JP2014107063A - Single chamber type solid oxide ful cell and air electrode thereof - Google Patents

Single chamber type solid oxide ful cell and air electrode thereof Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an air electrode (cathode) of which the conductivity is high and which is unlikely to be destroyed even in a reduction atmosphere, and a single chamber type solid oxide fuel cell (SOFC) of which the power generation performance is improved relatively to the prior arts.SOLUTION: In an air electrode 18 of a single chamber type SOFC 10, a perovskite oxide such as LSTF with lower reduction expansion rate and conductivity is mixed with a perovskite oxide such as LSCF, and the two kinds of perovskite oxides with different physical properties are uniformly dispersed in entire tissues of the air electrode 18. Therefore, on the basis of containing the LSCF or the like with relatively high conductivity while entirely dispersing the LSCF, conductivity of the air electrode 18 is improved and on the basis of containing the LSTF or the like with the relatively low reduction expansion rate while entirely dispersing the LSTF, reduction durability of the air electrode 18 is improved. Therefore, the air electrode 18 can be obtained which is improves conductivity, is unlikely to be destroyed even in the reduction atmosphere, and is stably operated in the single chamber type SOFC 10.

Description

本発明は、単室型の固体酸化物形燃料電池とこれを構成するための空気極に関する。   The present invention relates to a single-chamber solid oxide fuel cell and an air electrode for constituting the same.

固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、酸化物イオン伝導体から成る固体電解質と、空気極(カソード)と、燃料極(アノード)とを備えたもので、空気極上に供給された空気中の酸素が電気化学的に還元されて酸素イオンとなり、電解質膜を経由して燃料極に到達し、その酸素イオンは燃料極上に供給された水素等の燃料ガスを酸化して、外部負荷に電子を放出し、電気エネルギーを生成する。このようなSOFCは、発電効率が高いこと、大気汚染の原因物質の排出量が少なく低環境負荷であること、および天然ガス、石炭ガス等の多様な燃料の使用が可能であること等の点から、次世代の発電装置として開発が進められている。   A solid oxide fuel cell (SOFC) includes a solid electrolyte made of an oxide ion conductor, an air electrode (cathode), and a fuel electrode (anode). Oxygen is electrochemically reduced into oxygen ions that reach the fuel electrode via the electrolyte membrane. The oxygen ions oxidize the fuel gas such as hydrogen supplied on the fuel electrode to give electrons to the external load. Release and produce electrical energy. Such SOFCs have high power generation efficiency, low emissions of substances causing air pollution, low environmental impact, and the ability to use various fuels such as natural gas and coal gas. Therefore, development is progressing as a next generation power generator.

一般的なSOFCは空気極および燃料極で固体電解質を挟んだ積層構造が採られる。空気極および燃料極は、ガス拡散性の良い多孔質材料で構成される。また、固体電解質材料としては、イオン伝導性、安定性、価格のバランス良好なイットリア安定化ジルコニア(YSZ)が広く用いられている。   A general SOFC has a laminated structure in which a solid electrolyte is sandwiched between an air electrode and a fuel electrode. The air electrode and the fuel electrode are made of a porous material having good gas diffusibility. As a solid electrolyte material, yttria-stabilized zirconia (YSZ) having a good balance of ion conductivity, stability and price is widely used.

上記のような積層構造においては、固体電解質が薄くなるほど性能が向上するため、近年、固体電解質を燃料極多孔質基材(すなわち燃料極支持体)上に薄膜として形成するアノード支持形SOFCの開発が進んでいる。この構造において、燃料極支持体材料としては一般にNiOおよびYSZの混合物(以下、NiO/YSZ)が用いられ、固体電解質薄膜材料としてはYSZ等が用いられる。また、固体電解質上に形成される空気極の構成材料としては(La,Sr)CoO3、(La,Sr)MnO3等のペロブスカイト型酸化物等が用いられる。 In the laminated structure as described above, since the performance improves as the solid electrolyte becomes thinner, in recent years, development of an anode-supported SOFC in which the solid electrolyte is formed as a thin film on a fuel electrode porous substrate (that is, a fuel electrode support) Is progressing. In this structure, a mixture of NiO and YSZ (hereinafter referred to as NiO / YSZ) is generally used as the fuel electrode support material, and YSZ or the like is used as the solid electrolyte thin film material. In addition, as a constituent material of the air electrode formed on the solid electrolyte, perovskite oxides such as (La, Sr) CoO 3 and (La, Sr) MnO 3 are used.

上記燃料極支持体を製造するに際しては、例えば、NiO/YSZおよび造孔剤を溶剤・樹脂等と混合してスラリー化し、ドクターブレード法等でシート状に成形する。成形したシート間に接着剤となる有機物を塗布し或いは加熱圧着して、例えば300〜1000(μm)程度の所望厚みとなるように積層することにより、燃料極支持体層が得られる。この燃料極支持体層の上に、電解質層、反応抑止層、空気極層を、20〜50(μm)程度の厚みとなるようにシート成形体を積層し或いはペースト印刷等で積層し、焼成処理を施すことで単セルが得られる。これをセパレータを介して数十枚積み重ねてスタック構造とすることにより、所望する出力の燃料電池が得られる。この際、燃料極へ供給される燃料ガス(還元ガス)と空気極へ供給される酸素(酸化ガス)とが混合しないようにインターコネクタや封止材でシールされる。なお、上記の反応抑止層は、電解質とカソードの反応を抑止する目的で設けられるものである。   When the fuel electrode support is manufactured, for example, NiO / YSZ and a pore forming agent are mixed with a solvent / resin to form a slurry, which is then formed into a sheet by a doctor blade method or the like. A fuel electrode support layer can be obtained by applying an organic substance as an adhesive between the formed sheets or by thermocompression bonding and laminating so as to have a desired thickness of, for example, about 300 to 1000 (μm). On this fuel electrode support layer, an electrolyte layer, a reaction inhibition layer, and an air electrode layer are laminated by sheet printing so as to have a thickness of about 20 to 50 (μm) or by paste printing or the like, and fired. A single cell is obtained by processing. A fuel cell having a desired output can be obtained by stacking several tens of these via a separator to form a stack structure. At this time, the fuel gas (reducing gas) supplied to the fuel electrode and the oxygen (oxidizing gas) supplied to the air electrode are sealed with an interconnector or a sealing material so as not to mix. In addition, said reaction suppression layer is provided in order to suppress reaction of electrolyte and a cathode.

特開2000−243412号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-243412 特開2002−280015号公報JP 2002-280015 A 特開2012−074307号公報JP 2012-074307 A

ところで、SOFCの構造を簡単にして安価に提供することを目的として、単室型SOFCが提案されている。単室型SOFCでは、燃料極と空気極との間にシールが設けられておらず、燃料と空気の混合ガスで発電させる。燃料極側は燃料の酸化反応に活性であるから、混合ガス中の燃料ガスが酸化され、空気極側は燃料の酸化反応に不活性であるから、その混合ガス中の酸素が還元される。すなわち、従来の燃料極および空気極が分離された2室型構造と同様な電気化学的反応により発電するものである。このような単室型SOFCは、混合ガスが用いられることから、2室型に比較して発電性能は劣るものの、安価に製造可能なSOFCとして期待されている。   By the way, a single-chamber SOFC has been proposed for the purpose of simplifying the structure of the SOFC and providing it at low cost. In the single-chamber SOFC, no seal is provided between the fuel electrode and the air electrode, and power is generated with a mixed gas of fuel and air. Since the fuel electrode side is active in the fuel oxidation reaction, the fuel gas in the mixed gas is oxidized, and the air electrode side is inactive in the fuel oxidation reaction, so that the oxygen in the mixed gas is reduced. That is, power is generated by an electrochemical reaction similar to a conventional two-chamber structure in which a fuel electrode and an air electrode are separated. Such a single-chamber SOFC is expected to be a SOFC that can be manufactured at low cost, although its power generation performance is inferior to that of the two-chamber type because a mixed gas is used.

上記単室型SOFCの一例として、例えば、固体電解質の一面に、ニッケル或いはニッケル系金属酸化物から成る燃料極を設けると共に、他面に(La,Sr)MnO3或いはこれに各種金属酸化物を添加した酸化物から成る空気極を設けたものがある(例えば前記特許文献1を参照)。上記固体電解質は、例えば、安定化ジルコニアから成るものである。この発明は、燃料極にPd或いはPt、空気極にAuが必要とされていた従来の単室型に比較して安価な電極構成を提案したものである。 As an example of the single-chamber SOFC, for example, a fuel electrode made of nickel or a nickel-based metal oxide is provided on one side of a solid electrolyte, and (La, Sr) MnO 3 or various metal oxides are provided on the other side. Some have an air electrode made of an added oxide (see, for example, Patent Document 1). The solid electrolyte is made of, for example, stabilized zirconia. The present invention proposes an electrode configuration that is less expensive than the conventional single chamber type in which Pd or Pt is required for the fuel electrode and Au is required for the air electrode.

また、単室型SOFCの他の例として、例えば、固体電解質の同一面に、ニッケルおよび酸化セリウムを主体とする複酸化物から成る燃料極と、(Ln,Sr)CoO3(但し、Lnは希土類元素)から成る空気極とを設けたものがある(例えば前記特許文献2を参照)。上記特許文献1に示されるような単室型SOFCでは電解質の両面に電極を形成するため、高出力を得るために電解質を薄くする必要があって強度が得れなくなることから、この発明は、出力と強度を共に満足させることを目的としたものである。 As another example of the single-chamber SOFC, for example, on the same surface of the solid electrolyte, a fuel electrode composed of a double oxide mainly composed of nickel and cerium oxide, and (Ln, Sr) CoO 3 (where Ln is There is one provided with an air electrode made of a rare earth element (see, for example, Patent Document 2). In the single-chamber SOFC as shown in Patent Document 1 above, electrodes are formed on both sides of the electrolyte, and it is necessary to make the electrolyte thin in order to obtain a high output, so that the strength cannot be obtained. The purpose is to satisfy both output and strength.

しかしながら、単室型SOFCでは、混合ガスが用いられることから、還元性を有する燃料ガスに空気極が曝される。そのため、従来から2室型で空気極材料に用いられている(La,Sr)(Co,Fe)O3等の導電性の高い材料は、還元膨張率が大きいことから還元ガス中で使用中に構造破壊が生じ易いので、これを単室型SOFCの空気極に用いることができなかった。すなわち、空気極に還元耐久性の高い材料を用いる必要があることから、その空気極の導電性が低いことも2室型に比較して発電性能が劣る一因であった。なお、本願において、還元膨張率は[水素ガス100(%)雰囲気での膨張率]−[空気中での膨張率]で定義される。各雰囲気における膨張率は、何れも熱機械分析装置(TMA)を用いて、室温から1000(℃)までの温度範囲で測定を行い、その結果から求めた室温から700(℃)までの温度範囲における値である。 However, in a single-chamber SOFC, since a mixed gas is used, the air electrode is exposed to a reducing fuel gas. Therefore, materials with high conductivity such as (La, Sr) (Co, Fe) O 3 , which have been conventionally used for air electrode materials in the two-chamber type, are currently used in reducing gas because of their high expansion coefficient. Since structural breakdown is likely to occur, it could not be used for the air electrode of a single-chamber SOFC. That is, since it is necessary to use a material with high reduction durability for the air electrode, the low electrical conductivity of the air electrode is also one of the causes of inferior power generation performance compared to the two-chamber type. In the present application, the reductive expansion coefficient is defined as [expansion coefficient in an atmosphere of 100% hydrogen gas] − [expansion coefficient in air]. The expansion rate in each atmosphere is measured in the temperature range from room temperature to 1000 (° C) using a thermomechanical analyzer (TMA), and the temperature range from room temperature to 700 (° C) determined from the results Is the value at.

本発明は、以上の事情を背景として為されたものであって、その目的は、導電率が高く且つ還元雰囲気中でも破壊し難い空気極(カソード)と、従来に比較して発電性能の優れた単室型SOFCとを提供することにある。   The present invention has been made in the background of the above circumstances, and the purpose thereof is an air electrode (cathode) that has high conductivity and is difficult to break even in a reducing atmosphere, and has superior power generation performance compared to the prior art. It is to provide a single-chamber SOFC.

斯かる目的を達成するため、第1発明の要旨とするところは、単室型固体酸化物形燃料電池を構成するための空気極であって、所定の還元膨張率および所定の導電率を備えた第1のペロブスカイト型酸化物と、その第1のペロブスカイト型酸化物より還元膨張率が低く且つ導電率が低い第2のペロブスカイト型酸化物とを含む複数種類のペロブスカイト型酸化物がそれぞれ全体に分散した専らペロブスカイト型酸化物から成る組織を有することにある。   In order to achieve such an object, the gist of the first invention is an air electrode for constituting a single-chamber solid oxide fuel cell having a predetermined reduction expansion coefficient and a predetermined conductivity. A plurality of perovskite oxides each including a first perovskite oxide and a second perovskite oxide having a lower reductive expansion coefficient and lower conductivity than the first perovskite oxide. It is to have a structure consisting of dispersed exclusively perovskite type oxides.

また、第2発明の単室型固体酸化物形燃料電池の要旨とするところは、前記第1発明の空気極と、所定の燃料極と、それら空気極および燃料極間に備えられた電解質とを、含むことにある。   The gist of the single-chamber solid oxide fuel cell of the second invention is that the air electrode of the first invention, a predetermined fuel electrode, and an electrolyte provided between the air electrode and the fuel electrode, Is to include.

前記第1発明によれば、空気極は第1のペロブスカイト型酸化物にそれよりも還元膨張率および導電率が低い第2のペロブスカイト型酸化物を含む複数種類のペロブスカイト型酸化物がそれぞれ全体に分散した専らペロブスカイト型酸化物から成る組織を有することから、相対的に導電率の高い第1のペロブスカイト型酸化物が全体に分散して含まれることに基づき空気極の導電性が高められると共に、相対的に還元膨張率の低い第2のペロブスカイト型酸化物が全体に分散して含まれることに基づき空気極の還元耐久性が高められる。すなわち、第1のペロブスカイト型酸化物は、その割合に応じて空気極内に連続的或いは断続的な導電経路を形成するので、全体が第2のペロブスカイト型酸化物で構成される場合に比較してその形成される導電経路に応じて空気極全体の導電性が高められることになる。また、還元雰囲気中における第1のペロブスカイト型酸化物の熱膨張は、第2のペロブスカイト型酸化物によって抑制されるので、全体が第1のペロブスカイト型酸化物で構成される場合に比較して空気極全体の還元膨張が抑制されることになる。したがって、導電率が高く且つ還元雰囲気中でも破壊し難く、単室型SOFCで安定して作動する空気極が得られる。   According to the first aspect of the present invention, the air electrode includes a plurality of perovskite oxides including the first perovskite oxide and the second perovskite oxide having a lower reduction expansion coefficient and lower conductivity than the first perovskite oxide. Since it has a structure composed exclusively of perovskite type oxide dispersed, the conductivity of the air electrode is enhanced based on the fact that the first perovskite type oxide having a relatively high conductivity is dispersed throughout, and The reduction durability of the air electrode is enhanced based on the fact that the second perovskite oxide having a relatively low reduction expansion coefficient is dispersed throughout. That is, the first perovskite oxide forms a continuous or intermittent conductive path in the air electrode depending on the ratio, so that the first perovskite oxide is compared with the case where the entire structure is composed of the second perovskite oxide. Thus, the conductivity of the entire air electrode is enhanced according to the conductive path formed. In addition, since the thermal expansion of the first perovskite oxide in the reducing atmosphere is suppressed by the second perovskite oxide, the air is compared with the case where the whole is composed of the first perovskite oxide. The reductive expansion of the entire pole is suppressed. Therefore, it is possible to obtain an air electrode that has high conductivity and is difficult to break even in a reducing atmosphere and that operates stably with a single-chamber SOFC.

なお、空気極全体としての導電率および還元膨張率は、第1のペロブスカイト型酸化物と第2のペロブスカイト型酸化物のそれぞれの導電率および還元膨張率と混合割合とに応じて決まることになるため、所望する特性に応じて材料と混合割合とを定めればよい。空気極全体の導電率は5(S/cm)以上が好ましく、還元膨張率は1(%)以下が好ましい。   Note that the conductivity and the reduction expansion coefficient of the entire air electrode are determined according to the respective conductivity, the reduction expansion coefficient, and the mixing ratio of the first perovskite oxide and the second perovskite oxide. Therefore, what is necessary is just to determine a material and a mixing ratio according to the desired characteristic. The conductivity of the entire air electrode is preferably 5 (S / cm) or more, and the reduction expansion coefficient is preferably 1 (%) or less.

また、前記第2発明によれば、前記第1発明の導電率が高く且つ還元雰囲気中でも破壊し難い空気極が用いられていることから、還元耐久性が要求されることから導電性の低い空気極が用いられていた従来の単室型SOFCに比較して、導電性の高い空気極を備えるため、発電性能の優れた単室型SOFCが得られる。なお、前記「空気極および燃料極間に備えられた電解質」は、空気極および燃料極が電解質を挟むようにその電解質の互いに異なる面に備えられている積層構造の他、同一面に適当な距離を置いて備えられている構造も含む。   Further, according to the second invention, since the air electrode having the high conductivity of the first invention and not easily destroyed in the reducing atmosphere is used, reduction durability is required. Compared with the conventional single-chamber type SOFC in which the electrode is used, a single-chamber SOFC with excellent power generation performance can be obtained because it has a highly conductive air electrode. The “electrolyte provided between the air electrode and the fuel electrode” is suitable for the same surface as well as a laminated structure provided on different surfaces of the electrolyte so that the air electrode and the fuel electrode sandwich the electrolyte. Also includes structures provided at a distance.

因みに、前記特許文献3には、(La,Sr)(Ti,Fe)O3から成る固体電解質の一面側に空気極が形成されると共にその反対側の他面側に燃料極が形成されたSOFCにおいて、その空気極が多孔質の空気極側反応促進層を備えており、その空気極側反応促進層が(La,Sr)(Ti,Fe)O3から成る骨格構造を有し、その表面に(La,Sr)(Co,Fe)O3が含浸されたものが示されている。この骨格構造を構成する(La,Sr)(Ti,Fe)O3は、含浸された(La,Sr)(Co,Fe)O3に比較して還元膨張率が低く且つ導電率が低い特性を有している。すなわち、このSOFCの空気極は、第1のペロブスカイト型酸化物とそれよりも還元膨張率および導電率が低い第2のペロブスカイト型酸化物とから構成されている点で、本願発明の空気極に類似する。 Incidentally, in Patent Document 3, an air electrode is formed on one surface side of a solid electrolyte made of (La, Sr) (Ti, Fe) O 3 and a fuel electrode is formed on the other surface side opposite thereto. In SOFC, the air electrode has a porous air electrode side reaction promoting layer, and the air electrode side reaction promoting layer has a skeleton structure made of (La, Sr) (Ti, Fe) O 3. The surface is impregnated with (La, Sr) (Co, Fe) O 3 . (La, Sr) (Ti, Fe) O 3 constituting this skeletal structure has a low reduction expansion coefficient and low conductivity compared to impregnated (La, Sr) (Co, Fe) O 3 have. That is, the SOFC air electrode is composed of the first perovskite oxide and the second perovskite oxide having a lower reduction expansion coefficient and lower conductivity than the first perovskite oxide. Similar.

しかしながら、上記のSOFCは従来の2室型で用いることを前提としたもので、単室型として用いることは想定されていない。上記の空気極は、第2のペロブスカイト型酸化物から成る骨格構造の空隙に第1のペロブスカイト型酸化物を含浸した構造を備えており、第1のペロブスカイト型酸化物が空気極表面に存在する。そのため、この空気極が還元雰囲気に曝されると、還元膨張率が高い第1のペロブスカイト型酸化物が還元膨張によって破壊され、導電経路が切れることとなるので、容易に性能が低下し、安定した高い発電性能が得られない。そのため、空気極が還元雰囲気に曝される単室型SOFCには適用できない構造である。   However, the above SOFC is assumed to be used in the conventional two-chamber type and is not assumed to be used as a single-chamber type. The air electrode has a structure in which a void of a skeleton structure made of the second perovskite oxide is impregnated with the first perovskite oxide, and the first perovskite oxide is present on the surface of the air electrode. . Therefore, when this air electrode is exposed to a reducing atmosphere, the first perovskite oxide having a high reduction expansion coefficient is destroyed by the reduction expansion, and the conductive path is cut off. High power generation performance cannot be obtained. Therefore, this structure cannot be applied to a single-chamber SOFC in which the air electrode is exposed to a reducing atmosphere.

しかも、上記SOFCは、空気極側反応促進層の骨格構造を固体電解質と同材質で構成することで界面剥離や元素拡散等の問題を生じないようにする一方で、その細孔の少なくとも表面近傍に導電率の高いペロブスカイト型酸化物を含浸することで導電性を高めるものであることから、反応促進層の表面は緻密質となる。そのため、このような構造では、多孔質であることが好ましい空気極が緻密質となる不都合もある。   In addition, the SOFC has the structure of the air electrode side reaction promoting layer made of the same material as that of the solid electrolyte so as not to cause problems such as interfacial delamination and element diffusion, but at least near the surface of the pores. Since the conductivity is improved by impregnating with a perovskite oxide having a high conductivity, the surface of the reaction promoting layer becomes dense. Therefore, in such a structure, there is also a disadvantage that the air electrode, which is preferably porous, becomes dense.

ここで、好適には、前記第1のペロブスカイト型酸化物は200(S/cm)以上の導電率および1(%)以上の還元膨張率を有し、前記第2のペロブスカイト型酸化物は100(S/cm)以下の導電率および0.4(%)以下の還元膨張率を有するものである。このようにすれば、第1のペロブスカイト型酸化物は十分に高い導電率を有することから、空気極の導電性が一層高められると共に、第2のペロブスカイト型酸化物は十分に低い還元膨張率を有することから、空気極の還元耐久性が一層高められ、延いては、その空気極を備える単室型SOFCの発電性能が一層高められる。   Preferably, the first perovskite oxide has a conductivity of 200 (S / cm) or more and a reductive expansion coefficient of 1 (%) or more, and the second perovskite oxide is 100 It has a conductivity of (S / cm) or less and a reductive expansion coefficient of 0.4 (%) or less. In this way, since the first perovskite oxide has a sufficiently high conductivity, the conductivity of the air electrode is further enhanced, and the second perovskite oxide has a sufficiently low reduction expansion coefficient. Therefore, the reduction durability of the air electrode is further enhanced, and as a result, the power generation performance of the single-chamber SOFC having the air electrode is further enhanced.

また、好適には、前記第1のペロブスカイト型酸化物はLa1-wSrwCo1-xFexO3(但し、0<w<1、0≦x≦1)であり、前記第2のペロブスカイト型酸化物はLa1-ySryTi1-zFezO3(但し、0<y<1、0<z<1)である。(La,Sr)(Co,Fe)O3はA,B両サイトの置換割合に依存するが、例えば1(%)以上の還元膨張率と200(S/cm)程度の導電率とを有し、(La,Sr)(Ti,Fe)O3はA,B両サイトの置換割合に依存するが、例えば0.4(%)以下の還元膨張率と100(S/cm)以下の導電率とを有することから、それぞれ第1のペロブスカイト型酸化物および第2のペロブスカイト型酸化物として好適に用いられ得る。 Also, preferably, the first perovskite-type oxide is La 1-w Sr w Co 1 -x Fe x O 3 ( where, 0 <w <1,0 ≦ x ≦ 1), the second the perovskite type oxide is La 1-y Sr y Ti 1 -z Fe z O 3 ( where, 0 <y <1,0 <z <1). (La, Sr) (Co, Fe) O 3 has a reduction expansion coefficient of, for example, 1 (%) or more and a conductivity of about 200 (S / cm), depending on the substitution ratios of both the A and B sites. (La, Sr) (Ti, Fe) O 3 depends on the substitution rate of both A and B sites. For example, the reduction expansion coefficient is 0.4 (%) or less and the conductivity is 100 (S / cm) or less. Therefore, they can be suitably used as the first perovskite oxide and the second perovskite oxide, respectively.

上記第1のペロブスカイト型酸化物La1-wSrwCo1-xFexO3は、好適には、Sr、Feの置換割合w、xが0<w<0.5、0≦x≦0.9の範囲内のものである。また、上記第2のペロブスカイト型酸化物La1-ySryTi1-zFezO3は、好適には、Sr、Feの置換割合y、zが0<y<0.5、0≦z≦0.95の範囲内のものである。(La,Sr)(Co,Fe)O3は、Srが多くなるほど導電性が高くなるが、多すぎるとセル部材との反応性が高くなる傾向があるので、wは上記範囲が好ましく、0.1≦w≦0.4が一層好ましい。また、Coが多くなるほど酸素還元率が向上するが、還元膨張率および熱膨張率が大きくなる傾向があるので、xは上記範囲が好ましく、0≦x≦0.8が一層好ましい。また、(La,Sr)(Ti,Fe)O3は、Srが多くなるほど導電性が高くなる傾向があるので、yは上記範囲が好ましく、0.1≦y≦0.4が一層好ましい。また、Tiが多くなるほど還元膨張率および導電率が低くなる傾向を有するため、Tiが少ない組成が好ましく、例えば、0.7≦z≦0.9が好ましい。 The first perovskite-type oxide La 1-w Sr w Co 1 -x Fe x O 3 is preferably, Sr, replacement ratio w of Fe, x is 0 <w <a 0.5, 0 ≦ x ≦ 0.9 It is within the range. The second perovskite oxide La 1-y Sr y Ti 1-z Fe z O 3 preferably has Sr and Fe substitution ratios y and z of 0 <y <0.5 and 0 ≦ z ≦. It is within the range of 0.95. (La, Sr) (Co, Fe) O 3 has higher conductivity as Sr increases, but if it is too much, the reactivity with the cell member tends to increase, so w is preferably in the above range, 0.1 More preferably, ≦ w ≦ 0.4. Further, the oxygen reduction rate increases as Co increases, but the reduction expansion coefficient and the thermal expansion coefficient tend to increase. Therefore, x is preferably within the above range, and more preferably 0 ≦ x ≦ 0.8. In addition, (La, Sr) (Ti, Fe) O 3 tends to have higher conductivity as Sr increases, so y is preferably in the above range, and more preferably 0.1 ≦ y ≦ 0.4. Further, since the reduction expansion coefficient and conductivity tend to decrease as the Ti content increases, a composition with a small Ti content is preferable. For example, 0.7 ≦ z ≦ 0.9 is preferable.

また、好適には、前記空気極は、前記第1のペロブスカイト型酸化物を20(wt%)以上の割合で含むものである。このようにすれば、導電率の高い第1のペロブスカイト型酸化物が十分に多く含まれるので、一層高い導電性が得られる。   Preferably, the air electrode contains the first perovskite oxide at a ratio of 20 (wt%) or more. In this way, since the first perovskite oxide having a high conductivity is sufficiently contained, higher conductivity can be obtained.

また、好適には、前記空気極は、前記第2のペロブスカイト型酸化物を20(wt%)以上の割合で含むものである。このようにすれば、還元膨張率の低い第2のペロブスカイト型酸化物が十分に多く含まれるので、一層高い還元耐久性が得られる。   Preferably, the air electrode contains the second perovskite oxide at a ratio of 20 (wt%) or more. In this way, since the second perovskite oxide having a low reduction expansion coefficient is sufficiently contained, higher reduction durability can be obtained.

なお、第1のペロブスカイト型酸化物および第2のペロブスカイト型酸化物は、何れも20(wt%)以上且つ80(wt%)以下の割合で含まれることが好ましい。   The first perovskite oxide and the second perovskite oxide are preferably contained in a proportion of 20 (wt%) to 80 (wt%).

また、好適には、前記空気極はペロブスカイト型酸化物粒子が結合して構成される多孔質体であり、前記第1のペロブスカイト型酸化物および前記第2のペロブスカイト型酸化物の平均粒径は、それぞれ0.05〜5(μm)の範囲内である。   Preferably, the air electrode is a porous body formed by combining perovskite oxide particles, and the average particle diameters of the first perovskite oxide and the second perovskite oxide are , Respectively in the range of 0.05 to 5 (μm).

また、好適には、前記単室型固体酸化物形燃料電池は、前記電解質と前記空気極との間に反応抑止層を備えるものである。空気極を構成するペロブスカイト型酸化物と反応し難いペロブスカイト系材料等で電解質が構成されている場合には、空気極は電解質の一面に直接設けても差し支えがないが、例えば、電解質がイットリア安定化ジルコニア(YSZ)等で構成される場合には、ペロブスカイト型酸化物から成る空気極との反応を抑制するために、反応抑止層を設けることが好ましい。反応抑止層は例えばガドリニウムをドープしたセリア(GDC)から成るものが用いられる。セリア(CeO2)は高いイオン伝導性を有する材料であり、特に、これにアクセプタであるガドリニウムがドープされたGDCは優れたイオン伝導体であることから、電解質と空気極との間のイオン伝導を阻害しないため、反応抑止層の構成材料として好ましい。 Preferably, the single-chamber solid oxide fuel cell includes a reaction suppression layer between the electrolyte and the air electrode. If the electrolyte is composed of a perovskite-based material that does not easily react with the perovskite oxide that forms the air electrode, the air electrode can be provided directly on one side of the electrolyte, but for example, the electrolyte is yttria stable. In the case of zirconia bromide (YSZ) or the like, it is preferable to provide a reaction suppression layer in order to suppress the reaction with the air electrode made of perovskite oxide. As the reaction suppression layer, for example, a layer made of ceria (GDC) doped with gadolinium is used. Ceria (CeO 2 ) is a material with high ionic conductivity.In particular, GDC doped with gadolinium, which is an acceptor, is an excellent ionic conductor, so ionic conduction between the electrolyte and the air electrode. Therefore, it is preferable as a constituent material of the reaction suppression layer.

また、好適には、前記単室型固体酸化物形燃料電池は、前記燃料極が電解質および空気極を支持するアノード支持形SOFCである。燃料極の構成材料は、所望する特性に応じて適宜定められるが、例えばNiOと8YSZ(Y2O3を8(mol%)含むイットリア安定化ジルコニア)との混合材料(以下、NiO/8YSZと表記。)が挙げられる。また、その他に、CoO/8YSZ、Co3O4/8YSZ、FeO/8YSZ、Fe2O3/8YSZ、Fe3O4/8YSZ等の混合材料が挙げられる。また、上記構造を採る場合の燃料極(アノード支持層)の厚さ寸法は、例えば300〜1000(μm)であり、空気極の厚さ寸法は、例えば20〜50(μm)である。 Preferably, the single-chamber solid oxide fuel cell is an anode-supported SOFC in which the fuel electrode supports an electrolyte and an air electrode. The constituent material of the fuel electrode is appropriately determined according to the desired characteristics.For example, a mixed material of NiO and 8YSZ (yttria-stabilized zirconia containing 8 (mol%) of Y 2 O 3 ) (hereinafter referred to as NiO / 8YSZ) Notation.). In addition, mixed materials such as CoO / 8YSZ, Co 3 O 4 / 8YSZ, FeO / 8YSZ, Fe 2 O 3 / 8YSZ, Fe 3 O 4 / 8YSZ, and the like can be given. The thickness dimension of the fuel electrode (anode support layer) in the case of adopting the above structure is, for example, 300 to 1000 (μm), and the thickness dimension of the air electrode is, for example, 20 to 50 (μm).

また、前記単室型固体酸化物形燃料電池は、電解質の一面に空気極および燃料極が共に配置された電解質支持構造を備えたものでもよい。この構造においても、必要に応じて電解質と空気極との間に反応抑止層を設けることができる。   The single-chamber solid oxide fuel cell may include an electrolyte support structure in which an air electrode and a fuel electrode are arranged on one surface of the electrolyte. Also in this structure, a reaction suppression layer can be provided between the electrolyte and the air electrode as necessary.

また、好適には、前記空気極は、前記第1のペロブスカイト型酸化物から成る粉末と、前記第2のペロブスカイト型酸化物から成る粉末とを含む複数種類のペロブスカイト型酸化物粉末を所定の割合で混合する混合工程と、その混合粉末に溶剤および有機結合剤を添加してペースト化するペースト調製工程と、そのペーストを電解質上或いはその一面に設けられた反応抑止層上に塗布する塗布工程と、焼成処理を施すことによりその塗布膜から空気極を生成する焼成工程と、を含む工程により形成される。   Preferably, the air electrode comprises a plurality of kinds of perovskite oxide powders including a powder composed of the first perovskite oxide and a powder composed of the second perovskite oxide at a predetermined ratio. A mixing step in which the paste is mixed, a paste preparation step in which a solvent and an organic binder are added to the mixed powder to form a paste, and a coating step in which the paste is applied on the electrolyte or on a reaction suppression layer provided on one surface thereof. And a baking step of generating an air electrode from the coating film by performing a baking treatment.

このようにすれば、第1のペロブスカイト型酸化物および第2のペロブスカイト型酸化物が粉末状態で混合されるので、これをペースト化して塗布および焼成処理を施すことにより、第1のペロブスカイト型酸化物および第2のペロブスカイト型酸化物が全体に分散したペロブスカイト型酸化物から成る空気極が得られる。複数種類のペロブスカイト型酸化物が全体に分散した専らペロブスカイト型酸化物から成る組織を有する空気極を形成する方法は特に限定されないが、このような粉末混合で行うことが簡単であり、且つ高い分散性が得られるため好ましい。   According to this configuration, the first perovskite oxide and the second perovskite oxide are mixed in a powder state, and the first perovskite oxidation is performed by applying the paste and applying and baking the paste. An air electrode composed of a perovskite oxide in which the product and the second perovskite oxide are dispersed is obtained. A method of forming an air electrode having a structure composed exclusively of perovskite type oxides in which a plurality of types of perovskite type oxides are dispersed is not particularly limited, but such powder mixing is simple and highly dispersed. It is preferable because of its property.

本発明の一実施例の単室型SOFCの層構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the layer structure of the single chamber type SOFC of one Example of this invention.

以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following embodiments, the drawings are appropriately simplified or modified, and the dimensional ratios, shapes, and the like of the respective parts are not necessarily drawn accurately.

図1は、本発明の一実施例の単室型SOFC10の層構成を模式的に示す図である。図1において、単室型SOFC10は、燃料極12の一面に、電解質14、反応抑止層16、空気極18が順次に積層された積層体である。   FIG. 1 is a diagram schematically showing a layer structure of a single-chamber SOFC 10 according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, a single-chamber SOFC 10 is a laminate in which an electrolyte 14, a reaction suppression layer 16, and an air electrode 18 are sequentially laminated on one surface of a fuel electrode 12.

上記の燃料極12は、NiOと8YSZとの混合材料 NiO/8YSZから成る多孔質体であり、その表面(図1における下面)から電解質14まで連なる多数の連通細孔を有している。これらNiO/8YSZの混合割合は、例えば質量比でNiO:8YSZ=6:4程度である。この燃料極12は、例えば300〜1000(μm)程度の厚さ寸法を備えたもので、単室型SOFC10の支持体としても機能している。また、燃料極12の気孔率は、例えば30(%)程度である。   The fuel electrode 12 is a porous body made of a mixed material NiO / 8YSZ of NiO and 8YSZ, and has a large number of communicating pores extending from the surface (lower surface in FIG. 1) to the electrolyte 14. The mixing ratio of these NiO / 8YSZ is, for example, about NiO: 8YSZ = 6: 4 in mass ratio. The fuel electrode 12 has a thickness of about 300 to 1000 (μm), for example, and functions as a support for the single-chamber SOFC 10. Further, the porosity of the fuel electrode 12 is, for example, about 30 (%).

また、上記の電解質14は、8YSZから成る緻密質体であり、例えば10(μm)程度の厚さ寸法を備えている。   The electrolyte 14 is a dense body made of 8YSZ and has a thickness dimension of about 10 (μm), for example.

また、上記の反応抑止層16は、10GDC(ガドリニウムを10(mol%)ドープしたセリア)から成るもので、例えば5〜10(%)程度の比較的低い気孔率を有している。この反応抑止層16の厚さ寸法は、例えば5(μm)程度である。   The reaction suppression layer 16 is made of 10 GDC (ceria doped with 10 (mol%) gadolinium) and has a relatively low porosity of, for example, about 5 to 10 (%). The thickness dimension of the reaction suppression layer 16 is, for example, about 5 (μm).

また、上記の空気極18は、LaSr系ペロブスカイト型酸化物から成るものであるが、例えば(La,Sr)(Co,Fe)O3(以下、適宜LSCFという)と、(La,Sr)(Ti,Fe)O3(以下、適宜LSTFという)との混合材料から成る多孔質体であり、その表面(図1における上面)から反応抑止層16の上面まで連なる多数の連通細孔を有している。上記LSCFおよびLSTFの混合割合は、例えば質量比でLSCF:LSTF=2:8〜8:2程度であり、その混合割合に応じて何れも空気極18の組織全体に一様に分散している。また、これらLSCFおよびLSTFは、A,B両サイトの置換割合を種々定め得るもので、例えばLSCFに代えて(La,Sr)CoO3(以下、LSCという)や(La,Sr)FeO3(以下、LSFという)も用い得る。また、上記空気極18は、例えば20〜50(μm)程度の厚さ寸法を備えたもので、気孔率は例えば20〜30(%)程度である。 The air electrode 18 is made of a LaSr-based perovskite oxide. For example, (La, Sr) (Co, Fe) O 3 (hereinafter referred to as LSCF as appropriate) and (La, Sr) ( It is a porous body made of a mixed material with Ti, Fe) O 3 (hereinafter referred to as LSTF as appropriate), and has a large number of communicating pores extending from the surface (upper surface in FIG. 1) to the upper surface of the reaction suppression layer 16. ing. The mixing ratio of the LSCF and LSTF is, for example, about LSCF: LSTF = 2: 8 to 8: 2 in terms of mass ratio, and both are uniformly dispersed throughout the tissue of the air electrode 18 according to the mixing ratio. . These LSCFs and LSTFs can determine various substitution ratios at both the A and B sites. For example, (La, Sr) CoO 3 (hereinafter referred to as LSC) or (La, Sr) FeO 3 ( (Hereinafter referred to as LSF) can also be used. The air electrode 18 has a thickness dimension of about 20 to 50 (μm), for example, and has a porosity of about 20 to 30 (%), for example.

上記空気極18を構成する混合材料のうち、LSCF、LSC、LSFは、比較的導電率が高く且つ還元膨張率が高い材料であり、例えば、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3では200(S/cm)程度の導電率と1(%)以上の還元膨張率とを有している。また、LSTFは比較的導電率が低く且つ還元膨張率が低い材料であり、La0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3では20(S/cm)程度の導電率と0.1(%)程度の還元膨張率とを有している。すなわち、本実施例においては、空気極18は、還元膨張率および導電率が高いペロブスカイト型酸化物と、それよりも還元膨張率および導電率が低いペロブスカイト型酸化物との混合材料で構成されている。 Among the mixed materials constituting the air electrode 18, LSCF, LSC, and LSF are materials having a relatively high conductivity and a high reductive expansion coefficient. For example, in La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 , 200 ( S / cm) and a reductive expansion coefficient of 1 (%) or more. LSTF is a material with relatively low electrical conductivity and low reductive expansion, and La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.3 Fe 0.7 O 3 has a conductivity of about 20 (S / cm) and a reductive expansion of about 0.1 (%). Rate. That is, in this embodiment, the air electrode 18 is composed of a mixed material of a perovskite oxide having a high reduction expansion coefficient and conductivity and a perovskite oxide having a lower reduction expansion coefficient and conductivity. Yes.

上記の単室型SOFC10は、例えば、以下のようにして製造される。まず、燃料極12を形成するためのシート(アノードシート)を成形する。すなわち、例えば、平均粒径が0.5(μm)程度のNiO粉末と、平均粒径が0.5(μm)程度の8YSZ粉末とを、例えば6:4の質量比で混合する。これらNiO粉末および8YSZ粉末は適宜の市販品を用い得る。この混合粉末 58(wt%)に対して、キシレン等の溶剤 24(wt%)、メタクリル酸エステルポリマー等の有機結合剤 8.5(wt%)、カーボン、でんぷん等の気孔形成剤(すなわち炭素成分) 5(wt%)、フタル酸エステル等の可塑剤 4.5(wt%)を添加して、十分に撹拌してスラリーを調製する。このスラリーを用いてドクターブレード成形等の適宜のシート成形法で厚さ寸法が0.5〜1.0(mm)程度のシート成形体を成形する。   The single-chamber SOFC 10 is manufactured, for example, as follows. First, a sheet (anode sheet) for forming the fuel electrode 12 is formed. That is, for example, NiO powder having an average particle diameter of about 0.5 (μm) and 8YSZ powder having an average particle diameter of about 0.5 (μm) are mixed at a mass ratio of, for example, 6: 4. As these NiO powder and 8YSZ powder, appropriate commercial products can be used. For this mixed powder 58 (wt%), xylene and other solvents 24 (wt%), methacrylate binder polymers and other organic binders 8.5 (wt%), carbon, starch and other pore forming agents (that is, carbon components) Add 5 (wt%) and 4.5 (wt%) plasticizer such as phthalate, and stir well to prepare a slurry. Using this slurry, a sheet molded body having a thickness of about 0.5 to 1.0 (mm) is molded by an appropriate sheet molding method such as doctor blade molding.

次いで、平均粒径が0.5(μm)程度の8YSZ 65(wt%)に対して、テルピネオール等の溶剤 31(wt%)、エチルセルロース等の有機結合剤 4(wt%)を添加し、十分に撹拌してペーストを調製する。これを例えばスクリーン印刷法等の適宜の印刷技術を用いて、例えば厚さ寸法が10(μm)程度のシート成形体(電解質シート)を得る。この電解質シートを先に成形したアノードシート上に積層する。   Next, for 8YSZ 65 (wt%) with an average particle size of about 0.5 (μm), add solvent 31 (wt%) such as terpineol and organic binder 4 (wt%) such as ethylcellulose, and stir well. To prepare a paste. By using an appropriate printing technique such as screen printing, for example, a sheet molded body (electrolyte sheet) having a thickness of about 10 (μm) is obtained. This electrolyte sheet is laminated on the previously formed anode sheet.

次いで、平均粒径が0.5(μm)程度の10GDC粉末 65(wt%)に対して、テルピネオール等の溶剤 31(wt%)、エチルセルロース等の有機結合剤 4(wt%)を添加し、十分に混練してペーストを調製する。このペーストを上記の電解質シート上にスクリーン印刷法等の適宜の印刷技術を用いて塗布することにより、反応抑止層印刷膜を形成する。塗布厚みは例えば1〜6(μm)程度である。   Next, a solvent 31 (wt%) such as terpineol and an organic binder 4 (wt%) such as ethyl cellulose are added to 10 GDC powder 65 (wt%) having an average particle size of about 0.5 (μm) A paste is prepared by kneading. By applying this paste on the above electrolyte sheet using an appropriate printing technique such as a screen printing method, a reaction suppression layer printed film is formed. The coating thickness is, for example, about 1 to 6 (μm).

次いで、上記のアノードシート、電解質シート、反応抑止層印刷膜の積層体を大気中にて焼成処理する。焼成処理の最高保持温度は1350(℃)程度である。これにより、燃料極12上に電解質14および反応抑止層16が積層された焼成体が得られる。このとき、反応抑止層16を構成する10GDCは、難焼結材料であることから、上記焼成温度では十分に緻密化させられないので、前述したように5〜10(%)程度の気孔を残すものとなっている。   Next, the laminate of the anode sheet, the electrolyte sheet, and the reaction suppression layer printed film is fired in the air. The maximum holding temperature of the baking treatment is about 1350 (° C.). Thereby, a fired body in which the electrolyte 14 and the reaction suppression layer 16 are laminated on the fuel electrode 12 is obtained. At this time, since 10GDC constituting the reaction suppression layer 16 is a hardly sintered material, it cannot be sufficiently densified at the firing temperature, so that the pores of about 5 to 10 (%) remain as described above. It has become a thing.

次いで、平均粒径が1.0(μm)程度のLSCF粉末と、平均粒径が1.0(μm)程度のLSTF粉末とを予め定められた混合割合となる混合比で用意し、この粉末 80(wt%)に対して、テルピネオール等の溶剤 17(wt%)、エチルセルロース等の有機結合剤 3(wt%)を添加し、十分に撹拌してペーストを調製する。すなわち、LSCFおよびLSTFは、粉末状態で混合される。このペーストをスクリーン印刷法等の適宜の印刷技術を用いて上記の焼成体の反応抑止層16上に、例えば20〜50(μm)程度の厚さ寸法で塗布する。これを大気中にて焼成処理する。焼成処理の最高保持温度は1100(℃)程度である。これにより、前記単室型SOFC10が得られる。単室型SOFC10の空気極18は、このようにしてLSCF粉末とLSTF粉末とを混合したペーストから形成されることから、前述したように空気極18の組織全体にこれらLSCFおよびLSTFが一様に分散しているのである。   Next, an LSCF powder having an average particle size of about 1.0 (μm) and an LSTF powder having an average particle size of about 1.0 (μm) are prepared at a predetermined mixing ratio, and this powder 80 (wt% ), Add solvent 17 (wt%) such as terpineol, and organic binder 3 (wt%) such as ethylcellulose, and stir well to prepare a paste. That is, LSCF and LSTF are mixed in a powder state. This paste is applied with a thickness of, for example, about 20 to 50 (μm) on the reaction suppressing layer 16 of the fired body using an appropriate printing technique such as a screen printing method. This is fired in the atmosphere. The maximum holding temperature of the baking treatment is about 1100 (° C.). Thereby, the single-chamber SOFC 10 is obtained. Since the air electrode 18 of the single-chamber SOFC 10 is thus formed from a paste in which LSCF powder and LSTF powder are mixed, the LSCF and LSTF are uniformly distributed throughout the structure of the air electrode 18 as described above. It is distributed.

以上のように構成された単室型SOFC10は、燃料極12および空気極18にリードを取り付けて所定の容器内に設置し、燃料ガス(例えばメタン)と酸素含有ガス(例えば空気)の混合気体を、その単室型SOFC10に向かって流すことで発電させられる。混合気体は燃料極12および空気極18の双方の上に供給されるが、燃料極12側では、NiO/8YSZがメタンの酸化反応に活性であることから、下記(1)の反応が生じる。一方、空気極18側ではLSCF、LSTF等が何れもメタンの酸化反応に不活性であることから、下記(2)の酸素の還元反応が生じ、発生した酸素イオンは反応抑止層16および電解質14を通って燃料極12に至る。燃料極12および空気極18間に外部負荷を接続すると、下記反応により燃料極12で発生した電子がその外部負荷を通って流れることとなる。なお、反応抑止層16は前述したように気孔率が低いことから、空気は殆ど透過しないが、これを構成する10GDCは優れた酸素イオン伝導性を有するので、電解質14と空気極18との間には反応抑止層16を通る酸素イオン伝導経路が形成される。
(1) CH4+O2- → CO+2H2+2e-
(2) O2+4e- → 2O2-
The single-chamber SOFC 10 configured as described above is installed in a predetermined container with leads attached to the fuel electrode 12 and the air electrode 18, and a mixed gas of fuel gas (for example, methane) and oxygen-containing gas (for example, air). Is caused to flow by flowing toward the single-chamber SOFC 10. The mixed gas is supplied onto both the fuel electrode 12 and the air electrode 18. On the fuel electrode 12 side, NiO / 8YSZ is active in the oxidation reaction of methane, and therefore the following reaction (1) occurs. On the other hand, since LSCF, LSTF, etc. are all inactive in the oxidation reaction of methane on the air electrode 18 side, the oxygen reduction reaction of (2) below occurs, and the generated oxygen ions are converted into the reaction suppression layer 16 and the electrolyte 14. To the fuel electrode 12. When an external load is connected between the fuel electrode 12 and the air electrode 18, electrons generated in the fuel electrode 12 by the following reaction flow through the external load. As described above, since the porosity of the reaction suppression layer 16 is low, air hardly permeates. However, 10GDC constituting this has excellent oxygen ion conductivity, so that it is between the electrolyte 14 and the air electrode 18. An oxygen ion conduction path through the reaction suppression layer 16 is formed.
(1) CH 4 + O 2- → CO + 2H 2 + 2e -
(2) O 2 + 4e - → 2O 2-

以下、上記単室型SOFC10の特性を空気極18の構成を種々変更して評価した結果を比較例と併せて説明する。   Hereinafter, the results of evaluating the characteristics of the single-chamber SOFC 10 by variously changing the configuration of the air electrode 18 will be described together with comparative examples.

下記の表1は、単室型SOFC10の特性評価結果をまとめたものであって、空気極18の構成材料として、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3(表1中でLSCFと表記)およびLa0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3(表1中でLSTFと表記)を80:20〜20:80の質量比で混合した実施例A−1〜5と、混合材料を用いていない比較例A−1、2とを併せて示している。比較例A−1は空気極をLSCFのみで構成し、比較例A−2は空気極をLSTFのみで構成した。なお、実施例、比較例とも、SOFCの製造方法は、空気極材料が異なる他は前述した通りである。評価項目は還元膨張率、還元耐久性、熱膨張係数、700(℃)性能である。「還元耐久性」は、使用中に破壊・剥離に至る温度により判定し、400(℃)以下を「×」、600(℃)以下を「△」、900(℃)以下を「○」、900(℃)以下で破壊・剥離が生じなかったものを「◎」とした。「熱膨張係数」は、室温から700(℃)までの温度範囲における値である。また、「700(℃)性能」は、700(℃)において、メタン(CH4)と空気の混合ガスを用い、ガス流量をCH4:50(ml/min)、空気:200(ml/min)として、発電効率を測定したものである。 Table 1 below summarizes the characteristics evaluation results of the single-chamber SOFC 10. As the constituent material of the air electrode 18, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 (indicated as LSCF in Table 1) and Examples A-1 to 5 in which La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.3 Fe 0.7 O 3 (indicated as LSTF in Table 1) was mixed at a mass ratio of 80:20 to 20:80, and a comparative example using no mixed material A-1 and A-2 are shown together. In Comparative Example A-1, the air electrode was composed only of LSCF, and in Comparative Example A-2, the air electrode was composed only of LSTF. In both the examples and comparative examples, the SOFC manufacturing method is the same as described above except that the air electrode material is different. Evaluation items are reduction expansion coefficient, reduction durability, thermal expansion coefficient, and 700 (° C.) performance. `` Reduction durability '' is determined by the temperature leading to breakage and peeling during use, `` X '' for 400 (° C) or less, `` △ '' for 600 (° C) or less, `` ○ '' for 900 (° C) or less, Samples that did not break or peel below 900 (° C) were marked with “◎”. “Thermal expansion coefficient” is a value in a temperature range from room temperature to 700 (° C.). "700 (° C) performance" is a mixed gas of methane (CH 4 ) and air at 700 (° C), with gas flow rates of CH 4 : 50 (ml / min), air: 200 (ml / min ) Is a measurement of power generation efficiency.

Figure 2014107063
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上記の表1において、LSCFとLSTFの混合材料で空気極18を構成した実施例A−1〜5は、何れも還元膨張率が1(%)未満と十分に小さく、700(℃)で使用できる還元耐久性を有する。また、700(℃)における発電効率は30〜110(mW/cm2)と十分に高いため、実用に供し得るものである。LSTFの混合割合が少ないほど還元膨張率が高い反面で発電効率も高い値に保たれるが、混合割合が多くなるほど、還元膨張率が低くなる反面で、発電効率が低下する。したがって、混合割合は要求される耐久性と発電効率とに応じて決定することになる。 In Table 1 above, Examples A-1 to A-5, in which the air electrode 18 is made of a mixed material of LSCF and LSTF, are all sufficiently low in terms of the reduction expansion coefficient of less than 1 (%) and used at 700 (° C). It has a reduction durability. Moreover, since the power generation efficiency at 700 (° C.) is sufficiently high as 30 to 110 (mW / cm 2 ), it can be put to practical use. The smaller the LSTF mixing ratio, the higher the reduction expansion coefficient and the higher the power generation efficiency. However, the higher the mixing ratio, the lower the reduction expansion coefficient, but the power generation efficiency decreases. Therefore, the mixing ratio is determined according to required durability and power generation efficiency.

これに対して、空気極をLSCFのみで構成した比較例A−1は、空気極の還元膨張率が1(%)以上と大きいことから、400(℃)以下で破壊・剥離する結果となった。そのため、初期的には120(mW/cm2)程度の高い発電効率が得られるものの、還元耐久性がないため、単室型SOFC10の空気極として不適当である。また、空気極をLSTFのみで構成した比較例A−2は、LSTFの還元膨張率が0.1(%)と低いことから、還元耐久性は極めて高いものの、導電率が低いことから、発電効率が極めて低く、実用性がない。 On the other hand, Comparative Example A-1 in which the air electrode is composed only of LSCF has the result that the reductive expansion coefficient of the air electrode is as large as 1 (%) or more, and therefore breaks and peels at 400 (° C.) or less. It was. Therefore, although initially high power generation efficiency of about 120 (mW / cm 2 ) can be obtained, it is not suitable as an air electrode of the single-chamber SOFC 10 because it has no reduction durability. Further, Comparative Example A-2 in which the air electrode is composed only of LSTF has a low reduction expansion coefficient of LSTF as low as 0.1 (%), so the reduction durability is extremely high, but the electric conductivity is low, so the power generation efficiency is low. Very low and not practical.

下記の表2に、本実施例で用いる空気極材料の物性を示す。表2において、「LSTF6419」はLa0.6Sr0.4Ti0.1Fe0.9O3、「LSTF6437」はLa0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3である。上記表1に示す実施例・比較例で用いたLSTFは下記の「LSTF6437」であり、導電率は20(S/cm)と極めて低いことから、酸素還元能が低いので、耐久性は高いものの、これ単独では使用に適さないのである。なお、下記の表2において、「酸素還元能」は、酸素ガスを酸素イオンに還元する能力である。また、「耐久性」は、異なる酸素分圧での構造安定性や、電解質やインターコネクタ材料との反応性など、材料の安定性を意味するものである。何れも、◎が最も優れ、以下、○△×の順になる。 Table 2 below shows the physical properties of the air electrode material used in this example. In Table 2, “LSTF6419” is La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.1 Fe 0.9 O 3 , and “LSTF6437” is La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.3 Fe 0.7 O 3 . The LSTF used in the examples and comparative examples shown in Table 1 above is “LSTF6437” below, and the electrical conductivity is extremely low (20 (S / cm)). This alone is not suitable for use. In Table 2 below, “oxygen reducing ability” is the ability to reduce oxygen gas to oxygen ions. “Durability” means material stability such as structural stability at different oxygen partial pressures and reactivity with electrolytes and interconnector materials. In either case, ◎ is the best, and in the order of ○ △ ×.

Figure 2014107063
Figure 2014107063

下記の表3は、LSCFに混合する材料として、La0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3に代えてLa0.6Sr0.4Ti0.1Fe0.9O3(上記表2に示すLSTF6419)を用いたものである。LSCFとLSTFの混合割合は前記表1に示したものと同様に20:80〜80:20とした。なお、この表3中でも、便宜上表1と同様にLSTFと略記しているが、表1で用いたものとは異なる材料である。 Table 3 below uses La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.1 Fe 0.9 O 3 (LSTF6419 shown in Table 2 above) instead of La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.3 Fe 0.7 O 3 as a material to be mixed with LSCF. . The mixing ratio of LSCF and LSTF was 20:80 to 80:20 as shown in Table 1 above. In Table 3, for convenience, it is abbreviated as LSTF as in Table 1, but it is a different material from that used in Table 1.

Figure 2014107063
Figure 2014107063

この実施例B−1〜5においても、空気極18をLSCFとLSTFの混合材料とすることにより、LSCF単独の比較例B−1に比較して十分に高い還元耐久性と、LSTF単独の比較例B−2に比較して十分に高い発電効率とが得られる。なお、この評価で用いたLa0.6Sr0.4Ti0.1Fe0.9O3は、還元膨張率が0.4(%)と、La0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3に比較して高いことから、表1の場合に比較すると、混合割合に対して還元耐久性の向上の程度が低くなっている。表2には、2種のみを示しているが、LSTFは、Tiが多くなるほど還元膨張率および導電率が低下する傾向がある。したがって、所望する還元耐久性および発電効率を得ようとする場合、LSTFの組成も考慮に加えることが有効となる。 Also in Examples B-1 to B-5, by using the air electrode 18 as a mixed material of LSCF and LSTF, a sufficiently high reduction durability as compared with Comparative Example B-1 of LSCF alone, and comparison of LSTF alone. A sufficiently high power generation efficiency is obtained as compared with Example B-2. In addition, La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.1 Fe 0.9 O 3 used in this evaluation has a reduction expansion coefficient of 0.4 (%), which is higher than La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.3 Fe 0.7 O 3 . Compared to the case, the degree of improvement in reduction durability is low with respect to the mixing ratio. Although only two types are shown in Table 2, LSTF tends to decrease in reduction expansion coefficient and conductivity as Ti increases. Therefore, in order to obtain the desired reduction durability and power generation efficiency, it is effective to consider the composition of LSTF.

下記の表4は、表1において用いられていたLSCFに代えてLa0.6Sr0.4CoO3(以下、LSC)を用いた評価結果である。LSCは前記表2に示されるように還元膨張率は1(%)以上と高いが、導電率が1200(S/cm)と極めて高い特性を有する。そのため、LSCとLSTFとの混合材料で空気極18を構成しても、前記表1,3に示した場合と同様に、還元耐久性と発電効率とを両立させ得る。LSCはLSCFと同様な酸素還元能を有するので、LSCの方が導電率が高いことに基づき、これを用いた構成の方が発電効率が若干高くなったものと考えられる。なお、700(℃)以下の低温域では、LSCを用いた場合の方が性能が高くなるものと考えられる。一般に格子欠陥(すなわち酸素空孔)が多いほど触媒活性およびイオン伝導性が高くなる。温度が低くなると、格子欠陥が形成され難くなり、その結果、触媒活性およびイオン伝導性は共に低下する。構造上、Fe周りの酸素イオンよりもCo周りの酸素イオンの方が格子欠陥が形成され易いが、低温域においてはこの相違が顕著になるので、Co量が多いLSCの方がLSCFよりも相対的に格子欠陥が多くなり、延いては触媒活性およびイオン伝導性が高くなる。このため、LSCを用いた場合の方が低温域では高性能になる。 Table 4 below shows evaluation results using La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 (hereinafter, LSC) instead of the LSCF used in Table 1. As shown in Table 2, LSC has a reductive expansion coefficient as high as 1 (%) or more, but has a very high electrical conductivity of 1200 (S / cm). Therefore, even if the air electrode 18 is composed of a mixed material of LSC and LSTF, both reduction durability and power generation efficiency can be achieved in the same manner as shown in Tables 1 and 3. Since LSC has the same oxygen reducing ability as LSCF, LSC is considered to have a slightly higher power generation efficiency because of its higher conductivity. In the low temperature range of 700 ° C. or lower, it is considered that the performance is higher when LSC is used. In general, the more lattice defects (that is, oxygen vacancies), the higher the catalytic activity and ionic conductivity. At lower temperatures, lattice defects are less likely to be formed, resulting in a decrease in both catalytic activity and ionic conductivity. Oxygen ions around Co are more likely to form lattice defects than oxygen ions around Fe because of the structure, but this difference becomes more noticeable at low temperatures, so LSC with a large amount of Co is relative to LSCF. In particular, the number of lattice defects increases, and as a result, the catalytic activity and ionic conductivity increase. For this reason, when LSC is used, higher performance is achieved at low temperatures.

Figure 2014107063
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なお、LSCは、BサイトのCoの一部がFeに置換されたLSCFに比較すると、表4では同様に「1(%)以上」と示しているものの、還元膨張率が高くなる。そのため、混合材料の還元耐久性を十分に高めるためには、LSTFの混合割合を多くする必要があり、LSC:LSTF=80:20では還元耐久性が不足する。すなわち、この組合せでは、LSTFを30(wt%)以上にする必要がある。   It should be noted that LSC has a higher reductive expansion coefficient than that of LSCF in which a part of Co at the B site is substituted with Fe, although it is similarly shown as “1 (%) or more” in Table 4. Therefore, in order to sufficiently increase the reduction durability of the mixed material, it is necessary to increase the mixing ratio of LSTF. When LSC: LSTF = 80: 20, the reduction durability is insufficient. That is, in this combination, the LSTF needs to be 30 (wt%) or more.

下記の表5は、表1において用いられていたLSCFに代えてLa0.6Sr0.4FeO3(以下、LSF)を用いた評価結果である。LSFは前記表2に示されるように還元膨張率は1.5(%)程度と高いが、導電率が200(S/cm)とLSCFと同等の特性を有する。そのため、LSFとLSTFとの混合材料で空気極18を構成しても、前記表1,3,4に示した場合と同様に、還元耐久性と発電効率とを両立させ得る。なお、この評価結果では、表1、表3、表4に示した評価に比べて発電効率が劣っているが、LSFは、Coを欠くことからLSCおよびLSCFに比較して酸素還元能が劣るためと考えられる。 Table 5 below shows evaluation results using La 0.6 Sr 0.4 FeO 3 (hereinafter, LSF) in place of the LSCF used in Table 1. As shown in Table 2, LSF has a reductive expansion coefficient as high as about 1.5 (%), but has a conductivity equivalent to 200 (S / cm) and LSCF. Therefore, even if the air electrode 18 is made of a mixed material of LSF and LSTF, both reduction durability and power generation efficiency can be achieved in the same manner as shown in Tables 1, 3, and 4. In this evaluation result, the power generation efficiency is inferior to the evaluation shown in Table 1, Table 3, and Table 4, but LSF has inferior oxygen reducing ability compared to LSC and LSCF because it lacks Co. This is probably because of this.

Figure 2014107063
Figure 2014107063

上述した各実施例からも明らかなように、本実施例によれば、単室型SOFC10の空気極18は、LSCF、LSC、LSF等のペロブスカイト型酸化物に、それよりも還元膨張率および導電率が低いLSTF等のペロブスカイト型酸化物が混合され、空気極18の組織全体にそれら2種の異なる物性のペロブスカイト型酸化物が一様に分散していることから、相対的に導電率の高いLSCF等が全体に分散して含まれることに基づき空気極18の導電性が高められると共に、相対的に還元膨張率の低いLSTF等が全体に分散して含まれることに基づき空気極18の還元耐久性が高められる。すなわち、相反する特性を備えた2種の材料を混合した混合材料で構成されていることから、導電性および還元耐久性が共に十分に高い空気極18が得られるのである。2種の材料の混合割合は、所望する導電性と還元耐久性とに基づいて適宜定めればよい。以上により、導電性が高く且つ還元雰囲気中でも破壊し難く、単室型SOFC10で安定して作動する空気極18が得られる。   As is clear from the above-described embodiments, according to this embodiment, the air electrode 18 of the single-chamber SOFC 10 is reduced to a perovskite oxide such as LSCF, LSC, LSF, etc. Perovskite type oxides such as LSTF with a low rate are mixed, and the perovskite type oxides having two different physical properties are uniformly dispersed in the entire structure of the air electrode 18, so that the conductivity is relatively high. The conductivity of the air electrode 18 is enhanced based on the fact that LSCF and the like are dispersed throughout, and the reduction of the air electrode 18 is based on the fact that LSTF and the like having a relatively low reduction expansion coefficient are dispersed throughout. Durability is increased. That is, since it is composed of a mixed material obtained by mixing two kinds of materials having contradictory characteristics, the air electrode 18 having both sufficiently high conductivity and reduction durability can be obtained. The mixing ratio of the two types of materials may be determined as appropriate based on the desired conductivity and reduction durability. As described above, the air electrode 18 that has high conductivity and is difficult to break even in a reducing atmosphere and operates stably in the single-chamber SOFC 10 can be obtained.

また、本実施例によれば、導電率が高く且つ還元雰囲気中でも破壊し難い空気極18が用いられていることから、還元耐久性が要求されることから導電性の低い空気極が用いられていた従来の単室型SOFCに比較して、導電性の高い空気極18を備えるため、発電性能の優れた単室型SOFC10が得られる。すなわち、相反する特性を備えた2種の材料を混合した混合材料で空気極18を構成することにより、それらの混合割合に応じて、発電効率および還元耐久性が共に十分に高い単室型SOFC10が得られるのである。   Further, according to the present embodiment, since the air electrode 18 having high conductivity and not easily destroyed in the reducing atmosphere is used, the air electrode having low conductivity is used because reduction durability is required. Compared to the conventional single-chamber SOFC, since the air electrode 18 having high conductivity is provided, the single-chamber SOFC 10 having excellent power generation performance can be obtained. That is, by forming the air electrode 18 with a mixed material in which two kinds of materials having contradictory characteristics are mixed, a single-chamber SOFC 10 having sufficiently high power generation efficiency and reduction durability according to the mixing ratio thereof. Is obtained.

以上、本発明を図面を参照して詳細に説明したが、本発明は更に別の態様でも実施でき、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。   As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail with reference to drawings, this invention can be implemented also in another aspect, A various change can be added in the range which does not deviate from the main point.

10 単室型SOFC
12 燃料極
14 電解質
16 反応抑止層
18 空気極
10 Single-chamber SOFC
12 Fuel electrode 14 Electrolyte 16 Reaction suppression layer 18 Air electrode

Claims (4)

単室型固体酸化物形燃料電池を構成するための空気極であって、
所定の還元膨張率および所定の導電率を備えた第1のペロブスカイト型酸化物と、その第1のペロブスカイト型酸化物より還元膨張率が低く且つ導電率が低い第2のペロブスカイト型酸化物とを含む複数種類のペロブスカイト型酸化物がそれぞれ全体に分散した専らペロブスカイト型酸化物から成る組織を有することを特徴とする空気極。
An air electrode for constituting a single-chamber solid oxide fuel cell,
A first perovskite oxide having a predetermined reduction expansion coefficient and a predetermined conductivity; and a second perovskite oxide having a lower reduction expansion coefficient and lower conductivity than the first perovskite oxide. An air electrode characterized in that a plurality of types of perovskite-type oxides including each have a structure composed exclusively of perovskite-type oxides.
前記第1のペロブスカイト型酸化物は200(S/cm)以上の導電率および1(%)以上の還元膨張率を有し、前記第2のペロブスカイト型酸化物は100(S/cm)以下の導電率および0.4(%)以下の還元膨張率を有するものである請求項1の空気極。   The first perovskite oxide has a conductivity of 200 (S / cm) or more and a reduction expansion coefficient of 1 (%) or more, and the second perovskite oxide has a conductivity of 100 (S / cm) or less. The air electrode according to claim 1, wherein the air electrode has a conductivity and a reduction expansion coefficient of 0.4 (%) or less. 前記第1のペロブスカイト型酸化物はLa1-wSrwCo1-xFexO3(但し、0<w<1、0≦x≦1)であり、前記第2のペロブスカイト型酸化物はLa1-ySryTi1-zFezO3(但し、0<y<1、0<z<1)である請求項1または請求項2の空気極。 The first perovskite-type oxide La 1-w Sr w Co 1 -x Fe x O 3 ( where, 0 <w <1,0 ≦ x ≦ 1) is, the second perovskite-type oxide The air electrode according to claim 1 or 2, wherein La 1-y Sr y Ti 1-z Fe z O 3 (where 0 <y <1, 0 <z <1). 請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の空気極と、所定の燃料極と、それら空気極および燃料極間に備えられた電解質とを、含むことを特徴とする単室型固体酸化物形燃料電池。   A single-chamber solid comprising the air electrode according to any one of claims 1 to 3, a predetermined fuel electrode, and an electrolyte provided between the air electrode and the fuel electrode. Oxide fuel cell.
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