JP2015099744A - Material for fuel batteries and utilization thereof - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a material for fuel batteries capable of suppressing the problem of migration over a long period of time even when used in an electric field at a high temperature (e.g., about 600-800°C) while including Ag.SOLUTION: A material for fuel batteries comprises a perovskite-type crystal structure and is composed of an oxide in which Ag is solid-solved in the crystal structure. The oxide is preferably represented by the following general formula: (Ln,Ae)(MAg)O(where Ln represents one or two or more kinds of elements selected from lanthanoid series; Ae represents at least one element selected from a group consisting of Ca, Sr and Ba; M represents one or two or more kinds of elements selected from a group consisting of Co, Mn, Cr, Cu, Fe, Ni and Ti; x and y satisfy 0≤x<1 and 0<y<0.15 respectively; and δ is a value determined so as to meet a requirement for charge neutralization).

Description

本発明は、燃料電池用材料とその利用に関する。詳しくは、固体酸化物形燃料電池の空気極の構築に好適に用いることができる燃料電池用材料に関する。   The present invention relates to a fuel cell material and use thereof. Specifically, the present invention relates to a fuel cell material that can be suitably used for the construction of an air electrode of a solid oxide fuel cell.

固体電解質燃料電池とも呼ばれる固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell,以下、単に「SOFC」という場合がある。)は、種々のタイプの燃料電池の中でも、発電効率が高い、環境への負荷が低い、そして、多様な燃料の使用が可能であるなどの利点を有している。SOFCの単セルは、本質的な構成として、酸素イオン伝導体からなる緻密な層状の固体電解質を基本とし、この固体電解質の一方の面に多孔質構造の空気極(カソード)が形成され、他方の面に多孔質構造の燃料極(アノード)が形成されている。ここで、空気極が形成された側の固体電解質の表面には、空気等に代表されるO(酸素)含有ガスが供給され、燃料極が形成された側の固体電解質の表面には、H(水素)に代表される可燃性燃料ガスが供給される。そして一般的な動作においては、空気中のOガスがカソードで還元されてO2−アニオンとなり、固体電解質を通過して、アノードにおいてHガス燃料を酸化するのに伴い、電気エネルギーを発生させている。 Solid oxide fuel cells (SOFC), also called solid electrolyte fuel cells (hereinafter sometimes referred to simply as “SOFC”), have high power generation efficiency among various types of fuel cells. The load of the fuel is low, and various fuels can be used. An SOFC single cell is essentially composed of a dense layered solid electrolyte made of oxygen ion conductor, and a porous structure air electrode (cathode) is formed on one side of the solid electrolyte, A fuel electrode (anode) having a porous structure is formed on the surface. Here, an O 2 (oxygen) -containing gas typified by air or the like is supplied to the surface of the solid electrolyte on the side where the air electrode is formed, and the surface of the solid electrolyte on the side where the fuel electrode is formed, A combustible fuel gas represented by H 2 (hydrogen) is supplied. In general operation, O 2 gas in the air is reduced at the cathode to become O 2− anion, passes through the solid electrolyte, and generates electrical energy as the H 2 gas fuel is oxidized at the anode. I am letting.

このようなSOFCについては、従来より650℃以上(典型的には、700℃〜900℃程度)の高温で作動されていたが、耐久性の向上、低コスト化の観点から、近年ではかかる作動温度をより低温化することが望まれている。例えば、SOFCの作動温度を600℃程度にまで低減することが検討されている。しかしながら、SOFCを低温で作動させると、空気極における過電圧が増大されて、セル性能(例えば、出力密度)が低下するという問題があった。そのため、かかる過電圧を低減するために、空気極に触媒としての銀(Ag)を添加することが試みられてもいる。Agを含むSOFCの空気極形成用材料に関する従来技術として、例えば、特許文献1および2が挙げられる。   Such SOFC has been conventionally operated at a high temperature of 650 ° C. or higher (typically about 700 ° C. to 900 ° C.). However, in recent years, such an operation has been performed from the viewpoint of improving durability and reducing costs. It is desired to lower the temperature. For example, it has been studied to reduce the operating temperature of SOFC to about 600 ° C. However, when the SOFC is operated at a low temperature, there is a problem that the overvoltage at the air electrode is increased and the cell performance (for example, power density) is lowered. Therefore, in order to reduce such overvoltage, attempts have been made to add silver (Ag) as a catalyst to the air electrode. For example, Patent Documents 1 and 2 are known as conventional techniques related to an SOFC air electrode forming material containing Ag.

特開2012−230794号公報JP 2012-230794 A 特許第5182850号Japanese Patent No. 5182850

しかしながら、SOFCの作動温度が600℃程度に低減された場合であっても、SOFCの作動によりセル周縁に電界が発生すると、空気極に含まれるAgはその電位勾配によりマイグレーションを生じ、SOFCの性能を損ねるという問題があった。例えば、空気極に含まれるAgが固体電解質やその他のSOFCの絶縁部材等に拡散することで、かかる部位の絶縁性を喪失させるおそれがあった。また、SOFCの運転においてAg成分が固体電解質/電極の界面近傍にまで拡散すると、固体電解質と空気極との間に電流リーク層を形成してセル性能を低下させるおそれもあった。   However, even when the operating temperature of the SOFC is reduced to about 600 ° C., if an electric field is generated around the cell due to the operation of the SOFC, Ag contained in the air electrode undergoes migration due to the potential gradient, and the performance of the SOFC There was a problem of damage. For example, Ag contained in the air electrode may diffuse into a solid electrolyte, other SOFC insulating members, or the like, thereby losing the insulating properties of such parts. In addition, when the Ag component diffuses to the vicinity of the solid electrolyte / electrode interface in the operation of the SOFC, a current leak layer may be formed between the solid electrolyte and the air electrode, thereby reducing the cell performance.

本発明は上記の従来の問題を解決すべく創出されたものであり、その目的は、Agを含みながらも、低〜高温(例えば600℃〜800℃程度)の電界中での使用に際し、Agのマイグレーションによる問題を長期に亘って抑制し得る燃料電池用材料を提供することである。また、本発明の他の目的は、かかる燃料電池用材料を用いてなる空気極と、さらにはかかる空気極を備えたSOFCとを提供することである。   The present invention has been created to solve the above-mentioned conventional problems. The object of the present invention is to use Ag in a low to high temperature (for example, about 600 ° C. to 800 ° C.) electric field while containing Ag. It is an object of the present invention to provide a fuel cell material capable of suppressing the problem caused by the migration over a long period of time. Another object of the present invention is to provide an air electrode using such a fuel cell material, and an SOFC provided with such an air electrode.

上記の課題を解決するものとして、ここに開示される発明は、燃料電池用材料を提供する。かかる燃料電池用材料は、ペロブスカイト型の結晶構造を有し、上記結晶構造内にAgが固溶されている酸化物からなることを特徴としている。
Agは、優れた電気伝導性を示すとともに、触媒作用を有する成分であって、例えば、ペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物材料中に含まれることで、当該酸化物の電気的特性を改善し、触媒作用をもたらし得る。すなわち、Agが含まれる酸化物材料で燃料電池の電極や集電体等を構成することで、その燃料電池のセル特性を向上させることができる。また、Agは、酸化物の結晶構造内に取り込まれていることから、例えば、電界中におかれた場合であってもAgが電位勾配に従って移動および拡散するのが抑制されている。したがって、かかる構成によると、Ag成分が本来有する電気的特性や触媒活性等が付与されていることに加えて、Agの耐マイグレーション性もが備えられた燃料電池用材料が提供される。
In order to solve the above problems, the invention disclosed herein provides a fuel cell material. Such a fuel cell material has a perovskite type crystal structure, and is characterized by comprising an oxide in which Ag is dissolved in the crystal structure.
Ag is a component that exhibits excellent electrical conductivity and has a catalytic action. For example, Ag is contained in an oxide material having a perovskite crystal structure, thereby improving the electrical characteristics of the oxide. , Can provide catalytic action. That is, the cell characteristics of the fuel cell can be improved by forming the electrode, current collector, and the like of the fuel cell with the oxide material containing Ag. Further, since Ag is taken into the crystal structure of the oxide, for example, even when it is placed in an electric field, Ag is prevented from moving and diffusing according to the potential gradient. Therefore, according to such a configuration, a fuel cell material provided with Ag migration resistance in addition to the electrical characteristics and catalytic activity inherent in the Ag component are provided.

ここに開示される燃料電池用材料の好ましい一態様において、上記酸化物は、下記の一般式:
(Ln1−xAe)(M1−yAg)O3−δ
で示されることを特徴としている。ここで、式中、Lnは、ランタノイドから選択される1種または2種以上の元素である。また、Aeは、Ca,SrおよびBaからなる群から選択される1種または2種以上の元素である。そして、Mは、Co,Mn,Cr,Cu,Fe,NiおよびTiからなる群から選択される1種または2種以上の元素である。また、xおよびyはそれぞれ、0≦x<1、0<y<0.15を満たす。そして、δは、電荷中性条件を満たすように定まる値である。
上記の一般式で示されるペロブスカイト型の酸化物は、良好なイオン導電性と電子伝導性とを併せ持つイオン電子混合伝導材料であり得る。かかる構成によると、このようなイオン電子混合伝導材料に対して、Agによる作用が付与されるとともに、そのマイグレーションを抑制することができる。
In a preferred embodiment of the fuel cell material disclosed herein, the oxide has the following general formula:
(Ln 1-x Ae x) (M 1-y Ag y) O 3-δ
It is characterized by being indicated by. Here, in the formula, Ln is one or more elements selected from lanthanoids. Ae is one or more elements selected from the group consisting of Ca, Sr and Ba. M is one or more elements selected from the group consisting of Co, Mn, Cr, Cu, Fe, Ni, and Ti. X and y satisfy 0 ≦ x <1 and 0 <y <0.15, respectively. Δ is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition.
The perovskite oxide represented by the above general formula can be an ion-electron mixed conduction material having both good ionic conductivity and electron conductivity. According to such a configuration, the action of Ag is imparted to such an ion-electron mixed conductive material, and migration thereof can be suppressed.

ここに開示される燃料電池用材料の好ましい一態様において、上記Mは、CoまたはFeあるいはその両方であることを特徴としている。
かかる構成によると、例えば、上記一般式で示されるペロブスカイト型の酸化物は、特にSOFCの空気極材料として好ましい特性を備えたものとなり得る。したがって、例えば、セル性能(例えば、出力密度)等に優れたSOFCの作製を可能とする燃料電池用材料が提供される。
In a preferred aspect of the fuel cell material disclosed herein, the M is characterized by being Co or Fe or both.
According to such a configuration, for example, the perovskite oxide represented by the above general formula can be provided with characteristics that are particularly favorable as an SOFC air electrode material. Therefore, for example, a fuel cell material capable of producing an SOFC excellent in cell performance (for example, power density) is provided.

ここに開示される燃料電池用材料の好ましい一態様において、上記yは、0.0001≦y≦0.1を満たすことを特徴としている。
かかる構成とすることで、ペロブスカイト型の結晶構造にAgをより安定して固溶させることができる。例えば、かかる燃料電池用材料で構成した部材を600℃以上の温度領域や、電界中においても、Agの移動や拡散を好適に抑制することができるために好ましい。
In a preferred embodiment of the fuel cell material disclosed herein, the above y is characterized by satisfying 0.0001 ≦ y ≦ 0.1.
With such a configuration, Ag can be more stably dissolved in the perovskite crystal structure. For example, a member made of such a material for a fuel cell is preferable because the movement and diffusion of Ag can be suitably suppressed even in a temperature region of 600 ° C. or higher or in an electric field.

他の側面において、ここに開示される発明は、燃料電池構成部材を提供する。かかる燃料電池構成部材は、上記のいずれかに記載の燃料電池用材料から構成されていることを特徴としている。
かかる構成によると、例えば、電界中で使用されてもAgのマイグレーションの発生が抑制された、耐マイグレーション性を備える燃料電池構成部材が提供される。
例えば、かかる燃料電構成部材は、SOFCの空気極や集電体であることが好ましい。特に、かかる燃料電池構成部材によってSOFCの空気極を構成することで、600℃程度の温度で作動させた場合においても、当該空気極の過電圧を抑制することができ、セル性能(例えば、出力密度)を向上させることができる。また、Agのマイグレーションが抑制されているため、かかる高いセル性能を長期に亘って実現することが可能とされる。すなわち、ここに開示される発明は、優れたセル性能を長期に亘って維持することのできるSOFCを提供するものであり得る。
In another aspect, the invention disclosed herein provides a fuel cell component. Such a fuel cell component is composed of any one of the fuel cell materials described above.
According to such a configuration, for example, a fuel cell constituent member having migration resistance in which occurrence of Ag migration is suppressed even when used in an electric field is provided.
For example, the fuel electric component is preferably a SOFC air electrode or a current collector. In particular, by configuring the SOFC air electrode with such fuel cell components, overvoltage of the air electrode can be suppressed even when operated at a temperature of about 600 ° C., and cell performance (for example, output density) ) Can be improved. Further, since migration of Ag is suppressed, such high cell performance can be realized over a long period of time. That is, the invention disclosed herein can provide an SOFC capable of maintaining excellent cell performance over a long period of time.

円筒形のアノード支持型SOFC(単セル)を備えたSOFCシステムの一形態を説明する断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram explaining one form of the SOFC system provided with the cylindrical anode support type SOFC (single cell). スタック状のSOFC(単セル)を備えたSOFCシステムの一形態を模式的に示す分解斜視図である。It is an exploded perspective view showing typically one form of SOFC system provided with stack-like SOFC (single cell). ここに開示される燃料電池用材料のX線回折パターンを例示した図である。It is the figure which illustrated the X-ray-diffraction pattern of the material for fuel cells disclosed here.

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、本発明を特徴付けないSOFCの一般的な構成や、製造プロセス、作動方法等)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. Note that matters other than the matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention (for example, a general configuration of SOFC that does not characterize the present invention, a manufacturing process, an operating method, etc.) Can be understood as a design matter of those skilled in the art based on the prior art in the field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.

ここに開示される燃料電池用材料は、本質的には、ペロブスカイト型の結晶構造を有し、その結晶構造内にAgが固溶されている酸化物からなるものとして特徴づけられる。すなわち、このペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物(以下、ペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物を、単に、「ペロブスカイト型酸化物」ともいう。)に、Agが固溶されていることで、この燃料電池用材料に対してAgに由来する特性が好適に付与され得る。以下、かかる構成の燃料電池用材料について詳細に説明する。   The fuel cell material disclosed herein is characterized by being essentially composed of an oxide having a perovskite-type crystal structure in which Ag is dissolved in the crystal structure. That is, Ag is solid-dissolved in the oxide having the perovskite crystal structure (hereinafter, the oxide having the perovskite crystal structure is also simply referred to as “perovskite oxide”). The characteristics derived from Ag can be suitably imparted to the fuel cell material. Hereinafter, the fuel cell material having such a configuration will be described in detail.

[ペロブスカイト型酸化物]
ここに開示される燃料電池用材料は、代表的にはABOで示されるペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物を含んでいる。ここで、AおよびBは金属元素であり、典型的には、Aは1価のアルカリ金属、2価のアルカリ土類金属、3価の軽希土類元素等であり得る。また、Bは3価以上のイオンになり得る遷移金属、典型金属および希土類元素等であり得る。そして、燃料電池用材料としてのより好ましい一形態では、かかるペロブスカイト型酸化物は、下記の一般式で示される組成を有するものであり得る。すなわち、かかるペロブスカイト型酸化物は、より限定的には、下記の一般式で示されるペロブスカイト型複合酸化物であるのが好ましい。
(Ln1−xAe)(M1−yAg)O3−δ
[Perovskite oxide]
The fuel cell material disclosed herein typically includes an oxide having a perovskite crystal structure represented by ABO 3 . Here, A and B are metal elements, and typically, A can be a monovalent alkali metal, a divalent alkaline earth metal, a trivalent light rare earth element, or the like. B may be a transition metal, a typical metal, a rare earth element, or the like that can be a trivalent or higher ion. And in one more preferable form as a fuel cell material, such a perovskite type oxide may have a composition represented by the following general formula. That is, the perovskite oxide is more preferably a perovskite complex oxide represented by the following general formula.
(Ln 1-x Ae x) (M 1-y Ag y) O 3-δ

かかるペロブスカイト型酸化物は、AサイトのLn(ランタノイド)元素の一部がAeで、BサイトのM元素の一部がAgで置換された構成と理解することができる。
ここで、式中、Lnは原子番号57〜71のランタノイド元素である。かかるLnとしては、ランタン(Ln)からルテチウム(Lu)までの15種の元素を考慮することができる。Lnは、これら15種類のランタノイド元素からいずれか1種が単独で含まれていても良いし、2種以上が組み合わされて含まれていても良い。かかるランタノイドとしては、例えば、具体的には、ランタン(La),セリウム(Ce),プラセオジム(Pr),ネオジム(Nd),サマリウム(Sm)等の比較的イオン半径の大きな元素であることが好ましい。中でも、かかるランタノイドがLaであると、より安定した結晶構造を構成し得るために好ましい。ランタノイドとしてLaと共にLa以外の元素を含む場合には、かかるLaの割合が高いことが好ましい。
Such a perovskite oxide can be understood as a structure in which a part of the Ln (lanthanoid) element at the A site is replaced with Ae and a part of the M element at the B site is replaced with Ag.
Here, in the formula, Ln is a lanthanoid element having an atomic number of 57 to 71. As such Ln, 15 elements from lanthanum (Ln) to lutetium (Lu) can be considered. Ln may be contained alone from any one of these 15 types of lanthanoid elements, or may be contained in combination of two or more. As such a lanthanoid, specifically, an element having a relatively large ionic radius such as lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm) is preferable. . Among these, it is preferable that the lanthanoid is La because a more stable crystal structure can be formed. When the lanthanoid contains elements other than La together with La, the ratio of La is preferably high.

Aeは、上記の通りランタノイド(Ln)と置換され得る元素であって、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)であり得る。これらの元素はいずれか1種が単独で含まれていても良いし、2種以上が組み合わされて含まれていても良い。なかでも、Srが含まれている形態が好ましい。Aeとして2種以上の元素が含まれる場合には、さらに、Srがより高い含有率で含まれているのが好適である。   Ae is an element that can be substituted for the lanthanoid (Ln) as described above, and can be calcium (Ca), strontium (Sr), or barium (Ba). Any one of these elements may be contained alone, or two or more of these elements may be contained in combination. Especially, the form containing Sr is preferable. When two or more elements are included as Ae, it is further preferable that Sr is included at a higher content.

Mは、上記の通りペロブスカイト型酸化物のBサイトを構成し得る元素であり、好適には遷移金属元素であり得る。具体的には、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)およびチタン(Ti)であり得る。これらの元素はいずれか1種が単独で含まれていても良いし、2種以上が組み合わされて含まれていても良い。このペロブスカイト型酸化物は、Bサイトにこれらの元素(いわゆる遷移金属元素)を含むことから、かかる遷移金属イオンのd電子が被局在化しているために高い電気伝導性を示し得る。また、Bサイトを遷移金属が占める場合には、周辺環境により遷移金属のイオンの価数が変化し得るため、例えば、高温の還元雰囲気下では酸素の量が3より減って空孔(酸素欠陥)が形成され得る。また、AサイトおよびBサイトの金属のイオンの価数の和を意図的に+6から少し減らすことによっても酸素欠陥を導入することができる。このように酸素欠陥が導入されたペロブスカイト型酸化物は、酸素欠陥を介して酸素イオンが速やかに動く酸素イオン導電体ともなり得る。すなわち、ここに開示される燃料電池用材料は、例えば、SOFCの電極材料として有用なペロブスカイト型酸化物イオン電子混合伝導材料であり得る。   M is an element that can constitute the B site of the perovskite oxide as described above, and can preferably be a transition metal element. Specifically, it can be cobalt (Co), manganese (Mn), chromium (Cr), copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe) and titanium (Ti). Any one of these elements may be contained alone, or two or more of these elements may be contained in combination. Since the perovskite oxide contains these elements (so-called transition metal elements) at the B site, the d electrons of the transition metal ions are localized, and can exhibit high electrical conductivity. Further, when the transition metal occupies the B site, the valence of the transition metal ions may change depending on the surrounding environment. For example, in a high-temperature reducing atmosphere, the amount of oxygen is reduced from 3 and vacancies (oxygen defects). ) May be formed. Also, oxygen defects can be introduced by intentionally reducing the sum of the valences of metal ions at the A site and B site from +6. The perovskite oxide in which oxygen defects are introduced in this way can also be an oxygen ion conductor in which oxygen ions move quickly through oxygen defects. That is, the fuel cell material disclosed herein can be, for example, a perovskite-type oxide ion electron mixed conductive material useful as an SOFC electrode material.

Agは銀(Ag)であって、ここに開示される燃料電池用材料を構成するペロブスカイト型酸化物に含まれる特徴的な成分であり得る。Agは、本質的に優れた電気伝導性を有することに加え、触媒活性をも示し得る。したがって、かかるAg成分が含まれることで、ペロブスカイト型酸化物についても電気伝導性および触媒活性等の特性が付与され得る。また、このAgがペロブスカイト型酸化物の結晶構造内に安定して取り込まれ、例えば、固定されることで、この燃料電池用材料が電界下に置かれても、Agの拡散(マイグレーション)が抑制され、Agのマイグレーションによる好ましくない影響を低減することができる。   Ag is silver (Ag), and may be a characteristic component contained in the perovskite oxide that constitutes the fuel cell material disclosed herein. In addition to having essentially excellent electrical conductivity, Ag can also exhibit catalytic activity. Therefore, by including such an Ag component, characteristics such as electrical conductivity and catalytic activity can be imparted to the perovskite oxide. In addition, this Ag is stably taken into the crystal structure of the perovskite oxide and fixed, for example, so that even if this fuel cell material is placed in an electric field, Ag diffusion is suppressed. In addition, the undesirable effect of Ag migration can be reduced.

なお、一般式中のx,yは、それぞれLnおよびM元素に置換可能なAeおよびAgの割合を示しており、0≦x<1、0<y<0.15を満たす実数であり得る。x,yがこの範囲にある場合において、例えば600℃程度の高温領域においてもペロブスカイト型の結晶構造を安定に保つことができ、Agのマイグレーションを抑制することができる。また、Agの本来有する電気伝導性や触媒活性等が備えられた燃料電池用材料を形成することができる。   Note that x and y in the general formula indicate the ratios of Ae and Ag that can be substituted with the Ln and M elements, respectively, and can be real numbers that satisfy 0 ≦ x <1 and 0 <y <0.15. When x and y are in this range, the perovskite crystal structure can be kept stable even in a high temperature region of, for example, about 600 ° C., and Ag migration can be suppressed. Further, it is possible to form a fuel cell material provided with electrical conductivity, catalytic activity, and the like inherent in Ag.

Aeの置換可能な割合を示すxは、0であっても良い。すなわち、Aサイトはランタノイド元素のみにより占有されていても良い。しかしながら、例えば、Bサイトの元素との兼ね合いで、Aeを含むようにするのも好ましい。この場合、xは、0以上0.6以下程度の範囲とするのが適当であり、好ましくは0.1以上0.5以下とすることができる。AサイトとBサイトの元素の組み合わせ等にもよるために一概には言えないが、xの値が0.1以上0.3以下、例えば0.25近傍(例えば、0.25±0.02)である場合に、Aサイトがおよそ3:1〜4:1の割合で2種以上のイオン(LnとAe)により秩序化して占有されたAサイト秩序型ペロブスカイト構造となり得るためにより好ましい。かかるAeがSrである場合においては、例えば、xが0.3以上0.5以下程度の範囲のものが好ましい形態であり得る。   X indicating the replaceable ratio of Ae may be 0. That is, the A site may be occupied only by the lanthanoid element. However, for example, it is preferable to include Ae in consideration of the elements of the B site. In this case, x is suitably in the range of about 0 or more and 0.6 or less, preferably 0.1 or more and 0.5 or less. The value of x is not less than 0.1 and not more than 0.3, for example, in the vicinity of 0.25 (for example, 0.25 ± 0.02) although it cannot be generally stated because it depends on the combination of elements at the A site and the B site. ), It is more preferable because the A site can be an A site ordered perovskite structure that is ordered and occupied by two or more ions (Ln and Ae) in a ratio of about 3: 1 to 4: 1. In the case where such Ae is Sr, for example, those in which x is in the range of about 0.3 to 0.5 can be a preferred form.

Agの置換可能な割合を示すyは、好ましくは、0を超えて0.15未満の範囲とすることができる。すなわち、Agは必須の元素としてBサイトの一部を占有する。かかるyは、0を超えればごく僅かでもAgの電気伝導性および触媒活性等の作用を燃料電池用材料に与え得るために好ましい。かかる作用をより明瞭なものとするために、yは0.0001以上であるのが好ましく、0.001以上であるのがより好ましい。しかしながら、Agの割合が増えすぎると、Agを高温の電界下で結晶構造内に安定して留めておくのが困難となるため、yは0.15未満であるのが好ましく、さらには0.10以下、例えば、0.05以下とするのがより好ましい。   Y indicating the substitutable ratio of Ag can be preferably in the range of more than 0 and less than 0.15. That is, Ag occupies a part of the B site as an essential element. Such y is preferable because if it exceeds 0, an effect such as electric conductivity and catalytic activity of Ag can be imparted to the fuel cell material even if it is very slight. In order to make this action clearer, y is preferably 0.0001 or more, and more preferably 0.001 or more. However, if the proportion of Ag increases too much, it becomes difficult to stably keep Ag in the crystal structure under a high-temperature electric field, so y is preferably less than 0.15, and more preferably 0. More preferably, it is 10 or less, for example 0.05 or less.

そしてδは、かかるペロブスカイト型酸化物における電荷中性条件を満たすように定まる値である。即ち、上記のとおり、このペロブスカイト型酸化物は、ABOで表される単純ペロブスカイト型構造における酸素欠陥量を、δ値により示すものと理解できる。かかるδは、ペロブスカイト型構造の一部を置換する原子の種類、置換割合の他、環境条件等により変動するため正確に表示することは困難である。このため、酸素原子数を決定する変数であるδは、典型的には1を超えない正の数(0≦δ<1)を採用し、(3−δ)と表示している。ただし、本明細書では、便宜上δを省略して記載する場合(例えば、下記の表1)もあるが、かかる場合においても異なる化合物を表しているわけではない。即ち、上記一般式中の(3−δ)は、本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではない。 Δ is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition in the perovskite oxide. In other words, as described above, this perovskite oxide can be understood to indicate the amount of oxygen defects in the simple perovskite structure represented by ABO 3 by the δ value. Such δ varies depending on the type of atom substituting a part of the perovskite structure, the substitution ratio, environmental conditions, and the like, so that it is difficult to display accurately. For this reason, δ, which is a variable for determining the number of oxygen atoms, typically employs a positive number not exceeding 1 (0 ≦ δ <1) and is expressed as (3-δ). However, in this specification, there are cases where δ is omitted for convenience (for example, Table 1 below), but in such a case, different compounds are not shown. That is, (3-δ) in the above general formula is not intended to limit the technical scope of the present invention.

以上の一般式で示されるペロブスカイト型酸化物は、酸化物でありながら常温から高温域において比較的高い電気伝導性を示す。また、その結晶構造内にAgを含んでいることから、Agを含まない従来のペロブスカイト型酸化物に比べて、電気伝導性および触媒活性に優れたものであり得る。そして、高温で安定であることから、高温環境においてもAgのマイグレーションの心配が防止されている。すなわち、例えば、かかる燃料電池用材料が絶縁体に接している場合であっても、絶縁体中にAgが拡散して当該絶縁体の絶縁性を低下させたり喪失させたりするのを抑制することができる。   The perovskite oxide represented by the above general formula exhibits a relatively high electrical conductivity from room temperature to a high temperature range even though it is an oxide. Moreover, since Ag is contained in the crystal structure, it can be excellent in electrical conductivity and catalytic activity as compared with a conventional perovskite oxide not containing Ag. And since it is stable at high temperature, the worry of Ag migration is prevented even in a high temperature environment. That is, for example, even when such a fuel cell material is in contact with an insulator, Ag is prevented from diffusing into the insulator to reduce or lose the insulation of the insulator. Can do.

このペロブスカイト型酸化物の形態については特に限定されない。典型的には、粉末形態のものが扱いやすいことから好ましく用いられる。かかる粉末の形態は、代表的には、略球状であるが、いわゆる真球状のものに限られない。球状以外には、例えば、フレーク形状や破砕形状、造粒形状、不規則形状のものであっても良い。また、ペロブスカイト型酸化物粉末の粒径についても特に制限されず、当該粉末を構成する粒子の平均粒径が20μm以下であるものが適当であり、好ましくは0.01μm以上10μmであり、より好ましくは0.3μm以上5μm以下であり、例えば2μm±1μmである。なお、ここでいう平均粒径とは、レーザ散乱・回折法に基づく粒度分布測定装置により測定された粒度分布における積算値50%での粒径(50%体積平均粒子径;以下、D50と略記する場合もある。)を意味する。そして、さらには、かかる粉末状のペロブスカイト型酸化物が成形された成形体であっても良い。   The form of the perovskite oxide is not particularly limited. Typically, a powder form is preferably used because it is easy to handle. The form of the powder is typically substantially spherical, but is not limited to a so-called true spherical shape. Other than the spherical shape, for example, a flake shape, a crushed shape, a granulated shape, or an irregular shape may be used. Further, the particle size of the perovskite oxide powder is not particularly limited, and those having an average particle size of 20 μm or less are suitable, preferably 0.01 μm or more and 10 μm, more preferably Is 0.3 μm or more and 5 μm or less, for example, 2 μm ± 1 μm. Note that the average particle diameter here is a particle diameter (50% volume average particle diameter; hereinafter abbreviated as D50) in the particle size distribution measured by a particle size distribution measuring apparatus based on a laser scattering / diffraction method. It may also be.) Further, a molded body in which such a powdery perovskite oxide is molded may be used.

また、本発明の目的を損なわない限り、ここに開示される燃料電池用材料に、上記のペロブスカイト型酸化物以外の成分や、不可避的な不純物が含まれていても良いことは言うまでもない。好ましくは、上記一般式で示されるペロブスカイト型酸化物の単相である。しかしながら、例えば、かかる燃料電池用材料の調製において、意図しない不純物相が含まれたりすることは十分にあり得る。このような場合においても、かかる材料が主として上記一般式で示されるペロブスカイト型酸化物から構成されていれば、かかる材料は本発明の燃料電池用材料に包含することができる。なお、限定的なものではないが、おおよその目安として、燃料電池用材料全体を100質量%としたとき、例えば、質量比で10質量%以下、典型的には5質量%以下、例えば3質量%以下の割合で他の成分(他のペロブスカイト型の酸化物等)を含むものであり得る。   Further, it goes without saying that the fuel cell material disclosed herein may contain components other than the perovskite oxide and unavoidable impurities as long as the object of the present invention is not impaired. Preferably, it is a single phase of a perovskite oxide represented by the above general formula. However, for example, in the preparation of such a fuel cell material, an unintended impurity phase may be sufficiently contained. Even in such a case, if such a material is mainly composed of a perovskite oxide represented by the above general formula, such a material can be included in the fuel cell material of the present invention. Although not limited, as a rough guide, when the entire fuel cell material is 100% by mass, for example, the mass ratio is 10% by mass or less, typically 5% by mass or less, for example 3% by mass. % Of other components (such as other perovskite type oxides).

[燃料電池用材料の調製方法]
ここに開示される燃料電池用材料は、その調製方法について特に制限はなく、公知の酸化物材料の調製方法に準じて調製することができる。
具体的には、例えば、粉末状のペロブスカイト型酸化物の製造方法としては、乾式法や、湿式法等が代表的なものとして知られている。
乾式法とは、例えば、粉末状のペロブスカイト型酸化物の構成成分の原料化合物を化学量論組成で乾式混合し、仮焼する方法である。かかる原料化合物は、例えば、上記の一般式で示されるLn、Ae、MおよびAgの各元素の化合物(例えば、酸化物、炭酸塩、硝酸塩等)であってもよいし、複数の元素の化合物であってもよい。あるいは、主体となるペロブスカイト型酸化物の粉末と、Ag粉末とを、メカニカルアロイングの手法により複合化(合金化であり得る)することに因っても調整することができる。
[Method for preparing fuel cell material]
The fuel cell material disclosed herein is not particularly limited in its preparation method, and can be prepared according to a known preparation method for oxide materials.
Specifically, for example, as a method for producing a powdered perovskite oxide, a dry method, a wet method, or the like is known as a representative method.
The dry method is, for example, a method in which raw material compounds as constituents of a powdered perovskite oxide are dry-mixed in a stoichiometric composition and calcined. Such a raw material compound may be, for example, a compound of each element of Ln, Ae, M and Ag represented by the above general formula (for example, oxide, carbonate, nitrate, etc.), or a compound of a plurality of elements It may be. Alternatively, the adjustment can be made even if the main perovskite oxide powder and the Ag powder are combined (may be alloyed) by a mechanical alloying technique.

また、湿式法とは、当該ペロブスカイト型酸化物の構成成分を化学量論比で全て含む混合溶液を作り、かかる混合溶液から目的のペロブスカイト型酸化物を析出させる方法である。代表的には、共沈法や噴霧法が挙げられる。共沈法は、構成成分を化学量論比で全て含む混合溶液に対し、沈澱形成液を添加して目的の金属元素を化学量論比で含む水酸化物を共沈させ、この共沈物を乾燥、仮焼する方法である。また、噴霧法は、構成成分を化学量論比で全て含む混合溶液をアトマイザー等を利用して噴霧し、液滴化した状態で、かかる液滴を乾燥、仮焼する方法である。湿式法において用いる原料化合物としては、上記の一般式で示されるLn、Ae、MおよびAgの各元素の酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩、蟻酸塩、蓚酸塩等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。   The wet method is a method in which a mixed solution containing all the constituents of the perovskite oxide in a stoichiometric ratio is prepared, and the target perovskite oxide is precipitated from the mixed solution. Typically, there are a coprecipitation method and a spray method. In the coprecipitation method, a precipitate-forming solution is added to a mixed solution containing all components in a stoichiometric ratio to coprecipitate a hydroxide containing the target metal element in a stoichiometric ratio. Is a method of drying and calcining. The spraying method is a method of spraying a mixed solution containing all of the constituent components in a stoichiometric ratio by using an atomizer or the like, and drying and calcining the liquid droplets in a droplet state. Examples of the raw material compound used in the wet method include oxides, hydroxides, carbonates, nitrates, acetates, formates and oxalates of each element of Ln, Ae, M and Ag represented by the above general formula. However, it is not limited to these.

[燃料電池用材料の使用方法]
また、かかる燃料電池用材料は、上記のとおりのイオン電子混合導電性を備え得る酸化物から構成され得るものであることから、燃料電池を構成する構成部材を形成するために好ましく用いることができる。かかる構成部材としては、燃料電池の中でも最も高温で作動するSOFCの構成部材を好ましく考慮することができ、例えば、具体的には、SOFCの空気極、集電体などを挙げることができる。
[How to use fuel cell materials]
In addition, since the fuel cell material can be composed of an oxide that can have ionic / electron mixed conductivity as described above, it can be preferably used to form a constituent member constituting the fuel cell. . As such a constituent member, a constituent member of an SOFC that operates at the highest temperature among fuel cells can be preferably considered, and specific examples thereof include an SOFC air electrode, a current collector, and the like.

すなわち、ここに開示される燃料電池用材料は、高温において良好な電気伝導性およびイオン導電性を示すことに加え、一般的なSOFCの電解質であるジルコニア系酸化物と熱膨張率が近く、また反応性が低いことからも、SOFCの空気極を構成する材料として用いるのが好ましい。特に、ここに開示される燃料電池用材料は、SOFCの空気極の作動条件である高酸素分圧条件において、比較的大きな酸素不定比性を示し得る。したがって、かかる燃料電池用材料を空気極に用いれば、電極(空気極)/電解質/気相(酸素含有ガス)が接する三相界面だけでなく、電極(空気極)自体の表面においても電極反応が進行しうるため、例えば、600℃程度の温度領域においても比較的高い電極活性を示し得るために好ましい。また、結晶構造内にAgが安定に含まれており、600℃程度の温度領域でSOFCを運転した場合においても、電極触媒活性が長期に亘り低下され難く、SOFCのセル性能の劣化が抑制され得る点でも好ましい。   That is, the fuel cell material disclosed herein exhibits good electrical conductivity and ionic conductivity at high temperatures, and has a thermal expansion coefficient close to that of a zirconia-based oxide that is a general SOFC electrolyte, Because of its low reactivity, it is preferably used as a material constituting the SOFC air electrode. In particular, the fuel cell material disclosed herein can exhibit a relatively large oxygen non-stoichiometry under high oxygen partial pressure conditions, which are the operating conditions of the SOFC air electrode. Therefore, if such a fuel cell material is used for the air electrode, the electrode reaction occurs not only at the three-phase interface where the electrode (air electrode) / electrolyte / gas phase (oxygen-containing gas) contacts but also at the surface of the electrode (air electrode) itself. Therefore, it is preferable because a relatively high electrode activity can be exhibited even in a temperature range of about 600 ° C., for example. In addition, Ag is stably contained in the crystal structure, and even when the SOFC is operated in a temperature range of about 600 ° C., the electrocatalytic activity is hardly lowered over a long period of time, and the deterioration of the SOFC cell performance is suppressed. It is also preferable in terms of obtaining.

また、SOFCの単セル同士を接続する集電体は、SOFCの燃料極と空気極とを仕切る隔壁としての役目も併せ持っていることから、高い電気導電性に加え、高温での酸化性雰囲気および還元性雰囲気の両方に対して耐性を備えていることが求められる。このようなSOFCの集電体用の材料としても、ここに開示される燃料電池用材料を好ましく用いることができる。なお、本明細書でいう集電体とは、SOFCにおいては、インターコネクタ、セパレータなどとも呼ばれる構成部材であって、例えば一方のセルの空気極と他方のセルの燃料極とを電気的に接合したり、一つの空気極あるいは燃料極と他の構成部材とを電気的に接続する部材であり得る。   In addition, the current collector that connects the SOFC single cells also serves as a partition wall that separates the SOFC fuel electrode and air electrode, so that in addition to high electrical conductivity, an oxidizing atmosphere at high temperature and It is required to have resistance against both reducing atmospheres. As such a material for the SOFC current collector, the fuel cell material disclosed herein can be preferably used. In addition, the current collector referred to in this specification is a component member also called an interconnector, a separator, etc. in the SOFC. For example, the air electrode of one cell and the fuel electrode of the other cell are electrically joined. Or a member that electrically connects one air electrode or fuel electrode to another component.

かかる燃料電池用材料によると、公知の手法に従って、各種の燃料電池構成部材を製造することができる。例えば、上記の燃料電池用材料を、そのまま単独で、あるいは焼結助剤等と共に所望の形態に成形し、焼成することで、目的の燃料電池の構成部材を作製することができる。
かかる成形に際しては、例えば、粉末状の燃料電池用材料を有機媒体中に分散したペースト(インク、スラリーなどを包含する)の形態に調製して用いるようにしても良い。かかる有機媒体としては、ここに開示される燃料電池用材料を良好に分散させ得るものであればよく、従来のこの種のペーストに用いられているものを特に制限なく使用することができる。典型的には、ビヒクルと、粘度調整のための有機溶媒との混合物を考慮することができる。かかる有機溶媒としては、例えば、エチレングリコールおよびジエチレングリコール誘導体(グリコールエーテル系溶剤)、トルエン、キシレン、ブチルカルビトール(BC)、ターピネオール等の高沸点有機溶剤を一種類または複数種組み合わせて使用することができる。また、ビヒクルは、有機バインダとして種々の樹脂成分を含むことができる。かかる樹脂成分はペーストを調製するのに良好な粘性および塗膜形成能(例えば、印刷性や、基板に対する付着性等を含む。)を付与し得るものであればよく、従来のこの種のペーストに用いられているものを特に制限なく使用することができる。例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アルキド樹脂、セルロース系高分子、ポリビニルアルコール、ロジン樹脂等を主体とするものが挙げられる。このうち、特にエチルセルロース等のセルロース系高分子が含まれているのが好ましい。
According to such a fuel cell material, various fuel cell components can be manufactured according to a known method. For example, the above-described fuel cell material can be formed as it is alone or together with a sintering aid or the like into a desired form and fired to produce a constituent member of the target fuel cell.
In such molding, for example, a powdery fuel cell material may be prepared and used in the form of a paste (including ink, slurry, etc.) dispersed in an organic medium. Any organic medium may be used as long as it can disperse the fuel cell material disclosed herein well, and those used in conventional pastes of this type can be used without particular limitation. Typically, a mixture of a vehicle and an organic solvent for viscosity adjustment can be considered. As such an organic solvent, for example, a high boiling point organic solvent such as ethylene glycol and diethylene glycol derivatives (glycol ether solvents), toluene, xylene, butyl carbitol (BC), terpineol, or the like may be used alone or in combination. it can. In addition, the vehicle can contain various resin components as an organic binder. Such a resin component is not limited as long as it can impart a good viscosity and film-forming ability (for example, including printability and adhesion to a substrate) in preparing a paste. What is used for can be used without a restriction | limiting in particular. Examples thereof include those mainly composed of acrylic resin, epoxy resin, phenol resin, alkyd resin, cellulosic polymer, polyvinyl alcohol, rosin resin and the like. Among these, it is particularly preferable that a cellulosic polymer such as ethyl cellulose is contained.

有機媒体の割合は、燃料電池の構成部材の形態やその成形に採用する手法等に応じて、適宜調整することができる。例えば、スクリーン印刷やドクターブレード法等の手法によりSOFCの空気極用グリーンシートを成形する場合を例にすると、かかる有機媒体が、ペースト全体(すなわち、上記燃料電池用材料と有機媒体との合計)に占める割合は、5質量%以上60質量%以下程度とすることができ、好ましくは7質量%以上50質量%以下、より好ましくは10質量%以上40質量%以下である。また、ビヒクルに含まれる有機バインダは、例えば、ペースト全体の1質量%以上15質量%以下程度、好ましくは1質量%以上10質量%以下程度、より好ましくは1質量%以上7質量%以下程度の割合とすることが例示される。かかる構成とすることで、例えば、粉末状の燃料電池用材料を均一な厚さの層状体(例えば、塗膜)として形成(塗布)し易く、取扱いが容易であり、さらにかかる成形体から溶媒を除去するのに長時間を要することがないために好適である。特に、薄層化が進められるSOFCの空気極のグリーンシート(未焼成段階の成形体)を好適に形成することができる。   The ratio of the organic medium can be appropriately adjusted according to the form of the constituent members of the fuel cell, the method employed for the molding thereof, and the like. For example, when an SOFC air electrode green sheet is formed by a method such as screen printing or a doctor blade method, the organic medium is the entire paste (that is, the total of the fuel cell material and the organic medium). The proportion of the slag may be about 5% by mass or more and 60% by mass or less, preferably 7% by mass or more and 50% by mass or less, more preferably 10% by mass or more and 40% by mass or less. The organic binder contained in the vehicle is, for example, about 1% by mass to 15% by mass of the entire paste, preferably about 1% by mass to 10% by mass, and more preferably about 1% by mass to 7% by mass. The ratio is exemplified. With this configuration, for example, a powdered fuel cell material can be easily formed (coated) as a layered body (for example, a coating film) having a uniform thickness, and can be easily handled. It is preferable because it does not take a long time to remove the. In particular, an SOFC air electrode green sheet (an unfired molded body) that can be made thinner can be suitably formed.

なお、ペースト状に調製するに際し、燃料電池用材料と有機媒体との混合には、例えば、公知の三本ロールミル等を用いることができる。ペースト状の燃料電池用材料は、所望の用途に応じて適切な粘度に調整することによって、塗布または印刷等の形態で燃料電池用材料を所望の位置に所望の形態にて簡便に供給することが可能となる。例えば、極精密に寸法が管理されたSOFCの空気極や、複雑な形状の部位を有するインターコネクタ等の用途の成形体を簡便かつ好適に成形することができる。
なお、ここに開示される燃料電池用材料は、粉末状のものを所定の形態に圧縮成形する等して成形体(例えば、所望の形状のペレット)とすることもできる。
In preparing the paste, for example, a known three-roll mill can be used for mixing the fuel cell material and the organic medium. The pasty fuel cell material can be easily supplied to the desired position in the desired form in the form of coating or printing by adjusting the viscosity to an appropriate viscosity according to the desired application. Is possible. For example, it is possible to easily and suitably form a molded body for uses such as an SOFC air electrode whose dimensions are controlled with extreme precision, and an interconnector having a complicated shape.
The fuel cell material disclosed herein can be formed into a molded body (for example, a pellet having a desired shape) by compression molding a powdery material into a predetermined form.

上記のようにして準備した燃料電池用材料の成形体は、従来のこの種の構成部材と同様に焼成することができる。この場合の焼成温度は、例えば1000℃〜1400℃程度とすることができる。ただし、かかる焼成を、他の構成部材の焼成と同時に行う場合等には、焼成温度を適宜変更することができる。これによって、例えば、SOFCの空気極やインターコネクタ等の、所望の燃料電池構成部材を作製することができる。   The molded body of the fuel cell material prepared as described above can be fired in the same manner as a conventional component of this type. In this case, the firing temperature can be, for example, about 1000 ° C. to 1400 ° C. However, when such firing is performed simultaneously with firing of other constituent members, the firing temperature can be appropriately changed. Thereby, for example, a desired fuel cell component such as an SOFC air electrode or an interconnector can be produced.

[実施態様1]
かかる実施態様における固体酸化物形燃料電池(SOFC)システム1は、図1に示される、アノード支持型の円筒形状のSOFCの単セル10を複数備えている。この単セル10は、円筒形で多孔質構造の燃料極(アノード)26の外表面に、順に、酸化物イオン伝導体からなる緻密な層状の固体電解質22、多孔質構造の空気極(カソード)24が形成されることで構成されている。SOFCの作動時には、燃料極26を通じて燃料極26側の固体電解質22表面に燃料ガス(典型的には水素(H))が、空気極24を通じて空気極24側の固体電解質22表面に酸素(O)含有ガス(典型的には空気)が、それぞれ供給される。一般的な動作においては、酸素(O)含有ガス中のOガスが空気極24で還元されてO アニオンとなり、固体電解質を通って燃料極26に移動し、Hガス燃料を酸化する。そしてかかる酸化反応に伴い、電気エネルギーを発生させている。
[Embodiment 1]
The solid oxide fuel cell (SOFC) system 1 in such an embodiment includes a plurality of anode-supported cylindrical SOFC single cells 10 shown in FIG. This single cell 10 has a dense layered solid electrolyte 22 made of an oxide ion conductor and a porous structure air electrode (cathode) on the outer surface of a cylindrical and porous fuel electrode (anode) 26 in this order. 24 is formed. During operation of the SOFC, the fuel gas (typically hydrogen (H 2 )) passes through the fuel electrode 26 to the surface of the solid electrolyte 22 on the fuel electrode 26 side, and oxygen (typically hydrogen (H 2 )) passes through the air electrode 24 to the surface of the solid electrolyte 22 on the air electrode 24 side. O 2 ) containing gases (typically air) are each supplied. In a typical operation, O 2 gas of oxygen (O 2) containing gas is reduced by the air electrode 24 O 2 - become anions, through the solid electrolyte to move to the fuel electrode 26, the H 2 gas fuel Oxidize. And with this oxidation reaction, electric energy is generated.

ここで空気極24を構成する材料として、ここに開示される燃料電池用材料を用いることができる。かかる燃料電池用材料としては、具体的には、(LaSr)(MnAg)O、(LaCa)(MnAg)Oに代表される、Agが固溶されたランタンマンガネート(LaMnO)系ペロブスカイト型酸化物や、La(CoAg)O、(LaSr)(CoAg)O、(LaSr)(CoFeAg)O等に代表される、Agが固溶されたランタンコバルタイト(LaCoO)系のペロブスカイト型酸化物、さらには、(LaSr)(TiFeAg)O等に代表される、Agが固溶されたランタンチタネート(LaTiO)系のペロブスカイト型酸化物からなるものが例示される。なお、ここに列挙した化学式は、当業者において慣用的に使用されているように、かかる酸化物を構成する元素の組み合わせを示すものであって、実際の燃料電池用材料の組成を示すものではない。
固体電解質22としては、一例として、8%イットリア安定化ジルコニア(8YSZ)やランタンガレート(LaGaO)からなるものが例示される。燃料極26としては、一例として、ニッケル(Ni)とYSZのサーメットからなるものが例示される。なお、図1には開示されていないが、空気極24と固体電解質22との間には、これらの反応を防止する目的で反応防止層を設けることもできる。かかる反応防止層としては、例えば、ガドリニアドープセリア(GDC)からなるものが例示される。
Here, as the material constituting the air electrode 24, the fuel cell material disclosed herein can be used. Specific examples of such fuel cell materials include (LaSr) (MnAg) O 3 and (LaCa) (MnAg) O 3, and lanthanum manganate (LaMnO 3 ) -based perovskite in which Ag is dissolved. Type oxides, lanthanum cobaltite (LaCoO 3 ) based on solid solution of Ag, represented by La (CoAg) O 3 , (LaSr) (CoAg) O 3 , (LaSr) (CoFeAg) O 3, etc. Examples thereof include perovskite oxides, and those made of lanthanum titanate (LaTiO 3 ) -based perovskite oxides in which Ag is solid solution, such as (LaSr) (TiFeAg) O 3 . It should be noted that the chemical formulas listed here indicate combinations of elements constituting such oxides, as are conventionally used by those skilled in the art, and do not indicate actual compositions of fuel cell materials. Absent.
Examples of the solid electrolyte 22 include those made of 8% yttria stabilized zirconia (8YSZ) or lanthanum gallate (LaGaO 3 ). As an example of the fuel electrode 26, an electrode made of cermet of nickel (Ni) and YSZ is exemplified. Although not disclosed in FIG. 1, a reaction preventing layer may be provided between the air electrode 24 and the solid electrolyte 22 for the purpose of preventing these reactions. Examples of such a reaction preventing layer include those made of gadolinia doped ceria (GDC).

また、例えば、この図1に示されるように、円筒形状の単セル10を、インターコネクタ30を介して直列に連結させた構成のSOFCシステム1の場合には、かかるインターコネクタ30をここに開示される燃料電池用材料を用いて構成することができる。かかるSOFCシステム1の構築には、予め複数の円筒形状の単セル10を用意しておき、燃料電池用材料をペースト状に調製したインターコネクタ用材料を単セル10の周側面上の所定領域に塗布し、単セル10同士をかかるインターコネクタ用材料を介して連結して焼成することにより、製造することができる。
かかる燃料電池用材料を用いてSOFCの空気極24やインターコネクタ30等を作製することで、イオン電子混合導電性に優れた燃料電池構成部材を形成することができる。さらに、例えば600〜900℃程度のSOFCの運転環境に曝されても、かかる燃料電池構成部材と他部材との間でAgが拡散するのが防止され、例えば、空気極の過電圧の増大を長期に亘って好適に抑えることができ、電極活性に優れたSOFCシステム1を実現し得る。また、インターコネクタ30からのAgのマイグレーションが防止されているため、SOFCシステム1における絶縁性部材(例えば、空気極24に接続される図示しないガス管や外部との絶縁部材)の絶縁性を損ねることがなく、長期に亘り発電特性に優れた高性能のSOFCシステム1を実現することができる。
In addition, for example, in the case of the SOFC system 1 having a configuration in which cylindrical single cells 10 are connected in series via an interconnector 30 as shown in FIG. 1, the interconnector 30 is disclosed herein. The fuel cell material can be used. In order to construct the SOFC system 1, a plurality of cylindrical single cells 10 are prepared in advance, and the interconnector material prepared by pasting the fuel cell material into a paste is applied to a predetermined region on the peripheral side surface of the single cell 10. It can manufacture by apply | coating and connecting and baking the single cells 10 through this interconnector material.
By producing the SOFC air electrode 24, the interconnector 30 and the like using such a fuel cell material, it is possible to form a fuel cell constituent member excellent in ion-electron mixed conductivity. Furthermore, even when exposed to an operating environment of SOFC of about 600 to 900 ° C., for example, Ag is prevented from diffusing between the fuel cell constituent member and other members, and for example, an increase in the overvoltage of the air electrode is prolonged. Therefore, the SOFC system 1 having excellent electrode activity can be realized. Moreover, since migration of Ag from the interconnector 30 is prevented, the insulation of an insulating member (for example, a gas pipe (not shown) connected to the air electrode 24 or an external insulating member) in the SOFC system 1 is impaired. Thus, a high-performance SOFC system 1 having excellent power generation characteristics over a long period of time can be realized.

[実施態様2]
かかる実施態様における固体酸化物形燃料電池(SOFC)システムは、SOFCのスタックセル100を備えている。図2に、スタックセル100の一形態の分解斜視図を模式的に示す。かかるスタックセル100は、SOFC(単セル)10A,10Bが、インターコネクタ30を介して複数層積み重なったスタックとして構成されている。単セル10A,10Bは、層状の固体電解質22の両面が、それぞれ層状の燃料極(アノード)24と空気極(カソード)26とで挟まれたサンドイッチ構造を備えている。図面中央に配されるインターコネクタ30Aは、その両面を二つの単セル10A,10Bで挟まれており、一方のセル対向面32がセル10Aの空気極24と対向(隣接)し、他方のセル対向面34がセル10Bの燃料極26と対向(隣接)している。かかる空気極24およびインターコネクタ30は、ここに開示される燃料電池用材料から構成されている。インターコネクタ30の、セル対向面32には複数の溝が形成されており、供給された酸素含有ガス(典型的には空気)が流れる空気流路33を構成している。同様に、反対側のセル対向面34にも複数の溝が形成されており、供給された燃料ガス(典型的にはHガス)が流れるための燃料ガス流路35を構成している。かかる形態のインターコネクタ30では、典型的には空気流路33と燃料ガス流路35とが互いに直交するように形成されている。一般的な動作においては、酸素(O)含有ガス中のOガスが空気極24で還元されてO アニオンとなり、固体電解質を通って燃料極26に移動し、Hガス燃料を酸化する。そしてかかる酸化反応に伴い、電気エネルギーを発生させている。
なお、以上のSOFCシステムの製造方法は、従来公知の製造方法に準じればよく特別な処理を必要としないため、詳細な説明は省略する。
[Embodiment 2]
The solid oxide fuel cell (SOFC) system in such an embodiment includes an SOFC stack cell 100. FIG. 2 schematically shows an exploded perspective view of one embodiment of the stack cell 100. The stack cell 100 is configured as a stack in which a plurality of SOFCs (single cells) 10A and 10B are stacked via an interconnector 30. The unit cells 10A and 10B have a sandwich structure in which both surfaces of a layered solid electrolyte 22 are sandwiched between a layered fuel electrode (anode) 24 and an air electrode (cathode) 26, respectively. The interconnector 30A disposed in the center of the drawing is sandwiched between two single cells 10A and 10B, one cell facing surface 32 faces (adjacent) the air electrode 24 of the cell 10A, and the other cell. The facing surface 34 faces (adjacent) the fuel electrode 26 of the cell 10B. The air electrode 24 and the interconnector 30 are made of the fuel cell material disclosed herein. A plurality of grooves are formed in the cell facing surface 32 of the interconnector 30 to form an air flow path 33 through which the supplied oxygen-containing gas (typically air) flows. Similarly, a plurality of grooves are also formed in the opposite cell facing surface 34 to constitute a fuel gas passage 35 through which the supplied fuel gas (typically H 2 gas) flows. In the interconnector 30 of this form, the air flow path 33 and the fuel gas flow path 35 are typically formed so as to be orthogonal to each other. In a typical operation, O 2 gas of oxygen (O 2) containing gas is reduced by the air electrode 24 O 2 - become anions, through the solid electrolyte to move to the fuel electrode 26, the H 2 gas fuel Oxidize. And with this oxidation reaction, electric energy is generated.
The manufacturing method of the SOFC system described above may be in accordance with a conventionally known manufacturing method and does not require special processing, and thus detailed description thereof is omitted.

以下、本発明に関する幾つかの試験例を説明するが、本発明をかかる試験例に示すものに限定することを意図したものではない。   Hereinafter, some test examples relating to the present invention will be described, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the test examples.

[評価用SOFCの用意]
[SOFCのハーフセルの作製]
燃料極材料として、平均粒径1μmの8mol%イットリア安定化ジルコニア(8mol%Y−ZrO、以下「8YSZ」と示す。)粉末と平均粒径1μmの酸化ニッケル(NiO)粉末とを、NiO:8YSZ=60:40の質量比で混合し、混合粉末とした。この混合粉末と、バインダ(ポリビニルブチラール;PVB)と、造孔材(カーボン粒子、平均粒径:約5μm)と、可塑剤(フタル酸ジブチル)とを、76:11:7:6の質量比で配合し、溶媒に分散させることで、ペースト状の燃料極形成用組成物を調製した。なお、本実施形態では、溶媒として、2−プロパノールとトルエンとを質量比4:1で混合したものを使用した。次いで、この燃料極形成用組成物をキャリアシート上にドクターブレード法によりシート状に塗布、乾燥させて、厚み0.8mmの燃料極グリーンシートを形成した。
[Preparation of SOFC for evaluation]
[Production of SOFC half-cell]
As fuel electrode materials, 8 mol% yttria-stabilized zirconia (8 mol% Y 2 O 3 —ZrO 2 , hereinafter referred to as “8YSZ”) powder having an average particle diameter of 1 μm and nickel oxide (NiO) powder having an average particle diameter of 1 μm are used. NiO: 8YSZ = 60: 40 was mixed to obtain a mixed powder. This mixed powder, binder (polyvinyl butyral; PVB), pore former (carbon particles, average particle size: about 5 μm), and plasticizer (dibutyl phthalate) in a mass ratio of 76: 11: 7: 6 Were mixed in and dispersed in a solvent to prepare a paste-like composition for forming a fuel electrode. In this embodiment, a solvent in which 2-propanol and toluene are mixed at a mass ratio of 4: 1 is used as the solvent. Next, this fuel electrode forming composition was applied on a carrier sheet in a sheet form by a doctor blade method and dried to form a fuel electrode green sheet having a thickness of 0.8 mm.

次に、平均粒径0.5μmの8YSZ粉末と、バインダ(エチルセルロース;EC)と、溶媒(α−テルピネオール;TE)とを、65:4:31の質量比率で混練することにより、ペースト状の固体電解質層形成用組成物を調製した。これを上記燃料極グリーンシートの上にスクリーン印刷法によってシート状に供給することで、厚み10μmの固体電解質層グリーンシートを形成した。また、平均粒径0.5μmのガドリニウムドープセリア(Ce0.9Gd0.1、以下「GDC」と示す。)粉末と、バインダ(EC)と、溶媒(α−テルピネオール;TE)とを、65:4:31の質量比率で混練することにより、ペースト状の反応防止層用組成物を調製した。これを上記固体電解質層グリーンシートの上にスクリーン印刷法によってシート状に供給することで、厚み5μmの固体電解質層グリーンシートを形成した。
このようにして用意した積層グリーンシートを、1400℃で共焼成することで、SOFCのハーフセルを得た。
Next, an 8YSZ powder having an average particle size of 0.5 μm, a binder (ethylcellulose; EC), and a solvent (α-terpineol; TE) were kneaded at a mass ratio of 65: 4: 31 to obtain a paste-like material. A composition for forming a solid electrolyte layer was prepared. A solid electrolyte layer green sheet having a thickness of 10 μm was formed by supplying the sheet on the fuel electrode green sheet by a screen printing method. Further, gadolinium-doped ceria (Ce 0.9 Gd 0.1 O 2 , hereinafter referred to as “GDC”) powder having an average particle size of 0.5 μm, a binder (EC), a solvent (α-terpineol; TE), Was kneaded at a mass ratio of 65: 4: 31 to prepare a paste-like composition for a reaction preventing layer. This was supplied in a sheet form on the solid electrolyte layer green sheet by a screen printing method, thereby forming a solid electrolyte layer green sheet having a thickness of 5 μm.
The laminated green sheet thus prepared was co-fired at 1400 ° C. to obtain a SOFC half cell.

[空気極の形成]
次いで、SOFCの空気極材料として、Ag成分を含む燃料電池用材料;A0〜A5,B1〜B6,C1〜C6,D1〜D6およびE1〜E6を用意した。すなわち、表1のA〜Eで示されるペロブスカイト型酸化物について、表2の「Ag成分(y)」の欄に示す割合のAgを(A)混合するか、または、(B〜E)固溶させることによって燃料電池材料を用意した。具体的には、各燃料電池用材料は以下のようにして調製した。
[Formation of air electrode]
Next, fuel cell materials containing Ag components; A0 to A5, B1 to B6, C1 to C6, D1 to D6, and E1 to E6 were prepared as SOFC air electrode materials. That is, for the perovskite oxides indicated by A to E in Table 1, Ag in the ratio shown in the column of “Ag component (y)” in Table 2 is mixed (A) or (B to E) is solid. A fuel cell material was prepared by melting. Specifically, each fuel cell material was prepared as follows.

A:混合
燃料電池用材料A0〜A5は、表1のAで示される組成の粉末状のペロブスカイト型酸化物(LSCF)1モルに対して、Ag成分としてのAg粉末を表2に示すyモルとなる割合でそれぞれ秤量することで用意した。調製に用いたLSCF粉末の平均粒径は1μm、Ag粉末の平均粒径は0.2μmであった。なお、燃料電池用材料A0は、Ag成分の割合が「0」であって、Ag成分が含まれていないLSCFの単体である。なお、表2の燃料電池用材料No.A0〜A5に関する「Ag成分(y)」の欄には、後述のB1〜E6とはAg成分の割合の基準が異なることを示す「※」を付している。
かかるペロブスカイト型酸化物の粉末とAg粉末とを、バインダ(エチルセルロース;EC)および溶媒(α−テルピネオール;TE)と共に、65:4:31の質量比率で混練することにより、ペースト状の空気極形成用組成物A0〜A5を調製した。これを上記で用意したSOFCのハーフセルの上にスクリーン印刷法によってシート状に供給することで、厚み30μmの空気極層グリーンシートを形成し、1100℃で焼成して空気極を形成した。これにより、評価用のSOFCセルA0〜A5を得た。以下、この評価用セルを、使用した燃料電池用材料に対応させて、単に、「セルA0」等のように言う。なお、ここで用意した空気極形成用組成物は、下記に示す「Ag耐マイグレーション性」の評価にも用いた。
A: Mixed Fuel cell materials A0 to A5 are composed of y mol of Ag powder as an Ag component shown in Table 2 with respect to 1 mol of powdery perovskite oxide (LSCF) having the composition shown by A in Table 1. It prepared by weighing each in the ratio which becomes. The average particle size of the LSCF powder used for the preparation was 1 μm, and the average particle size of the Ag powder was 0.2 μm. The fuel cell material A0 is an LSCF simple substance in which the ratio of the Ag component is “0” and no Ag component is contained. In addition, the fuel cell material No. In the column of “Ag component (y)” regarding A0 to A5, “*” indicating that the standard of the ratio of the Ag component is different from B1 to E6 described later is attached.
The perovskite oxide powder and Ag powder are kneaded together with a binder (ethyl cellulose; EC) and a solvent (α-terpineol; TE) at a mass ratio of 65: 4: 31 to form a paste-like air electrode. Compositions A0 to A5 were prepared. This was supplied in the form of a sheet by the screen printing method on the SOFC half cell prepared above to form an air electrode layer green sheet having a thickness of 30 μm, and fired at 1100 ° C. to form an air electrode. Thereby, SOFC cells A0 to A5 for evaluation were obtained. Hereinafter, this evaluation cell is simply referred to as “cell A0” or the like in correspondence with the fuel cell material used. In addition, the composition for air electrode formation prepared here was used also for evaluation of "Ag migration resistance" shown below.

B〜E:固溶(メカノケミカル処理)
燃料電池用材料B1〜B6,C1〜C6,D1〜D6およびE1〜E6は、以下の手順で用意した。すなわち、まず、表1のB〜Eで示されるペロブスカイト型酸化物について、Bサイトの遷移金属を、表2の「Ag成分(y)」の欄に示す割合のAgで置換した組成となるように、化学量論比で原料粉末を配合した。すなわち、Ag成分の割合(y)に応じて、表1の「燃料電池用材料」の欄に示されるペロブスカイト型酸化物の組成となるよう、各原料粉末を秤量して混合して混合粉末を用意した。なお、原料粉末としては、目的のペロブスカイト型酸化物の各構成元素の酸化物を用いた。次いで、かかる混合粉末を、乾式粒子複合化装置(ホソカワミクロン(株)製、ノビルタ130)に投入し、分散部動力3kWで、10〜20時間のメカノケミカル処理(固溶化処理)による乾式混合を行った。調製に用いたLSCF粉末の平均粒径は1μm、Ag粉末の平均粒径は0.2μmであり、得られた燃料電池用材料の平均粒径は1μm程度であった。このようにして得られた粉末状の生成物を、燃料電池用材料とした。
B to E: Solid solution (Mechanochemical treatment)
Fuel cell materials B1 to B6, C1 to C6, D1 to D6, and E1 to E6 were prepared by the following procedure. That is, first, the perovskite oxides shown by B to E in Table 1 have a composition in which the transition metal at the B site is substituted with Ag in the ratio shown in the column “Ag component (y)” in Table 2. The raw material powder was blended at a stoichiometric ratio. That is, according to the ratio (y) of the Ag component, each raw material powder is weighed and mixed so that the composition of the perovskite oxide shown in the column of “Fuel cell material” in Table 1 is obtained. Prepared. As the raw material powder, an oxide of each constituent element of the target perovskite oxide was used. Next, the mixed powder is put into a dry particle compounding device (Nosoluta 130 manufactured by Hosokawa Micron Corporation), and dry mixing is performed by mechanochemical treatment (solution treatment) for 10 to 20 hours at a dispersion power of 3 kW. It was. The average particle size of the LSCF powder used for the preparation was 1 μm, the average particle size of the Ag powder was 0.2 μm, and the average particle size of the obtained fuel cell material was about 1 μm. The powdered product thus obtained was used as a fuel cell material.

次いで、空気極材料として上記で用意した燃料電池用材料B1〜B6,C1〜C6,D1〜D6およびE1〜E6を用い、評価用のSOFCセルを作製した。すなわち、かかる燃料電池用材料と、バインダ(エチルセルロース;EC)と、溶媒(α−テルピネオール;TE)とを、65:4:31の質量比率で混練することにより、ペースト状の空気極形成用組成物を調製した。これを上記で用意したSOFCのハーフセルの上にスクリーン印刷法によってシート状に供給することで、厚み30μmの空気極層グリーンシートを形成し、1100℃で焼成して空気極を形成した。これにより、評価用のSOFCセルB1〜B6,C1〜C6,D1〜D6およびE1〜E6を得た。以下、この評価用セルを、使用した燃料電池用材料に対応させて、単に、「セルB0」等のように言う。なお、ここで用意した空気極形成用組成物は、以下に示す「Ag耐マイグレーション性」の評価にも用いた。   Next, SOFC cells for evaluation were produced using the fuel cell materials B1 to B6, C1 to C6, D1 to D6, and E1 to E6 prepared above as the air electrode material. That is, by pasting such a fuel cell material, a binder (ethylcellulose; EC), and a solvent (α-terpineol; TE) at a mass ratio of 65: 4: 31, a paste-like composition for forming an air electrode is obtained. A product was prepared. This was supplied in the form of a sheet by the screen printing method on the SOFC half cell prepared above to form an air electrode layer green sheet having a thickness of 30 μm, and fired at 1100 ° C. to form an air electrode. Thereby, SOFC cells B1 to B6, C1 to C6, D1 to D6 and E1 to E6 for evaluation were obtained. Hereinafter, this evaluation cell is simply referred to as “cell B0” or the like, corresponding to the fuel cell material used. The air electrode forming composition prepared here was also used for evaluation of “Ag migration resistance” shown below.

Figure 2015099744
Figure 2015099744

なお、かかる固溶化処理により得られた燃料電池用材料の組成を、蛍光X線分析装置(株式会社リガク製、ZSX100e)を用いて調べたところ、仕込み組成(目的の燃料電池用材料の組成)と得られた生成物との組成にズレがないことを確認した。
また、得られた全ての燃料電池用材料の結晶構造をX線回折分析により調べた。参考のために、混合処理により得られた燃料電池用材料A4と、固溶化処理により得られた燃料電池用材料B4とのX線回折パターンを図3に示した。
その結果、混合処理により得られた燃料電池用材料(例えばA4)には、ペロブスカイト型酸化物に帰属されるピークと、Agに帰属されるピークとが確認された。一方、メカノケミカル処理により得られた燃料電池用材料(例えばB4)については、固溶X線回折パターンにおいて目的のペロブスカイト型酸化物に帰属されるピークのみが見られ、Ag単独のピークは見られず、Agがペロブスカイト型酸化物の結晶構造の中に取り込まれていることが確認された。
The composition of the fuel cell material obtained by the solution treatment was examined using a fluorescent X-ray analyzer (manufactured by Rigaku Corporation, ZSX100e). The charged composition (composition of the target fuel cell material) It was confirmed that there was no deviation in the composition of the obtained product.
Further, the crystal structures of all the obtained fuel cell materials were examined by X-ray diffraction analysis. For reference, X-ray diffraction patterns of the fuel cell material A4 obtained by the mixing treatment and the fuel cell material B4 obtained by the solution treatment are shown in FIG.
As a result, a peak attributed to the perovskite oxide and a peak attributed to Ag were confirmed in the fuel cell material (for example, A4) obtained by the mixing treatment. On the other hand, for the fuel cell material (for example, B4) obtained by mechanochemical treatment, only the peak attributed to the target perovskite oxide is seen in the solid solution X-ray diffraction pattern, and the peak of Ag alone is seen. It was confirmed that Ag was incorporated in the crystal structure of the perovskite oxide.

[Ag耐マイグレーション性評価]
上記で用意した燃料電池用材料A0〜A5,B1〜B6,C1〜C6,D1〜D6およびE1〜E6を含む空気極形成用組成物を用い、これらの燃料電池用材料に含まれるAgのマイグレーション性について評価した。すなわち、各空気極形成用組成物を絶縁基板(ガドリニウムドープセリア:GDC)上に50μmの厚みで塗布し、700〜900℃で焼成して評価用の空気極を形成した。この評価用の空気極に対し、700℃の空気中で50Vの電圧を印加したときの当該空気極の電気抵抗を測定し、5分間以内に導通が取れるかどうか(すなわち、5分間以内に絶縁基板が短絡するかどうか)でAgの耐マイグレーション性を評価した。その結果を、表2の「Ag耐マイグレーション」の欄に記した。なお、表2に示した評価記号は、以下の内容を意味する。
×:短絡時間が5分間以内であり、空気極内でAgイオンが移動しやすい。
○:5分間を超えて短絡が確認できず、空気極内でAgイオンの移動が抑制されている。
[Ag migration resistance evaluation]
Migration of Ag contained in these fuel cell materials using the composition for forming an air electrode containing the fuel cell materials A0 to A5, B1 to B6, C1 to C6, D1 to D6 and E1 to E6 prepared above. Sexuality was evaluated. That is, each air electrode forming composition was applied to an insulating substrate (gadolinium-doped ceria: GDC) with a thickness of 50 μm and baked at 700 to 900 ° C. to form an evaluation air electrode. For this air electrode for evaluation, the electrical resistance of the air electrode when a voltage of 50 V is applied in air at 700 ° C. is measured, and whether conduction can be obtained within 5 minutes (ie, insulation within 5 minutes) Whether the substrate is short-circuited) was evaluated for Ag migration resistance. The result is shown in the column of “Ag migration resistance” in Table 2. The evaluation symbols shown in Table 2 mean the following contents.
X: Short circuit time is less than 5 minutes, and Ag ion moves easily in an air electrode.
○: Short circuit cannot be confirmed over 5 minutes, and movement of Ag ions is suppressed in the air electrode.

[評価]
表2に示されるように、燃料電池用材料A0を用いて形成した空気極については、Ag成分を含まないLSCFから構成されるため、電界中に置かれても絶縁基板を短絡させることはなかった。一方で、LSCFとAg粉末とを混合して得られた燃料電池用材料A1〜A5を用いて空気極を形成した場合は、混合したAg粉末の割合に関わらず短時間で電界により絶縁基板が短絡し、絶縁基板中にAg成分が容易に拡散し得ることが確認された。
一方の、Ag成分をペロブスカイト型酸化物の結晶構造内に固溶させた燃料電池用材料を用いて形成した空気極については、Ag成分の導入割合がモル比で0.15に満たなければ(すなわち、燃料電池用材料B1〜B5,C1〜C5,D1〜D5およびE1〜E5である。)、電界中でも絶縁基板を短絡させることはなかった。換言すると、Ag成分は固溶化処理によりペロブスカイト型酸化物の結晶構造内に導入されることで、電界中でも結晶構造内に留められ、絶縁基板中への拡散が抑制されることがわかった。かかるAg成分の拡散抑制の効果は、空気極を主として構成するペロブスカイト型酸化物の組成には大きく依存しないことも確認された。しかしながら、Ag成分の導入割合がモル比で0.15以上となると、Agを結晶構造内に安定して留めておくことができず、Ag成分の拡散が生じやすくなることがわかった。
[Evaluation]
As shown in Table 2, the air electrode formed using the fuel cell material A0 is composed of LSCF that does not contain an Ag component, and therefore does not short-circuit the insulating substrate even when placed in an electric field. It was. On the other hand, when the air electrode is formed using the fuel cell materials A1 to A5 obtained by mixing the LSCF and the Ag powder, the insulating substrate is formed by the electric field in a short time regardless of the ratio of the mixed Ag powder. It was confirmed that the Ag component could be easily diffused in the insulating substrate due to a short circuit.
On the other hand, for the air electrode formed using the fuel cell material in which the Ag component is solid-solved in the crystal structure of the perovskite oxide, the introduction ratio of the Ag component is less than 0.15 in molar ratio ( That is, fuel cell materials B1 to B5, C1 to C5, D1 to D5, and E1 to E5), and the insulating substrate was not short-circuited even in an electric field. In other words, it was found that the Ag component was introduced into the crystal structure of the perovskite oxide by the solution treatment, so that the Ag component was retained in the crystal structure even in an electric field, and diffusion into the insulating substrate was suppressed. It was also confirmed that the effect of suppressing the diffusion of the Ag component does not greatly depend on the composition of the perovskite oxide mainly constituting the air electrode. However, it has been found that when the introduction ratio of the Ag component is 0.15 or more in terms of molar ratio, Ag cannot be stably retained in the crystal structure, and the Ag component tends to diffuse.

[セル性能評価]
上記で得られたセルA0〜A5,B1〜B6,C1〜C6,D1〜D6およびE1〜E6について、600℃で運転した際の発電性能を評価した。すなわち、各評価用セルに対し、600℃の環境下で、空気極に水素(H)を50ml/min、空気極にAirを100ml/minで供給したときの評価用セルの出力を測定し、セルの単位面積当たりの出力(出力密度)を算出した。その結果を、表2の「セル性能」の欄に記した。
[Cell performance evaluation]
The cells A0 to A5, B1 to B6, C1 to C6, D1 to D6, and E1 to E6 obtained above were evaluated for power generation performance when operated at 600 ° C. That is, for each evaluation cell, in an environment of 600 ° C., the output of the evaluation cell was measured when hydrogen (H 2 ) was supplied to the air electrode at 50 ml / min and Air was supplied to the air electrode at 100 ml / min. The output (power density) per unit area of the cell was calculated. The results are shown in the column of “Cell performance” in Table 2.

セル性能については、セルA0〜A5、B1〜B6の比較から、燃料電池用材料に含まれるAg成分の割合が増えるほど高くなる傾向にあることが確認できた。すなわち、空気極に含まれるAg成分によって空気極の導電性および触媒機能が高められ、その割合が多くなるほどセルの出力も向上されることが確認できた。しかしながら、かかるセル性能の向上効果は、Ag成分の割合がモル比で0.15程度になると上げ止まることが確認された。また、Ag成分を混合した燃料電池用材料を用いたセルA1〜A5と、Ag成分を固溶化させた燃料電池用材料を用いたセルB1〜B5とでは、セル性能に違いは見られず、Agの存在形態がセル性能には影響を与えないこともわかった。
なお、燃料電池用材料に含まれるAg成分の割合が増えるほどセル性能が向上されることは、セルC1〜C6,D1〜D6およびE1〜E6についてもおおむね同じ傾向が見られた。しかしながら、セル性能自体は、空気極を主として構成するペロブスカイト型酸化物の組成に大きく依存すること、その組成によりAg成分によるセル性能の向上効果の度合いも変わること等が示された。
About cell performance, it has confirmed from the comparison of cell A0-A5, B1-B6 that it exists in the tendency which becomes high, so that the ratio of the Ag component contained in a fuel cell material increases. That is, it has been confirmed that the Ag component contained in the air electrode enhances the conductivity and catalytic function of the air electrode, and the cell output is improved as the ratio increases. However, it was confirmed that the effect of improving the cell performance stopped when the ratio of the Ag component reached about 0.15 in terms of molar ratio. In addition, there is no difference in cell performance between the cells A1 to A5 using the fuel cell material mixed with the Ag component and the cells B1 to B5 using the fuel cell material in which the Ag component is solidified, It was also found that the presence form of Ag does not affect the cell performance.
In addition, the same tendency was seen about the cells C1-C6, D1-D6, and E1-E6 that cell performance improved, so that the ratio of the Ag component contained in a fuel cell material increased. However, it has been shown that the cell performance itself greatly depends on the composition of the perovskite oxide mainly constituting the air electrode, and the degree of improvement in cell performance by the Ag component varies depending on the composition.

[セル劣化率評価]
また、上記で得られたセルA0〜A5,B1〜B6,C1〜C6,D1〜D6およびE1〜E6について、600℃で運転した際のセルの劣化率を評価した。すなわち、各評価用セルに対し、600℃の環境下で、基準出力を0.5A/cmとする定電流モードで発電するように、空気極に水素(H)を、空気極にAirを供給した。そして、かかる定電流モードでの発電を100時間行った前後での各評価用セルの出力を測定し、その低下割合を劣化率として表2に示した。
[Evaluation of cell deterioration rate]
Moreover, the cell A0 to A5, B1 to B6, C1 to C6, D1 to D6, and E1 to E6 obtained above were evaluated for the cell deterioration rate when operated at 600 ° C. That is, for each evaluation cell, hydrogen (H 2 ) is supplied to the air electrode and Air to the air electrode so that power is generated in a constant current mode with a reference output of 0.5 A / cm 2 in an environment of 600 ° C. Supplied. And the output of each cell for evaluation before and after performing the electric power generation in this constant current mode for 100 hours was measured, and the reduction rate is shown in Table 2 as the deterioration rate.

セル劣化率は、概ね、Ag耐マイグレーション特性と同様の傾向が見られた。すなわち、上記のAg耐マイグレーション特性が良好(○)であったセルについては、セル劣化率も0.4%以下と低い値に抑えられていた。しかし、Ag耐マイグレーション特性が不良(×)であったセルについては、セル劣化率が0.5%以上で、かつAg成分の割合が増加するに伴い劣化率も急激に高い値をとり得ることがわかった。
なお、セルB1〜B6,C1〜C6,D1〜D6およびE1〜E6の結果から、Ag成分の割合がモル比で0.15に達すると、セル劣化率が0.4%以下から、2.3%以上へと、急激に上昇することがわかった。これは、SOFCの運転環境においてペロブスカイト型の結晶構造にAgが安定して固溶されるのが、モル比で0.15未満程度であることを示唆している。なお、セル劣化率自体は、空気極を主として構成するペロブスカイト型酸化物の組成にさほど大きく依存しないことが確認できた。
The cell deterioration rate generally showed the same tendency as the Ag migration resistance. That is, the cell deterioration rate was suppressed to a low value of 0.4% or less for the cells having good (A) Ag migration resistance characteristics. However, for cells with poor migration resistance (x), the cell deterioration rate is 0.5% or more, and the deterioration rate can take a high value rapidly as the proportion of the Ag component increases. I understood.
From the results of the cells B1 to B6, C1 to C6, D1 to D6, and E1 to E6, when the ratio of the Ag component reaches 0.15 in terms of molar ratio, the cell deterioration rate decreases from 0.4% or less. It was found that it rose rapidly to over 3%. This suggests that Ag is stably dissolved in the perovskite crystal structure in the SOFC operating environment at a molar ratio of less than about 0.15. It has been confirmed that the cell deterioration rate itself does not greatly depend on the composition of the perovskite oxide mainly constituting the air electrode.

Figure 2015099744
Figure 2015099744

以上のことから、ここに開示される燃料電池用材料は、例えば、高温の電界中に置かれても結晶構造内に含むAgの拡散を抑制し得ることが確認できた。また、かかる燃料電池用材料を用いてSOFCの空気極を形成することで、出力特性に優れ、かつ耐久性に優れたSOFCが実現されることが確認された。かかる優れたイオン電子混合導電性を備える燃料電池用材料は、SOFCの空気極を構成するのに好適なのはもちろんのこと、例えば、かかる空気極とインターコネクタとの間に配設される集電体を構成するのにも、好ましく用いることができる。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
From the above, it has been confirmed that the fuel cell material disclosed herein can suppress diffusion of Ag contained in the crystal structure even when placed in a high-temperature electric field. It has also been confirmed that by forming an SOFC air electrode using such a fuel cell material, an SOFC having excellent output characteristics and durability can be realized. Such a fuel cell material having excellent ionic / electron mixed conductivity is suitable for constituting the SOFC air electrode, for example, a current collector disposed between the air electrode and the interconnector. Can also be used preferably.
As mentioned above, although the specific example of this invention was demonstrated in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.

1 SOFCシステム
10,10A,10B 単セル
20 接合部
22 固体電解質
24 空気極(カソード)
26 燃料極(アノード)
30,30A,30B インターコネクタ
32 ,34 セル対向面
33 空気流路
35 燃料ガス流路
100 スタックセル
1 SOFC system 10, 10A, 10B Single cell 20 Junction 22 Solid electrolyte 24 Air electrode (cathode)
26 Fuel electrode (anode)
30, 30A, 30B Interconnectors 32, 34 Cell facing surface 33 Air flow path 35 Fuel gas flow path 100 Stack cell

Claims (7)

ペロブスカイト型の結晶構造を有し、
前記結晶構造内にAgが固溶されている酸化物からなる、燃料電池用材料。
It has a perovskite crystal structure,
A fuel cell material comprising an oxide in which Ag is dissolved in the crystal structure.
前記酸化物は、下記の一般式:
(Ln1−x,Ae)(M1−yAg)O3−δ
(式中、Lnはランタノイドから選択される1種または2種以上の元素であり、AeはCa,SrおよびBaからなる群から選択される1種または2種以上の元素であり、MはCo,Mn,Cr,Cu,Fe,NiおよびTiからなる群から選択される1種または2種以上の元素であって、xおよびyはそれぞれ、0≦x<1、0<y<0.15を満たし、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である)
で示される、請求項1に記載の燃料電池用材料。
The oxide has the following general formula:
(Ln 1-x , Ae x ) (M 1-y Ag y ) O 3-δ
(Wherein Ln is one or more elements selected from lanthanoids, Ae is one or more elements selected from the group consisting of Ca, Sr and Ba, and M is Co , Mn, Cr, Cu, Fe, Ni, and Ti, one or more elements selected from the group consisting of Ti, and x and y are 0 ≦ x <1, 0 <y <0.15, respectively. And δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition)
The fuel cell material according to claim 1, which is represented by:
前記Mは、CoまたはFeあるいはその両方である、請求項1または2に記載の燃料電池用材料。 The fuel cell material according to claim 1, wherein the M is Co or Fe or both. 前記yは、0.0001≦y≦0.1を満たす、請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池用材料。   The fuel cell material according to claim 1, wherein y satisfies 0.0001 ≦ y ≦ 0.1. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池用材料から構成されている、燃料電池構成部材。   A fuel cell constituent member comprising the fuel cell material according to claim 1. 固体酸化物形燃料電池の空気極であって、請求項5に記載の燃料電池構成部材からなる、空気極。   It is an air electrode of a solid oxide fuel cell, Comprising: The air electrode which consists of a fuel cell structural member of Claim 5. 請求項6に記載の空気極を備えている、固体酸化物形燃料電池。   A solid oxide fuel cell comprising the air electrode according to claim 6.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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