JP2015201419A - Fuel battery cell - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel battery cell capable of improving durability.SOLUTION: An air electrode material used in an air electrode 14 of a fuel battery cell 10 contains (Co,Fe)Oand a perovskite oxide represented by general formula ABOwith A sites containing at least one of La and Sr. The (Co,Fe)Ocontent in the air electrode material is from 0.23 wt.% to 8.6 wt.% inclusive.

Description

本発明は、燃料電池セルに関する。   The present invention relates to a fuel battery cell.

近年、環境問題及びエネルギー資源の有効利用の観点から、燃料電池に注目が集まっている。燃料電池は、燃料電池セル及びインターコネクタ等を備える。燃料電池セルは、一般的に、燃料極と、空気極と、燃料極および空気極の間に配置される固体電解質層と、を有している。   In recent years, attention has been focused on fuel cells from the viewpoint of environmental problems and effective use of energy resources. The fuel cell includes a fuel cell and an interconnector. In general, the fuel battery cell includes a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte layer disposed between the fuel electrode and the air electrode.

ここで、空気極の原料粉体として、例えばLSCFなどのペロブスカイト型酸化物を用いることが広く知られている(例えば、特許文献1参照)。   Here, it is widely known to use a perovskite oxide such as LSCF as the raw material powder of the air electrode (see, for example, Patent Document 1).

特開2006−32132号公報JP 2006-32132 A

しかしながら、燃料電池を用いた発電を繰り返すうちに、得られる出力が低下することがある。本発明者らは、出力の低下の原因の1つが空気極の劣化によるものであり、この空気極の劣化は内部に導入される(Co,Fe)の割合に関係することを新たに見出した。 However, as power generation using the fuel cell is repeated, the obtained output may decrease. The present inventors have newly stated that one of the causes of the decrease in output is due to the deterioration of the air electrode, and this deterioration of the air electrode is related to the ratio of (Co, Fe) 3 O 4 introduced into the inside. I found it.

本発明は、このような新たな知見に基づくものであって、耐久性を向上可能な燃料電池セルを提供することを目的とする。   The present invention is based on such new knowledge, and an object thereof is to provide a fuel battery cell capable of improving durability.

本発明に係る燃料電池セルは、燃料極と、ペロブスカイト型酸化物によって構成される主相と、(Co,Fe)によって構成される第2相と、を含有する空気極と、燃料極および空気極の間に配置される固体電解質層と、を備える。空気極の断面における第2相の面積占有率は、9.5%以下である。 The fuel cell according to the present invention includes a fuel electrode, an air electrode containing a main phase composed of a perovskite oxide, and a second phase composed of (Co, Fe) 3 O 4 , a fuel A solid electrolyte layer disposed between the electrode and the air electrode. The area occupation ratio of the second phase in the cross section of the air electrode is 9.5% or less.

本発明によれば、耐久性を向上可能な燃料電池セルを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel battery cell which can improve durability can be provided.

燃料電池セルの構成を示す断面図Sectional view showing the configuration of the fuel cell 燃料極活性層の断面のSEM画像SEM image of cross section of anode active layer SEM画像における輝度分布を256階調に分類したヒストグラムHistogram in which luminance distribution in SEM image is classified into 256 gradations 図2に示すSEM画像の画像解析結果を示す図The figure which shows the image analysis result of the SEM image shown in FIG. 燃料電池セルの構成を示す断面図Sectional view showing the configuration of the fuel cell 空気極断面のTEM画像の一例Example of TEM image of air electrode cross section 第2相におけるEDXスペクトルの一例を示すグラフGraph showing an example of EDX spectrum in the second phase 第2相におけるSAED画像の一例Example of SAED image in the second phase

次に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なっている場合がある。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, the drawings are schematic, and the ratio of each dimension may be different from the actual one. Accordingly, specific dimensions and the like should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

以下の実施形態では、燃料電池セルの一例として固体酸化物型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)を挙げて説明する。以下においては、いわゆる縦縞型燃料電池について説明するが、本発明はこれに限られず、いわゆる横縞型燃料電池にも適用可能である。   In the following embodiments, a solid oxide fuel cell (SOFC) will be described as an example of a fuel cell. In the following, a so-called vertical stripe fuel cell will be described, but the present invention is not limited to this, and can also be applied to a so-called horizontal stripe fuel cell.

(第1実施形態)
《燃料電池セル10の構成》
燃料電池セル(以下、「セル」と略称する。)10の構成について、図面を参照しながら説明する。図1は、セル10の構成を示す断面図である。
(First embodiment)
<< Configuration of Fuel Cell 10 >>
The configuration of the fuel cell (hereinafter abbreviated as “cell”) 10 will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the cell 10.

セル10は、セラミックス材料によって構成される薄板体である。セル10の厚みは、例えば300μm〜3mmであり、セル10の直径は、例えば5mm〜50mmである。複数のセル10がインターコネクタによって直列に接続されることによって、燃料電池が形成されうる。   The cell 10 is a thin plate body made of a ceramic material. The thickness of the cell 10 is, for example, 300 μm to 3 mm, and the diameter of the cell 10 is, for example, 5 mm to 50 mm. A fuel cell can be formed by connecting a plurality of cells 10 in series by an interconnector.

セル10は、燃料極11、固体電解質層12、バリア層13および空気極14を備える。   The cell 10 includes a fuel electrode 11, a solid electrolyte layer 12, a barrier layer 13, and an air electrode 14.

燃料極11は、セル10のアノードとして機能する。燃料極11は、図1に示すように、燃料極集電層111と燃料極活性層112とによって構成されている。   The fuel electrode 11 functions as an anode of the cell 10. As illustrated in FIG. 1, the fuel electrode 11 includes a fuel electrode current collecting layer 111 and a fuel electrode active layer 112.

燃料極集電層111は、遷移金属と酸素イオン伝導性物質とを含む多孔質の板状焼成体であってもよい。燃料極集電層111は、例えば、酸化ニッケル(NiO)及び/又はニッケル(Ni)とイットリア安定化ジルコニア(3YSZ、8YSZ、10YSZなど)とを含んでいてもよい。燃料極集電層111の厚みは、0.2mm〜5.0mmとすることができる。燃料極集電層111の厚みは、基板として機能する場合などには、セル10の各構成部材のうちで最も大きくてもよい。燃料極集電層111において、Ni及び/又はNiOの体積比率はNi換算で35〜65体積%とすることができ、YSZの体積比率は35〜65体積%とすることができる。なお、燃料極集電層111は、YSZに代えてイットリア(Y)を含んでいてもよい。 The anode current collecting layer 111 may be a porous plate-like fired body containing a transition metal and an oxygen ion conductive material. The anode current collecting layer 111 may include, for example, nickel oxide (NiO) and / or nickel (Ni) and yttria stabilized zirconia (3YSZ, 8YSZ, 10YSZ, etc.). The thickness of the anode current collecting layer 111 can be set to 0.2 mm to 5.0 mm. The thickness of the anode current collecting layer 111 may be the largest among the constituent members of the cell 10 when it functions as a substrate. In the anode current collecting layer 111, the volume ratio of Ni and / or NiO can be 35 to 65% by volume in terms of Ni, and the volume ratio of YSZ can be 35 to 65% by volume. The anode current collecting layer 111 may include yttria (Y 2 O 3 ) instead of YSZ.

燃料極活性層112は、燃料極集電層111および固体電解質層12の間に配置される。燃料極活性層112は、遷移金属と酸素イオン伝導性物質とを含む多孔質の板状焼成体である。燃料極活性層112は、燃料極集電層111と同様に、NiO及び/又はNiとイットリア安定化ジルコニアとを含んでいてもよい。燃料極活性層112の厚みは5.0μm〜30μmとすることができる。燃料極活性層112において、Ni及び/又はNiOの体積比率はNi換算で25〜50体積%とすることができ、YSZの体積比率は50〜75体積%とすることができる。このように、燃料極活性層112では、燃料極集電層111よりもYSZの含有率が大きくてもよい。燃料極活性層112は、YSZに代えて、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)などのジルコニア系材料を含んでいてもよい。   The anode active layer 112 is disposed between the anode current collecting layer 111 and the solid electrolyte layer 12. The anode active layer 112 is a porous plate-like fired body containing a transition metal and an oxygen ion conductive material. The anode active layer 112 may contain NiO and / or Ni and yttria-stabilized zirconia, like the anode current collecting layer 111. The thickness of the anode active layer 112 can be 5.0 μm to 30 μm. In the anode active layer 112, the volume ratio of Ni and / or NiO can be 25 to 50% by volume in terms of Ni, and the volume ratio of YSZ can be 50 to 75% by volume. Thus, the anode active layer 112 may have a higher YSZ content than the anode current collecting layer 111. The anode active layer 112 may contain a zirconia-based material such as scandia-stabilized zirconia (ScSZ) instead of YSZ.

固体電解質層12は、燃料極11とバリア層13との間に配置される。固体電解質層12は、空気極14で生成される酸素イオンを透過させる機能を有する。固体電解質層12は、ジルコニウム(Zr)を含む。固体電解質層12は、Zrをジルコニア(ZrO)として含んでもよい。固体電解質層12は、ZrOを主成分として含んでいてもよい。また、固体電解質層12は、ZrOの他に、Y及び/又はSc等の添加剤を含んでいてもよい。これらの添加剤は、安定化剤として機能する。固体電解質層12において、安定化剤のZrOに対するmol組成比(安定化剤:ZrO)は、3:97〜20:80程度であればよい。すなわち、固体電解質層12の材料としては、例えば、3YSZ、8YSZ及び10YSZなどのイットリア安定化ジルコニアやScSZなどのジルコニア系材料を挙げることができる。固体電解質層12の厚みは、3μm〜30μmとすることができる。 The solid electrolyte layer 12 is disposed between the fuel electrode 11 and the barrier layer 13. The solid electrolyte layer 12 has a function of transmitting oxygen ions generated at the air electrode 14. The solid electrolyte layer 12 contains zirconium (Zr). The solid electrolyte layer 12 may contain Zr as zirconia (ZrO 2 ). The solid electrolyte layer 12 may contain ZrO 2 as a main component. The solid electrolyte layer 12 may contain additives such as Y 2 O 3 and / or Sc 2 O 3 in addition to ZrO 2 . These additives function as stabilizers. In the solid electrolyte layer 12, mol compositional ratio of ZrO 2 stabilizer (stabilizer: ZrO 2) is 3: 97 to 20: may be about 80. That is, examples of the material for the solid electrolyte layer 12 include yttria-stabilized zirconia such as 3YSZ, 8YSZ, and 10YSZ, and zirconia-based materials such as ScSZ. The thickness of the solid electrolyte layer 12 can be 3 μm to 30 μm.

バリア層13は、固体電解質層12および空気極14の間に配置される。バリア層13は、固体電解質層12および空気極14の間に高抵抗層が形成されることを抑制する機能を有する。バリア層13の材料としては、セリウム(Ce)及びCeに固溶した希土類金属酸化物を含むセリア系材料が挙げられる。具体的に、セリア系材料としては、GDC((Ce,Gd)O:ガドリニウムドープセリア)、SDC((Ce, Sm)O:サマリウムドープセリア)等が挙げられる。バリア層13の厚みは、3μm〜20μmとすることができる。 The barrier layer 13 is disposed between the solid electrolyte layer 12 and the air electrode 14. The barrier layer 13 has a function of suppressing the formation of a high resistance layer between the solid electrolyte layer 12 and the air electrode 14. Examples of the material of the barrier layer 13 include cerium (Ce) and a ceria-based material containing a rare earth metal oxide dissolved in Ce. Specifically, examples of the ceria-based material include GDC ((Ce, Gd) O 2 : Gadolinium doped ceria), SDC ((Ce, Sm) O 2 : samarium doped ceria) and the like. The thickness of the barrier layer 13 can be 3 μm to 20 μm.

空気極14は、バリア層13上に配置される。空気極14は、セル10のカソードとして機能する。空気極14の厚みは、2μm〜100μmとすることができる。   The air electrode 14 is disposed on the barrier layer 13. The air electrode 14 functions as a cathode of the cell 10. The thickness of the air electrode 14 can be 2 μm to 100 μm.

空気極14は、一般式ABOで表され、AサイトにLa及びSrの少なくとも一方を含むペロブスカイト型酸化物を主相として含有する。ペロブスカイト型酸化物としては、例えば、ランタン含有ペロブスカイト型複合酸化物やランタンを含有しないSSC(サマリウムストロンチウムコバルタイト:(Sm,Sr)CoO)などが好適に用いられるが、これに限られるものではない。ランタン含有ペロブスカイト型複合酸化物としては、LSCF(ランタンストロンチウムコバルトフェライト:(La,Sr)CoO3)、LSF(ランタンストロンチウムフェライト:(La,Sr)FeO)、LSC(ランタンストロンチウムコバルタイト:(La,Sr)CoO)及びLNF(ランタンニッケルフェライト:La(Ni,Fe)O)などが挙げられる。ただし、空気極14は、Co(コバルト)を含有していなくてもよい。ペロブスカイト型酸化物によって構成される主相の密度は、5.5g/cm〜8.5g/cmとすることができる。 The air electrode 14 is represented by the general formula ABO 3 and contains, as a main phase, a perovskite oxide containing at least one of La and Sr at the A site. As the perovskite type oxide, for example, lanthanum-containing perovskite type composite oxide or SSC (Samarium Strontium Cobaltite: (Sm, Sr) CoO 3 ) containing no lanthanum is preferably used, but is not limited thereto. Absent. Examples of the lanthanum-containing perovskite complex oxide include LSCF (lanthanum strontium cobalt ferrite: (La, Sr) CoO 3 ), LSF (lanthanum strontium ferrite: (La, Sr) FeO 3 ), LSC (lanthanum strontium cobaltite: (La , Sr) CoO 3 ) and LNF (lanthanum nickel ferrite: La (Ni, Fe) O 3 ). However, the air electrode 14 may not contain Co (cobalt). Density of constructed main phase by perovskite oxide can be 5.5g / cm 3 ~8.5g / cm 3 .

空気極14の断面における主相の面積占有率は、87.5%以上99.75%以下とすることができる。面積占有率の算出方法については後述する。   The area occupation ratio of the main phase in the cross section of the air electrode 14 can be 87.5% or more and 99.75% or less. A method for calculating the area occupancy will be described later.

また、空気極14は、スピネル型結晶構造を有する(Co,Fe)によって構成される第2相を含有する。(Co,Fe)には、CoFeO、Co1.5Fe1.5及びCoFeなどが含まれる。第2相の密度は、5.2g/cm〜6.2g/cmとすることができる。第2相の密度は、主相の密度よりも小さくてもよい。 The air electrode 14 contains a second phase composed of (Co, Fe) 3 O 4 having a spinel crystal structure. (Co, Fe) 3 O 4 includes Co 2 FeO 4 , Co 1.5 Fe 1.5 O 4, CoFe 2 O 4, and the like. Density of the second phase can be 5.2g / cm 3 ~6.2g / cm 3 . The density of the second phase may be smaller than the density of the main phase.

空気極14の断面における第2相の面積占有率は、9.5%以下であることが好ましい。これによって、空気極内部の不活性部が低減されるため、初期出力の低下を抑制できるとともに、第2相と主相の反応によって通電時に空気極の劣化の進行を抑制できる。その結果、空気極14の耐久性をより向上させることができる。   The area occupation ratio of the second phase in the cross section of the air electrode 14 is preferably 9.5% or less. Thereby, since the inactive part inside the air electrode is reduced, it is possible to suppress a decrease in initial output, and it is possible to suppress the progress of deterioration of the air electrode during energization by the reaction between the second phase and the main phase. As a result, the durability of the air electrode 14 can be further improved.

また、第2相の面積占有率は、0.25%以上であることがより好ましい。これによって、第2相が適度に導入されて空気極14の焼結性が改善されるため、多孔質構造の骨格を強化することができる。その結果、通電時における空気極14の微構造変化が抑制され、空気極14の耐久性をより向上させることができる。   The area occupation ratio of the second phase is more preferably 0.25% or more. Thereby, since the second phase is appropriately introduced and the sinterability of the air electrode 14 is improved, the skeleton of the porous structure can be strengthened. As a result, changes in the microstructure of the air electrode 14 during energization are suppressed, and the durability of the air electrode 14 can be further improved.

また、第2相を構成する粒子の円相当平均径は、0.05μm以上かつ0.5μm以下であることが好ましい。このような範囲に第2相の円相当平均径を制御することによって、空気極14の劣化率をより低減させることができる。なお、円相当平均径とは、第2相を構成する粒子と同じ面積を有する円の直径の算術平均である。   Moreover, it is preferable that the circle | round | yen equivalent average diameter of the particle | grains which comprise a 2nd phase is 0.05 to 0.5 micrometer. By controlling the equivalent-circle average diameter of the second phase within such a range, the deterioration rate of the air electrode 14 can be further reduced. The circle equivalent average diameter is an arithmetic average of the diameters of circles having the same area as the particles constituting the second phase.

また、空気極14は、Co(四酸化三コバルト)やCoO(酸化コバルト)によって構成される第3相を含有していてもよい。ただし、空気極14の断面における第3相の面積占有率は、3.0%未満であることが好ましい。さらに、空気極14は、第2相及び第3層以外にも、主相の構成元素の酸化物を含有していてもよい。 The air electrode 14 may also contain a third phase composed of Co 3 O 4 (tricobalt tetroxide) or CoO (cobalt oxide). However, the area occupation ratio of the third phase in the cross section of the air electrode 14 is preferably less than 3.0%. Further, the air electrode 14 may contain an oxide of a constituent element of the main phase in addition to the second phase and the third layer.

《第2相の面積占有率の算出方法》
次に、図2〜図4を参照しながら、第2相の面積占有率の算出方法について説明する。
<< Calculation method of area occupancy ratio of second phase >>
Next, a method for calculating the area occupancy of the second phase will be described with reference to FIGS.

(1)SEM画像
図2は、インレンズ二次電子検出器を用いたFE−SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope:電界放射型走査型電子顕微鏡)によって倍率10000倍に拡大された空気極14の断面を示すSEM画像である。図2では、LSCF((La0.6Sr0.4)(Co0.2Fe0.8)O)を主成分として含有する空気極14の断面が示されている。なお、空気極14の断面には、精密機械研磨後に株式会社日立ハイテクノロジーズのIM4000によってイオンミリング加工処理が予め施されている。また、図2のSEM画像は、加速電圧:1kV、ワーキングディスタンス:3mmに設定されたZeiss社(ドイツ)製のFE−SEM(型式:ULTRA55)によって得られたものである。
(1) SEM image FIG. 2 is a cross section of the air electrode 14 magnified by a magnification of 10,000 times by an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) using an in-lens secondary electron detector. It is a SEM image which shows. FIG. 2 shows a cross section of the air electrode 14 containing LSCF ((La 0.6 Sr 0.4 ) (Co 0.2 Fe 0.8 ) O 3 ) as a main component. Note that the cross section of the air electrode 14 is preliminarily subjected to ion milling processing by IM4000 of Hitachi High-Technologies Corporation after precision mechanical polishing. Moreover, the SEM image of FIG. 2 was obtained by FE-SEM (model: ULTRA55) made by Zeiss (Germany) set to acceleration voltage: 1 kV and working distance: 3 mm.

図2のSEM画像では、主相(LSCF)と第2相((Co,Fe))と気孔の明暗差が異なっており、主相が“薄灰色”、第2相が“濃灰色”、気孔が“黒色”にて表示されている。このような明暗差による3値化は、画像の輝度を256階調に分類することによって実現可能である。ここで、図3は、図2に示すSEM画像の輝度分布を256階調に分類したヒストグラムである。図3に示されるように、第2相の輝度は、主相の低輝度側から気孔の高輝度側まで低頻度で検出されている。そのため、図2において、第2相は、主相よりも暗いコントラスト、かつ、気孔よりも明るいコントラストで表示されている。 In the SEM image of FIG. 2, the main phase (LSCF) and the second phase ((Co, Fe) 3 O 4 ) are different in the brightness difference between the pores, the main phase is “light gray”, and the second phase is “dark”. Gray and pores are displayed in black. Such ternarization by light and dark difference can be realized by classifying the luminance of an image into 256 gradations. Here, FIG. 3 is a histogram in which the luminance distribution of the SEM image shown in FIG. 2 is classified into 256 gradations. As shown in FIG. 3, the luminance of the second phase is detected at a low frequency from the low luminance side of the main phase to the high luminance side of the pores. Therefore, in FIG. 2, the second phase is displayed with a darker contrast than the main phase and a brighter contrast than the pores.

ただし、主相、第2相及び気孔を判別する手法は、SEM画像における明暗差を用いるものには限られない。例えば、同一視野においてSEM−EDSにより元素マッピングを取得した後、予め得ていたインレンズ二次電子検出器を用いたFE−SEM像と照らし合わせて画像中の各粒子を同定することによっても精度良く3値化することができる。   However, the method for discriminating the main phase, the second phase, and the pores is not limited to using the light / dark difference in the SEM image. For example, after acquiring element mapping by SEM-EDS in the same field of view, it is also possible to identify each particle in the image by comparing it with a previously obtained FE-SEM image using an in-lens secondary electron detector. It can be ternized well.

(2)SEM画像の解析
図4は、図2に示すSEM画像をMVTec社(ドイツ)製の画像解析ソフトHALCONによって画像解析した結果を示す図である。図4では、第2相が白色の実線で囲まれている。図4に示す解析画像に基づいて、主相と第2相の面積占有率を算出することができる。
(2) Analysis of SEM Image FIG. 4 is a diagram showing a result of image analysis of the SEM image shown in FIG. 2 by image analysis software HALCON manufactured by MVTec (Germany). In FIG. 4, the second phase is surrounded by a white solid line. Based on the analysis image shown in FIG. 4, the area occupancy of the main phase and the second phase can be calculated.

まず、解析画像において実線で囲まれた第2相の合計面積を算出する。次に、解析画像の全面積に対する第2相の合計面積の割合を算出する。このようにして算出された第2相の合計面積の割合が第2相の面積占有率である。   First, the total area of the second phase surrounded by the solid line in the analysis image is calculated. Next, the ratio of the total area of the second phase to the total area of the analysis image is calculated. The ratio of the total area of the second phase thus calculated is the area occupancy of the second phase.

《空気極材料》
空気極14を構成する空気極材料としては、一般式ABOで表されるペロブスカイト型酸化物と(Co,Fe)の混合材料を好適に用いることができる。
<Air electrode material>
As an air electrode material constituting the air electrode 14, a mixed material of a perovskite oxide represented by the general formula ABO 3 and (Co, Fe) 3 O 4 can be preferably used.

ペロブスカイト型複合酸化物としては、LSCF、LSF、LSC、LNF、SSCなどが挙げられる。(Co,Fe)としては、CoFeO、Co1.5Fe1.5及びCoFeなどが挙げられる。 Examples of the perovskite complex oxide include LSCF, LSF, LSC, LNF, and SSC. Examples of (Co, Fe) 3 O 4 include Co 2 FeO 4 , Co 1.5 Fe 1.5 O 4, and CoFe 2 O 4 .

空気極材料における(Co,Fe)の添加量は、8.6重量%以下であることが好ましい。これによって、空気極14の断面における第2相((Co,Fe))の面積占有率を9.5%以下に制御することができる。また、空気極材料における(Co,Fe)の添加量は、0.23重量%以上であることがより好ましい。これによって、空気極14の断面における第2相の面積占有率を0.25%以上に制御することができる。 The amount of (Co, Fe) 3 O 4 added to the air electrode material is preferably 8.6% by weight or less. Thus, the area occupancy of the second phase ((Co, Fe) 3 O 4 ) in the cross section of the air electrode 14 can be controlled to 9.5% or less. The amount of (Co, Fe) 3 O 4 added to the air electrode material is more preferably 0.23% by weight or more. Thereby, the area occupation ratio of the second phase in the cross section of the air electrode 14 can be controlled to 0.25% or more.

なお、(Co,Fe)原料の状態(酸化物であるか塩化物であるかなど)や粒度を調整することによっても、第2相の面積占有率を微調整することができる。 Note that the area occupancy of the second phase can also be finely adjusted by adjusting the state of the (Co, Fe) 3 O 4 raw material (whether it is an oxide or a chloride) and the particle size.

また、(Co,Fe)原料の密度をペロブスカイト型酸化物の密度よりも小さくすることによって、空気極14における第2相の密度を主相の密度よりも小さくすることができる。 Moreover, the density of the second phase in the air electrode 14 can be made smaller than the density of the main phase by making the density of the (Co, Fe) 3 O 4 raw material smaller than that of the perovskite oxide.

また、(Co,Fe)原料の粒度を調整することによって、空気極14における第2相を構成する粒子の円相当径を調整することができる。粉体である(Co,Fe)原料の粒度調整では、気流式分級機を用いることによって、上限値及び下限値を含む精密な分級が可能となる。 Further, by adjusting the particle size of the (Co, Fe) 3 O 4 raw material, the equivalent circle diameter of the particles constituting the second phase in the air electrode 14 can be adjusted. In the particle size adjustment of the raw material (Co, Fe) 3 O 4, precise classification including an upper limit value and a lower limit value is possible by using an airflow classifier.

≪セル10の製造方法≫
次に、セル10の製造方法の一例について説明する。ただし、以下に述べる材料、粒径、温度、及び塗布方法等の各種条件は、適宜変更することができる。以下、「成形体」とは、焼成前の部材を指すものとする。
<< Manufacturing Method of Cell 10 >>
Next, an example of a method for manufacturing the cell 10 will be described. However, various conditions such as the material, particle size, temperature, and coating method described below can be changed as appropriate. Hereinafter, the “molded body” refers to a member before firing.

まず、NiO粉末とYSZ粉末と造孔剤(例えばPMMA(ポリメタクリル酸メチル樹脂))との混合物にバインダーとしてポリビニルアルコール(PVA)を添加してスラリーを作製する。次に、このスラリーをスプレードライヤーで乾燥・造粒することによって燃料極集電層用粉末を得る。次に、金型プレス成形法で燃料極用粉末を成形することによって、燃料極集電層111の成形体を形成する。   First, a slurry is prepared by adding polyvinyl alcohol (PVA) as a binder to a mixture of NiO powder, YSZ powder, and a pore-forming agent (for example, PMMA (polymethyl methacrylate resin)). Next, this slurry is dried and granulated with a spray dryer to obtain a fuel electrode current collecting layer powder. Next, a molded body of the fuel electrode current collecting layer 111 is formed by molding the fuel electrode powder by a die press molding method.

次に、NiO粉末とYSZ粉末と造孔剤(例えばPMMA)との混合物にバインダーとしてポリビニルアルコールを添加してスラリーを作製する。次に、このスラリーを印刷法で燃料極集電層111の成形体上に印刷することによって、燃料極活性層112の成形体を形成する。これによって、燃料極11の成形体が形成される。   Next, a slurry is prepared by adding polyvinyl alcohol as a binder to a mixture of NiO powder, YSZ powder, and a pore-forming agent (for example, PMMA). Next, this slurry is printed on the molded body of the anode current collecting layer 111 by a printing method to form a molded body of the anode active layer 112. Thereby, a molded body of the fuel electrode 11 is formed.

次に、YSZ粉末に水とバインダーの混合物をボールミルで24時間混合することによってスラリーを作製する。次に、スラリーを燃料極11の成形体上に塗布および乾燥することによって、固体電解質層12の成形体を形成する。なお、塗布法に代えてテープ積層法や印刷法等を用いることとしてもよい。   Next, a slurry is prepared by mixing the YSZ powder with a mixture of water and a binder in a ball mill for 24 hours. Next, the slurry is applied on the molded body of the fuel electrode 11 and dried to form a molded body of the solid electrolyte layer 12. Note that a tape lamination method or a printing method may be used instead of the coating method.

次に、GDC粉末に水とバインダーの混合物をボールミルで24時間混合することによってスラリーを作製する。次に、スラリーを固体電解質層12の成形体上に塗布および乾燥することによって、バリア層13の成形体を形成する。なお、塗布法に代えてテープ積層法や印刷法等を用いることとしてもよい。   Next, a slurry is prepared by mixing a mixture of water and a binder with the GDC powder in a ball mill for 24 hours. Next, the molded body of the barrier layer 13 is formed by applying and drying the slurry on the molded body of the solid electrolyte layer 12. Note that a tape lamination method or a printing method may be used instead of the coating method.

以上より、燃料極11の成形体、固体電解質層12の成形体およびバリア層13の成形体の積層体が形成される。   From the above, a laminate of the molded body of the fuel electrode 11, the molded body of the solid electrolyte layer 12, and the molded body of the barrier layer 13 is formed.

次に、積層体を1300〜1600℃で2〜20時間共焼結することによって、燃料極集電層111および燃料極活性層112によって構成される燃料極11、固体電解質層12および緻密なバリア層13の共焼成体を形成する。   Next, the laminated body is co-sintered at 1300 to 1600 ° C. for 2 to 20 hours, so that the fuel electrode current collector layer 111 and the fuel electrode active layer 112 are composed of the fuel electrode 11, the solid electrolyte layer 12, and the dense barrier. A co-fired body of layer 13 is formed.

次に、上述した空気極材料と水とバインダーをボールミルで24時間混合することによってスラリーを作製する。   Next, a slurry is prepared by mixing the air electrode material, water, and binder described above with a ball mill for 24 hours.

次に、スラリーを共焼成体のバリア層13上に塗布および乾燥した後に、電気炉(酸素含有雰囲気、1000℃)で1時間焼成することによって、バリア層13上に多孔質の空気極14を形成する。以上によりセル10が完成する。   Next, after applying the slurry onto the co-fired barrier layer 13 and drying, the porous air electrode 14 is formed on the barrier layer 13 by firing in an electric furnace (oxygen-containing atmosphere, 1000 ° C.) for 1 hour. Form. Thus, the cell 10 is completed.

(第2実施形態)
《燃料電池セル20の構成》
次に、第2実施形態に係る燃料電池セル20の構成について、図面を参照しながら説明する。図5は、セル20の構成を示す断面図である。第1実施形態に係るセル10と第2実施形態に係るセル20との相違点は、空気極14のうち固体電解質層側の領域においてのみ第2相の面積占有率が管理されている点である。以下においては、当該相違点について主に説明する。
(Second Embodiment)
<< Configuration of Fuel Cell 20 >>
Next, the configuration of the fuel battery cell 20 according to the second embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the cell 20. The difference between the cell 10 according to the first embodiment and the cell 20 according to the second embodiment is that the area occupancy of the second phase is managed only in the region on the solid electrolyte layer side of the air electrode 14. is there. In the following, the difference will be mainly described.

図5に示すように、空気極14’は、第1領域141と第2領域142を含む。   As shown in FIG. 5, the air electrode 14 ′ includes a first region 141 and a second region 142.

第1領域141は、固体電解質層12側の表面14Sから3μm以内の領域である。第1領域141は、「固体電解質層側領域」の一例である。本実施形態に係るセル20では、固体電解質層12と空気極14’の間にバリア層13が介挿されているため、第1領域141はバリア層13と接している。ただし、セル20がバリア層13を備えていない場合、第1領域141は固体電解質層12と接することになる。   The first region 141 is a region within 3 μm from the surface 14S on the solid electrolyte layer 12 side. The first region 141 is an example of a “solid electrolyte layer side region”. In the cell 20 according to the present embodiment, since the barrier layer 13 is interposed between the solid electrolyte layer 12 and the air electrode 14 ′, the first region 141 is in contact with the barrier layer 13. However, when the cell 20 does not include the barrier layer 13, the first region 141 is in contact with the solid electrolyte layer 12.

第1領域141は、一般式ABOで表され、AサイトにLa及びSrの少なくとも一方を含むペロブスカイト型酸化物を主相として含有する。第1領域141の断面における主相の面積占有率は、87.5%以上99.75%以下とすることができる。 The first region 141 is represented by the general formula ABO 3 and contains a perovskite oxide containing at least one of La and Sr at the A site as a main phase. The area occupation ratio of the main phase in the cross section of the first region 141 can be 87.5% or more and 99.75% or less.

第1領域141は、スピネル型結晶構造を有する(Co,Fe)によって構成される第2相を含有する。第1領域141の断面における第2相の面積占有率は、9.5%以下であることが好ましい。これにより、(Co,Fe)の添加によって第1領域141の膜強度を向上できるとともに、(Co,Fe)の過剰添加で固体電解質層12やバリア層13との熱膨張差が大きくなることを抑えることができる。その結果、空気極14’の剥離を抑制することができる。第1領域141の断面における第2相の面積占有率は、0.25%以上であることがより好ましい。これにより、(Co,Fe)の添加によって第1領域141の膜強度を十分に向上することができるため、空気極14’の剥離をより抑制することができる。第2相の面積占有率の算出方法については、上記第1実施形態において説明したとおりである。 The first region 141 contains a second phase composed of (Co, Fe) 3 O 4 having a spinel crystal structure. The area occupation ratio of the second phase in the cross section of the first region 141 is preferably 9.5% or less. Thus, (Co, Fe) 3 is possible to improve the film strength of the first region 141 by the addition of O 4, (Co, Fe) thermal expansion of the solid electrolyte layer 12 and the barrier layer 13 in the excessive addition of 3 O 4 An increase in the difference can be suppressed. As a result, separation of the air electrode 14 ′ can be suppressed. The area occupation ratio of the second phase in the cross section of the first region 141 is more preferably 0.25% or more. Thereby, since the film strength of the first region 141 can be sufficiently improved by the addition of (Co, Fe) 3 O 4 , peeling of the air electrode 14 ′ can be further suppressed. The method for calculating the area occupancy of the second phase is as described in the first embodiment.

また、第1領域141の断面において、第2相を構成する粒子の円相当平均径は、0.05μm以上かつ0.5μm以下であることが好ましい。第1領域141において、第2相の密度は、主相の密度よりも小さくてもよい。第1領域141は、Co(四酸化三コバルト)やCoO(酸化コバルト)によって構成される第3相を含有していてもよい。ただし、第1領域141の断面における第3相の面積占有率は、3.0%未満であることが好ましい。さらに、第1領域141は、第2相及び第3層のほか、主相の構成元素の酸化物を含有していてもよい。 In addition, in the cross section of the first region 141, the circle-equivalent average diameter of the particles constituting the second phase is preferably 0.05 μm or more and 0.5 μm or less. In the first region 141, the density of the second phase may be smaller than the density of the main phase. The first region 141 may contain a third phase composed of Co 3 O 4 (tricobalt tetroxide) or CoO (cobalt oxide). However, the area occupation ratio of the third phase in the cross section of the first region 141 is preferably less than 3.0%. Furthermore, the first region 141 may contain an oxide of a constituent element of the main phase in addition to the second phase and the third layer.

以上のような第1領域141の材料としては、上記第1実施形態において説明した空気極材料を好適に用いることができる。   As the material of the first region 141 as described above, the air electrode material described in the first embodiment can be suitably used.

第2領域142は、固体電解質層12側の表面14Sから3μm以上離れた領域である。第2領域142は、第1領域141上に配置される。第2領域142は、一般式ABOで表され、AサイトにLa及びSrの少なくとも一方を含むペロブスカイト型酸化物を含有する。第2領域142は、スピネル型結晶構造を有する(Co,Fe)を含有していなくてもよい。 The second region 142 is a region separated by 3 μm or more from the surface 14S on the solid electrolyte layer 12 side. The second area 142 is disposed on the first area 141. The second region 142 is represented by the general formula ABO 3 and contains a perovskite oxide containing at least one of La and Sr at the A site. The second region 142 may not contain (Co, Fe) 3 O 4 having a spinel crystal structure.

なお、空気極14’の固体電解質層12側の表面14Sは、空気極14’と固体電解質層12の断面において成分濃度をマッピングした場合に濃度分布が急激に変化するラインに規定することができる。また、空気極14’の固体電解質層12側の表面14Sは、空気極14’と固体電解質層12の断面において気孔率が急激に変化するラインに規定してもよい。   The surface 14S of the air electrode 14 ′ on the solid electrolyte layer 12 side can be defined as a line whose concentration distribution changes abruptly when the component concentration is mapped in the cross section of the air electrode 14 ′ and the solid electrolyte layer 12. . Further, the surface 14S of the air electrode 14 'on the solid electrolyte layer 12 side may be defined as a line in which the porosity rapidly changes in the cross section of the air electrode 14' and the solid electrolyte layer 12.

≪燃料電池セル20の製造方法≫
次に、第2実施形態に係る燃料電池セル20の製造方法について説明する。燃料極11、固体電解質層12及びバリア層13の作製方法は、上記第1実施形態において説明した通りであるため、以下においては空気極14’の作製方法について主に説明する。
<< Method for Manufacturing Fuel Cell 20 >>
Next, a method for manufacturing the fuel battery cell 20 according to the second embodiment will be described. Since the manufacturing method of the fuel electrode 11, the solid electrolyte layer 12, and the barrier layer 13 is as described in the first embodiment, the manufacturing method of the air electrode 14 'will be mainly described below.

まず、燃料極11、固体電解質層12及びバリア層13の共焼成体を準備する。   First, a co-fired body of the fuel electrode 11, the solid electrolyte layer 12, and the barrier layer 13 is prepared.

次に、第1領域141用の空気極材料(上述した主相と第2相を含む)と水とバインダーをボールミルで24時間混合することによって第1領域用スラリーを作製する。   Next, a slurry for the first region is prepared by mixing the air electrode material for the first region 141 (including the main phase and the second phase described above), water, and a binder with a ball mill for 24 hours.

次に、第1領域用スラリーを共焼成体のバリア層13上に塗布および乾燥させることによって、第1領域141の成形体を形成する。   Next, the molded body of the first region 141 is formed by applying and drying the first region slurry on the co-fired barrier layer 13.

次に、一般的な空気極材料(例えば、LSCFなど)と水とバインダーをボールミルで24時間混合することによって第2領域用スラリーを作製する。   Next, a slurry for the second region is prepared by mixing a general air electrode material (for example, LSCF), water, and a binder with a ball mill for 24 hours.

次に、第2領域用スラリーを第1領域141の成形体上に塗布および乾燥させることによって、第2領域142の成形体を形成する。   Next, the molded body of the second region 142 is formed by applying and drying the slurry for the second region onto the molded body of the first region 141.

次に、第1領域141の成形体と第2領域142の成形体を電気炉(酸素含有雰囲気、1000℃)で1時間焼成することによって、バリア層13上に空気極14’を形成する。   Next, the air electrode 14 ′ is formed on the barrier layer 13 by firing the formed body of the first region 141 and the formed body of the second region 142 in an electric furnace (oxygen-containing atmosphere, 1000 ° C.) for 1 hour.

≪他の実施形態≫
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。
<< Other Embodiments >>
The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications or changes can be made without departing from the scope of the present invention.

(A)上記実施形態において、図2〜4では、LSCFを主相として含有する空気極14の断面図を用いたが、空気極14は、ペロブスカイト型酸化物(LSCやSSCなど)を主相として含有していればよい。   (A) In the above embodiment, in FIGS. 2 to 4, a cross-sectional view of the air electrode 14 containing LSCF as a main phase is used. As long as it is contained.

(B)上記実施形態において、セル10は、燃料極11、固体電解質層12、バリア層13および空気極14を備えることとしたが、これに限られるものではない。セル10は、燃料極11、固体電解質層12および空気極14を備えていればよく、燃料極11と固体電解質層12との間や固体電解質層12と空気極14との間には、他の層が介挿されていてもよい。例えば、セル10は、バリア層13に加えて、バリア層13と空気極14との間に多孔質バリア層を備えていてもよい。   (B) In the above embodiment, the cell 10 includes the fuel electrode 11, the solid electrolyte layer 12, the barrier layer 13, and the air electrode 14. However, the present invention is not limited to this. The cell 10 only needs to include the fuel electrode 11, the solid electrolyte layer 12, and the air electrode 14. Between the fuel electrode 11 and the solid electrolyte layer 12 and between the solid electrolyte layer 12 and the air electrode 14, there are other cells. These layers may be inserted. For example, the cell 10 may include a porous barrier layer between the barrier layer 13 and the air electrode 14 in addition to the barrier layer 13.

(C)上記実施形態では特に触れていないが、セル10の形状は、燃料極支持型、平板形、円筒形、縦縞型、横縞型などであればよい。また、セル10の断面は、楕円形状などであってもよい。   (C) Although not particularly mentioned in the above embodiment, the shape of the cell 10 may be a fuel electrode support type, a flat plate shape, a cylindrical shape, a vertical stripe type, a horizontal stripe type, or the like. The cross section of the cell 10 may be elliptical.

(D)上記第2実施形態では、空気極14’のうち固体電解質層12側の表面14Sから3μm以内の領域を“固体電解質層側領域”としたが、空気極14’の厚みが3μm以下である場合には、空気極14’全体が“固体電解質層側領域”となる。   (D) In the second embodiment, a region within 3 μm from the surface 14S on the solid electrolyte layer 12 side in the air electrode 14 ′ is defined as a “solid electrolyte layer side region”, but the thickness of the air electrode 14 ′ is 3 μm or less. In this case, the entire air electrode 14 ′ becomes the “solid electrolyte layer side region”.

以下において本発明に係るセルの実施例について説明するが、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。   Examples of the cell according to the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the examples described below.

[サンプルNo.1〜No.22の作製]
以下のようにして、燃料極集電層を支持基板とする燃料極支持型セルのサンプルNo.1〜No.22を作製した。
[Sample No. 1-No. Production of 22]
In the following manner, the sample No. of the fuel electrode support type cell having the fuel electrode current collecting layer as the support substrate was used. 1-No. 22 was produced.

まず、金型プレス成形法で厚み500μmの燃料極集電層(NiO:8YSZ=50:50(Ni体積%換算))を成形し、その上に厚み20μmの燃料極活性層(NiO:8YSZ=45:55(Ni体積%換算))を印刷法で形成した。   First, a fuel electrode current collecting layer (NiO: 8YSZ = 50: 50 (Ni volume% conversion)) having a thickness of 500 μm is formed by a die press molding method, and a fuel electrode active layer (NiO: 8YSZ = 20 μm thickness) is formed thereon. 45:55 (Ni volume% conversion)) was formed by a printing method.

次に、燃料極活性層上に厚み5μmの8YSZ電解質と厚み5μmのGDCバリア膜とを順次形成して積層体を作製した。   Next, an 8YSZ electrolyte having a thickness of 5 μm and a GDC barrier film having a thickness of 5 μm were sequentially formed on the fuel electrode active layer to prepare a laminate.

次に、積層体を1400℃で2時間共焼結することによって共焼成体を得た。その後、厚み30μmの空気極を1000℃で2時間焼き付けることによって、燃料極支持型コインセル(φ15mm)のサンプルNo.1〜No.22を作製した。   Next, the laminate was co-sintered at 1400 ° C. for 2 hours to obtain a co-fired body. Thereafter, an air electrode having a thickness of 30 μm was baked at 1000 ° C. for 2 hours, so that a sample number of a fuel electrode supported coin cell (φ15 mm) was obtained. 1-No. 22 was produced.

ここで、表1に示すように、空気極材料の主成分には、LSCF、LSF及びSSCを用いた。また、空気極材料に添加する(Co,Fe)として、サンプルNo.2,7,13にはCoFeを用い、サンプルNo.4,6,14,20にはCo1.5Fe1.5を用い、それ以外のサンプルではCoFeOを用いた。 Here, as shown in Table 1, LSCF, LSF, and SSC were used as the main components of the air electrode material. As (Co, Fe) 3 O 4 added to the air electrode material, sample No. CoFe 2 O 4 is used for samples 2, 7, and 13, and sample Nos. Co 1.5 Fe 1.5 O 4 was used for 4 , 6, 14, and 20, and Co 2 FeO 4 was used for the other samples.

[面積占有率の測定]
まず、サンプルNo.1〜No.22の空気極を精密機械研磨した後に、株式会社日立ハイテクノロジーズのIM4000によってイオンミリング加工処理を施した。
[Measurement of area occupancy]
First, sample no. 1-No. After the 22 air electrodes were subjected to precision mechanical polishing, ion milling was performed by IM4000 of Hitachi High-Technologies Corporation.

次に、インレンズ二次電子検出器を用いたFE−SEMによって倍率10000倍に拡大された空気極の断面を示すSEM画像を取得した(図2参照)。   Next, an SEM image showing a cross section of the air electrode magnified by a magnification of 10,000 times by FE-SEM using an in-lens secondary electron detector was acquired (see FIG. 2).

次に、各サンプルのSEM画像をMVTec社(ドイツ)製画像解析ソフトHALCONで解析することによって解析画像を取得した(図3参照)。   Next, an analysis image was obtained by analyzing the SEM image of each sample with image analysis software HALCON manufactured by MVTec (Germany) (see FIG. 3).

次に、解析画像において、(Co,Fe)によって構成される第2相の面積占有率を算出した。第2相の面積占有率の算出結果は、表1に示す通りである。 Next, in the analysis image, the area occupancy of the second phase composed of (Co, Fe) 3 O 4 was calculated. The calculation results of the area occupation ratio of the second phase are as shown in Table 1.

[第2相の成分分析]
サンプルNo.1〜No.22について第2相の成分分析を行い、各サンプルの第2相の構成物質を同定した。
[Component analysis of the second phase]
Sample No. 1-No. The component analysis of the 2nd phase was conducted about 22 and the constituent material of the 2nd phase of each sample was identified.

まず、TEM(Transmission Electron Microscope:透過型電子顕微鏡)によって空気極断面のTEM画像を取得した。図6は、空気極断面のTEM画像の一例であり、CoFeOによって構成された第2相が示されている。このTEM画像を参照して、第2相の存在位置を確認した。 First, a TEM image of an air electrode cross section was obtained by TEM (Transmission Electron Microscope). FIG. 6 is an example of a TEM image of the air electrode cross section, and shows a second phase composed of Co 2 FeO 4 . The location of the second phase was confirmed with reference to this TEM image.

次に、EDX(Energy Dispersive X−ray Spectroscopy:エネルギー分散型X線分光法)によって、第2相を構成する粒子の元素を分析した。図7は、CoFeOによって構成された第2相のEDXスペクトルの一例を示すグラフである。このEDXスペクトルを半定量分析することによって、第2相の構成物質を推察することができる。なお、図7ではCuが検出されているが、これは分析装置のサンプルホルダーの成分が検出されたのであって第2相の構成物質ではない。 Next, the elements of the particles constituting the second phase were analyzed by EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy). FIG. 7 is a graph showing an example of an EDX spectrum of the second phase composed of Co 2 FeO 4 . The semi-quantitative analysis of this EDX spectrum can be used to infer the constituent material of the second phase. In FIG. 7, Cu is detected, but this is because the component of the sample holder of the analyzer is detected and is not a constituent material of the second phase.

次に、SAED(Selected Area Electron Diffraction:制限視野解析)によって、第2相を構成する粒子の結晶構造(格子定数、格子型、結晶方位)を解析した。図8は、CoFeOによって構成された第2相のSAED画像の一例である。このSAED画像に基づいて、格子定数、格子型及び結晶方位を解析することによって、第2相の構成物質を推察することができる。 Next, the crystal structure (lattice constant, lattice type, crystal orientation) of the particles constituting the second phase was analyzed by SAED (Selected Area Electron Diffraction). FIG. 8 is an example of a second phase SAED image composed of Co 2 FeO 4 . By analyzing the lattice constant, lattice type, and crystal orientation based on this SAED image, the constituent material of the second phase can be inferred.

以上の手法で各サンプルの第2相を解析した結果、サンプルNo.2,7,13ではCoFeと同定され、サンプルNo.4,6,14,20ではCo1.5Fe1.5と同定され、それ以外のサンプルではCoFeOと同定された。 As a result of analyzing the second phase of each sample by the above method, sample No. 2, 7 and 13 were identified as CoFe 2 O 4 and sample No. 4, 6, 14, and 20 were identified as Co 1.5 Fe 1.5 O 4, and other samples were identified as Co 2 FeO 4 .

[耐久性試験]
サンプルNo.1〜No.22について、燃料極側に窒素ガス、空気極側に空気を供給しながら750℃まで昇温し、750℃に達した時点で燃料極に水素ガスを供給しながら還元処理を3時間行った。
[Durability test]
Sample No. 1-No. For No. 22, the temperature was raised to 750 ° C. while supplying nitrogen gas to the fuel electrode side and air to the air electrode side, and when the temperature reached 750 ° C., reduction treatment was performed for 3 hours while supplying hydrogen gas to the fuel electrode.

この後、サンプルNo.1〜No.22について、1000時間当たりの電圧降下率を劣化率として測定した。出力密度として、温度が750℃で定格電流密度0.2A/cmでの値を使用した。測定結果を表1にまとめて記載する。表1では、劣化率が1.5%以下を低劣化状態と評価されている。 After this, sample no. 1-No. For No. 22, the voltage drop rate per 1000 hours was measured as the deterioration rate. As the output density, a value at a temperature of 750 ° C. and a rated current density of 0.2 A / cm 2 was used. The measurement results are summarized in Table 1. In Table 1, a deterioration rate of 1.5% or less is evaluated as a low deterioration state.

また、耐久性試験後において、空気極の断面を電子顕微鏡で観察することによって、空気極内部におけるクラックの有無を観察した。観察結果を表1にまとめて記載する。   In addition, after the durability test, the presence or absence of cracks in the air electrode was observed by observing the cross section of the air electrode with an electron microscope. The observation results are summarized in Table 1.

表1に示されるように、空気極材料における(Co,Fe)の添加量を8.6重量%以下としたサンプルでは、空気極の劣化率を1.5%以下まで低減させることができた。これは、空気極材料における(Co,Fe)の添加量を制限することによって、第2相の面積占有率が9.5%以下に抑えられたためである。具体的には、第2相を適切に少なくすることによって、空気極内部の不活性部が低減されて、通電時に第2相と主相が反応することを抑制できた結果、空気極の劣化が抑えられた。 As shown in Table 1, in the sample in which the amount of (Co, Fe) 3 O 4 added to the air electrode material is 8.6% by weight or less, the deterioration rate of the air electrode should be reduced to 1.5% or less. I was able to. This is because the area occupancy of the second phase is suppressed to 9.5% or less by limiting the amount of (Co, Fe) 3 O 4 added to the air electrode material. Specifically, by appropriately reducing the second phase, the inactive portion inside the air electrode is reduced, and the second phase and the main phase can be prevented from reacting when energized, resulting in deterioration of the air electrode. Was suppressed.

また、表1に示されるように、空気極材料における(Co,Fe)の添加量を0.25重量%以上としたサンプルでは、空気極の内部におけるクラックの発生を抑制できた。これは、空気極材料における(Co,Fe)の添加量を確保することによって、第2相の面積占有率を0.25%以上確保できたためである。具体的には、第2相が適度に導入されることによって、空気極の焼結性が改善された結果、多孔質構造の骨格を強化することができた。 Further, as shown in Table 1, in the sample in which the amount of (Co, Fe) 3 O 4 added to the air electrode material was 0.25% by weight or more, generation of cracks inside the air electrode could be suppressed. This is because the area occupation ratio of the second phase can be secured by 0.25% or more by securing the amount of (Co, Fe) 3 O 4 added to the air electrode material. Specifically, by appropriately introducing the second phase, the sinterability of the air electrode was improved, and as a result, the skeleton of the porous structure could be strengthened.

また、表1に示されるように第2相の円相当平均径が0.05μm以上かつ0.5μm以下であるサンプルでは、劣化率を1.2%以下に抑えることができた。   Further, as shown in Table 1, the deterioration rate could be suppressed to 1.2% or less in the sample having the equivalent-circle average diameter of the second phase of 0.05 μm or more and 0.5 μm or less.

[サンプルNo.23〜No.44の作製]
以下のようにして、サンプルNo.23〜No.44を作製した。
[Sample No. 23-No. Production of 44]
Sample no. 23-No. 44 was produced.

まず、金型プレス成形法で厚み500μmの燃料極集電層(NiO:8YSZ=50:50(Ni体積%換算))を成形し、その上に厚み20μmの燃料極活性層(NiO:8YSZ=45:55(Ni体積%換算))を印刷法で形成した。   First, a fuel electrode current collecting layer (NiO: 8YSZ = 50: 50 (Ni volume% conversion)) having a thickness of 500 μm is formed by a die press molding method, and a fuel electrode active layer (NiO: 8YSZ = 20 μm thickness) is formed thereon. 45:55 (Ni volume% conversion)) was formed by a printing method.

次に、燃料極活性層上に厚み5μmの8YSZ電解質と厚み5μmのGDCバリア膜とを順次形成して積層体を作製した。   Next, an 8YSZ electrolyte having a thickness of 5 μm and a GDC barrier film having a thickness of 5 μm were sequentially formed on the fuel electrode active layer to prepare a laminate.

次に、積層体を1400℃で2時間共焼結することによって共焼成体を得た。   Next, the laminate was co-sintered at 1400 ° C. for 2 hours to obtain a co-fired body.

次に、表2に示す主相と第2相を含む空気極材料と水とバインダーをミルで混合して第1領域用スラリーを作製した。   Next, an air electrode material including the main phase and the second phase shown in Table 2, water, and a binder were mixed by a mill to prepare a first region slurry.

次に、共焼成体上に第1領域用スラリーを塗布して、空気極のうち第1領域の成形体を形成した。   Next, the first region slurry was applied onto the co-fired body to form a molded body in the first region of the air electrode.

次に、LSCFと水とバインダーをミルで混合して第2領域用スラリーを作製した。   Next, LSCF, water, and a binder were mixed with a mill to prepare a slurry for the second region.

次に、第1領域の成形体上に第2領域用スラリーを塗布して、空気極のうち第2領域の成形体を形成した。   Next, the slurry for the second region was applied onto the molded body in the first region to form a molded body in the second region of the air electrode.

次に、第1領域の成形体と第2領域の成形体を1000℃で2時間焼成することによって、燃料極支持型コインセル(φ15mm)のサンプルNo.23〜No.44を作製した。   Next, the molded article in the first region and the molded article in the second region were fired at 1000 ° C. for 2 hours, so that a sample number of a fuel electrode supported coin cell (φ15 mm) was obtained. 23-No. 44 was produced.

[面積占有率の測定]
まず、サンプルNo.23〜No.44の第1領域を精密機械研磨した後に、株式会社日立ハイテクノロジーズのIM4000によってイオンミリング加工処理を施した。
[Measurement of area occupancy]
First, sample no. 23-No. After precision mechanical polishing of 44 first regions, ion milling was performed by IM4000 manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation.

次に、インレンズ二次電子検出器を用いたFE−SEMによって倍率10000倍に拡大された第1領域の断面を示すSEM画像を取得した。   Next, the SEM image which shows the cross section of the 1st area | region expanded by 10000 times of magnification by FE-SEM using the in-lens secondary electron detector was acquired.

次に、各SEM画像をMVTec社(ドイツ)製画像解析ソフトHALCONで解析することによって解析画像を取得した。   Next, each SEM image was analyzed with image analysis software HALCON manufactured by MVTec (Germany) to obtain an analysis image.

次に、解析画像において、(Co,Fe)によって構成される第2相の面積占有率を算出した。第2相の面積占有率の算出結果は、表2に示す通りである。 Next, in the analysis image, the area occupancy of the second phase composed of (Co, Fe) 3 O 4 was calculated. The calculation results of the area occupancy ratio of the second phase are as shown in Table 2.

[第2相の成分分析]
サンプルNo.23〜No.44の第1領域における第2相の成分分析を行い、各サンプルの第2相の構成物質を同定した。
[Component analysis of the second phase]
Sample No. 23-No. The component analysis of the 2nd phase in 44 1st area | regions was performed, and the constituent material of the 2nd phase of each sample was identified.

まず、TEMによって空気極断面のTEM画像を取得した。   First, a TEM image of the air electrode cross section was obtained by TEM.

次に、EDXによって、第2相を構成する粒子の元素を分析した。   Next, the elements of the particles constituting the second phase were analyzed by EDX.

次に、SAEDによって、第2相を構成する粒子の結晶構造(格子定数、格子型、結晶方位)を解析した。   Next, the crystal structure (lattice constant, lattice type, crystal orientation) of the particles constituting the second phase was analyzed by SAED.

以上の手法で各サンプルの第2相を解析した結果、表2に示すように、サンプルNo.29ではCoFeと同定され、サンプルNo.26,28,36,42ではCo1.5Fe1.5と同定され、それ以外のサンプルではCoFeOと同定された。 As a result of analyzing the second phase of each sample by the above method, as shown in Table 2, sample No. No. 29 was identified as CoFe 2 O 4 and sample no. 26, 28, 36 and 42 were identified as Co 1.5 Fe 1.5 O 4, and other samples were identified as Co 2 FeO 4 .

[熱サイクル試験]
各サンプルの燃料極側に窒素ガスを供給するとともに空気極側に空気を供給しながら、常温から750℃まで2時間で昇温し、その後4時間で常温まで降温するサイクルを10回繰り返した。
[Thermal cycle test]
While supplying nitrogen gas to the fuel electrode side and supplying air to the air electrode side of each sample, the cycle of raising the temperature from room temperature to 750 ° C. in 2 hours and then lowering to room temperature in 4 hours was repeated 10 times.

その後、各サンプルの空気極断面を顕微鏡で観察することによって、バリア層と空気極の界面における剥離の有無を確認した。確認結果を表2にまとめて示す。   Then, the presence or absence of the peeling in the interface of a barrier layer and an air electrode was confirmed by observing the air electrode cross section of each sample with a microscope. The confirmation results are summarized in Table 2.

表2では、空気極の特性に影響を与えるおそれのある剥離が確認されたサンプルを“×”と評価し、空気極の特性に影響を与えない程度の軽微な剥離が確認されたサンプルを“○”と評価し、剥離が確認されなかったサンプルを“◎”と評価した。   In Table 2, a sample in which peeling that may affect the characteristics of the air electrode is confirmed as “x”, and a sample in which slight peeling that does not affect the characteristics of the air electrode is confirmed is “ A sample was evaluated as “A”, and a sample in which no peeling was confirmed was evaluated as “A”.

表2に示されるように、第1領域の材料における(Co,Fe)の含有率を8.6重量%以下とすることによって第1領域における第2相の面積占有率を9.5%以下としたサンプルでは、界面剥離を抑制することができた。これは、(Co,Fe)の添加によって第1領域の膜強度を向上させつつ、(Co,Fe)の過剰添加によってバリア層との熱膨張差が大きくなることが抑えられたためである。 As shown in Table 2, by setting the content ratio of (Co, Fe) 3 O 4 in the material of the first region to 8.6% by weight or less, the area occupation ratio of the second phase in the first region is 9. In the sample of 5% or less, interfacial peeling could be suppressed. This is because the addition of (Co, Fe) 3 O 4 improves the film strength of the first region, while suppressing the increase in thermal expansion difference from the barrier layer due to the excessive addition of (Co, Fe) 3 O 4. It was because of it.

また、表2に示されるように、第1領域の材料における(Co,Fe)の含有率を0.23重量%以上とすることによって第1領域における第2相の面積占有率を0.25%以上としたサンプルでは、軽微な界面剥離も抑制することができた。これは、(Co,Fe)の添加量を確保することによって、第1領域の膜強度を十分に向上させることができたためである。 Further, as shown in Table 2, by setting the content ratio of (Co, Fe) 3 O 4 in the material of the first region to 0.23% by weight or more, the area occupation ratio of the second phase in the first region is reduced. In the sample with 0.25% or more, slight interface peeling could be suppressed. This is because the film strength in the first region can be sufficiently improved by securing the amount of (Co, Fe) 3 O 4 added.

本発明にかかる燃料電池セルによれば空気極の耐久性を向上できるため燃料電池分野において有用である。   The fuel cell according to the present invention is useful in the field of fuel cells because the durability of the air electrode can be improved.

10、20 燃料電池セル
11 燃料極
111 燃料極集電層
112 燃料極活性層
12 固体電解質層
13 バリア層
14、14’ 空気極
141 第1領域
142 第2領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 20 Fuel cell 11 Fuel electrode 111 Fuel electrode current collecting layer 112 Fuel electrode active layer 12 Solid electrolyte layer 13 Barrier layer 14, 14 'Air electrode 141 1st area | region 142 2nd area | region

Claims (4)

燃料極と、
一般式ABOで表され、AサイトにLa及びSrの少なくとも一方を含むペロブスカイト型酸化物を含有する空気極と、
前記燃料極と前記空気極の間に配置される固体電解質層と、
を備え、
前記空気極は、前記固体電解質層側の表面から3μm以内の固体電解質層側領域を含み、
前記固体電解質層側領域は、前記ペロブスカイト型酸化物によって構成される主相と、(Co,Fe)によって構成される第2相とを含有し、
前記固体電解質層側領域の断面における前記第2相の面積占有率は、9.5%以下である、
燃料電池セル。
An anode,
An air electrode containing a perovskite oxide represented by the general formula ABO 3 and containing at least one of La and Sr at the A site;
A solid electrolyte layer disposed between the fuel electrode and the air electrode;
With
The air electrode includes a solid electrolyte layer side region within 3 μm from the surface of the solid electrolyte layer side,
The solid electrolyte layer side region contains a main phase composed of the perovskite oxide and a second phase composed of (Co, Fe) 3 O 4 ,
The area occupancy of the second phase in the cross section of the solid electrolyte layer side region is 9.5% or less,
Fuel cell.
前記固体電解質層側領域の断面における前記第2相の面積占有率は、0.25%以上である、
請求項1に記載の燃料電池セル。
The area occupation ratio of the second phase in the cross section of the solid electrolyte layer side region is 0.25% or more.
The fuel battery cell according to claim 1.
前記第2相の密度は、前記主相の密度よりも小さい、
請求項1又は2に記載の燃料電池セル。
The density of the second phase is smaller than the density of the main phase,
The fuel battery cell according to claim 1 or 2.
前記ペロブスカイト型酸化物は、LSCFである、
請求項1乃至3のいずれかに記載の燃料電池セル。
The perovskite oxide is LSCF.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 3.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018139182A (en) * 2017-02-24 2018-09-06 住友電気工業株式会社 Solid electrolytic member, solid oxide type fuel cell, water electrolysis device, hydrogen pump and method for manufacturing solid electrolytic member
KR20180132139A (en) * 2016-04-14 2018-12-11 엔이.엠.이.에스와이에스.에스알엘 Rechargeable electrochemical device for producing electrical energy
JP2020123566A (en) * 2019-01-30 2020-08-13 日本碍子株式会社 Electrochemical cell

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07267748A (en) * 1994-03-30 1995-10-17 Ngk Insulators Ltd Porous sintered compact and its production
JPH08236138A (en) * 1995-02-28 1996-09-13 Kyocera Corp Cell of solid electrolyte fuel cell and manufacture thereof
JPH08259346A (en) * 1995-03-28 1996-10-08 Ngk Insulators Ltd Porous sintered compact and its production
JP2002367615A (en) * 2001-06-12 2002-12-20 Tokyo Gas Co Ltd Solid oxide fuel cell
JP2007200693A (en) * 2006-01-26 2007-08-09 Central Res Inst Of Electric Power Ind Manufacturing method of material for solid oxide fuel cell
JP2009016351A (en) * 2007-07-05 2009-01-22 General Electric Co <Ge> Solid oxide electrochemical device provided with improved electrode
JP2010225363A (en) * 2009-03-23 2010-10-07 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Solid oxide fuel cell
JP2011105582A (en) * 2009-08-26 2011-06-02 Ngk Insulators Ltd Bonding agent
JP2011150813A (en) * 2010-01-19 2011-08-04 Honda Motor Co Ltd Electrolyte-electrode assembly and method for manufacturing the same
JP2012227142A (en) * 2011-04-19 2012-11-15 Samsung Electronics Co Ltd Positive electrode material for fuel cell, positive electrode for fuel cell including the same, and solid oxide fuel cell

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07267748A (en) * 1994-03-30 1995-10-17 Ngk Insulators Ltd Porous sintered compact and its production
JPH08236138A (en) * 1995-02-28 1996-09-13 Kyocera Corp Cell of solid electrolyte fuel cell and manufacture thereof
JPH08259346A (en) * 1995-03-28 1996-10-08 Ngk Insulators Ltd Porous sintered compact and its production
JP2002367615A (en) * 2001-06-12 2002-12-20 Tokyo Gas Co Ltd Solid oxide fuel cell
JP2007200693A (en) * 2006-01-26 2007-08-09 Central Res Inst Of Electric Power Ind Manufacturing method of material for solid oxide fuel cell
JP2009016351A (en) * 2007-07-05 2009-01-22 General Electric Co <Ge> Solid oxide electrochemical device provided with improved electrode
JP2010225363A (en) * 2009-03-23 2010-10-07 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Solid oxide fuel cell
JP2011105582A (en) * 2009-08-26 2011-06-02 Ngk Insulators Ltd Bonding agent
JP2011150813A (en) * 2010-01-19 2011-08-04 Honda Motor Co Ltd Electrolyte-electrode assembly and method for manufacturing the same
JP2012227142A (en) * 2011-04-19 2012-11-15 Samsung Electronics Co Ltd Positive electrode material for fuel cell, positive electrode for fuel cell including the same, and solid oxide fuel cell

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180132139A (en) * 2016-04-14 2018-12-11 엔이.엠.이.에스와이에스.에스알엘 Rechargeable electrochemical device for producing electrical energy
KR102358856B1 (en) * 2016-04-14 2022-02-04 엔이.엠.이.에스와이에스.에스알엘 Rechargeable electrochemical device for producing electrical energy
JP2018139182A (en) * 2017-02-24 2018-09-06 住友電気工業株式会社 Solid electrolytic member, solid oxide type fuel cell, water electrolysis device, hydrogen pump and method for manufacturing solid electrolytic member
JP2020123566A (en) * 2019-01-30 2020-08-13 日本碍子株式会社 Electrochemical cell

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