JP2009140693A - Solid oxide fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ペロブスカイト型の金属酸化物及び希土類を添加したセリウム酸化物を含んで構成された空気極を用いる固体酸化物形燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell using an air electrode comprising a perovskite-type metal oxide and a cerium oxide to which a rare earth is added.
優れた電解質材料であるジルコニア系酸素イオン伝導体を用いた固体酸化物形燃料電池に関心が高まりつつある。特に、エネルギーの有効利用という観点から、固体燃料電池はカルノー効率の制約を受けないために本質的に高いエネルギー変換効率を有し、さらに、良好な環境保全が期待されるなどの優れた特徴を持っている。 There is a growing interest in solid oxide fuel cells using zirconia-based oxygen ion conductors, which are excellent electrolyte materials. In particular, from the viewpoint of effective use of energy, solid fuel cells have essentially high energy conversion efficiency because they are not restricted by Carnot efficiency, and have excellent features such as good environmental conservation. have.
固体酸化物形燃料電池は、当初、動作温度が900〜1000℃と高く、全ての部材がセラミックで構成されていた。このため、セルスタックの製造コストの低減が容易ではなかった。ここで、動作温度を800℃以下まで低下させることができれば、インターコネクタに耐熱合金材料を用いることが可能となり、製造コストの低減が可能となる。しかしながら、動作温度の低下に伴い、空気極における電気化学的な抵抗、すなわち過電圧が、急激に増大して出力電圧の低下を招いてしまう。 The solid oxide fuel cell initially had a high operating temperature of 900 to 1000 ° C., and all members were made of ceramic. For this reason, it was not easy to reduce the manufacturing cost of the cell stack. Here, if the operating temperature can be lowered to 800 ° C. or less, a heat-resistant alloy material can be used for the interconnector, and the manufacturing cost can be reduced. However, as the operating temperature decreases, the electrochemical resistance at the air electrode, that is, the overvoltage, suddenly increases and the output voltage decreases.
このような動作温度の低下による空気極の問題を解消するために、La1-XSrXFe1-YNiYO3(LSFC:X=0.1〜0.3,Y=0.1〜0.6,X+Y<0.7)、La1-XSrXCoO3(X=0.1〜0.5)、LaNi1-XFeXO3(LNF:X=0.3〜0.8)などの、高い電極活性(電気化学反応の性能)を有するペロブスカイト型の金属酸化物(ペロブスカイト酸化物)を用いる技術がある。これらの材料は、AサイトにLa及びSrを含み、BサイトにNi,Co,及びFeを含むペロブスカイト酸化物である。また、AサイトにLa及びCaを含むものもある。これらの材料は、低温動作用の空気極に適している。 In order to solve the problem of the air electrode due to such a decrease in operating temperature, La 1-X Sr X Fe 1-Y Ni Y O 3 (LSFC: X = 0.1 to 0.3, Y = 0.1 ~0.6, X + Y <0.7) , La 1-X Sr X CoO 3 (X = 0.1~0.5), LaNi 1-X Fe X O 3 (LNF: X = 0.3~0 There is a technique using a perovskite-type metal oxide (perovskite oxide) having high electrode activity (electrochemical reaction performance) such as .8). These materials are perovskite oxides containing La and Sr at the A site and Ni, Co, and Fe at the B site. Some A sites contain La and Ca. These materials are suitable for an air electrode for low temperature operation.
しかしながら、空気極はジルコニアを含む電解質と接した状態で焼成することで製造されるため、電解質と接触している部分にLa2Zr2O7などの絶縁体が生成され、この生成物が、空気極における特性を低下させる原因の一つとなっている。この問題を防ぐために、空気極と電解質との間に、Ce0.9Gd0.1O2及びCe0.9Sm0.2O2などの、希土類を添加したセリウム酸化物(セリア化合物)からなるセリア層を設け、空気極側のペロブスカイト酸化物と電解質側のジルコニアとの接触を断つ方法が検討されている(非特許文献1)。このように設けたセリア層は、酸素イオン伝導性が高く、ペロブスカイト酸化物との間で絶縁体を生成するような反応が起こりにくくなる。 However, since the air electrode is manufactured by firing in contact with an electrolyte containing zirconia, an insulator such as La 2 Zr 2 O 7 is generated in a portion in contact with the electrolyte, and this product is This is one of the causes of deteriorating characteristics in the air electrode. In order to prevent this problem, a ceria layer made of cerium oxide (ceria compound) to which rare earth is added, such as Ce 0.9 Gd 0.1 O 2 and Ce 0.9 Sm 0.2 O 2 , is provided between the air electrode and the electrolyte. A method of breaking the contact between the pole-side perovskite oxide and the electrolyte-side zirconia has been studied (Non-Patent Document 1). The ceria layer thus provided has high oxygen ion conductivity, and a reaction that generates an insulator with the perovskite oxide is less likely to occur.
また、上述した材料より構成された空気極による固体酸化物形燃料電池の低温特性を更に向上させるために、ペロブスカイト酸化物の粒子とセリア化合物との混合体を、電解質付近に設ける方法が知られている(非特許文献2参照)。ペロブスカイト酸化物の粉末(粉体)とセリア化合物の微粉末とが混合された状態に空気極を形成することで、電解質と空気極との接合部分に生じる電極活性な面積が増大し、電極の界面抵抗を低減させることができる。セリア化合物は、上述したCo系及びFe系空気極材料との反応劣化が起こりにくいため、空気極に混合ずる材料として適している。この混合体よりなる空気極では、ペロブスカイト酸化物の粒子がセリア化合物の粒子で覆われる配置となり、電解質を構成しているジルコニア系材料の部分とペロブスカイト酸化物材料との直接の接触を抑制し、La2Zr2O7などの有害なジルコニアとの反応生成物の生成が抑制されるようになる。 Further, in order to further improve the low temperature characteristics of a solid oxide fuel cell using an air electrode composed of the above-described materials, a method of providing a mixture of perovskite oxide particles and a ceria compound in the vicinity of an electrolyte is known. (See Non-Patent Document 2). By forming the air electrode in a state where the perovskite oxide powder (powder) and the fine powder of the ceria compound are mixed, the active area of the electrode generated at the joint between the electrolyte and the air electrode is increased. Interfacial resistance can be reduced. The ceria compound is suitable as a material to be mixed with the air electrode because the reaction deterioration with the Co-based and Fe-based air electrode materials described above hardly occurs. In the air electrode made of this mixture, the perovskite oxide particles are arranged to be covered with ceria compound particles, and the direct contact between the zirconia-based material portion constituting the electrolyte and the perovskite oxide material is suppressed, Production of reaction products with harmful zirconia such as La 2 Zr 2 O 7 is suppressed.
上述したように、セリア化合物とペロブスカイト酸化物とより空気極を構成することで、空気極における電気化学的な抵抗の増大による出力電圧の低下という、動作温度の低下による空気極の問題が解消されるようになったが、空気極におけるさらなる出力電圧の向上が要求されるようになってきている。 As described above, by forming the air electrode from the ceria compound and the perovskite oxide, the problem of the air electrode due to a decrease in operating temperature, such as a decrease in output voltage due to an increase in electrochemical resistance in the air electrode, is solved. However, further improvement of the output voltage at the air electrode has been required.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、セリア化合物とペロブスカイト酸化物とより空気極が構成されている固体酸化物形燃料電池において、さらなる出力電圧の向上が得られるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and in a solid oxide fuel cell in which an air electrode is composed of a ceria compound and a perovskite oxide, the output voltage can be further improved. It aims to be obtained.
本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、燃料極,電解質,及び空気極を備える固体酸化物形燃料電池において、空気極は、希土類が添加されたセリウム酸化物からなる第1材料と、プラセオジムが添加されたペロブスカイト型の金属酸化物からなる第2材料とを含んでいるようにしたものである。 The solid oxide fuel cell according to the present invention is a solid oxide fuel cell including a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode. The air electrode includes a first material made of cerium oxide to which a rare earth is added, and praseodymium. And a second material made of a perovskite-type metal oxide to which is added.
上記固体酸化物形燃料電池において、空気極は、第1材料からなる第1粉体と第2材料からなる第2粉体とが混合された混合粉体の焼結体から構成されていればよい。 In the above solid oxide fuel cell, if the air electrode is composed of a sintered body of a mixed powder in which the first powder made of the first material and the second powder made of the second material are mixed. Good.
上記固体酸化物形燃料電池において、空気極は、電解質の側に配置され、第1材料及び第2材料より構成された領域を備えるようにしてもよい。 In the solid oxide fuel cell, the air electrode may be disposed on the electrolyte side and include a region made of the first material and the second material.
上記固体酸化物形燃料電池において、電解質と空気極との間に配置され、希土類が添加されたセリウム酸化物より構成された中間層を備えるようにしても良い。 The solid oxide fuel cell may include an intermediate layer that is disposed between the electrolyte and the air electrode and is made of cerium oxide to which a rare earth is added.
上記固体酸化物形燃料電池において、空気極の電解質と反対側に配置されてペロブスカイト型の金属酸化物より構成された集電層を備えるようにしてもよい。 The solid oxide fuel cell may include a current collecting layer that is disposed on the opposite side of the air electrode from the electrolyte and is made of a perovskite metal oxide.
なお、上記固体酸化物形燃料電池において、第2材料は、(Sm1-xPrx)1-zSrzCoO3(0.04≦x≦0.5,0≦z≦0.6),La1-xPrxNi1-yFeyO3(0.04≦x≦1.0,0.3≦y≦0.8),及び(La1-xPrx)1-zSrzFe1-yCoyO3(0.04≦x≦1.0,0.1≦y≦0.4,0,1≦z≦0.5)のいずれかであればよい。 In the solid oxide fuel cell, the second material is (Sm 1-x Pr x ) 1-z Sr z CoO 3 (0.04 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 0.6). , La 1-x Pr x Ni 1-y Fe y O 3 (0.04 ≦ x ≦ 1.0, 0.3 ≦ y ≦ 0.8), and (La 1-x Pr x ) 1-z Sr Any of z Fe 1-y Co y O 3 (0.04 ≦ x ≦ 1.0, 0.1 ≦ y ≦ 0.4, 0, 1 ≦ z ≦ 0.5) may be used.
以上説明したように、本発明によれば、空気極は、希土類が添加されたセリウム酸化物からなる第1材料と、プラセオジムが添加されたペロブスカイト型の金属酸化物からなる第2材料とを含んでいるようにしたので、セリア化合物とペロブスカイト酸化物とより空気極が構成されている固体酸化物形燃料電池において、さらなる出力電圧の向上が得られるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, the air electrode includes the first material made of cerium oxide to which rare earth is added and the second material made of perovskite metal oxide to which praseodymium is added. Therefore, in the solid oxide fuel cell in which the air electrode is composed of the ceria compound and the perovskite oxide, an excellent effect of further improving the output voltage can be obtained.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[実施の形態1]
始めに、本発明の実施の形態1について図1を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態1における固体酸化物形燃料電池の構成例を模式的に示す断面図である。この固体酸化物燃料電池は、ジルコニア系の材料から構成された電解質101と、電解質101の一方の面に形成された燃料極102とを備える。また、本実施の形態の固体酸化物形燃料電池は、電解質101の他方に形成され、希土類が添加されたセリウム酸化物(セリア化合物:第1材料)と、プラセオジム(Pr)が添加されたペロブスカイト型の金属酸化物(ペロブスカイト酸化物:第2材料)とを含んで構成された空気極103を備える。
[Embodiment 1]
First, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of a solid oxide fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention. This solid oxide fuel cell includes an
例えば、空気極103は、セリア化合物からなる所定の粒径の粉末(第1粉体)と、Prが添加されたペロブスカイト酸化物からなる所定の粒径の粉末(第2粉体)とが混合された混合粉体の焼結体から構成されていればよい。空気極103においては、Prが添加されたペロブスカイト酸化物の粒子に接触しているセリア化合物の粒子と、Prが添加されたペロブスカイト酸化物の粒子に接触せず、Prが添加されたペロブスカイト酸化物の粒子から離れて存在しているセリア化合物の粒子とが存在している。
For example, the
なお、電解質101は、例えば、酸化スカンジウム(Sc2O3)及び酸化アルミニウム(Al2O3)安定化ZrO2(SASZ),イットリア安定化ジルコニア(YSZ),スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ),サマリア安定化ジルコニア(SSZ)などのジルコニア材料の粉体の焼結体から構成されていればよい。また、燃料極102は、例えば、ニッケル−イットリア安定化ジルコニアサーメット(Ni−YSZ),ニッケル−スカンジア安定化ジルコニア(Ni−ScSZ)などの、電解質101を構成する酸化物材料に金属ニッケルが混合された電子伝導性を有する金属−酸化物混合体(サーメット)の粉体の焼結体から構成されていればよい。
The
また、これらの各層は、よく知られているように、粉体もしくは混合粉体のスラリを作製し、ドクターブレード法による成形やスクリーン印刷法による塗布で、スラリの膜(層)を形成し、これを1000〜1200℃で焼成することで作製することができる。 In addition, as is well known, each of these layers produces a slurry of powder or mixed powder, and forms a slurry film (layer) by molding by a doctor blade method or application by a screen printing method, This can be produced by firing at 1000 to 1200 ° C.
このように構成した本実施の形態の固体酸化物形燃料電池によれば、空気極103において、電子(ホール)伝導性が向上してイオン伝導性と電子(ホール)伝導性が向上した混合伝導体の領域が形成されるようになり、特性が向上して出力電圧の向上が得られるようになる。なお、都市ガスなどの炭化水素ガスを改質して得られた水素を含む燃料ガスが燃料極102に供給され、酸化剤ガスとしての酸素を含む空気が空気極103に供給されることで、発電動作が行われる。
According to the solid oxide fuel cell of the present embodiment configured as described above, in the
ここで、Prを添加することについて説明する。空気極103を構成しているペロブスカイト酸化物にPrを添加する(固溶させる)と、Prは、ペロブスカイト酸化物の中で、いわゆるAサイトに入り、Aサイトの一部がPr原子に置換されることになる。このように、ペロブスカイト酸化物に添加された一部のPrは、同時に空気極103に存在してペロブスカイト酸化物に接触しているセリア化合物に拡散して固溶する。このようにして一部のPrが拡散することで固溶したセリア化合物においては、ホール伝導性が大きく向上する。なお、固溶とは、固体の状態で溶解する状態を示し、基の物質の結晶構造を保持したまま、添加される元素が基の物質の結晶内に入り込むことを示している。
Here, the addition of Pr will be described. When Pr is added to the perovskite oxide constituting the air electrode 103 (solid solution), Pr enters the so-called A site in the perovskite oxide, and a part of the A site is replaced with Pr atoms. Will be. As described above, a part of Pr added to the perovskite oxide is simultaneously diffused and dissolved in the ceria compound that exists in the
一方、Prが添加されているペロブスカイト酸化物に接触していないセリア化合物においては、上述したようにPrが拡散して固溶することが無い。従って、空気極103において、ペロブスカイト酸化物から離れている部分のセリア化合物においては、電解質としての材料として理想的な組成が維持され、Prが添加されたことによるイオン伝導度の低下は発生しない。
On the other hand, in the ceria compound not in contact with the perovskite oxide to which Pr is added, Pr does not diffuse and dissolve as described above. Therefore, in the
このように、空気極103においては、ペロブスカイト酸化物が存在している領域において、これに隣接するセリア化合物のホール伝導性が大きく向上される。
Thus, in the
ところで、空気極における電気化学反応は、電解質を構成しているイオン伝導体であるセリア化合物と、電子伝導体(ホール伝導体)であるペロブスカイト酸化物と、空気極に供給されている空気(酸化剤ガス)との3つの相が接している領域(三相界面)でおきている。空気極に供給された空気中の酸素ガス(O2)が、電子伝導性を有し得いるペロブスカイト酸化物に触れて電子を受け取ることで酸素イオン(O2-)となり、この酸素イオン(酸化物イオン)が、電解質を構成しているイオン伝導体であるセリア化合物を伝導していくことになる。従って、基本的には、空気極と燃料極との界面において、空気極における電気化学反応が起きていることになる。 By the way, the electrochemical reaction in the air electrode includes a ceria compound that is an ionic conductor constituting an electrolyte, a perovskite oxide that is an electron conductor (hole conductor), and air (oxidation) that is supplied to the air electrode. It occurs in the region (three-phase interface) where the three phases are in contact with the agent gas. When oxygen gas (O 2 ) in the air supplied to the air electrode touches the perovskite oxide that can have electron conductivity and receives electrons, it becomes oxygen ions (O 2− ), and these oxygen ions (oxidation) The product ions) conduct through the ceria compound, which is an ionic conductor constituting the electrolyte. Therefore, basically, an electrochemical reaction in the air electrode occurs at the interface between the air electrode and the fuel electrode.
これに対し、本実施の形態によれば、空気極を構成しているセリア化合物においても、ペロブスカイト酸化物に接触している部分においては、ホール伝導性を備える混合伝導体となる。このため、空気極におけるPrが拡散しているセリア化合物でも、これに触れた酸素ガスは、電子を受け取って酸素イオンとなり、かつ、このセリア化合物を伝導して電解質にまで到達することになる。このように、本実施の形態の固体酸化物形燃料電池によれば、空気極における電気化学反応の反応場(三相界面)が、空気極と燃料極との界面から、空気極の側にも広がることになる。例えば、Prによりホール伝導性を備えるようになったセリア化合物においてイオン化された酸素(酸素イオン)が、電解質に到達可能な範囲まで、空気極103の側に三相界面が拡大することになる。
On the other hand, according to the present embodiment, even in the ceria compound constituting the air electrode, the portion in contact with the perovskite oxide becomes a mixed conductor having hole conductivity. For this reason, even in the ceria compound in which Pr is diffused in the air electrode, the oxygen gas that has come into contact with it receives electrons to become oxygen ions, and conducts this ceria compound to reach the electrolyte. Thus, according to the solid oxide fuel cell of the present embodiment, the reaction field (three-phase interface) of the electrochemical reaction in the air electrode is from the interface between the air electrode and the fuel electrode to the air electrode side. Will also spread. For example, the three-phase interface expands on the
これらの結果、本実施の形態においては、空気極103におけるイオン伝導性及び電子伝導性(ホール伝導性)を低下させることなく、空気極103のペロブスカイト酸化物の近傍のセリア化合物にも三相界面が形成されるようになるので、特性が向上してさらなる出力電圧の向上が得られるようになるものと考えられる。なお、上述では、空気極103の全域において、ペロブスカイト酸化物にPrが添加されているようにしたが、これに限るものではない。空気極103の電解質101の側の所定の領域(層)において、ペロブスカイト酸化物にPrが添加されている状態とし、この領域より電解質101側からより離れた領域では、ペロブスカイト酸化物にPrが添加されていなくても、上述同様の効果が得られる。
As a result, in this embodiment, the ceria compound in the vicinity of the perovskite oxide of the
ところで、固体酸化物形燃料電池の空気極に用いられるペロブスカイト酸化物としては、AサイトがLaである場合が一般的であり、この場合が最もよい電子伝導性(ホール伝導性)が実現され、また、化学的な安定性が実現できる場合が多い。従って、空気極103を構成しているペロブスカイト酸化物のAサイトが全てPr原子で置換された組成とした場合が、良いわけではない。空気極103において、本来の空気極(セリア化合物)としての特性をあまり低下させることがない範囲で、ペロブスカイト酸化物に接触しているセリア化合物のホール伝導性が発現する程度に、Prが添加されているとよい。ペロブスカイト酸化物に対し、Prが3at%添加されていれば、接触しているセリア化合物にPrが拡散してホール伝導性を向上させることができるが、上述した観点より、Prの添加量は、最大でも80at%とした方がよい。
By the way, as a perovskite oxide used for an air electrode of a solid oxide fuel cell, the case where the A site is La is common, and in this case, the best electron conductivity (hole conductivity) is realized, In many cases, chemical stability can be realized. Therefore, the case where the composition is such that all the A sites of the perovskite oxide constituting the
[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2について図2を用いて説明する。図2は、本発明の実施の形態2における固体酸化物形燃料電池の構成例を模式的に示す断面図である。この固体酸化物燃料電池は、電解質101と、電解質101の一方の面に形成された燃料極102と、電解質101の他方に形成された空気極103とを備え、これらの構成については、前述した実施の形態1と同様である。
[Embodiment 2]
Next, Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of the solid oxide fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention. This solid oxide fuel cell includes an
上述した構成に加え、本実施の形態の固体酸化物形燃料電池は、空気極103の電解質101と反対側に配置されてペロブスカイト型の金属酸化物より構成された集電層201を備えるようにしたものである。この場合、空気極103の一方に電解質101が配置され、空気極103の他方に集電層201が配置されることになり、電解質101と集電層201とに空気極103が挟まれることになる。
In addition to the above-described configuration, the solid oxide fuel cell according to the present embodiment includes a
よく知られているように、固体酸化物形燃料電池は、電解質101,燃料極102,及び空気極103から構成された複数の単セルが、インタコネクタを介して積層されて実用的な電圧を取り出すように構成されている。このように積層(スタック)構造とするときに、燃料極102及び空気極103と各々のインタコネクタとの間の良好な電気的接続を得るために、例えば白金メッシュなどから構成された集電体を用いるとよい。
As is well known, in a solid oxide fuel cell, a plurality of single cells composed of an
また、本実施の形態では、空気極103の側においては、電子伝導体(ホール伝導体)であるペロブスカイト酸化物から構成された集電層201を設けるようにしたので、空気極103に接続されるインタコネクタとの間のより良好な電気的接続が得られるようになる。なお、空気極103に集電層201を含めた全体で、空気極として機能するものと考えることもできる。
In the present embodiment, since the
[実施の形態3]
次に、本発明の実施の形態3について図3を用いて説明する。図3は、本発明の実施の形態3における固体酸化物形燃料電池の構成例を模式的に示す断面図である。この固体酸化物燃料電池は、電解質101と、電解質101の一方の面に形成された燃料極102と、電解質101の他方に形成された空気極103と、空気極103の電解質101と反対側に配置されてペロブスカイト型の金属酸化物より構成された集電層201とを備える。これらは、前述した実施の形態2の固体酸化物形燃料電池と同様である。
[Embodiment 3]
Next, Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of the solid oxide fuel cell according to Embodiment 3 of the present invention. The solid oxide fuel cell includes an
本実施の形態では、上述した構成に加え、電解質101と空気極103との間に配置され、希土類が添加されたセリウム酸化物より構成された中間層301を備えるようにしたものである。例えば、中間層301は、GDC(Ce0.9Gd0.1O)の粉末の焼結体から構成されていればよい。このように中間層301を設けることで、電解質101を構成しているジルコニアと空気極103を構成しているペロブスカイト酸化物とをより効率よく分離させることができ、固体酸化物形燃料電池(空気極/電解質)における界面抵抗をより抑制できるようになる。
In the present embodiment, in addition to the above-described configuration, an
次に、実際に作製した固体酸化物形燃料電池の単セルにおける特性測定結果について、以下に説明する。 Next, the characteristic measurement result in the single cell of the actually produced solid oxide fuel cell will be described below.
[測定方法]
始めに、測定について説明する。後述するように各々作製した試料セルにおいて、電極性能の指標である界面抵抗を交流インピーダンス法で測定する。測定時は、開放電圧の条件で行い、空気極と燃料極との間に微小な交流信号を印加し、空気極と参照極(燃料極)との間の微小電位変化を測定し、この測定結果よりインピーダンスを求める。なお、測定において、燃料極には室温(23℃程度)とした加湿水素ガスを燃料ガスとして供給し、空気極には酸素を供給した。また、開放起電力としては、800℃で1.13V以上の値が得られる。
[Measuring method]
First, measurement will be described. As will be described later, in each of the fabricated sample cells, the interfacial resistance, which is an index of electrode performance, is measured by an AC impedance method. At the time of measurement, it is performed under the condition of an open circuit voltage, a minute AC signal is applied between the air electrode and the fuel electrode, and a minute electric potential change between the air electrode and the reference electrode (fuel electrode) is measured. The impedance is obtained from the result. In the measurement, humidified hydrogen gas at room temperature (about 23 ° C.) was supplied as fuel gas to the fuel electrode, and oxygen was supplied to the air electrode. Moreover, as an open electromotive force, the value of 1.13V or more is obtained at 800 degreeC.
[セルの作製]
次に、比較試料となる固体酸化物形燃料電池セル(比較試料セル:#1-1-0)を例にとり、単セルの作製について説明する。まず、よく知られたドクターブレード法でシート状に成形して焼成したSc2O3,Al2O3添加ジルコニア(0.89ZrO2−0.10Sc2O3−0.01Al2O3:SASZ)からなる電解質基板を用意する。電解質基板は、厚さ0.2mmに形成する。次に、8mol%Y2O3が添加された平均粒径が約0.3μmのジルコニアの粉末(40wt%)に平均粒径が0.8μmのNiO粉末(60wt%)を混合した混合粉末のスラリを作製し、このスラリを上述した電解質基板の一方の面に、よく知られたスクリーン印刷法(非特許文献3参照)により塗布して燃料極塗布膜を形成する。加えて、この燃料極塗布膜の上に白金のメッシュよりなる集電体を配置し、これらを、1400℃・4時間の熱処理条件で、空気中で焼成し、上記混合粉末の焼結体からなる厚さ60μmの燃料極が形成された状態とする。
[Production of cell]
Next, taking a solid oxide fuel cell (comparative sample cell: # 1-1-0) as a comparative sample as an example, production of a single cell will be described. First, well known Sc 2 O 3 obtained by firing molded into a sheet by a doctor blade method, Al 2 O 3 doped zirconia (0.89ZrO 2 -0.10Sc 2 O 3 -0.01Al 2 O 3: SASZ An electrolyte substrate is prepared. The electrolyte substrate is formed to a thickness of 0.2 mm. Next, a mixed powder obtained by mixing 8 mol% Y 2 O 3 added zirconia powder (40 wt%) with an average particle diameter of about 0.3 μm and NiO powder (60 wt%) with an average particle diameter of 0.8 μm. A slurry is prepared, and this slurry is applied to one surface of the above-described electrolyte substrate by a well-known screen printing method (see Non-Patent Document 3) to form a fuel electrode coating film. In addition, a current collector made of platinum mesh is disposed on the fuel electrode coating film, and these are fired in air under a heat treatment condition of 1400 ° C. for 4 hours. A fuel electrode having a thickness of 60 μm is formed.
次に、平均粒径が0.1μmのLaNi0.6Fe0.4O3(LFN)粉末(50wt%)と、平均粒径が0.1μmのCe0.9Gd0.1O2(GDC)粉末(50wt%)とを混合した混合粉末のスラリを作製し、このスラリを、上述した電解質基板の他方の面にスクリーン印刷法により塗布して空気極塗布膜を形成する。LFNがペロブスカイト酸化物であり、GDCがセリア化合物である。次に、空気極塗布膜が形成された電解質基板を、1000℃・2時間の熱処理条件で焼成し、上記混合粉末の焼結体からなる厚さ4μmの空気極が形成された状態とする。 Next, LaNi 0.6 Fe 0.4 O 3 (LFN) powder (50 wt%) having an average particle diameter of 0.1 μm, and Ce 0.9 Gd 0.1 O 2 (GDC) powder (50 wt%) having an average particle diameter of 0.1 μm, A slurry of mixed powder is prepared, and this slurry is applied to the other surface of the electrolyte substrate by the screen printing method to form an air electrode coating film. LFN is a perovskite oxide and GDC is a ceria compound. Next, the electrolyte substrate on which the air electrode coating film is formed is baked under heat treatment conditions of 1000 ° C. for 2 hours to form a state in which an air electrode having a thickness of 4 μm made of a sintered body of the mixed powder is formed.
次に、平均粒径が1.0μmのLaNi0.6Fe0.4O3(LFN)粉末のスラリを作製し、このスラリを上述した空気極の上にスクリーン印刷法により塗布して集電層塗布膜が形成された状態とする。この後、集電層塗布膜が形成された電解質基板を、1150℃・2時間の熱処理条件で焼成し、空気極の上に、LFNの粉体の焼結体からなる厚さ40μmの集電層が形成された状態とする。このようにして形成した単セルは、図4の斜視図に示すように、1辺30mmの正方形の板状に形成された電解質基板401の上に、直径10mmの円盤に形成された空気極402が配置された状態としている。なお、図4において、電解質基板401の下に配置される燃料極は、図示せずに省略している。また、この単セルは、電解質基板401の周辺部に白金からなる参照極403を備え、これに接続した状態で前述した測定を行う。
Next, a slurry of LaNi 0.6 Fe 0.4 O 3 (LFN) powder having an average particle size of 1.0 μm is prepared, and this slurry is applied on the air electrode by the screen printing method to form a current collecting layer coating film. It is assumed that it is formed. Thereafter, the electrolyte substrate on which the current collector layer coating film is formed is fired under heat treatment conditions of 1150 ° C. for 2 hours, and a current collector having a thickness of 40 μm made of a sintered body of LFN powder is formed on the air electrode. A layer is formed. As shown in the perspective view of FIG. 4, the unit cell formed in this way is an
[実施例1]
次に、実施例1として、試料となる固体酸化物形燃料電池セル(試料セル:#1-1-1〜#1-1-6)の作成について説明する。この試料セルは、上述した比較試料セルの空気極に用いたLFNにPrを添加し、LFNを構成している一部のLaをPrに置換したペロブスカイト酸化物粉末を用い、この他は比較試料セルと同様に作製する。これらの試料セルにおいて前述した測定を行うと、以下の表1に示すように、比較試料セル(#1-1-0)に比較して、いずれの試料セルにおいても、界面抵抗が低く良好な結果が得られている。
[Example 1]
Next, as Example 1, the production of solid oxide fuel cells (sample cells: # 1-1-1 to # 1-1-6) to be samples will be described. This sample cell uses a perovskite oxide powder in which Pr is added to LFN used for the air electrode of the above-described comparative sample cell, and a part of La constituting LFN is replaced with Pr. It is produced in the same manner as the cell. When the above-described measurement is performed on these sample cells, as shown in Table 1 below, the interface resistance is low and good compared to the comparative sample cell (# 1-1-0). The result is obtained.
また、LFNの代わりに、LSFCを用いると、次のようになる。まず、上述した比較試料セルの空気極に用いたLFNの代わりに、La0.8Sr0.2Fe0.8Co0.2O3(LSFC)を用い、また、これとGDCとの混合比(重量%)を、LSFC:GDC=3:2として前述同様に空気極を作製する。加えて、LSFCにおいては、Prを添加し、LSFCを構成している一部のLaをPrに置換したペロブスカイト酸化物粉末を用い、試料セル(#1-2-1〜#1-2-6)とする。これらに対する比較試料セル(#1-2-0)としては、Prを添加していないLSFCを用いる。これらの試料セルにおいて前述した測定を行うと、以下の表1に示すように、比較試料セル(#1-2-0)に比較して、いずれの試料(#1-2-1〜#1-2-6)セルにおいても、界面抵抗が低く良好な結果が得られている。 Further, when LSFC is used instead of LFN, the following occurs. First, La 0.8 Sr 0.2 Fe 0.8 Co 0.2 O 3 (LSFC) was used instead of LFN used for the air electrode of the above-described comparative sample cell, and the mixing ratio (% by weight) between this and GDC was changed to LSFC. : GDC = 3: 2 and the air electrode is produced as described above. In addition, in the LSFC, a sample cell (# 1-2-1 to # 1-2-6) is prepared using a perovskite oxide powder in which Pr is added and a part of La constituting the LSFC is replaced with Pr. ). As a comparative sample cell (# 1-2-0) for these, LSFC to which Pr is not added is used. When the above-described measurement was performed in these sample cells, as shown in Table 1 below, any sample (# 1-2-1 to # 1) was compared with the comparative sample cell (# 1-2-0). -2-6) Even in the cell, good results have been obtained with low interface resistance.
[実施例2]
次に、実施例2として、試料となる固体酸化物形燃料電池セル(試料セル:#2-1-1〜#2-1-6)の作成について説明する。この試料セルは、上述したGDCの代わりに、Ce0.8Sm0.2O2を用いて空気極を作製し、これとペロブスカイト酸化物との混合比(重量%)を1:1として空気極を作製している。加えて、空気極と電解質との間に、GDCから構成した中間層を設けている。中間層の作製では、平均粒径が0.1μmのGDC粉末のスラリを、電解質基板にスクリーン印刷法で塗布して中間層塗布層を形成し、これを1200℃・2時間の熱処理条件で焼成し、GDC粉末の焼結体からなるの中間層が形成された状態とし、この後、前述同様に空気極が形成された状態とする。これらに対する比較試料セル(#2-1-0)としては、Prを添加していないLNFを用いる。これらの試料セル(#2-1-1〜#2-1-6)において前述した測定を行うと、以下の表2に示すように、比較試料セル(#2-1-0)に比較して、いずれの試料セルにおいても、界面抵抗が低く良好な結果が得られている。
[Example 2]
Next, as Example 2, the production of solid oxide fuel cells (sample cells: # 2-1-1 to # 2-1-6) to be samples will be described. In this sample cell, an air electrode is prepared using Ce 0.8 Sm 0.2 O 2 instead of the GDC described above, and the air electrode is prepared with a mixing ratio (% by weight) of this to the perovskite oxide being 1: 1. ing. In addition, an intermediate layer made of GDC is provided between the air electrode and the electrolyte. In the production of the intermediate layer, a slurry of GDC powder having an average particle size of 0.1 μm is applied to the electrolyte substrate by a screen printing method to form an intermediate layer application layer, which is fired under heat treatment conditions of 1200 ° C. for 2 hours. Then, an intermediate layer made of a sintered body of GDC powder is formed, and thereafter, an air electrode is formed as described above. As a comparative sample cell (# 2-1-0) for these, LNF not added with Pr is used. When the measurement described above was performed in these sample cells (# 2-1-1 to # 2-1-6), as shown in Table 2 below, it was compared with the comparative sample cell (# 2-1-0). In any sample cell, good results were obtained with low interface resistance.
また、上述した試料セル(#2-1-1〜#2-1-6)のLNFの代わりに、LSFCを用いた試料セル(#2-2-1〜#2-2-6)も作製する。これらに対する比較試料セル(#2-2-0)としては、Prを添加していないLSFCを用いる。これらの試料セル(#2-2-1〜#2-2-6)において前述した測定を行うと、以下の表2に示すように、比較試料セル(#2-2-0)に比較して、いずれの試料セルにおいても、界面抵抗が低く良好な結果が得られている。 Also, instead of the above-mentioned sample cells (# 2-1-1 to # 2-1-6), sample cells (# 2-2-1 to # 2-2-6) using LSFC are also produced. To do. As a comparative sample cell (# 2-2-0) for these, LSFC to which Pr is not added is used. When the measurement described above was performed in these sample cells (# 2-2-1 to # 2-2-6), as shown in Table 2 below, it was compared with the comparative sample cell (# 2-2-0). In any sample cell, good results were obtained with low interface resistance.
[実施例3]
次に、実施例3について説明する。ここは、比較試料セル(#3-0-1〜#3-0-5)として、比較試料セル(#2-1-0)のLNFの組成を、LaNi0.7Fe0.3O3,LaNi0.6Fe0.4O3,LaNi0.5Fe0.5O3,LaNi0.4Fe0.6O3,及びLaNi0.2Fe0.8O3と変更して作製する。また、これら比較試料セル(#3-0-1〜#3-0-5)におけるLaを部分的にPr原子に置換した試料セル(#3-1-1〜#3-1-5)を作製する。これらにおいて前述した測定を行うと、以下の表3に示すように、比較試料セルに比較して、いずれの試料セルにおいても、界面抵抗が低く良好な結果が得られている。
[Example 3]
Next, Example 3 will be described. Here, as comparative sample cells (# 3-0-1 to # 3-0-5), the composition of LNF in the comparative sample cell (# 2-1-0) is LaNi 0.7 Fe 0.3 O 3 , LaNi 0.6 Fe. It is made by changing to 0.4 O 3 , LaNi 0.5 Fe 0.5 O 3 , LaNi 0.4 Fe 0.6 O 3 , and LaNi 0.2 Fe 0.8 O 3 . In addition, sample cells (# 3-1-1 to # 3-1-5) in which La in the comparative sample cells (# 3-0-1 to # 3-0-5) is partially replaced with Pr atoms are used. Make it. When the above-described measurement is performed in these, as shown in Table 3 below, the interfacial resistance is low and good results are obtained in any of the sample cells as compared with the comparative sample cells.
[実施例4]
次に、実施例4について説明する。ここは、上述した実施例3におけるLNFに変えてLSFCを用いた比較試料セル(#4-0-1〜#4-0-6)及び試料セル(#4-1-1〜#4-1-6)を作製する。また、この実施例4では、空気極にはSDCの代わりにGDCを混合して比較試料セル(#4-0-1〜#4-0-6)及び試料セル(#4-1-1〜#4-1-6)を作製する。これらにおいて前述した測定を行うと、以下の表4に示すように、比較試料セルに比較して、いずれの試料セルにおいても、界面抵抗が低く良好な結果が得られている。
[Example 4]
Next, Example 4 will be described. This is a comparison sample cell (# 4-0-1 to # 4-0-6) and sample cell (# 4-1-1 to # 4-1) using LSFC instead of the LNF in Example 3 described above. -6). In Example 4, GDC is mixed in the air electrode instead of SDC, and the comparison sample cells (# 4-0-1 to # 4-0-6) and sample cells (# 4-1-1 to Make # 4-1-6). When the above-described measurements are performed in these samples, as shown in Table 4 below, the interfacial resistance is low and good results are obtained in any of the sample cells as compared with the comparative sample cells.
[実施例5]
次に、実施例5について説明する。ここは、上述した実施例4におけるLSFCに変えて、LaSrCoO3(LSC)を用いた比較試料セル(#5-0-1〜#5-0-3)及びSm0.5Sr0.5CoO3(SSC)を用いた比較試料セル(#5-0-4)を作製し、これらに対してLSCのLaの一部をPr原子で置換した試料セル(#5-1-1〜#5-1-4)及びSSCのSmの一部をPr原子で置換した試料セル(#5-1-4)を作製する。加えて、LSCのLaの一部をPr原子で置換し、Srの組成を変化させた(Sr組成0を含む)試料セル(#5-2-1〜#5-2-4)を作製する。これらにおいて前述した測定を行うと、以下の表5に示すように、比較試料セルに比較して、それぞれ対応するいずれの試料セルにおいても、界面抵抗が低く特性の向上が得られている。
[Example 5]
Next, Example 5 will be described. This is a comparative sample cell (# 5-0-1 to # 5-0-3) and Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3 (SSC) using LaSrCoO 3 (LSC) instead of the LSFC in Example 4 described above. Sample cells (# 5-1-1 to # 5-1-4) in which a part of La of LSC was replaced with Pr atoms were prepared. ) And a part of SSC Sm is replaced with Pr atoms (# 5-1-4). In addition, sample cells (# 5-2-1 to # 5-2-4) in which part of La of LSC is replaced with Pr atoms to change the composition of Sr (including Sr composition 0) are produced. . When the above-described measurements are performed, as shown in Table 5 below, the interface resistance is low and the characteristics are improved in each of the corresponding sample cells as compared with the comparative sample cell.
[実施例6]
次に、実施例6について説明する。ここは、上述した実施例5におけるLSFC及びSSCにおけるSrを、同じアルカリ土類金属であるCaに変更したペロブスカイト酸化物を用いた比較試料セル(#6-0-1〜#6-0-3)及び試料セル(#6-1-1〜#6-1-3,#6-2-1〜#6-2-3)を作製する。これらにおいて前述した測定を行うと、以下の表6に示すように、比較試料セルに比較して、それぞれ対応するいずれの試料セルにおいても、界面抵抗が低く特性の向上が得られている。
[Example 6]
Next, Example 6 will be described. This is a comparative sample cell (# 6-0-1 to # 6-0-3) using a perovskite oxide in which Sr in LSFC and SSC in Example 5 is changed to Ca which is the same alkaline earth metal. ) And sample cells (# 6-1-1 to # 6-1-3, # 6-2-1 to # 6-2-3). When the above-described measurement is performed in these, as shown in Table 6 below, the interface resistance is low and the characteristics are improved in each of the corresponding sample cells as compared with the comparative sample cell.
以上に示したことより、空気極を構成するPrが添加されたペロブスカイト酸化物は、(Sm1-xPrx)1-zSrzCoO3(0.04≦x≦0.5,0≦z≦0.6),La1-xPrxNi1-yFeyO3(0.04≦x≦1.0,0.3≦y≦0.8),及び(La1-xPrx)1-zSrzFe1-yCoyO3(0.04≦x≦1.0,0.1≦y≦0.4,0,1≦z≦0.5)のいずれかであればよいことがわかる。 As described above, the perovskite oxide to which Pr constituting the air electrode is added is (Sm 1−x Pr x ) 1−z Sr z CoO 3 (0.04 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 0.6), La 1-x Pr x Ni 1-y Fe y O 3 (0.04 ≦ x ≦ 1.0, 0.3 ≦ y ≦ 0.8), and (La 1-x Pr x) in 1-z Sr z Fe 1- y Co y O 3 either (0.04 ≦ x ≦ 1.0,0.1 ≦ y ≦ 0.4,0,1 ≦ z ≦ 0.5) I understand that it is necessary.
なお、上述した、粒径は、よく知られているレーザー回折散乱法による光強度分布パターンの測定から得られた平均粒子径である。例えば、堀場製作所株式会社製レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置LA−910を用いることで、粒径の測定が可能である。 In addition, the particle diameter mentioned above is an average particle diameter obtained from the measurement of the light intensity distribution pattern by the well-known laser diffraction scattering method. For example, the particle size can be measured by using a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device LA-910 manufactured by HORIBA, Ltd.
以上に説明したように、ペロブスカイト酸化物及びセリア化合物から構成されている空気極において、LNF,LSFC,LSCなどのペロブスカイト酸化物のAサイトの一部をPr原子で置換するようにした本発明によれば、空気極を構成している一部のセリア化合物にホール伝導性を持たせることができ、いわゆる三相界面の増大が図れるようになり、固体酸化物形燃料電池の高性能化に好適である。 As described above, in the present invention, in the air electrode composed of a perovskite oxide and a ceria compound, part of the A site of the perovskite oxide such as LNF, LSFC, and LSC is replaced with Pr atoms. Therefore, some ceria compounds constituting the air electrode can be made to have hole conductivity, so that the so-called three-phase interface can be increased, which is suitable for improving the performance of the solid oxide fuel cell. It is.
101…電解質、102…燃料極、103…空気極。 101 ... electrolyte, 102 ... fuel electrode, 103 ... air electrode.
Claims (6)
前記空気極は、
希土類が添加されたセリウム酸化物からなる第1材料と、
プラセオジムが添加されたペロブスカイト型の金属酸化物からなる第2材料と
を含んでいることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 In a solid oxide fuel cell comprising a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode,
The air electrode is
A first material made of cerium oxide to which a rare earth is added;
And a second material made of a perovskite-type metal oxide to which praseodymium is added.
前記空気極は、
前記第1材料からなる第1粉体と前記第2材料からなる第2粉体とが混合された混合粉体の焼結体から構成されている
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein
The air electrode is
A solid oxide fuel cell comprising a sintered body of a mixed powder in which a first powder made of the first material and a second powder made of the second material are mixed.
前記空気極は、
前記電解質の側に配置され、前記第1材料及び前記第2材料より構成された領域を備える
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein
The air electrode is
A solid oxide fuel cell comprising a region disposed on the electrolyte side and configured of the first material and the second material.
前記電解質と前記空気極との間に配置され、
希土類が添加されたセリウム酸化物より構成された中間層を備える
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
Disposed between the electrolyte and the air electrode;
A solid oxide fuel cell comprising an intermediate layer made of cerium oxide to which a rare earth is added.
前記空気極の前記電解質と反対側に配置されて前記ペロブスカイト型の金属酸化物より構成された集電層を備える
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 In the solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 4,
A solid oxide fuel cell comprising: a current collecting layer disposed on the opposite side of the air electrode from the electrolyte and made of the perovskite metal oxide.
前記第2材料は、(Sm1-xPrx)1-zSrzCoO3(0.04≦x≦0.5,0≦z≦0.6),La1-xPrxNi1-yFeyO3(0.04≦x≦1.0,0.3≦y≦0.8),及び(La1-xPrx)1-zSrzFe1-yCoyO3(0.04≦x≦1.0,0.1≦y≦0.4,0,1≦z≦0.5)の中より選択されたものである
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 In the solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 5,
The second material is (Sm 1-x Pr x ) 1-z Sr z CoO 3 (0.04 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 0.6), La 1-x Pr x Ni 1− y Fe y O 3 (0.04 ≦ x ≦ 1.0,0.3 ≦ y ≦ 0.8), and (La 1-x Pr x) 1-z Sr z Fe 1-y Co y O 3 ( 0.04 ≦ x ≦ 1.0, 0.1 ≦ y ≦ 0.4, 0, 1 ≦ z ≦ 0.5) .
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