JP2007335142A - Nickel-ceria fuel electrode material for solid oxide fuel battery - Google Patents

Nickel-ceria fuel electrode material for solid oxide fuel battery Download PDF

Info

Publication number
JP2007335142A
JP2007335142A JP2006163169A JP2006163169A JP2007335142A JP 2007335142 A JP2007335142 A JP 2007335142A JP 2006163169 A JP2006163169 A JP 2006163169A JP 2006163169 A JP2006163169 A JP 2006163169A JP 2007335142 A JP2007335142 A JP 2007335142A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
ceria
fuel electrode
particles
particle group
nickel
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.)
Pending
Application number
JP2006163169A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kazuo Hata
和男 秦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Shokubai Co Ltd
Original Assignee
Nippon Shokubai Co Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Shokubai Co Ltd filed Critical Nippon Shokubai Co Ltd
Priority to JP2006163169A priority Critical patent/JP2007335142A/en
Publication of JP2007335142A publication Critical patent/JP2007335142A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nickel-ceria fuel electrode material for a solid oxide fuel battery good in gas permeability, excellent in electrochemical reactivity and conductivity and excellent in durability, especially redox resistance and to provide a high-performance fuel electrode and a fuel cell using the fuel electrode material, and a fuel battery including the fuel cell. <P>SOLUTION: The nickel-ceria fuel electrode material for the solid oxide fuel battery comprises a mixture of a coarse ceria particle group, a nickelic particle group and a fine ceria particle group and is characterized in that average particle sizes of the respective particle groups satisfies a relationship of the coarse ceria particle group > the nickelic particle group > the fine ceria particle group. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、ニッケル−セリア系の固体酸化物形燃料電池用燃料極材料、それを用いた燃料極および燃料電池セル、並びに当該燃料電池セルを含む燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a nickel-ceria-based fuel electrode material for a solid oxide fuel cell, a fuel electrode and a fuel cell using the same, and a fuel cell including the fuel cell.

近年、燃料電池はクリーンエネルギー源として注目されており、その用途は家庭用発電から業務用発電、更には自動車用発電などを主体にして急速に改良研究および実用化研究が進められている。   In recent years, fuel cells have attracted attention as a source of clean energy, and their use has been rapidly studied for improvement and practical application mainly from household power generation to commercial power generation, and further to power generation for automobiles.

ところで固体酸化物形燃料電池用の電極材料としては、導電性金属粒子にセラミック粒子を混合した多孔質サーメットが使用されている。これは、主たる導電成分となる金属粒子と固体電解質やその他の部材との熱膨張率の違いなどにより熱応力が生じて内部歪を誘発し、その歪で燃料電池が破壊されたり損傷したりするのを防止するためである。   By the way, as an electrode material for a solid oxide fuel cell, a porous cermet in which ceramic particles are mixed with conductive metal particles is used. This is because thermal stress is generated due to the difference in coefficient of thermal expansion between the metal particles, which are the main conductive components, and the solid electrolyte or other members, which induces internal strain, which destroys or damages the fuel cell. This is to prevent this.

ところがこの種の材料は、固体酸化物形燃料電池の一般的な作動温度である800〜1000℃の高温に長時間曝されると、電子導電性を有するニッケル粒子の凝集と焼結が徐々に進行して電気化学反応性や導電性が低下し、発電性能が経時的に低下するという問題を抱えており、その解決策として種々の方法が提案されている。   However, when this type of material is exposed to a high temperature of 800 to 1000 ° C., which is a typical operating temperature of a solid oxide fuel cell, for a long time, the aggregation and sintering of nickel particles having electronic conductivity gradually occur. As it progresses, the electrochemical reactivity and conductivity decrease, and the power generation performance decreases over time, and various methods have been proposed as a solution.

例えば特許文献1には、軽質炭化水素を改質した燃料を使用した場合に生じる炭素析出による出力低下を抑えるため、セリアにニッケル金属を担持させたNi/CeO2サーメットが開示されており、特許文献2には、ニッケル金属をセリア−ジルコニアやセリア−イットリア安定化ジルコニア等に担持させたサーメットが記載されている。また、特許文献3には、小型であっても高出力の固体酸化物形燃料電池の燃料極として、ネットワークを組んでいる骨格構造を有する多孔質ニッケルの骨格表面に、大径セリア粒子と小径セリア粒子が焼着しているものが開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a Ni / CeO 2 cermet in which nickel metal is supported on ceria in order to suppress a decrease in output due to carbon deposition that occurs when a fuel modified from light hydrocarbons is used. Document 2 describes a cermet in which nickel metal is supported on ceria-zirconia, ceria-yttria stabilized zirconia, or the like. Patent Document 3 discloses a large-sized ceria particle and a small-diameter particle on the surface of a porous nickel skeleton having a network structure as a fuel electrode of a small-sized high-power solid oxide fuel cell. What ceria particles are deposited is disclosed.

ところで、非特許文献1には、燃料極材料である酸化ニッケルは燃料である水素や都市ガス等により還元されて金属ニッケルとなるが、システム停止時には窒素などによる酸化を受けて酸化ニッケルとなり、かかる燃料極構造の変化により燃料電池の性能低下や破壊が起きることが記載されている。その一方で、非特許文献2によれば、セリア系の酸化物固溶体が、還元性雰囲気で膨張するとされている。
特開平4−121964号公報 特開平7−6768号公報 特開2005−166640号公報 横山美鈴ら,第13回SOFC研究発表会講演要旨集,第48頁,2004年 安田勇ら,第5回SOFC研究発表会講演要旨集,第107頁,1996年
By the way, in Non-Patent Document 1, nickel oxide, which is a fuel electrode material, is reduced to metal nickel by being reduced by hydrogen, city gas, or the like as a fuel. It is described that a change in the fuel electrode structure causes a drop in performance or destruction of the fuel cell. On the other hand, according to Non-Patent Document 2, the ceria-based oxide solid solution is supposed to expand in a reducing atmosphere.
JP-A-4-121964 Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-6768 JP 2005-166640 A Misuzu Yokoyama et al., Abstracts of 13th SOFC Research Presentation, 48, 2004 Yasuda Isa et al., 5th SOFC Research Presentation Abstracts, page 107, 1996

上述した様に、従来、ニッケル−セリア系の固体酸化物形燃料電池用燃料極材料は知られていたが、特に耐久性の面において十分ではなかった。例えば、特許文献1と2で開示されている発電耐久性はせいぜい200時間レベルであり、実用に叶う長期耐久性を満たすものとはいえない。   As described above, conventionally, a nickel-ceria-based fuel electrode material for a solid oxide fuel cell has been known, but it is not particularly satisfactory in terms of durability. For example, the power generation durability disclosed in Patent Documents 1 and 2 is at most 200 hours, and cannot be said to satisfy the long-term durability that is practical.

また、酸化ニッケルが固体酸化物形燃料電池の燃料極側における還元性雰囲気で金属ニッケルに還元されることからその体積は収縮するのに対して、セリアは膨張する。よって、燃料極材料としてニッケル−セリア系のものを用いることによって、燃料電池の発電と運転停止による燃料極における体積変化を抑制し、燃料電池の耐レドックス(RedOx)性が高められると考えられる。しかし、従来のニッケル−セリア系固体酸化物形燃料電池用燃料極材料では、この耐レドックス性が考慮されておらず、耐久性が十分でなかった。例えば、特許文献3のニッケル−セリア系固体酸化物形燃料電池用燃料極材料では、セリアの粒径も考慮されているものの、これらは多孔質ニッケル上に担持されているために、セリアの粒径に対する酸化ニッケルの粒径が過剰に大きく、酸化ニッケルの酸化−還元反応による体積変化をセリアにより抑制することはできないと考えられる。   Further, since nickel oxide is reduced to metallic nickel in a reducing atmosphere on the fuel electrode side of the solid oxide fuel cell, its volume shrinks, while ceria expands. Therefore, it is considered that by using a nickel-ceria-based material as the fuel electrode material, volume change in the fuel electrode due to power generation and operation stop of the fuel cell is suppressed, and the redox resistance of the fuel cell is improved. However, the conventional fuel electrode material for nickel-ceria-based solid oxide fuel cells does not take this redox resistance into consideration, and the durability is not sufficient. For example, in the nickel-ceria-based solid oxide fuel cell fuel electrode material of Patent Document 3, although the ceria particle size is also taken into consideration, since these are supported on porous nickel, the ceria particles It is thought that the change in volume due to the oxidation-reduction reaction of nickel oxide cannot be suppressed by ceria because the particle size of nickel oxide is excessively large relative to the diameter.

そこで、本発明が解決すべき課題は、ガス透過性が良好で電気化学反応性や導電性に優れると共に、耐久性、特に耐レドックス性に優れたニッケル−セリア系の固体酸化物形燃料電池用燃料極材料を提供することにある。また、本発明は、当該燃料極材料を用いた高性能の燃料極および燃料電池セル、並びに当該燃料電池セルを含む燃料電池を提供することも目的とする。   Therefore, the problem to be solved by the present invention is a nickel-ceria-based solid oxide fuel cell having excellent gas permeability, excellent electrochemical reactivity and conductivity, and durability, particularly excellent redox resistance. It is to provide an anode material. Another object of the present invention is to provide a high-performance fuel electrode and fuel cell using the fuel electrode material, and a fuel cell including the fuel cell.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねたところ、燃料極材料を酸化ニッケル粒子と共に大径と小径のセリア粒子で構成し、各粒子の平均粒径を適切に規定することにより上記課題を解決できることを見出して本発明を完成した。   The inventors of the present invention have made extensive studies to solve the above-mentioned problems. As a result, the fuel electrode material is composed of nickel oxide particles and large and small ceria particles, and the average particle size of each particle is appropriately defined. Thus, the present invention has been completed by finding that the above-mentioned problems can be solved.

即ち、本発明のニッケル−セリア系固体酸化物形燃料電池用燃料極材料は、
粗粒セリア粒子群、酸化ニッケル粒子群、および微粒セリア粒子群との混合物からなり、
各粒子群の平均粒径が、粗粒セリア粒子群>酸化ニッケル粒子群>微粒セリア粒子群の関係を満たすことを特徴とする。
That is, the anode material for the nickel-ceria-based solid oxide fuel cell of the present invention is
It consists of a mixture of coarse ceria particles, nickel oxide particles, and fine ceria particles,
The average particle diameter of each particle group satisfies the relationship of coarse ceria particle group> nickel oxide particle group> fine ceria particle group.

上記燃料極材料において、各粒子群の含有比率としては、粗粒セリア粒子群:15〜50質量%、酸化ニッケル粒子群:40〜70質量%、微粒セリア粒子群:5〜30質量%が好ましい。酸化ニッケルは、燃料極における導電性のために必要な成分であるが、過剰に多いと酸化反応と還元反応の繰り返しによる体積変化が大きくなるので、その含有比率は上記範囲が好適である。一方、粗粒セリア粒子は、酸化ニッケルによる燃料極の体積変化を緩和し、微粒セリア粒子はニッケル化合物と結合して燃料極自体の強度を高め、結果として耐久性を向上する。また、セリア粒子は優れた酸素吸収能を示すことから、ガス透過性を向上するという効果もある。これらの効果は、上記含有比率範囲において良好に発揮される。   In the fuel electrode material, the content ratio of each particle group is preferably a coarse ceria particle group: 15 to 50% by mass, a nickel oxide particle group: 40 to 70% by mass, and a fine ceria particle group: 5 to 30% by mass. . Nickel oxide is a necessary component for conductivity in the fuel electrode, but if it is excessively large, volume change due to repetition of oxidation reaction and reduction reaction becomes large, so the content ratio is preferably in the above range. On the other hand, the coarse ceria particles relieve the volume change of the fuel electrode due to nickel oxide, and the fine ceria particles combine with the nickel compound to increase the strength of the fuel electrode itself, resulting in improved durability. In addition, since the ceria particles exhibit an excellent oxygen absorption capacity, there is an effect of improving gas permeability. These effects are satisfactorily exhibited in the content ratio range.

また、各粒子の平均粒径としては、粗粒セリア粒子群で2〜50μm、酸化ニッケル粒子群で0.5〜5μm、微粒セリア粒子群で0.1〜3μmが好適である。後述する実施例において、かかる範囲の平均粒径を有する各粒子群からなる燃料極が、優れたガス透過性や耐久性を示すことが実証されている。   The average particle size of each particle is preferably 2 to 50 μm for the coarse ceria particle group, 0.5 to 5 μm for the nickel oxide particle group, and 0.1 to 3 μm for the fine ceria particle group. In the examples described later, it has been demonstrated that a fuel electrode composed of each particle group having an average particle diameter in such a range exhibits excellent gas permeability and durability.

上記粗粒セリア粒子群および/または微粒セリア粒子群としては、
イットリウム、サマリウム、またはガドリニウムでドープされたセリア;
セリア含有量が51質量%以上であるセリア−ジルコニア複合粒子;および
イットリウム、サマリウム、またはガドリニウムでドープされたものであり、その含有量が51質量%以上であるセリアと、ジルコニアおよび/またはアルミナとの混合粒子;
からなる群から選択される1種または2種以上が好適である。かかるセリア粒子を含む燃料極の効果が、後述する実施例で実証されている。
As the coarse ceria particle group and / or fine ceria particle group,
Ceria doped with yttrium, samarium or gadolinium;
Ceria-zirconia composite particles having a ceria content of 51% by mass or more; and ceria doped with yttrium, samarium, or gadolinium, the content of which is 51% by mass or more, and zirconia and / or alumina; Mixed particles of
One or more selected from the group consisting of: The effect of the fuel electrode containing such ceria particles has been demonstrated in the examples described later.

また、本発明の固体酸化物形燃料電池用燃料極は、固体酸化物形燃料電池における固体電解質の片面側に形成された燃料極であって、当該燃料極が上記燃料極材料で形成されたものであり、本発明の固体酸化物形燃料電池セルは、固体電解質の片面側に燃料極が形成され、他方面側に空気極が形成された固体酸化物形燃料電池セルであって、当該燃料極が上記燃料極材料で形成されたものである。   The fuel electrode for a solid oxide fuel cell according to the present invention is a fuel electrode formed on one side of a solid electrolyte in a solid oxide fuel cell, and the fuel electrode is formed of the fuel electrode material. The solid oxide fuel cell of the present invention is a solid oxide fuel cell in which a fuel electrode is formed on one side of a solid electrolyte and an air electrode is formed on the other side, The fuel electrode is formed of the above fuel electrode material.

さらに、本発明の固体酸化物形燃料電池は、上記固体酸化物形燃料電池セルを含むものである。   Furthermore, the solid oxide fuel cell of the present invention includes the solid oxide fuel cell.

本発明のニッケル−セリア系固体酸化物形燃料電池用燃料極材料は、ガス透過性が良好であり、電気化学反応性や導電性、更には耐久性に優れると共に、本発明材料を用いれば、他の部材との間で熱応力による損傷や破壊を生じることのない固体酸化物形燃料電池用燃料極を製造できる。本発明の燃料極材料は、特に耐レドックス性に優れることから、運転と停止を繰り返す固体酸化物形燃料電池の燃料極材料に適している。従って本発明は、固体酸化物形燃料電池を一層実用化に近づけるものとして、産業上極めて有用である。   The fuel electrode material for the nickel-ceria-based solid oxide fuel cell of the present invention has good gas permeability, electrochemical reactivity and conductivity, and further excellent durability. A fuel electrode for a solid oxide fuel cell that does not cause damage or destruction due to thermal stress with other members can be manufactured. Since the fuel electrode material of the present invention is particularly excellent in redox resistance, it is suitable as a fuel electrode material for a solid oxide fuel cell that is repeatedly operated and stopped. Therefore, the present invention is extremely useful industrially as a solid oxide fuel cell that is closer to practical use.

本発明のニッケル−セリア系固体酸化物形燃料電池用燃料極材料は、
粗粒セリア粒子群、酸化ニッケル粒子群、および微粒セリア粒子群との混合物からなり、
各粒子群の平均粒径が、粗粒セリア粒子群>酸化ニッケル粒子群>微粒セリア粒子群の関係を満たすことを特徴とする。
The fuel electrode material for nickel-ceria based solid oxide fuel cell of the present invention is:
It consists of a mixture of coarse ceria particles, nickel oxide particles, and fine ceria particles,
The average particle diameter of each particle group satisfies the relationship of coarse ceria particle group> nickel oxide particle group> fine ceria particle group.

本発明で用いるセリア粒子としては、セリアやドープされたセリアのみからなる粒子の他、セリアを主体とする、即ち粒子中に占めるセリアの割合が51質量%以上である複合粒子や混合粒子を用いることができる。例えば、セリア;イットリウム、サマリウム、またはガドリニウムでドープされたセリア;セリア含有量が51質量%以上であるセリア−ジルコニア複合粒子;イットリウム、サマリウム、またはガドリニウムでドープされたものであり、その含有量が51質量%以上であるセリアと、ジルコニアおよび/またはアルミナとの混合粒子を挙げることができ、これらから1種を選択するか、2種以上を選択した上で混合して用いてもよい。ドープ量は特に制限されないが、好ましいのはセリウムに対して5〜40原子%、より好ましくは10〜30原子%の範囲である。なお、ここで、「複合粒子」とは、セリア粒子やセリウム塩の溶液と、ジルコニウム塩の溶液等を混合した上で、加水分解や共沈などにより生成した化合物を乾燥または仮焼させることにより得られるものであり、単に粒子を混合したものではないものをいう。また、「混合粒子」とは、イットリウム等でドープされたセリア粒子と、ジルコニア粒子および/またはアルミン粒子を混合してなる粒子をいう。   As the ceria particles used in the present invention, in addition to particles consisting only of ceria and doped ceria, composite particles or mixed particles mainly containing ceria, that is, the proportion of ceria in the particles being 51% by mass or more are used. be able to. For example, ceria; ceria doped with yttrium, samarium, or gadolinium; ceria-zirconia composite particles having a ceria content of 51% by mass or more; those doped with yttrium, samarium, or gadolinium, the content of which is The mixed particle | grains of the ceria which is 51 mass% or more, and a zirconia and / or an alumina can be mentioned, You may select and use 1 type from these, or after mixing 2 or more types. The doping amount is not particularly limited, but is preferably in the range of 5 to 40 atomic%, more preferably 10 to 30 atomic% with respect to cerium. Here, the “composite particle” is a mixture of ceria particles or a solution of cerium salt and a solution of zirconium salt or the like, and then drying or calcining a compound generated by hydrolysis or coprecipitation. It is obtained and is not simply a mixture of particles. “Mixed particles” refers to particles obtained by mixing ceria particles doped with yttrium or the like, zirconia particles and / or aluminum particles.

本発明では、セリア粒子群として、粗粒のものと微粒のものを用いる。難焼結性である粗粒セリア粒子群により強固な構造骨格を形成させ、これにより燃料極の構造強度を高めることができ、また、高温に長時間曝された際に起こる焼結を抑制することができる。さらに、酸化反応と還元反応の繰り返しによる酸化ニッケル−金属ニッケル間の変化による体積膨張と収縮を緩和し、燃料極の耐レドックス性を高めるという作用もある。一方、微粒セリア粒子群は、粗粒セリア粒子や酸化ニッケル粒子間へ分散し、燃料極自体の強度を高めることにより燃料極の耐久性を向上する役割を有する。また、セリア粒子は良好な酸素吸収能を有することから、金属ニッケルが急激に酸化雰囲気に曝された場合、その近傍にあるセリア粒子が酸素を吸収することによって、金属ニッケルが酸化ニッケルとなり急激に体積膨張してクラック等が発生するのを抑制するという効果も有する。   In the present invention, coarse particles and fine particles are used as the ceria particle group. The hard-sintered coarse ceria particles form a strong structural skeleton, which can increase the structural strength of the fuel electrode and suppress sintering that occurs when exposed to high temperatures for long periods of time. be able to. Furthermore, the expansion and contraction due to the change between nickel oxide and metallic nickel due to repeated oxidation and reduction reactions are alleviated, and the redox resistance of the fuel electrode is enhanced. On the other hand, the fine ceria particle group has a role of improving the durability of the fuel electrode by being dispersed between coarse ceria particles and nickel oxide particles and increasing the strength of the fuel electrode itself. In addition, since ceria particles have a good oxygen absorption capacity, when metallic nickel is rapidly exposed to an oxidizing atmosphere, the ceria particles in the vicinity absorb oxygen, so that metallic nickel becomes nickel oxide and rapidly. It also has the effect of suppressing the occurrence of cracks and the like due to volume expansion.

粗粒セリア粒子群としては、平均粒径が2μm以上、50μm以下の範囲のものを使用するのがよい。2μm以上であれば十分に燃料極の骨格を形成することができ、粒子間に適正な隙間が形成されて満足のいく通気性が得られるばかりでなく、高温の使用条件下で焼結が進行し難くなり気孔率の低下を抑制できる。また、過剰に粒子径が大きくなると強度はかえって低下し得るが、50μm以下であれば強度を十分に確保することができ、粗粒セリア粒子を接合するための微粒セリア粒子を過剰に添加する必要がなく、また、酸化ニッケル粒子による電子導電性も維持できる。以上を考慮して、より好ましい粗粒セリア粒子群の平均粒径は、3μm以上、30μm以下、更に好ましくは3μm以上、20μm以下である。   As the coarse ceria particle group, those having an average particle diameter in the range of 2 μm or more and 50 μm or less are preferably used. If it is 2 μm or more, the skeleton of the fuel electrode can be sufficiently formed, and not only satisfactory gaps are formed between the particles and satisfactory air permeability is obtained, but sintering proceeds under high temperature use conditions. This makes it difficult to reduce the porosity. In addition, if the particle size becomes excessively large, the strength can be lowered, but if it is 50 μm or less, the strength can be sufficiently secured, and it is necessary to add excessively fine ceria particles for joining coarse ceria particles. In addition, the electronic conductivity by the nickel oxide particles can be maintained. In view of the above, the average particle size of the more preferable coarse ceria particle group is 3 μm or more and 30 μm or less, more preferably 3 μm or more and 20 μm or less.

なお本発明においては、上述した粗粒セリア粒子群の平均粒径に加えて、極端に粗大な粒子の混入量を極力少なく抑えて燃料極層の均質化を図るため、より好ましくは90体積%径についても、5μm以上、80μm以下、より好ましくは7μm以上、70μm以下、更に好ましくは9μm以上、50μm以下とするのがよい。   In the present invention, in addition to the average particle diameter of the coarse ceria particle group described above, the fuel electrode layer is homogenized by suppressing the amount of extremely coarse particles mixed as much as possible, and more preferably 90% by volume. The diameter is preferably 5 μm or more and 80 μm or less, more preferably 7 μm or more and 70 μm or less, and still more preferably 9 μm or more and 50 μm or less.

一方、微粒セリア粒子群としては、平均粒径が0.1μm以上、3μm以下の範囲のものを使用するのがよい。0.1μm以上であれば、燃料極の強度向上に十分寄与することができ、3μm以下であれば、粗粒セリア粒子間に十分に分散され得ることから粗粒セリア粒子や酸化ニッケル粒子を接合することができ、燃料極の強度向上に十分寄与することができる。以上を考慮して、より好ましい微粒セリア粒子群の平均粒径は、0.2μm以上、2μm以下、更に好ましくは0.3μm以上、1μm以下である。   On the other hand, as the fine ceria particle group, those having an average particle size in the range of 0.1 μm to 3 μm are preferably used. If it is 0.1 μm or more, it can sufficiently contribute to improving the strength of the fuel electrode, and if it is 3 μm or less, it can be sufficiently dispersed between the coarse ceria particles, so that coarse ceria particles and nickel oxide particles are joined. It can contribute to the improvement of the strength of the fuel electrode. In consideration of the above, the average particle size of the more preferable fine ceria particle group is 0.2 μm or more and 2 μm or less, and more preferably 0.3 μm or more and 1 μm or less.

微粒セリア粒子群でも、燃料極層を均質化するため、より好ましくは90体積%径についても、0.1μm以上、3μm以下、より好ましくは0.2μm以上、2μm以下、更に好ましくは0.3μm以上、1μm以下とするのがよい。   In order to homogenize the fuel electrode layer even in the fine ceria particle group, the 90% by volume diameter is more preferably 0.1 μm or more and 3 μm or less, more preferably 0.2 μm or more and 2 μm or less, and further preferably 0.3 μm. The thickness is preferably 1 μm or less.

本発明における各粒子群の平均粒径(50体積%径)は、堀場製作所製のレーザー回折式粒度分布測定装置「LA−920」を用い、蒸留水中に分散剤として0.2質量%のメタリン酸ナトリウムを添加した水溶液を分散媒とし、該分散媒の約100cm3中に各粒子を0.01〜0.5質量%添加し、3分間超音波処理して分散させた後の測定値である。また90体積%径とは、同様の方法で測定した各試料粒子の粒度分布における90体積%の位置の粒径を意味する。 The average particle diameter (50 volume% diameter) of each particle group in the present invention is 0.2 mass% of metalin as a dispersant in distilled water using a laser diffraction particle size distribution analyzer “LA-920” manufactured by Horiba. An aqueous solution to which sodium acid is added is used as a dispersion medium, and 0.01 to 0.5% by mass of each particle is added to about 100 cm 3 of the dispersion medium. is there. Moreover, 90 volume% diameter means the particle size of the position of 90 volume% in the particle size distribution of each sample particle measured by the same method.

酸化ニッケル粒子群は、燃料電池として作動する際に水素などの燃料ガスに曝されて還元され、導電パスを形成する金属ニッケル粒子群に変化する。このときに粒径で約10〜20%収縮するので、併用される微粒セリア粒子群との関係では、この様にニッケル粒子に変化することも踏まえて、平均粒径が0.5〜5μmの範囲内となる様に調整するのがよい。   When operating as a fuel cell, the nickel oxide particle group is reduced by being exposed to a fuel gas such as hydrogen, and changes to a metal nickel particle group that forms a conductive path. At this time, since the particle size shrinks by about 10 to 20%, the average particle size is 0.5 to 5 μm in consideration of the change to the nickel particles in the relationship with the fine ceria particle group used together. It is better to adjust so that it is within the range.

ちなみに、酸化ニッケル粒子群の平均粒径が0.5μm以上であれば、高温に長時間曝されたときでも過剰に焼結が進行することがなく、電子導電性を十分に確保することができる。一方、5μm以下であれば、粗粒セリア粒子との接触点を確保することができ、十分な電子導電性が得られ易くなる。こうしたことを考慮してより好ましい酸化ニッケル粒子群の平均粒径は、0.7μm以上、3μm以下、更に好ましくは1μm以上、3μm以下である。   Incidentally, if the average particle diameter of the nickel oxide particles is 0.5 μm or more, sintering does not proceed excessively even when exposed to a high temperature for a long time, and sufficient electron conductivity can be secured. . On the other hand, if it is 5 μm or less, a contact point with the coarse ceria particles can be secured, and sufficient electronic conductivity can be easily obtained. Considering this, the average particle size of the nickel oxide particle group is more preferably 0.7 μm or more and 3 μm or less, and further preferably 1 μm or more and 3 μm or less.

酸化ニッケル粒子群についても、粗粒セリア粒子群の場合と同様に、極端に粗大な粒子の混入量を極力少なく抑えて燃料極の均質化を図るため、より好ましくは90体積%径を1μm以上、15μm以下、より好ましくは2μm以上、10μm以下、更に好ましくは2μm以上、8μm以下とするのがよい。   Similarly to the case of the coarse ceria particle group, the nickel oxide particle group also preferably has a 90 volume% diameter of 1 μm or more in order to minimize the mixing amount of extremely coarse particles and to make the fuel electrode uniform. 15 μm or less, more preferably 2 μm or more and 10 μm or less, still more preferably 2 μm or more and 8 μm or less.

本発明の燃料極材料は、粗粒セリア粒子群、酸化ニッケル粒子群、および微粒セリア粒子群の混合物からなり、且つそれら粒子群の平均粒径の関係を特定し、粗粒セリア粒子群の間に酸化ニッケル粒子群を分散させることで電気とイオンの導通パスを形成する。その上、平均粒径の関係を規定することで3種の粒子群相互の接触点を増加させ、結果的に粗粒セリア粒子群を強固に結合させる。   The fuel electrode material of the present invention is composed of a mixture of coarse ceria particles, nickel oxide particles, and fine ceria particles, and the relationship between the average particle diameters of these particles is specified. The nickel oxide particle group is dispersed in the electrode to form a conduction path between electricity and ions. In addition, by defining the relationship between the average particle sizes, the contact points between the three types of particle groups are increased, and as a result, the coarse ceria particle groups are firmly bonded.

その結果、上記3種の粒子群の均一な混合物から形成される燃料極は、優れた電気化学的特性を発揮すると共に、難焼結性の粗粒セリア粒子群によって構造骨格が形成され、これが燃料極の構造強度を高め、延いては、こうした強固な構造骨格が形成されることで、高温に長時間曝されたときに起こりがちな焼結を抑え適度の多孔性を維持することによって優れた電気化学特性を長期的に持続する。また、微粒セリア粒子が粗粒セリア粒子相互の間に介在して焼結接合することで粗粒セリア粒子骨格が強化されるので、燃料極となる燃料極側に求められる気孔が閉塞されることもなく、長時間にわたって優れたガス透過性を持続し得るものとなる。   As a result, the fuel electrode formed from the uniform mixture of the above three types of particle groups exhibits excellent electrochemical characteristics, and a structural skeleton is formed by the coarse-sintered coarse ceria particle groups. By increasing the structural strength of the fuel electrode and, by extension, the formation of such a strong structural skeleton, it is possible to suppress the sintering that tends to occur when exposed to high temperatures for a long period of time, thereby maintaining an appropriate porosity. Long lasting electrochemical properties. In addition, since the fine ceria particles are interposed between the coarse ceria particles and sintered and bonded, the coarse ceria particle skeleton is strengthened, so that the pores required on the fuel electrode side as the fuel electrode are blocked. In addition, excellent gas permeability can be maintained for a long time.

こうした特性を有効に発揮させるには、前記各粒子群の平均粒径が「粗粒セリア粒子群>酸化ニッケル粒子群>微粒セリア粒子群」の関係を満たすことが重要である。   In order to effectively exhibit such characteristics, it is important that the average particle diameter of each particle group satisfies the relationship of “coarse ceria particle group> nickel oxide particle group> fine particle ceria particle group”.

また、上記各粒子の含有量は、それぞれ粗粒セリア粒子群を15〜50質量%、酸化ニッケル粒子群を40〜70質量%、微粒セリア粒子群を5〜30質量%の範囲とするのがよく、より好ましい含有量は、粗粒セリア粒子群が20質量%以上、35質量%以下、酸化ニッケル粒子群が45質量%以上、65質量%以下、微粒セリア粒子群が10質量%以上、25質量%以下の範囲である。   Further, the content of each of the above particles is in the range of 15 to 50% by mass of the coarse ceria particle group, 40 to 70% by mass of the nickel oxide particle group, and 5 to 30% by mass of the fine ceria particle group. Well, more preferable content is 20% by mass or more and 35% by mass or less for the coarse ceria particle group, 45% by mass or more and 65% by mass or less for the nickel oxide particle group, 10% by mass or more for the fine ceria particle group, 25 It is the range of the mass% or less.

粗粒セリア粒子群の含有量が15質量%以上であれば、骨格形成が十分となり燃料極の強度を十分に確保できるのみでなく、経時的な気孔率の低下を十分に抑制でき、ガス透過性を確保することができる。一方、粗粒子を過剰に添加するとかえって強度が低下するおそれがあるが、50質量%以下であれば、十分に骨格強度を確保できる。また、酸化ニッケル粒子群の含有量が40質量%以上であれば十分な電子導電性を確保でき、70質量%以下であれば、燃料電池運転時のニッケル粒子同士の過剰な焼結を抑制できる。微粒セリア粒子群の含有量が5質量%以上であれば、粗粒セリア粒子等を十分に接合することができ燃料極の強度向上に寄与し得、30質量%以下であれば、稼動時における高温での粒子の過剰な焼結の進行を抑制でき、気孔率の経時劣化が起こり難くなる。   If the content of coarse ceria particles is 15% by mass or more, skeleton formation is sufficient and not only the strength of the fuel electrode can be sufficiently secured, but also a decrease in porosity over time can be sufficiently suppressed, and gas permeation can be achieved. Sex can be secured. On the other hand, if the coarse particles are added excessively, the strength may be lowered, but if it is 50% by mass or less, the skeleton strength can be sufficiently secured. Further, if the content of the nickel oxide particle group is 40% by mass or more, sufficient electronic conductivity can be secured, and if it is 70% by mass or less, excessive sintering of nickel particles during operation of the fuel cell can be suppressed. . If the content of the fine ceria particle group is 5% by mass or more, coarse ceria particles and the like can be sufficiently joined, which can contribute to the improvement of the strength of the fuel electrode. Progress of excessive sintering of particles at high temperature can be suppressed, and the deterioration of porosity with time is less likely to occur.

上記3種の各粒子群を用いた燃料極材料を用いて燃料極を製造する際には、上記粗粒セリア粒子群が15〜50質量%、酸化ニッケル粒子群が40〜70質量%、微粒セリア粒子群が5〜30質量%の範囲(合計、100質量%)となる様に各原料粒子を秤量し、ミル等で均一に混合すればよい。特に好ましいのは、先ず所定量の粗粒セリア粒子と酸化ニッケル粒子を混合し、粗粒セリア粒子の表面に酸化ニッケル粒子を均等に付着させた後、これに所定量の微粒セリア粒子を加えて均一に混合する方法である。   When a fuel electrode is manufactured using a fuel electrode material using the above three kinds of particle groups, the coarse ceria particle group is 15 to 50% by mass, the nickel oxide particle group is 40 to 70% by mass, and the fine particles What is necessary is just to weigh each raw material particle so that a ceria particle group may be in the range of 5 to 30% by mass (total, 100% by mass) and uniformly mix with a mill or the like. It is particularly preferable that a predetermined amount of coarse ceria particles and nickel oxide particles are first mixed, and nickel oxide particles are uniformly attached to the surface of the coarse ceria particles, and then a predetermined amount of fine ceria particles is added thereto. It is a method of mixing uniformly.

この際に用いる混合装置の種類は特に制限されないが、本発明者らが用いた好ましい混合装置は、たとえば三井鉱山社製のマルチパーパスミキサーであり、当該ミキサーの複合処理タンク内で回転羽根を高速回転させて粗粒セリア粒子の表面に酸化ニッケル粒子を付着させた後、これに微粒セリア粒子を添加してから、同装置の回転羽根を低速回転させて混合する方法を採用すれば、3種の粒子を満遍なく均一に混合できることを確認している。   The type of the mixing apparatus used in this case is not particularly limited, but a preferable mixing apparatus used by the present inventors is, for example, a multi-purpose mixer manufactured by Mitsui Mining Co., Ltd. After adding nickel oxide particles to the surface of the coarse ceria particles by rotation and adding the fine ceria particles to this, if the method of mixing by rotating the rotary blade of the apparatus at low speed is adopted, It is confirmed that the particles can be mixed evenly and uniformly.

この様にして得られる混合材料を、エチルセルロース、ポリエチレングリコール、ポリビニルブチラール樹脂などのバインダー;エタノール、トルエン、α−テルピネオール、カルビトールなどの溶剤;グリセリン、グリコール、フタル酸ジブチルなどの可塑剤、更には必要に応じて配合される分散剤、消泡剤、界面活性剤などと共に、例えば3本ロールミルや遊星ミルなどを用いて適度な粘度のペーストとすれば、燃料極用のペーストが得られる。   The mixed material thus obtained is mixed with a binder such as ethyl cellulose, polyethylene glycol or polyvinyl butyral resin; a solvent such as ethanol, toluene, α-terpineol or carbitol; a plasticizer such as glycerin, glycol or dibutyl phthalate; A paste for a fuel electrode can be obtained by using a three-roll mill, a planetary mill, or the like together with a dispersant, an antifoaming agent, a surfactant, and the like, which are blended as necessary.

バインダーとしては、熱分解し易く、しかも溶剤に溶けて印刷やコーティングに適した流動性を有するものであれば種類に格別の制限はなく、従来から知られた有機質バインダーを適宜選択して使用できる。有機質バインダーとしては、例えばエチレン系共重合体、スチレン系共重合体、アクリレート系及びメタクリレート系共重合体、酢酸ビニル系共重合体、マレイン酸系共重合体、ビニルブチラール系樹脂、ビニルアセタール系樹脂、ビニルホルマール系樹脂、ビニルアルコール系樹脂、ワックス類、エチルセルロース等のセルロース類等が例示される。   The binder is not particularly limited as long as it is easily pyrolyzed and has a fluidity suitable for printing and coating by dissolving in a solvent, and a conventionally known organic binder can be appropriately selected and used. . Examples of organic binders include ethylene copolymers, styrene copolymers, acrylate and methacrylate copolymers, vinyl acetate copolymers, maleic acid copolymers, vinyl butyral resins, and vinyl acetal resins. And vinyl formal resins, vinyl alcohol resins, waxes, celluloses such as ethyl cellulose, and the like.

これらの中でも、燃料極層の成膜性や焼付け時の熱分解性等の点から、メチルアクリレート、エチルアクリレート、プロピルアクリレート、ブチルアクリレート、イソブチルアクリレート、シクロヘキシルアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート等の炭素数10以下のアルキル基を有するアルキルアクリレート類;およびメチルメタクリレート、エチルメタクリレート、ブチルメタクリレート、イソブチルメタクリレート、オクチルメタクリレート、2−エチルヘキシルメタクリレート、デシルメタクリレート、ドデシルメタクリレート、ラウリルメタクリレート、シクロヘキシルメタクリレート等の炭素数20以下のアルキル基を有するアルキルメタクリレート類;ヒドロキシエチルアクリレート、ヒドロキシプロピルアクリレート、ヒドロキシエチルメタクリレート、ヒドロキシプロピルメタクリレート等のヒドロキシアルキル基を有するヒドロキシアルキルアクリレートまたはヒドロキシアルキルメタクリレート類;ジメチルアミノエチルアクリレート、ジメチルアミノエチルメタクリレート等のアミノアルキルアクリレートまたはアミノアルキルメタクリレート類;アクリル酸やメタクリル酸、マレイン酸、モノイソプロピルマレートの如きマレイン酸半エステル等のカルボキシル基含有モノマー、から選択される少なくとも1種を重合または共重合させることによって得られる、数平均分子量が20,000〜200,000、より好ましくは50,000〜100,000の(メタ)アクリレート系共重合体が好ましいものとして推奨される。   Among these, 10 carbon atoms such as methyl acrylate, ethyl acrylate, propyl acrylate, butyl acrylate, isobutyl acrylate, cyclohexyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, etc. from the viewpoint of film formation of the fuel electrode layer and thermal decomposability during baking. Alkyl acrylates having the following alkyl groups; and alkyls having 20 or less carbon atoms such as methyl methacrylate, ethyl methacrylate, butyl methacrylate, isobutyl methacrylate, octyl methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, decyl methacrylate, dodecyl methacrylate, lauryl methacrylate, cyclohexyl methacrylate, etc. Alkyl methacrylates having hydroxy groups; hydroxyethyl acrylate, hydroxypropyl acrylate Hydroxyalkyl acrylates or hydroxyalkyl methacrylates having a hydroxyalkyl group such as hydroxyethyl methacrylate and hydroxypropyl methacrylate; aminoalkyl acrylates or aminoalkyl methacrylates such as dimethylaminoethyl acrylate and dimethylaminoethyl methacrylate; acrylic acid and methacrylic acid; A number average molecular weight of 20,000 to 200,000 obtained by polymerizing or copolymerizing at least one selected from carboxyl group-containing monomers such as maleic acid and maleic acid half ester such as monoisopropylmalate, More preferably, 50,000 to 100,000 (meth) acrylate copolymer is recommended.

溶媒としては、印刷中の粘度変化を少なくするため常温で揮発性の低いものが好ましく、例えば、テルピネオール、ジブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオールモノイソブチレート、2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオールジイソブチレート、オレイルアルコールなどの高沸点溶剤が単独または2種以上を混合し、或いはこれらの高沸点溶剤に更にアセトン、メチルエチルケトン、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール類、変性アルコール、酢酸エチル、トルエン、キシレン等の低沸点有機溶剤を混合して用いられる。   As the solvent, those having low volatility at normal temperature are preferable in order to reduce the viscosity change during printing. For example, terpineol, dibutyl carbitol, butyl carbitol acetate, 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol High-boiling solvents such as monoisobutyrate, 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol diisobutyrate, and oleyl alcohol are used alone or in combination of two or more thereof, or acetone, A low-boiling organic solvent such as methyl ethyl ketone, methanol, ethanol, isopropanol, butanols, denatured alcohol, ethyl acetate, toluene, xylene is mixed and used.

分散剤としては、酸化物粉末の分散をよくするため、グリセリン、ソルビタン等の多価アルコールエステル系、ポリエーテル(ポリオール)系やアミン系、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸アンモニウムなどの高分子電解質、クエン酸、酒石酸などの有機酸、イソブチレンまたはスチレンと無水マレイン酸との共重合体およびそのアンモニウム塩やアミン塩、ブタジエンと無水マレイン酸との共重合体およびそのアンモニウム塩などが用いられるが、特に好ましいのはソルビタントリオールである。また可塑剤としては、ポリエチレングリコールの誘導体やフタル酸エステル系が好ましく、特にジブチルフタレート、ジオクチルフタレートが好適である。   As a dispersant, in order to improve the dispersion of the oxide powder, polyalcohol esters such as glycerin and sorbitan, polyether (polyol) and amines, polymer electrolytes such as polyacrylic acid and ammonium polyacrylate, Organic acids such as citric acid and tartaric acid, copolymers of isobutylene or styrene and maleic anhydride and ammonium salts and amine salts thereof, copolymers of butadiene and maleic anhydride and ammonium salts thereof are particularly used. Preferred is sorbitan triol. As the plasticizer, polyethylene glycol derivatives and phthalate esters are preferable, and dibutyl phthalate and dioctyl phthalate are particularly preferable.

燃料極ペーストは、公知の方法で前記酸化物粉末に溶媒とバインダーをボールミル等で混練することによって調製されるが、この時、必要に応じて接合補助剤や消泡剤、レベリング性向上剤、レオロジー調整剤などを加えてもよい。   The fuel electrode paste is prepared by kneading the oxide powder with a solvent and a binder with a ball mill or the like by a known method, but at this time, if necessary, a bonding aid, an antifoaming agent, a leveling improver, A rheology modifier or the like may be added.

レベリング性向上剤は、主として燃料極層中にピンホールが発生するのを抑える作用を有しており、いわゆる滑剤と同様の効果を発揮するもので、例えば炭化水素系のポリエチレンワックス、ウレタン変性ポリエーテル、アルコール系のポリグリセロール、多価アルコール、脂肪酸系の高級脂肪酸、オキシ酸などが例示されるが、特に好ましいのはステアリン酸、ヒドロキシステアリン酸などの脂肪酸系である。   The leveling improver mainly has an action of suppressing the generation of pinholes in the fuel electrode layer, and exhibits the same effect as a so-called lubricant. For example, a hydrocarbon-based polyethylene wax, a urethane-modified polymer Examples include ether, alcohol-based polyglycerol, polyhydric alcohol, fatty acid-based higher fatty acid, oxyacid, and the like, but particularly preferable are fatty acid-based compounds such as stearic acid and hydroxystearic acid.

そして、前述した酸化物粉末にバインダーや溶剤を加え、らいかい機、ボールミル、3本ロールミルなどにより混練して均一に混合してペーストを得る。コーティングやディッピングによって燃料極を形成する場合は、B型粘度計で1〜50mPa・s、より好ましくは2〜20mPa・sの範囲に調整するのがよい。スクリーン印刷により燃料極を形成する場合の好ましいスラリー粘度は、ブルックフィールズ粘度計で50,000〜2,000,000mPa・s、より好ましくは80,000〜1,000,000mPa・s、更に好ましくは100,000〜500,000mPa・sの範囲である。   Then, a binder or a solvent is added to the above-described oxide powder, and the mixture is kneaded and mixed uniformly with a cracking machine, a ball mill, a three-roll mill or the like to obtain a paste. When the fuel electrode is formed by coating or dipping, the B-type viscometer should be adjusted to 1 to 50 mPa · s, more preferably 2 to 20 mPa · s. The preferred slurry viscosity when forming the fuel electrode by screen printing is 50,000 to 2,000,000 mPa · s, more preferably 80,000 to 1,000,000 mPa · s, more preferably, by Brookfields viscometer. The range is from 100,000 to 500,000 mPa · s.

粘度調整後、例えばバーコーター、スピンコーター、ディッピング装置などにより固体電解質上にコーティングし、或いはスクリーン印刷法などで薄膜状に製膜した後、40〜150℃の温度、例えば50℃、80℃、120℃の様な一定の温度、あるいは順次連続的に昇温して加熱乾燥することによって燃料極層を形成する。   After adjusting the viscosity, for example, it is coated on a solid electrolyte with a bar coater, spin coater, dipping device or the like, or formed into a thin film by a screen printing method or the like, and then a temperature of 40 to 150 ° C., for example, 50 ° C., 80 ° C., The fuel electrode layer is formed by heating and drying at a constant temperature such as 120 ° C. or sequentially successively.

該燃料極層の厚みは10〜300μm程度が適当であり、好ましくは15〜100μm、特に好ましくは20〜50μmの範囲である。   The thickness of the fuel electrode layer is suitably about 10 to 300 μm, preferably 15 to 100 μm, particularly preferably 20 to 50 μm.

前記固体電解質膜形成用酸化物としては、ジルコニアにMgO,CaO,SrO,BaOなどのアルカリ土類金属酸化物、Y23,La23,CeO2,Pr23,Nd23,Sm23,Eu23,Gd23,Tb23,Dy23,Ho23,Er23,Yb23等の希土類金属酸化物、更にはSc23,Bi23,In23などを1種もしくは2種以上含有するジルコニア系セラミック;CeO2またはBi23に、MgO,CaO,ScO,BaOなどのアルカリ土類金属酸化物、Y23,La23,CeO2,Pr23,Nd23,Sm23,Eu23,Gd23,Tb23,Dy23,Ho23,Er23,Yb23等の希土類金属酸化物、Sc23,In23,PbO,WO3,MoO3,V25,Nb2などの1種もしくは2種以上を添加したセリア系またはビスマス系セラミック、更には、ペロブスカイト構造を有するAZrO3(A:Srなどのアルカリ土類元素)にIn,Gaなどをドープしたもの;LaGaO3にMgO,CaO,SrO,BaOなどのアルカリ土類金属酸化物、Y23,CeO2,Pr23,Nd23,Sm23,Eu23,Gd23,Tb23,Dy23,Ho23,Er23,Yb23などの希土類金属酸化物、更にはSc23,TiO2,V25,Cr23,Mn23,Fe23,Co34,NiO,CuO,ZnO,Nb25,WO3等の遷移金属酸化物、Al23,SiO2,In23,Sb23,Bi23等の典型金属酸化物等をドープもしくは分散強化したガレート系セラミック、ブラウンミレライト構造を有するBa2In25等のインジウム系セラミックなどが例示される。これらのセラミック中には、更に他の酸化物としてSiO2,Al23,GeO2,SnO2,Sb23,PbO,Ta25,Nb25等を含むものであってもよい。 Examples of the oxide for forming the solid electrolyte film include zirconia, alkaline earth metal oxides such as MgO, CaO, SrO, and BaO, Y 2 O 3 , La 2 O 3 , CeO 2 , Pr 2 O 3 , and Nd 2 O. 3 , rare earth metal oxides such as Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Zirconia ceramics containing one or more of Sc 2 O 3 , Bi 2 O 3 , In 2 O 3, etc .; alkaline earth metals such as MgO, CaO, ScO, BaO in CeO 2 or Bi 2 O 3 oxides, Y 2 O 3, La 2 O 3, CeO 2, Pr 2 O 3, Nd 2 O 3, Sm 2 O 3, Eu 2 O 3, Gd 2 O 3, Tb 2 O 3, Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Yb 2 O 3 and other rare earth metal oxides, Sc 2 O 3 , In 2 O 3 , PbO , WO 3 , MoO 3 , V 2 O 5 , Nb 2 O 5, or other ceria-based or bismuth-based ceramics, and AZrO 3 having a perovskite structure (A: alkali such as Sr) Earth elements) doped with In, Ga, etc .; LaGaO 3 with alkaline earth metal oxides such as MgO, CaO, SrO, BaO, Y 2 O 3 , CeO 2 , Pr 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Yb 2 O 3 , rare earth metal oxides, and Sc Transition metal oxides such as 2 O 3 , TiO 2 , V 2 O 5 , Cr 2 O 3 , Mn 2 O 3 , Fe 2 O 3 , Co 3 O 4 , NiO, CuO, ZnO, Nb 2 O 5 , WO 3 things, Al 2 O 3, SiO 2 , in 2 O 3, Sb 2 O 3, Bi 2 O 3 , etc. Type metal oxide such as doped or dispersion strengthened gallate-based ceramics, such as indium-based ceramics such as Ba 2 In 2 O 5 having a brownmillerite structure is exemplified. During these ceramics, there is further comprising SiO 2, Al 2 O 3, GeO 2, SnO 2, Sb 2 O 3, PbO, Ta 2 O 5, Nb 2 O 5 or the like as another oxide Also good.

これらの中でも特に好ましいのは、Y,Ce,Sm,Pr,Scの1以上で安定化されたジルコニア酸化物からなる固体電解質であり、またこれらの固体電解質に、アルミナ、チタニア、シリカよりなる群から選択された少なくとも1種が0.1〜2質量%配合されものも好ましいものとして推奨される。   Among these, particularly preferred are solid electrolytes made of zirconia oxide stabilized with one or more of Y, Ce, Sm, Pr, and Sc, and these solid electrolytes are made of a group consisting of alumina, titania and silica. A compound containing at least one selected from 0.1 to 2% by mass is also recommended.

中でもとりわけ好ましいのは、3〜10モル%のイットリアで安定化されたジルコニア系固体電解質、或いは4〜12モル%のスカンジアで安定化されたジルコニア系固体電解質であり、更に、これら固体電解質に0.1〜5質量%程度のアルミナ、チタニア、シリカ、セリア等が添加されたジルコニア系固体電解質である。なお、電解質の形状は、平板状、波板状、コルゲート状、ハニカム状、円筒状、円筒平板状など何れでもよい。また電解質の厚さは50〜500μm、好ましくは80〜300μm、より好ましくは100〜200μmである。   Of these, zirconia-based solid electrolytes stabilized with 3 to 10 mol% yttria or zirconia-based solid electrolytes stabilized with 4 to 12 mol% scandia are particularly preferable. A zirconia-based solid electrolyte to which about 1 to 5% by mass of alumina, titania, silica, ceria and the like are added. The shape of the electrolyte may be any of a flat plate shape, a corrugated plate shape, a corrugated shape, a honeycomb shape, a cylindrical shape, a cylindrical flat plate shape, and the like. The thickness of the electrolyte is 50 to 500 μm, preferably 80 to 300 μm, more preferably 100 to 200 μm.

そして、当該燃料極用ペーストを用いて固体電解質形燃料電池セルを作製する際には、前記電解質膜の片面側に、上記燃料極材料用の粉末混合物を、バインダー、溶剤、可塑剤、分散剤などと共に均一に混練して得たペーストやスラリーを用いてスクリーン印刷やコーティングなどにより膜形成し、1000〜1400℃、好ましくは1150〜1350℃の温度で焼付けを行なって燃料極を形成する。次いで、空気極材料としてLa,Sr,Co,Fe等の複合酸化物からなる例えばLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.83等の組成を有する空気極用ペーストを作製し、これを上記電解質膜の反対面側にスクリーン印刷などによって膜形成し、例えば900〜1200℃、好ましくは1000〜1150℃の温度で焼付けを行なうと、3層膜構造の固体電解質形燃料電池セルが得られる。 When a solid electrolyte fuel cell is produced using the fuel electrode paste, the powder mixture for the fuel electrode material is added to one side of the electrolyte membrane with a binder, a solvent, a plasticizer, and a dispersant. A film is formed by screen printing or coating using paste or slurry obtained by uniformly kneading together with the above, and baked at a temperature of 1000 to 1400 ° C., preferably 1150 to 1350 ° C., to form a fuel electrode. Next, an air electrode paste having a composition such as La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 made of a complex oxide such as La, Sr, Co, and Fe is prepared as an air electrode material. When a film is formed on the opposite surface side by screen printing or the like and baked at a temperature of, for example, 900 to 1200 ° C., preferably 1000 to 1150 ° C., a solid electrolyte fuel cell having a three-layer membrane structure is obtained.

本発明において空気極材料としては、ペロブスカイト型複合酸化物もしくはペロブスカイト型酸化物と固体電解質との混合物が好ましく使用される。上記ペロブスカイト型酸化物としては、具体的にはLa1-xSrxCo1-yFey3(0.2≦x≦0.6、0.6≦y≦0.9)、Pr1-xSrxMnO3(0.2≦x≦0.6)、La1-xSrxMnO3(0.2≦x≦0.6)などの遷移金属ペロブスカイト型酸化物が好ましい例として挙げられ、これらは単独で使用し得る他、2種以上を任意の組合せで併用してもよい。 In the present invention, the air electrode material is preferably a perovskite complex oxide or a mixture of a perovskite oxide and a solid electrolyte. Specific examples of the perovskite oxide include La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 (0.2 ≦ x ≦ 0.6, 0.6 ≦ y ≦ 0.9), Pr 1 Preferred examples include transition metal perovskite oxides such as -x Sr x MnO 3 (0.2 ≦ x ≦ 0.6) and La 1-x Sr x MnO 3 (0.2 ≦ x ≦ 0.6). These may be used alone or in combination of two or more in any combination.

なお上記では、ペロブスカイト型酸化物の組成式における酸素の原子比を3と表わしている。これは、当業者間では明らかな様に、例えば原子比x(y)が0でない場合には酸素空孔を生じるので、実際には酸素の原子比は3より小さい値を取ることが多い。しかし酸素空孔の数は、添加される元素の種類や製造条件によっても変化するので、便宜上、酸素の原子比を3と表わしている。   In the above description, the atomic ratio of oxygen in the composition formula of the perovskite oxide is represented as 3. As is apparent to those skilled in the art, for example, when the atomic ratio x (y) is not 0, oxygen vacancies are generated. In practice, therefore, the atomic ratio of oxygen often takes a value smaller than 3. However, since the number of oxygen vacancies varies depending on the type of element to be added and the manufacturing conditions, the oxygen atomic ratio is represented as 3 for convenience.

また、ペロブスカイト型酸化物と固体電解質との混合物の場合における固体電解質としては、具体的には、8〜10モル%、好ましくは8〜9モル%のY23を含むイットリア安定化ジルコニア(YSZ)や、9〜12モル%、好ましくは10〜11モル%のSc23を含むスカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)、Gd23、Y23、Sm23から選択される少なくとも1種の酸化物を10〜35モル%、好ましくは15〜30モル%、より好ましくは20〜30モル%含有するセリア固溶体(以下、Gd23を含むセリア系固溶体を「GDC」、Y23を含むセリア系固溶体を「YDC」、Sm23を含むセリア系固溶体を「SDC」ということがある)等が好ましいものとして例示され、これらも単独で使用し得る他、必要により2種以上を適宜組み合わせて使用できる。 Further, as the solid electrolyte in the case of a mixture of a perovskite oxide and a solid electrolyte, specifically, yttria-stabilized zirconia containing 8 to 10 mol%, preferably 8 to 9 mol% of Y 2 O 3 ( YSZ) and, 9-12 mol%, preferably chosen scandia-stabilized zirconia containing Sc 2 O 3 of 10 to 11 mol% (ScSZ), from Gd 2 O 3, Y 2 O 3, Sm 2 O 3 A ceria solid solution containing 10 to 35 mol%, preferably 15 to 30 mol%, more preferably 20 to 30 mol% of at least one oxide (hereinafter referred to as “GDC”, a ceria-based solid solution containing Gd 2 O 3) . Y 2 O 3 "YDC" ceria solid solution containing, as exemplified ceria solid solution containing Sm 2 O 3 as it is) or the like are preferable as "SDC", other that may be used are also alone, It can be used in combination of two or more kinds thereof by principal.

これらの空気極材料を使用し、前述した燃料極用ペーストを作成する場合と同様にして空気極用ペーストを作製する。   Using these air electrode materials, the air electrode paste is prepared in the same manner as the above-described fuel electrode paste.

更に、固体電解質材料と空気極材料とが高温で長時間曝されることで固相反応を起こし、その界面に絶縁性物質を生成することがあるので、固体電解質層と空気極層の間には中間層を設けることが好ましい。このための中間層材料としては、酸素イオン導電性と電子導電性を有し、且つ電解質材料や空気極材料と固相反応を起こし難い材料として、前記GDC,YDC,SDCが好ましく使用できる。そして、これらの材料を用いた中間層のペーストも同様に作製し、燃料極膜が形成された反対側の電解質面に中間層膜として形成すればよい。   Furthermore, since the solid electrolyte material and the air electrode material are exposed to a high temperature for a long time to cause a solid-phase reaction and an insulating material may be generated at the interface between the solid electrolyte material and the air electrode material, Is preferably provided with an intermediate layer. As the intermediate layer material for this purpose, the GDC, YDC, and SDC can be preferably used as materials that have oxygen ion conductivity and electronic conductivity and are less likely to cause a solid phase reaction with the electrolyte material or the air electrode material. Then, an intermediate layer paste using these materials may be prepared in the same manner, and formed as an intermediate layer film on the opposite electrolyte surface where the fuel electrode film is formed.

この場合、空気極は中間層膜の上に膜形成されることになるので、4層膜セルとなる。   In this case, since the air electrode is formed on the intermediate layer film, a four-layer film cell is formed.

なお、本発明において、固体電解質膜、中間層、空気極を構成する素材や成膜法などには一切制限がなく、上記ではその一例を示しただけに過ぎない。   In the present invention, the solid electrolyte membrane, the intermediate layer, the material constituting the air electrode, the film forming method, and the like are not limited at all, and the above is only an example.

また上記では、平板型の固体電解質形燃料電池セルを製造する場合について簡単に説明したが、本発明の燃料極材料は、円筒型の固体電解質形燃料電池セルの製造にも同様に適用できる。また、多孔質の支持管や支持板の表面に燃料極、固体電解質および空気極が形成された構成の固体電解質形燃料電池セルに、上記本発明の燃料極材料を適用して燃料電池セルを作製することも勿論可能である。   In the above description, the case of manufacturing a flat solid electrolyte fuel cell was briefly described. However, the fuel electrode material of the present invention can be similarly applied to the manufacture of a cylindrical solid electrolyte fuel cell. Further, a fuel cell is obtained by applying the fuel electrode material of the present invention to a solid electrolyte fuel cell having a structure in which a fuel electrode, a solid electrolyte and an air electrode are formed on the surface of a porous support tube or a support plate. Of course, it is also possible to produce.

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例により制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited by the following examples, but may be appropriately modified within a range that can meet the purpose described above and below. It is also possible to implement, and they are all included in the technical scope of the present invention.

製造例
4モル%のスカンジアで安定化されたジルコニアからなる4ScSZ電解質膜(厚さ150μm×直径30mm)の片面に、下記表1と2に記載した酸化ニッケル粒子、粗粒セリア粒子および微粒セリア粒子からなる燃料極材料をペースト化してスクリーン印刷することにより燃料極を形成した。
Production Example Nickel oxide particles, coarse ceria particles and fine ceria particles described in Tables 1 and 2 below on one side of a 4ScSZ electrolyte membrane (thickness 150 μm × diameter 30 mm) made of zirconia stabilized with 4 mol% of scandia The fuel electrode was formed by pasting the fuel electrode material consisting of the above and screen printing.

この酸化ニッケル粒子と粗粒セリア粒子は、所定の割合で合計300gをマルチパーパスミキサー(三井鉱山社製)の複合処理タンクに入れ、10000rpmで10分間高速処理することによって、粗粒セリア粒子に酸化ニッケル粒子が分散した複合粒子とした。   The nickel oxide particles and coarse ceria particles are oxidized into coarse ceria particles by putting a total of 300 g in a predetermined ratio into a combined treatment tank of a multi-purpose mixer (manufactured by Mitsui Mining Co., Ltd.) and performing high-speed treatment at 10,000 rpm for 10 minutes. Composite particles in which nickel particles were dispersed were obtained.

なお燃料極ペーストは、前記燃料極材料50gに対し、バインダーとしてエチルセルロースを2g、溶剤としてテルピネオール38g、分散剤としてソルビタン酸エステル(三洋化成社製、商品名「イオネットS−80」)0.5gを添加し、3本ロールミルで5回ミリングすることによって作製した。スクリーン印刷は、100メッシュのSUS金網の刷板を使用し、塗付、乾燥して膜厚が35μmの燃料極を形成した。   The fuel electrode paste is composed of 2 g of ethyl cellulose as a binder, 38 g of terpineol as a solvent, and 0.5 g of sorbitan acid ester (trade name “Ionet S-80”, manufactured by Sanyo Chemical Co., Ltd.) as a dispersant with respect to 50 g of the fuel electrode material. It was prepared by adding and milling 5 times with a 3 roll mill. Screen printing used a 100-mesh SUS wire mesh printing plate, and applied and dried to form a fuel electrode having a film thickness of 35 μm.

次いでその反対面側に、20モル%サマリウムドープセリア(セイミケミカル社製、比表面積:5.8m2/g、50体積%径:0.8μm、90体積%径:2.2μm)からなる中間層材料をペースト化し、200メッシュのSUS金網製の刷板を用いて8μmの膜厚となるようにスクリーン印刷した。この一方の面に燃料極膜と反対面側に中間層膜が塗付された電解質を1150℃で3時間焼付けすることによって、厚さ約30μmの燃料極と厚さ約6μmの中間層を形成した。 Next, on the opposite side, an intermediate composed of 20 mol% samarium-doped ceria (manufactured by Seimi Chemical Co., Ltd., specific surface area: 5.8 m 2 / g, 50 volume% diameter: 0.8 μm, 90 volume% diameter: 2.2 μm) The layer material was pasted and screen-printed to a thickness of 8 μm using a 200-mesh SUS wire mesh printing plate. An electrolyte having an intermediate layer film coated on one side and an opposite side film is baked at 1150 ° C. for 3 hours to form a fuel electrode having a thickness of about 30 μm and an intermediate layer having a thickness of about 6 μm. did.

また、形成された中間層の上に、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.83粉末(セイミケミカル社製、50体積%径:1.7μm、90体積%径:4.1μm)80質量%と、第一稀元素社製の10Sc1CeSZs粉末20質量%からなる空気極材料をペースト化し、これをスクリーン印刷して空気極を形成した。 Further, on the formed intermediate layer, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 powder (manufactured by Seimi Chemical Co., Ltd., 50% by volume diameter: 1.7 μm, 90% by volume diameter: 4.1 μm) and 80% by mass The air electrode material consisting of 20% by mass of 10Sc1CeSZs powder manufactured by Daiichi Rare Element Co., Ltd. was made into a paste, and this was screen printed to form an air electrode.

この空気極ペーストも、上記燃料極ペーストと同様にして作製した後、同様の100メッシュのSUS金網の刷板を用いてスクリーン印刷し、これを950℃で3時間焼付けすることによって厚さ約25μmの空気極を形成し、直径30mmで4層構造の燃料電池セルとした。   This air electrode paste was also prepared in the same manner as the fuel electrode paste, and then screen-printed using the same 100-mesh SUS wire mesh printing plate, and baked at 950 ° C. for 3 hours to a thickness of about 25 μm. A four-layer fuel cell having a diameter of 30 mm was formed.

試験例1 発電性能試験
製造例のセルを使用し、小型単セル発電試験装置を用いて発電試験を行い、最高出力密度を測定した。なお、燃料ガスとしては800℃の3%水蒸気加湿水素を、また酸化剤としては空気を使用した。電流測定装置としては、アドバンテスト社製の商品名「R8240」を用い、電流電圧発生器としては、同アドバンテスト社製の商品名「R6240」を使用した。
Test Example 1 Power Generation Performance Test Using the cell of the production example, a power generation test was performed using a small single cell power generation test apparatus, and the maximum power density was measured. The fuel gas used was 3% steam humidified hydrogen at 800 ° C., and the oxidant was air. The product name “R8240” manufactured by Advantest was used as the current measuring device, and the product name “R6240” manufactured by Advantest was used as the current-voltage generator.

また、連続発電による出力密度の劣化傾向を確認するため、300mA/cm2の電流を流しながら燃料利用率が30%のときの出力電圧を測定し、初期から200時間、500時間、1000時間経過後の劣化率を測定した。更に、500時間、1000時間経過後の燃料極断面のSEM像を撮影し、燃料極の気孔径の変化を調べた。なお、出力密度劣化率および気孔率低下率は下記の様にして求めた。
出力密度劣化率=[(初期の出力電圧−所定時間経過後の出力電圧)/初期の出力電圧]×100(%)
In addition, in order to confirm the deterioration tendency of the output density due to continuous power generation, the output voltage when the fuel utilization rate is 30% while flowing a current of 300 mA / cm 2 was measured, and 200 hours, 500 hours, and 1000 hours passed from the initial stage. The subsequent deterioration rate was measured. Further, SEM images of the fuel electrode cross section after the elapse of 500 hours and 1000 hours were taken, and changes in the pore diameter of the fuel electrode were examined. The power density deterioration rate and the porosity reduction rate were determined as follows.
Output density degradation rate = [(initial output voltage−output voltage after elapse of a predetermined time) / initial output voltage] × 100 (%)

試験例2 気孔率低下率
4層構造膜セルの断面における燃料極の箇所を、走査型電子顕微鏡(日本電子社製、商品名「JSM−5410LV」)を用いて観察し、無作為に選択した120×90μmに相当する部分を9.6×7.2cmに800倍拡大したSEM写真を撮影し、該SEM写真で黒く写る部分を気孔としてその面積を測定し、得られた面積を(9.6×7.2)で割り、100倍した数値を気孔率とした。
気孔率低下率=[(初期の気孔率−所定時間経過後の気孔率)/初期の気孔率]×100(%)
Test Example 2 Porosity Reduction Rate The location of the fuel electrode in the cross section of the four-layer structure membrane cell was observed using a scanning electron microscope (manufactured by JEOL Ltd., trade name “JSM-5410LV”) and selected at random. An SEM photograph in which a portion corresponding to 120 × 90 μm was magnified 800 times to 9.6 × 7.2 cm was taken, and the area that was black in the SEM photograph was measured as pores, and the obtained area (9. Divided by 6 × 7.2) and multiplied by 100 was taken as the porosity.
Porosity reduction rate = [(initial porosity−porosity after a predetermined time) / initial porosity] × 100 (%)

試験例3 耐レドックス性試験
製造例のセルを使用し、燃料ガスとして3%水蒸気加湿水素を、酸化剤として空気を用いて、800℃で300mA/cm2の電流を流しながら燃料利用率が30%のときのセル端子電圧を測定した。また、実験開始から168時間経過後、800℃に保ちながら燃料ガスの供給を停止し、代わりに空気を1時間流した後に再度燃料ガスを23時間流すことを繰り返し、3回繰り返した後と5回繰り返した後におけるセル電圧低下率を測定した。なお、耐レドックス性低下率は、下記の通り求めた。
耐レドックス低下率=[(168時間後のセル電圧−所定レドックス後のセル電圧)/168時間後のセル電圧]×100(%)
Test Example 3 Redox Resistance Test Using the cell of the production example, using 3% steam-humidified hydrogen as the fuel gas and air as the oxidant, a current utilization of 30 mA / cm 2 was passed at 800 ° C., and the fuel utilization rate was 30 The cell terminal voltage at% was measured. After 168 hours from the start of the experiment, the fuel gas supply was stopped while maintaining the temperature at 800 ° C., and instead, the air was flowed for 1 hour, and then the fuel gas was flown again for 23 hours. The cell voltage drop rate after repeating the measurement was measured. In addition, the reduction rate of redox resistance was calculated | required as follows.
Reduction rate of redox resistance = [(cell voltage after 168 hours−cell voltage after predetermined redox) / cell voltage after 168 hours] × 100 (%)

以上の試験例1〜3の結果を表1と2に示す。なお、表1と2中の略号の意味は下記の通りである。
「NiO−D」:正同化学社製の酸化ニッケル粉末、
「NiO」:セイミ化学社製の酸化ニッケル粉末、
「4ScSZ」:第一稀元素化学社製の4モル%スカンジア安定化ジルコニア粉末、
「6ScSZ」:第一稀元素化学社製の6モル%スカンジア安定化ジルコニア粉末、
「TZ−3Y−E」:東ソー社製の3モル%イットリア安定化ジルコニア粉末、
「TZ−4YS」:東ソー社製の4モル%イットリア安定化ジルコニア粉末、
「TZ−8YS」:東ソー社製の8モル%イットリア安定化ジルコニア粉末、
「SDC−30粗粒品」:第一稀元素化学社製のサマリア安定化セリア粗粒子、
「SDC−20粗粒品」:第一稀元素化学社製のサマリア安定化セリア粗粒子、
「GDC−20仮焼品」:第一稀元素化学社製のガドリア安定化セリア仮焼品、
「YDC−20仮焼品」:第一稀元素化学社製のイットリア安定化セリア仮焼品、
「GDC−20 0.3μm」:セイミケミカル社製の平均粒子径0.3μmのガドリア安定化セリア粒子、
「GDC−20 0.5μm」:セイミケミカル社製の平均粒子径0.5μmのガドリア安定化セリア粒子、
「SDC−20 0.3μm」:セイミケミカル社製の平均粒子径0.3μmのサマリア安定化セリア粒子。
The results of the above Test Examples 1 to 3 are shown in Tables 1 and 2. The meanings of the abbreviations in Tables 1 and 2 are as follows.
“NiO-D”: nickel oxide powder manufactured by Shodo Chemical Co., Ltd.
“NiO”: nickel oxide powder manufactured by Seimi Chemical Co., Ltd.
“4ScSZ”: 4 mol% scandia-stabilized zirconia powder manufactured by Daiichi Rare Element Chemical Co., Ltd.
“6ScSZ”: 6 mol% scandia-stabilized zirconia powder manufactured by Daiichi Rare Elemental Chemical Co., Ltd.
“TZ-3Y-E”: 3 mol% yttria stabilized zirconia powder manufactured by Tosoh Corporation
“TZ-4YS”: 4 mol% yttria-stabilized zirconia powder manufactured by Tosoh Corporation
“TZ-8YS”: 8 mol% yttria stabilized zirconia powder manufactured by Tosoh Corporation
“SDC-30 coarse particles”: Samaria stabilized ceria coarse particles manufactured by Daiichi Rare Elemental Chemical Co., Ltd.
"SDC-20 coarse product": Samaria stabilized ceria coarse particles manufactured by Daiichi Rare Elemental Chemical Co., Ltd.
“GDC-20 calcined product”: Gadria stabilized ceria calcined product manufactured by Daiichi Rare Element Chemicals,
“YDC-20 calcined product”: Yttria stabilized ceria calcined product manufactured by Daiichi Rare Element Chemicals,
“GDC-20 0.3 μm”: Gadria-stabilized ceria particles having an average particle size of 0.3 μm manufactured by Seimi Chemical Co., Ltd.
“GDC-20 0.5 μm”: Gadria-stabilized ceria particles having an average particle size of 0.5 μm manufactured by Seimi Chemical Co., Ltd.
“SDC-20 0.3 μm”: Samarium-stabilized ceria particles having an average particle size of 0.3 μm manufactured by Seimi Chemical Co., Ltd.

Figure 2007335142
Figure 2007335142

Figure 2007335142
Figure 2007335142

表1と2から、次の様に考えることができる。   From Tables 1 and 2, it can be considered as follows.

表2の実験No.7と9は、燃料極を構成する素材として酸化ニッケル粒子と微粒セリア粒子を含んでいるものの、粗粒セリア粒子を含まない例である。その結果、粒子の充填密度が高くなり過ぎて過剰に緻密化されることにより気孔率が大きく低下し、また、酸化と還元の繰り返しによる酸化ニッケルの膨張と収縮を緩和できず、耐レドックス性が大きく低下した。また、実験No.8と10は、酸化ニッケル粒子と粗粒セリア粒子を含んでいるものの、微粒セリア粒子を含まない例である。その結果、燃料極自体の耐久性が十分でなく、出力密度が経時的に大きく低下することになった。   Experiment No. 2 in Table 2 7 and 9 are examples in which nickel oxide particles and fine ceria particles are included as materials constituting the fuel electrode, but no coarse ceria particles are included. As a result, the packing density of the particles becomes too high and excessively densified, resulting in a significant decrease in porosity. In addition, the expansion and contraction of nickel oxide due to repeated oxidation and reduction cannot be alleviated, and redox resistance is improved. It was greatly reduced. In addition, Experiment No. 8 and 10 are examples in which nickel oxide particles and coarse ceria particles are included but fine ceria particles are not included. As a result, the durability of the fuel electrode itself was not sufficient, and the power density was greatly reduced over time.

これらに対し表1の実験No.1〜6は、いずれも本発明の規定要件を満たす実施例であり、燃料極に粗粒セリア粒子群、酸化ニッケル粒子群、および微粒セリア粒子群がバランス良く含まれるため、出力密度および気孔率の経時劣化が少なく、長時間運転でも十分な発電効率を持続し得る上に、何れも耐レドックス性に優れたものであることが分かる。   In contrast, the experiment No. Nos. 1 to 6 are examples that satisfy the requirements of the present invention, and since the coarse ceria particle group, the nickel oxide particle group, and the fine ceria particle group are included in the fuel electrode in a well-balanced manner, the output density and porosity As can be seen from the graph, the deterioration with time is small, sufficient power generation efficiency can be maintained even during long-time operation, and all have excellent redox resistance.

実施例3の発電試験で用いた小型単セル発電装置の模式図である。6 is a schematic diagram of a small single cell power generator used in a power generation test of Example 3. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1:ヒータ、 2:アルミナ製外筒管、 3:アルミナ製内筒管、 4:白金リード線、 5:固体電解質シート、 6:空気極、 7:燃料極、 8:シール材   1: Heater, 2: Alumina outer tube, 3: Alumina inner tube, 4: Platinum lead wire, 5: Solid electrolyte sheet, 6: Air electrode, 7: Fuel electrode, 8: Sealing material

Claims (7)

粗粒セリア粒子群、酸化ニッケル粒子群、および微粒セリア粒子群との混合物からなり、
各粒子群の平均粒径が、粗粒セリア粒子群>酸化ニッケル粒子群>微粒セリア粒子群の関係を満たすことを特徴とするニッケル−セリア系固体酸化物形燃料電池用燃料極材料。
It consists of a mixture of coarse ceria particles, nickel oxide particles, and fine ceria particles,
A fuel electrode material for a nickel-ceria-based solid oxide fuel cell, wherein the average particle size of each particle group satisfies a relationship of coarse ceria particle group> nickel oxide particle group> fine ceria particle group.
各粒子群の含有比率が、粗粒セリア粒子群:15〜50質量%、酸化ニッケル粒子群:40〜70質量%、微粒セリア粒子群:5〜30質量%である請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池用燃料極材料。   2. The solid according to claim 1, wherein the content ratio of each particle group is coarse ceria particle group: 15-50 mass%, nickel oxide particle group: 40-70 mass%, fine ceria particle group: 5-30 mass%. Fuel electrode material for oxide fuel cells. 粗粒セリア粒子群の平均粒径が2〜50μm、酸化ニッケル粒子群の平均粒径が0.5〜5μm、微粒セリア粒子群の平均粒径が0.1〜3μmである請求項1または2に記載の固体酸化物形燃料電池用燃料極材料。   The average particle size of the coarse ceria particle group is 2 to 50 µm, the average particle size of the nickel oxide particle group is 0.5 to 5 µm, and the average particle size of the fine ceria particle group is 0.1 to 3 µm. A fuel electrode material for a solid oxide fuel cell as described in 1 above. 粗粒セリア粒子群および/または微粒セリア粒子群が、
イットリウム、サマリウム、またはガドリニウムでドープされたセリア;
セリア含有量が51質量%以上であるセリア−ジルコニア複合粒子;および
イットリウム、サマリウム、またはガドリニウムでドープされたものであり、その含有量が51質量%以上であるセリアと、ジルコニアおよび/またはアルミナとの混合粒子;
からなる群から選択される1種または2種以上である請求項1〜3の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池用燃料極材料。
Coarse ceria particles and / or fine ceria particles are
Ceria doped with yttrium, samarium or gadolinium;
Ceria-zirconia composite particles having a ceria content of 51% by mass or more; and ceria doped with yttrium, samarium, or gadolinium, the content of which is 51% by mass or more, and zirconia and / or alumina; Mixed particles of
The fuel electrode material for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3, which is one or more selected from the group consisting of:
固体酸化物形燃料電池における固体電解質の片面側に形成された燃料極であって、当該燃料極が請求項1〜4の何れかに記載の燃料極材料で形成されたものである固体酸化物形燃料電池用燃料極。   A fuel electrode formed on one side of a solid electrolyte in a solid oxide fuel cell, wherein the fuel electrode is formed of the fuel electrode material according to any one of claims 1 to 4. Fuel electrode for fuel cell. 固体電解質の片面側に燃料極が形成され、他方面側に空気極が形成された固体酸化物形燃料電池セルであって、当該燃料極が請求項1〜4の何れかに記載の燃料極材料で形成されたものである固体酸化物形燃料電池セル。   5. A solid oxide fuel cell having a fuel electrode formed on one side of a solid electrolyte and an air electrode formed on the other side, wherein the fuel electrode is the fuel electrode according to claim 1. A solid oxide fuel cell formed of a material. 請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池セルを含む固体酸化物形燃料電池。   A solid oxide fuel cell comprising the solid oxide fuel cell according to claim 6.
JP2006163169A 2006-06-13 2006-06-13 Nickel-ceria fuel electrode material for solid oxide fuel battery Pending JP2007335142A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006163169A JP2007335142A (en) 2006-06-13 2006-06-13 Nickel-ceria fuel electrode material for solid oxide fuel battery

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006163169A JP2007335142A (en) 2006-06-13 2006-06-13 Nickel-ceria fuel electrode material for solid oxide fuel battery

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2007335142A true JP2007335142A (en) 2007-12-27

Family

ID=38934417

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006163169A Pending JP2007335142A (en) 2006-06-13 2006-06-13 Nickel-ceria fuel electrode material for solid oxide fuel battery

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2007335142A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011036972A1 (en) * 2009-09-25 2011-03-31 日本碍子株式会社 Cell of solid oxide fuel cell
WO2014021028A1 (en) * 2012-07-31 2014-02-06 Agcセイミケミカル株式会社 Method for producing fuel electrode material for solid oxide fuel cell
JP2015111534A (en) * 2013-12-06 2015-06-18 株式会社ノリタケカンパニーリミテド Electrode material for solid oxide fuel cell and use thereof
JP2017076520A (en) * 2015-10-14 2017-04-20 株式会社ノリタケカンパニーリミテド Electrode material for solid oxide type fuel cell, and solid oxide type fuel cell arranged by use thereof

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08306361A (en) * 1995-04-28 1996-11-22 Central Res Inst Of Electric Power Ind Fuel electrode material for solid electrolyte fuel cell and its manufacture
JPH1021929A (en) * 1996-06-28 1998-01-23 Kyocera Corp Solid electrolyte type fuel cell
JP2004327278A (en) * 2003-04-25 2004-11-18 Nissan Motor Co Ltd Electrode material for fuel cell, and solid oxide fuel cell using same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08306361A (en) * 1995-04-28 1996-11-22 Central Res Inst Of Electric Power Ind Fuel electrode material for solid electrolyte fuel cell and its manufacture
JPH1021929A (en) * 1996-06-28 1998-01-23 Kyocera Corp Solid electrolyte type fuel cell
JP2004327278A (en) * 2003-04-25 2004-11-18 Nissan Motor Co Ltd Electrode material for fuel cell, and solid oxide fuel cell using same

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011036972A1 (en) * 2009-09-25 2011-03-31 日本碍子株式会社 Cell of solid oxide fuel cell
JP4868557B2 (en) * 2009-09-25 2012-02-01 日本碍子株式会社 Solid oxide fuel cell
WO2014021028A1 (en) * 2012-07-31 2014-02-06 Agcセイミケミカル株式会社 Method for producing fuel electrode material for solid oxide fuel cell
JPWO2014021028A1 (en) * 2012-07-31 2016-07-21 Agcセイミケミカル株式会社 Method for producing fuel electrode material for solid oxide fuel cell
US9570754B2 (en) 2012-07-31 2017-02-14 Agc Seimi Chemical Co., Ltd. Process for producing anode material for solid oxide fuel cell
JP2015111534A (en) * 2013-12-06 2015-06-18 株式会社ノリタケカンパニーリミテド Electrode material for solid oxide fuel cell and use thereof
JP2017076520A (en) * 2015-10-14 2017-04-20 株式会社ノリタケカンパニーリミテド Electrode material for solid oxide type fuel cell, and solid oxide type fuel cell arranged by use thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4795949B2 (en) Fuel electrode material for solid oxide fuel cell, fuel electrode using the same, and fuel cell
JP5525564B2 (en) Air electrode materials for solid oxide fuel cells
JP5260209B2 (en) Method for producing cell for solid oxide fuel cell and cell for solid oxide fuel cell
JP6573243B2 (en) Air electrode composition, air electrode and fuel cell including the same
JP2007200664A (en) Method of manufacturing solid oxide fuel cell
JP5611249B2 (en) Solid oxide fuel cell and cathode forming material of the fuel cell
JP2007335142A (en) Nickel-ceria fuel electrode material for solid oxide fuel battery
JP2011142042A (en) Power generation cell for solid oxide fuel battery and its manufacturing method
JP6042320B2 (en) Electrode materials and their use
JP4950721B2 (en) Fuel electrode material for solid oxide fuel cells
Torres-Garibay et al. Ln0. 6Sr0. 4Co1− yFeyO3− δ (Ln= La and Nd; y= 0 and 0.5) cathodes with thin yttria-stabilized zirconia electrolytes for intermediate temperature solid oxide fuel cells
CN107646151A (en) Oxide particle, the negative electrode comprising it and include its fuel cell
JP2013229311A (en) Solid oxide fuel cell
JP2008257943A (en) Electrode for solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell having same
JP6433168B2 (en) SOLID ELECTROLYTE FUEL CELL AND MATERIAL FOR RESULTING INHIBITION LAYER FORM
JP2006059611A (en) Ceria based solid electrolyte fuel cell and its manufacturing method
JP2014067562A (en) Solid oxide type fuel cell and power generating method using the same
JP6151212B2 (en) Low temperature operation type solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof
JP2006059610A (en) Solid electrolyte fuel cell and its manufacturing method
JP2005108719A (en) Solid oxide fuel cell
JP2016207384A (en) Method for manufacturing ceramic green laminate for solid oxide fuel cell, method for manufacturing half cell for solid oxide fuel cell, method for manufacturing single cell for solid oxide fuel cell, ceramic green laminate for solid oxide fuel cell, half cell for solid oxide fuel cell, and single cell for solid oxide fuel cell
JP5091433B2 (en) Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof
JP6199680B2 (en) Solid oxide fuel cell half cell and solid oxide fuel cell
JP5965383B2 (en) Solid oxide fuel cell and composition for forming reaction suppression layer of the cell
JP2007200663A (en) Manufacturing method of cerium based solid electrolyte fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20090123

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20110920

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110927

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20111125

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20120501