JP2015088284A - Solid oxide fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質と空気極との間に反応抑止層を備える構造の固体酸化物形燃料電池に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell having a structure including a reaction inhibiting layer between an electrolyte and an air electrode.
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、その酸素イオンが電解質膜を経由して燃料極に到達し、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 to oxygen ions, which oxygen ions reach the fuel electrode via the electrolyte membrane, oxidize the fuel gas such as hydrogen supplied onto the fuel electrode, and 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、価格のバランスの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(特に8YSZすなわちY2O3を8(mol%)含むイットリア安定化ジルコニア)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)(Co,Fe)O3、(La,Sr)MnO3(以下、それぞれLSC、LSCF、LSMという)等のペロブスカイト型酸化物等が用いられるが、このような組合せでは固体電解質材料と空気極材料とが反応し易いため、この形式のSOFCでは、これら2層の間にその反応を抑制するための反応抑止層が設けられる(例えば、特許文献3を参照。)。この反応抑止層には、例えば、ガドリニウムドープセリア(以下、GDC)、特にGdが10(mol%)ドープされた10GDC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。 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 the solid electrolyte thin film material contains YSZ (especially 8YSZ, that is, 8 (mol%) of Y 2 O 3 ). Yttria stabilized zirconia) or the like is used. In addition, as a constituent material of the air electrode formed on the solid electrolyte, (La, Sr) CoO 3 , (La, Sr) (Co, Fe) O 3 , (La, Sr) MnO 3 (hereinafter, LSC, Perovskite type oxides such as LSCF and LSM are used, but in such a combination, the solid electrolyte material and the air electrode material are likely to react, so in this type of SOFC, the reaction between these two layers Is provided with a reaction inhibiting layer (see, for example, Patent Document 3). For this reaction suppression layer, for example, gadolinium-doped ceria (hereinafter referred to as GDC), particularly 10GDC doped with 10 (mol%) of Gd 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.
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。 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.
ところで、反応抑止層を構成するGDCの熱膨張係数は12(ppm)程度であるのに対し、空気極を構成するLSCやLSM等のペロブスカイト型酸化物の熱膨張係数は17(ppm)程度であることから、熱膨張係数が著しく相違する。そのため、SOFCを使用するに際しては起動・停止が繰り返されることから、熱膨張係数の相違に起因してヒートサイクルによる剥離が生じ易い問題がある。 By the way, the thermal expansion coefficient of GDC that constitutes the reaction suppression layer is about 12 (ppm), whereas the thermal expansion coefficient of perovskite oxides such as LSC and LSM that constitute the air electrode is about 17 (ppm). For this reason, the thermal expansion coefficients are significantly different. For this reason, when using SOFC, starting and stopping are repeated, so that there is a problem that peeling due to a heat cycle is likely to occur due to a difference in thermal expansion coefficient.
また、一般的なSOFCの運転温度は700〜1000(℃)程度の高温であるが、これを500〜600(℃)程度に低温化することが望まれている。高温運転では、廃熱を利用したエネルギー回収機構と組み合わせることで、システム全体で70〜80(%)もの高いエネルギー利用効率を得ることができる。また、電解質や反応抑止層のイオン伝導性は高温の方が高くなる。更に、メタン等の燃料改質は吸熱反応であるため、高温の方が高い改質効率が得られる。その反面で、大型発電設備に用途が限られること、起動時間が長くなること、ヒートサイクルによって劣化し易いこと、構成材料に高い耐熱性が要求されること、等の問題がある。運転温度を低温化すると、これらの問題がなくなり、家庭用分散電源、移動電子機器用電源、自動車補助電源等への適用も期待できる。 Further, the operating temperature of a general SOFC is as high as about 700 to 1000 (° C.), and it is desired to lower it to about 500 to 600 (° C.). In high-temperature operation, by combining it with an energy recovery mechanism that uses waste heat, it is possible to obtain energy utilization efficiency as high as 70 to 80 (%) in the entire system. In addition, the ionic conductivity of the electrolyte and reaction suppression layer is higher at higher temperatures. Furthermore, since reforming fuel such as methane is an endothermic reaction, higher reforming efficiency can be obtained at higher temperatures. On the other hand, there are problems such as that the use is limited to large-scale power generation facilities, the start-up time is long, the heat-cycle easily deteriorates, and that the constituent materials are required to have high heat resistance. When the operating temperature is lowered, these problems are eliminated, and application to a distributed power source for home use, a power source for mobile electronic devices, an auxiliary power source for automobiles and the like can be expected.
しかしながら、運転温度を低温化すると、電解質や反応抑止層のイオン伝導性が低下すると共に、空気極における過電圧が増大するため、実用的な発電性能を得ることが困難になる。特に、反応抑止層を構成するGDCは難焼結材料であって、90(%)程度の相対密度に留まることからイオン伝導性が低いので、このことも低温化したときの発電性能の確保を一層困難にする。GDCを形成する際の焼成温度を高くすればその密度を高めることも可能であるが、電解質上に形成されるGDCの焼成温度を高くすると、燃料極支持体の多孔性を保てなくなる。なお、燃料電池のセルインピーダンスは、オーミック抵抗と電極の過電圧(すなわち反応抵抗)との和である。オーミック抵抗は電解質および反応抑止層のイオン伝導率が低くなるほど高くなる。また、電極の過電圧すなわち反応抵抗は電気化学的な還元反応の起きにくさである。 However, when the operating temperature is lowered, the ionic conductivity of the electrolyte and the reaction suppression layer is lowered and the overvoltage at the air electrode is increased, so that it is difficult to obtain practical power generation performance. In particular, the GDC that constitutes the reaction suppression layer is a hardly sintered material and has a low relative ionic conductivity because it remains at a relative density of about 90%, which also ensures power generation performance when the temperature is lowered. Make it more difficult. It is possible to increase the density by increasing the firing temperature when forming the GDC, but if the firing temperature of the GDC formed on the electrolyte is increased, the porosity of the fuel electrode support cannot be maintained. The cell impedance of the fuel cell is the sum of the ohmic resistance and the electrode overvoltage (that is, reaction resistance). The ohmic resistance increases as the ionic conductivity of the electrolyte and reaction suppression layer decreases. In addition, the overvoltage of the electrode, that is, the reaction resistance is a difficulty in causing an electrochemical reduction reaction.
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、ヒートサイクルに起因する反応抑止層と空気極との剥離の生じ難いSOFCを提供することにある。また、低温運転でも高い発電性能を有するSOFCを提供することも目的とする。 The present invention has been made against the background of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a SOFC in which separation between the reaction inhibition layer and the air electrode caused by heat cycle is unlikely to occur. Another object of the present invention is to provide a SOFC having high power generation performance even at low temperature operation.
斯かる目的を達成するため、本発明の要旨とするところは、燃料極の一面に電解質、反応抑止層、および空気極が順次に積層された固体酸化物形燃料電池であって、(a)前記反応抑止層と前記空気極との界面全体に分布する平均粒径が5〜100(nm)の多数の微粒子を含むことにある。 In order to achieve such an object, the gist of the present invention is a solid oxide fuel cell in which an electrolyte, a reaction inhibiting layer, and an air electrode are sequentially laminated on one surface of a fuel electrode, and (a) The object is to include a large number of fine particles having an average particle diameter of 5 to 100 (nm) distributed over the entire interface between the reaction suppression layer and the air electrode.
このようにすれば、反応抑止層と空気極との間に存在する多数の微粒子は、微細であることから反応抑止層および空気極の表面に容易に食い込むため、アンカー効果が得られる。そのため、反応抑止層と空気極との熱膨張係数が著しく相違しても、起動・停止に伴うヒートサイクルに起因する剥離が抑制される。なお、上記多数の微粒子の平均粒径は5〜100(nm)の範囲内であることが必要である。平均粒径が5(nm)未満では、微小に過ぎるためアンカー効果が弱くなる。また、100(nm)を越えると、微粒子相互の独立性を保つことが困難になって膜化するためアンカー効果が弱くなる。すなわち、何れにしても、反応抑止層および空気極の界面でクラックや剥離を抑制することが困難である。 In this way, since a large number of fine particles existing between the reaction suppression layer and the air electrode are fine, they easily bite into the surface of the reaction suppression layer and the air electrode, so that an anchor effect is obtained. Therefore, even if the thermal expansion coefficients of the reaction suppression layer and the air electrode are remarkably different, the peeling due to the heat cycle accompanying start / stop is suppressed. The average particle size of the above-mentioned many fine particles needs to be in the range of 5 to 100 (nm). If the average particle size is less than 5 (nm), the anchor effect is weak because it is too small. On the other hand, if it exceeds 100 (nm), it becomes difficult to maintain the independence between the fine particles, and the anchor effect is weakened because the film is formed. That is, in any case, it is difficult to suppress cracks and peeling at the interface between the reaction suppression layer and the air electrode.
ここで、好適には、前記多数の微粒子はセラミックス材料で構成されたものである。このようにすれば、空気極を形成するための加熱処理が施される際にも微粒子が熔融することがなく、粒子が独立して存在するため、一層高いアンカー効果が得られる。 Here, preferably, the numerous fine particles are made of a ceramic material. In this way, even when the heat treatment for forming the air electrode is performed, the fine particles do not melt and the particles exist independently, so that a higher anchor effect can be obtained.
また、好適には、前記多数の微粒子は前記空気極と同材料で構成されたものである。このようにすれば、多数の微粒子は実質的に空気極の一部を構成するため、運転時に供給される空気と空気極との接触界面がそれら多数の微粒子によって実質的に増大することから、その空気極の酸素還元性能が高められる。しかも、反応抑止層と空気極との界面に存在する多数の微粒子は、空気極と同材料であることからそれらの間のイオン伝導を阻害することはない。寧ろそれらの界面に表面の凹凸や空気極の多孔性に起因して生じ得る隙間に微粒子が存在することにより、それらの間に微粒子を介したイオン伝導経路が形成されるので、イオン伝導性が高められる。更に、空気極材料の微粒子が酸素の還元に高活性であるためと思われるが、低温運転でも空気極の反応抵抗すなわち過電圧が抑制される。そのため、多数の微粒子が空気極と反応抑止層との界面に存在しても、これに起因する性能低下はなく、却って、酸素還元性能の向上、イオン伝導性の向上、低温における過電圧の抑制によって、低温運転でも高い発電性能を有するSOFCが得られる。 Preferably, the many fine particles are made of the same material as the air electrode. In this way, since a large number of fine particles substantially form part of the air electrode, the contact interface between the air and the air electrode supplied during operation is substantially increased by the large number of fine particles. The oxygen reduction performance of the air electrode is enhanced. In addition, many fine particles present at the interface between the reaction suppression layer and the air electrode are the same material as the air electrode, and therefore do not hinder ion conduction between them. Rather, the presence of fine particles in the gaps that may occur due to surface irregularities and the porosity of the air electrode at the interface between them forms an ion conduction path between them, so that the ion conductivity is reduced. Enhanced. Furthermore, although it seems that the fine particles of the air electrode material are highly active in reducing oxygen, the reaction resistance of the air electrode, that is, overvoltage is suppressed even at low temperature operation. For this reason, even if a large number of fine particles are present at the interface between the air electrode and the reaction suppression layer, there is no performance degradation due to this. Instead, the oxygen reduction performance is improved, the ion conductivity is improved, and the overvoltage is suppressed at a low temperature. SOFC with high power generation performance can be obtained even at low temperature operation.
また、好適には、前記反応抑止層はGDCで構成されたものである。GDCはイオン伝導性が高いことから反応抑止層に好ましい材料であるが、酸素の還元活性の高い空気極材料に比べて熱膨張係数が低い傾向にある。例えば、空気極材料として一般に用いられるLSCやLSCF等の熱膨張係数は17(ppm)程度であるのに対し、GDCの熱膨張係数は12(ppm)程度である。そのため、このように熱膨張係数が著しく相違することから、反応抑止層と空気極とは使用中のヒートサイクルで剥離し易いので、それらの界面に前記微粒子を備えることによる剥離抑制効果が一層顕著に得られる。 Preferably, the reaction suppression layer is composed of GDC. GDC is a preferred material for the reaction suppression layer because of its high ionic conductivity, but tends to have a lower thermal expansion coefficient than an air electrode material having a high oxygen reduction activity. For example, the thermal expansion coefficient of LSC, LSCF or the like generally used as an air electrode material is about 17 (ppm), whereas the thermal expansion coefficient of GDC is about 12 (ppm). Therefore, since the thermal expansion coefficients are remarkably different from each other in this way, the reaction suppression layer and the air electrode are easily separated in the heat cycle in use, and thus the separation suppression effect due to the provision of the fine particles at their interface is more remarkable. Is obtained.
また、好適には、前記反応抑止層は95(%)以上の相対密度を有するものである。このようにすれば、反応抑止層の密度が十分に高められているため、一層高いイオン伝導性が得られる。そのため、動作温度を例えば500〜600(℃)程度と低くしても十分に高い発電性能が得られる。イオン伝導性は一般に低温になるほど低下することから、700〜1000(℃)程度の高温運転であれば、90(%)以下の低い相対密度でも十分に高いイオン伝導性が得られ延いては十分に高い発電性能が得られる。しかしながら、500〜600(℃)程度の低温運転では斯かる低密度ではイオン伝導性が低く発電性能が得られなかったのである。なお、相対密度を高くすると、表面の平滑性が向上することから、反応抑止層と空気極との剥離が一層生じ易くなるものと考えられるが、本発明によれば、界面に存在するナノ粒子のアンカー効果により剥離が十分に抑制される。 Preferably, the reaction suppression layer has a relative density of 95 (%) or more. In this way, since the density of the reaction suppression layer is sufficiently increased, higher ion conductivity can be obtained. Therefore, sufficiently high power generation performance can be obtained even if the operating temperature is lowered to, for example, about 500 to 600 (° C.). Since ion conductivity generally decreases as the temperature decreases, high temperature operation of about 700 to 1000 (° C) is sufficient to obtain sufficiently high ion conductivity even at a low relative density of 90 (%) or less. High power generation performance can be obtained. However, in low-temperature operation of about 500 to 600 (° C.), such low density has low ion conductivity and power generation performance cannot be obtained. In addition, it is considered that when the relative density is increased, the smoothness of the surface is improved, so that the reaction-suppressing layer and the air electrode are more easily separated. According to the present invention, the nanoparticles present at the interface Peeling is sufficiently suppressed by the anchor effect.
また、好適には、前記反応抑止層はパルスレーザ堆積法によって形成されたものである。このようにすれば、高温の焼成処理を必要とすることなく、95(%)以上の相対密度の反応抑止層を容易に得ることができる。すなわち、従来は前記特許文献3等にも示されるように、スラリー塗布および焼成によりGDCが形成されていたが、この方法では前述したように90(%)以下の相対密度に留まっていた。焼成温度を例えば1500(℃)以上の高温にすれば相対密度を高めることができるが、燃料極の多孔性を維持すると共に、電解質と反応抑止層との反応により固溶層が生成して抵抗が増大することを抑制するためには、焼成温度を1400(℃)以下に留めることが好ましいことから、相対密度を高めることができなかったのである。上記態様によれば、95(%)以上の高密度を容易に得られると共に、従来に比較しても一層低温での製膜が可能になるため、電解質と反応抑止層との界面抵抗を低減し得る。 Preferably, the reaction suppression layer is formed by a pulse laser deposition method. In this way, a reaction inhibiting layer having a relative density of 95 (%) or more can be easily obtained without requiring a high-temperature baking treatment. That is, GDC was conventionally formed by slurry application and firing as shown in the above-mentioned Patent Document 3 and the like, but in this method, the relative density was 90% or less as described above. The relative density can be increased by increasing the firing temperature to, for example, 1500 (° C.) or more.However, while maintaining the porosity of the fuel electrode, a solid solution layer is generated due to the reaction between the electrolyte and the reaction suppression layer, resulting in resistance. In order to suppress the increase in the thickness, it is preferable to keep the firing temperature at 1400 (° C.) or lower, and thus the relative density could not be increased. According to the above aspect, a high density of 95 (%) or more can be easily obtained, and film formation at a lower temperature is possible than before, so that the interface resistance between the electrolyte and the reaction inhibition layer is reduced. Can do.
また、好適には、前記多数の微粒子はパルスレーザ堆積法によって形成されたものである。このようにすれば、微粒子を容易に形成することができると共に、パルスレーザ堆積法により形成された微粒子は形成面に強固に固着されることから、高いアンカー効果を得ることができる。 Preferably, the large number of fine particles are formed by a pulse laser deposition method. In this way, the fine particles can be easily formed, and the fine particles formed by the pulse laser deposition method are firmly fixed to the formation surface, so that a high anchor effect can be obtained.
因みに、上記のパルスレーザ堆積法はSOFCの分野においても従来から利用例が認められるもので、例えば、燃料極および空気極の各々の表面にそれらよりも高い電子伝導性を有する材料から成る薄膜を集電層として設けた構成において、その集電層をパルスレーザ堆積法で形成するものがある(例えば、前記特許文献1を参照。)。上記構成では、パルスレーザ堆積法は薄膜形成方法の一例として示されている。なお、上記集電層の構成材料としては、導電性酸化物(例えばITO、ZnO、Ga添加ZnO等)、導電性窒化物(例えばTiN、TiAlN等)、導電性炭化物、NiまたはFeを含む合金材料(例えばFeCrAl、FeCrSi、FeCrW等)、貴金属およびこれを含む合金材料(例えばPt、Pd、Ru、Ag等)が挙げられている。また、電解質層の一方の表面に設けられたカソードを高密度のイオン−電子混合伝導体(MIEC)の薄膜を含むものとした構成において、それら電解質層およびMIEC薄膜をパルスレーザ堆積法で形成したものもある(例えば、前記特許文献2を参照。)。 Incidentally, the above-described pulsed laser deposition method has been widely used in the SOFC field, and for example, a thin film made of a material having higher electron conductivity than that of each of the fuel electrode and the air electrode is used. In some configurations provided as a current collecting layer, the current collecting layer is formed by a pulsed laser deposition method (see, for example, Patent Document 1). In the above configuration, the pulse laser deposition method is shown as an example of a thin film forming method. As the constituent material of the current collecting layer, conductive oxides (for example, ITO, ZnO, Ga-added ZnO, etc.), conductive nitrides (for example, TiN, TiAlN, etc.), conductive carbides, alloys containing Ni or Fe Materials (for example, FeCrAl, FeCrSi, FeCrW, etc.), noble metals and alloy materials (for example, Pt, Pd, Ru, Ag, etc.) containing them are mentioned. In addition, in a configuration in which the cathode provided on one surface of the electrolyte layer includes a high-density ion-electron mixed conductor (MIEC) thin film, the electrolyte layer and the MIEC thin film were formed by a pulse laser deposition method. Some (see, for example, Patent Document 2).
このようにパルスレーザ堆積法は従来から知られているものであり、これを利用すれば容易に緻密膜を組成ズレなく形成し得ることは周知であるが、本発明のように反応抑止層を備えた構造に適用した例はなく、また、SOFCにおいて微粒子形成に用いられた例もない。本発明者等は、パルスレーザ堆積法を利用するに際して、レーザ出力、周波数、温度、ガス分圧、ショット回数等を適宜調整することでナノ粒子を形成できることを見出し、本発明は斯かる知見に基づいて為されたものである。 As described above, the pulse laser deposition method is conventionally known, and it is well known that a dense film can be easily formed without misalignment by using this method. There is no example applied to the provided structure, and there is no example used for fine particle formation in SOFC. The present inventors have found that nanoparticles can be formed by appropriately adjusting the laser output, frequency, temperature, gas partial pressure, number of shots, etc. when using the pulsed laser deposition method, and the present invention is based on such knowledge. It was made based on.
なお、反応抑止層および微粒子の形成方法は、所望する膜や微粒子が形成されるように適宜選定すればよく、上記のパルスレーザ堆積法に限られない。例えば、スパッタやCVD等の膜形成方法も適用し得る。パルスレーザ堆積法による場合には、前記各条件に応じて粒子径が決まるが、例えば、ショット回数を多くするほど粒子径が大きくなるので、所望する粒子径に応じて、例えば50〜500回程度の範囲でショット回数を定めればよい。他の条件も影響するが、ショット回数が多くなるほど膜になり易くなって個々に分離した粒子の状態を保つことが困難になる。 The method for forming the reaction suppression layer and the fine particles may be appropriately selected so that a desired film and fine particles are formed, and is not limited to the above-described pulse laser deposition method. For example, a film forming method such as sputtering or CVD can be applied. In the case of the pulsed laser deposition method, the particle diameter is determined according to each of the above conditions. For example, the particle diameter increases as the number of shots increases, so for example, about 50 to 500 times depending on the desired particle diameter. The number of shots may be determined within the range of Although other conditions also affect, as the number of shots increases, it becomes easier to form a film and it becomes difficult to maintain the state of individually separated particles.
また、前記空気極の構成材料は特に限定されないが、(La1-xSrx)(Co1-yFey)O3-δ(但し、0<x<1、0≦y<1、0≦δ<1)、La(Ni1-xFex)O3-δ(但し、0<x<1、0≦δ<1)、(Sm1-xSrx)CoO3-δ(但し、0<x<1、0≦δ<1)等が挙げられる。本発明を適用し得るSOFCは各層の構成材料が特に限定されないが、例えば、空気極材料は上記LSCF、La(Ni1-xFex)O3-δ等が好ましい。特に、LSCやLSCFは高いイオン伝導性を有することから、高い発電性能を得ることができる。 The constituent material of the air electrode is not particularly limited, but (La 1-x Sr x ) (Co 1-y Fe y ) O 3-δ (where 0 <x <1, 0 ≦ y <1, 0 ≦ δ <1), La (Ni 1-x Fe x ) O 3-δ (where 0 <x <1, 0 ≦ δ <1), (Sm 1-x Sr x ) CoO 3-δ (where 0 <x <1, 0 ≦ δ <1) and the like. In the SOFC to which the present invention can be applied, the constituent material of each layer is not particularly limited. For example, the air electrode material is preferably LSCF, La (Ni 1-x Fe x ) O 3-δ, or the like. In particular, since LSC and LSCF have high ionic conductivity, high power generation performance can be obtained.
また、前記電解質の構成材料は特に限定されないが、例えば、8YSZ、10ScSZ(Sc2O3を10(mol%)含むスカンジア安定化ジルコニア)、(La1-xSrx)(Ga1-yMgy)O3-δ(但し、0<x<1、0≦y<1、0≦δ<1)等が挙げられる。前記空気極材料および上記電解質材料の組合せでは反応により高抵抗層が形成され易いので、前記反応抑止層が必須となる。本発明は、このような反応抑止層を必須とする構成材料の組合せに対して好適に適用されるものである。 The constituent material of the electrolyte is not particularly limited.For example, 8YSZ, 10ScSZ (scandia-stabilized zirconia containing 10 (mol%) Sc 2 O 3 ), (La 1-x Sr x ) (Ga 1-y Mg y ) O 3−δ (where 0 <x <1, 0 ≦ y <1, 0 ≦ δ <1) and the like. In the combination of the air electrode material and the electrolyte material, a high resistance layer is easily formed by reaction, and thus the reaction suppression layer is essential. The present invention is suitably applied to a combination of constituent materials that require such a reaction inhibiting layer.
なお、前記燃料極の構成材料は特に限定されないが、例えば、前記NiO/8YSZの他、CoO/8YSZ、Co3O4/8YSZ、FeO/8YSZ、Fe2O3/8YSZ、Fe3O4/8YSZ等の混合材料や、(La1-xSrx)TiO3(但し、0<x<1、0≦δ<1)等のペロブスカイト型酸化物等が挙げられる。 The constituent material of the fuel electrode is not particularly limited. For example, in addition to the NiO / 8YSZ, CoO / 8YSZ, Co 3 O 4 / 8YSZ, FeO / 8YSZ, Fe 2 O 3 / 8YSZ, Fe 3 O 4 / Examples thereof include mixed materials such as 8YSZ and perovskite oxides such as (La 1-x Sr x ) TiO 3 (where 0 <x <1, 0 ≦ δ <1).
また、好適には、前記燃料極は、SOFCの支持層として機能するものすなわちアノード支持層である。本発明は、このようなアノード支持型SOFCに好適に適用される。このような構造を有する場合において、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、前記空気極の厚さ寸法は、例えば20〜50(μm)である。 Preferably, the fuel electrode is an anode supporting layer that functions as a SOFC supporting layer. The present invention is suitably applied to such an anode-supported SOFC. In the case of having such a structure, the thickness dimension of the fuel electrode (anode support layer) is, for example, 300 to 1000 (μm), and the thickness dimension of the air electrode is, for example, 20 to 50 (μm). .
また、好適には、前記SOFCは電気化学インピーダンス法によって測定されるインピーダンスの600(℃)における値Z600および800(℃)における値Z800から下記(1)式で求めたインピーダンス温度変化率が160(%)以下である。前述したように運転温度を低温化すると電解質や反応抑止層のイオン伝導性が低下すると共に、空気極における過電圧が増大するため、セルのインピーダンスが増大する。インピーダンスの温度変化率が大きいと低温で発電性能を得ることが困難になるが、温度変化率を160(%)以下に留めることにより、500〜600(℃)程度の低温運転でも十分に高い発電性能が得られる。本発明によれば、反応抑止層と空気極との界面に存在する空気極と同材料から成る微粒子は酸素の還元に高活性であることから、その空気極の過電圧増加が抑制されるので、インピーダンスの温度変化率が低くなる。特に、反応抑止層が95(%)以上の相対密度に形成される態様では、そのイオン伝導性が高められることでインピーダンスの温度変化率が一層抑制されるため、一層高い発電性能を得ることができる。なお、上記電気化学インピーダンス法は、例えば、1(MHz)〜0.1(Hz)の周波数範囲でポテンショスタットおよび周波数応答アナライザを用いて測定するものである。
[(Z600−Z800)/Z800]×100(%) ・・・(1)
Preferably, the SOFC has an impedance temperature change rate obtained by the following equation (1) from a value Z 600 at 600 (° C.) and a value Z 800 at 800 (° C.) of the impedance measured by the electrochemical impedance method. 160 (%) or less. As described above, when the operating temperature is lowered, the ionic conductivity of the electrolyte and the reaction suppressing layer is lowered, and the overvoltage at the air electrode is increased, so that the impedance of the cell is increased. If the impedance temperature change rate is large, it will be difficult to obtain power generation performance at low temperatures, but by keeping the temperature change rate below 160 (%), power generation is sufficiently high even at low temperatures of about 500 to 600 (° C). Performance is obtained. According to the present invention, since the fine particles made of the same material as the air electrode present at the interface between the reaction suppression layer and the air electrode are highly active in reducing oxygen, an increase in overvoltage of the air electrode is suppressed. Impedance temperature change rate is reduced. In particular, in a mode in which the reaction suppression layer is formed at a relative density of 95 (%) or higher, the temperature change rate of impedance is further suppressed by increasing its ionic conductivity, so that higher power generation performance can be obtained. it can. In addition, the said electrochemical impedance method measures using a potentiostat and a frequency response analyzer in the frequency range of 1 (MHz)-0.1 (Hz), for example.
[(Z 600 −Z 800 ) / Z 800 ] × 100 (%) (1)
また、好適には、前記多数の微粒子は、前記反応抑止層の結晶粒径の1/40〜1/10の平均粒径を備えたものである。このようにすれば、一層高いアンカー効果が得られると共に、空気極の過電圧の増加が一層抑制されてインピーダンスが一層低下させられる。微粒子径が反応抑止層の結晶粒径の1/40を下回ると、接触面積の増大効果が小さくなり、インピーダンス低下効果が減じられる。また、1/10を越えると、反応抑止層表面への食い込み量が小さくなってアンカー効果が減じられ、延いては剥離抑制効果が減じられる。 Preferably, the large number of fine particles have an average particle size of 1/40 to 1/10 of the crystal particle size of the reaction suppression layer. In this way, a higher anchor effect can be obtained, and an increase in the overvoltage of the air electrode can be further suppressed to further reduce the impedance. When the fine particle diameter is less than 1/40 of the crystal grain size of the reaction suppression layer, the effect of increasing the contact area is reduced and the effect of reducing the impedance is reduced. On the other hand, if it exceeds 1/10, the amount of biting into the surface of the reaction inhibiting layer is reduced, the anchor effect is reduced, and the peeling inhibiting effect is reduced.
また、好適には、本発明のSOFCは、例えば以下の各工程によって製造される。すなわち、燃料極支持体上に電解質膜が積層され且つその電解質膜上に反応抑止層が積層された積層体を製造する積層工程と、積層体の反応抑止層上にその表面全体に分布するように多数の微粒子をパルスレーザ堆積法によって設ける微粒子形成工程と、その多数の微粒子の上に空気極を形成する空気極積層工程とを含む製造工程によって製造される。パルスレーザ堆積法によれば、レーザ出力、周波数、温度、ガス分圧、ショット回数等を適宜調整することで粒子径を容易に制御できることから、反応抑止層上に所望の粒径を備えた微粒子を容易に形成できる。そのため、その反応抑止層および空気極に対して微粒子の適度な食込み状態を得ることができるので、十分なアンカー効果を得ることができる。 Preferably, the SOFC of the present invention is produced, for example, by the following steps. That is, a lamination process for producing a laminate in which an electrolyte membrane is laminated on a fuel electrode support and a reaction inhibition layer is laminated on the electrolyte membrane, and distributed over the entire surface of the reaction inhibition layer of the laminate. Are manufactured by a manufacturing process including a fine particle forming step in which a large number of fine particles are provided by a pulse laser deposition method and an air electrode stacking step in which an air electrode is formed on the large number of fine particles. According to the pulsed laser deposition method, the particle size can be easily controlled by appropriately adjusting the laser output, frequency, temperature, gas partial pressure, number of shots, etc., so that the fine particles having a desired particle size on the reaction suppression layer Can be easily formed. For this reason, it is possible to obtain an appropriate biting state of the fine particles with respect to the reaction suppression layer and the air electrode, so that a sufficient anchor effect can be obtained.
また、好適には、前記微粒子形成工程は、反応抑止層上に空気極と同材料の微粒子を形成するものである。パルスレーザ堆積法によれば、所望する組成の膜や粒子を容易に組成ズレなく形成できる。そのため、空気極と同材料の微粒子を形成することによって、その微粒子が空気極の一部を構成することで新たなイオン伝導経路が形成されると共に、酸素の還元に高活性な空気極材料微粒子の存在により低温運転でも空気極過電圧が抑制される。これらにより、低温運転でも高い発電性能を有するSOFCが得られる。 Preferably, the fine particle forming step forms fine particles of the same material as the air electrode on the reaction suppression layer. According to the pulse laser deposition method, a film or particle having a desired composition can be easily formed without composition deviation. Therefore, by forming fine particles of the same material as the air electrode, the fine particles form a part of the air electrode, so that a new ion conduction path is formed and the air electrode material fine particles highly active in reducing oxygen Due to the presence of the air electrode overvoltage is suppressed even at low temperature operation. As a result, an SOFC having high power generation performance even at low temperature operation can be obtained.
また、好適には、前記積層工程は、前記電解質膜上にパルスレーザ堆積法によって前記反応抑止層を形成する反応抑止層形成工程を含むものである。パルスレーザ堆積法によれば、緻密質の膜を容易に形成できることから、このようにすれば、印刷形成による場合に比較して反応抑止層の相対密度を高め延いてはそのイオン伝導性を高めて、発電性能を高めることができる。特に、反応抑止層の構成材料がGDCである場合には、印刷形成する場合の相対密度が90(%)程度に留まっていたのに対し、98(%)程度の高い相対密度を得ることができるので、材料本来のイオン伝導性が発揮させられて一層高い発電性能を得ることができる。 Preferably, the laminating step includes a reaction inhibition layer forming step of forming the reaction inhibition layer on the electrolyte film by a pulse laser deposition method. According to the pulse laser deposition method, a dense film can be easily formed. Thus, in this way, the relative density of the reaction suppression layer is increased and the ionic conductivity is increased compared to the case of printing. Thus, the power generation performance can be improved. In particular, when the constituent material of the reaction suppression layer is GDC, the relative density in the case of printing and forming has remained at about 90 (%), whereas a high relative density of about 98 (%) can be obtained. Therefore, the ionic conductivity inherent to the material can be exhibited and higher power generation performance can be obtained.
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アノード支持形SOFC10の層構成を模式的に示す図である。図1において、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 an anode-supported SOFC 10 according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, the SOFC 10 is a laminated body 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、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 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、95(%)以上、例えば98(%)程度の極めて高い相対密度を有し、例えば12(ppm)程度の熱膨張係数を有している。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 an extremely high relative density of about 95 (%) or more, for example, about 98 (%). It has a thermal expansion coefficient of about 12 (ppm). 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、例えば(La,Sr)CoO3(例えば、La0.6Sr0.4CoO3;以下、適宜LSCという)や、(La,Sr)(Co,Fe)O3(例えば、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3;以下、適宜LSCFという)等のLa,Sr,Coを含むペロブスカイト型酸化物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。これらLSCおよびLSCFは、A,B両サイトの置換割合を種々定め得るもので、所望するイオン伝導性や還元膨張率等に応じて適宜の置換割合のものを用いることができる。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(%)程度であり、熱膨張係数は例えば17(ppm)程度である。 In addition, the air electrode 18 includes, for example, (La, Sr) CoO 3 (for example, La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 ; hereinafter referred to as LSC as appropriate), (La, Sr) (Co, Fe) O 3 (for example, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 (hereinafter referred to as LSCF as appropriate) and the like, and a porous body made of a perovskite oxide containing La, Sr, Co, etc., and its reaction inhibiting layer from its surface (upper surface in FIG. 1) It has many communicating pores that continue to the top surface of 16. These LSC and LSCF can determine various substitution ratios at both the A and B sites, and those having an appropriate substitution ratio can be used depending on the desired ion conductivity, reduction expansion coefficient, and the like. The air electrode 18 has a thickness of about 20 to 50 (μm), for example, has a porosity of about 20 to 30 (%), and a thermal expansion coefficient of about 17 (ppm), for example. It is.
また、上記空気極18を構成するLSC、LSCFは、比較的高い電子伝導率およびイオン伝導率を有し且つ比較的大きい還元膨張率を有する材料であり、例えば、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3では200(S/cm)程度の電子伝導率と1(%)以上の還元膨張率とを有している。 The LSC and LSCF constituting the air electrode 18 are materials having relatively high electronic conductivity and ionic conductivity and having a relatively large reduction expansion coefficient. For example, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 has an electronic conductivity of about 200 (S / cm) and a reduction expansion coefficient of 1 (%) or more.
また、上記反応抑止層16と空気極18との間には、図2にその界面を拡大して模式的に示すように、多数の微粒子20がその界面全体に分布して備えられている。微粒子20は、空気極18と同材料すなわちLSC、LSCF等のペロブスカイト型酸化物から成るもので、5〜100(nm)の範囲内、例えば50(nm)程度の粒子径を備えたナノ粒子である。この微粒子20は反応抑止層16に固着されていると共に、その反応抑止層16よりも突き出した部分が空気極18に食い込んでいる。この結果、反応抑止層16と空気極18とは、一部において直に接し、一部において微粒子20を介して接した状態にある。また、反応抑止層16の上面および空気極18の下面は必ずしも平坦ではなく、図2に模式的に示すように凹凸が存在しており、その凹凸に起因する隙間も生じている。 In addition, between the reaction suppression layer 16 and the air electrode 18, a large number of fine particles 20 are distributed throughout the interface, as schematically shown in FIG. The fine particles 20 are made of the same material as the air electrode 18, that is, a perovskite oxide such as LSC and LSCF, and are nanoparticles having a particle diameter in the range of 5 to 100 (nm), for example, about 50 (nm). is there. The fine particles 20 are fixed to the reaction suppression layer 16, and a portion protruding from the reaction suppression layer 16 bites into the air electrode 18. As a result, the reaction suppression layer 16 and the air electrode 18 are in direct contact with each other and partially in contact with each other through the fine particles 20. Further, the upper surface of the reaction suppression layer 16 and the lower surface of the air electrode 18 are not necessarily flat, and there are irregularities as schematically shown in FIG. 2, and gaps due to the irregularities are also generated.
このように構成された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、セル温度を所定の運転温度、例えば500〜800(℃)程度に保持した状態で、空気極18側に酸素含有ガス、例えば空気を、燃料極12側に水素含有ガスを流すことで発電させられる。例えば、セル温度が800(℃)の条件で運転すると、1.0(W/cm2)程度以上の高い出力が得られ、例えば、600(℃)の条件で運転しても、0.5〜0.6(W/cm2)程度の十分に高い出力が得られる。しかも、1回の運転時間を20時間程度として、600(℃)の運転状態と200(℃)の停止状態との間を400(℃/h)で昇降温させ、起動・停止を50回以上繰り返しても、反応抑止層16と空気極18との剥離は何ら認められず、実用的な長寿命を有する。なお、SOFC10の1セルの出力は上記の通り比較的小さいことから、発電装置として利用するに際しては、例えば複数個のセルを積層してスタック構造にすると共に、そのようなセルスタックを複数個まとめて1つの装置が構成される。 The 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 the cell temperature is maintained at a predetermined operating temperature, for example, about 500 to 800 (° C.). Electricity is generated by flowing an oxygen-containing gas, such as air, on the air electrode 18 side and a hydrogen-containing gas on the fuel electrode 12 side. For example, when the cell temperature is operated under the condition of 800 (° C), a high output of about 1.0 (W / cm 2 ) or more is obtained.For example, even when operated under the condition of 600 (° C), 0.5 to 0.6 (W A sufficiently high output of about / cm 2 ) can be obtained. Moreover, the operating time for one operation is about 20 hours, and the temperature is raised and lowered at 400 (° C / h) between the operating state of 600 (° C) and the stopped state of 200 (° C), and starting and stopping 50 times or more Even if it repeats, peeling of the reaction suppression layer 16 and the air electrode 18 is not recognized at all, and it has a practical long life. Since the output of one cell of the SOFC 10 is relatively small as described above, when using it as a power generation device, for example, a plurality of cells are stacked to form a stack structure, and a plurality of such cell stacks are combined. One device is configured.
本実施例によれば、反応抑止層16と空気極18との界面に粒子径が5〜100(nm)程度と微細な多数の微粒子20が存在することから、その微粒子20が空気極18の表面に食い込んでアンカー効果が得られる。そのため、反応抑止層16の熱膨張係数が12(ppm)程度、空気極18の熱膨張係数が17(ppm)程度と、両者の値が著しく相違しても、その相違に拘わらず、SOFC10の起動・停止に伴うヒートサイクルに起因する剥離が抑制されるのである。 According to this embodiment, since there are a large number of fine particles 20 having a particle diameter of about 5 to 100 (nm) at the interface between the reaction suppression layer 16 and the air electrode 18, the fine particles 20 are the air electrode 18. The anchor effect is obtained by biting into the surface. Therefore, the thermal expansion coefficient of the reaction suppression layer 16 is about 12 (ppm) and the thermal expansion coefficient of the air electrode 18 is about 17 (ppm). The peeling due to the heat cycle accompanying the start / stop is suppressed.
しかも、微粒子20は空気極18と同材料で構成されていることから、多数の微粒子20は実質的に空気極18の一部を構成するため、運転時に供給される空気と空気極18との接触界面が多数の微粒子20によって実質的に増大することから、空気極18の酸素還元性能が高められる。しかも、反応抑止層16と空気極18との界面に存在する多数の微粒子20は、空気極18と同材料で構成されたものであることから、それらの間のイオン伝導は何ら阻害されず、却って新たなイオン伝導経路が形成されるので、イオン伝導性が高められる。更に、空気極材料の微粒子20は、低温運転における空気極18の過電圧を抑制するものと思われる。これらによって前述したような高い出力が得られるものと考えられる。 In addition, since the fine particles 20 are made of the same material as the air electrode 18, the large number of fine particles 20 substantially constitute a part of the air electrode 18, so that the air supplied during operation and the air electrode 18 Since the contact interface is substantially increased by the large number of fine particles 20, the oxygen reduction performance of the air electrode 18 is enhanced. Moreover, since the numerous fine particles 20 present at the interface between the reaction suppression layer 16 and the air electrode 18 are made of the same material as the air electrode 18, ion conduction between them is not inhibited at all, On the other hand, since a new ion conduction path is formed, ion conductivity is improved. Furthermore, the fine particles 20 of the air electrode material are considered to suppress the overvoltage of the air electrode 18 in the low temperature operation. It is considered that the high output as described above can be obtained by these.
図3は、上記のSOFC10の製造方法の一例を説明する工程図である。図3において、アノードシート成形工程P1においては、例えば平均粒径が0.5(μm)程度の市販のNiO粉末と、平均粒径が0.5(μm)程度の市販の8YSZ粉末とを、例えば6:4の質量比で混合し、この混合粉末58(wt%)に、キシレン等の溶剤を24(wt%)、メタクリル酸エステルポリマー等の有機結合剤を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)を5(wt%)、フタル酸エステル等の可塑剤を4.5(wt%)とを添加して、十分に攪拌してスラリーを調製する。このスラリーから、例えばドクターブレード成形等の適宜のシート成形法によって、厚さ寸法が0.5〜1.0(mm)程度のシート成形体(アノードシート)を成形する。 FIG. 3 is a process diagram illustrating an example of a method for manufacturing the SOFC 10 described above. In FIG. 3, in the anode sheet forming step P1, for example, a commercially available NiO powder having an average particle size of about 0.5 (μm) and a commercially available 8YSZ powder having an average particle size of about 0.5 (μm) are used, for example, 6: 4. The mixed powder 58 (wt%) was mixed with a solvent such as xylene 24 (wt%), an organic binder such as a methacrylate polymer 8.5 (wt%), carbon, starch and other pores. Add 5 (wt%) of the forming agent (namely, carbon component) and 4.5 (wt%) of a plasticizer such as phthalate, and prepare a slurry by stirring well. From this slurry, a sheet molded body (anode sheet) having a thickness dimension of about 0.5 to 1.0 (mm) is molded by an appropriate sheet molding method such as doctor blade molding.
次いで、電解質シート成形工程P2においては、前記工程P1に用いたものと同一の8YSZ粉末60(wt%)に、ターピネオール等のアルコール系の溶剤36(wt%)と、エチルセルロース等の有機結合剤4(wt%)とを添加し、十分に攪拌してペーストを調製する。このペーストから、例えばスクリーン印刷法等の適宜の厚膜形成技術により、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。アノード・電解質積層工程P3では、このようにして得られた電解質シート上に前記のアノードシートを積層し、電解質・アノードシート積層体を得る。 Next, in the electrolyte sheet forming step P2, the same 8YSZ powder 60 (wt%) as used in the step P1 is added to an alcoholic solvent 36 (wt%) such as terpineol and an organic binder 4 such as ethylcellulose. (wt%) and add well to prepare a paste. From this paste, a sheet molded body (electrolyte sheet) having a thickness dimension of about 10 (μm) is obtained by an appropriate thick film forming technique such as a screen printing method. In the anode / electrolyte stacking step P3, the anode sheet is stacked on the electrolyte sheet thus obtained to obtain an electrolyte / anode sheet stack.
次いで、焼成工程P4では、上記の電解質・アノードシート積層体に焼成処理、すなわち共焼成を施す。焼成処理の最高保持温度は、例えば、1350(℃)程度である。これにより、電解質シートおよびアノードシートからそれぞれ電解質14および燃料極12が生成され、燃料極・電解質積層体が得られる。 Next, in the firing step P4, the electrolyte / anode sheet laminate is subjected to a firing treatment, that is, co-firing. The maximum holding temperature of the baking treatment is, for example, about 1350 (° C.). As a result, the electrolyte 14 and the fuel electrode 12 are generated from the electrolyte sheet and the anode sheet, respectively, and a fuel electrode / electrolyte laminate is obtained.
次いで、反応抑止層形成工程P5では、燃料極・電解質積層体を所定のチャンバーに入れ、パルスレーザ堆積法により、その電解質14上に、GDC膜(すなわち前記反応抑止層16)を形成する。GDC膜の形成条件は、例えば、基板温度700(℃)、レーザフルエンス10(kJ/m2)、周波数10(Hz)、酸素分圧5(Pa)、ショット回数30000回程度である。また、チャンバー内には、形成しようとする膜の構成材料、本実施例ではGDCのターゲットを配置する。このターゲットは、例えば、平均粒径が0.3(μm)程度の原料をプレス成形して、1500(℃)で焼成したペレットである。これにより、電解質14上に厚さ寸法が5(μm)程度の10GDCが形成され、その形成面に強固に固着される。パルスレーザ堆積法によれば、所望する組成の緻密な膜を容易に形成できるので、印刷形成する場合と同等以上に組成ズレが無く、しかも、前述したように98(%)程度の高密度の10GDC膜を得ることができる。なお、上記基板温度は、500〜1000(℃)の間で適宜設定される。低すぎると酸化物が生成されず、高すぎると電解質14を構成するYSZと反応して抵抗層が生ずる。また、レーザフルエンスは、0.1〜30(kJ/m2)の間で適宜設定される。低すぎると材料が基板上に飛ばず、高すぎると膜を均一に成形できない。また、上記酸素分圧は、0.01〜100(Pa)の範囲で適宜設定されるが、低すぎると酸化物ができなくなる。 Next, in the reaction inhibition layer forming step P5, the fuel electrode / electrolyte laminate is placed in a predetermined chamber, and a GDC film (that is, the reaction inhibition layer 16) is formed on the electrolyte 14 by a pulse laser deposition method. The conditions for forming the GDC film are, for example, a substrate temperature of 700 (° C.), a laser fluence of 10 (kJ / m 2 ), a frequency of 10 (Hz), an oxygen partial pressure of 5 (Pa), and about 30000 shots. In the chamber, a constituent material of a film to be formed, in this embodiment, a GDC target is arranged. This target is, for example, a pellet obtained by press-molding a raw material having an average particle size of about 0.3 (μm) and firing at 1500 (° C.). As a result, 10 GDC having a thickness dimension of about 5 (μm) is formed on the electrolyte 14 and firmly adhered to the formation surface. According to the pulse laser deposition method, a dense film having a desired composition can be easily formed.Therefore, there is no composition deviation equal to or higher than that in the case of printing formation, and as described above, a high density of about 98 (%). A 10GDC membrane can be obtained. In addition, the said substrate temperature is suitably set between 500-1000 (degreeC). If it is too low, no oxide is produced, and if it is too high, it reacts with YSZ constituting the electrolyte 14 to form a resistance layer. The laser fluence is appropriately set between 0.1 and 30 (kJ / m 2 ). If it is too low, the material will not fly on the substrate, and if it is too high, the film cannot be formed uniformly. The oxygen partial pressure is appropriately set in the range of 0.01 to 100 (Pa), but if it is too low, oxides cannot be formed.
次いで、反応抑止層16が形成された積層体をチャンバーに入れたまま、微粒子形成工程P6において、パルスレーザ堆積法を用いてLSCから成るナノ粒子(すなわち微粒子20)を形成する。ナノ粒子の形成条件は、例えば、基板温度700(℃)、レーザフルエンス10(kJ/m2)、周波数10(Hz)、酸素分圧30(Pa)、ショット回数50〜500回である。ショット回数は、形成しようとする微粒子20の粒子径によって変更するもので、前述したように粒子径が50(nm)程度の微粒子20を形成する場合には、ショット回数を200回程度とする。また、チャンバー内には、形成しようとする微粒子20の構成材料、本実施例ではLSCのターゲットを配置する。このターゲットは、LSC原料をプレス成形し、1200(℃)程度で焼成したペレットである。これにより、反応抑止層16上に所望の平均粒径を備えた多数の微粒子20(ナノ粒子)が形成され、その形成面に強固に固着される。このようなパルスレーザ堆積法によれば、組成ズレなく大きさの揃ったナノ粒子を形成できるので、空気極18と同一組成の微粒子20が容易に得られる。なお、この微粒子形成においても、基板温度は、500〜1000(℃)の間で適宜設定される。低すぎると酸化物が生成されず、高すぎると拡散が早すぎるため粒子が形成されず膜になる。また、レーザフルエンスは、0.1〜30(kJ/m2)の間で適宜設定される。低すぎると材料が基板上に飛ばず、高すぎると粒子が形成されない。また、上記酸素分圧は、0.01〜100(Pa)の範囲で適宜設定されるが、低すぎると酸化物ができなくなる。 Next, in the fine particle formation step P6, the nanoparticles (that is, the fine particles 20) made of LSC are formed using the pulse laser deposition method while the stacked body on which the reaction suppressing layer 16 is formed is placed in the chamber. The formation conditions of the nanoparticles are, for example, a substrate temperature of 700 (° C.), a laser fluence of 10 (kJ / m 2 ), a frequency of 10 (Hz), an oxygen partial pressure of 30 (Pa), and a shot count of 50 to 500. The number of shots varies depending on the particle size of the fine particles 20 to be formed. As described above, when forming the fine particles 20 having a particle size of about 50 (nm), the number of shots is about 200. In the chamber, a constituent material of the fine particles 20 to be formed, an LSC target in this embodiment, is arranged. This target is a pellet obtained by press-molding an LSC raw material and firing at about 1200 (° C.). As a result, a large number of fine particles 20 (nanoparticles) having a desired average particle diameter are formed on the reaction suppression layer 16 and firmly adhered to the formation surface. According to such a pulse laser deposition method, nanoparticles having the same size can be formed without composition deviation, and therefore, fine particles 20 having the same composition as the air electrode 18 can be easily obtained. In this fine particle formation, the substrate temperature is appropriately set between 500 and 1000 (° C.). If it is too low, no oxide is produced, and if it is too high, diffusion is too fast and particles are not formed to form a film. The laser fluence is appropriately set between 0.1 and 30 (kJ / m 2 ). If it is too low, the material will not fly onto the substrate, and if it is too high, particles will not be formed. The oxygen partial pressure is appropriately set in the range of 0.01 to 100 (Pa), but if it is too low, oxides cannot be formed.
図4は、上記の微粒子20形成後の反応抑止層16の表面のSEM像であり、図5は、その図4の中央部を拡大したSEM像である。反応抑止層16の表面は、GDCの粒界が現れた凹凸面になっており、SEM像において白っぽく見える無数の点が微粒子20である。図4に示されるように、微粒子20は反応抑止層16表面にこれを十分に露出させた状態で一様に分布し、粒子相互の重なりは僅かであるが、一部においては複数の粒子がくっついて膜状になっている。また、図5に示されるように、微粒子20の各粒子は角張った部分もあるが、概ね球形である。 4 is an SEM image of the surface of the reaction suppression layer 16 after the formation of the fine particles 20 described above, and FIG. 5 is an enlarged SEM image of the central portion of FIG. The surface of the reaction suppression layer 16 is an uneven surface on which a grain boundary of GDC appears, and countless points that appear whitish in the SEM image are the fine particles 20. As shown in FIG. 4, the fine particles 20 are uniformly distributed in a state where the fine particles 20 are sufficiently exposed on the surface of the reaction suppressing layer 16, and there is little overlap between the particles, but some particles have a plurality of particles. It sticks to a film. Further, as shown in FIG. 5, each particle of the fine particles 20 has an angular portion, but is generally spherical.
図3に戻って、カソード印刷層形成工程P7では、例えば、平均粒径が1.0(μm)程度の市販のLSCF粉末80(wt%)に、ターピネオール等のアルコール系の溶剤16(wt%)と、エチルセルロース等の有機結合剤4(wt%)とを添加し、十分に攪拌してペーストを調製する。このペーストを、微粒子20を形成した積層体の反応抑止層16上に、例えばスクリーン印刷法等の適宜の厚膜形成技術によって、例えば20〜50(μm)程度の厚さ寸法で塗布する。そして、焼成工程P8において、この積層体に例えば1100(℃)程度の最高保持温度で焼成処理を施すことにより、印刷膜から空気極18が形成され、前記SOFC10が得られる。微粒子20は、前述したように反応抑止層16の表面を十分に露出させた状態で設けられることから、このようにして形成される空気極18は、概ね反応抑止層16上に直に設けられている状態にある。 Returning to FIG. 3, in the cathode printing layer forming step P7, for example, a commercially available LSCF powder 80 (wt%) having an average particle diameter of about 1.0 (μm) is added to an alcohol solvent 16 (wt%) such as terpineol. Then, an organic binder 4 (wt%) such as ethyl cellulose is added and sufficiently stirred to prepare a paste. This paste is applied on the reaction suppression layer 16 of the laminate in which the fine particles 20 are formed with a thickness of, for example, about 20 to 50 (μm) by an appropriate thick film forming technique such as a screen printing method. In the firing step P8, the laminate is subjected to a firing process at a maximum holding temperature of, for example, about 1100 (° C.), whereby the air electrode 18 is formed from the printed film, and the SOFC 10 is obtained. Since the fine particles 20 are provided in a state where the surface of the reaction suppression layer 16 is sufficiently exposed as described above, the air electrode 18 formed in this way is generally provided directly on the reaction suppression layer 16. Is in a state.
下記の表1は、本実施例のSOFC10において、反応抑止層16の形成方法や微粒子20の粒径を種々変更して評価した結果を微粒子20が設けられていない比較例の評価結果と併せて示したものである。 Table 1 below shows the results of evaluating the SOFC 10 of the present embodiment by variously changing the formation method of the reaction suppression layer 16 and the particle size of the fine particles 20 together with the evaluation results of the comparative example in which the fine particles 20 are not provided. It is shown.
上記の表1において、実施例4は、前述した構成および製造方法によるものである。また、実施例1は、反応抑止層16を印刷形成した他は実施例4と同様に構成したものである。この実施例1では、前記図3に示すアノード・電解質積層工程P3に続いてスクリーン印刷法によって電解質シート上にGDCペーストを例えば1〜6(μm)の厚さ寸法で塗布し、例えば1350(℃)の最高保持温度で焼成処理を施すことにより、燃料極12,電解質14,反応抑止層16を共焼成形成する。上記GDCペーストは、例えば、平均粒径が0.5(μm)程度の市販の10GDC粉末65(wt%)に、ターピネオール等のアルコール系溶剤31(wt%)、エチルセルロース等の有機結合剤4(wt%)を添加し、十分に混練して調製する。 In Table 1 above, Example 4 is based on the configuration and manufacturing method described above. In addition, Example 1 is configured in the same manner as Example 4 except that the reaction inhibition layer 16 is formed by printing. In Example 1, following the anode / electrolyte lamination step P3 shown in FIG. 3, a GDC paste is applied on the electrolyte sheet by a screen printing method to a thickness of 1 to 6 (μm), for example, 1350 (° C. The fuel electrode 12, the electrolyte 14, and the reaction suppression layer 16 are co-fired by performing a baking process at the maximum holding temperature. The GDC paste is, for example, a commercially available 10GDC powder 65 (wt%) having an average particle size of about 0.5 (μm), an alcoholic solvent 31 (wt%) such as terpineol, and an organic binder 4 (wt%) such as ethylcellulose. ) Is added and kneaded thoroughly.
また、実施例2,3,5は、実施例4と同様な工程で製造したものであるが、微粒子形成工程P6におけるショット回数を変更することにより、微粒子20の粒径を5〜100(nm)の範囲で異なるものとしたものである。各実施例のショット回数は、例えば、実施例2では50回、実施例3では100回、実施例5では500回である。 Examples 2, 3 and 5 were manufactured in the same process as in Example 4, but the particle size of the fine particles 20 was changed to 5 to 100 (nm) by changing the number of shots in the fine particle forming step P6. ) Is different within the range. For example, the number of shots in each example is 50 in Example 2, 100 in Example 3, and 500 in Example 5.
また、比較例1は反応抑止層16を前記実施例1と同様にして印刷形成し、微粒子20を設けていない従来構成のものである。また、比較例2は反応抑止層16をパルスレーザ堆積法で形成したが、微粒子20を設けていないものである。また、比較例3は反応抑止層16をパルスレーザ堆積法で形成したが、その上に微粒子20ではなく膜が形成されたものである。この比較例3は、実施例4と同様な工程を経て製造したものであるが、パルスレーザ堆積法で微粒子20を形成する際のショット回数が例えば1000回程度と多いため、粒子相互が結合してLSCの膜が形成されている。 Further, Comparative Example 1 has a conventional configuration in which the reaction suppression layer 16 is printed and formed in the same manner as in Example 1 and the fine particles 20 are not provided. In Comparative Example 2, the reaction suppression layer 16 is formed by the pulse laser deposition method, but the fine particles 20 are not provided. In Comparative Example 3, the reaction suppression layer 16 is formed by a pulse laser deposition method, but a film is formed on the reaction suppression layer 16 instead of the fine particles 20. The comparative example 3 is manufactured through the same process as that of the fourth embodiment. However, since the number of shots when forming the fine particles 20 by the pulse laser deposition method is large, for example, about 1000 times, the particles are bonded to each other. Thus, an LSC film is formed.
また、表1において、「800(℃)出力」、「600(℃)出力」は、何れも市販の燃料電池評価装置(例えば、チノー製燃料電池評価装置)を用いて、セル温度がそれぞれ800(℃)、600(℃)になるように設定して出力を評価したものである。測定に際しては、セル面積をφ20(mm)、カソード面積をφ10(mm)として、H2:50(ml/min)、Air:100(ml/min)をセルに供給して発電させた。また、集電にはPtメッシュを用いた。 Also, in Table 1, “800 (° C.) output” and “600 (° C.) output” both use a commercially available fuel cell evaluation device (for example, a Chino fuel cell evaluation device) and the cell temperature is 800 (° C.) and 600 (° C.) are set to evaluate the output. In the measurement, the cell area was φ20 (mm), the cathode area was φ10 (mm), H 2 : 50 (ml / min), Air: 100 (ml / min) was supplied to the cell to generate electricity. Moreover, Pt mesh was used for current collection.
また、「セルインピーダンス」は、ポテンショスタット、周波数応答アナライザ(東陽テクニカ製)を用いて、1(MHz)〜0.1(Hz)の周波数範囲で、発電セルの600(℃)セル駆動条件にてインピーダンスを連続的に測定した結果から求めたものである。図6は、その測定結果の一例であり、図において、「セルのインピーダンス」と表示しているZ'軸の0からプロットのZ'軸との交点までを、測定対象セルのインピーダンスとした。 In addition, “cell impedance” means impedance using a potentiostat and frequency response analyzer (manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.) in the frequency range of 1 (MHz) to 0.1 (Hz) under the 600 (° C) cell driving conditions of the power generation cell. Is obtained from the result of continuous measurement. FIG. 6 shows an example of the measurement result. In the figure, the impedance from the Z ′ axis labeled “cell impedance” to the intersection with the Z ′ axis of the plot is defined as the impedance of the measurement target cell.
また、「800℃→600℃インピーダンス温度変化率」は、上記のようにして測定されるインピーダンスの600(℃)における値および800(℃)における値から、前記(1)式で求めたものである。一般に、運転温度を低くすると電解質14や反応抑止層16のイオン伝導性が低下すると共に、空気極18における過電圧が増大するため、セルのインピーダンスが増大する。上記インピーダンス温度変化率は、運転温度を600(℃)まで低下させた場合のインピーダンスの増大の程度を確かめたもので、この値が小さいほど、800(℃)運転に対する特性低下の程度、すなわち、出力の温度依存性が抑制されていることになる。なお、600(℃)の低温運転時の出力やセルインピーダンス自体は、表1の2段目、3段目に示した通りである。 “800 ° C. → 600 ° C. impedance temperature change rate” is obtained by the above equation (1) from the impedance value measured at 600 (° C.) and 800 (° C.) as described above. is there. In general, when the operating temperature is lowered, the ionic conductivity of the electrolyte 14 and the reaction suppression layer 16 is lowered, and the overvoltage in the air electrode 18 is increased, so that the impedance of the cell is increased. The rate of change in impedance temperature is a confirmation of the degree of increase in impedance when the operating temperature is lowered to 600 (° C.). The smaller this value, the degree of characteristic deterioration for 800 (° C.) operation, that is, The temperature dependence of the output is suppressed. The output and the cell impedance itself at the time of low temperature operation of 600 (° C.) are as shown in the second and third stages of Table 1.
また、「GDC形成方法」は、反応抑止層16の形成方法を示したものであり、「印刷」はスクリーン印刷法、「PLD」はパルスレーザ堆積法である。「GDC相対密度」は反応抑止層16を構成するGDCの理論密度に対する相対値(%)を示したものである。 “GDC forming method” indicates a method for forming the reaction suppression layer 16, “printing” is a screen printing method, and “PLD” is a pulse laser deposition method. “GDC relative density” indicates a relative value (%) with respect to the theoretical density of GDC constituting the reaction suppression layer 16.
また、「界面ナノ粒子」は、反応抑止層16と空気極18との界面の微粒子20の有無を示したもので、微粒子20を設けたものについては、「ナノ粒子径」欄にその平均粒径を示した。 The “interface nanoparticle” indicates the presence or absence of the fine particles 20 at the interface between the reaction suppression layer 16 and the air electrode 18, and the average particle size in the “nanoparticle diameter” column for the particles provided with the fine particles 20. The diameter is shown.
また、「ヒートサイクル剥離」は、600(℃)の運転状態と200(℃)の停止状態との間を400(℃/h)で昇降温させる条件で運転・停止を繰り返し、反応抑止層16と空気極18との剥離が生ずるか否かを確かめたもので、50回のヒートサイクルまでに剥離が生じたものを「有」、剥離が生じなかったものを「無」とした。 In addition, “heat cycle peeling” repeats operation / stop under the condition that the temperature is raised / lowered at 400 (° C./h) between an operation state of 600 (° C.) and a stop state of 200 (° C.). It was confirmed whether or not peeling occurred between the air electrode 18 and the air electrode 18, and “existing” indicates that peeling occurred until 50 heat cycles, and “no” indicates that peeling did not occur.
上記の評価結果によれば、従来構造の比較例1では、800(℃)出力が0.83(W/cm2)と低く、600(℃)出力はその23(%)に過ぎない0.19(W/cm2)に留まったのに対し、実施例1〜5では、800(℃)出力が0.98〜1.20(W/cm2)と高くなっただけでなく、600(℃)出力も0.35〜0.57(W/cm2)と改善し、800(℃)出力の36〜48(%)程度が得られた。実施例1と比較例1との相違は、微粒子20の有無のみであり、これが酸素還元活性の向上、低温運転における空気極過電圧の低下、イオン伝導性の向上等に寄与し、SOFC10の出力が向上すると共に、低温運転の際の出力低下が抑制されたものと考えられる。 According to the above evaluation results, in Comparative Example 1 of the conventional structure, the output of 800 (° C.) is as low as 0.83 (W / cm 2 ), and the output of 600 (° C.) is only 23 (%) of 0.19 (W / cm 2 ). whereas remained cm 2), in examples 1 to 5, 800 (° C.) output not only as high as 0.98~1.20 (W / cm 2), 600 (℃) output is also from 0.35 to 0.57 ( W / cm 2 ), and an output of 800 (° C.) of about 36 to 48 (%) was obtained. The difference between Example 1 and Comparative Example 1 is only the presence or absence of fine particles 20, which contributes to the improvement of oxygen reduction activity, the reduction of the air electrode overvoltage in low temperature operation, the improvement of ionic conductivity, and the output of SOFC10. It is thought that while improving, the output fall at the time of low-temperature driving | operation was suppressed.
特に、反応抑止層16をパルスレーザ堆積法で形成した実施例2〜5では、800(℃)出力が1.02〜1.20(W/cm2)と更に向上すると共に、600(℃)出力が0.47〜0.57(W/cm2)、800(℃)出力に対して46〜48(%)と著しい改善が認められた。これは、パルスレーザ堆積法で形成された反応抑止層16が98(%)もの高い相対密度を有し、イオン伝導性が高められているためと考えられる。 In particular, in Examples 2 to 5 in which the reaction suppression layer 16 was formed by the pulse laser deposition method, the 800 (° C.) output was further improved to 1.02 to 1.20 (W / cm 2 ), and the 600 (° C.) output was 0.47 to A remarkable improvement of 46-48 (%) was observed for 0.57 (W / cm 2 ) and 800 (° C) output. This is presumably because the reaction suppression layer 16 formed by the pulse laser deposition method has a relative density as high as 98 (%), and the ion conductivity is enhanced.
これら微粒子20および高密度の反応抑止層16の効果は、上記の表1の「セルインピーダンス600℃」に顕著に現れている。セルインピーダンスは、比較例1が2.32(Ω・cm2)であるのに対し、微粒子20を設けた実施例1では1.40(Ω・cm2)、更にパルスレーザ堆積法で高密度の反応抑止層16を形成した実施例2〜5では1.03〜1.34(Ω・cm2)と著しく小さい。このようにセルインピーダンスが小さくなったのは、微粒子20の存在と反応抑止層16の高密度化によるものと考えられ、セルインピーダンスが小さくなった結果として、出力が向上しているのである。また、運転温度を低温化した場合の特性改善の程度は「インピーダンス温度変化率」からも明らかである。インピーダンス温度変化率は、比較例1では244(%)と極めて大きいのに対し、実施例1〜5では132〜198(%)に留まる。特に、パルスレーザ堆積法を用いた実施例2〜5では、インピーダンス温度変化率が160(%)以下に留まっている。このように、本実施例によれば、従来から行われてきた800(℃)以上の高温運転に対して、運転温度を600(℃)に低温化しても、発電性能の低下が抑制されている。 The effects of the fine particles 20 and the high-density reaction-suppressing layer 16 remarkably appear in “cell impedance 600 ° C.” in Table 1 above. The cell impedance is 2.32 (Ω · cm 2 ) in Comparative Example 1, whereas 1.40 (Ω · cm 2 ) in Example 1 in which the fine particles 20 are provided, and a high-density reaction suppression layer by pulse laser deposition. In Examples 2 to 5 in which 16 is formed, it is remarkably small as 1.03 to 1.34 (Ω · cm 2 ). The reason why the cell impedance is reduced in this way is considered to be due to the presence of the fine particles 20 and the increase in the density of the reaction suppression layer 16, and as a result, the output is improved. The degree of improvement in characteristics when the operating temperature is lowered is also apparent from the “impedance temperature change rate”. The impedance temperature change rate is extremely high at 244 (%) in Comparative Example 1, whereas it remains at 132 to 198 (%) in Examples 1 to 5. In particular, in Examples 2 to 5 using the pulse laser deposition method, the impedance temperature change rate remains at 160 (%) or less. As described above, according to the present embodiment, a decrease in power generation performance is suppressed even when the operation temperature is lowered to 600 (° C.) with respect to the high temperature operation of 800 (° C.) or higher that has been conventionally performed. Yes.
また、比較例2、3は、反応抑止層16をパルスレーザ堆積法で形成したものであるが、比較例2では微粒子20が形成されず、比較例3では微粒子20ではなくLSCの膜が形成されていることから、何れも比較例1よりはセルインピーダンスが低下し、600(℃)出力も0.30(W/cm2)程度に向上しているものの、実施例1〜5よりは劣る結果である。 In Comparative Examples 2 and 3, the reaction suppression layer 16 is formed by a pulse laser deposition method. In Comparative Example 2, the fine particles 20 are not formed, and in Comparative Example 3, an LSC film is formed instead of the fine particles 20. As a result, the cell impedance is lower than that of Comparative Example 1 and the output of 600 (° C.) is improved to about 0.30 (W / cm 2 ), but the results are inferior to those of Examples 1 to 5. is there.
しかも、微粒子20を設けた実施例1〜5では、何れもヒートサイクル剥離が生じず、実用的な寿命を有する。これに対して、微粒子20を設けていない比較例1〜3では、何れも10回までの間に剥離が生じ、実用性を有しない。特に、反応抑止層16をパルスレーザ堆積法で設けた比較例2,3では、従来構造の比較例1に比較しても短いヒートサイクルで剥離が生じた。反応抑止層16の相対密度が98(%)と高いことから、表面の平滑性が向上して空気極18との結合力が一層低下したものと考えられる。 Moreover, in Examples 1 to 5 in which the fine particles 20 are provided, any heat cycle peeling does not occur and a practical life is achieved. On the other hand, in Comparative Examples 1 to 3 in which the fine particles 20 are not provided, any peeling occurs up to 10 times, which is not practical. In particular, in Comparative Examples 2 and 3 in which the reaction suppression layer 16 was provided by the pulse laser deposition method, even when compared with Comparative Example 1 having a conventional structure, peeling occurred in a short heat cycle. Since the relative density of the reaction suppression layer 16 is as high as 98 (%), it is considered that the surface smoothness is improved and the bonding force with the air electrode 18 is further reduced.
また、実施例2〜5の中でも、微粒子20の粒径が10〜50(nm)の実施例3,4では、800(℃)出力に対する600(℃)出力の割合が48(%)と最も高い結果が得られた。特に、微粒子20の粒径が10(nm)の実施例3では、600(℃)のセルインピーダンスが1.03(Ω・cm2)と極めて小さく、600(℃)出力は0.57(W/cm2)と最も高い結果が得られた。また、微粒子20の粒径が5(nm)の実施例2では、600(℃)のセルインピーダンスが1.12(Ω・cm2)、600(℃)出力は0.55(W/cm2)と実施例3に次ぐ結果である。微粒子20の平均粒径は、評価した5〜100(nm)の何れであっても十分な効果が得られるが、5〜50(nm)の範囲が特に好ましく、10(nm)程度が最も好ましいものと考えられる。 Further, among Examples 2 to 5, in Examples 3 and 4 in which the particle diameter of the fine particles 20 is 10 to 50 (nm), the ratio of 600 (° C.) output to 800 (° C.) output is the most 48 (%). High results were obtained. Particularly, in Example 3 in which the particle size of the fine particles 20 is 10 (nm), the cell impedance at 600 (° C.) is extremely small as 1.03 (Ω · cm 2 ), and the output at 600 (° C.) is 0.57 (W / cm 2 ). The highest result was obtained. In Example 2 in which the particle size of the fine particles 20 is 5 (nm), the cell impedance at 600 (° C.) is 1.12 (Ω · cm 2 ), and the output at 600 (° C.) is 0.55 (W / cm 2 ). This is the second result. A sufficient effect can be obtained even if the average particle size of the fine particles 20 is any of 5 to 100 (nm) evaluated, but a range of 5 to 50 (nm) is particularly preferable, and about 10 (nm) is most preferable. It is considered a thing.
上述したように、本実施例によれば、反応抑止層16と空気極18との界面に空気極18と同材料で構成された微粒子20が存在することから、出力が向上するだけでなく、ヒートサイクルに起因する剥離が抑制されるので、600(℃)程度の低温運転に適したSOFC10が得られる。 As described above, according to the present embodiment, since the fine particles 20 made of the same material as the air electrode 18 exist at the interface between the reaction suppression layer 16 and the air electrode 18, not only the output is improved, Since peeling due to heat cycle is suppressed, SOFC 10 suitable for low temperature operation of about 600 (° C.) can be obtained.
また、実施例2〜5のように、反応抑止層16がパルスレーザ堆積法で形成される場合には、その相対密度も高められることから、セルインピーダンスが一層低下し、延いては出力が800(℃)、600(℃)共に向上する利点がある。 Further, when the reaction suppression layer 16 is formed by the pulse laser deposition method as in Examples 2 to 5, since the relative density is also increased, the cell impedance is further reduced, and the output is 800 (C) and 600 (C) both have the advantage of being improved.
また、本実施例においては、SOFC10は、前記微粒子形成工程P6において、反応抑止層16の上に微粒子20がパルスレーザ堆積法によって設けられる。パルスレーザ堆積法によれば、前述したようにショット回数を変更することで粒子径を容易に制御でき、しかも組成ズレ無く粒子を形成できる。そのため、例えば5〜100(nm)の範囲で、所望の粒径を備えた空気極18と同一組成の微粒子20を容易に形成できる利点がある。 In the present embodiment, in the SOFC 10, the fine particles 20 are provided on the reaction suppression layer 16 by the pulse laser deposition method in the fine particle formation step P6. According to the pulse laser deposition method, the particle diameter can be easily controlled by changing the number of shots as described above, and the particles can be formed without compositional deviation. Therefore, for example, in the range of 5 to 100 (nm), there is an advantage that the fine particles 20 having the same composition as the air electrode 18 having a desired particle diameter can be easily formed.
また、本実施例によれば、反応抑止層形成工程P5において、パルスレーザ堆積法によって反応抑止層16が形成されることから、印刷法では得ることのできない98(%)もの高い相対密度の緻密質の膜を容易に得ることができる。そのため、前述したように反応抑止層16のイオン伝導性が高められ、発電性能が高められる。 In addition, according to the present example, since the reaction suppression layer 16 is formed by the pulse laser deposition method in the reaction suppression layer forming step P5, the high density of the relative density as high as 98 (%) that cannot be obtained by the printing method. A quality film can be easily obtained. Therefore, as described above, the ion conductivity of the reaction suppression layer 16 is increased, and the power generation performance is improved.
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 SOFC
12 燃料極
14 電解質
16 反応抑止層
18 空気極
20 微粒子
10 SOFC
12 Fuel electrode 14 Electrolyte 16 Reaction inhibition layer 18 Air electrode 20 Fine particles
Claims (7)
前記反応抑止層と前記空気極との界面全体に分布する平均粒径が5〜100(nm)の多数の微粒子を含むことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 A solid oxide fuel cell in which an electrolyte, a reaction suppression layer, and an air electrode are sequentially laminated on one surface of a fuel electrode,
A solid oxide fuel cell comprising a large number of fine particles having an average particle diameter of 5 to 100 (nm) distributed over the entire interface between the reaction suppression layer and the air electrode.
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