JP2012074307A - Power generation cell for solid oxide fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池用発電セルに関し、さらに詳しくは、作動温度が低温であっても、良好な発電性能を示し、しかも高い信頼性を有する固体酸化物形燃料電池用発電セルに関する。 The present invention relates to a power generation cell for a solid oxide fuel cell. More specifically, the power generation cell for a solid oxide fuel cell exhibits excellent power generation performance and high reliability even when the operating temperature is low. About.
固体酸化物形燃料電池は、電解質としてイオン伝導性の高い酸化物セラミックスを用い、装置内で生じる電気化学反応を利用して、電力を取り出す装置である。燃料電池の中でも、固体酸化物形燃料電池は、発電効率が高く、高価な触媒も必要ではないため、温室効果ガス削減に貢献する創エネルギーデバイスとして開発が進められている。 A solid oxide fuel cell is a device that uses oxide ceramics with high ion conductivity as an electrolyte and takes out electric power by utilizing an electrochemical reaction generated in the device. Among fuel cells, solid oxide fuel cells have high power generation efficiency and do not require expensive catalysts, and are therefore being developed as energy creation devices that contribute to greenhouse gas reduction.
従来の固体酸化物形燃料電池は、作動温度が高いため(たとえば800〜1000℃)、使用できる材料が制限される、あるいは熱サイクルによる材料の劣化などの問題点があった。そのため、作動温度を低くすることが試みられている。 Conventional solid oxide fuel cells have high operating temperatures (for example, 800 to 1000 ° C.), so that there are problems such as limited materials that can be used or material deterioration due to thermal cycling. Therefore, attempts have been made to lower the operating temperature.
たとえば、特許文献1では、固体電解質と燃料極との間に活性層を配置して、燃料極の空孔の平均気孔径が、活性層の空孔の平均気孔径より大きくした燃料電池が記載されている。しかしながら、特許文献1では、固体電解質として、YSZ等の材料しか記載されていないため、電解質の酸化物イオン伝導性が低く、低温での性能が低下してしまうという問題があった。また、発電セルを長時間作動させた場合の信頼性については何ら記載されていなかった。 For example, Patent Document 1 describes a fuel cell in which an active layer is disposed between a solid electrolyte and a fuel electrode so that the average pore diameter of the pores of the fuel electrode is larger than the average pore diameter of the pores of the active layer. Has been. However, in Patent Document 1, since only a material such as YSZ is described as the solid electrolyte, there is a problem that the oxide ion conductivity of the electrolyte is low and the performance at low temperature is lowered. Moreover, there was no description about the reliability when the power generation cell was operated for a long time.
また、特許文献2では、多孔質セラミックス材料層(電極)が、緻密質セラミックス材料層(固体電解質)に含まれるセラミックス材料と同一のセラミックス材料を含有する燃料電池の単セル構造体が記載されている。しかしながら、固体電解質として、YSZ等の材料しか記載されていないため、電解質の酸化物イオン伝導性が低く、低温での性能が低下してしまうという問題があった。また、発電セルを長時間作動させた場合の信頼性については何ら記載されていなかった。
なお、固体電解質の厚みを薄膜化することで、作動温度を低温にしても、酸化物イオン伝導性を良好にすることは可能であるが、固体電解質の強度が低下し、発電セルの信頼性が低下してしまうという問題があった。 Although the thickness of the solid electrolyte can be reduced, the oxide ion conductivity can be improved even if the operating temperature is lowered, but the strength of the solid electrolyte is reduced, and the reliability of the power generation cell is reduced. There was a problem that would decrease.
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、作動温度が低温(たとえば600℃以下)であっても、良好な発電性能を示し、しかも高い信頼性を有する固体酸化物形燃料電池用発電セルを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a situation, and even when the operating temperature is low (for example, 600 ° C. or lower), the power generation cell for a solid oxide fuel cell exhibits good power generation performance and has high reliability. The purpose is to provide.
上記目的を達成するために、本発明に係る固体酸化物形燃料電池用発電セルは、
固体電解質と、前記固体電解質の一方の主面に形成された空気極と、前記固体電解質の他方の主面に形成された燃料極と、を備える固体酸化物形燃料電池用発電セルであって、
前記固体電解質が、(La,Sr)(Ti,Fe)O3からなる緻密質の第1固体電解質と、酸化物イオン輸率が0.96以上であるZrの酸化物からなる緻密質の第2固体電解質と、を有し、
前記空気極が、複数の気孔が連通するように形成されている多孔質の空気極側反応促進層を有し、
前記第1固体電解質の一方の主面に前記空気極側反応促進層が形成され、前記第1固体電解質の他方の主面と前記燃料極との間に前記第2固体電解質が形成されており、
前記空気極側反応促進層が、(La,Sr)(Ti,Fe)O3からなる緻密質の3次元状の骨格構造を有し、前記骨格構造の表面に(La,Sr)(Co,Fe)O3が含浸されていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a power generation cell for a solid oxide fuel cell according to the present invention comprises:
A power generation cell for a solid oxide fuel cell, comprising: a solid electrolyte; an air electrode formed on one main surface of the solid electrolyte; and a fuel electrode formed on the other main surface of the solid electrolyte. ,
The solid electrolyte is a dense first solid electrolyte made of (La, Sr) (Ti, Fe) O 3 and a dense first made of Zr oxide having an oxide ion transport number of 0.96 or more. 2 solid electrolytes,
The air electrode has a porous air electrode side reaction promoting layer formed so that a plurality of pores communicate with each other;
The air electrode side reaction promoting layer is formed on one main surface of the first solid electrolyte, and the second solid electrolyte is formed between the other main surface of the first solid electrolyte and the fuel electrode. ,
The air electrode side reaction promoting layer has a dense three-dimensional skeleton structure made of (La, Sr) (Ti, Fe) O 3 , and (La, Sr) (Co, Fe) O 3 is impregnated.
本発明では、低温(たとえば、600℃以下)においても、酸化物イオン伝導性が極めて高い複合酸化物((La,Sr)(Ti,Fe)O3)を固体電解質として用いている。しかしながら、この複合酸化物は、酸化物イオン輸率が極めて低い、すなわち電子伝導性が極めて高いため、複合酸化物と燃料極とが直接接していると、燃料極で生じた電子が複合酸化物側に移動してしまう。その結果、複合酸化物内で短絡が生じ、電力を外部回路に取り出すことができない。 In the present invention, a complex oxide ((La, Sr) (Ti, Fe) O 3 ) having extremely high oxide ion conductivity is used as a solid electrolyte even at a low temperature (for example, 600 ° C. or lower). However, since this composite oxide has a very low oxide ion transport number, that is, extremely high electron conductivity, when the composite oxide and the fuel electrode are in direct contact, the electrons generated at the fuel electrode are mixed with the composite oxide. Move to the side. As a result, a short circuit occurs in the composite oxide, and power cannot be extracted to an external circuit.
そこで、本発明では、さらに、固体電解質として、酸化物イオン輸率が高い酸化物を該複合酸化物と燃料極との間に配置することで、固体電解質側への電子の移動を該酸化物によりブロックしている。このようにすることで、作動温度が低温であっても、固体電解質への電子の移動(短絡)を防止し、かつ空気極で生じた酸化物イオンを燃料極に速やかに到達させ、電力を外部回路に取り出すことができる。 Therefore, in the present invention, as a solid electrolyte, an oxide having a high oxide ion transport number is disposed between the composite oxide and the fuel electrode, so that the movement of electrons to the solid electrolyte side can be performed. Is blocking. By doing so, even if the operating temperature is low, the movement (short circuit) of electrons to the solid electrolyte is prevented, and the oxide ions generated at the air electrode can quickly reach the fuel electrode, thereby reducing the power. Can be taken out to an external circuit.
しかも、多孔質である空気極側反応促進層の骨格構造を、第1固体電解質と同材質で構成しているため、界面剥離や元素拡散等の問題は生じない。さらに、空気極側反応促進層の骨格構造の表面を(La,Sr)(Co,Fe)O3で含浸させることで、空気極側の三相界面における酸化物イオンの生成速度を高めて、発電セルの発電性能を高めることができる。 In addition, since the skeleton structure of the porous air electrode side reaction promoting layer is made of the same material as that of the first solid electrolyte, problems such as interface peeling and element diffusion do not occur. Furthermore, by impregnating the surface of the skeletal structure of the air electrode side reaction promoting layer with (La, Sr) (Co, Fe) O 3 , the production rate of oxide ions at the three-phase interface on the air electrode side is increased, The power generation performance of the power generation cell can be improved.
好ましくは、前記固体酸化物形燃料電池用発電セルが燃料極支持膜構造であって、
前記燃料極が、複数の気孔が連通するように形成されている多孔質の燃料極側反応促進層と、複数の気孔が連通するように形成されている多孔質の支持層と、を有し、
前記第2固体電解質の一方の主面に前記燃料極側反応促進層が形成されており、
前記燃料極側反応促進層に形成されている気孔の径が、前記支持層に形成されている気孔の径よりも小さい。
Preferably, the power generation cell for a solid oxide fuel cell has a fuel electrode support membrane structure,
The fuel electrode has a porous fuel electrode side reaction promoting layer formed so that a plurality of pores communicate with each other, and a porous support layer formed so that a plurality of pores communicate with each other. ,
The fuel electrode side reaction promoting layer is formed on one main surface of the second solid electrolyte,
The diameter of the pores formed in the fuel electrode side reaction promoting layer is smaller than the diameter of the pores formed in the support layer.
好ましくは、前記(La,Sr)(Ti,Fe)O3が、一般式(La1−xSrx)(Ti1−yFey)O3−δで表され、前記一般式において、xが0.1〜0.5、yが0.1〜0.9である関係を満足する。上記の一般式で表される複合酸化物は、母材であるLaTiO3のLaサイトにSrを、TiサイトにFeをそれぞれ置換したものであり、このようにすることにより酸化物イオン伝導性が発現する。xおよびyが上記の範囲内であれば、本発明における発電セルの性能に影響を及ぼすほどの酸化物イオン伝導性の変化はない。 Preferably, the (La, Sr) (Ti, Fe) O 3 is represented by the general formula (La 1-x Sr x ) (Ti 1-y Fe y ) O 3-δ , Satisfies the relationship of 0.1 to 0.5 and y of 0.1 to 0.9. The composite oxide represented by the above general formula is obtained by substituting Sr for the La site of LaTiO 3 which is the base material and Fe for the Ti site. To express. When x and y are within the above ranges, there is no change in oxide ion conductivity that affects the performance of the power generation cell in the present invention.
好ましくは、前記第1固体電解質の厚みが3〜20μmである。 Preferably, the thickness of the first solid electrolyte is 3 to 20 μm.
好ましくは、前記第2固体電解質の厚みが3〜10μmである。 Preferably, the thickness of the second solid electrolyte is 3 to 10 μm.
第1固体電解質および第2固体電解質の厚みを制御することで、本発明の効果をより高めることができる。 By controlling the thickness of the first solid electrolyte and the second solid electrolyte, the effect of the present invention can be further enhanced.
好ましくは、前記Zrの酸化物が、イットリア安定化ジルコニアまたはスカンジア安定化ジルコニアである。 Preferably, the oxide of Zr is yttria stabilized zirconia or scandia stabilized zirconia.
空気極側反応促進層に関し、好ましくは、その厚みが3〜20μmである。また、好ましくは、該層に形成されている気孔の径が0.5〜10μmである。また、好ましくは、その気孔率が20〜90%である。 The thickness of the air electrode side reaction promoting layer is preferably 3 to 20 μm. Preferably, the pores formed in the layer have a diameter of 0.5 to 10 μm. Moreover, Preferably, the porosity is 20 to 90%.
燃料極側反応促進層に関し、好ましくは、その厚みが3〜20μmである。また、好ましくは、該層に形成されている気孔の径が0.5〜10μmである。また、好ましくは、その気孔率が20〜90%である。 Regarding the fuel electrode side reaction promoting layer, the thickness is preferably 3 to 20 μm. Preferably, the pores formed in the layer have a diameter of 0.5 to 10 μm. Moreover, Preferably, the porosity is 20 to 90%.
支持層に関し、好ましくは、その厚みが100〜2000μmである。また、好ましくは、該層に形成されている気孔の径が5〜50μmである。また、好ましくは、その気孔率が30〜70%である。 The thickness of the support layer is preferably 100 to 2000 μm. Preferably, the pores formed in the layer have a diameter of 5 to 50 μm. Moreover, Preferably, the porosity is 30 to 70%.
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments shown in the drawings.
<固体酸化物形燃料電池用発電セル1>
本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用発電セル1を図1に示す。該発電セル1は、固体電解質2と、固体電解質2の一方の主面に接するように形成されている空気極3と、固体電解質2の他方の主面に接するように形成されている燃料極4と、を有する。
<Power generation cell 1 for solid oxide fuel cell>
A power generation cell 1 for a solid oxide fuel cell according to this embodiment is shown in FIG. The power generation cell 1 includes a
この発電セル1は、電気化学反応により電気を発生させるための最小単位であり、複数の発電セル1を、インターコネクタを介して直列に接続することで、スタックとされ、高出力を得ることができる。 The power generation cell 1 is a minimum unit for generating electricity by an electrochemical reaction. By connecting a plurality of power generation cells 1 in series via an interconnector, a stack can be obtained and high output can be obtained. it can.
発電セル1の形状は、特に制限されず、用途等に応じて決定すればよい。たとえば、平板状であってもよいし、円筒状であってもよい。また、平板の形状についても制限されず、円形状あるいは楕円形状であってもよいし、三角形以上の多角形状であってもよい。発電セル1の寸法についても、特に制限されず、用途等に応じて決定すればよい。 The shape of the power generation cell 1 is not particularly limited, and may be determined according to the application. For example, it may be flat or cylindrical. Further, the shape of the flat plate is not limited, and may be a circular shape or an elliptical shape, or may be a polygonal shape of a triangle or more. The dimensions of the power generation cell 1 are not particularly limited, and may be determined according to usage.
また、発電セル1の強度を確保するための構造としては、電解質支持膜型であってもよいし、電極(空気極または燃料極)支持膜型であってもよい。本実施形態では燃料極支持膜型である。 The structure for securing the strength of the power generation cell 1 may be an electrolyte support membrane type or an electrode (air electrode or fuel electrode) support membrane type. In this embodiment, it is a fuel electrode support membrane type.
<固体電解質2>
本実施形態では、図1に示すように、固体電解質2は、第1固体電解質21と第2固体電解質22とが積層された構成を有する。第1固体電解質21の一方の主面側に空気極3が形成され、第1固体電解質21の他方の主面と燃料極4との間に第2固体電解質22が配置されている。すなわち、第1固体電解質21は空気極3と接しているが、燃料極4とは接しておらず、第2固体電解質22は、燃料極4と接しているが、空気極3とは接していない。
<
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the
<第1固体電解質21>
第1固体電解質21は、(La,Sr)(Ti,Fe)O3からなり、具体的には、一般式(La1−xSrx)(Ti1−yFey)O3−δ (以下、LSTFともいう)で表される緻密質の複合酸化物である。δは酸素欠損を表す。
<First
The first
このLSTFは、非常に高い酸化物イオン伝導性を有しているが、電気伝導性のうち酸化物イオンが担う割合を示す酸化物イオン輸率は非常に低いため、固体電解質として単独で用いることには適さない。しかしながら、後述するように、第2固体電解質と組み合わせて用いることで、良好な酸化物イオン伝導性を有する固体電解質として適用できる。 Although this LSTF has very high oxide ion conductivity, the oxide ion transport number indicating the proportion of oxide ions in electrical conductivity is very low, so it should be used alone as a solid electrolyte. Not suitable for. However, as will be described later, it can be applied as a solid electrolyte having good oxide ion conductivity by being used in combination with the second solid electrolyte.
上記式において、xは好ましくは0.1〜0.5、より好ましくは0.2〜0.4である。xはSr原子が占める割合を示しており、xを上記の範囲とすることで、La3+サイトをSr2+サイトで占めることで、酸素欠陥が生じ、良好な酸化物イオン伝導性を発現できるという利点がある。 In the above formula, x is preferably 0.1 to 0.5, more preferably 0.2 to 0.4. x indicates the proportion of Sr atoms, and when x is in the above range, the La 3+ site is occupied by the Sr 2+ site, so that oxygen defects occur and good oxide ion conductivity can be expressed. There are advantages.
上記式において、yは好ましくは0.1〜0.9、より好ましくは0.6〜0.9である。yはFe原子が占める割合を示しており、yを上記の範囲とすることで、電気伝導性を向上できるという利点がある。 In the above formula, y is preferably 0.1 to 0.9, more preferably 0.6 to 0.9. y indicates the proportion of Fe atoms, and by setting y to the above range, there is an advantage that the electrical conductivity can be improved.
固体電解質2、空気極3および燃料極4が積層される方向における第1固体電解質21の長さを、第1固体電解質21の厚みとすると、該厚みは好ましくは3〜20μm、より好ましくは3〜10μmである。厚みを上記の範囲とすることで、固体電解質としての強度を確保でき、かつ発電性能を高く保つことができるという利点がある。
When the length of the first
<第2固体電解質22>
第2固体電解質22は、酸化物イオン輸率が0.96(96%)以上の緻密質のZrの酸化物からなる。該酸化物としては、本実施形態では、イットリア安定化ジルコニア(以下、YSZともいう)またはスカンジア安定化ジルコニア(以下、ScSZともいう)が好ましい。
<Second
The second
このような酸化物は、酸化物イオン輸率および酸化物イオン伝導性が高いため好ましい。また、発電セルの一体焼成時において、LSTFとの収縮挙動の差を小さくできる。なお、酸化物イオン輸率の上限は1である、すなわち、電気伝導の全てを酸化物イオンが担っていることが好ましいが、現在の技術では0.995程度である。 Such an oxide is preferable because of its high oxide ion transport number and high oxide ion conductivity. In addition, the difference in shrinkage behavior from LSTF can be reduced during the integral firing of the power generation cell. The upper limit of the oxide ion transport number is 1, that is, it is preferable that the oxide ion bears all of the electrical conduction, but it is about 0.995 in the current technology.
YSZとしては、イットリア(Y2O3)をジルコニア(ZrO2)に3〜15モル%固溶させたものが好ましい。ScSZとしてはスカンジア(Sc2O3)を、ジルコニアに5〜10モル%固溶させたものが好ましい。 YSZ is preferably a solution in which 3 to 15 mol% of yttria (Y 2 O 3 ) is dissolved in zirconia (ZrO 2 ). As ScSZ, scandia (Sc 2 O 3 ) is preferably dissolved in zirconia in 5 to 10 mol%.
固体電解質2、空気極3および燃料極4が積層される方向における第2固体電解質22の長さを、第2固体電解質22の厚みとすると、該厚みは好ましくは3〜10μm、より好ましくは3〜5μmである。厚みを上記の範囲とすることで、固体電解質としての強度を確保でき、かつ発電性能を高く保つことができるという利点がある。
When the length of the second
本実施形態では、酸化物イオン伝導性が非常に高いものの、酸化物イオン輸率が極めて低い第1固体電解質21と、酸化物イオン輸率が非常に高い第2固体電解質22と、を組み合わせて固体電解質2を構成している。
In this embodiment, although the oxide ion conductivity is very high, the first
第1固体電解質を構成するLSTFは、酸化物イオン伝導性は非常に高いが、酸化物イオン輸率は0.01(1%)程度である。そのため、LSTF(第1固体電解質21)と燃料極4とを接すると、LSTF(第1固体電解質21)と燃料極4との界面で生じた電子がLSTFに容易に移動し、LSTF内部で回路が形成されてしまい、外部に電力を取り出すことができない。
The LSTF constituting the first solid electrolyte has very high oxide ion conductivity, but the oxide ion transport number is about 0.01 (1%). Therefore, when the LSTF (first solid electrolyte 21) and the
そこで、本実施形態では、酸化物イオン輸率の非常に高い酸化物(第2固体電解質22)を、LSTF(第1固体電解質21)と燃料極4との間に配置している。このようにすることで、電子が第2固体電解質22を透過することは極めて困難となるため、燃料極で生じたほとんどの電子は外部回路を通じて空気極側へ移動する。一方、第1固体電解質21と空気極3との界面で生成した酸化物イオンは、第1固体電解質21および第2固体電解質22中を良好に伝導し、燃料極4に到達する。
Therefore, in this embodiment, an oxide (second solid electrolyte 22) having a very high oxide ion transport number is disposed between the LSTF (first solid electrolyte 21) and the
すなわち、第1固体電解質21が有する良好な酸化物イオン伝導性を利用しつつ、第2固体電解質22により電子をブロックして、外部に電力を取り出すことができる。
That is, while utilizing the good oxide ion conductivity of the first
換言すれば、酸化物イオンにとって抵抗成分である固体電解質を構成するに際し、比較的に抵抗の大きい成分(第2固体電解質)を、電子伝導性が生じない程度において、非常に抵抗の小さい成分(第1固体電解質)で置換した構成としている。 In other words, when configuring a solid electrolyte that is a resistance component for oxide ions, a component having a relatively high resistance (second solid electrolyte) is converted into a component having a very low resistance (to the extent that electron conductivity does not occur) The first solid electrolyte) is substituted.
<空気極3>
空気極3は、ガス透過性や三相界面での反応性を向上させるために多孔質材料で構成され、発電セル1内において陰極として作用する。本実施形態では、図1に示すように、空気極3は、表面層31と、第1固体電解質21の主面に形成された空気極側反応促進層32と、を有しているが、空気極側反応促進層32のみから構成されていてもよい。なお、図1の断面では、空気極側反応促進層32において連通している気孔37が少ないように見えるが、他の断面に存在する気孔37を介して連通している場合がある。したがって、空気極側反応促進層32中の気孔37は十分に連通するように形成されている。
<Air electrode 3>
The air electrode 3 is made of a porous material in order to improve gas permeability and reactivity at the three-phase interface, and acts as a cathode in the power generation cell 1. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the air electrode 3 includes a
<表面層31>
表面層31は、外部から供給された空気が発電セル1と接触する層であり、空気極での反応はもちろん外部回路の電流パスとしての役割を有する。本実施形態では、表面層31は、多孔質材料で構成され、(La,Sr)(Co,Fe)O3(以下、LSCFともいう)を有していることが好ましい。
<
The
<空気極側反応促進層32>
空気極側反応促進層32は、酸化物イオンの生成を促進するための層であり、本実施形態では、LSTFからなる3次元状の骨格構造を有する多孔質材料とされる。すなわち、第1固体電解質と同じ材料に複数の気孔37が連通するように形成された構成を有している。
<Air electrode side
The air electrode side
空気極側反応促進層32では、空気中の酸素が第1固体電解質との界面(三相界面)に到達すると、燃料極側から移動してくる電子と酸素とが以下の式1のように反応する。
1/2O2+2e−→O2− …式1
上記の式1に示す反応により生じた酸化物イオンは、上述した固体電解質2中を移動する。
In the air electrode side
1 / 2O 2 + 2e − → O 2− … Formula 1
The oxide ions generated by the reaction shown in the above formula 1 move in the
固体電解質2、空気極3および燃料極4が積層される方向における空気極側反応促進層32の長さを、空気極側反応促進層32の厚みとすると、該厚みは、好ましくは3〜20μm、より好ましくは5〜10μmである。空気極側反応促進層32の厚みを上記の範囲とすることで、高い発電性能と信頼性とを両立することができる。
When the length of the air electrode side
空気極側反応促進層32に形成されている気孔37の径(気孔径)は、好ましくは0.5〜10μm、より好ましくは1〜5μmである。また、空気極側反応促進層32の気孔率は、好ましくは20〜90%、より好ましくは40〜70%である。なお、気孔37の形状としては、特に制限されないが、球状とすることが好ましい。空気極側反応促進層32の気孔径や気孔率を上記の範囲とすることで、高い発電性能と信頼性とを両立することができる。
The diameter (pore diameter) of the
上述したように、LSTFは電子伝導性が非常に高いため、燃料極側から移動してくる電子を速やかに第1固体電解質との界面に到達させることができ、空気極を構成する材料として好適である。 As described above, since LSTF has very high electron conductivity, electrons moving from the fuel electrode side can quickly reach the interface with the first solid electrolyte, which is suitable as a material constituting the air electrode. It is.
しかも、第1固体電解質と同じ材料で構成されるため、たとえば、発電セル1の一体焼成時にも収縮挙動の差を考慮する必要はなく、固体電解質と空気極との界面剥離等はほぼ生じず、相互拡散などの元素の拡散も生じない。 Moreover, since it is composed of the same material as the first solid electrolyte, for example, it is not necessary to consider the difference in shrinkage behavior even when the power generation cell 1 is integrally fired, and interface separation between the solid electrolyte and the air electrode hardly occurs. Also, diffusion of elements such as mutual diffusion does not occur.
なお、図1では、空気極側反応促進層32と第1固体電解質21とは異なる層として記載されているが、焼成後の発電セル1においては、気孔の有無以外は見分けがつかない。換言すれば、緻密質の第1固体電解質21の一方の主面側に気孔を導入し多孔質の空気極とすることで、異なる機能を有する固体電解質と空気極とを一体構造としたものであるということができる。
In FIG. 1, although the air electrode side
また、本実施形態では、図2に示すように、空気極側反応促進層32の3次元状の骨格構造34としてのLSTFの表面に、LSCF35が含浸されている。すなわち、空気極側反応促進層32中に存在する気孔37の輪郭を形成する部分にLSCF35が含浸されている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the
LSCFは、LSTFと同様に、電子伝導性が高く、空気極3を構成する材料として好適であり、式1の反応を促進させる触媒としての能力は、LSTFよりも高い。しかしながら、第1固体電解質21(LSTF)に対して異材質であるため、空気極側反応促進層32をLSCFで構成すると、界面剥離や元素拡散等の問題が生じ、発電セルとしての信頼性(耐久性)が低下する。
LSCF, like LSTF, has high electron conductivity and is suitable as a material constituting the air electrode 3, and has a higher ability as a catalyst for promoting the reaction of Formula 1 than LSTF. However, since it is a different material from the first solid electrolyte 21 (LSTF), if the air electrode side
そこで、骨格構造34はLSTFで構成し、透過してくる酸素が接触する骨格構造の表面にLSCF35を存在させることで、界面剥離や元素拡散等の問題が生じることなく、式1の反応が促進され、酸化物イオンの生成速度を向上させることができる。
Therefore, the
<燃料極4>
燃料極4は、ガス透過性や三相界面での反応性を向上させるために多孔質材料で構成され、発電セル1内において陽極として作用する。本実施形態では、図1に示すように、燃料極4は、第2固体電解質22の主面に形成された燃料極側反応促進層41と、該反応促進層32上に形成された支持層42と、から構成される。
<
The
<燃料極側反応促進層41>
燃料極側反応促進層41は、第2固体電解質22との界面において、外部から供給された燃料(水素)が、固体電解質を透過してきた酸化物イオンと下記に示す反応が生じ、電子が生成する層である。
H2+1/2O2 2−→H2O+2e− …式2
本実施形態では、燃料極側反応促進層41は、水素を三相界面に到達させ、上記の式2に示す反応を促進するために、複数の気孔47が連通するように形成された多孔質材料とされる。
<Fuel electrode side
In the fuel electrode side
H 2 + 1 / 2O 2 2− → H 2 O + 2e −
In the present embodiment, the fuel electrode side
本実施形態では、燃料極側反応促進層41は、NiOとYSZとのコンポジット材料(以下、NiO/YSZともいう)から構成される。この材料は、良好な電子伝導性を有するNiOをYSZに分散させることで、焼成時のNiOの凝集を防止し、三相界面を増加させ、反応性を高めることができる。また、第2固体電解質を構成するZrの酸化物と母材が共通するため、第2固体電解質との界面剥離や元素拡散が生じにくい。
In the present embodiment, the fuel electrode side
固体電解質2、空気極3および燃料極4が積層される方向における燃料極側反応促進層41の長さを、燃料極側反応促進層41の厚みとすると、該厚みは、好ましくは3〜20μm、より好ましくは5〜10μmである。燃料極側反応促進層41の厚みを上記の範囲とすることで、高い発電性能と信頼性とを両立することができる。
When the length of the fuel electrode side
燃料極側反応促進層41に形成されている気孔47の径(気孔径)は、好ましくは0.5〜10μm、より好ましくは1〜5μmである。また、燃料極側反応促進層41の気孔率は、好ましくは20〜90%、より好ましくは40〜70%である。なお、気孔47の形状としては、特に制限されないが、球状とすることが好ましい。燃料極側反応促進層41の気孔径や気孔率を上記の範囲とすることで、高い発電性能と信頼性とを両立することができる。
The diameter (pore diameter) of the
<支持層42>
支持層42は、燃料極支持膜構造において、発電セル1の強度を担うための層であり、かつ外部から供給された燃料(水素)を、燃料極側反応促進層41に速やかに到達させるための層である。
<
The
本実施形態では、支持層42は、燃料極側反応促進層41と同様に、NiOとYSZとのコンポジット材料(以下、NiO/YSZともいう)から構成される。燃料極側反応促進層41と同様の材料とすることで、反応促進層41と同様の効果が得られる。
In this embodiment, the
固体電解質2、空気極3および燃料極4が積層される方向における支持層42の長さを、支持層42の厚みとすると、該厚みは、好ましくは100〜2000μm、より好ましくは200〜500μmである。支持層42の厚みを上記の範囲とすることで、発電セル1の強度を確保し、さらに、高い発電性能と信頼性とを両立することができる。
When the length of the
支持層42に形成されている気孔48の径は、燃料極側反応促進層41に形成された気孔47の径よりも大きければよいが、好ましくは5〜50μm、より好ましくは10〜30μmである。また、支持層42の気孔率は、好ましくは30〜70%、より好ましくは40〜70%である。なお、気孔48の形状としては、特に制限されないが、球状とすることが好ましい。
The diameter of the
支持層42の気孔径や気孔率を上記の範囲とすることで、発電セル1の強度を確保し、さらに、高い発電性能と信頼性とを両立することができる。また、式1の反応速度は、式2の反応速度よりも遅いため、発電セル1内の電気化学反応としては、式1に律速することとなる。そのため、発電セル1の支持構造を燃料極支持膜構造とし、燃料極の厚みを大きくすることで、式1の反応速度に式2の反応速度を近づけることが容易となる。
By setting the pore diameter and the porosity of the
<固体酸化物形燃料電池用発電セル1の製造方法>
本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用発電セル1を製造する方法としては、特に制限されず、公知の方法を採用すればよいが、以下では、固体電解質および燃料極についてはシート法を用い、空気極についてはスクリーン印刷を用いて発電セル1を製造する方法に関して具体的に説明する。
<Method for Producing Power Generation Cell 1 for Solid Oxide Fuel Cell>
The method for producing the power generation cell 1 for the solid oxide fuel cell according to the present embodiment is not particularly limited, and a known method may be adopted. However, in the following, the sheet method is used for the solid electrolyte and the fuel electrode. The method of manufacturing the power generation cell 1 using screen printing will be specifically described for the air electrode used.
まず、固体電解質、空気極および燃料極を形成するための原料を準備し、これを塗料化して、各ペーストを調製する。 First, raw materials for forming a solid electrolyte, an air electrode, and a fuel electrode are prepared, and this is made into a paint to prepare each paste.
上記の原料として、上記した成分の酸化物やその混合物、複合酸化物を用いることができるが、その他、焼成により上記した酸化物や複合酸化物となる各種化合物、たとえば、炭酸塩、シュウ酸塩、硝酸塩、水酸化物、有機金属化合物等から適宜選択し、混合して用いることもできる。 As the raw materials, oxides of the above-described components, mixtures thereof, and composite oxides can be used. In addition, various compounds that become the above-described oxides or composite oxides by firing, such as carbonates and oxalates. , Nitrates, hydroxides, organometallic compounds, and the like may be selected as appropriate and used as a mixture.
また、上記の原料として、Niなどの導電性金属や合金からなる導電材、あるいは焼成後に上記した導電材となる各種酸化物、有機金属化合物、レジネート等を用いてもよい。 In addition, as the raw material, a conductive material made of a conductive metal such as Ni or an alloy, or various oxides, organometallic compounds, resinates, or the like that become the conductive material described above after firing may be used.
各ペーストは、通常、上記の原料とバインダ樹脂と有機溶剤とを混練した有機系の塗料とされるが、溶剤を水とした水系の塗料であってもよい。各ペースト中には、必要に応じて可塑剤などの添加物が含有されていてもよい。 Each paste is usually an organic paint obtained by kneading the above raw material, binder resin, and organic solvent, but may be an aqueous paint using water as a solvent. Each paste may contain additives such as a plasticizer as necessary.
また、空気極(表面層+反応促進層)および燃料極(反応促進層+支持層)を多孔質材料とするために、空気極用ペーストおよび燃料極用ペーストには気孔形成剤が添加される。気孔形成剤としては、特に制限されないが、本実施形態では、焼成時の保持温度よりも低い温度で分解、気化する樹脂ビーズを用いる。 Further, in order to make the air electrode (surface layer + reaction promoting layer) and the fuel electrode (reaction promoting layer + support layer) porous, a pore forming agent is added to the air electrode paste and the fuel electrode paste. . The pore-forming agent is not particularly limited, but in the present embodiment, resin beads that decompose and vaporize at a temperature lower than the holding temperature during firing are used.
各ペーストを用いて、たとえばドクターブレード法により、第1固体電解質のグリーンシート、第2固体電解質のグリーンシート、燃料極側反応促進層および支持層のグリーンシートを形成する。 Using each paste, a green sheet of a first solid electrolyte, a green sheet of a second solid electrolyte, a fuel electrode side reaction promoting layer, and a green sheet of a support layer are formed by, for example, a doctor blade method.
続いて、形成した各グリーンシートを、第1固体電解質、第2固体電解質、燃料極側反応促進層および支持層の順番となるように積層し圧着して、グリーンシート積層体を得る。 Subsequently, the formed green sheets are laminated and pressure-bonded in the order of the first solid electrolyte, the second solid electrolyte, the fuel electrode side reaction promoting layer, and the support layer to obtain a green sheet laminate.
得られたグリーンシート積層体を所定の形状に切り出し、固体電解質/燃料極積層グリーン体とする。 The obtained green sheet laminate is cut into a predetermined shape to obtain a solid electrolyte / fuel electrode laminate green body.
このグリーン体を焼成して焼結体を得る。焼成する前に脱バインダ処理を行ってもよい。焼成条件としては、保持温度が好ましくは1300〜1500℃、保持時間が好ましくは1〜6時間である。また、焼成時の雰囲気は大気中とすることが好ましい。 The green body is fired to obtain a sintered body. A binder removal treatment may be performed before firing. As firing conditions, the holding temperature is preferably 1300 to 1500 ° C., and the holding time is preferably 1 to 6 hours. The atmosphere during firing is preferably in the air.
次いで、この固体電解質/燃料極積層焼結体の燃料極と対向する面の固体電解質上に、スクリーン印刷法により、空気極側反応促進層を形成する。 Next, an air electrode side reaction promoting layer is formed by screen printing on the solid electrolyte on the surface of the solid electrolyte / fuel electrode laminated sintered body facing the fuel electrode.
空気極側反応促進層を形成した後に、固体電解質との密着性を保つために焼き付けを行い、焼結体を得る。焼成条件としては、保持温度が好ましくは1000〜1200℃、保持時間が好ましくは1〜6時間である。また、焼成時の雰囲気は大気中とすることが好ましい。 After forming the air electrode side reaction promoting layer, baking is performed in order to maintain adhesion with the solid electrolyte to obtain a sintered body. As firing conditions, the holding temperature is preferably 1000 to 1200 ° C., and the holding time is preferably 1 to 6 hours. The atmosphere during firing is preferably in the air.
得られた焼結体の空気極側反応促進層および燃料極(反応促進層+支持層)には、気孔形成剤が気化して形成された気孔が互いに連通して存在している。本実施形態では、さらに、焼結体の空気極側反応促進層上にLSCFの原料を含むペーストを塗布し、ペーストを乾燥させる前に真空引きを行う。そうすると、ペーストに含まれるLSCFが気孔を通じて空気極側反応促進層の骨格構造を構成するLSTFの表面に含浸する。含浸したLSCFを固定させるために、1000〜1200℃の保持温度で焼き付けを行い、図1に示す構成を有する発電セル1を得る。 In the air electrode side reaction promoting layer and the fuel electrode (reaction promoting layer + support layer) of the obtained sintered body, pores formed by vaporizing the pore forming agent are communicated with each other. In the present embodiment, a paste containing an LSCF raw material is further applied on the air electrode side reaction promoting layer of the sintered body, and vacuuming is performed before the paste is dried. Then, the LSCF contained in the paste is impregnated on the surface of the LSTF constituting the skeleton structure of the air electrode side reaction promoting layer through the pores. In order to fix the impregnated LSCF, baking is performed at a holding temperature of 1000 to 1200 ° C., and the power generation cell 1 having the configuration shown in FIG. 1 is obtained.
このようにして製造された本実施形態の発電セルは、所望の出力が得られるように、インターコネクタを介して直列に接続され、スタックを形成し、固体酸化物形燃料電池に使用される。 The power generation cells of this embodiment manufactured in this way are connected in series via an interconnector so as to obtain a desired output, form a stack, and are used for a solid oxide fuel cell.
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々に改変することができる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the embodiment mentioned above at all, and can be variously modified within the range which does not deviate from the summary of this invention.
たとえば、上述した実施形態では、スクリーン印刷法により空気極を形成する手段を示したが、空気極側反応促進層のグリーンシートをシート法により形成し、固体電解質/燃料極積層焼結体を得た後に、固体電解質上に空気極側反応促進層グリーンシートを積層して焼き付けてもよい。 For example, in the above-described embodiment, the means for forming the air electrode by the screen printing method is shown. However, the green sheet of the air electrode side reaction promoting layer is formed by the sheet method to obtain the solid electrolyte / fuel electrode laminated sintered body. After that, an air electrode side reaction promoting layer green sheet may be laminated and baked on the solid electrolyte.
このとき、第1固体電解質21を形成するためのグリーンシートおよび空気極側反応促進層31を形成するためのグリーンシートを別々に作製してもよいが、第1固体電解質21を形成するためのグリーンシートのみを作製し、これに気孔形成剤や気孔を導入して、焼成後に、緻密質の第1固体電解質21の一方の主面が多孔質の空気極側反応促進層となるようにしてもよい。
At this time, a green sheet for forming the first
以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。 Hereinafter, although this invention is demonstrated based on a more detailed Example, this invention is not limited to these Examples.
まず、発電セルを製造するための原料を準備した。 First, the raw material for manufacturing a power generation cell was prepared.
第1固体電解質を構成する材料の原料として、La0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3 (以下、LSTFという)粉末を準備した。LSTF粉末:100重量部と、バインダ樹脂としてのブチラール樹脂:15重量部と、可塑剤としてのジオクチルフタレート(DOP):4重量部と、溶媒としてのアルコール:80重量部とをボールミルで混合・分散してペースト化し、第1固体電解質用ペーストを得た。得られたペーストを用いて、ドクターブレード法により、焼成後の厚みが表1および2に示す厚みとなるようにグリーンシートを形成した。なお、試料番号1については、固体電解質として、8モル%のイットリアで安定化されたジルコニア(以下、8YSZという)を用いた。 La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.3 Fe 0.7 O 3 (hereinafter referred to as LSTF) powder was prepared as a raw material for the material constituting the first solid electrolyte. LSTF powder: 100 parts by weight, butyral resin as binder resin: 15 parts by weight, dioctyl phthalate (DOP) as plasticizer: 4 parts by weight, alcohol as solvent: 80 parts by weight To obtain a first solid electrolyte paste. Using the obtained paste, a green sheet was formed by a doctor blade method so that the thickness after firing would be the thickness shown in Tables 1 and 2. For Sample No. 1, zirconia stabilized with 8 mol% yttria (hereinafter referred to as 8YSZ) was used as the solid electrolyte.
次いで、第2固体電解質の原料として、8YSZ粉末を準備した。8YSZ粉末:100重量部と、バインダ樹脂としてのブチラール樹脂:15重量部と、可塑剤としてのジオクチルフタレート(DOP):4重量部と、溶媒としてのアルコール:80重量部とをボールミルで混合・分散してペースト化し、第2固体電解質用ペーストを得た。得られたペーストを用いて、ドクターブレード法により、焼成後の厚みが表1および2に示す厚みとなるようにグリーンシートを形成した。なお、試料番号11および12については、8YSZの代わりに、第2固体電解質を表1に示す材料で構成した。 Next, 8YSZ powder was prepared as a raw material for the second solid electrolyte. 8YSZ powder: 100 parts by weight, butyral resin as binder resin: 15 parts by weight, dioctyl phthalate (DOP) as plasticizer: 4 parts by weight, alcohol as solvent: 80 parts by weight To obtain a second solid electrolyte paste. Using the obtained paste, a green sheet was formed by a doctor blade method so that the thickness after firing would be the thickness shown in Tables 1 and 2. For sample numbers 11 and 12, the second solid electrolyte was made of the material shown in Table 1 instead of 8YSZ.
次いで、空気極側反応促進層を構成する材料の原料として、LSTF粉末を準備した。LSTF粉末:100重量部と、気孔形成剤としてのアクリルビーズ:25重量部と、バインダ樹脂としてのブチラール樹脂:15重量部と、可塑剤としてのジオクチルフタレート(DOP):4重量部と、溶媒としてのアルコール:80重量部とをボールミルで混合・分散してペースト化し、空気極側反応促進層用ペーストを得た。また、気孔形成剤の粒径は、表1および2に示す気孔径となるものを用いた。なお、試料番号1および2については、LSTFの代わりに、空気極を表1に示す材料で構成した。
Next, LSTF powder was prepared as a raw material for the material constituting the air electrode side reaction promoting layer. LSTF powder: 100 parts by weight, acrylic beads as pore forming agent: 25 parts by weight, butyral resin as binder resin: 15 parts by weight, dioctyl phthalate (DOP) as plasticizer: 4 parts by weight, as solvent 80 parts by weight of alcohol was mixed and dispersed with a ball mill to obtain a paste, and a paste for an air electrode side reaction promoting layer was obtained. Further, the pore forming agent having a pore size shown in Tables 1 and 2 was used. For
次いで、燃料極側反応促進層および支持層を構成する材料の原料として、NiOと8YSZとが60:40の重量比で混合されたNiO/YSZ混合粉末を準備した。NiO/YSZ原料粉末:100重量部と、気孔形成剤としてのアクリルビーズ:20重量部と、バインダ樹脂としてのブチラール樹脂:7.5重量部と、可塑剤としてのジオクチルフタレート(DOP):4重量部と、溶媒としてのアルコール:70重量部とをボールミルで混合・分散してペースト化し、燃料極側反応促進層用ペーストおよび支持層用ペーストを得た。これらのペーストにおいては、気孔形成剤の粒径のみが異なり、表1および2に示す気孔径になるものを用いた。得られたペーストを用いて、ドクターブレード法により、焼成後の厚みが表1および2に示す厚みとなるようにグリーンシートを形成した。 Next, NiO / YSZ mixed powder in which NiO and 8YSZ were mixed at a weight ratio of 60:40 was prepared as a raw material for the materials constituting the fuel electrode side reaction promoting layer and the support layer. NiO / YSZ raw material powder: 100 parts by weight, acrylic beads as pore forming agent: 20 parts by weight, butyral resin as binder resin: 7.5 parts by weight, dioctyl phthalate (DOP) as plasticizer: 4 parts by weight Parts and 70 parts by weight of alcohol as a solvent were mixed and dispersed by a ball mill to obtain a paste, and a fuel electrode side reaction promoting layer paste and a support layer paste were obtained. In these pastes, pastes differing only in the particle size of the pore-forming agent and having pore sizes shown in Tables 1 and 2 were used. Using the obtained paste, a green sheet was formed by a doctor blade method so that the thickness after firing would be the thickness shown in Tables 1 and 2.
次いで、上記で作製した各グリーンシートを、第1固体電解質、第2固体電解質、燃料極側反応促進層および支持層の順になるように積層し、加圧接着することによりグリーンシート積層体を得た。このグリーンシート積層体を、焼成後にφ20mmとなるように打ち抜くことにより、固体電解質/燃料極積層グリーン体を得た。 Next, each green sheet produced as described above is laminated in the order of the first solid electrolyte, the second solid electrolyte, the fuel electrode side reaction promoting layer and the support layer, and pressure-bonded to obtain a green sheet laminate. It was. This green sheet laminate was punched out to a diameter of 20 mm after firing to obtain a solid electrolyte / fuel electrode laminate green body.
得られたグリーン体を、焼成温度:1400℃、保持時間:5時間、焼成雰囲気:大気中の条件で焼成し、固体電解質/燃料極積層焼結体を得た。 The obtained green body was fired under conditions of firing temperature: 1400 ° C., holding time: 5 hours, firing atmosphere: air, and a solid electrolyte / fuel electrode laminated sintered body was obtained.
次いで、この固体電解質/燃料極積層焼結体の燃料極と対向する面の固体電解質上に、スクリーン印刷法により、空気極側反応促進層を形成した。 Next, an air electrode side reaction promoting layer was formed on the solid electrolyte on the surface facing the fuel electrode of the solid electrolyte / fuel electrode laminated sintered body by screen printing.
空気極側反応促進層を印刷した後、焼成温度:1200℃、保持時間:3時間、焼成雰囲気:大気中の条件で焼き付けし、焼結体を得た。 After printing the air electrode side reaction promoting layer, baking temperature: 1200 ° C., holding time: 3 hours, baking atmosphere: atmospheric conditions were baked to obtain a sintered body.
得られた焼結体の空気極側反応促進層の表面に、スクリーン印刷により、LSCF粉末を含むペーストを塗布し、ペーストを乾燥させる前に、真空引きを行い、一部のペーストを、空気極側反応促進層中に形成されている気孔に充填した(真空含浸)。真空含浸後の焼結体を、焼成温度:1200℃、保持時間:5時間、焼成雰囲気:大気中の条件で再度焼成し、表面層と、LSCFが骨格構造のLSTFの表面に固定された空気極側反応促進層と、を有する図1に示す発電セル1の焼結体を得た。 A paste containing LSCF powder is applied to the surface of the air electrode side reaction promoting layer of the obtained sintered body by screen printing, and vacuuming is performed before the paste is dried. The pores formed in the side reaction promoting layer were filled (vacuum impregnation). The sintered body after vacuum impregnation was fired again under the conditions of firing temperature: 1200 ° C., holding time: 5 hours, firing atmosphere: air, and the surface layer and air in which the LSCF was fixed to the surface of the LSTF having a skeleton structure A sintered body of the power generation cell 1 shown in FIG. 1 having the pole-side reaction promoting layer was obtained.
得られた発電セルについて、発電性能の評価として開回路起電力および最大出力密度の測定をそれぞれ下記に示す方法により行い、さらにセルの信頼性(耐久性)の評価として、1000時間作動後の電圧低下率の測定を下記に示す方法により行った。なお、気孔径および気孔率は水銀圧入法により測定した。 With respect to the obtained power generation cell, the open circuit electromotive force and the maximum output density are measured by the following methods as an evaluation of power generation performance, and the voltage after 1000 hours of operation is evaluated as an evaluation of cell reliability (durability). The reduction rate was measured by the method shown below. The pore diameter and porosity were measured by a mercury intrusion method.
<開回路起電力>
得られた発電セルの空気極側に空気を200ml/minの流量で供給し、燃料極側に水素を200ml/minの流量で供給して、500℃において、発電セルに印加する電流が0Aの時の電圧を測定し、これを開回路起電力とした。この開回路起電力は、濃淡電池における酸素と水素との標準起電力に近いほど好ましく、本実施例では、0.95V以上を良好とした。結果を表1および2に示す。
<Open circuit electromotive force>
Air is supplied to the air electrode side of the obtained power generation cell at a flow rate of 200 ml / min, hydrogen is supplied to the fuel electrode side at a flow rate of 200 ml / min, and the current applied to the power generation cell at 500 ° C. is 0 A. The voltage at the time was measured and this was taken as the open circuit electromotive force. The open circuit electromotive force is preferably as close as possible to the standard electromotive force of oxygen and hydrogen in the concentration cell. In this example, 0.95 V or more was considered good. The results are shown in Tables 1 and 2.
<最大出力密度>
開回路起電力の測定条件において、発電セルに電流を印加し、印加電流値とその時の発電セルの電圧とから出力を求め、電流を印加していったときに最大となる出力を単位面積で除した値を最大出力密度とした。この最大出力密度は大きいほど好ましく、本実施例では、200mW/cm2以上を良好とし、300mW/cm2以上であることがより好ましい。結果を表1および2に示す。
<Maximum output density>
Under open circuit electromotive force measurement conditions, current is applied to the power generation cell, the output is obtained from the applied current value and the voltage of the power generation cell at that time, and the maximum output when the current is applied is measured in unit area. The value divided was taken as the maximum power density. This maximum power density is preferably as large as possible. In this example, 200 mW / cm 2 or more is considered good, and 300 mW / cm 2 or more is more preferable. The results are shown in Tables 1 and 2.
<電圧低下率>
500℃において、初期のセル電圧が0.7Vになるまで電流を印加し、そのときの印加電流を一定として、セル電圧の変化率を測定する。発電セルを1000時間作動させた時点でのセル電圧を測定し、作動開始時のセル電圧からの低下率を以下に示す式により算出した。
電圧低下率(%)=100×(初期のセル電圧−1000時間後のセル電圧)/初期のセル電圧
電圧低下率は0.25%以下を良好とした。結果を表1および2に示す。
<Voltage drop rate>
At 500 ° C., a current is applied until the initial cell voltage becomes 0.7 V, and the rate of change of the cell voltage is measured with the applied current at that time being constant. The cell voltage at the time when the power generation cell was operated for 1000 hours was measured, and the rate of decrease from the cell voltage at the start of operation was calculated by the following equation.
Voltage drop rate (%) = 100 × (initial cell voltage−cell voltage after 1000 hours) / initial cell voltage voltage drop rate was 0.25% or less. The results are shown in Tables 1 and 2.
表1より、試料番号1では、十分な開回路起電力は得られるものの、固体電解質(第1固体電解質+第2固体電解質)として、YSZを用いているため、最大出力密度が劣り、発電性能が低く、さらには、電圧低下率が大きく、信頼性にも欠けることが確認できた。 From Table 1, sample number 1 provides a sufficient open circuit electromotive force, but because YSZ is used as the solid electrolyte (first solid electrolyte + second solid electrolyte), the maximum output density is inferior, and the power generation performance In addition, it was confirmed that the voltage drop rate was large and the reliability was lacking.
また、試料番号2では、空気極側反応促進層が形成されていないために、若干最大出力密度が低く、さらには、電圧低下率が大きく、信頼性にも欠けることが確認できた。 In Sample No. 2, since the air electrode side reaction promoting layer was not formed, it was confirmed that the maximum output density was slightly low, the voltage drop rate was large, and the reliability was lacking.
また、試料番号3では、第1固体電解質が厚いために、抵抗が大きくなったと考えられ、最大出力密度が低下する傾向にあり、さらに、電圧低下率が大きく、信頼性にも欠けることが確認できた。 In Sample No. 3, it was considered that the resistance increased because the first solid electrolyte was thick, and the maximum output density tended to decrease. Further, it was confirmed that the voltage decrease rate was large and the reliability was lacking. did it.
また、試料番号7では、第1固体電解質の強度が低下し、クラックが生じたため、発電性能の評価を行うことができなかった。 In Sample No. 7, the strength of the first solid electrolyte was lowered and cracks were generated, so that the power generation performance could not be evaluated.
また、試料番号8では、第2固体電解質が厚いために、抵抗が大きくなり、最大出力密度が低下することが確認できた。 Moreover, in the sample number 8, since the 2nd solid electrolyte was thick, it has confirmed that resistance became large and the maximum output density fell.
また、試料番号10では、第2固体電解質が薄いために、燃料極で生じた電子を十分にブロックすることができず、開回路起電力が低下することが確認できた。 In Sample No. 10, since the second solid electrolyte was thin, electrons generated at the fuel electrode could not be sufficiently blocked, and it was confirmed that the open circuit electromotive force was reduced.
これに対し、表1および2より、試料番号4〜6、9、11〜40では、作動温度が600℃以下であっても、十分な開回路起電力と高い最大出力密度が得られ、さらに電圧低下率も低くなっており、十分な発電性能と信頼性を有することが確認できた。なお、試料番号13、16、22、23、26、32および33では、十分な開回路起電力は得られるものの、最大出力密度が若干低下する傾向にあった。 On the other hand, from Tables 1 and 2, Sample Nos. 4 to 6, 9, and 11 to 40 provide sufficient open circuit electromotive force and high maximum output density even when the operating temperature is 600 ° C. or lower. The voltage drop rate was also low, and it was confirmed that the power generation performance and reliability were sufficient. In Sample Nos. 13, 16, 22, 23, 26, 32, and 33, although a sufficient open circuit electromotive force was obtained, the maximum output density tended to decrease slightly.
なお、600℃におけるYSZの酸化物イオン伝導度は3.0×10−2(S/cm)程度であり、600℃におけるLSTFの酸化物イオン伝導度(1.7×10−1(S/cm)程度)よりも低いため、第1固体電解質をYSZ等で構成しても、本発明の効果を得ることはできない。 Note that the oxide ion conductivity of YSZ at 600 ° C. is about 3.0 × 10 −2 (S / cm), and the oxide ion conductivity of LSTF at 600 ° C. (1.7 × 10 −1 (S / cm). Therefore, even if the first solid electrolyte is made of YSZ or the like, the effect of the present invention cannot be obtained.
1… 固体酸化物形燃料電池用発電セル
2… 固体電解質
21… 第1固体電解質
22… 第2固体電解質
3… 空気極
31… 表面層
32… 空気極側反応促進層
34… 骨格構造
35… LSCF
37… 気孔
4… 燃料極
41… 燃料極側反応促進層
47… 気孔
42… 支持層
48… 気孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Power generation cell for solid
37 ...
Claims (15)
前記固体電解質が、(La,Sr)(Ti,Fe)O3からなる緻密質の第1固体電解質と、酸化物イオン輸率が0.96以上であるZrの酸化物からなる緻密質の第2固体電解質と、を有し、
前記空気極が、複数の気孔が連通するように形成されている多孔質の空気極側反応促進層を有し、
前記第1固体電解質の一方の主面に前記空気極側反応促進層が形成され、前記第1固体電解質の他方の主面と前記燃料極との間に前記第2固体電解質が形成されており、
前記空気極側反応促進層が、(La,Sr)(Ti,Fe)O3からなる緻密質の3次元状の骨格構造を有し、前記骨格構造の表面に(La,Sr)(Co,Fe)O3が含浸されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用発電セル。 A power generation cell for a solid oxide fuel cell, comprising: a solid electrolyte; an air electrode formed on one main surface of the solid electrolyte; and a fuel electrode formed on the other main surface of the solid electrolyte. ,
The solid electrolyte is a dense first solid electrolyte made of (La, Sr) (Ti, Fe) O 3 and a dense first made of Zr oxide having an oxide ion transport number of 0.96 or more. 2 solid electrolytes,
The air electrode has a porous air electrode side reaction promoting layer formed so that a plurality of pores communicate with each other;
The air electrode side reaction promoting layer is formed on one main surface of the first solid electrolyte, and the second solid electrolyte is formed between the other main surface of the first solid electrolyte and the fuel electrode. ,
The air electrode side reaction promoting layer has a dense three-dimensional skeleton structure made of (La, Sr) (Ti, Fe) O 3 , and (La, Sr) (Co, A power generation cell for a solid oxide fuel cell, which is impregnated with Fe) O 3 .
前記燃料極が、複数の気孔が連通するように形成されている多孔質の燃料極側反応促進層と、複数の気孔が連通するように形成されている多孔質の支持層と、を有し、
前記第2固体電解質の一方の主面に前記燃料極側反応促進層が形成されており、
前記燃料極側反応促進層に形成されている気孔の径が、前記支持層に形成されている気孔の径よりも小さい請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池用発電セル。 The solid oxide fuel cell power generation cell has a fuel electrode support membrane structure,
The fuel electrode has a porous fuel electrode side reaction promoting layer formed so that a plurality of pores communicate with each other, and a porous support layer formed so that a plurality of pores communicate with each other. ,
The fuel electrode side reaction promoting layer is formed on one main surface of the second solid electrolyte,
2. The power generation cell for a solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein a pore diameter formed in the fuel electrode side reaction promoting layer is smaller than a pore diameter formed in the support layer.
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