JP2009176675A - Electrolyte-electrode assembly - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アノード側電極及びカソード側電極の双方で電解質を挟むようにして構成される電解質・電極接合体に関する。 The present invention relates to an electrolyte / electrode assembly configured such that an electrolyte is sandwiched between an anode side electrode and a cathode side electrode.
燃料電池や酸素センサ、酸素負荷膜装置等は、酸化物イオンを伝導可能な電解質の各端面にアノード側電極及びカソード側電極が形成された電解質・電極接合体を有する。このように構成された電解質・電極接合体において、カソード側電極で酸素が電離することに伴って生成した酸化物イオンは、電解質を経由してアノード側電極に移動する。 Fuel cells, oxygen sensors, oxygen loaded membrane devices, and the like have an electrolyte / electrode assembly in which an anode electrode and a cathode electrode are formed on each end face of an electrolyte capable of conducting oxide ions. In the thus configured electrolyte / electrode assembly, oxide ions generated as oxygen is ionized at the cathode side electrode move to the anode side electrode via the electrolyte.
上記した酸化物イオンの移動は、比較的高温域で一層活発となる。従って、前記電解質・電極接合体を具備する燃料電池等を運転するためには、そのような温度まで昇温する必要がある。このため、電力が必要なときに即座に燃料電池から電力を取り出すことができない。 The movement of the above oxide ions becomes more active in a relatively high temperature range. Accordingly, in order to operate a fuel cell or the like having the electrolyte / electrode assembly, it is necessary to raise the temperature to such a temperature. For this reason, when electric power is required, electric power cannot be taken out from the fuel cell immediately.
そこで、近年、比較的低温であっても優れた酸化物イオン伝導度を示す物質を電解質として採用することが提案されている。具体的には、スカンジウム安定化ジルコニア(ScSZ)、サマリウム固溶セリア(SDC)等の蛍石型酸化物や、ランタンガレート(LaSrGaMgO)をはじめとするペロブスカイト型酸化物等である。また、本出願人は、アパタイト型複合酸化物からなる酸化物イオン伝導体を提案している(例えば、特許文献1参照)。 Therefore, in recent years, it has been proposed to employ a substance exhibiting excellent oxide ion conductivity as an electrolyte even at a relatively low temperature. Specific examples include fluorite oxides such as scandium stabilized zirconia (ScSZ) and samarium solid solution ceria (SDC), and perovskite oxides such as lanthanum gallate (LaSrGaMgO). Further, the present applicant has proposed an oxide ion conductor made of an apatite-type complex oxide (see, for example, Patent Document 1).
アパタイト型複合酸化物は優れた酸化物イオン伝導度を示す物質であるにも関わらず、該アパタイト型複合酸化物を電解質として電解質・電極接合体を構成すると、十分な発電性能が得られないことがある。本出願人の鋭意検討により、この理由は、電極と電解質との間の界面抵抗が比較的大きく、このためにIR損が無視できなくなるためであることが解明された。 Despite the fact that apatite-type composite oxide is a substance that exhibits excellent oxide ion conductivity, sufficient power generation performance cannot be obtained if an electrolyte / electrode assembly is formed using the apatite-type composite oxide as an electrolyte. There is. The present applicant's earnest study has revealed that this is because the interfacial resistance between the electrode and the electrolyte is relatively large, so that the IR loss cannot be ignored.
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、内部抵抗が小さく、このために燃料電池の発電特性を向上させ得る電解質・電極接合体を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an electrolyte / electrode assembly that has a low internal resistance and can therefore improve the power generation characteristics of a fuel cell.
前記の目的を達成するために、本発明は、アノード側電極とカソード側電極との間に電解質が介装された電解質・電極接合体であって、
前記電解質が、酸化物イオンが移動する面もしくは方向を有する単結晶であるか、又は、酸化物イオンが移動する面もしくは方向に配向された多結晶からなり、且つ前記面又は前記方向が厚み方向に沿うように形成されたアパタイト型酸化物であり、
前記アノード側電極又は前記カソード側電極は、粒径が100nm以下である粒子が互いに結合して構成されるとともに、厚みが1μm以下に設定され、
前記粒子に少なくとも非晶質の金属粒子が含まれ、
前記アノード側電極又は前記カソード側電極には、前記電解質、又は前記電解質と前記アノード側電極との間に介在された中間層に接合した接合部位に気孔が存在し、且つ前記気孔を挟んで隣接する前記粒子同士の離間距離が1μm以下であることを特徴とする。ここで、「離間距離」とは、任意の接合部位における最初に電解質(又は中間層)に接した点と、該接合部位に隣接する接合部位における最初に電解質(又は中間層)に接した点との間隔をいう。
To achieve the above object, the present invention provides an electrolyte / electrode assembly in which an electrolyte is interposed between an anode electrode and a cathode electrode,
The electrolyte is a single crystal having a plane or direction in which oxide ions move, or a polycrystal oriented in the plane or direction in which oxide ions move, and the plane or direction is a thickness direction. An apatite-type oxide formed along
The anode side electrode or the cathode side electrode is configured by bonding particles having a particle size of 100 nm or less to each other, and the thickness is set to 1 μm or less.
The particles include at least amorphous metal particles;
The anode-side electrode or the cathode-side electrode has pores at a joint portion joined to the electrolyte or an intermediate layer interposed between the electrolyte and the anode-side electrode, and is adjacent to the pores. The separation distance between the particles is 1 μm or less. Here, the “separation distance” means a point that first contacts the electrolyte (or intermediate layer) at an arbitrary bonding site and a point that contacts the electrolyte (or intermediate layer) first at the bonding site adjacent to the bonding site. And the interval.
本発明では、アノード側電極又はカソード側電極を構成する粒子の粒径が小さいので、粒子同士が互いに密に接触するとともに、粒子が電解質(又は中間層)にも密に接触する。このことと、離間間隔が上記のように微小であることと相俟って、酸化物イオンがカソード側電極から電解質(又は中間層)に、及び/又は電解質(又は中間層)からアノード側電極に授受される確率が高くなる。また、アノード側電極又はカソード側電極の厚みが小さいため、アノード側電極又はカソード側電極の内部抵抗も小さい。 In the present invention, since the particle size of the particles constituting the anode side electrode or the cathode side electrode is small, the particles are in close contact with each other, and the particles are also in close contact with the electrolyte (or intermediate layer). In combination with this, the separation interval is very small as described above, and oxide ions are transferred from the cathode side electrode to the electrolyte (or intermediate layer) and / or from the electrolyte (or intermediate layer) to the anode side electrode. The probability of being transferred to is increased. Moreover, since the thickness of the anode side electrode or the cathode side electrode is small, the internal resistance of the anode side electrode or the cathode side electrode is also small.
以上のような理由から、電解質・電極接合体としての内部抵抗を低減することができる。 For the above reasons, the internal resistance of the electrolyte / electrode assembly can be reduced.
さらに、アノード側電極又はカソード側電極の厚みが小さいので、該アノード側電極又はカソード側電極において反応ガスが拡散することが容易となる。従って、電極反応が効率よく進行するという利点も得られる。 Furthermore, since the thickness of the anode side electrode or the cathode side electrode is small, it becomes easy for the reaction gas to diffuse in the anode side electrode or the cathode side electrode. Therefore, the advantage that the electrode reaction proceeds efficiently can also be obtained.
アノード側電極又はカソード側電極の気孔率は、5〜40vol%であることが好ましい。40vol%を超えると、酸化物イオンが電解質(又は中間層)からアノード側電極に受領される確率、ないしカソード側電極(又は中間層)から電解質に受領される確率が低下する傾向がある。 The porosity of the anode side electrode or the cathode side electrode is preferably 5 to 40 vol%. When it exceeds 40 vol%, the probability that oxide ions are received from the electrolyte (or intermediate layer) to the anode side electrode or the probability that they are received from the cathode side electrode (or intermediate layer) to the electrolyte tends to decrease.
アノード側電極又はカソード側電極は、前記金属粒子の他、酸化物イオンを伝導可能な酸化物セラミックス粒子を含有するものであってもよい。この場合、酸化物セラミックス粒子の割合は75vol%未満とする。すなわち、本発明においては、金属粒子:酸化物セラミックス粒子=100:0〜25超:75未満である。 The anode side electrode or cathode side electrode may contain oxide ceramic particles capable of conducting oxide ions in addition to the metal particles. In this case, the ratio of the oxide ceramic particles is less than 75 vol%. That is, in the present invention, metal particles: oxide ceramic particles = 100: 0 to more than 25: less than 75.
本発明によれば、アノード側電極を構成する粒子同士の離間距離を所定値以下とするようにしている。これによりアノード側電極が密となるため、該アノード側電極と電解質ないしは中間層との接触面積が大きくなるとともに、両者の接触間隔が小さくなる。その結果、電解質ないしは中間層を経由した酸化物イオンがアノード側電極に効率よく受領されるようになり、電解質ないし中間層と電極との間の抵抗が減少し、酸化物イオン伝導性が向上する。しかも、アノード側電極の厚みも小さくすることができるので、該アノード側電極に供給された反応ガスが容易に拡散する。 According to the present invention, the distance between the particles constituting the anode-side electrode is set to a predetermined value or less. As a result, the anode-side electrode becomes dense, so that the contact area between the anode-side electrode and the electrolyte or intermediate layer increases, and the contact interval between the two decreases. As a result, oxide ions that have passed through the electrolyte or intermediate layer are efficiently received by the anode side electrode, the resistance between the electrolyte or intermediate layer and the electrode is reduced, and the oxide ion conductivity is improved. . In addition, since the thickness of the anode side electrode can be reduced, the reaction gas supplied to the anode side electrode is easily diffused.
以上のような理由から、内部抵抗が小さく、優れた酸化物イオン伝導性を示す電解質・電極接合体を構成することができる。 For the reasons described above, an electrolyte / electrode assembly having a low internal resistance and excellent oxide ion conductivity can be formed.
以下、本発明に係る電解質・電極接合体につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the electrolyte / electrode assembly according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本実施の形態に係る電解質・電極接合体(以下、MEAとも表記する)10の全体概略縦断面図である。このMEA10は、電解質12の各端面にアノード側電極14及びカソード側電極16がそれぞれ形成されることによって構成されている。なお、アノード側電極14と電解質12との間、及びカソード側電極16と電解質12との間には、それぞれ、中間層18、20が介装されている。
FIG. 1 is an overall schematic longitudinal sectional view of an electrolyte / electrode assembly (hereinafter also referred to as MEA) 10 according to the present embodiment. The
この場合、電解質12は、アパタイト型複合酸化物からなる単結晶である。この単結晶は、例えば、チョクラルスキー法等の公知の単結晶製造方法によって作成することができる。
In this case, the
ここで、アパタイト型複合酸化物として、その組成がLaXSi6O1.5X+12(ただし、8≦X≦10。以下同じ)で表されるランタンとシリコンとの複合酸化物を例示し、その単位格子の構造につき説明する。 Here, as the apatite-type composite oxide, a composite oxide of lanthanum and silicon whose composition is represented by La X Si 6 O 1.5X + 12 (however, 8 ≦ X ≦ 10; the same applies hereinafter) is exemplified. The structure of the unit cell will be described.
LaXSi6O1.5X+12の単位格子の構造を、視点をc軸方向として図2に示す。この単位格子21は、6個のSiO4四面体22と、2aサイトを占有するO2-24と、4fサイト又は6hサイトをそれぞれ占有するLa3+26a、26bとを含むアパタイト型構造である。なお、SiO4四面体22におけるSi4+およびO2-は図示していない。
The structure of the unit cell of La X Si 6 O 1.5X + 12 is shown in FIG. 2 with the viewpoint as the c-axis direction. This
この単位格子21は、六方晶系に属する。すなわち、図2において、単位格子21のa軸方向の辺ABとc軸方向の辺BFとが互いに交わる角度α、b軸方向の辺BCと辺BFとが互いに交わる角度β、辺ABと辺BCとが交わる角度γは、それぞれ、90°、90°、120゜である。そして、辺ABと辺BCとは互いに長さが等しく、且つこれら辺AB、BCの長さは辺BFと異なる。
This
このようなアパタイト型構造であるLaXSi6O1.5X+12が酸化物イオン導電体となる理由は、2aサイトを占有するO2-24がSiO4四面体22又はLa3+26aとの結合に関与していないためであると考えられる。O2-24に作用する力は強力ではなく、従って、O2-24は2aサイトに束縛されることなくc軸方向に沿って比較的自由に移動することができるからである。
The reason why La X Si 6 O 1.5X + 12 having such an apatite type structure is an oxide ion conductor is that
すなわち、電解質12を構成する各結晶内では、酸化物イオンは、c軸方向に沿って移動する。このため、酸化物イオン伝導度は、c軸に沿う方向で大きくなり、a軸やb軸に沿う方向では小さくなる。換言すれば、酸化物イオン伝導に異方性が生じる。
That is, the oxide ions move along the c-axis direction in each crystal constituting the
本実施の形態においては、図1に矢印Cとして示すように、c軸方向が電解質12の厚み方向とされている。すなわち、アノード側電極14及びカソード側電極16は、電解質12において酸化物イオン伝導度が最も高くなる方向に対して垂直に配設されており、従って、酸化物イオンは、カソード側電極16からアノード側電極14へ速やかに移動することができる。
In the present embodiment, as indicated by an arrow C in FIG. 1, the c-axis direction is the thickness direction of the
このように構成された電解質12の厚みは800μm以下、好適には50μm〜300μmの間に設定される。また、電解質12を支持基板によって保持する支持基板型電解質・電極接合体を採用する場合、電解質12の厚みを著しく小さく設定することも可能である。このため、酸化物イオンが電解質12を介してアノード側電極14側に移動し易くなり、また、該電解質12のIR損も低減する。なお、支持基板型電解質・電極接合体の場合には、電解質12の一層好適な厚みは50nm〜10μmである。この場合であっても、電解質12の強度が確保される。
The thickness of the
さらに、電解質12は、直流4端子法による500℃における伝導度が0.01S/cm2を示すものであることが好ましく、300℃における伝導度が0.001S/cm2を示すものであることがより好ましい。勿論、以上の伝導度は、c軸方向、すなわち、電解質12の厚み方向(図1中の矢印C)でのものである。
Further, the
電解質12が、伝導度がこのように大きいものであると、例えば、MEA10を組み込んだ燃料電池は、比較的低温であっても、発電特性に優れたものとなる。従って、該燃料電池を運転温度まで上昇させる時間が著しく短縮される。
When the
アノード側電極14は、この場合、金属であるPtと、酸化物セラミックスであるSm固溶CeO2(SDC)との複合材(以下、Pt−SDCとも表記する)からなり、主には、スパッタ、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、ALD(Atomic Layer Deposition)法、PLD(Pulsed Laser Deposition)法等の気相法によって形成される。このアノード側電極14を走査型電子顕微鏡(SEM)等で観察した場合、Pt粒子及びSDC粒子が互いに結合する一方、粒子同士の間に気孔が存在することが確認される。
なお、アノード側電極14に含まれるPtは、いうまでもなく電子を伝導することが可能であり、一方、SDCは酸化物イオン伝導体である。すなわち、アノード側電極14は、電子伝導体と酸化物イオン伝導体とを含有し、このために電子伝導性と酸化物イオン伝導性とを同時に示す混合伝導体である。
Needless to say, Pt contained in the anode-
この場合、PtとSDCの割合は、SDCが75vol%未満となるように設定される。SDCが75vol%を超えると、アノード側電極14の電子伝導性が十分でなくなる。
In this case, the ratio between Pt and SDC is set so that SDC is less than 75 vol%. When the SDC exceeds 75 vol%, the electron conductivity of the
アノード側電極14の厚みは、上記した各種の気相法で作製した場合には50nm〜数百nm程度に設定され、最大でも1μmである。この場合、気孔率はおよそ5〜40vol%程度となり、典型的には30vol%程度である。
The thickness of the anode-
一方、カソード側電極16は、アノード側電極14と同様の材質で構成されたものであってもよいが、LaXSr1-XCoYFe1-YOα、BaXSr1-XCoYFe1-YOα、SmXSr1-XCoOα(以上において、0≦X≦1、0≦Y≦1)等の酸化物セラミックスから構成されたものが一層好適である。又は、これらの酸化物セラミックスと上記したような金属とのサーメットからなるものであってもよい。
On the other hand, the
中間層18、20は、好適には蛍石型酸化物からなり、その具体例としては、SDC、Y2O3固溶CeO2(YDC)、Gd2O3固溶CeO2(GDC)、La2O3固溶CeO2(LDC)が挙げられる。これらの酸化物は、酸化物イオン伝導について等方性を示す。従って、中間層18、20においては、厚み方向(図1におけるC方向)及び横方向(図1におけるX方向)の双方で酸化物イオン伝導度が略同等である。また、中間層18、20における酸化物イオン伝導度は、電解質12の厚み方向に比して小さい。
The
後述するように、これら中間層18、20が存在することにより、カソード側電極16から電解質12へ移動する酸化物イオンの個数、及び電解質12からアノード側電極14へ移動する酸化物イオンの個数を増加させることができ、結局、酸化物イオン伝導性を向上させることができる。
As will be described later, the presence of these
なお、SDC、YDC、GDC、LDC等は、酸化物イオン伝導と電子伝導の双方が生じる混合伝導体である。このような混合伝導体は、上記したようにカソード側電極16からアノード側電極14への速やかな酸化物イオン伝導に寄与する他、カソード側電極16における酸素の電離反応と、アノード側電極14における酸化物イオンと水素との結合に伴う水と電子との生成反応を促進する。すなわち、電極反応が促進され、燃料電池の発電性能を一層向上させる。
Note that SDC, YDC, GDC, LDC, and the like are mixed conductors that generate both oxide ion conduction and electron conduction. Such a mixed conductor contributes to rapid oxide ion conduction from the cathode-
ここで、アノード側電極14と中間層18との界面近傍を模式的に図3に示す。図3中の参照符号28は、アノード側電極14を構成する粒子である。各粒子28は、SDC粒子、又はPt粒子のどちらであってもよい。なお、アノード側電極14につきX線回折測定を行うと、その回折パターンにおいて出現する各ピークがブロードであることが認められる。すなわち、アノード側電極14を構成する粒子28は非晶質である。
Here, FIG. 3 schematically shows the vicinity of the interface between the anode-
この図3に示されるように、アノード側電極14における中間層18に臨む側の端面には、粒子28同士の間に複数個の気孔29が存在する。換言すれば、アノード側電極14は、微視的には、粒子28が点接合ないし面接合することによって中間層18に接合している。
As shown in FIG. 3, a plurality of
粒子28の粒径は、100nm以下に設定される。このように微細な粒子28は、互いに密に接触する。勿論、中間層18(又は電解質12)に対しても密に接触し、このためにアノード側電極14の気孔率が小さくなる。
The particle size of the
本実施の形態において、気孔29を挟んで互いに対向する接合部位同士の離間距離は、図3に示すように、1μm以下である。なお、離間距離は0.5μm以下であることがより好ましく、0.1μm以下であることがさらに好ましい。ここで、「離間距離」とは、粒子28が最初に中間層18に接した点同士の間隔をいう。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the separation distance between the bonding portions facing each other across the
すなわち、本実施の形態では、アノード側電極14を構成する粒子28が密に中間層18に接している。しかも、上記したように、アノード側電極14の気孔率は5〜40vol%と比較的小さい。すなわち、アノード側電極14における中間層18との界面近傍では、気孔29よりも粒子28の方が多く存在する。このため、アノード側電極14が、電解質12から中間層18を介して移動してきた電子を広範囲にわたって受領することができる。
That is, in the present embodiment, the
その上、中間層18が酸化物イオン伝導に等方性を示すので、酸化物イオンが中間層18内をランダムに移動するようになる。従って、酸化物イオンがアノード側電極14に存在する気孔29に到達する確率よりも粒子28に到達する確率の方が高くなり、結局、アノード側電極14が酸化物イオンを受領することが容易となって界面抵抗が低減する。要するに、本実施の形態に係るMEA10においては、アノード側電極14と中間層18の間の界面抵抗が極めて小さい。
In addition, since the
界面抵抗を低減するためには、通常、中間層18の厚みを大きくする必要があるが、本実施の形態においては、上記したように、アノード側電極14を構成する粒子28を密に中間層18に接触させるとともにアノード側電極14の気孔率を小さくし、これにより酸化物イオンがアノード側電極14を構成する粒子28に到達する確率を向上させることで、アノード側電極14と中間層18との界面抵抗を低減させている。このため、中間層18の厚みを小さくすることが可能となる。
In order to reduce the interface resistance, it is usually necessary to increase the thickness of the
さらに、Pt粒子が非晶質であるアノード側電極14を具備するMEA10では、X線回折測定においてPt粒子の鋭敏なピークが出現するアノード側電極にを具備するMEAに比して発電性能が良好となる。
Furthermore, the
勿論、カソード側電極16と中間層20においても同様である。
Of course, the same applies to the
中間層18、20の厚みは1μm以下に設定することが可能であり、500nm以下であることがより好ましく、50〜200nmの範囲内であることがさらに好ましい。中間層18、20の厚みをこのように極めて小さくすることによって、IR損を一層低減することが可能となる。
The thickness of the
MEA10全体の厚みは、強度が確保される程度であればよく、具体的には、最大で1mmで十分である。1mmを超える厚みであると、MEA10としては体積が大きいものとなり、体積当たりのエネルギ効率が低下することになる。
The thickness of the
MEA10の厚みは小さいほど好ましいが、十分な強度を確保するためには、100μm以上とすることが好ましく、200μm以上とすることがより好ましい。また、強度を確保する一方で高い酸化物イオン伝導性を得るべく、MEA10の厚みを200〜600μmとすることが最も好ましい。
The thickness of the
燃料電池の単位セルを構成する場合、図4に示すように、上記のように構成されたMEA10が1対のセパレータ30a、30bの間に介装される。また、該セパレータ30a、30bの外側には集電用電極32a、32bがそれぞれ配置され、さらに該集電用電極32a、32bの外側にはエンドプレート34a、34bがそれぞれ配置される。これらエンドプレート34a、34b同士が図示しないボルトで互いに連結されてMEA10、セパレータ30a、30b及び集電用電極32a、32bがエンドプレート34a、34bで挟持され、これにより単位セル36が構成されている。なお、セパレータ30a、30bには、燃料ガス又は酸素含有ガスをアノード側電極14又はカソード側電極16に供給するためのガス流路38a、38bがそれぞれ形成されている。
When configuring a unit cell of a fuel cell, as shown in FIG. 4, the
この単位セル36は、300〜700℃程度の低温〜中温度域、好ましくは500℃に昇温された後に運転される。すなわち、セパレータ30bに設けられたガス流路38bに酸素を含有する酸素含有ガスを流通させ、その一方で、セパレータ30aに設けられたガス流路38aに水素を含有する燃料ガスを流通させる。
The
酸素含有ガス中の酸素は、カソード側電極16において電子と結合し、酸化物イオン(O2-)を生成する。生成した酸化物イオンは、カソード側電極16から電解質12側へ移動する。
Oxygen in the oxygen-containing gas is combined with electrons at the cathode-
ここで、中間層18、20を設けたMEA10を模式的に図5に示す。この図5に示すように、酸化物イオンは、カソード側電極16から中間層20に移動し、該中間層20の内部をランダムに移動して、電解質12が該中間層20と接触する部位に向かう。上記したように、中間層20は、SDCやYDC、GDC、LDC等、酸化物イオン伝導が等方性を示す物質からなるからである。このため、中間層20中を直進移動した酸化物イオンのみならず、斜行移動した酸化物イオンが電解質12に入り込む。すなわち、電解質12に入り込む酸化物イオンの個数が著しく増加する。
Here, the
酸化物イオンは、次に、電解質12内をアノード側電極14側に向かって移動する。ここで、電解質12は、その厚み方向(矢印C方向)、すなわち、酸化物イオンが最も容易に移動し得る方向がアノード側電極14に向かっている。このため、酸化物イオンの速やかな移動が起こる。
Next, the oxide ions move in the
このように、酸化物イオン伝導に異方性を示す物質(例えば、アパタイト型複合酸化物)を電解質12として用い、且つ酸化物イオンが伝導する面又は方向を厚み方向とすることによって、酸化物イオン伝導性を大きくすることができる。この電解質12では、比較的低温であっても酸化物イオンが移動し易いので、単位セル36は、比較的低温で十分な発電特性を示す。
In this way, a substance that exhibits anisotropy in oxide ion conduction (for example, apatite-type composite oxide) is used as the
酸化物イオンは、さらに、電解質12から中間層18を経てアノード側電極14に移動する。この際にも、中間層18がSDCやYDC、GDC、LDC等の酸化物イオン伝導が等方性を示す物質からなるので、酸化物イオンは、中間層18の内部をランダムに移動して、中間層18がアノード側電極14、すなわち、Pt粒子ないしはSDC粒子が接触する部位に向かう。勿論、中間層18中を直進移動した酸化物イオン及び斜行移動した酸化物イオンの双方がアノード側電極14に受領されるので、該アノード側電極14に移動する酸化物イオンの個数が著しく増加する。
The oxide ions further move from the
以上のように、カソード側電極16と電解質12の間、電解質12とアノード側電極14との間に中間層20、18が介装されることにより、カソード側電極16から電解質12、該電解質12からアノード側電極14へ移動できる各酸化物イオンの個数が多くなり、その結果、酸化物イオン伝導性が向上する。
As described above, the
しかも、この場合、アノード側電極14を構成する粒子28が中間層18に対して密に接している。このため、中間層18まで移動した酸化物イオンがアノード側電極14の気孔29に到達する確率は低く、粒子28に到達する確率の方が高い。従って、アノード側電極14と中間層18との間の界面抵抗が著しく低減される。
In this case, the
以上のように、本実施の形態によれば、両電極14、16と中間層18、20との間の界面抵抗が小さくなるので、過電圧が小さくなる。結局、酸化物イオン伝導性に優れたMEA10が得られるので、優れた発電性能を示す単位セル36(燃料電池)を構成することができる。
As described above, according to the present embodiment, the interfacial resistance between the
酸化物イオンは、最終的にアノード側電極14に到達し、該アノード側電極14に供給された燃料ガス中の水素と結合する。その結果、水及び電子が放出される。アノード側電極14の厚みが最大でも1μmと小さいため、該アノード側電極14においては、燃料ガス(反応ガス)が容易に拡散する。従って、この電極反応が効率よく進行する。
The oxide ions finally reach the
放出された電子は、集電用電極32a、32bに電気的に接続された外部回路に取り出され、該外部回路を付勢するための直流の電気エネルギとして利用された後、カソード側電極16へと至り、該カソード側電極16に供給された酸素と結合する。
The emitted electrons are taken out to an external circuit electrically connected to the
以上の反応機構において、中間層18、20が混合伝導体であるSDC、YDC、GDC等からなるので、カソード側電極16における電離反応と、アノード側電極14における水生成反応とが促進される。その上、アノード側電極14の厚みが小さいために該アノード側電極14の内部抵抗が小さい。このため、単位セル36は、一層優れた発電性能を示す。
In the above reaction mechanism, since the
MEA10は、以下のようにして作製することができる。先ず、電解質12となるLaXSi6O1.5X+12等のアパタイト型酸化物の単結晶を、結晶成長方向をc軸方向に配向させて成長させることによって得る。このように配向させるには、例えば、特開平11−130595号公報に記載された方法を採用すればよい。
The
次に、得られた単結晶のc軸方向に対して垂直に交わる両端面に、鏡面研磨処理、微細研磨処理、砥石研磨処理等の各種研磨処理を施し、該端面の算術平均高さRaを所定の値とする。 Next, various polishing processes such as a mirror polishing process, a fine polishing process, and a grindstone polishing process are performed on both end surfaces perpendicular to the c-axis direction of the obtained single crystal, and the arithmetic average height Ra of the end surface is determined. Set to a predetermined value.
次に、研磨処理を施した各端面上に中間層18、20を積層する。本実施の形態においては、中間層18、20の厚みを最大で1μmとするため、好適には気相法によって中間層18、20を形成する。すなわち、例えば、SDCターゲット、YDCターゲット、GDCターゲット又はLDCターゲット等を用いたスパッタリングを行う。
Next, the
ターゲットから発生した微細な活性体は、前記単結晶の一端面に微粒子として付着する。他端面にも微粒子を付着させた後、微粒子に対して単結晶ごと熱処理を施せば、微粒子同士が結合して中間層18、20が形成される。
The fine active substance generated from the target adheres as fine particles to one end face of the single crystal. After the fine particles are adhered to the other end surface, the fine particles are bonded together to form the
次に、中間層20に対してペースト状のペロブスカイト型化合物(例えば、LaSrGaMgO、LaSrMnO、SmSrCoO等)、蛍石型化合物(例えば、YDC、SDC、GDC、ランタン固溶セリア=LDC等)、又はアパタイト型化合物(例えば、LaXSi6O1.5X+12、LaXGe6O1.5X+12等)をスクリーン印刷法等によって塗付する。このペーストを焼き付ければ、カソード側電極16が形成される。
Next, a perovskite type compound (for example, LaSrGaMgO, LaSrMnO, SmSrCoO, etc.), a fluorite type compound (for example, YDC, SDC, GDC, lanthanum solid solution ceria = LDC, etc.) or apatite with respect to the intermediate layer 20 A mold compound (for example, La X Si 6 O 1.5X + 12 , La X Ge 6 O 1.5X + 12 or the like) is applied by a screen printing method or the like. If this paste is baked, the
次に、中間層18に対し、Pt粒子及びSDC粒子からなる複合材を堆積させる。この堆積に際しては、例えば、Ptターゲット及びSDCターゲットを用いたスパッタリングを行えばよい。この場合、これらPtターゲット及びSDCターゲットに対するスパッタリングは同時に行う。
Next, a composite material composed of Pt particles and SDC particles is deposited on the
各ターゲットから発生した微細な活性体もまた、中間層18に微粒子として付着する。この微粒子に対して熱処理を施すことにより該微粒子が粒成長して粒子28が生成するとともに、該粒子28が中間層18に密に接したアノード側電極14が形成される。
Fine active substances generated from each target also adhere to the
スパッタリング条件を調節すれば、粒成長した粒子28の粒径を10nm以下とすることもでき、これにより気孔29、29同士の離間距離を1μm以下とすることもできる。アノード側電極14を構成する粒子28をこのように微細なものとした場合、中間層18まで移動した酸化物イオンが粒子28に到達する確率が一層向上する。
If the sputtering conditions are adjusted, the particle size of the grown
なお、SDCの割合を75vol%未満とするためには、例えば、スパッタリングを行う際、SDCターゲットに対する電圧をPtターゲットに比して小さくすればよい。 In order to make the SDC ratio less than 75 vol%, for example, when performing sputtering, the voltage with respect to the SDC target may be made smaller than that of the Pt target.
以上のようにして、Pt−SDCからなるアノード側電極14、c軸方向を厚み方向とするLaXSi6O1.5X+12等の単結晶からなる電解質12、ペロブスカイト型化合物(例えば、LaSrGaMgO、LaSrMnO、SmSrCoO等)、蛍石型化合物(例えば、YDC、SDC、GDC、LDC等)、又はアパタイト型化合物(例えば、LaXSi6O1.5X+12、LaXGe6O1.5X+12等)からなるカソード側電極16を有し、アノード側電極14と電解質12との間、電解質12とカソード側電極16との間にSDC、YDC又はGDC等からなる中間層18、20が介装されたMEA10(図1参照)が得られるに至る。
As described above, the
このMEA10から単位セル36を構成するには、さらに、アノード側電極14及びカソード側電極16の各一端面にセパレータ30a、30b、集電用電極32a、32b及びエンドプレート34a、34bを配置すればよい。
In order to construct the
なお、上記した実施の形態においては、アノード側電極14の材質をPt−SDCとしているが、Ptに代替してNi、Pt/Co、Ni/Co、Pt/Rd等、周期律表の8族に属する金属元素の1種以上を採用するようにしてもよい。また、アノード側電極14は、上記したような金属のみからなるものであってもよい。勿論、このような場合においても、金属粒子の粒径は10nm以下に設定される。
In the above-described embodiment, the material of the
一方のカソード側電極16も、上記のアノード側電極14に準拠して構成されたものであってもよい。この場合、アノード側電極14及びカソード側電極16の双方が上記したような構成であってもよいし、カソード側電極16のみが上記したような構成であってもよい。すなわち、本発明においては、アノード側電極14又はカソード側電極16の少なくともいずれか一方が上記のように構成されていればよい。
One
そして、電解質・電極接合体は、電解質12を支持基板によって保持する支持基板型電解質・電極接合体であってもよい。この場合、電解質12の厚みを50μm以下に設定することが可能となる。電解質・電極接合体の発電性能と強度との関係から、電解質12の厚みは200nm〜10μmの範囲にすることが好ましい。
The electrolyte / electrode assembly may be a support substrate type electrolyte / electrode assembly in which the
また、電解質12は、LaXSi6O1.5X+12からなるものに特に限定されるものではなく、酸化物イオン伝導が異方性を示す物質であれば、その他のアパタイト型酸化物(例えば、LaXGe6O1.5X+12)であってもよいし、層状化合物でもある一連のBIMEVOX化合物であってもよい。
The
さらに、電解質12は、単結晶からなるものに特に限定されるものではなく、各粉末の結晶をc軸方向に配向させた焼結体からなるものであってもよい。このような焼結体は、例えば、アパタイト化合物の粉末を溶媒に添加してスラリーとした後、10T(テスラ)程度の強磁場の存在下で該スラリーを固化させた成形体とし、さらに、該成形体を焼結することによって得ることができる。
Furthermore, the
同様に、中間層18、20は、SDC、YDC又はGDCからなるものに特に限定されるものではなく、酸化物イオン伝導が等方性を示す物質であれば、その他の蛍石型酸化物であってもよいし、ペロブスカイト型酸化物であってもよい。
Similarly, the
さらにまた、上記した実施の形態では、アノード側電極14と電解質12との間、カソード側電極16と電解質12との間の双方に中間層18、20を介装するようにしているが、カソード側電極16と電解質12との間の中間層20のみを設けるようにしてもよいし、アノード側電極14と電解質12との間の中間層18のみを設けるようにしてもよい。
Furthermore, in the above-described embodiment, the
この場合においても、アノード側電極14を構成する粒子28が電解質12に密に接触する。すなわち、気孔29を挟んで互いに対向する粒子28、28の接合部位同士の離間距離が1μm以下に設定される(図3参照)。また、アノード側電極14の気孔率も5〜40vol%の範囲内に確保される。従って、電解質12内を移動してきた酸化物イオンが気孔29に到達する確率よりも粒子28に到達する確率が高くなり、このため、アノード側電極14が酸化物イオンを効率よく受領することができる。結局、アノード側電極14と電解質12の間の界面抵抗が低減し、MEA10全体としてのIR損が低減する。
Even in this case, the
c軸方向に配向したLa9.33Si6O26(アパタイト化合物)の単結晶を、チョクラルスキー法によって作製した。この単結晶の底面に対して鏡面研磨加工を施し、c軸方向に沿う方向(厚み方向)の寸法が300μm、底面の直径が17mmであるディスク形状体とした。次に、スパッタリングを行うことによって、厚み200nmのSDC(Sm0.8Ce0.2O2)層をディスク形状体の両端面に形成し、その後、大気中にて1200℃で2時間保持することで熱処理を施した。 A single crystal of La 9.33 Si 6 O 26 (apatite compound) oriented in the c-axis direction was produced by the Czochralski method. The bottom surface of the single crystal was mirror-polished to obtain a disk-shaped body having a dimension along the c-axis direction (thickness direction) of 300 μm and a bottom surface diameter of 17 mm. Next, an SDC (Sm 0.8 Ce 0.2 O 2 ) layer having a thickness of 200 nm is formed on both end faces of the disk-shaped body by sputtering, and then heat treatment is performed by holding at 1200 ° C. for 2 hours in the atmosphere. gave.
次に、一方のSDC層の端面にLa0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3のペーストを直径が8mmとなるようにスクリーン印刷によって塗布した後、大気中にて1100℃で1時間保持することで熱処理を施し、La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3層を形成した。 Next, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 paste was applied to the end face of one SDC layer by screen printing so that the diameter was 8 mm, and then held at 1100 ° C. in the atmosphere for 1 hour. Heat treatment was performed to form a La 0.6 Sr 0.4 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 layer.
次に、Ptターゲット及びSDC(Sm0.8Ce0.2O2)ターゲットに対して同時にスパッタリングを行うことにより、厚み200nmのPt−SDC層を残余のSDC層の端面に形成した。さらに、500℃で2時間保持することによって熱処理を施した。このPt−SDC層にはPtが75vol%含まれていた。 Next, the Pt target and the SDC (Sm 0.8 Ce 0.2 O 2 ) target were simultaneously sputtered to form a Pt-SDC layer having a thickness of 200 nm on the end face of the remaining SDC layer. Further, heat treatment was performed by holding at 500 ° C. for 2 hours. This Pt-SDC layer contained 75 vol% Pt.
以上により、La9.33Si6O26を電解質、Pt−SDC層をアノード側電極、La0.4Sr0.6Co0.8Fe0.2O3層をカソード側電極とし、且つ電解質とアノード側電極との間、電解質とカソード側電極との間にSDC層からなる中間層がそれぞれ介装されたMEAを得た。走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察したところ、アノード側電極を構成する粒子間の接合部位同士の平均間隔は20nmであった。また、カソード側電極を構成する粒子間の接合部位同士の平均間隔は、500nmであった。これを実施例1とする。 As described above, La 9.33 Si 6 O 26 is the electrolyte, the Pt-SDC layer is the anode side electrode, the La 0.4 Sr 0.6 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 layer is the cathode side electrode, and the electrolyte and the anode side electrode An MEA in which an intermediate layer composed of an SDC layer was interposed between the cathode side electrode was obtained. When observed using a scanning electron microscope (SEM), the average distance between the bonding sites between the particles constituting the anode-side electrode was 20 nm. Moreover, the average interval between the bonding sites between the particles constituting the cathode side electrode was 500 nm. This is Example 1.
図6は、実施例1のMEAが具備するアノード側電極のX線回折測定パターンである。この図6から諒解されるように、500℃の熱処理ではブロードなピークのみが出現する。このことは、Pt粒子及びSDC粒子の双方が非晶質(アモルファス)であることを意味する。 FIG. 6 is an X-ray diffraction measurement pattern of an anode side electrode included in the MEA of Example 1. As can be seen from FIG. 6, only a broad peak appears in the heat treatment at 500 ° C. This means that both Pt particles and SDC particles are amorphous.
また、中間層の材質、厚み、アノード側電極又はカソード側電極の材質、厚み等を図7に示すように変更したことを除いては実施例1に準拠してMEAを作製した。各々を実施例2〜11とする。なお、図7においては、例えば、Ptを50vol%含むPt−SDC層を「50%Pt−SDC」等と表記している。また、実施例6では、中間層をカソード電極側のみに設けている。 Further, an MEA was produced in accordance with Example 1 except that the material and thickness of the intermediate layer, the material and thickness of the anode side electrode or cathode side electrode were changed as shown in FIG. Each is referred to as Examples 2-11. In FIG. 7, for example, a Pt-SDC layer containing 50 vol% Pt is expressed as “50% Pt-SDC” or the like. In Example 6, the intermediate layer is provided only on the cathode electrode side.
以上の実施例2〜11についても、アノード側電極のX線回折測定を行った。これらの場合においても実施例1と同様に、ブロードなピークのみが出現した。 Also in Examples 2 to 11 described above, the X-ray diffraction measurement of the anode side electrode was performed. In these cases, only a broad peak appeared as in Example 1.
比較のため、スパッタによってアノード側電極を形成した後の熱処理温度を700℃としたり、焼結によってアノード側電極を形成した後の熱処理温度を900℃、1400℃としたりすることによってMEAを作製した。これらを比較例1〜5とする。 For comparison, the heat treatment temperature after forming the anode side electrode by sputtering was set to 700 ° C., or the heat treatment temperature after forming the anode side electrode by sintering was set to 900 ° C. or 1400 ° C. . These are referred to as Comparative Examples 1 to 5.
比較例1のMEAが具備するアノード側電極のX線回折測定パターンを、図8に示す。この図8から、熱処理温度を700℃とするとPt由来のシャープなピークが出現することが分かる。すなわち、この温度では、少なくともPtが結晶質となる。図示しないが、比較例2においても同様の結果が得られた。 FIG. 8 shows an X-ray diffraction measurement pattern of the anode side electrode included in the MEA of Comparative Example 1. It can be seen from FIG. 8 that a sharp peak derived from Pt appears when the heat treatment temperature is 700 ° C. That is, at this temperature, at least Pt becomes crystalline. Although not shown, similar results were obtained in Comparative Example 2.
また、比較例3〜5についてもアノード側電極のX線回折測定を行った。図示しないが、これらの場合、Pt由来及びSDC由来のシャープなピークが出現した。 Moreover, the X-ray diffraction measurement of the anode side electrode was performed also about Comparative Examples 3-5. Although not shown, in these cases, sharp peaks derived from Pt and SDC appeared.
図7には、以上の結果を実施例1〜11と併せて「電極結晶性」として示している。すなわち、実施例1〜11における「アモルファス」はX線回折測定パターンでブロードなピークのみが出現したことを表し、比較例1〜5はPt、又はPtとSDCのシャープなピークが出現したことを表している。 In FIG. 7, the above results are shown as “electrode crystallinity” together with Examples 1-11. That is, “amorphous” in Examples 1 to 11 represents that only a broad peak appeared in the X-ray diffraction measurement pattern, and Comparative Examples 1 to 5 showed that a sharp peak of Pt or Pt and SDC appeared. Represents.
以上の実施例1〜11及び比較例1〜5の各MEAを用いて燃料電池の単位セルを構成し、アノード側電極にH2を流量15cc/分で供給するとともに、カソード側電極に圧縮エアを流量100cc/分で供給して発電させた。300℃、500℃での出力電力を図7に併せて示す。 A unit cell of a fuel cell is configured by using each MEA of Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 to 5, and H 2 is supplied to the anode side electrode at a flow rate of 15 cc / min, and compressed air is supplied to the cathode side electrode. Was supplied at a flow rate of 100 cc / min to generate electricity. The output power at 300 ° C. and 500 ° C. is also shown in FIG.
300℃、500℃での出力電圧同士をそれぞれ対比し、実施例1〜11の単位セルの方が比較例1〜5の単位セルに比して発電性能が格段に優れていることが明らかである。 It is clear that the output voltages at 300 ° C. and 500 ° C. are compared with each other, and the unit cells of Examples 1 to 11 are much more excellent in power generation performance than the unit cells of Comparative Examples 1 to 5. is there.
10…電解質・電極接合体(MEA) 12…電解質
14…アノード側電極 16…カソード側電極
18、20…中間層 21…単位格子
28…粒子 29…気孔
30a、30b…セパレータ 36…単位セル
38a、38b…ガス流路
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記電解質が、酸化物イオンが移動する面もしくは方向を有する単結晶であるか、又は、酸化物イオンが移動する面もしくは方向に配向された多結晶からなり、且つ前記面又は前記方向が厚み方向に沿うように形成されたアパタイト型酸化物であり、
前記アノード側電極又は前記カソード側電極は、粒径が100nm以下である粒子が互いに結合して構成されるとともに、厚みが1μm以下に設定され、
前記粒子に少なくとも非晶質の金属粒子が含まれ、
前記アノード側電極又は前記カソード側電極には、前記電解質、又は前記電解質と前記アノード側電極との間に介在された中間層に接合した接合部位に気孔が存在し、且つ前記気孔を挟んで隣接する前記粒子同士の離間距離が1μm以下であることを特徴とする電解質・電極接合体。 An electrolyte / electrode assembly in which an electrolyte is interposed between an anode side electrode and a cathode side electrode,
The electrolyte is a single crystal having a plane or direction in which oxide ions move, or a polycrystal oriented in the plane or direction in which oxide ions move, and the plane or direction is a thickness direction. An apatite-type oxide formed along
The anode side electrode or the cathode side electrode is configured by bonding particles having a particle size of 100 nm or less to each other, and the thickness is set to 1 μm or less.
The particles include at least amorphous metal particles;
The anode-side electrode or the cathode-side electrode has pores at a joint portion joined to the electrolyte or an intermediate layer interposed between the electrolyte and the anode-side electrode, and is adjacent to the pores. The electrolyte / electrode assembly is characterized in that the distance between the particles is 1 μm or less.
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