JP2015185321A - Air electrode for solid oxide fuel batteries, and solid oxide fuel battery cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、新規材料を用いた固体酸化物形燃料電池用空気極及び固体酸化物形燃料電池セルに関する。 The present invention relates to an air electrode for a solid oxide fuel cell and a solid oxide fuel cell using a novel material.
固体酸化物形燃料電池の空気極材料としては(1)(Ln+A)(Mn、Fe、Co)O3系のペロブスカイト型酸化物(Ln=La〜Yb;A=Ca、Sr、Ba、Pb)、(2)Ln2MO4系K2NiF4型酸化物(Ln=La,Pr,Nb:M=Ni,Cu)、(3)パイロクロア型酸化物(一般式:A2B2O7)、(4)ブラウンミラーライト型酸化物(一般式:A2B2O5)、(5)スピネル型酸化物(一般式:AB2O4)が例示される(非特許文献1など参照)。 As an air electrode material of a solid oxide fuel cell, (1) (Ln + A) (Mn, Fe, Co) O 3 -based perovskite oxide (Ln = La to Yb; A = Ca, Sr, Ba, Pb) (2) Ln 2 MO 4 system K 2 NiF 4 type oxide (Ln = La, Pr, Nb: M = Ni, Cu), (3) Pyrochlore type oxide (general formula: A 2 B 2 O 7 ) (4) Brown mirror light type oxide (general formula: A 2 B 2 O 5 ), (5) Spinel type oxide (general formula: AB 2 O 4 ) (see Non-Patent Document 1 etc.) .
これらの空気極材料のうち(1)の材料について多様な報告が為されている。例えば(La、Sr)MnO3系、(La、Sr)CoO3系、(La、Sr)(Co、Fe)O3系が挙げられており、その中でも(La、Sr)(Co、Fe)O3系は電極活性が高く、且つ、電解質との熱膨張ギャップが比較的小さく最も使用されている材料である。 Among these air electrode materials, various reports have been made on the material (1). For example, (La, Sr) MnO 3 system, (La, Sr) CoO 3 system, (La, Sr) (Co, Fe) O 3 system are mentioned, and among them (La, Sr) (Co, Fe) O 3 system is the most used material having high electrode activity and a relatively small thermal expansion gap with the electrolyte.
しかしながら(La、Sr)(Co、Fe)O3系材料も空気極としての理想的な特性を有するものとは言い難く、例えばZrO2系電解質と反応してしまうため、当該空気極材料と電解質の間にCeO2系反応防止層を導入しなければ利用できない。従って更に理想的な特性をもつ材料を追求する試みが為されている。 However, it is difficult to say that (La, Sr) (Co, Fe) O 3 -based materials also have ideal characteristics as an air electrode. For example, since they react with a ZrO 2 -based electrolyte, the air electrode material and the electrolyte It cannot be used unless a CeO2 reaction preventing layer is introduced between them. Attempts have therefore been made to pursue materials with more ideal properties.
本発明は上記実情に鑑み完成されたものであり、固体酸化物形燃料電池の空気極に用いたときに従来材料とは異なる特性を示すことが期待される新規材料を用いた固体酸化物形燃料電池用空気極及びそれを用いた固体酸化物形燃料電池セルを提供することを解決すべき課題とする。 The present invention has been completed in view of the above circumstances, and is a solid oxide type using a new material expected to exhibit characteristics different from those of conventional materials when used in an air electrode of a solid oxide fuel cell. An object to be solved is to provide an air electrode for a fuel cell and a solid oxide fuel cell using the same.
(A)上記課題を解決する本発明の固体酸化物形燃料電池用空気極は、下記一般式(1)で表されるアパタイト型酸化物を含有する。
式(1):(Ln10−Z−XAX)(Si6−Y-βBYMβ)O27−α
(A) The air electrode for a solid oxide fuel cell of the present invention that solves the above problems contains an apatite-type oxide represented by the following general formula (1).
Equation (1) :( Ln 10-Z -X A X) (Si 6-Y-β B Y M β) O 27-α
(上記式(1)中、0≦X≦2.0、0≦Y≦3.0、X+Y>0、0<β≦3.0、Y+β≦4.0であり;LnはLa、Pr、及びNdのうちの少なくとも1種を含み;AはMg、Ca、Sr、及びBaのうちの少なくとも1種を含み;BはMg、Fe、Al、B、Ga、Ge、及びPのうちの少なくとも1種を含み;MはTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Ru、Ta、及びWのうちの少なくとも1種を含む。) (In the above formula (1), 0 ≦ X ≦ 2.0, 0 ≦ Y ≦ 3.0, X + Y> 0, 0 <β ≦ 3.0, Y + β ≦ 4.0; Ln is La, Pr, And at least one of Nd; A includes at least one of Mg, Ca, Sr, and Ba; B includes at least one of Mg, Fe, Al, B, Ga, Ge, and P M includes at least one of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Ru, Ta, and W.)
この材料は固体酸化物形燃料電池用空気極として作動可能であり、新規な材料からなる固体酸化物形燃料電池用空気極が提供できる。従来、MにてSiサイトが置換されていないアパタイト型酸化物であるLa10(Si5.8Al0.2)OXについてイオン伝導性の発現が報告されており電解質への応用が期待されていた。このアパタイト型酸化物はイオン伝導性をもつ一方、電子伝導性は殆ど示さなかった。本発明者らはSiサイトをMにて置換することでイオン伝導性に加えて電子伝導性も発現できるとの発見に基づき本発明を完成した。 This material can operate as an air electrode for a solid oxide fuel cell, and an air electrode for a solid oxide fuel cell made of a novel material can be provided. Conventionally, the expression of ionic conductivity has been reported for La 10 (Si 5.8 Al 0.2 ) O X , which is an apatite type oxide in which the Si site is not replaced by M, and application to an electrolyte is expected. It was. While this apatite type oxide has ionic conductivity, it showed almost no electronic conductivity. The present inventors have completed the present invention based on the discovery that by replacing the Si site with M, electron conductivity can be expressed in addition to ion conductivity.
(B)上述の(A)の発明は以下の構成を採用することができる。前記一般式(1)中、LnがLa、BがAl、MがRu、Xが0、Yが0.2、βが3.0である。 (B) The following configuration can be adopted in the invention of (A). In the general formula (1), Ln is La, B is Al, M is Ru, X is 0, Y is 0.2, and β is 3.0.
この材料を採用した固体酸化物形燃料電池用空気極は酸素イオン伝導性及び電子伝導性を示すなど空気極として求められる性能を充分に発揮できる。また、電解質との反応性もそれ程顕著ではなく、電解質との熱膨張係数のギャップも充分に小さいものである。 An air electrode for a solid oxide fuel cell employing this material can sufficiently exhibit the performance required for an air electrode, such as oxygen ion conductivity and electron conductivity. Further, the reactivity with the electrolyte is not so remarkable, and the gap of the thermal expansion coefficient with the electrolyte is sufficiently small.
(C)上記課題を解決する本発明の固体酸化物形燃料電池セルは、上述の(A)又は(B)に記載の固体酸化物形燃料電池用空気極と、燃料極と、前記空気極及び前記燃料極に挟持される固体電解質とを有する。 (C) A solid oxide fuel cell according to the present invention that solves the above-described problems includes an air electrode for a solid oxide fuel cell according to the above (A) or (B), a fuel electrode, and the air electrode. And a solid electrolyte sandwiched between the fuel electrodes.
これによれば、新規な材料から構成された固体酸化物形燃料電池用空気極を備えることから従来とは異なる特性をもつことが期待できる。 According to this, since the air electrode for a solid oxide fuel cell composed of a novel material is provided, it can be expected to have different characteristics from the conventional one.
以下、本発明による固体酸化物形燃料電池用空気極及び固体酸化物形燃料電池セルについて実施形態に基づき説明する。 Hereinafter, an air electrode for a solid oxide fuel cell and a solid oxide fuel cell according to the present invention will be described based on embodiments.
(固体酸化物形燃料電池用空気極)
本実施形態の空気極は固体酸化物形燃料電池(SOFC)の空気極に用いられる。SOFC用空気極の形態は特に限定されず、下記一般式(1)に記載の組成式にて示されるアパタイト型酸化物をもつことを特徴とする。つまり、LnとSiとOとからなるアパタイト型酸化物構造をもち、Lnサイトが元素Aにて、Siサイトが元素B及び/又は元素Mにて、それぞれ置換されていることがある構造をもつ酸化物にて形成される。
(Air electrode for solid oxide fuel cell)
The air electrode of this embodiment is used as an air electrode of a solid oxide fuel cell (SOFC). The form of the SOFC air electrode is not particularly limited, and is characterized by having an apatite type oxide represented by the composition formula shown in the following general formula (1). That is, it has an apatite type oxide structure composed of Ln, Si, and O, and has a structure in which the Ln site may be substituted with the element A and the Si site may be substituted with the element B and / or the element M, respectively. It is made of oxide.
式(1):(Ln10−Z−XAX)(Si6−Y-βBYMβ)O27−α
ここで、XはLnサイトを元素Aにて置換する程度を示しており、0≦X≦2.0である。
Equation (1) :( Ln 10-Z -X A X) (Si 6-Y-β B Y M β) O 27-α
Here, X indicates the degree of substitution of the Ln site with the element A, and 0 ≦ X ≦ 2.0.
ZはLnサイトの欠陥の程度を表す数値で有り、結晶構造がアパタイト型を示す限りにおいて特に限定しない。例えばZ=0.67が挙げられ、Z<0.67がより好ましい範囲として挙げられる。 Z is a numerical value representing the degree of defects at the Ln site, and is not particularly limited as long as the crystal structure exhibits an apatite type. For example, Z = 0.67 is mentioned, and Z <0.67 is mentioned as a more preferable range.
YはSiサイトを元素Bにて置換する程度を示しており、0≦Y≦3.0である。なお、Lnサイトが元素Aにて置換されているか、Siサイトが元素Bにて置換されているかのうちの何れかはイオン伝導性向上のために必須であるため、X+Y>0である。 Y indicates the degree of substitution of the Si site with the element B, and 0 ≦ Y ≦ 3.0. Note that whether the Ln site is substituted with the element A or the Si site is substituted with the element B is indispensable for improving ion conductivity, and therefore X + Y> 0.
βはSiサイトを元素Mにて置換する程度を示しており、0<β≦3.0である。βの下限としてはβ=1.0を採用できる。Y+β≦4.0であり、好ましい範囲としてはY+β≦3.2である。 β indicates the degree of substitution of the Si site with the element M, and 0 <β ≦ 3.0. As the lower limit of β, β = 1.0 can be adopted. Y + β ≦ 4.0, and a preferable range is Y + β ≦ 3.2.
αは酸素の欠陥の程度を示す値であり、結晶構造がアパタイト型を示す限りにおいて特に限定しない。例えばα<1.0が挙げられ、α<0.5がより好ましい範囲として挙げられる。 α is a value indicating the degree of oxygen defects and is not particularly limited as long as the crystal structure exhibits an apatite type. For example, α <1.0 is mentioned, and α <0.5 is mentioned as a more preferable range.
LnはLa、Pr、及びNdのうちの少なくとも1種を含み、La、Prが好ましく、Laがより好ましい。AはMg、Ca、Sr、及びBaのうちの少なくとも1種を含み、Ba,Srの中から選択されることが望ましく、更にはSrの中から選択されることがより好ましい。BはMg、Fe、Al、B、Ga、Ge、及びPのうちの少なくとも1種を含み、Mg,Fe,Alの中から選択されることが望ましく、更にはAl,Feの中から選択されることがより好ましい。MはTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Ru、Ta、及びWのうちの少なくとも1種を含み、V,Ni,Co,Ru,Wの中から選択されることが望ましく、更にはV,Ru,Wの中から選択されることがより好ましい。 Ln includes at least one of La, Pr, and Nd, preferably La and Pr, and more preferably La. A includes at least one of Mg, Ca, Sr, and Ba, and is preferably selected from Ba and Sr, and more preferably selected from Sr. B includes at least one of Mg, Fe, Al, B, Ga, Ge, and P, and is preferably selected from Mg, Fe, and Al, and further selected from Al and Fe. More preferably. M includes at least one of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Ru, Ta, and W, and is selected from V, Ni, Co, Ru, and W It is desirable that V, Ru, and W be selected.
・製造方法
SOFC用空気極を製造する方法としては、まず目的とする元素(Ln、A、B、及びM)を含む出発原料を混合して反応させることによりアパタイト型酸化物からなる材料を製造する。アパタイト型酸化物を製造してから別の工程にて最終的な空気極の形態になるように成形することもできるし、アパタイト型酸化物を生成する際に同時に空気極の形態に至るようにしても良い。
・ Manufacturing method As a method of manufacturing an SOFC air electrode, first, a material composed of an apatite oxide is manufactured by mixing and reacting starting materials containing the target elements (Ln, A, B, and M). To do. After the apatite type oxide is manufactured, it can be formed into a final air electrode shape in a separate process, and at the same time when the apatite type oxide is formed, the air electrode shape is reached. May be.
混合はできるだけ均一な状態にまで行うことで反応により製造される酸化物も均質な組成に近づく。混合は出発原料が液体に溶解可能である場合には溶液として行うことが好ましく、固体状態で混合する場合にはいわゆる粉砕操作により行うことが望ましい。粉砕操作にて混合する場合には液体状の媒体中で行うことで混合物の更なる均質化が達成できる。液体状媒体としてはエタノール、メタノール、プロパノールなどの低級アルコール、水、アセトンなどが挙げられる。 Mixing is carried out to as uniform a state as possible, so that the oxide produced by the reaction approaches a homogeneous composition. The mixing is preferably performed as a solution when the starting material can be dissolved in a liquid, and is preferably performed by a so-called pulverization operation when mixing in a solid state. When mixing by a pulverization operation, further homogenization of the mixture can be achieved by carrying out in a liquid medium. Examples of the liquid medium include lower alcohols such as ethanol, methanol, and propanol, water, and acetone.
出発原料の反応は酸素存在下などの酸化雰囲気下、還元雰囲気下、又は不活性雰囲気下にて加熱することで行う。雰囲気の選択は出発原料における各元素の酸化状態や、化合している元素の種類などにより決定する。また、組成を整えるためには、か焼状態になるように加熱することが望ましい。 The reaction of the starting material is performed by heating in an oxidizing atmosphere such as in the presence of oxygen, a reducing atmosphere, or an inert atmosphere. The selection of the atmosphere is determined by the oxidation state of each element in the starting material, the type of the compounding element, and the like. In order to adjust the composition, it is desirable to heat the calcination state.
加熱の途中で混合操作を行うことを一回以上繰り返しても良い。加熱の温度は特に限定しないが最終的に緻密な状態にするためには最後の加熱は1500℃以上で行うことが好ましく、1600℃以上で行うことが更に好ましい。加熱時間は特に限定されず目的の組成をもつ酸化物が得られるまで行う。 You may repeat mixing operation in the middle of a heating once or more. The heating temperature is not particularly limited, but the final heating is preferably performed at 1500 ° C. or higher, and more preferably at 1600 ° C. or higher in order to finally obtain a dense state. The heating time is not particularly limited and is performed until an oxide having a target composition is obtained.
出発原料としては、製造するアパタイト型酸化物に応じて適正に選択され、製造するアパタイト型酸化物に含まれる元素を含む酸化物、水酸化物、炭酸塩、単体などが挙げられる。出発原料の混合比は例えばLn、A、B、及びMについて目的とするアパタイト型酸化物を示す組成式中の元素比になるようそれぞれに算出する。反応の途中でLn、A、B、及びMが失われない条件を採用する場合には目的の酸化物中に含まれるLn、A、B、及びMの組成比になるように混合比を決定する。 Examples of the starting material include oxides, hydroxides, carbonates, and simple substances that are appropriately selected according to the apatite type oxide to be manufactured and include elements contained in the apatite type oxide to be manufactured. For example, the mixing ratio of the starting materials is calculated so that Ln, A, B, and M each have an element ratio in the composition formula indicating the target apatite type oxide. When conditions where Ln, A, B, and M are not lost during the reaction are adopted, the mixing ratio is determined so that the composition ratio of Ln, A, B, and M contained in the target oxide is obtained. To do.
(固体酸化物形燃料電池セル)
本実施形態の固体酸化物形燃料電池セルは空気極と燃料極とこれらの間に挟持される固体電解質とをもつ。固体酸化物形燃料電池セルの形態としては特に限定されず、例えば公知の形態が採用できる。空気極は上述の本実施形態の固体酸化物形燃料電池用空気極を採用する。
(Solid oxide fuel cell)
The solid oxide fuel cell of this embodiment has an air electrode, a fuel electrode, and a solid electrolyte sandwiched between them. The form of the solid oxide fuel cell is not particularly limited, and for example, a known form can be adopted. The air electrode employs the air electrode for a solid oxide fuel cell according to the above-described embodiment.
燃料極は電子及びイオン伝導性を有すること以外は特に限定されない。例えば燃料極は、金属酸化物や金属と、安定化ジルコニアとを組み合わせた材料から形成されるものが例示される。金属酸化物としては酸化ニッケル、金属としてはニッケルが例示できる。安定化ジルコニア(部分安定化ジルコニアを含む、以下同じ。)としては希土類酸化物(例えばY2O3)を固溶させたZrO2が例示される。 The fuel electrode is not particularly limited except that it has electron and ion conductivity. For example, the fuel electrode is formed of a material obtained by combining metal oxide or metal and stabilized zirconia. An example of the metal oxide is nickel oxide, and an example of the metal is nickel. Examples of stabilized zirconia (including partially stabilized zirconia, the same shall apply hereinafter) include ZrO 2 in which a rare earth oxide (for example, Y 2 O 3 ) is dissolved.
固体電解質はイオン伝導性をもつこと以外は特に限定しない。先述の安定化ジルコニアが例示できる。 The solid electrolyte is not particularly limited except that it has ionic conductivity. The above-mentioned stabilized zirconia can be exemplified.
以下に本発明の固体酸化物形燃料電池用空気極及びそれを用いた固体酸化物形燃料電池セルについて実施例に基づき詳細に説明する。 Hereinafter, an air electrode for a solid oxide fuel cell of the present invention and a solid oxide fuel cell using the same will be described in detail based on examples.
・アパタイト型酸化物及びそれを用いた固体酸化物形燃料電池セルの製造
La10(Si2.8Al0.2Ru3.0)O27−αの組成式をもつアパタイト型酸化物(酸化物A)を製造した。これは一般式(1)においてLnがLa、BがAl、MがRuであり、Xが0、Yが0.2、βが3.0、Z=0の酸化物である。
· Apatite type oxides and solid oxide production La 10 (Si 2.8 Al 0.2 Ru 3.0) of the fuel cell O 27-alpha apatite type oxide having a composition formula of using the same (oxidation Article A) was produced. In the general formula (1), Ln is La, B is Al, M is Ru, and X is 0, Y is 0.2, β is 3.0, and Z = 0.
出発原料としてはLa2O3、SiO2、Al2O3、RuO2を酸化物Aの酸素を除く各元素の組成比になるように混合した。混合は液体状媒体としてエタノールを用いてアルミナ製乳鉢を用いて粉砕することにより行った。 As starting materials, La 2 O 3 , SiO 2 , Al 2 O 3 , and RuO 2 were mixed so as to have a composition ratio of each element excluding oxygen of oxide A. Mixing was performed by grinding with an alumina mortar using ethanol as the liquid medium.
その後、100℃で10分間放置して乾燥を行った。得られた混合物をアルミナるつぼ中にて1300℃で5時間加熱してか焼を行った。再度アルミナ乳鉢を用いて得られた反応物をそのまま粉砕した後、一軸加圧により成形した。その後、焼成して酸化物Aの焼結体を得た(焼成温度1600℃、焼成時間5時間)。得られた焼結体をアルミナ乳鉢を用いて粉末化し、樹脂成分と粉末を混合することで酸化物Aのペーストを調合した。
このペーストを安定化ジルコニアの焼結体(直径24mm、厚み1mm)に塗布し、酸化物Aからなる層である空気極22を形成。一方、他面には燃料極21としてPtペーストを塗布した。この積層体を熱処理(焼成温度900℃、焼成時間30分)することで本実施例の単セル20(固体酸化物形燃料電池セル)を形成した。
空気極ならびに燃料極の厚みはそれぞれ約10μmである。
Then, it was left to dry at 100 ° C. for 10 minutes. The obtained mixture was calcined by heating at 1300 ° C. for 5 hours in an alumina crucible. The reaction product obtained again using an alumina mortar was pulverized as it was, and then molded by uniaxial pressing. Then, it baked and the sintered compact of the oxide A was obtained (baking temperature 1600 degreeC, baking time 5 hours). The obtained sintered body was pulverized using an alumina mortar, and a paste of oxide A was prepared by mixing the resin component and the powder.
This paste is applied to a sintered body of stabilized zirconia (diameter 24 mm, thickness 1 mm) to form an
Each of the air electrode and the fuel electrode has a thickness of about 10 μm.
酸化物Aと同様の製造方法にて酸化物B〔La10(Si5.8Al0.2)OX〕を製造した。出発原料は酸化物Bの組成に合わせて選択した。 Oxide B [La 10 (Si 5.8 Al 0.2 ) O x ] was produced by the same production method as for oxide A. The starting material was selected according to the composition of oxide B.
・発電試験
この単セル20を保持集電装置12にて保持した状態で燃料(水蒸気を3%含む水素ガス)と空気とを流して発電状況を確認した。保持集電装置12は第1ホルダー管12aと第2ホルダー管12bとをもち、第1ホルダー管12aは、筒状に形成されて単セル20を燃料極21側から保持し、第2ホルダー管12bは、筒状に形成されて単セル20を空気極22側から保持した。第1ホルダー管12aと燃料極21との間には第1シール管12eが介設され、第2ホルダー管12bと空気極22との間には第2シール管12gが介設されることで気密化された。第1及び第2シール管12e及び12gは筒状のガラス材から構成された。燃料極21と空気極22とのそれぞれの表面には第1電極体12iと第2電極体12jとが配設され生じた起電力を測定機30に導線31及び32を通じて導出している。第1電極体12iと第2電極体12jとはそれぞれ白金製のメッシュ状部材から構成されている。
-Electricity generation test In the state which hold | maintained this
第1ホルダー管12aには、径が小さい第1ガス導入管12kが同軸的に配設される。同じように、第2ホルダー管12bにも、径が小さい第2ガス導入管12lが同軸的に配設される。第1ガス導入管12kは第1電極体12iに先端が当接しており、第2ガス導入管12lは第2電極体12jに先端が当接している。第1ガス導入管12kは燃料ガスを供給し、第1電極体12i内を通じて燃料極21に燃料ガスを供給する。反応に供された燃料オフガスは第1ホルダー管12aと第1ガス導入管12kとの間隙を戻っていく。第2ガス導入管12lは空気を供給し、第2電極体12j内を通じて空気極22に空気を供給する。反応に供された空気オフガスは第2ホルダー管12bと第2ガス導入管12lとの間隙を戻っていく。
A first gas introduction pipe 12k having a small diameter is coaxially disposed in the first holder pipe 12a. Similarly, the second
発電状況の確認は単セル20の温度を800℃から600℃に降温しながら起電力を測定することで行った。参考例として安定化ジルコニアの両面にPtを焼き付けた単セルを用意して同様に起電力を測定した。結果を図2に示す。図2には実施例の単セル(アパタイトカソード:△)、参考例の単セル(Ptカソード:◆)、理論値(破線)の3つの電位を記載した。
The power generation status was confirmed by measuring the electromotive force while lowering the temperature of the
図2から明らかなように、Ptを用いた参考例と理論値とがほぼ一致していること、そして、実施例の単セルはその理論値と殆ど同じか僅かに下回る程度でほぼ理論値と同等の起電力を示すことが分かった。 As is clear from FIG. 2, the theoretical value and the reference example using Pt almost coincide with each other, and the unit cell of the example is almost the same as or slightly lower than the theoretical value. It was found to show an equivalent electromotive force.
・酸化物Aの分析(X線回折)
酸化物AについてX線回折装置を用いてXRDを測定した。結果を図3に示す。図3の分析から明らかなように、観測されたピークは不純術由来のもの(La2O3系に由来:▼、由来不明:◇)も確認されたものの、アパタイト型の結晶構造に由来するピーク(La−Si系アパタイト:●)が主構造であることが明らかになった。
・ Analysis of oxide A (X-ray diffraction)
XRD of oxide A was measured using an X-ray diffractometer. The results are shown in FIG. As is clear from the analysis of FIG. 3, the observed peak was derived from an apatite-type crystal structure although it was also confirmed that it was derived from impure surgery (derived from La 2 O 3 system: ▼, unknown origin: ◇). It became clear that the peak (La-Si apatite: ●) was the main structure.
・酸化物Aの分析(導電率の測定:アレニウスプロット)
酸化物Aと酸化物Bとについて空気中での導電率を測定した。導電率の測定は温度を約770Kから約1100Kまで変化させながら直流4端子法にて測定した。結果を図4に示す。図4から明らかなように、酸化物A(◇)の方が酸化物B(〇)よりも導電率が3桁以上高い上に活性化エネルギーも低いことが示唆された。
・ Analysis of oxide A (Measurement of conductivity: Arrhenius plot)
The electrical conductivity in the air was measured for oxide A and oxide B. The conductivity was measured by the DC four-terminal method while changing the temperature from about 770K to about 1100K. The results are shown in FIG. As is clear from FIG. 4, it was suggested that the oxide A (◇) has a conductivity higher than that of the oxide B (◯) by three orders of magnitude and also has a lower activation energy.
・酸化物Aと安定化ジルコニアとの反応性分析
前述の本実施例の単セル20を1時間、1100℃で熱処理した。その後、空気極22と電解質23との界面を分析して元素拡散の有無を確認した。
結果、元素の拡散は認められず、電解質との反応性は低いと考えられる。
-Reactivity analysis of oxide A and stabilized zirconia The
As a result, no element diffusion was observed, and the reactivity with the electrolyte is considered to be low.
・まとめ
以上の結果から、酸化物Aは、O2を2Oにする反応を生起できると共に、イオン伝導特性と電子伝導特性とを有し、更には温度が室温から600℃、更には800℃まで上昇させても電解質と分離などをすることなく発電を持続できた。また、電解質との反応性が汎用されている空気極よりも低いと考えられる。
・ Summary From the above results, the oxide A can cause a reaction to turn O 2 into 2O, and has ion conduction characteristics and electron conduction characteristics. Further, the temperature is from room temperature to 600 ° C., further to 800 ° C. Even if it was raised, power generation could be continued without separation from the electrolyte. Moreover, it is thought that the reactivity with an electrolyte is lower than the air electrode generally used.
従って、実施例の単セルに採用した酸化物Aは空気極に利用できる特性を有することが分かった。この特性はSiサイトを一部Ruにより置換したことに起因するものと考えられる。ここで、Ruと同じような電子構造をもつ元素であるTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Ta、及びWについても同様にSiサイトの一部と置換させることによって、その酸化物は固体酸化物形燃料電池の空気極に採用できることが推測された。 Therefore, it turned out that the oxide A employ | adopted as the single cell of an Example has the characteristic which can be utilized for an air electrode. This characteristic is considered to be caused by the partial replacement of the Si site with Ru. Here, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Ta, and W, which are elements having an electronic structure similar to Ru, are similarly replaced with part of the Si site. As a result, it was speculated that the oxide could be employed in the air electrode of a solid oxide fuel cell.
12…保持集電装置 12a、12b…第1及び第2ホルダー管 12i、12j…第1及び第2電極体 12k及び12l…第1及び第2ガス導入管
20…単セル(固体酸化物形燃料電池セル) 21…燃料極 22…空気極 23…電解質 30…測定機
DESCRIPTION OF
Claims (3)
式(1):(Ln10−Z−XAX)(Si6−Y-βBYMβ)O27−α
(上記式(1)中、0≦X≦2.0、0≦Y≦3.0、X+Y>0、0<β≦3.0、Y+β≦4.0であり;LnはLa、Pr、及びNdのうちの少なくとも1種を含み;AはMg、Ca、Sr、及びBaのうちの少なくとも1種を含み;BはMg、Fe、Al、B、Ga、Ge、及びPのうちの少なくとも1種を含み;MはTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Ru、Ta、及びWのうちの少なくとも1種を含む。) An air electrode for a solid oxide fuel cell containing an apatite oxide represented by the following general formula (1).
Equation (1) :( Ln 10-Z -X A X) (Si 6-Y-β B Y M β) O 27-α
(In the above formula (1), 0 ≦ X ≦ 2.0, 0 ≦ Y ≦ 3.0, X + Y> 0, 0 <β ≦ 3.0, Y + β ≦ 4.0; Ln is La, Pr, And at least one of Nd; A includes at least one of Mg, Ca, Sr, and Ba; B includes at least one of Mg, Fe, Al, B, Ga, Ge, and P M includes at least one of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Ru, Ta, and W.)
燃料極と、
前記空気極及び前記燃料極に挟持される固体電解質を有する固体酸化物形燃料電池セル。 An air electrode for a solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2,
An anode,
A solid oxide fuel cell having a solid electrolyte sandwiched between the air electrode and the fuel electrode.
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