JP2005276683A - Fuel electrode, electrochemical cell and method of manufacturing fuel electrode - Google Patents
Fuel electrode, electrochemical cell and method of manufacturing fuel electrode Download PDFInfo
- Publication number
- JP2005276683A JP2005276683A JP2004089546A JP2004089546A JP2005276683A JP 2005276683 A JP2005276683 A JP 2005276683A JP 2004089546 A JP2004089546 A JP 2004089546A JP 2004089546 A JP2004089546 A JP 2004089546A JP 2005276683 A JP2005276683 A JP 2005276683A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel electrode
- nickel
- powder
- zirconia
- solid electrolyte
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
Abstract
Description
本発明は、電気化学セル用の燃料極およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel electrode for an electrochemical cell and a method for producing the same.
固体電解質型燃料電池は、いわゆる平板型と円筒型とに大別される。平板型の固体電解質型燃料電池においては、いわゆるセパレータと発電層とを交互に積層することにより、発電用のスタックを構成する。即ち、固体電解質膜に燃料極と空気極とをそれぞれ形成して発電層を作製し、またインターコネクターを作製し、この発電層とインターコネクターとの間に、セラミックス粉末と有機バインダーとを含有する薄膜を挟み、これを熱処理することにより、発電層とインターコネクターとを接合する。 Solid oxide fuel cells are roughly classified into so-called flat plate types and cylindrical types. In a flat type solid oxide fuel cell, a stack for power generation is configured by alternately stacking so-called separators and power generation layers. That is, a fuel electrode and an air electrode are respectively formed on a solid electrolyte membrane to produce a power generation layer, and an interconnector is prepared, and ceramic powder and an organic binder are contained between the power generation layer and the interconnector. The power generation layer and the interconnector are joined by sandwiching the thin film and heat-treating the thin film.
しかし、固体電解質型燃料電池に使われているニッケル−ジルコニア燃料極の熱膨張率は、固体電解質の熱膨張率よりも大きいため、熱サイクルを繰り返すと割れる。また、還元雰囲気に曝されると気孔率が大きいため、強度が低いことにより、熱膨張差による変形が生じる。このため熱膨張との整合性をとるため、ジルコニアにかわる材料としてニッケルアルミニウム複合酸化物、マグネシウムアルミニウム複合酸化物などのスピネルを使用することによって熱膨張率を合わせている。また、ニッケルの焼結防止のためジルコニア、ニッケルアルミニウム複合酸化物、マグネシウムアルミニウム複合酸化物などを混ぜている。 However, since the thermal expansion coefficient of the nickel-zirconia fuel electrode used in the solid oxide fuel cell is larger than the thermal expansion coefficient of the solid electrolyte, it breaks when the thermal cycle is repeated. Further, since the porosity is large when exposed to a reducing atmosphere, deformation due to a difference in thermal expansion occurs due to low strength. For this reason, in order to maintain consistency with thermal expansion, the thermal expansion coefficient is adjusted by using spinel such as nickel aluminum composite oxide or magnesium aluminum composite oxide as a material replacing zirconia. In addition, zirconia, nickel aluminum composite oxide, magnesium aluminum composite oxide, etc. are mixed to prevent nickel sintering.
例えば、燃料極の材質として、ニッケル−イットリア安定化ジルコニア−ニッケルスピネル混合物を使用することが、特許文献1、2、3に記載されている。
特に特許文献1においては、例えば比表面積0.23m2/gの酸化ニッケル粉末60体積%、比表面積14.3m2/gの3mol%イットリア安定化ジルコニア粉末10体積%、およびアルミナ粉末30体積%の混合物を成形し、1450℃で3時間焼成している(0014)(10015)。
Particularly in
しかし、特許文献1〜3記載のようなSOFCでは、場合によっては発電性能を高くすることが難しく、十分な発電性能が得られないことがあった。これは、燃料極と固体電解質との界面に沿った発電に寄与しうる反応の場(三相界面)の生成が少なく、このために発電への寄与が十分ではないためと思われる。
However, in SOFCs as described in
本発明の課題は、燃料極と固体電解質との熱膨張率の相違による割れを防止できる組成系において、更に電気化学セルの稼働効率を向上させ得るようにすることである。 An object of the present invention is to further improve the operating efficiency of an electrochemical cell in a composition system that can prevent cracking due to a difference in thermal expansion coefficient between a fuel electrode and a solid electrolyte.
第一の態様に係る発明は、ニッケルを30〜40容積%、ジルコニアを25〜40体積%、およびニッケルアルミニウム複合酸化物を25〜40体積%を含むことを特徴とする、燃料極用材料に係るものである。 The invention according to the first aspect is a fuel electrode material comprising 30 to 40% by volume of nickel, 25 to 40% by volume of zirconia, and 25 to 40% by volume of nickel aluminum composite oxide. It is concerned.
また、本発明は、前記燃料極用材料を含むことを特徴とする、燃料極に係るものであり、また、前記燃料極、固体電解質層および空気極を備えていることを特徴とする、電気化学セルに係るものである。 In addition, the present invention relates to a fuel electrode characterized by including the fuel electrode material, and further comprising the fuel electrode, a solid electrolyte layer, and an air electrode. It concerns chemical cells.
第二の態様に係る発明は、平均粒径1.0μm以下の酸化ニッケル粉末、平均粒径1.0μm以下のジルコニア粉末および平均粒径1.0μm以下のアルミナ粉末を混合し、焼結させることを特徴とする、燃料極材料の製造方法に係るものである。 In the invention according to the second aspect, nickel oxide powder having an average particle diameter of 1.0 μm or less, zirconia powder having an average particle diameter of 1.0 μm or less, and alumina powder having an average particle diameter of 1.0 μm or less are mixed and sintered. The present invention relates to a method for producing a fuel electrode material.
第一の態様に係る発明によれば、電解質面近傍に、ニッケル、ジルコニアおよびニッケルアルミニウム複合酸化物を前述の割合で混合した燃料極用材料を配置し、接触させることによって、三相界面が増加し、また、充分な導電率を確保できるため発電に寄与しうる実効の三相界面も増加するため、電気化学セルの稼働効率が著しく向上する。 According to the invention according to the first aspect, the three-phase interface is increased by arranging and contacting the fuel electrode material in which nickel, zirconia and nickel aluminum composite oxide are mixed in the above-described ratio in the vicinity of the electrolyte surface. In addition, since the sufficient electrical conductivity can be ensured, the effective three-phase interface that can contribute to power generation also increases, so that the operation efficiency of the electrochemical cell is remarkably improved.
第二の態様に係る発明によれば、平均粒径1.0μm以下の酸化ニッケル粉末、平均粒径1.0μm以下のジルコニア粉末および平均粒径1.0μm以下のアルミナ粉末を混合し、焼結させる。このように、微細なニッケル粉末、ジルコニア粉末、アルミナ粉末を出発原料とすることで、ニッケルアルミニウム複合酸化物の生成時に、ニッケルアルミニウム複合酸化物相、ジルコニア相およびニッケル相が細かい粒子として均一に析出する。これによって三相界面が増加し、セルの稼働効率が向上するのと共に、固体電解質と燃料極との熱膨張率を合わせることが容易となる。 According to the second aspect of the invention, a nickel oxide powder having an average particle size of 1.0 μm or less, a zirconia powder having an average particle size of 1.0 μm or less, and an alumina powder having an average particle size of 1.0 μm or less are mixed and sintered. Let In this way, by using fine nickel powder, zirconia powder, and alumina powder as starting materials, the nickel aluminum composite oxide phase, zirconia phase, and nickel phase are uniformly deposited as fine particles when the nickel aluminum composite oxide is produced. To do. As a result, the three-phase interface is increased, the operating efficiency of the cell is improved, and the thermal expansion coefficients of the solid electrolyte and the fuel electrode can be easily matched.
第一の態様に係る発明において、ニッケルの割合は30〜40容積%であるが、35体積%以上であることが一層好ましい。まだジルコニアの割合は25〜40体積%であるが、30体積%以上であることが更に好ましい。また、ニッケルアルミニウム複合酸化物の割合は25〜40体積%であるが、30体積%以上であることが更に好ましい。 In the invention according to the first aspect, the proportion of nickel is 30 to 40% by volume, more preferably 35% by volume or more. The proportion of zirconia is still 25 to 40% by volume, more preferably 30% by volume or more. Moreover, although the ratio of nickel aluminum complex oxide is 25-40 volume%, it is still more preferable that it is 30 volume% or more.
本発明の燃料極は、全部または一部が本発明の燃料極用材料からなっている。ここで、好適な実施形態においては、燃料極のうち少なくとも固体電解質に接する部分が本発明の燃料極用材料からなっている。例えば、燃料極の全体が本発明の燃料極用材料からなっていてよく、あるいは燃料極が、本発明の燃料極用材料からなる第一の燃料極層と、他の材料からなる第二の燃料極層とを備えていてよい。 The fuel electrode of the present invention is entirely or partially made of the fuel electrode material of the present invention. Here, in a preferred embodiment, at least a portion of the fuel electrode that contacts the solid electrolyte is made of the fuel electrode material of the present invention. For example, the entire fuel electrode may be made of the fuel electrode material of the present invention, or the fuel electrode is made of a first fuel electrode layer made of the fuel electrode material of the present invention and a second electrode made of another material. And a fuel electrode layer.
本発明の燃料極用材料を構成するジルコニアは、ZrO2に他の金属酸化物を添加した酸化物である。こうした他の金属酸化物としては、希土類元素が好ましく、酸化ネオジム(Nd2O3)、酸化サマリウム(Sm2O3)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化ガドリニウム(Gd2O3)、酸化スカンジウム(Sc2O3)が特に好ましい。 Zirconia constituting the fuel electrode material of the present invention is an oxide obtained by adding another metal oxide to ZrO 2 . As such other metal oxides, rare earth elements are preferable, neodymium oxide (Nd 2 O 3 ), samarium oxide (Sm 2 O 3 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), gadolinium oxide (Gd 2 O 3 ), Scandium oxide (Sc 2 O 3 ) is particularly preferred.
このジルコニア中の他の金属元素の比率は、12mol%以下であることが好ましく、10mol%以下であることが特に好ましい。また、このジルコニア中の他の金属元素の比率は、2mol%以上であることが好ましく、3mol%以上であることが特に好ましい。特に好ましくは、ジルコニアが、3〜10mol%イットリア安定化ジルコニアである。 The ratio of other metal elements in the zirconia is preferably 12 mol% or less, and particularly preferably 10 mol% or less. The ratio of other metal elements in the zirconia is preferably 2 mol% or more, and particularly preferably 3 mol% or more. Particularly preferably, the zirconia is 3 to 10 mol% yttria stabilized zirconia.
本発明の電気化学セルは、固体電解質型燃料電池、酸素ポンプ、高温水蒸気電解セルとして使用できる。高温水蒸気電解セルは、水素の製造装置に使用でき、また水蒸気の除去装置に使用できる。この場合には、各電極で次の反応を生じさせる。
陰極:H2O+2e−→H2+O2−
陽極:O2− →2e−+1/2O2
The electrochemical cell of the present invention can be used as a solid oxide fuel cell, an oxygen pump, and a high temperature steam electrolysis cell. The high-temperature steam electrolysis cell can be used for a hydrogen production apparatus and a steam removal apparatus. In this case, the following reaction is caused at each electrode.
Cathode: H 2 O + 2e − → H 2 + O 2−
Anode: O 2− → 2e − + 1 / 2O 2
また、電気化学セルを、NOx、SOxの分解セルとして使用できる。この分解セルは、自動車、発電装置からの排ガスの浄化装置として使用できる。また、好適な実施形態では、電気化学セルが、固体電解質型燃料電池である。 Moreover, an electrochemical cell can be used as a decomposition cell for NOx and SOx. This decomposition cell can be used as a purification device for exhaust gas from automobiles and power generation devices. In a preferred embodiment, the electrochemical cell is a solid oxide fuel cell.
固体電解質として使用することのできる材料は、イオン導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、以下を例示できる。
酸化ネオジム(Nd2O3)、酸化サマリウム(Sm2O3)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化ガドリニウム(Gd2O3)、酸化カルシウム(CaO)などを固溶した安定化ジルコニアおよび部分安定化ジルコニア。
酸化ネオジム(Nd2O3)、酸化サマリウム(Sm2O3)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化ガドリニウム(Gd2O3)などを固溶したセリア(CeO2)。
Sr、Mgなどを固溶したランタンガレート(LaGaO3)。
Although the material which can be used as a solid electrolyte will not be specifically limited if it has ionic conductivity, The following can be illustrated.
Stabilized zirconia in which neodymium oxide (Nd 2 O 3 ), samarium oxide (Sm 2 O 3 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), gadolinium oxide (Gd 2 O 3 ), calcium oxide (CaO) and the like are dissolved Partially stabilized zirconia.
Ceria (CeO 2 ) in which neodymium oxide (Nd 2 O 3 ), samarium oxide (Sm 2 O 3 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), gadolinium oxide (Gd 2 O 3 ), and the like are dissolved.
Lanthanum gallate (LaGaO 3 ) in which Sr, Mg and the like are dissolved.
空気極の材質は、ランタンを含有するペロブスカイト型複合酸化物であることが好ましく、ランタンマンガナイト又はランタンコバルタイトであることが更に好ましく、ランタンマンガナイトが一層好ましい。ランタンマンガナイトは、ストロンチウム、カルシウム、クロム、コバルト、鉄、ニッケル、アルミニウム等をドープしたものであってよい。また、パラジウム、白金、ルテニウム、白金−ジルコニアサーメット、パラジウム−ジルコニアサーメット、ルテニウム−ジルコニアサーメット、白金−酸化セリウムサーメット、パラジウム−酸化セリウムサーメット、ルテニウム−酸化セリウムサーメットであってもよい。 The material of the air electrode is preferably a perovskite complex oxide containing lanthanum, more preferably lanthanum manganite or lanthanum cobaltite, and even more preferably lanthanum manganite. Lanthanum manganite may be doped with strontium, calcium, chromium, cobalt, iron, nickel, aluminum or the like. Further, palladium, platinum, ruthenium, platinum-zirconia cermet, palladium-zirconia cermet, ruthenium-zirconia cermet, platinum-cerium oxide cermet, palladium-cerium oxide cermet, ruthenium-cerium oxide cermet may be used.
固体電解質と接する第一の燃料極層を本発明の燃料極用材料によって形成し、これと別の材質によって第二の燃料極層を形成する場合には、第二の燃料極層の材質は特に限定されない。例えば、金属や、金属粒子と固体電解質粒子との混合粉末または、金属粒子と複合酸化物との混合粉末の焼結体を使用できる。 When the first fuel electrode layer in contact with the solid electrolyte is formed of the fuel electrode material of the present invention and the second fuel electrode layer is formed of a material different from this, the material of the second fuel electrode layer is There is no particular limitation. For example, a sintered body of metal, mixed powder of metal particles and solid electrolyte particles, or mixed powder of metal particles and composite oxide can be used.
このような金属としては、ニッケル、パラジウム、白金、ルテニウム、およびこれらの合金が好ましい。しかし、第一の燃料極層との熱膨張率の適合性や耐久性の点から、金属粒子と固体電解質粒子との混合粉末または、金属粒子と複合酸化物との混合粉末の焼結体を使用することが特に好ましい。このような金属粒子としては、ニッケル、パラジウム、白金、ルテニウム、およびこれらの合金からなる粒子が特に好ましい。また、固体電解質粒子としては、ジルコニア、セリアを例示できる。特に好ましくは金属粒子がニッケルからなり、固体電解質粒子が安定化または部分安定化ジルコニアからなる。また、金属粒子がニッケルからなり複合酸化物粒子としてニッケルアルミニウム複合酸化物からなる焼結体を使用することが好ましい。 As such a metal, nickel, palladium, platinum, ruthenium, and alloys thereof are preferable. However, from the viewpoint of compatibility and durability of the thermal expansion coefficient with the first fuel electrode layer, a sintered powder of a mixed powder of metal particles and solid electrolyte particles or a mixed powder of metal particles and composite oxide is used. It is particularly preferred to use it. As such metal particles, particles made of nickel, palladium, platinum, ruthenium, and alloys thereof are particularly preferable. Examples of solid electrolyte particles include zirconia and ceria. Particularly preferably, the metal particles are made of nickel, and the solid electrolyte particles are made of stabilized or partially stabilized zirconia. Moreover, it is preferable to use a sintered body in which the metal particles are made of nickel and the composite oxide particles are made of nickel aluminum composite oxide.
以下、電気化学セルの好適な製造プロセスを中心として、第一および第二の態様に係る発明を更に詳細に説明する。 Hereinafter, the invention according to the first and second aspects will be described in more detail with a focus on a preferable manufacturing process of the electrochemical cell.
図1、図2は、本発明の電気化学セル用基板を製造するのに適した製造プロセスの各工程を示す。図3(a)、(b)は、本発明の一実施形態に係る電気化学セル12およびセル用基板7を示す図である。
1 and 2 show the steps of a production process suitable for producing the electrochemical cell substrate of the present invention. FIGS. 3A and 3B are views showing the
図1(a)に示すように、第二の燃料極層用グリーン成形体5の主面5a上に、第一の燃料極層用の塗布層15を形成する。次いで、図1(b)に示すように、塗布層15上に、固体電解質膜のグリーン成形体3を積層し、この上に樹脂シート4を積層する。5bはグリーン成形体5の主面であり、5cは側面である。グリーン成形体5、3、樹脂シート4の積層体2の全体を被膜1によって被覆し、コールドアイソスタティックプレスに供する。これによって、積層体2の全表面にわたって均一な圧力が加わる。
As shown in FIG. 1 (a), a
あるいは、図1(c)に示すように、固体電解質膜のグリーン成形体3上に第一の燃料極層用塗布層15を成膜し、次いで成形体3および塗布層15を第二の燃料極層用グリーン成形体5に対して積層し、これをコールドアイソスタティックプレスに供することができる。
Alternatively, as shown in FIG. 1C, the first fuel electrode
この例では、第二の態様に係る発明においては、平均粒径1.0μm以下の酸化ニッケル粉末、平均粒径1.0μm以下のジルコニア粉末および平均粒径1.0μm以下のアルミナ粉末を混合し、塗布層15を作製する。
In this example, in the invention according to the second aspect, nickel oxide powder having an average particle diameter of 1.0 μm or less, zirconia powder having an average particle diameter of 1.0 μm or less, and alumina powder having an average particle diameter of 1.0 μm or less are mixed. The
本発明の観点からは、酸化ニッケル粉末の平均粒径は0.8μm以下とすることが好ましく、0.6μm以下とすることが一層好ましい。この下限は特にないが、実用的には例えば0.05μm以上である。 From the viewpoint of the present invention, the average particle diameter of the nickel oxide powder is preferably 0.8 μm or less, and more preferably 0.6 μm or less. Although there is no particular lower limit, it is practically, for example, 0.05 μm or more.
本発明の観点からは、ジルコニア粉末の平均粒径は0.8μm以下とすることが好ましく、0.6μm以下とすることが一層好ましい。この下限は特にないが、実用的には例えば0.05μm以上である。 From the viewpoint of the present invention, the average particle size of the zirconia powder is preferably 0.8 μm or less, and more preferably 0.6 μm or less. Although there is no particular lower limit, it is practically, for example, 0.05 μm or more.
本発明の観点からは、アルミナ粉末の平均粒径は0.8μm以下とすることが好ましく、0.6μm以下とすることが一層好ましい。この下限は特にないが、実用的には例えば0.05μm以上である。 From the viewpoint of the present invention, the average particle size of the alumina powder is preferably 0.8 μm or less, and more preferably 0.6 μm or less. Although there is no particular lower limit, it is practically, for example, 0.05 μm or more.
次いで、得られた加圧成形体から被膜1を剥離し、図2(a)に示す積層体6を得る。次いで、加圧成形体6から樹脂シート4を剥離させ、加圧成形体6を焼結させ、図2(b)に示す電気化学セル用基板7を得る。基板7は、第二の燃料極層8と、固体電解質膜9と、第二の燃料極層8と固体電解質膜9との界面に沿って形成されている第一の燃料極層16とからなる。
Next, the
電気化学セルを製造する際には、例えば図3(a)に示すように、電気化学セル用基板7の固体電解質層9の表面に,空気極用成形体10を設ける。そして、この成形体10を焼結させることによって、図3(b)に示すように、空気極11を形成し、電気化学セル12を得る。
When the electrochemical cell is manufactured, for example, as shown in FIG. 3A, an air electrode molded
あるいは、図3(c)に示すように、燃料極20を単一層とし、燃料極20の全体を本発明の燃料極用材料から作製することができる。
Or as shown in FIG.3 (c), the
燃料極用グリーン成形体や燃料極層用塗布層は、各原料に、有機バインダーと造孔材と水とを混合した混合物からなることが好ましい。この有機バインダーとしては、ポリメチルアクリレート、ニトロセルロース、ポリビニルアルコール、ポリビニールブチラール、メチルセルロース、エチルセルロース、スターチ、ワックス、アクリル酸ポリマー、メタクリル酸ポリマー等を例示することができる。主原料の重量を100重量部としたとき、有機バインダーの添加量は0.5〜5重量部とすることが好ましい。 The green molded body for the fuel electrode and the coating layer for the fuel electrode layer are preferably composed of a mixture in which each raw material is mixed with an organic binder, a pore former, and water. Examples of the organic binder include polymethyl acrylate, nitrocellulose, polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, methyl cellulose, ethyl cellulose, starch, wax, acrylic acid polymer, and methacrylic acid polymer. When the weight of the main raw material is 100 parts by weight, the addition amount of the organic binder is preferably 0.5 to 5 parts by weight.
燃料極用グリーン成形体の成形方法は限定されず、ドクターブレード法、スリップキャスト法、押出成形法、金型プレス成形法など、通常のセラミック成型技術であってよい。燃料極用塗布層の形成方法は限定されず,スクリーン印刷法、ドクターブレード法、スラリーディップ法、スピンコート法、ディップコート法、キャスティング法など公知の膜形成方法が好ましい。 The method for forming the green molded body for the fuel electrode is not limited, and may be an ordinary ceramic molding technique such as a doctor blade method, a slip casting method, an extrusion molding method, or a die press molding method. The method for forming the fuel electrode coating layer is not limited, and a known film forming method such as a screen printing method, a doctor blade method, a slurry dipping method, a spin coating method, a dip coating method, or a casting method is preferable.
固体電解質膜のグリーン成形体の成形方法は限定されず、ドクターブレード法、ディップ法、押出成形法など、通常のセラミック成形技術であってよい。ドクターブレード法で成形した場合は上記バインダーの他可塑剤としてポリエチレングリコール、ポリアルキレングリコール、ジブチルフタレート等、解膠剤としてグリセリン、オレイン酸、ソルビタントリオール等、溶媒としてトルエン、エタノール、ブタノール等を用いると好ましい。 The method for forming the green molded body of the solid electrolyte membrane is not limited, and may be an ordinary ceramic forming technique such as a doctor blade method, a dip method, or an extrusion method. When molded by the doctor blade method, polyethylene glycol, polyalkylene glycol, dibutyl phthalate, etc. as plasticizers other than the above binder, glycerin, oleic acid, sorbitan triol, etc. as peptizers, toluene, ethanol, butanol etc. as solvents preferable.
固体電解質膜のグリーン成形体は、固体電解質膜の主原料に、有機バインダーと水または有機溶媒とを混合した混合物を成形した成形体が好ましい。この有機バインダーとしては、前述のものを使用できる。この主原料の重量を100重量部としたとき、有機バインダーの添加量は0.5〜20重量部とすることが好ましい。 The green molded body of the solid electrolyte membrane is preferably a molded body obtained by molding a mixture of an organic binder and water or an organic solvent into the main raw material of the solid electrolyte membrane. As the organic binder, those described above can be used. When the weight of the main raw material is 100 parts by weight, the amount of the organic binder added is preferably 0.5 to 20 parts by weight.
積層体をコールドアイソスタティックプレスする際の圧力は、積層体の各グリーン成形体の密着性を高めるという観点から、500kgf/cm2以上、更には1000kgf/cm2以上とすることが好ましく、加圧力の上限は、実用的には10tf/cm2以下とすることができる。焼成温度は、通常は1000℃〜1500℃とする。 The pressure at the time of cold isostatic pressing the stack, from the viewpoint of enhancing the adhesion of each green body of the laminate, 500 kgf / cm 2 or more, more preferably to 1000 kgf / cm 2 or more, pressure Is practically 10 tf / cm 2 or less. The firing temperature is usually 1000 ° C to 1500 ° C.
(実験1)
図1、図2を参照しつつ説明した手順に従って、図3(b)に示す電気化学セル12を作製した。
(Experiment 1)
The
(固体電解質用成形体3の製造)
ナイロン製ポリ容器にボール径10mmのアルミナボールを入れ、3モルイットリア添加ジルコニア(3YSZ)100重量部と溶媒としてトルエン20重量部、エタノール11重量部、ブタノール2重量部を添加してミルの回転数60rpmでボールミル混合をした。その後、この混合物にポリビニルブチラール8重量部、ジブチルフタレート3重量部、トルエン26重量部とエタノール15重量部を加え、ボールミル混合をした。得られたスラリーをドクターブレード法によりポリエチレンテレフタレート製のシート(厚さ100μm)上(樹脂シート4)にシート成形を行い、幅50mm厚さ20μmの3mol%イットリア添加ジルコニア(3YSZ)のグリーン成形体3(固体電解質膜用の成形体)を作製した。
(Manufacture of molded
Put an alumina ball with a ball diameter of 10 mm in a nylon plastic container, add 100 parts by weight of 3 mol yttria-added zirconia (3YSZ), 20 parts by weight of toluene, 11 parts by weight of ethanol, and 2 parts by weight of butanol as the rotation speed of the mill. Ball mill mixing was performed at 60 rpm. Thereafter, 8 parts by weight of polyvinyl butyral, 3 parts by weight of dibutyl phthalate, 26 parts by weight of toluene and 15 parts by weight of ethanol were added to this mixture, followed by ball mill mixing. The obtained slurry was subjected to sheet molding on a polyethylene terephthalate sheet (100 μm thick) (resin sheet 4) by a doctor blade method, and a green molded
(第一の燃料極層用塗布層15の製造)
酸化ニッケル粉末と8mol%イットリア安定化ジルコニア(8YSZ)粉末とアルミナ粉末を原料とする塗布層は、焼成後、発電時の還元によってニッケル−8YSZ−ニッケルアルミニウム複合酸化物組成の複合材料となる。
平均粒径0.6μm(比表面積6.1m2/g)の酸化ニッケル粉末と平均粒径0.5μm(比表面積8m2/g)の8YSZ粉末と平均粒径0.6μm(比表面積6.8m2/g)のアルミナ粉末を表1に示す組成になるように秤量後、混合した粉末に有機バインダーおよび溶媒を添加してアルミナ乳鉢で混合し、ペースト化した。その後、固体電解質膜用成形体3上にスクリーン印刷をし、第一の燃料極層用塗布層15を形成した。このときのスクリーン印刷の成膜厚さは15μmであった。
(Manufacture of first fuel electrode layer coating layer 15)
The coating layer using nickel oxide powder, 8 mol% yttria stabilized zirconia (8YSZ) powder and alumina powder as raw materials becomes a composite material having a nickel-8YSZ-nickel aluminum composite oxide composition by reduction during power generation after firing.
8YSZ powder and the average particle size 0.6 .mu.m in average particle size 0.6 .mu.m (specific surface area 6.1 m 2 / g) nickel oxide powder and the average particle diameter 0.5μm of (specific surface area 8m 2 / g) (specific surface area 6.8 m 2 / After weighing the alumina powder of g) so as to have the composition shown in Table 1, an organic binder and a solvent were added to the mixed powder and mixed in an alumina mortar to form a paste. Thereafter, screen printing was performed on the solid electrolyte membrane molded
(第二の燃料極層用成形体5の成形)
酸化ニッケル粉末とアルミナ粉末を原料とする成形体は焼成後、発電時の還元によってニッケル−ニッケルアルミニウム複合酸化物組成の複合材料となる。
平均粒径1μmの酸化ニッケル粉末と平均粒径1μmのアルミナ粉末をニッケル35体積%、ニッケルアルミニウム複合酸化物65体積%の組成になるように秤量後、有機バインダーおよび水を添加してボールミル中で湿式混合し、混合物を乾燥し、造粒した。この造粒粉末を金型内で成形し、厚さ3mmの第二の燃料極層用成形体5を製造した。
(Formation of second molded
A molded body made of nickel oxide powder and alumina powder as a raw material becomes a composite material having a nickel-nickel aluminum composite oxide composition after firing and reduction during power generation.
A nickel oxide powder having an average particle diameter of 1 μm and an alumina powder having an average particle diameter of 1 μm are weighed to a composition of 35% by volume of nickel and 65% by volume of a nickel aluminum composite oxide, and then added with an organic binder and water in a ball mill. Wet mixed, the mixture was dried and granulated. This granulated powder was molded in a mold to produce a second molded
(固体電解質/第一の燃料極層/第二の燃料極層の一体化)
前記作製した固体電解質用成形体3、第一の燃料極層用塗布層15および第二の燃料極層用成形体5を積層した。この積層体を真空パック用フィルム袋によって被覆し、コールドアイソスタティックプレスした(圧力:2ton/cm2 保持時間:1分間)。得られた加圧成形体を型から取り出し、フィルムを剥離させ、加圧成形体を得た。
(Integration of solid electrolyte / first fuel electrode layer / second fuel electrode layer)
The produced solid electrolyte molded
(加圧成形体の焼成)
この加圧成形体を、空気中、最高温度1400℃で2時間焼成し、積層焼結体7を得た。
(Baking of pressure-molded body)
This press-molded body was fired in air at a maximum temperature of 1400 ° C. for 2 hours to obtain a laminated
(空気極の形成)
平均粒径1μmのランタンマンガナイト粉末100重量部と、アルキルアセタート化ポリビニールアルコール3重量部と、テレビネオール30重量部とをアルミナ乳鉢で混合し、ペースト化した。こうして得た混練物をスクリーン印刷機で塗布し、成膜後乾燥し、温度1250℃で1時間焼成し、空気極11を形成した。
(Formation of air electrode)
100 parts by weight of lanthanum manganite powder having an average particle size of 1 μm, 3 parts by weight of alkyl acetate polyvinyl alcohol, and 30 parts by weight of TVneol were mixed in an alumina mortar to form a paste. The kneaded material thus obtained was applied with a screen printer, dried after film formation, and baked at a temperature of 1250 ° C. for 1 hour to form the
(発電試験)
各例のSOFCについて、初期の発電出力を測定した。具体的には、積層焼結体を発電試験装置にセットした。空気極部分と燃料極部分とに白金メッシュをはさみ、集電した。空気極側に空気を500cc/minで流し、燃料極側に窒素を500cc/min流しながら昇温した。750℃に保持し、燃料極側に水素を500cc/min流し、ガスを置換した。雰囲気が安定した後、0.7Vの通電を行い、10時間経過後の出力(初期出力)を測定した結果を表1に示す。
(Power generation test)
The initial power generation output was measured for each example SOFC. Specifically, the laminated sintered body was set in a power generation test apparatus. A platinum mesh was sandwiched between the air electrode part and the fuel electrode part to collect current. The temperature was raised while flowing air at 500 cc / min on the air electrode side and nitrogen at 500 cc / min on the fuel electrode side. The temperature was maintained at 750 ° C., and hydrogen was supplied to the fuel electrode side at 500 cc / min to replace the gas. Table 1 shows the results of measuring the output (initial output) after 10 hours have passed after energization of 0.7 V after the atmosphere has stabilized.
(結晶相の確認)
別途、結晶相を確認するため、第一の燃料極層用塗布層15、第二の燃料極用成形体5を一体化せず、上記焼成条件で焼成した後、水素雰囲気、750℃で1時間還元処理後冷却した。その後、X線解析装置により測定した結果、第一の燃料極層16は、ニッケル(Ni)とジルコニア(YSZ)とニッケルアルミニウム複合酸化物(NiAl2O4)とからなっており、第二の燃料極層8は、ニッケル(Ni)とニッケルアルミニウム複合酸化物(NiAl2O4)の析出を確認した。いずれもAl2O3の未反応の結晶は析出していなかった。
(Confirmation of crystal phase)
Separately, in order to confirm the crystal phase, the first fuel electrode
以上の結果より、第一、第二の態様に係る発明の燃料極用材料を用いて燃料極を形成すると、発電性能が著しく向上することが認められた。即ち、実験1−1から1−5までは、高い出力が得られた。実験1−6では、ニッケルアルミニウム複合酸化物が含有されていないが、出力は低下した。実験1−7では、ジルコニアが含有されていないが、やはり出力は低下した。実験1−8では、ジルコニア量が少なく、ニッケルアルミニウム複合酸化物量が多いが、出力は低下した。実験1−9では、ニッケル量が多いが、やはり出力は低下した。 From the above results, it was confirmed that when the fuel electrode is formed using the fuel electrode material of the invention according to the first and second aspects, the power generation performance is remarkably improved. That is, high output was obtained from Experiment 1-1 to 1-5. In Experiment 1-6, the nickel aluminum composite oxide was not contained, but the output decreased. In Experiment 1-7, zirconia was not contained, but the output decreased. In Experiment 1-8, the amount of zirconia was small and the amount of nickel aluminum composite oxide was large, but the output decreased. In Experiment 1-9, the amount of nickel was large, but the output decreased.
(実験2)
実験2−1、2−2、2−3、2−4においては、実験1−1と同様に図3(b)に示すセル12を製造した。
ただし、燃料極の原料となる酸化ニッケル粉末と8mol%イットリア安定化ジルコニア粉末とアルミナ粉末の平均粒径を変えて燃料極を製造した。第一の燃料極の組成は実験1−1と同じとし、原料粉末の粒径は粉砕時間で制御した。平均粒径は島津製作所製SALD−2000Aで測定した。第二の燃料極層用成形体は平均粒径1μmの酸化ニッケル粉末と平均粒径1μmの8YSZ粉末をニッケル35体積%、ジルコニア複合酸化物65体積%の組成になるように秤量後、有機バインダーおよび水を添加してボールミル中で湿式混合し、混合物を乾燥し、造粒した。この造粒粉末を金型内で成形し、厚さ3mmの第二の燃料極層用成形体を製造した。その後のセルは実験1と同様に調製し、発電試験を行った。測定した結果を表2に示す。
(Experiment 2)
In Experiments 2-1, 2-2, 2-3, and 2-4, the
However, the fuel electrode was manufactured by changing the average particle size of nickel oxide powder, 8 mol% yttria-stabilized zirconia powder, and alumina powder as raw materials for the fuel electrode. The composition of the first fuel electrode was the same as in Experiment 1-1, and the particle size of the raw material powder was controlled by the pulverization time. The average particle size was measured with SALD-2000A manufactured by Shimadzu Corporation. The second molded article for the fuel electrode layer is a nickel oxide powder having an average particle diameter of 1 μm and an 8YSZ powder having an average particle diameter of 1 μm so as to have a composition of 35% by volume of nickel and 65% by volume of zirconia composite oxide. And water were added and wet mixed in a ball mill, and the mixture was dried and granulated. This granulated powder was molded in a mold to produce a second molded body for the fuel electrode layer having a thickness of 3 mm. Subsequent cells were prepared in the same manner as in
以上の結果より、第一の発明の範囲内の組成においても、出発原料の粒径が細かい燃料極用材料を用いて燃料極を形成すると(実験番号2−1、2−2、2−3)、発電性能が一層著しく向上することが認められた。 From the above results, even in the composition within the scope of the first invention, when a fuel electrode is formed using a fuel electrode material having a small starting material particle size (Experiment Nos. 2-1, 2-2, 2-3). ), It was found that the power generation performance was further improved.
(実験3)
実験3−1、3−2、3−3においては、実験1−1と同様にして、図3(b)に示すセル12を製造した。
(Experiment 3)
In Experiments 3-1, 3-2, and 3-3, the
ただし、第二の燃料極層8は以下のように製造した。すなわち、平均粒径1μmの酸化ニッケル粉末と平均粒径1μmの8mol%イットリア安定化ジルコニア粉末と平均粒径1μmのアルミナ粉末を、表3の組成になるように秤量後、有機バインダーおよび水を添加してボールミル中で湿式混合し、混合物を乾燥し、造粒した。この造粒粉末を金型内で成形し、厚さ3mmのグリーン成形体を製造した。その後は、実験1と同様にしてセル12を製造した。
However, the second
実験3−1、3−2、3−3においては、固体電解質層に接する第一の燃料極層16が、本発明の燃料極用材料からなっているため、出力は高い。すなわち、第二の燃料極層によらず固体電解質層に接する燃料極が本発明の燃料極材料となっていると発電出力が高くなる。
In Experiments 3-1, 3-2, and 3-3, the first
(実験4)
実験1−1の第二の燃料極層と同様の方法で、図3(c)に示す単一層の燃料極20を作製した。燃料極の組成は、Ni:35体積%、8YSZ:32.5体積%、NiAl2O4:325体積%とした。他は実験1−1と同様にして固体電解質層および空気極層を形成し、図3(c)のセルを得た。このセルについても実験1と同様にして発電試験を行い、同様の結果を得た。
(Experiment 4)
A single-
1 被膜 2 積層体 3 固体電解質膜用成形体 4 樹脂被膜 5 第二の燃料極層8用の成形体 7 電気化学セル用基板 8 第二の燃料極層 9 固体電解質膜 11 空気極 12 電気化学セル 15 第一の燃料極層16用の塗布層 16 第一の燃料極層 20 単一相からなる燃料極
DESCRIPTION OF
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004089546A JP4367843B2 (en) | 2004-03-25 | 2004-03-25 | Fuel electrode, electrochemical cell, and method of manufacturing fuel electrode |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004089546A JP4367843B2 (en) | 2004-03-25 | 2004-03-25 | Fuel electrode, electrochemical cell, and method of manufacturing fuel electrode |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005276683A true JP2005276683A (en) | 2005-10-06 |
JP4367843B2 JP4367843B2 (en) | 2009-11-18 |
Family
ID=35176108
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004089546A Expired - Lifetime JP4367843B2 (en) | 2004-03-25 | 2004-03-25 | Fuel electrode, electrochemical cell, and method of manufacturing fuel electrode |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4367843B2 (en) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007299690A (en) * | 2006-05-02 | 2007-11-15 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Solid oxide fuel cell and its manufacturing method |
JP2009064640A (en) * | 2007-09-05 | 2009-03-26 | Toshiba Corp | Fuel electrode of solid oxide electrochemical cell, its manufacturing method, and solid oxide electrochemical cell |
JP2009193775A (en) * | 2008-02-13 | 2009-08-27 | Toshiba Corp | Electrochemical cell, its manufacturing method, and operation method |
JP2010267515A (en) * | 2009-05-15 | 2010-11-25 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Half cell for solid-oxide fuel cell, solid-oxide fuel cell, and method for manufacturing half cell for solid-oxide fuel cell |
JP2011029153A (en) * | 2009-06-30 | 2011-02-10 | Ngk Insulators Ltd | Solid oxide fuel cell |
JP2011198758A (en) * | 2010-02-26 | 2011-10-06 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Fuel electrode material for solid oxide fuel cell, fuel electrode, solid oxide fuel cell, and manufacturing method of fuel electrode material |
JP2014175154A (en) * | 2013-03-08 | 2014-09-22 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Electrode for solid electrolyte fuel battery cell and solid electrolyte fuel battery cell |
-
2004
- 2004-03-25 JP JP2004089546A patent/JP4367843B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007299690A (en) * | 2006-05-02 | 2007-11-15 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Solid oxide fuel cell and its manufacturing method |
JP2009064640A (en) * | 2007-09-05 | 2009-03-26 | Toshiba Corp | Fuel electrode of solid oxide electrochemical cell, its manufacturing method, and solid oxide electrochemical cell |
JP2009193775A (en) * | 2008-02-13 | 2009-08-27 | Toshiba Corp | Electrochemical cell, its manufacturing method, and operation method |
JP2010267515A (en) * | 2009-05-15 | 2010-11-25 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Half cell for solid-oxide fuel cell, solid-oxide fuel cell, and method for manufacturing half cell for solid-oxide fuel cell |
JP2011029153A (en) * | 2009-06-30 | 2011-02-10 | Ngk Insulators Ltd | Solid oxide fuel cell |
JP2011198758A (en) * | 2010-02-26 | 2011-10-06 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Fuel electrode material for solid oxide fuel cell, fuel electrode, solid oxide fuel cell, and manufacturing method of fuel electrode material |
JP2014175154A (en) * | 2013-03-08 | 2014-09-22 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Electrode for solid electrolyte fuel battery cell and solid electrolyte fuel battery cell |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP4367843B2 (en) | 2009-11-18 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN107078328B (en) | Method for manufacturing solid oxide fuel cell | |
EP2495791B1 (en) | Fuel cell, cell stack, fuel cell module, and fuel cell device | |
US9065104B2 (en) | Process for manufacturing elementary electrochemical cells for energy- or hydrogen-producing electrochemical systems, in particular of SOFC and HTE type | |
JP2002175814A (en) | Manufacturing method of fuel electrode for solid electrolyte type fuel cell, the solid electrolyte type fuel cell and its manufacturing method | |
JP2014026720A (en) | Fuel battery cell | |
JP2017191786A (en) | Cell, cell stack device, electrochemical module, and electrochemical device | |
JP4820463B2 (en) | Fuel cell and solid oxide fuel cell | |
JP2007200664A (en) | Method of manufacturing solid oxide fuel cell | |
US20210242482A1 (en) | Setter plates and manufacturing methods for ceramic-anode solid oxide fuel cells | |
JP4367843B2 (en) | Fuel electrode, electrochemical cell, and method of manufacturing fuel electrode | |
JP3661676B2 (en) | Solid oxide fuel cell | |
JP4462727B2 (en) | Solid electrolyte fuel cell | |
EP3343682B1 (en) | Flat plate-shaped solid oxide fuel cell and cell module comprising same | |
JP5242840B1 (en) | Fuel cell | |
EP3054511B1 (en) | Method for manufacturing anode support of solid oxide fuel cell, and anode support of solid oxide fuel cell | |
JP2004303455A (en) | Solid oxide fuel battery cell | |
Nagamori et al. | Densification and Cell Performance of Gadolinium‐Doped Ceria (GDC) Electrolyte/NiO–GDC anode Laminates | |
JP5159938B1 (en) | Fuel cell | |
KR20190028340A (en) | Solid oxide fuel cell and a battery module comprising the same | |
JP5520589B2 (en) | Manufacturing method of fuel cell | |
JP2004362849A (en) | Base plate for electrochemical cell and electrochemical cell | |
JP2006073231A (en) | Fuel cell | |
JP2006059611A (en) | Ceria based solid electrolyte fuel cell and its manufacturing method | |
JP5395295B1 (en) | Fuel cell | |
KR20120085488A (en) | Solid electrolyte for solid oxide fuel cell, and solid oxide fuel cell including the solid electrolyte |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060825 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20090529 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090622 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090803 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20090821 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20090821 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4367843 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120904 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120904 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130904 Year of fee payment: 4 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |