセリア(YDC)、ガドリアドープセリア(GDC)のようなセリア固溶体や、酸化ビスマス(Bi2O3)、ランタンストロンチウムマグネシウムガレート(La1−xSrxGa1−yMgyO3:LSMG)などを適用することもできる。 Further, as the solid electrolyte layer, a layer having gas impermeability and a capability of passing oxide ions without passing electrons can be suitably used. As a constituent material of the solid electrolyte layer, for example, yttria (Y 2 O 3 ), neodymium oxide (Nd 2 O 3 ), samaria (Sm 2 O 3 ), gadria (Gd 2 O 3 ), scandia (Sc 2 O 3). ) Or the like can be applied as stabilized zirconia. In addition, ceria solid solutions such as samaria doped ceria (SDC), yttria doped ceria (YDC), gadria doped ceria (GDC), bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), lanthanum strontium magnesium gallate (La 1-x Sr x Ga 1-y Mg y O 3 : LSMG) or the like may be applied.
更に、上記電極層材料としては、例えば、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、銀(Ag)、金(Au)、ベリリウム(Be)、炭素(C)、ケイ素(Si)、鉄(Fe)、イリジウム(Ir)、セシウム(Cs)、レニウム(Re)、銅(Cu)などの金属、ランタンストロンチウムコバルタイト(La1−xSrxCoO3:LSC)、ランタンストロンチウムコバルトフェライト(La1−xSrxCo1−yFeyO3:LSCF)、サマリウムストロンチウムコバルタイト(SmxSr1−xCoO3:SSC)、ランタンストロンチウムマンガナイト(La1−xSrxMnO3:LSM)、ランタンカルシウムマンガナイト(La1−xCaxMnO3)、プラセオジムストロンチウムマンガナイト(Pr1−xSrxMnO3)、ランタンストロンチウムマンガンコバルタイト((La1−xSrxMn1−yCoyO3)、ランタンストロンチウムマンガンクロメート(La1−xSrxMn1−yCryO3)、ランタンカルシウムコバルタイト((La1−xCaxCoO3)、プラセオジムコバルタイト(PrCoO3)、ランタンニッケルビスマイト(LaNi1−xBixO3)、インジウムスズ酸化物(In2−zSnzO3)、インジウムジルコニウム酸化物(In1−xZrxO3)、酸化ルテニウム/酸化ジルコニウム(RuO2/ZrO2)などのペロブスカイト構造を有する酸化物、銀(Ag)、金(Au)、ベリリウム(Be)、炭素(C)、ケイ素(Si)、鉄(Fe)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、セシウム(Cs)、レニウム(Re)若しくは銅(Cu)又はこれらに任意の組み合わせに係る金属を含む合金、銀(Ag)と銅(Cu)、スズ(Sn)、テルル(Te)、ベリリウム(Be)、マグネシウム(Mg)、コバルト(Co)及びニオブ(Nb)からなる群より選ばれる少なくとも1種の金属とを含む合金を挙げることができる。 Furthermore, examples of the electrode layer material include platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), ruthenium (Ru), nickel (Ni), cobalt (Co), silver (Ag), and gold (Au). , Metals such as beryllium (Be), carbon (C), silicon (Si), iron (Fe), iridium (Ir), cesium (Cs), rhenium (Re), copper (Cu), lanthanum strontium cobaltite (La) 1-x Sr x CoO 3 : LSC), lanthanum strontium cobalt ferrite (La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 : LSCF), samarium strontium cobaltite (Sm x Sr 1-x CoO 3 : SSC) , lanthanum strontium manganite (La 1-x Sr x MnO 3: LSM), lanthanum calcium manganite (La 1-x Ca x MnO 3), praseodymium strontium manganite (Pr 1-x Sr x MnO 3), lanthanum strontium manganese cobaltite ((La 1-x Sr x Mn 1-y Co y O 3), lanthanum strontium manganese chromate (La 1-x Sr x Mn 1-y Cr y O 3), lanthanum calcium cobaltite ((La 1-x Ca x CoO 3), praseodymium cobaltite (PrCoO 3), lanthanum nickel bis chromite (LaNi 1-x Bi x O 3 ), indium tin oxide (In 2 -z Sn z O 3 ), indium zirconium oxide (In 1-x Zr x O 3 ), ruthenium oxide / zirconium oxide (RuO 2 / ZrO 2) ) And other oxides having a perovskite structure, such as silver ( g), gold (Au), beryllium (Be), carbon (C), silicon (Si), iron (Fe), platinum (Pt), iridium (Ir), cesium (Cs), rhenium (Re) or copper ( Cu) or alloys containing metals according to any combination thereof, silver (Ag) and copper (Cu), tin (Sn), tellurium (Te), beryllium (Be), magnesium (Mg), cobalt (Co) and An alloy containing at least one metal selected from the group consisting of niobium (Nb) can be given.
具体的には、空気極層には、酸化雰囲気に強く、酸化剤ガスを透過し、電気伝導度が高く、酸素分子を酸化物イオンに変換する触媒作用を有するものを好適に用いることができる。また、電極触媒からなるものであっても、電極触媒と電解質材料とのサーメットからなるものであってもよい。電極触媒としては、例えば、銀(Ag)や白金(Pt)などの金属が適用される場合もあるが、ランタンストロンチウムコバルタイト(La1−xSrxCoO3:LSC)やランタンストロンチウムコバルトフェライト(La1−xSrxCo1−yFeyO3:LSCF)、サマリウムストロンチウムコバルタイト(SmxSr1−xCoO3:SSC)、ランタンストロンチウムマンガナイト(La1−xSrxMnO3:LSM)などのペロブスカイト型酸化物を適用することが好ましい。しかしながら、これらに限定されるものではなく、従来公知の空気極材料を適用することができる。なお、これらは1種を単独で又は複数種を組み合わせて適用することができる。更に、電解質材料としては、例えば、酸化セリウム(CeO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化チタン(TiO2)、酸化ランタン(La2O3)などを挙げることができるが、これに限定されるものではなく、後述する各種の安定化ジルコニアやセリア固溶体などの酸化物との混合体を好適に用いることもできる。 Specifically, an air electrode layer that is strong in an oxidizing atmosphere, permeates oxidant gas, has high electrical conductivity, and has a catalytic action to convert oxygen molecules into oxide ions can be suitably used. . Moreover, even if it consists of an electrode catalyst, it may consist of a cermet of an electrode catalyst and electrolyte material. For example, a metal such as silver (Ag) or platinum (Pt) may be used as the electrode catalyst, but lanthanum strontium cobaltite (La 1-x Sr x CoO 3 : LSC) or lanthanum strontium cobalt ferrite ( La 1-x Sr x Co 1 -y Fe y O 3: LSCF), samarium strontium cobaltite (Sm x Sr 1-x CoO 3: SSC), lanthanum strontium manganite (La 1-x Sr x MnO 3: LSM It is preferable to apply a perovskite oxide such as However, it is not limited to these, and conventionally known air electrode materials can be applied. In addition, these can be applied individually by 1 type or in combination of multiple types. Furthermore, examples of the electrolyte material include, but are not limited to, cerium oxide (CeO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), and lanthanum oxide (La 2 O 3 ). However, a mixture with various kinds of stabilized zirconia and oxides such as ceria solid solution described later can be suitably used.
また、燃料極層には、還元雰囲気に強く、燃料ガスを透過し、電気伝導度が高く、水素分子をプロトンに変換する触媒作用を有するものを好適に用いることができる。燃料極の構成材料としては、例えば、ニッケル(Ni)などの金属が単独で適用される場合もあるが、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)に代表される酸化物イオン伝導体を混在させたサーメットを適用することが好ましく、これによって反応エリアが増加し、電極性能を向上させることができる。このとき、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)に替えて、サマリアドープセリア(SDC)やガドリアドープセリア(GDC)のようなセリア固溶体を適用することもできる。 In addition, a fuel electrode layer that is strong in a reducing atmosphere, permeates fuel gas, has high electrical conductivity, and has a catalytic action to convert hydrogen molecules into protons can be suitably used. As a constituent material of the fuel electrode, for example, a metal such as nickel (Ni) may be applied alone, but a cermet mixed with an oxide ion conductor typified by yttria stabilized zirconia (YSZ) is used. It is preferable to apply, thereby increasing the reaction area and improving the electrode performance. At this time, a ceria solid solution such as samaria doped ceria (SDC) or gadria doped ceria (GDC) can be applied instead of yttria stabilized zirconia (YSZ).
また、上記集電体としては、例えば、ニッケル(Ni)やクロム(Cr)を含有する耐熱合金、耐食合金、耐食鋼、ステンレス鋼(SUS)などの集電基体材料から形成されるものを挙げることができるが、これらに限定されるものではなく、固体酸化物形燃料電池に適用される従来公知の材料からなる集電体を適用することができる。なお、集電体は、例えば、上述した電極層に複数設けられた各リブに設けられた構造を有していてもよい。 Examples of the current collector include those formed from current collecting base materials such as heat-resistant alloys, corrosion-resistant alloys, corrosion-resistant steels, and stainless steels (SUS) containing nickel (Ni) and chromium (Cr). However, the present invention is not limited to these, and a current collector made of a conventionally known material applied to a solid oxide fuel cell can be applied. The current collector may have, for example, a structure provided on each rib provided on the electrode layer described above.
更に、導電パス層としては、電極層の導電性と同等の導電性を有する材料及び電極層の導電性より高い導電性を有する材料の少なくとも一方の導電パス層材料からなる複数の導電パス層材料粒子からなり、導電パス層材料粒子同士が接合された構造を有するものであれば、特に限定されるものではない。なお、導電パス層材料は、空気極層や燃料極層を形成する電極層材料に応じて適宜選択すればよい。 Furthermore, as the conductive path layer, a plurality of conductive path layer materials comprising at least one conductive path layer material of a material having conductivity equivalent to the conductivity of the electrode layer and a material having conductivity higher than that of the electrode layer If it has a structure which consists of particle | grains and the electroconductive path layer material particle | grains were joined, it will not specifically limit. In addition, what is necessary is just to select a conductive path layer material suitably according to the electrode layer material which forms an air electrode layer and a fuel electrode layer.
また、中間層としては、電極層を形成する電極層材料と導電パス層材料とからなり、中間層の厚み方向において導電パス層との距離が近づくにしたがって導電パス層材料の含有割合が増加する組成傾斜構造を有するものであれば、特に限定されるものではない。なお、上述のように、導電パス層材料は、空気極層や燃料極層を形成する電極層材料に応じて適宜選択すればよい。このような組成傾斜構造を有する中間層は、後述するエアロゾルデポジション法などの噴射加工技術を用いることにより、簡易なプロセスで低コスト化を実現しながら作成することができる。 The intermediate layer is composed of an electrode layer material forming the electrode layer and a conductive path layer material, and the content ratio of the conductive path layer material increases as the distance from the conductive path layer decreases in the thickness direction of the intermediate layer. There is no particular limitation as long as it has a composition gradient structure. As described above, the conductive path layer material may be appropriately selected according to the electrode layer material forming the air electrode layer or the fuel electrode layer. The intermediate layer having such a composition gradient structure can be formed by using an injection processing technique such as an aerosol deposition method, which will be described later, while realizing cost reduction with a simple process.
更に、本実施形態においては、中間層が、電極層材料を構成する少なくとも1種の成分元素と導電パス層材料を構成する少なくとも1種の成分元素とを含有する複合材料を含まないことが好ましい。上述のような複合材料は、通常、導電性が劣るものとなるためである。なお、後述するエアロゾルデポジション法などの噴射加工技術を用いて中間層を形成した場合、電極層材料を構成する成分元素と導電パス層材料を構成する成分元素とを含有する複合材料が形成されないことが確認された。 Furthermore, in this embodiment, it is preferable that the intermediate layer does not contain a composite material containing at least one component element constituting the electrode layer material and at least one component element constituting the conductive path layer material. . This is because the composite material as described above usually has poor conductivity. In addition, when an intermediate layer is formed using an injection processing technique such as an aerosol deposition method described later, a composite material containing a component element constituting the electrode layer material and a component element constituting the conductive path layer material is not formed. It was confirmed.
更にまた、本実施形態においては、中間層の厚みが、0.1〜2μmであることが好ましい。このように中間層の厚みを非常に薄くすることによって、電極層と導電パス層との間の導電性低下を抑制することができる。また、このような厚みを有しつつ、上述のような組成傾斜構造を有する中間層は、後述するエアロゾルデポジション法などの噴射加工技術を用いることにより、簡易なプロセスで低コスト化を実現しながら作成することができる。 Furthermore, in this embodiment, it is preferable that the thickness of the intermediate layer is 0.1 to 2 μm. Thus, by making the thickness of the intermediate layer very thin, it is possible to suppress a decrease in conductivity between the electrode layer and the conductive path layer. In addition, the intermediate layer having the above-described composition gradient structure having such a thickness achieves cost reduction with a simple process by using an injection processing technique such as an aerosol deposition method described later. Can be created.
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池について詳細に説明する。
本実施形態の固体酸化物形燃料電池は、固体電解質層と、上述した第1の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用電極とを有するものである。なお、本発明の固体酸化物形燃料電池においては、空気極及び燃料極のいずれか一方が、上述した第1の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用電極であればよく、空気極及び燃料極の双方が上述した第1の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用電極であってもよい。
このような構成とすると、固体酸化物形燃料電池は出力が向上したものとなる。特に、高温条件下においても高い出力を安定して得ることができる。
(Second Embodiment)
Next, the solid oxide fuel cell according to the second embodiment will be described in detail.
The solid oxide fuel cell of the present embodiment has a solid electrolyte layer and the solid oxide fuel cell electrode according to the first embodiment described above. In the solid oxide fuel cell of the present invention, either the air electrode or the fuel electrode may be the electrode for the solid oxide fuel cell according to the first embodiment described above. Both of the fuel electrodes may be the solid oxide fuel cell electrode according to the first embodiment described above.
With such a configuration, the output of the solid oxide fuel cell is improved. In particular, high output can be stably obtained even under high temperature conditions.
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用電極の製造方法について詳細に説明する。なお、本実施形態の固体酸化物形燃料電池用電極の製造方法は、上述した第1の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用電極の製造方法の一実施形態である。したがって、本発明の固体酸化物形燃料電池用電極は、このような製造方法によって製造されたものに必ずしも限定されるものではない。
本実施形態の固体酸化物形燃料電池用電極の製造方法は、上述した第1の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用電極を製造するに当たり、電極層の少なくとも一部の表面に、電極層の導電性と同等の導電性を有する材料及び電極層の導電性より高い導電性を有する材料の少なくとも一方の導電パス層材料からなる導電パス層材料粒子を衝突させることにより中間層と導電パス層とを形成する製造方法である。
(Third embodiment)
Next, a manufacturing method of the solid oxide fuel cell electrode according to the third embodiment will be described in detail. In addition, the manufacturing method of the electrode for solid oxide fuel cells of this embodiment is one Embodiment of the manufacturing method of the electrode for solid oxide fuel cells which concerns on 1st Embodiment mentioned above. Therefore, the electrode for a solid oxide fuel cell of the present invention is not necessarily limited to that manufactured by such a manufacturing method.
The manufacturing method of the electrode for the solid oxide fuel cell according to the present embodiment provides the electrode on at least a part of the surface of the electrode layer when manufacturing the electrode for the solid oxide fuel cell according to the first embodiment described above. The intermediate layer and the conductive path are made to collide with conductive path layer material particles made of at least one conductive path layer material of a material having conductivity equivalent to the conductivity of the layer and a material having conductivity higher than that of the electrode layer. It is a manufacturing method which forms a layer.
このように電極層に対して所定の導電パス層材料粒子を衝突させる簡素な工程により、上述した所定の中間層と所定の導電パス層とを形成することができ、上述した第1の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用電極を製造する際の製造コストをより低減することができる。 Thus, the above-described predetermined intermediate layer and the predetermined conductive path layer can be formed by a simple process of causing the predetermined conductive path layer material particles to collide with the electrode layer, and the first embodiment described above. The manufacturing cost at the time of manufacturing the electrode for solid oxide fuel cells which concerns on this can be reduced more.
具体的には、エアロゾルデポジション法、パウダージェットデポジション法、ウォームスプレー法、サーマルスプレー法、コールドスプレー法などの噴射加工技術を用いて電極層に導電パス層材料からなる導電パス層材料粒子を衝突させることによって、電極層上に中間層と導電パス層とを形成させることができる。更に、具体的には、サブミクロンサイズの粉末状の導電パス層材料粒子を、ヘリウム(He)ガスや窒素(N2)ガスなどのキャリアガスで最適の流速(例えば、300〜800m/sである。)を持たせて電極層に衝突させることによって、粒子によって電極層が研削されると共に、粒子の運動エネルギーの一部が瞬間的に熱に変換されて、電極層材料と導電パス層材料を含む中間層が形成され、引き続き導電パス層材料粒子を衝突させることによって導電パス層が形成される。 Specifically, conductive path layer material particles made of a conductive path layer material are applied to the electrode layer using an injection processing technique such as an aerosol deposition method, a powder jet deposition method, a warm spray method, a thermal spray method, or a cold spray method. By causing the collision, an intermediate layer and a conductive path layer can be formed on the electrode layer. More specifically, submicron-sized powdery conductive path layer material particles are flown at an optimum flow rate (for example, 300 to 800 m / s) with a carrier gas such as helium (He) gas or nitrogen (N 2 ) gas. The electrode layer is ground by the particles, and a part of the kinetic energy of the particles is instantaneously converted into heat, so that the electrode layer material and the conductive path layer material An intermediate layer is formed, and the conductive path layer is subsequently formed by impacting the conductive path layer material particles.
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
(実施例1)
まず、固体電解質層としての酸化イットリウムで安定化した酸化ジルコニウム(YSZ)板と、燃料極層材料としてのニッケル(Ni)及びYSZと、集電体としてのステンレスワイヤとを用意した。
Example 1
First, a zirconium oxide (YSZ) plate stabilized with yttrium oxide as a solid electrolyte layer, nickel (Ni) and YSZ as fuel electrode layer materials, and a stainless wire as a current collector were prepared.
次いで、固体電解質層上に集電体となるステンレスワイヤを間隙を設けて設置した。固体電解質層とステンレスワイヤとの間隙は、少なくともワイヤ直径と同等か、それ以上の高さとした。 Next, a stainless steel wire serving as a current collector was placed on the solid electrolyte layer with a gap. The gap between the solid electrolyte layer and the stainless steel wire was at least equal to or higher than the wire diameter.
しかる後、これらを真空チャンバに入れ、チャンバ内を減圧して、減圧された状態ないし真空状態にした後、ガスデポジション装置の噴霧ノズルを固体電解質層と集電体の上部に移動させ、Ni粒子及びYSZ粒子を、高速のヘリウム(He)ガス流れに乗せて噴射することにより固体電解質層と集電体との間隙に多孔性の電極層(燃料極層)を形成して、導電パス層及び中間層が未形成である本例で用いる電極前駆体を得た。 Thereafter, these are put in a vacuum chamber, the inside of the chamber is decompressed, and after the pressure is reduced to a vacuum state, the spray nozzle of the gas deposition apparatus is moved to the upper part of the solid electrolyte layer and the current collector, Ni A porous electrode layer (fuel electrode layer) is formed in the gap between the solid electrolyte layer and the current collector by injecting the particles and YSZ particles on a high-speed helium (He) gas flow, thereby forming a conductive path layer. Thus, an electrode precursor used in this example in which the intermediate layer was not formed was obtained.
図1は、本例で用いる電極前駆体1’の断面を示す走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。図1に示すように、電極前駆体1’は、集電体4側に設けられた複数のリブ2aを有する電極層(燃料極層)2と、各リブ2aに設けられた集電体4とを有している。なお、図示しないが、電極層(燃料極層)の集電体が設けられた反対側には固体電解質層が存在する。
FIG. 1 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a cross section of the
次に、得られた電極前駆体を真空チャンバに入れ、チャンバ内を1Pa以下まで減圧して、チャンバ内から酸化雰囲気を除去した。 Next, the obtained electrode precursor was put in a vacuum chamber, the pressure in the chamber was reduced to 1 Pa or less, and the oxidizing atmosphere was removed from the chamber.
次いで、ガスデポジション装置の超音速成膜ノズルを電極前駆体の上部に移動させ、粒径0.8〜1.0μmのNi粒子を、800m/s以上のヘリウム(He)ガス流れに乗せて噴射することにより、電極前駆体の表面に存在する異物を除去した。 Next, the supersonic film-forming nozzle of the gas deposition apparatus is moved to the upper part of the electrode precursor, and Ni particles having a particle size of 0.8 to 1.0 μm are placed on a helium (He) gas flow of 800 m / s or more. By spraying, foreign substances present on the surface of the electrode precursor were removed.
更に、粒径0.8〜1.0μmのNi粒子を、650m/sのヘリウム(He)ガス流れに乗せて噴射することにより、電極前駆体の表面に中間層と導電パス層とを形成して、本例の電極を得た。 Further, by injecting Ni particles having a particle size of 0.8 to 1.0 μm on a helium (He) gas flow of 650 m / s, an intermediate layer and a conductive path layer are formed on the surface of the electrode precursor. Thus, an electrode of this example was obtained.
図2は、本例の電極1の製造方法を模式的に示す説明図である。また、図3は、本例の電極1を模式的に示す説明図である。
図2に示すように、電極前駆体1’の電極層2やその一部であるリブ2aの表面に、超音速成膜ノズルNから導電パス層材料粒子の一例であるNi粒子pを衝突させることにより、電極前駆体1’の表面に中間層6と導電パス層8とを形成して、図3に示すような、本例の電極1を得た。なお、図2及び図3中の10は固体電解質層であり、YSZ板からなる。
FIG. 2 is an explanatory view schematically showing a manufacturing method of the
As shown in FIG. 2, Ni particles p, which is an example of conductive path layer material particles, are collided from the supersonic film-forming nozzle N onto the surface of the
なお、本例の電極について、その表面及び断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した。図4は、本例の電極の一部の表面を示す走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。また、図5は、本例の電極の図4に示す包囲線Vで囲んだ部分の断面を示す走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。更に、図6は、本例の電極の図5に示す包囲線VIで囲んだ表面近傍部分における断面を示す走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。
図4に示すように、本例の電極には、その表面に導電パス層材料粒子であるNi粒子からなり、複数のNi粒子同士が接合された構造を有する導電パス層8が形成されていることが分かる。また、図5に示すように、本例の電極においては、電極層2内に導電パス層材料粒子であるNi粒子が殆ど侵入しておらず、電極層2の表面に導電パス層8が形成されていることが分かる。更に、図6に示すように、本例の電極には、電極層の構成材料の一例である電極層材料粒子(YSZ粒子)2Aの表面上に導電パス層8が形成されていることが分かる。
In addition, about the electrode of this example, the surface and the cross section were observed with the scanning electron microscope (SEM). FIG. 4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a part of the surface of the electrode of this example. Further, FIG. 5 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a cross section of the part surrounded by the surrounding line V shown in FIG. 4 of the electrode of this example. Further, FIG. 6 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a cross section in the vicinity of the surface surrounded by the surrounding line VI shown in FIG. 5 of the electrode of this example.
As shown in FIG. 4, the electrode of this example is formed with a
そして、図7は、本例の電極の図6に示す包囲線VIIで囲んだ表面近傍部分における断面を模式的に示す説明図である。
図7に示すように、本例の電極においては、その表面に電極層2の構成材料の一例である電極層材料粒子(YSZ粒子)2Aの表面に導電パス層材料粒子であるNi粒子からなり、複数のNi粒子同士が接合された構造を有する導電パス層8が形成されており、電極層2と導電パス層8との間に電極層材料粒子の一例であるYSZ粒子2Aと導電パス層材料粒子であるNi粒子8Aとからなる中間層6が形成されている。
FIG. 7 is an explanatory view schematically showing a cross section in the vicinity of the surface of the electrode of this example surrounded by the encircling line VII shown in FIG.
As shown in FIG. 7, the electrode of this example is composed of Ni particles, which are conductive path layer material particles, on the surface of electrode layer material particles (YSZ particles) 2A, which is an example of the constituent material of the
また、本例の電極の図6に示す包囲線VIIで囲んだ表面近傍部分の断面について、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察すると共に、エネルギー分散型X線分析装置(EDX)によるマッピング元素分析を行った。図8(A)は、本例の電極の図6に示す包囲線VIIで囲んだ表面近傍部分の断面におけるエネルギー分散型X線分析装置(EDX)によるジルコニウム(Zr)のマッピング元素分析の結果である。なお、図8(A)においては、ジルコニウム(Zr)のマッピング元素分析の結果を示しているが、ジルコニウム(Zr)のみが含まれているのではない。電極層の構成材料の一例である電極層材料粒子(YSZ粒子)2Aが含まれていることについては、他の詳細な成分分析によって確認した。また、図8(B)は、本例の電極の図6に示す包囲線VIIで囲んだ表面近傍部分の断面におけるエネルギー分散型X線分析装置(EDX)によるニッケル(Ni)のマッピング元素分析の結果である。なお、図8(C)は、本例の電極の図6に示す包囲線VIIで囲んだ表面近傍部分の断面を示す走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。 In addition, the cross section of the vicinity of the surface surrounded by the surrounding line VII shown in FIG. 6 of the electrode of this example is observed with a scanning electron microscope (SEM), and mapping element analysis is performed with an energy dispersive X-ray analyzer (EDX). Went. FIG. 8A shows the result of elemental analysis of zirconium (Zr) mapping by the energy dispersive X-ray analyzer (EDX) in the cross section of the vicinity of the surface surrounded by the surrounding line VII shown in FIG. 6 of the electrode of this example. is there. In FIG. 8A, the result of the elemental mapping of zirconium (Zr) is shown, but not only zirconium (Zr) is included. It was confirmed by other detailed component analysis that the electrode layer material particles (YSZ particles) 2A, which is an example of the constituent material of the electrode layer, were included. FIG. 8B shows the mapping elemental analysis of nickel (Ni) by the energy dispersive X-ray analyzer (EDX) in the cross-section of the vicinity of the surface surrounded by the surrounding line VII shown in FIG. 6 of the electrode of this example. It is a result. Note that FIG. 8C is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a cross section of the vicinity of the surface surrounded by the surrounding line VII shown in FIG. 6 of the electrode of this example.
図8に示すように、本例の電極においては、電極層の構成材料であるYSZ粒子の表層上に導電性パス層材料粒子であるNi粒子からなる導電性パス層が形成されており、YSZ粒子と導電性パス層との間に電極層材料であるYSZと導電性パス層材料であるNiとからなる中間層が形成されていることが分かる。また、中間層の厚みは約0.1μmであり、非常に薄いことが確認できる。このように薄い中間層は、電極層と導電パス層との間の導電性を阻害しない。なお、中間層を構成する2種類の材料を用いて印刷法により中間層を作成する場合、2μm以下の薄い中間層を作成することは困難である。そして、印刷法により作成された厚い中間層は、電極層と導電パス層との間の導電性を阻害する抵抗要因となることがある。 As shown in FIG. 8, in the electrode of this example, a conductive path layer made of Ni particles as conductive path layer material particles is formed on the surface layer of YSZ particles as a constituent material of the electrode layer. It can be seen that an intermediate layer made of YSZ as the electrode layer material and Ni as the conductive path layer material is formed between the particles and the conductive path layer. Moreover, the thickness of the intermediate layer is about 0.1 μm, and it can be confirmed that it is very thin. Such a thin intermediate layer does not hinder the conductivity between the electrode layer and the conductive path layer. In addition, when producing an intermediate | middle layer by the printing method using two types of materials which comprise an intermediate | middle layer, it is difficult to produce a thin intermediate | middle layer below 2 micrometers. And the thick intermediate | middle layer produced by the printing method may become a resistance factor which inhibits the electroconductivity between an electrode layer and a conductive path layer.
更に、本例の電極の図6に示す包囲線VIIで囲んだ表面近傍部分の断面について、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察すると共に、エネルギー分散型X線分析装置(EDX)によるマッピング元素分析を行った。図9(A)は、本例の電極の図6に示す包囲線VIIで囲んだ表面近傍部分の断面を示す走査型電子顕微鏡(SEM)写真において、エネルギー分散型X線分析装置(EDX)による線分析位置を示す説明図である。図9(B)は、エネルギー分散型X線分析装置(EDX)による線分析の結果である。 Further, the cross section of the surface portion of the electrode surrounded by the enveloping line VII shown in FIG. 6 is observed with a scanning electron microscope (SEM), and mapping element analysis is performed with an energy dispersive X-ray analyzer (EDX). Went. FIG. 9A is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a cross section of the vicinity of the surface surrounded by the surrounding line VII shown in FIG. 6 of the electrode of this example, which is obtained by an energy dispersive X-ray analyzer (EDX). It is explanatory drawing which shows a line analysis position. FIG. 9B shows the result of line analysis using an energy dispersive X-ray analyzer (EDX).
図9に示すように、本例の電極においては、中間層が、その厚み方向においてa→bに導電パス層との距離が近づくにしたがって導電パス層材料の含有割合が増加する組成傾斜構造を有することが分かる。 As shown in FIG. 9, in the electrode of this example, the intermediate layer has a composition gradient structure in which the content ratio of the conductive path layer material increases as the distance from the conductive path layer approaches a → b in the thickness direction. It turns out that it has.
[性能評価]
(剥離抑制性能試験)
本例の電極について、剥離抑制性能試験を行った。具体的には、950℃で10時間焼成したときの焼成前後の導電パス層の状態を走査型電子顕微鏡(EDX)で観察した。図10(A)及び(B)は、それぞれ焼成前及び焼成後のYSZ粒子の表面に形成された導電パス層の状態を示す走査型電子顕微鏡(EDX)写真である。
[Performance evaluation]
(Peeling suppression performance test)
The electrode of this example was subjected to a peeling suppression performance test. Specifically, the state of the conductive path layer before and after firing at 950 ° C. for 10 hours was observed with a scanning electron microscope (EDX). FIGS. 10A and 10B are scanning electron microscope (EDX) photographs showing the state of the conductive path layer formed on the surface of the YSZ particles before and after firing, respectively.
図10に示すように、本例の電極においては、焼成後においても、電極層の構成材料の一例である電極層材料粒子(YSZ粒子)2Aから導電パス層8の剥離等は確認されなかった。
As shown in FIG. 10, in the electrode of this example, even after firing, peeling of the
(導電性能試験)
本例の電極について、750℃の還元雰囲気下で、集電体と固体電解質層側の電極層下端とに電流及び電圧を与える導電性能試験を行った。具体的には、電圧差を4V一定とし、一定電圧負荷における電流変化に対しての抵抗変化を測定した。得られた抵抗値から接触抵抗(ASR)を算出した。
本例の電極における抵抗値は、2.82×10−4Ωcm2であった。
(Conductive performance test)
The electrode of this example was subjected to a conductive performance test in which current and voltage were applied to the current collector and the lower end of the electrode layer on the solid electrolyte layer side in a reducing atmosphere at 750 ° C. Specifically, the voltage difference was fixed at 4 V, and the resistance change with respect to the current change at a constant voltage load was measured. The contact resistance (ASR) was calculated from the obtained resistance value.
The resistance value in the electrode of this example was 2.82 × 10 −4 Ωcm 2 .
(実施例2)
超音速成膜ノズルから最も遠い電極面にNi粒子が成膜できないように、Ni粒子を、乗せるガス流れ速度を半減させてガス溜まりを設けたこと以外は、実施例1と同様の操作を繰り返して、中間層及び導電パス層が電極層のリブの表面のみに形成して、本例の電極を得た。図11は、本例の電極を模式的に示す説明図である。図11に示すように、本例の電極1Aは、電極層2と集電体4とを備え、中間層6及び導電パス層8が電極層2のリブ2aの表面のみに形成されたものである。なお、成膜後、セルの重量増加分を測定し、Ni成膜重量を算出した結果、単位電極面積当たりのNi粒子成膜量は、実施例1と概ね同じであった。そのため、導電パス層の成膜部位違いの比較が可能であった。
(Example 2)
The same operation as in Example 1 was repeated except that a gas reservoir was provided by halving the gas flow rate of Ni particles so that Ni particles could not be deposited on the electrode surface farthest from the supersonic deposition nozzle. Thus, the intermediate layer and the conductive path layer were formed only on the surfaces of the ribs of the electrode layer to obtain the electrode of this example. FIG. 11 is an explanatory view schematically showing an electrode of this example. As shown in FIG. 11, the
[性能評価]
(導電性能試験)
本例の電極について、実施例1と同様の操作を繰り返して、接触抵抗(ASR)を算出した。
本例の電極における抵抗値は、3.05×10−4Ωcm2であった。
[Performance evaluation]
(Conductive performance test)
For the electrode of this example, the same operation as in Example 1 was repeated to calculate the contact resistance (ASR).
The resistance value in the electrode of this example was 3.05 × 10 −4 Ωcm 2 .
(比較例1)
まず、固体電解質層としての酸化イットリウムで安定化した酸化ジルコニウム(YSZ)板と、燃料極層材料としてのニッケル(Ni)及びYSZとを含む燃料極層材料スラリーと、導電パス層材料としてのニッケル(Ni)を含む導電パス層材料スラリーと、集電体としてのステンレスワイヤとを用意した。
(Comparative Example 1)
First, a zirconium oxide (YSZ) plate stabilized with yttrium oxide as a solid electrolyte layer, a fuel electrode layer material slurry containing nickel (Ni) and YSZ as a fuel electrode layer material, and nickel as a conductive path layer material A conductive path layer material slurry containing (Ni) and a stainless wire as a current collector were prepared.
次いで、固体電解質層上に、燃料極層材料スラリー及び導電パス層材料スラリーを用いた印刷法により電極層及び導電パス層を形成し、導電パス層上に集電体を設置して、本例の電極を得た。 Next, an electrode layer and a conductive path layer are formed on the solid electrolyte layer by a printing method using the fuel electrode layer material slurry and the conductive path layer material slurry, and a current collector is installed on the conductive path layer. Electrode was obtained.
更に、本例の電極の図6に示す包囲線VIIで囲んだ表面近傍部分と同様の位置の断面について、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察すると共に、エネルギー分散型X線分析装置(EDX)によるマッピング元素分析を行った。図12(A)は、本例の電極の図6に示す包囲線VIIで囲んだ表面近傍部分と同様の位置の断面を示す走査型電子顕微鏡(SEM)写真において、エネルギー分散型X線分析装置(EDX)による線分析位置を示す説明図である。図12(B)は、エネルギー分散型X線分析装置(EDX)による線分析の結果である。 Further, the cross section of the electrode in this example at the same position as the surface vicinity surrounded by the enveloping line VII shown in FIG. 6 is observed with a scanning electron microscope (SEM) and an energy dispersive X-ray analyzer (EDX). Mapping elemental analysis was performed. FIG. 12A is an energy dispersive X-ray analyzer in a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a cross-section at the same position as the surface vicinity portion surrounded by the enveloping line VII shown in FIG. 6 of the electrode of this example. It is explanatory drawing which shows the line analysis position by (EDX). FIG. 12B shows the results of line analysis using an energy dispersive X-ray analyzer (EDX).
図12に示すように、本例の電極においては、中間層自体が確認できなかった。 As shown in FIG. 12, in the electrode of this example, the intermediate layer itself could not be confirmed.
[性能評価]
(剥離抑制性能試験)
本例の電極について、実施例1と同様の操作を繰り返して、剥離抑制性能試験を行った。図13(A)及び(B)は、それぞれ焼成前及び焼成後のYSZ粒子の表面に形成された導電パス層の状態を示す走査型電子顕微鏡(EDX)写真である。
[Performance evaluation]
(Peeling suppression performance test)
About the electrode of this example, the same operation as Example 1 was repeated and the peeling suppression performance test was done. FIGS. 13A and 13B are scanning electron microscope (EDX) photographs showing the state of the conductive path layer formed on the surface of the YSZ particles before and after firing, respectively.
図13に示すように、本例の電極においては、焼成後においては、電極層の構成材料の一例である電極層材料粒子(YSZ粒子)2Aから導電パス層8の剥離が確認された。
As shown in FIG. 13, in the electrode of this example, peeling of the
(比較例2)
まず、固体電解質層としての酸化イットリウムで安定化した酸化ジルコニウム(YSZ)板と、燃料極層材料としてのニッケル(Ni)及びYSZとを含む燃料極層材料スラリーと、導電パス層材料としてのニッケル(Ni)及びYSZとを含む導電パス層材料スラリーと、集電体としてのステンレスワイヤとを用意した。
(Comparative Example 2)
First, a zirconium oxide (YSZ) plate stabilized with yttrium oxide as a solid electrolyte layer, a fuel electrode layer material slurry containing nickel (Ni) and YSZ as a fuel electrode layer material, and nickel as a conductive path layer material A conductive path layer material slurry containing (Ni) and YSZ and a stainless wire as a current collector were prepared.
次いで、固体電解質層上に、燃料極層材料スラリーを用いた印刷法により電極層を形成し、実施例1のリブ部に相当する部位に導電パス層材料スラリーを用いた印刷法により導電パス層を形成し、導電パス層上に集電体を設置して、本例の電極を得た。図14は、本例の電極を模式的に示す説明図である。図14に示すように、本例の電極1は、電極層2と集電体4とを備え、実施例1のリブ2aに相当する部位に、燃料極材料2Aと導電パス材料8Aとからなる導電パス層8が形成されたものである。なお、本例の導電パス層におけるニッケル(Ni)の含有量は、電極層におけるそもそものニッケル(Ni)の含有量に対して実施例1の導電パス層のニッケル(Ni)の含有量分を加えた量である。
Next, an electrode layer is formed on the solid electrolyte layer by a printing method using a fuel electrode layer material slurry, and a conductive path layer is formed by a printing method using a conductive path layer material slurry at a portion corresponding to the rib portion of Example 1. And a current collector was placed on the conductive path layer to obtain an electrode of this example. FIG. 14 is an explanatory view schematically showing an electrode of this example. As shown in FIG. 14, the
[性能評価]
(導電性能試験)
本例の電極について、実施例1と同様の操作を繰り返して、接触抵抗(ASR)を算出した。
本例の電極における抵抗値は、3.38×10−4Ωcm2であった。
[Performance evaluation]
(Conductive performance test)
For the electrode of this example, the same operation as in Example 1 was repeated to calculate the contact resistance (ASR).
The resistance value in the electrode of this example was 3.38 × 10 −4 Ωcm 2 .
本発明の範囲に属する実施例1,2の抵抗値は、本発明外の比較例2の抵抗値より低いことが分かる。これは、電流が導電パス層を優先的に流れることによって、集電体から電極層までの電極全体の抵抗が低減されたことを示している。また、実施例1,2の電極においては剥離抑制性能試験後において導電パス層の剥離が確認できなかったが、比較例1の電極においては剥離抑制性能試験後において導電パス層の剥離が確認された。実施例1,2の電極において剥離抑制性能試験後において導電パス層の剥離が抑制されたのは、中間層が有する組成傾斜構造によって、電極層と導電パス層の熱膨張差が緩和されたためと考えられる。 It can be seen that the resistance values of Examples 1 and 2 belonging to the scope of the present invention are lower than the resistance value of Comparative Example 2 outside the present invention. This indicates that the resistance of the entire electrode from the current collector to the electrode layer is reduced by the current flowing preferentially through the conductive path layer. Further, in the electrodes of Examples 1 and 2, peeling of the conductive path layer could not be confirmed after the peeling suppression performance test, but in the electrode of Comparative Example 1, peeling of the conductive path layer was confirmed after the peeling suppression performance test. It was. In the electrodes of Examples 1 and 2, the peeling of the conductive path layer was suppressed after the peeling suppression performance test because the difference in thermal expansion between the electrode layer and the conductive path layer was alleviated by the composition gradient structure of the intermediate layer. Conceivable.
以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。 As mentioned above, although this invention was demonstrated with some embodiment and an Example, this invention is not limited to these, A various deformation | transformation is possible within the range of the summary of this invention.
例えば、上述した各実施形態や各実施例に記載した構成は、実施形態毎や実施例毎に限定されるものではなく、例えば、各実施形態の電極層や中間層、導電パス層の構成を変更したり、各実施形態や各実施例の構成を上述した各実施形態や各実施例以外の組み合わせにしたりすることができる。 For example, the configuration described in each embodiment and each example described above is not limited to each embodiment or each example. For example, the configuration of the electrode layer, the intermediate layer, and the conductive path layer in each embodiment is the same. The configuration of each embodiment or each example can be changed to a combination other than each embodiment or each example described above.
また、例えば、上述の実施例においては、中間層及び導電パス層を設ける電極層として燃料極層を例示して説明したが、本発明は、中間層及び導電パス層を設ける電極層として空気極層を選択することもでき、図示しないが、このような場合も本発明の範囲に含まれる。 Further, for example, in the above-described embodiments, the fuel electrode layer has been illustrated and described as the electrode layer on which the intermediate layer and the conductive path layer are provided. A layer can also be selected, and although not shown, such a case is also included in the scope of the present invention.
1,1A,1B 電極
1’ 電極前駆体
2 電極層
2A 電極層材料粒子
2a リブ
4 集電体
6 中間層
8 導電パス層
8A 導電パス層材料粒子
10 固体電解質層
N 超音速製膜ノズル
p 導電パス層材料粒子
1, 1A, 1B Electrode 1 '
Claims (7)
上記電極層の上記固体電解質層が配設される側と該電極層を挟んで反対側であって、該電極層に接して配設される集電体と、を具備し、
上記電極層の上記集電体が配設される側の少なくとも一部の表面に配設され、該電極層の導電性と同等の導電性を有する材料及び該電極層の導電性より高い導電性を有する材料の少なくとも一方の導電パス層材料からなる複数の導電パス層材料粒子からなり、該導電パス層材料粒子同士が接合された構造を有する導電パス層と、
上記電極層と上記導電パス層との間に配設され、該電極層を形成する電極層材料と上記導電パス層材料とからなる中間層と、を備え、
上記中間層が、該中間層の厚み方向において上記導電パス層との距離が近づくにしたがって上記導電パス層材料の含有割合が増加する組成傾斜構造を有する
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用電極。 An electrode layer disposed in contact with the solid electrolyte layer;
A side of the electrode layer on which the solid electrolyte layer is disposed and a current collector disposed on and in contact with the electrode layer on the opposite side of the electrode layer ;
A material having a conductivity equivalent to the conductivity of the electrode layer and a conductivity higher than the conductivity of the electrode layer, disposed on at least a part of the surface of the electrode layer on the side where the current collector is disposed A conductive path layer comprising a plurality of conductive path layer material particles made of at least one of the conductive path layer materials, and having a structure in which the conductive path layer material particles are joined together;
An intermediate layer that is disposed between the electrode layer and the conductive path layer and includes the electrode layer material forming the electrode layer and the conductive path layer material;
The solid oxide fuel cell, wherein the intermediate layer has a composition gradient structure in which the content ratio of the conductive path layer material increases as the distance from the conductive path layer decreases in the thickness direction of the intermediate layer Electrode.
上記電極層の上記固体電解質層が配設される側と該電極層を挟んで反対側に接して配設される集電体と、を具備し、
上記電極層の上記集電体が配設される側の少なくとも一部の表面に配設され、該電極層の導電性と同等の導電性を有する材料及び該電極層の導電性より高い導電性を有する材料の少なくとも一方の導電パス層材料からなる複数の導電パス層材料粒子からなり、該導電パス層材料粒子同士が接合された構造を有する導電パス層と、
上記電極層と上記導電パス層との間に配設され、該電極層を形成する電極層材料と上記導電パス層材料とからなる中間層と、を備え、
上記中間層が、該中間層の厚み方向において上記導電パス層との距離が近づくにしたがって上記導電パス層材料の含有割合が増加する組成傾斜構造を有し、
上記中間層が、上記電極層材料を構成する少なくとも1種の成分元素と上記導電パス層材料を構成する少なくとも1種の成分元素とを含有する複合材料を含まない
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用電極。 An electrode layer disposed in contact with the solid electrolyte layer;
A side of the electrode layer on which the solid electrolyte layer is disposed and a current collector disposed on and in contact with the opposite side of the electrode layer;
A material having a conductivity equivalent to the conductivity of the electrode layer and a conductivity higher than the conductivity of the electrode layer, disposed on at least a part of the surface of the electrode layer on the side where the current collector is disposed A conductive path layer comprising a plurality of conductive path layer material particles made of at least one of the conductive path layer materials, and having a structure in which the conductive path layer material particles are joined together;
An intermediate layer that is disposed between the electrode layer and the conductive path layer and includes the electrode layer material forming the electrode layer and the conductive path layer material;
The intermediate layer has a composition gradient structure in which the content ratio of the conductive path layer material increases as the distance from the conductive path layer decreases in the thickness direction of the intermediate layer,
The intermediate layer is a solid body you characterized by not containing a composite material containing at least one component element constituting at least one component element and the conductive path layer material forming the electrode layer material Oxide fuel cell electrode.
上記電極層の上記固体電解質層が配設される側と該電極層を挟んで反対側に接して配設される集電体と、を具備し、
上記電極層の上記集電体が配設される側の少なくとも一部の表面に配設され、該電極層の導電性と同等の導電性を有する材料及び該電極層の導電性より高い導電性を有する材料の少なくとも一方の導電パス層材料からなる複数の導電パス層材料粒子からなり、該導電パス層材料粒子同士が接合された構造を有する導電パス層と、
上記電極層と上記導電パス層との間に配設され、該電極層を形成する電極層材料と上記導電パス層材料とからなる中間層と、を備え、
上記中間層が、該中間層の厚み方向において上記導電パス層との距離が近づくにしたがって上記導電パス層材料の含有割合が増加する組成傾斜構造を有し、
上記中間層の厚みが、0.1〜2μmである
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用電極。 An electrode layer disposed in contact with the solid electrolyte layer;
A side of the electrode layer on which the solid electrolyte layer is disposed and a current collector disposed on and in contact with the opposite side of the electrode layer;
A material having a conductivity equivalent to the conductivity of the electrode layer and a conductivity higher than the conductivity of the electrode layer, disposed on at least a part of the surface of the electrode layer on the side where the current collector is disposed A conductive path layer comprising a plurality of conductive path layer material particles made of at least one of the conductive path layer materials, and having a structure in which the conductive path layer material particles are joined together;
An intermediate layer that is disposed between the electrode layer and the conductive path layer and includes the electrode layer material forming the electrode layer and the conductive path layer material;
The intermediate layer has a composition gradient structure in which the content ratio of the conductive path layer material increases as the distance from the conductive path layer decreases in the thickness direction of the intermediate layer,
The thickness of the intermediate layer is a solid body oxide fuel cell electrode you being a 0.1-2 .mu.m.
ことを特徴とする請求項1又は3に記載の固体酸化物形燃料電池用電極。 2. The intermediate layer does not include a composite material containing at least one component element constituting the electrode layer material and at least one component element constituting the conductive path layer material. Or an electrode for a solid oxide fuel cell as described in 3;
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の固体酸化物形燃料電池用電極。 3. The solid oxide fuel cell electrode according to claim 1, wherein the intermediate layer has a thickness of 0.1 to 2 [mu] m.
電極層の少なくとも一部の表面に、該電極層の導電性と同等の導電性を有する材料及び該電極層の導電性より高い導電性を有する材料の少なくとも一方の導電パス層材料からなる導電パス層材料粒子を衝突させることにより中間層と導電パス層とを形成する
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用電極の製造方法。 In producing the electrode for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 5 ,
A conductive path comprising at least one conductive path layer material of a material having conductivity equivalent to that of the electrode layer and a material having conductivity higher than that of the electrode layer on at least a part of the surface of the electrode layer A method for producing an electrode for a solid oxide fuel cell, comprising forming an intermediate layer and a conductive path layer by colliding layer material particles.
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