JP2016110935A - Electrode material for solid oxide fuel cell, and utilization thereof - Google Patents

Electrode material for solid oxide fuel cell, and utilization thereof Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode material for SOFC which enables the enhancement in performance of an electrode such as an air electrode of SOFC of a type working at a low temperature (e.g. about 600-700°C), for example.SOLUTION: An electrode material used for forming an electrode of a solid oxide fuel cell is provided according to the present invention. The electrode material comprises: complex particles in which a first oxide having a perovskite type crystal structure and expressed by the general formula, (LnSr)BO, and a second oxide expressed by the general formula, XNiOare bound to each other by a mechanical method. In the formulas, Ln represents at least one lanthanoid, B represents at least one element selected from Ni, Co, Mn, Cr, Cu, Fe and Ti, 0.1≤x≤0.9, and δ is a value determined so as to satisfy a charge neutral condition; X includes at least one element selected from La, Pr and Nd, and δ' is a value determined so as to satisfy a charge neutral condition.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

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

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ガスが空気極で還元されてO2−アニオンとなり、固体電解質を通過して、燃料極において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。 A solid oxide fuel cell (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell, hereinafter simply referred to as “SOFC”) has a high power generation efficiency and a low environmental load among various types of fuel cells. It has the advantage that 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 air electrode to become an O 2- anion, passes through the solid electrolyte, and generates electric energy as the H 2 gas fuel is oxidized at the fuel electrode. Is generated.

このようなSOFCについては、従来より800℃以上(典型的には、800℃〜1000℃程度)の高温で作動させていたが、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℃〜700℃程度にまで低温化することが検討されている。そして、低温作動型のSOFCについては、例えば、空気極を、電子導電性と酸素イオン導電性とを示すいわゆる電子−酸素イオン混合導電性材料を用いて構成することで、電極/電解質/気相の接する三相界面だけでなく、電極(空気極)表面においても電極反応を進行させ、電極活性を高めることが期待されている。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生じていた。   Such SOFCs have been operated at a high temperature of 800 ° C. or higher (typically about 800 ° C. to 1000 ° C.) conventionally, but in recent years, such operations have 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 to 700 ° C. For a low-temperature operation type SOFC, for example, an air electrode is formed using a so-called electron-oxygen ion mixed conductive material exhibiting electronic conductivity and oxygen ion conductivity, so that an electrode / electrolyte / gas phase is formed. It is expected that the electrode reaction is advanced not only on the three-phase interface with which the electrode contacts but also on the surface of the electrode (air electrode) to enhance the electrode activity. However, when the SOFC is operated at a low temperature, the overvoltage at the air electrode is increased, resulting in a problem that cell performance (for example, power density) is lowered.

かかる過電圧によるセル性能の低下を補うために、例えば、空気極を構成する電極材料の性能を向上させることが検討されている。例えば、空気極を構成する電極材料を微細化して比表面積をも増大させることで、三相界面および電極表面からなる反応場を増大させることが提案されている。かかる手法によると、反応場を増大できるものの、界面抵抗が増えてセル性能が低下してしまうという問題があった。   In order to compensate for the deterioration in cell performance due to such overvoltage, for example, it has been studied to improve the performance of the electrode material constituting the air electrode. For example, it has been proposed to increase the reaction field composed of the three-phase interface and the electrode surface by miniaturizing the electrode material constituting the air electrode and increasing the specific surface area. According to such a method, although the reaction field can be increased, there is a problem that the interface resistance increases and the cell performance decreases.

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、例えば、中低温(例えば600℃〜700℃程度)作動型のSOFCの空気極等の電極の性能を向上させることができるSOFC用の電極材料を提供することである。また、本発明の他の目的は、かかる電極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-described conventional problems, and its purpose is to improve the performance of electrodes such as air electrodes of SOFCs that operate at low temperatures (for example, about 600 ° C. to 700 ° C.). It is to provide an electrode material for SOFC that can be made to be used. Another object of the present invention is to provide an air electrode using such an electrode material and a SOFC equipped with such an air electrode.

上記目的を実現するべく、本発明によって、固体酸化物形燃料電池の電極を形成するために用いる電極材料が提供される。この電極材料は、ペロブスカイト型結晶構造を有し、一般式:(Ln1−xSr)BO3−δ;で表される第1の酸化物と、一般式:XNiO4−δ’;で表される第2の酸化物と、を含む。そして上記第1の酸化物の表面に上記第2の酸化物がメカニカル手法により接合されている複合粒子を含むことにより特徴づけられる。なお、上記一般式において、Lnは少なくとも1種のランタノイド元素を示し、BはNi,Co,Mn,Cr,Cu,FeおよびTiから選択される少なくとも1種の元素を示し、0.1≦x≦0.9であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。また、XはLa,PrおよびNdから選択される少なくとも1種の元素を含み、δ’は電荷中性条件を満たすように定まる値である。 In order to achieve the above object, the present invention provides an electrode material used for forming an electrode of a solid oxide fuel cell. The electrode material has a perovskite crystal structure, the general formula: (Ln 1-x Sr x ) BO 3-δ; a first oxide represented by the general formula: X 2 NiO 4-δ ' And a second oxide represented by: And it is characterized by including the composite particle | grains by which the said 2nd oxide was joined to the surface of the said 1st oxide with the mechanical method. In the above general formula, Ln represents at least one lanthanoid element, B represents at least one element selected from Ni, Co, Mn, Cr, Cu, Fe and Ti, and 0.1 ≦ x ≦ 0.9, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition. X includes at least one element selected from La, Pr, and Nd, and δ ′ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition.

上記ペロブスカイト型の第1の酸化物と上記第2の酸化物とは、いずれも電子−酸素イオン混合伝導体である。しかしながら、その結晶構造の違いから、両者の酸素イオン導電性の発現機構については互いに異なると考えられている。本発明者らは、これらの異種の酸化物の複合化による特性の向上を試みたところ、これらの酸化物を互いの結晶構造を維持したままメカニカル手法により複合一体化させることで、これらの酸化物の界面での接触抵抗が低減し、酸素イオン伝導性を向上できることを見出した。本発明は、かかる知見により創出されたものである。このような電極材料は、例えば、SOFCの空気極形成用材料等として好適に用いることができる。   The perovskite-type first oxide and the second oxide are both electron-oxygen ion mixed conductors. However, due to the difference in crystal structure, it is considered that the expression mechanisms of the oxygen ion conductivity are different from each other. The present inventors tried to improve the characteristics by compounding these different types of oxides, and by combining these oxides by a mechanical method while maintaining the crystal structure of each other, these oxidations were performed. It was found that the contact resistance at the interface of the object can be reduced and the oxygen ion conductivity can be improved. The present invention has been created based on such knowledge. Such an electrode material can be suitably used as, for example, an SOFC air electrode forming material.

ここで開示される電極材料の好ましい一態様では、上記複合粒子は、上記第1の酸化物を含む第1粒子と、上記第2の酸化物を含む第2粒子とを、メカニカル手法により乾式混合することにより形成されていることを特徴としている。このような乾式混合によると、粒子同士の衝突エネルギーにより第1粒子の表面に第2粒子を好適な状態で配置(コーティング)させることができる。これにより、さらに酸素イオン伝導性に優れた電極材料が提供される。   In a preferred embodiment of the electrode material disclosed herein, the composite particles are obtained by dry-mixing the first particles containing the first oxide and the second particles containing the second oxide by a mechanical method. It is characterized by being formed. According to such dry mixing, the second particles can be disposed (coated) in a suitable state on the surface of the first particles by the collision energy between the particles. Thereby, an electrode material having further excellent oxygen ion conductivity is provided.

ここで開示される電極材料の好ましい一態様において、上記複合粒子の比表面積の実測値Sと、上記複合粒子を形成するのに用いた上記第1粒子および上記第2粒子の比表面積の合計として定義される理論比表面積S’と、上記複合粒子を用いて形成した厚さ10μm以上100μm以下の電極について、交流インピーダンス法により測定される電極抵抗Rと、に基づき、次式:P=R×S×(S/S’);で定義されるパラメータPが、P≦1.4を満たすことを特徴としている。これにより、この電極材料の電子伝導性と、酸素イオン伝導性とを、バランス良く両立することができる。   In a preferred embodiment of the electrode material disclosed herein, the actual value S of the specific surface area of the composite particles and the sum of the specific surface areas of the first particles and the second particles used to form the composite particles Based on the theoretical specific surface area S ′ defined and the electrode resistance R measured by the AC impedance method for an electrode having a thickness of 10 μm or more and 100 μm or less formed using the composite particles, the following formula: P = R × The parameter P defined by S × (S / S ′); satisfies P ≦ 1.4. Thereby, the electronic conductivity of this electrode material and oxygen ion conductivity can be reconciled in good balance.

ここで開示される材料の好ましい一態様では、上記第1の酸化物と上記第2の酸化物との合計に占める上記第2の酸化物の割合は、0質量%を超えて50質量%以下であることを特徴としている。かかる配合割合において、第1の酸化物と第2の酸化物との界面での抵抗を好適に抑制することができて好ましい。   In a preferred embodiment of the material disclosed herein, the ratio of the second oxide in the total of the first oxide and the second oxide is more than 0% by mass and 50% by mass or less. It is characterized by being. Such a blending ratio is preferable because the resistance at the interface between the first oxide and the second oxide can be suitably suppressed.

他の側面において、ここに開示される発明はSOFCの構成部材を提供する。かかる構成部材は、上記のいずれかに記載の電極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、上記の特性を有するペロブスカイト型の結晶構造に起因して、当該構成部材のイオン導電性や酸素導電性等の特性が改善され得る。したがって、かかる構成部材により、例えば、SOFCの空気極を構成することで、SOFCの電極反応抵抗を低減することができ、また、発電性能を高めることができる。このような特性を有する電極材料は、SOFCの空気極を構成するのに好ましく用いることができ、さらには、例えば空気極の集電材等としても好適に利用することができる。したがって、ここに開示される発明によると、上記の優れたSOFC性能を実現し得る、空気極および集電材などの構成部材が提供される。延いては、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 SOFC component. Such constituent members are characterized by being made of any of the electrode materials described above.
According to such a configuration, characteristics such as ionic conductivity and oxygen conductivity of the constituent member can be improved due to the perovskite crystal structure having the above characteristics. Therefore, for example, by configuring the SOFC air electrode with such a component, the SOFC electrode reaction resistance can be reduced, and the power generation performance can be improved. The electrode material having such characteristics can be preferably used for constituting the SOFC air electrode, and can also be suitably used as a current collector for the air electrode, for example. Therefore, according to the invention disclosed herein, components such as an air electrode and a current collector that can realize the above-described excellent SOFC performance are provided. As a result, the invention disclosed herein can provide an SOFC that can maintain excellent cell performance over a long period of time.

本発明の一実施形態に係るアノード支持型のSOFCを模式的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing an anode-supported SOFC according to an embodiment of the present invention.

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 matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.

ここで開示される電極材料は、上記第1の酸化物と、上記第2の酸化物と、を含んでいる。そして第1の酸化物の表面に上記第2の酸化物がメカニカル手法により接合されている複合粒子を含むことにより特徴づけられる。なお、かかる複合粒子以外の、他の構成成分の内容や組成等については、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の基準に照らして調整することができる。   The electrode material disclosed here includes the first oxide and the second oxide. And it is characterized by including the composite particle | grains by which the said 2nd oxide was joined to the surface of the 1st oxide with the mechanical method. In addition, about the content, composition, etc. of other components other than this composite particle, it can adjust in light of various standards, unless it deviates from the objective of this invention.

(第1の酸化物)
ここに開示される技術において、ペロブスカイト型結晶構造を有する第1の酸化物としては、一般式:(Ln1−xSr)BO3−δ;で表される各種の酸化物を考慮することができる。
ここで、上記式中、Lnは、ストロンチウム(Sr)と共にペロブスカイト型結晶構造における“Aサイト”を占める元素であって、Lnは原子番号57のランタン(Ln)から原子番号71のルテチウム(Lu)までの、15種のランタノイド元素とすることができる。Lnは、これら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元素としては、より具体的には、例えば、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元素がLaまたはSm、なかでも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。ランタノイド元素として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。なお、本明細書におけるイオン半径とは、shannonのイオン半径を意味している。
(First oxide)
In the technology disclosed herein, as the first oxide having a perovskite crystal structure, various oxides represented by the general formula: (Ln 1-x Sr x ) BO 3-δ ; Can do.
Here, in the above formula, Ln is an element occupying the “A site” in the perovskite crystal structure together with strontium (Sr), and Ln is from lanthanum (Ln) of atomic number 57 to lutetium (Lu) of atomic number 71 Up to 15 lanthanoid elements. Any one of these lanthanoid elements may be contained alone, or Ln may be contained in combination of two or more. More specifically, the lanthanoid element is an element having a relatively large ionic radius, such as lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), and the like. Is preferred. Among them, it is preferable that the lanthanoid element is La or Sm, especially La because a more stable crystal structure can be formed. When the lanthanoid element includes an element other than La together with La, the ratio of La is preferably high. In addition, the ionic radius in this specification means the ionic radius of Shannon.

式中のxは、上記の通りペロブスカイト型結晶構造においてAサイトを占めるランタノイド(Ln)と置換されるストロンチウム(Sr)の割合を示す。xは、0.1以上0.9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サイトと後述の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0.5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Sr)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。   In the formula, x represents the ratio of strontium (Sr) substituted for the lanthanoid (Ln) occupying the A site in the perovskite crystal structure as described above. x is suitably in the range of 0.1 or more and 0.9 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 0.5, for example, in the vicinity of 0.25 (for example, 0.25 ± 0) although it cannot be generally stated because it depends on the combination of elements at the A site and the B site described later. .02), 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 Sr) in a ratio of approximately 3: 1 to 4: 1. .

また、上記一般式中の「B」は、ペロブスカイト型結晶構造における“Bサイト”を占める元素であって、ニッケル(Ni),コバルト(Co),マンガン(Mn),クロム(Cr),銅(Cu),鉄(Fe)およびチタン(Ti)からなる群から選択される少なくとも1種の元素であり得る。なかでも、Co、Mn、Ni、Feのいずれか1種の単独、あるいはこれらのいずれか2種の組み合わせが好ましい。上記元素を含む場合、他のペロブスカイト型酸化物に比べ、高い反応性や酸素イオン伝導性を有しているため、比較的低い温度領域においても電極として優れた性能を発揮することができる。   “B” in the above general formula is an element occupying the “B site” in the perovskite crystal structure, and is nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), chromium (Cr), copper ( It may be at least one element selected from the group consisting of Cu), iron (Fe), and titanium (Ti). Of these, any one of Co, Mn, Ni and Fe, or a combination of any two of these is preferable. In the case where the above element is included, since it has higher reactivity and oxygen ion conductivity than other perovskite oxides, it can exhibit excellent performance as an electrode even in a relatively low temperature region.

そしてδは、かかる第1の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、この第1の酸化物は、ABOで表される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 first oxide. That is, as described above, this first oxide can be understood to indicate the amount of oxygen defects in the 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, δ may be omitted for convenience, but in such a case, a different compound is not shown. That is, (3-δ) in the above general formula is not intended to limit the technical scope of the present invention.

なお、特に制限されるものではないが、このような第1の酸化物の好ましい一態様として、例えば、具体的には、La1−xSr(Co1−yFe)O3−δ,La1−xSrCoO3−δ,Sm1−xSrCoO3−δ等として示される組成のものが挙げられる。なお、式中のx,yは、0.1≦x≦0.9,0≦y≦1を満たす。なお、これら第2の酸化物は、本発明の本質から逸脱しない限りにおいて、上記に例示されていない他の元素(例えば、少なくとも1種の遷移金属元素等)を含み得る。 Although not particularly limited, as a preferred embodiment of such a first oxide, for example, specifically, La 1-x Sr x ( Co 1-y Fe y) O 3-δ , La 1-x Sr x CoO 3-δ , Sm 1-x Sr x CoO 3-δ, and the like. Note that x and y in the formula satisfy 0.1 ≦ x ≦ 0.9 and 0 ≦ y ≦ 1. Note that these second oxides may contain other elements not exemplified above (for example, at least one transition metal element) without departing from the essence of the present invention.

このような第1の酸化物は、Bサイトに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電子が被局在化するために高い電気伝導性を示し得る。また、Bサイトに遷移金属が含まれるため、周辺環境により遷移金属のイオンの価数が変化し得、例えば、高温の還元雰囲気下では酸素の量が3より減じて空孔(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が意図的に+6からわずかに減少されることによっても酸素欠陥が導入され得る。このように酸素欠陥が導入された第1の酸化物は、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。このとき、酸素イオンの拡散経路は結晶構造の<100>方位に沿う。すなわち、このような第1の酸化物を含む電極材料は、例えば、SOFCの電極材料(特に空気極材料)として有用な材料であり得る。   Since such a 1st oxide contains the transition metal element in B site, since the d electron of this transition metal ion is localized, it can show high electrical conductivity. In addition, since the transition metal is included in the B site, the valence of the transition metal ions may change depending on the surrounding environment. Can be formed. An oxygen defect can also be introduced by intentionally reducing the sum of the valences of the metal ions at the A site and the B site slightly from +6. The first oxide in which oxygen defects are introduced in this way can also be an oxygen ion conductor in which oxygen ions move quickly through the oxygen defects. At this time, the diffusion path of oxygen ions is along the <100> orientation of the crystal structure. That is, the electrode material containing such a first oxide can be a material useful as, for example, an SOFC electrode material (particularly an air electrode material).

(第2の酸化物)
ここに開示される技術においては、第2の酸化物として、一般式:XNiO4−δ’で表される化合物を対象とすることができる。この第2の酸化物は、ペロブスカイト型結晶構造と岩塩型結晶構造が交互に(層状に)積み重なった、いわゆるペロブスカイト類縁構造の複合酸化物であり、イオン伝導性と電子伝導性とを示し得る。しかしながら、この第2の酸化物においては、酸素欠陥に由来するよりはむしろ、岩塩型結晶構造中に導入された格子間酸素がキャリアとなるといわれており、イオン伝導と電子伝導がそれぞれ岩塩層とペロブスカイト層とで二次元的に起こり得る。すなわち、酸素イオンの拡散経路は、2次元平面内に拡大され得る。このような第2の酸化物は、上記の第1の酸化物とはその酸素イオン伝導機構が異なる全く異種の材料であるといえる。
(Second oxide)
In the technique disclosed here, a compound represented by the general formula: X 2 NiO 4-δ ′ can be targeted as the second oxide. This second oxide is a composite oxide having a so-called perovskite-like structure in which a perovskite crystal structure and a rock salt crystal structure are alternately stacked (in layers), and can exhibit ionic conductivity and electronic conductivity. However, in this second oxide, it is said that the interstitial oxygen introduced into the rock salt type crystal structure becomes the carrier rather than originating from oxygen defects, and the ionic conduction and electronic conduction are the rock salt layer, respectively. It can occur two-dimensionally with the perovskite layer. That is, the diffusion path of oxygen ions can be expanded in a two-dimensional plane. It can be said that such a second oxide is a completely different material from that of the first oxide, which has a different oxygen ion conduction mechanism.

このような第2の酸化物としては、具体的には、一般式:XNiO4−δ’;で表される酸化物を考慮することができる。ここで、上式中、XはLa,PrおよびNdから選択される少なくとも1種の元素を含むことができる。また、δ’は、電荷中性条件を満たすように定まる値であり、上記第1の酸化物におけるδと同様に以後省略することがある。この様な第2の酸化物の好ましい態様は、例えば、LaNiO,La1.6Sr0.4NiO,PrNiO,NdNiO等であり得る。これら第2の酸化物は、本発明の本質から逸脱しない限りにおいて、上記に例示されていない他の元素(例えば、少なくとも1種の遷移金属元素等)を含み得る。このような第2の酸化物は、その結晶構造に由来して、例えば、上記の第1の酸化物(例えばLa0.6Sr0.4Fe0.8Co0.23−δ等)のペロブスカイト型酸化物と比較して、特に低温領域(例えば、500℃〜800℃)において高い酸素イオン導電性を示し得る。したがって、かかる低温領域(特に、600℃〜700℃程度)で駆動されるSOFCの電極材料として特に好適に用いることができる。 As such a second oxide, specifically, an oxide represented by a general formula: X 2 NiO 4-δ ′ ; can be considered. Here, in the above formula, X can contain at least one element selected from La, Pr and Nd. Further, δ ′ is a value that is determined so as to satisfy the charge neutrality condition, and may be omitted hereinafter in the same manner as δ in the first oxide. A preferable embodiment of such a second oxide can be, for example, La 2 NiO 4 , La 1.6 Sr 0.4 NiO 4 , Pr 2 NiO 4 , Nd 2 NiO 4 or the like. These second oxides may contain other elements not exemplified above (for example, at least one transition metal element, etc.) without departing from the essence of the present invention. Such a second oxide is derived from the crystal structure thereof, for example, the first oxide (for example, La 0.6 Sr 0.4 Fe 0.8 Co 0.2 O 3-δ or the like). ), A high oxygen ion conductivity can be exhibited particularly in a low temperature region (for example, 500 ° C. to 800 ° C.). Therefore, it can be particularly suitably used as an electrode material for SOFC driven in such a low temperature region (particularly about 600 ° C. to 700 ° C.).

なお、本明細書においては、本技術分野における慣習に倣って、以下でLa0.6Sr0.4Fe0.8Co0.23−δのような酸化物を、酸素(O)以外の構成元素の頭文字のみにより、単に、LSFCのように略して示す場合がある。 Note that in this specification, in accordance with the custom in this technical field, an oxide such as La 0.6 Sr 0.4 Fe 0.8 Co 0.2 O 3-δ is hereinafter referred to as oxygen (O). There are cases in which the abbreviation is simply abbreviated as LSFC only by the initial letters of the constituent elements other than.

(複合粒子)
以上の第1の酸化物と第2の酸化物とは、第1の酸化物の表面に第2の酸化物がメカニカル手法により接合されることで、複合粒子の形態を有している。
メカニカル手法とは、化学蒸着法や液相合成法等の化学的手法とは異なり、第1の酸化物と第2の酸化物とを、固相のまま機械的な力を作用させることにより複合一体化するものである。かかる機械的な力とは、例えば一例として、衝撃(衝突),圧縮,せん断(磨砕)あるいはそれらの混合などの力(エネルギー)として理解することができる。ここに開示される技術においては、第1の酸化物と第2の酸化物の均一化を完全には行わず、両者が付着一体化してなる複合粒子(コンポジット)の状態となるようにしている。
(Composite particles)
The first oxide and the second oxide described above are in the form of composite particles by bonding the second oxide to the surface of the first oxide by a mechanical method.
Unlike chemical methods such as chemical vapor deposition and liquid phase synthesis, the mechanical method combines the first oxide and the second oxide by applying mechanical force in the solid phase. To be integrated. Such mechanical force can be understood as, for example, force (energy) such as impact (collision), compression, shearing (grinding), or a mixture thereof. In the technique disclosed herein, the first oxide and the second oxide are not completely homogenized, but are in a composite particle (composite) state in which both are adhered and integrated. .

ここで、複合粒子における第1の酸化物および第2の酸化物の存在形態は特に限定されない。例えば、粒子状の第1の酸化物をコアとし、その表面の少なくとも一部を第2の酸化物が層状に覆っている形態であっても良い。第2の酸化物は、第1の酸化物の表面の全部を覆っていても良い。あるいは、粒子状の第1の酸化物の表面の一部を、1または2以上の島状の第2の酸化物が覆っていても良い。このように、ここに開示される複合粒子においては、第1の酸化物と第2の酸化物とが本質的に独立しつつ一体的に存在している。   Here, the presence form of the first oxide and the second oxide in the composite particle is not particularly limited. For example, a form in which a particulate first oxide is used as a core and at least a part of the surface thereof is covered with a second oxide in a layer form may be used. The second oxide may cover the entire surface of the first oxide. Alternatively, a part of the surface of the particulate first oxide may be covered with one or two or more island-like second oxides. As described above, in the composite particles disclosed herein, the first oxide and the second oxide exist integrally independently.

例えば、第1の酸化物を含む第1粒子と、第2の酸化物を含む第2粒子とを、メカニカル手法により乾式混合することで、第1粒子の表面の少なくとも一部を第2粒子で被覆するかたちで接合された複合粒子が好ましい態様として挙げられる。被覆の形態は特に制限されず、例えば、第1粒子の表面の一部または全部を第2粒子が層状又は島状に被覆したものであっても良い。なお、このようなメカニカル手法は、典型的には、例えば、硬質ボールを用いて機械的な力で練り合わせるメカニカルミリング法や、アンビル等の器具を用いて機械的な力を作用させて一体化させる大ひずみ導入法(強ひずみ加工法などともいう)等により実現することができる。このメカニカル手法による乾式混合の条件(例えば、処理の速度や処理時間等)は、所望の複合化度および所望の粒径等が得られるよう、適宜を調節することができる。ここで、第1粒子と第2粒子とは、例えば原料から作製してもよいし、購入してもよい。また作製方法に関しても特に制限はなく、例えば、乾式法や、湿式法等の公知の手法を利用して調製したものを特に制限なく用いることができる。   For example, the first particles including the first oxide and the second particles including the second oxide are dry-mixed by a mechanical method, so that at least a part of the surface of the first particles is the second particles. A composite particle bonded in a covering form is a preferred embodiment. The form of the coating is not particularly limited, and for example, a part or the whole of the surface of the first particle may be coated with the second particle in a layer shape or an island shape. Such mechanical methods are typically integrated, for example, mechanical milling method in which hard balls are used for kneading with mechanical force, or mechanical force is applied using an anvil or other instrument. It can be realized by a large strain introducing method (also called a strong strain processing method). The conditions for the dry mixing by this mechanical method (for example, the processing speed, processing time, etc.) can be adjusted as appropriate so as to obtain a desired degree of compounding and a desired particle size. Here, the 1st particle and the 2nd particle may be produced from a raw material, for example, and may be purchased. Moreover, there is no restriction | limiting in particular also about a preparation method, For example, what was prepared using well-known methods, such as a dry method and a wet method, can be especially used without a restriction | limiting.

メカニカル手法により得られる複合粒子の外形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、複合粒子の粒径(平均粒子径)についても特に制限されない。かかる複合粒子の粒径は、この複合粒子を作製するにあたり出発材料として用いる酸化物粒子(第1の酸化物の粉末および第2の酸化物の粉末)の粒径や、採用するメカニカル手法とその適用時間等により調整することができる。複合粒子の平均粒子径としては、例えば、20μm以下であるものが適当であり、好ましくは0.01μm以上10μm以下であり、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、ここでいう複合粒子の平均粒子径とは、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。   The external shape of the composite particles obtained by the mechanical method 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 diameter (average particle diameter) of the composite particles is not particularly limited. The particle size of the composite particles is determined by the particle size of the oxide particles (first oxide powder and second oxide powder) used as a starting material in producing the composite particles, the mechanical method employed, and It can be adjusted according to the application time. The average particle diameter of the composite particles is, for example, appropriately 20 μm or less, preferably 0.01 μm or more and 10 μm or less, more preferably 0.3 μm or more and 5 μm or less, for example 2 μm ± 1 μm. . The average particle size of the composite particles referred to here is a particle size (50% volume average particle size; hereinafter referred to as an integrated value of 50% in a particle size distribution measured by a particle size distribution measuring apparatus based on a laser scattering / diffraction method. It may be abbreviated as D50).

さらに、複合粒子を構成する第1の酸化物(複合粒子の一部である)および第2の酸化物(複合粒子の他の一部である)の各々の大きさや形態についても特に制限されない。例えば、上記第1粒子の表面の少なくとも一部を第2粒子で被覆するかたちで接合された複合粒子については、第1粒子の平均粒子径は、20μm以下程度であるものが適当であり、好ましくは0.1μm以上10μm以下程度であり、より好ましくは1μm以上8μm以下程度であり、例えば2μm以上5μm以下程度であり得る。また、例えば、第1粒子を被覆する第2粒子の平均粒子径は、第1粒子の平均粒子径よりも小さいことが好ましく、例えば、10μm以下程度であるものが適当であり、好ましくは0.01μm以上5μm以下程度であり、より好ましくは0.05μm以上3μm以下程度であり、例えば0.1μm以上1μm以下程度である。なお、ここでいう第1粒子および第2粒子についての平均粒子径とは、当該粒子の大きさに応じて、概ね100nm以上の粒子については上記と同様にレーザ回折・散乱法により測定された平均粒子径を採用することができ、また、概ね1μm以下の粒子については、動的光散乱法(DLS)に基づく粒度分布測定により測定した平均粒子径を採用することができる。   Further, the size and form of each of the first oxide (which is a part of the composite particle) and the second oxide (which is another part of the composite particle) constituting the composite particle are not particularly limited. For example, for the composite particles joined in such a manner that at least a part of the surface of the first particles is covered with the second particles, the average particle diameter of the first particles is suitably about 20 μm or less, preferably Is about 0.1 μm to 10 μm, more preferably about 1 μm to 8 μm, for example, about 2 μm to 5 μm. In addition, for example, the average particle diameter of the second particles covering the first particles is preferably smaller than the average particle diameter of the first particles, for example, about 10 μm or less is suitable, It is about 01 μm or more and 5 μm or less, more preferably about 0.05 μm or more and 3 μm or less, for example, about 0.1 μm or more and 1 μm or less. In addition, the average particle diameter about the 1st particle | grains and 2nd particle | grains here is the average measured by the laser diffraction and the scattering method similarly to the above about the particle | grains of about 100 nm or more according to the magnitude | size of the said particle | grain. The particle diameter can be adopted, and the average particle diameter measured by particle size distribution measurement based on the dynamic light scattering method (DLS) can be adopted for particles having a size of approximately 1 μm or less.

また、複合粒子を構成する第1の酸化物および第2の酸化物の割合については特に限定されない。第1の酸化物の量は、複合粒子全体を100質量%としたとき、例えば、50質量%以上95質量%以下とすることができる。また第2の酸化物の量は、複合粒子全体を100質量%としたとき、例えば、5質量%以上50質量%以下とすることができる。
なお、さらに詳細には、複合粒子における第1の酸化物(例えば第1粒子)と第2の酸化物(例えば第2粒子)との平均粒子径やその割合は特に制限されないものの、例えば、下記で規定されるパラメータPが、P≦1.4の関係を満たすよう、その形態を調整することがより好ましい例として挙げられる。
Further, the ratio of the first oxide and the second oxide constituting the composite particle is not particularly limited. The amount of the first oxide can be, for example, 50% by mass or more and 95% by mass or less when the entire composite particle is 100% by mass. Further, the amount of the second oxide can be, for example, 5% by mass or more and 50% by mass or less when the entire composite particle is 100% by mass.
In more detail, the average particle diameter and the ratio of the first oxide (for example, the first particle) and the second oxide (for example, the second particle) in the composite particle are not particularly limited. A more preferable example is that the form is adjusted so that the parameter P defined by (1) satisfies the relationship of P ≦ 1.4.

ここで、パラメータPは、複合粒子を用いて形成した電極に関する構成因子であって、次式で定義される。
P=R×S×(S/S’)
ここで、Rは複合粒子を用いて形成した電極の電極抵抗を、Sは複合粒子の比表面積を、S’は複合粒子の理論比表面積を示している。ここで、理論比表面積S’とは、複合粒子を形成するのに用いた第1粒子および第2粒子の比表面積の合計として定義される。そして、式中、(S/S’)は、第1粒子および第2粒子をメカニカル手法に供したときに減少した表面積の割合である表面積減少率を示している。
Here, the parameter P is a constituent factor related to the electrode formed using the composite particles, and is defined by the following equation.
P = R × S × (S / S ′)
Here, R represents the electrode resistance of the electrode formed using the composite particles, S represents the specific surface area of the composite particles, and S ′ represents the theoretical specific surface area of the composite particles. Here, the theoretical specific surface area S ′ is defined as the sum of the specific surface areas of the first particles and the second particles used to form the composite particles. And (S / S ') has shown the surface area reduction rate which is a ratio of the surface area reduced when the 1st particle and the 2nd particle were used for the mechanical method in a type | formula.

ここで、SOFCの空気極における電極反応は、空気極/電解質/気相とのいわゆる三相界面において生じている。そして空気極材料として酸素イオン混合導電体を用いることで、電極表面において酸素含有ガスから酸素分子がイオン化されて空気極中に取り込まれるという現象が見られる。すなわち、空気極表面においても電極反応が進行され得る。そのため、一般的には、空気極材料について比表面積を増大させることで気相/空気極/電解質界面からなる三相界面を増加させ、比較的高い電極活性を発現し得るように構成していた。これに対し、ここに開示される材料においては、空気極材料をより微細な粒子(すなわち、第1粒子および第2粒子)を複合化することで形成し、比表面積を敢えて減少させるようにしている。そしてかかる複合粒子における界面の接合状態を、酸素イオンの移動により適した状態に整える、換言すると酸素イオンがより円滑に移動できるよう電極材料における粒子界面の微構造を最適化するようにしている。そしてこれにより、結果として空気極全体としての反応抵抗を抑制し、電極活性を高めると共に、高いSOFC出力を実現するようにしている。   Here, the electrode reaction in the air electrode of SOFC occurs at a so-called three-phase interface between the air electrode / electrolyte / gas phase. By using an oxygen ion mixed conductor as the air electrode material, a phenomenon that oxygen molecules are ionized from the oxygen-containing gas on the electrode surface and taken into the air electrode is observed. That is, the electrode reaction can proceed even on the air electrode surface. Therefore, in general, the air electrode material is configured to increase the specific surface area to increase the three-phase interface composed of the gas phase / air electrode / electrolyte interface, and to express relatively high electrode activity. . On the other hand, in the material disclosed here, the air electrode material is formed by combining finer particles (that is, the first particles and the second particles), and the specific surface area is intentionally reduced. Yes. Then, the interface state of the composite particles is adjusted to a more suitable state by the movement of oxygen ions, in other words, the microstructure of the particle interface in the electrode material is optimized so that the oxygen ions can move more smoothly. As a result, the reaction resistance of the entire air electrode is suppressed, the electrode activity is increased, and a high SOFC output is realized.

そして、ここに開示される技術においては、このパラメータPが1.4以下である場合に、第1粒子と第2粒子とが酸素イオンの移動に関して良好な界面を形成して接合されていると判断することができる。パラメータPは、1.25以下であることが好ましく、1.2以下であることより好ましく、1.15以下であることが特に好ましい。   In the technique disclosed herein, when the parameter P is 1.4 or less, the first particles and the second particles are joined to form a good interface with respect to the movement of oxygen ions. Judgment can be made. The parameter P is preferably 1.25 or less, more preferably 1.2 or less, and particularly preferably 1.15 or less.

複合粒子の比表面積Sとしては、ここに開示される電極材料に含まれる複合粒子について測定された比表面積値を用いることができる。また、理論比表面積S’としては、例えば下式に示されるように、かかる複合粒子の作製に使用した第1粒子の比表面積値と第2粒子の比表面積値とを、その配合割合に応じて足し合わせた値(加重和)を用いることができる。
理論比表面積S’=(第1粒子の比表面積×添加割合)+(第2粒子の比表面積×添加割合)
As the specific surface area S of the composite particles, the specific surface area value measured for the composite particles contained in the electrode material disclosed herein can be used. Further, as the theoretical specific surface area S ′, for example, as shown in the following formula, the specific surface area value of the first particles and the specific surface area value of the second particles used for the production of the composite particles are determined according to the blending ratio. The sum (weighted sum) can be used.
Theoretical specific surface area S ′ = (specific surface area of the first particle × addition ratio) + (specific surface area of the second particle × addition ratio)

本明細書において、複合粒子,第1粒子および第2粒子の比表面積は、BET法に基づき、当該粒子の表面に物理吸着したガス(典型的には窒素(N)ガス)の量を測定することによって決定される、当該粒子を構成する一次粒子の外部および内部の全ての表面積をその質量で除することにより算出した値を採用することができる。かかる比表面積は、JIS Z 8830:2013(ISO9277:2010)「ガス吸着による粉体(固体)の比表面積測定方法」の規定に準じて測定することができる。 In this specification, the specific surface areas of the composite particles, the first particles, and the second particles are measured based on the BET method by measuring the amount of gas (typically nitrogen (N 2 ) gas) physically adsorbed on the surfaces of the particles. It is possible to adopt a value calculated by dividing all the external and internal surface areas of the primary particles constituting the particles by their masses. Such a specific surface area can be measured in accordance with JIS Z 8830: 2013 (ISO 9277: 2010) “Method for measuring specific surface area of powder (solid) by gas adsorption”.

また、電極抵抗Rは、複合粒子または第1粒子を用いて形成した厚さ10μm以上100μm以下の電極について、交流インピーダンス法により測定される電極反応抵抗である。この電極反応抵抗は、例えば、下記の実施例に記載する方法に基づき測定することができる。また、電極は、複合粒子または第1粒子を適切な分散媒に、固形分濃度が70質量%となるように配合して調製した電極形成用ペーストを、適切な基材(例えば、酸化セリウム)上に供給し、乾燥および焼成することで形成することができる。ここで分散媒としては、例えば、バインダとしてのポリビニルブチラール(PVB)と溶媒としてのキシレンとを、3:17の割合で混合したビヒクルを好適に用いることができる。なお、かかるペーストの供給は、電極を精度よく形成できるとの観点から、例えば、スクリーン印刷法を好ましく採用することができる。   The electrode resistance R is an electrode reaction resistance measured by an alternating current impedance method for an electrode having a thickness of 10 μm or more and 100 μm or less formed using composite particles or first particles. This electrode reaction resistance can be measured based on the method described in the following Example, for example. In addition, the electrode is prepared by mixing an electrode forming paste prepared by blending the composite particles or the first particles in an appropriate dispersion medium so that the solid content concentration is 70% by mass, and using an appropriate substrate (for example, cerium oxide). It can be formed by feeding it above, drying and baking. Here, as the dispersion medium, for example, a vehicle in which polyvinyl butyral (PVB) as a binder and xylene as a solvent are mixed at a ratio of 3:17 can be suitably used. In addition, the supply of such paste can preferably employ, for example, a screen printing method from the viewpoint that the electrodes can be accurately formed.

以上の様な構成の複合粒子とすることで、ここに開示される電極材料は、酸素イオン伝導性がより高く、かつ、第1の酸化物と第2の酸化物との間の抵抗をより一層低く抑えることができる。
このように、上記の第1の酸化物(例えば第1粒子)と第2の酸化物(例えば第2粒子)とは、いずれも酸素イオン伝導性と電子伝導性を兼ね備えた混合伝導体(酸素イオン−電子混合伝導体)である。また、第1の酸化物(例えば第1粒子)と第2の酸化物(例えば第2粒子)とは、メカニカル手法により接合されているため、酸素イオンの通過に対して良好な界面が形成され、粒子間の接触抵抗が好適に低減される。したがって、これらの複合粒子を含む電極材料は、いわゆる三相界面(空気極(電子伝導体)と電解質(イオン伝導体)と気相の接する界面)だけでなく、電極表面(電極材料の表面)も優れた反応場となり得る。このため、ここに開示される電極材料を用いてSOFCの構成部材(例えば、電極(典型的には空気極)や集電体等)を作製した場合、より低抵抗で高性能な固体酸化物形燃料電池を実現することができる。好適には、例えば、比較的低い温度領域(例えば600℃〜700℃)においても低抵抗で、高い電極性能を発揮し得る電極を実現することができる。
By using composite particles having the above-described configuration, the electrode material disclosed herein has higher oxygen ion conductivity and more resistance between the first oxide and the second oxide. It can be kept lower.
As described above, the first oxide (for example, the first particle) and the second oxide (for example, the second particle) are both mixed conductors (oxygen) having both oxygen ion conductivity and electron conductivity. Ion-electron mixed conductor). In addition, since the first oxide (for example, the first particles) and the second oxide (for example, the second particles) are joined by a mechanical method, a favorable interface is formed for the passage of oxygen ions. The contact resistance between the particles is suitably reduced. Therefore, the electrode material containing these composite particles is not only a so-called three-phase interface (interface where the air electrode (electron conductor) and electrolyte (ion conductor) are in contact with the gas phase), but also the electrode surface (surface of the electrode material). Can also be an excellent reaction field. For this reason, when an SOFC component (for example, an electrode (typically an air electrode) or a current collector) is manufactured using the electrode material disclosed herein, the solid oxide has a lower resistance and higher performance. A fuel cell can be realized. Preferably, for example, an electrode that can exhibit high electrode performance with low resistance even in a relatively low temperature range (for example, 600 ° C. to 700 ° C.) can be realized.

(SOFC)
より具体的には、他の側面において、ここに開示される技術により提供される固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、本質的には、燃料極(アノード)と固体電解質と空気極(カソード)とが備えられている。ここでSOFCは、例えば、従来公知の平板型(Planar)、MOLB型、縦縞円筒型(Tubular)、あるいは円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒型(Flat tubular)、一体積層型等の種々の構造のSOFCであってよい。また、ここに開示される電極材料を用いた電極(典型的には空気極)は、形状やサイズは特に限定されない。また、SOFCを支持する支持体(基材)についても特に制限なく、例えば燃料極(アノード支持型)、空気極(カソード支持型)、固体電解質(固体電解質支持型)等であり得る。
(SOFC)
More specifically, in another aspect, the solid oxide fuel cell (SOFC) provided by the technology disclosed herein essentially comprises a fuel electrode (anode), a solid electrolyte, and an air electrode (cathode). ) And are provided. Here, the SOFC is, for example, a conventionally known flat plate type (Planar), MOLB type, vertically striped cylindrical type (Tubular), a flat cylindrical type (Flat tubular) in which the peripheral side surface of the cylinder is vertically crushed, an integral laminated type, or the like. The SOFC may have various structures. Further, the shape and size of an electrode (typically an air electrode) using the electrode material disclosed herein are not particularly limited. The support (base material) that supports the SOFC is not particularly limited, and may be, for example, a fuel electrode (anode support type), an air electrode (cathode support type), a solid electrolyte (solid electrolyte support type), and the like.

そこで、ここに開示されるSOFCについて、図1を参照しながらより詳細に説明する。図1は、ここで開示されるSOFC10を備えた発電システムの一部を模式的に示した断面構成図である。この図は模式的に描かれており、図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。ここに示す構成のSOFC10は、アノード支持型のSOFCであり、支持体となる円筒型の燃料極(アノード)40と、この燃料極40の少なくとも一部の表面上に形成された(膜状の)固体電解質30と、この固体電解質30の表面上に形成された薄板状あるいはシート状の空気極(カソード)20とが積層された構造を有している。この例では図示されていないが、空気極20と固体電解質30との間に、両者の反応を防止する反応防止層が備えられていてもよい。   Therefore, the SOFC disclosed herein will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional configuration diagram schematically illustrating a part of a power generation system including the SOFC 10 disclosed herein. This figure is drawn schematically, and the dimensional relationship (length, width, thickness, etc.) in the diagram does not reflect the actual dimensional relationship. The SOFC 10 having the structure shown here is an anode-supported SOFC, and is formed on a cylindrical fuel electrode (anode) 40 serving as a support and at least a part of the surface of the fuel electrode 40 (film-like). ) A solid electrolyte 30 and a thin plate-like or sheet-like air electrode (cathode) 20 formed on the surface of the solid electrolyte 30 are stacked. Although not shown in this example, a reaction preventing layer for preventing the reaction between the air electrode 20 and the solid electrolyte 30 may be provided.

そして、燃料極40の端部42と、燃料ガス(典型的には、水素(H)または炭化水素(例えばメタン;CH)を供給するガス管60の接合面とが、接続部材50によって接合され、気体(燃料ガスもしくは空気)が流出又は流入しないように封止されている。また、空気極20は酸素(O)を含む気体に曝されるよう、典型的には外気に露出した構造となるよう、構成されている。
かかるSOFC10に電流を印加すると、空気極20において、酸素含有ガス(典型的には空気)中の酸素が、酸素イオン(O2−)となる。この酸素イオンは、空気極20から固体電解質30を介して燃料極40に供給される。そして該燃料極40において、燃料ガスと反応して水(HO)を生成し、電子を放出することにより、発電が行われる。
An end 42 of the fuel electrode 40 and a joint surface of a gas pipe 60 that supplies fuel gas (typically hydrogen (H 2 ) or hydrocarbon (for example, methane; CH 4 )) are connected by the connecting member 50. It is joined and sealed so that gas (fuel gas or air) does not flow out or in. The air electrode 20 is typically exposed to the outside air so as to be exposed to a gas containing oxygen (O 2 ). It is comprised so that it may become a structure.
When a current is applied to the SOFC 10, oxygen in the oxygen-containing gas (typically air) becomes oxygen ions (O 2− ) in the air electrode 20. The oxygen ions are supplied from the air electrode 20 to the fuel electrode 40 through the solid electrolyte 30. Then, the fuel electrode 40 reacts with the fuel gas to generate water (H 2 O) and emit electrons, thereby generating electric power.

ここで、SOFC10を構成する燃料極40は多孔質構造を有している。燃料極40の形状は、SOFC10に供給される燃料ガスに接触できるように構成されていればよく、上述したSOFCの形状に応じて適宜選択し得る。図1に示す構成のSOFC10は、いわゆるアノード支持型であるため、比較的厚く形成された薄板状あるいはシート状の燃料極40がSOFC10の支持体として形成されている。なお、図示しないが、燃料極40部分を、アノード支持体部分と燃料極(アノード)とに分けて形成するようにしても良い。上記支持体としての燃料極40の厚み(全体)は、取扱い性、耐久性、熱膨張率等を考慮して設定することが好ましい。典型的には0.1mm〜10mm程度であり、好ましくは0.5mm〜5mm程度であるが、かかる厚みに限定されるものではない。   Here, the fuel electrode 40 constituting the SOFC 10 has a porous structure. The shape of the fuel electrode 40 only needs to be configured so as to be in contact with the fuel gas supplied to the SOFC 10, and can be appropriately selected according to the shape of the SOFC described above. Since the SOFC 10 having the configuration shown in FIG. 1 is a so-called anode support type, a thin plate-like or sheet-like fuel electrode 40 formed relatively thick is formed as a support for the SOFC 10. Although not shown, the fuel electrode 40 portion may be divided into an anode support portion and a fuel electrode (anode). The thickness (overall) of the fuel electrode 40 as the support is preferably set in consideration of handling properties, durability, coefficient of thermal expansion, and the like. Typically, it is about 0.1 mm to 10 mm, and preferably about 0.5 mm to 5 mm, but is not limited to this thickness.

かかる燃料極を構成する材料としては、従来からSOFCに用いられている材料の一種または二種以上を特に限定することなく使用することができる。例えば、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、金(Au)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)その他の白金族元素、コバルト(Co)、ランタン(La)、ストロンチウム(Sr)、チタン(Ti)等からなる金属および/または金属元素のうちの1種類以上から構成される金属酸化物が挙げられる。具体例として、Ni、Co、Ru等の白金族元素からなる、金属や金属酸化物が挙げられる。例えば、Niは他の金属に比べて安価であり、且つ水素等の燃料ガスとの反応性が十分に大きいことから特に好適な金属種である。また、これらの金属や金属酸化物を混合した複合物を用いることもできる。さらに、例えば、上記燃料極構成材料(金属や金属酸化物)と、後述する固体電解質構成材料との複合物を用いることもできる。具体的には、例えばニッケル(Ni)またはルテニウム(Ru)と、安定化ジルコニア(例えば、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、カルシア安定化ジルコニア(CSZ)、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)等)とのサーメットが好適例として挙げられる。特に限定するものではないが、例えば上記燃料極構成材料と後述する固体電解質構成材料との混合比率(質量比)が、凡そ90:10〜40:60(より好ましくは、凡そ80:20〜45:55)の範囲にあることが好適である。   As a material constituting such a fuel electrode, one or two or more materials conventionally used for SOFC can be used without any particular limitation. For example, nickel (Ni), copper (Cu), gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru) and other platinum group elements, cobalt (Co), lanthanum (La), strontium (Sr ), A metal oxide composed of one or more of metals and / or metal elements composed of titanium (Ti) or the like. Specific examples include metals and metal oxides made of platinum group elements such as Ni, Co, and Ru. For example, Ni is a particularly preferable metal species because it is cheaper than other metals and has a sufficiently high reactivity with fuel gas such as hydrogen. Moreover, the composite which mixed these metals and metal oxides can also be used. Further, for example, a composite of the fuel electrode constituent material (metal or metal oxide) and a solid electrolyte constituent material described later can be used. Specifically, for example, nickel (Ni) or ruthenium (Ru) and stabilized zirconia (for example, yttria stabilized zirconia (YSZ), calcia stabilized zirconia (CSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), etc.). Cermet is a preferred example. Although not particularly limited, for example, the mixing ratio (mass ratio) of the fuel electrode constituent material and the solid electrolyte constituent material described later is about 90:10 to 40:60 (more preferably about 80:20 to 45). : 55).

ここで開示されるSOFC10を構成する固体電解質30は緻密構造を有している。固体電解質30は、上記燃料極40の上に積層されており、燃料極40の形状に応じてその形状を適宜変更することができる。また、固体電解質30の膜厚は、固体電解質層の緻密性が維持される程度に厚くする一方、SOFCとして好ましい酸素イオン伝導度を供し得る程度に薄くなるよう、両者をバランスさせて厚さ寸法を設定することが好ましい。典型的には0.1μm〜50μm程度であり、好ましくは1μm〜40μm程度であり、より好ましくは5μm〜20μm程度であるが、かかる膜厚に限定されるものではない。   The solid electrolyte 30 constituting the SOFC 10 disclosed herein has a dense structure. The solid electrolyte 30 is laminated on the fuel electrode 40, and the shape thereof can be appropriately changed according to the shape of the fuel electrode 40. Further, the thickness of the solid electrolyte 30 is increased so that the denseness of the solid electrolyte layer is maintained, while the thickness of the solid electrolyte 30 is balanced so that the thickness can be reduced to provide oxygen ion conductivity preferable as SOFC. Is preferably set. Typically, the thickness is about 0.1 μm to 50 μm, preferably about 1 μm to 40 μm, and more preferably about 5 μm to 20 μm. However, the thickness is not limited thereto.

かかる固体電解質を構成する材料としては、従来からSOFCに用いられている材料の一種または二種以上を特に限定することなく使用することができ、例えば、高い酸素イオン伝導性を有する化合物が好ましく用いられる。例えば、セリウム(Ce)、ジルコニウム(Zr)、マグネシウム(Mg)、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、イットリウム(Y)、カルシウム(Ca)、ガドリニウム(Gd)、サマリウム(Sm)、バリウム(Ba)、ランタン(La)、ストロンチウム(Sr)、ガリウム(Ga)、ビスマス(Bi)、ニオブ(Nb)、タングステン(W)等のうちから選択される元素を含む、酸化物であることが好ましい。具体的には、安定化剤(例えば、イットリア(Y)、カルシア(CaO)、スカンジア(Sc)、マグネシア(MgO)、イッテルビア(Yb)、エルビア(Er))で結晶構造を安定化させたジルコニア(ZrO)や、ドープ剤(例えば、ガドリニア(Gd)、ランタニア(La)、サマリア(Sm)、イットリア(Y))をドープしたセリウム酸化物(CeO)が、好適例として挙げられる。例えば、イットリウム(Y)の酸化物(例えば、イットリア(Y))をドープしたイットリア安定化ジルコニア(YSZ)や、スカンジウム(Sc)の酸化物(例えばスカンジア(Sc))をドープしたスカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)等を好ましく用いることができる。 As a material constituting such a solid electrolyte, one or more kinds of materials conventionally used in SOFC can be used without particular limitation, and for example, a compound having high oxygen ion conductivity is preferably used. It is done. For example, cerium (Ce), zirconium (Zr), magnesium (Mg), scandium (Sc), titanium (Ti), aluminum (Al), yttrium (Y), calcium (Ca), gadolinium (Gd), samarium (Sm) ), Barium (Ba), lanthanum (La), strontium (Sr), gallium (Ga), bismuth (Bi), niobium (Nb), tungsten (W), etc. Preferably there is. Specifically, stabilizers (for example, yttria (Y 2 O 3 ), calcia (CaO), scandia (Sc 2 O 3 ), magnesia (MgO), ytterbia (Yb 2 O 3 ), erbia (Er 2 O 3 )) whose crystal structure has been stabilized, zirconia (ZrO 2 ), dopants (eg gadolinia (Gd 2 O 3 ), lanthania (La 2 O 3 ), samaria (Sm 2 O 3 ), yttria (Y A suitable example is cerium oxide (CeO 2 ) doped with 2 O 3 )). For example, yttria-stabilized zirconia (YSZ) doped with an oxide of yttrium (Y) (eg, yttria (Y 2 O 3 )) or scandium (Sc) oxide (eg, scandia (Sc 2 O 3 )) is used. Doped scandia-stabilized zirconia (ScSZ) or the like can be preferably used.

ここで開示されるSOFCを構成する空気極(カソード)20は、上記燃料極40と同様に多孔質構造を有している。空気極20は、上記固体電解質30の上に積層されており、固体電解質30の形状に応じてその形状を適宜変更することができる。空気極20の厚みは、典型的には1μm〜200μm程度であり、好ましくは5μm〜100μm程度、より好ましくは10μm〜100μmであるが、かかる厚みに限定されるものではない。
空気極20は、ここで開示されるいずれかの電極材料により好適に作製することができる。この電極材料により構成される空気極では、酸素イオン伝導性や電子伝導性が向上されているため、このような空気極を備えたSOFCは、比較的低い作動温度領域においても、高い発電性能(例えば、作動温度700℃、電流0.5A/cmの条件下において、0.54W/cm以上の電力密度)を発揮し得る。なお、電力密度の測定条件については、後述する実施例において詳細に述べる。
The air electrode (cathode) 20 constituting the SOFC disclosed here has a porous structure like the fuel electrode 40. The air electrode 20 is laminated on the solid electrolyte 30, and the shape thereof can be appropriately changed according to the shape of the solid electrolyte 30. The thickness of the air electrode 20 is typically about 1 μm to 200 μm, preferably about 5 μm to 100 μm, more preferably 10 μm to 100 μm, but is not limited to such thickness.
The air electrode 20 can be suitably manufactured by any of the electrode materials disclosed herein. Since the air electrode composed of this electrode material has improved oxygen ion conductivity and electronic conductivity, SOFCs equipped with such an air electrode have high power generation performance (even in a relatively low operating temperature range). For example, a power density of 0.54 W / cm 2 or more can be exhibited under conditions of an operating temperature of 700 ° C. and a current of 0.5 A / cm 2 . The power density measurement conditions will be described in detail in the examples described later.

また、特に図示していないが、複数のSOFC(単セル)10を接続した形態のセルスタックにおいては、隣接するセル同士を集電体により連結している。この集電体は、SOFCの燃料極40と空気極20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SOFC10の集電体用の材料としても、ここに開示される電極材料を好ましく用いることができる。さらには、この集電体と、空気極とを気密に接合するための接合材料(接合ペースト)としても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、セパレータ等とも呼ばれる構成部材を包含し、例えば一方のセルの空気極と他方のセルの燃料極とを接合したり、一つの空気極と他の構成部材とを接続したりする部材であり得る。   Although not particularly shown, in a cell stack in which a plurality of SOFCs (single cells) 10 are connected, adjacent cells are connected by a current collector. Since this current collector also has a role as a partition wall that partitions the SOFC fuel electrode 40 and the air electrode 20, in addition to high electrical conductivity, it is suitable for both oxidizing atmospheres and reducing atmospheres at high temperatures. It is required to have resistance. The electrode material disclosed here can also be preferably used as the material for the current collector of the SOFC 10. Furthermore, it can be preferably used as a bonding material (bonding paste) for airtightly bonding the current collector and the air electrode. In addition, the current collector referred to in the present specification includes structural members called interconnectors, separators, etc. in SOFC, for example, joining the air electrode of one cell and the fuel electrode of the other cell, It may be a member that connects one air electrode and another component.

以上の電極材料は、上記の電極材料をそのまま単独で、あるいは焼結助剤、造孔材等の添加剤と共に所望の形態に成形し、焼成することで、目的の電極等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、粉末状の電極材料をそのまま成形してもよいし、あるいは、粉末状の電極材料を分散媒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。この分散媒としては、ここに開示される電極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各種の分散媒を特に制限なく使用することができる。典型的には、かかる分散媒としては、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の1種を単独で、または、2種以上を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。なお、かかる分散媒には、分散剤や可塑剤等のこの種の分散媒に一般的に使用され得る任意の添加剤が含まれていても良い。
The above electrode materials can be produced by forming the above electrode materials as they are alone or together with additives such as sintering aids and pore formers into desired forms and firing them, thereby producing components such as target electrodes. can do.
In such molding, for example, the powdered electrode material may be molded as it is, or prepared in the form of a paste (including ink, slurry, etc.) in which the powdered electrode material is dispersed in a dispersion medium. May be used. Any dispersion medium may be used as long as it can disperse the electrode material disclosed herein well, and various dispersion media used in this type of conventional paste can be used without particular limitation. Typically, as such a dispersion medium, a mixture of a vehicle and an organic solvent for viscosity adjustment can be considered. As such an organic solvent, for example, one kind of high-boiling organic solvents such as ethylene glycol and diethylene glycol derivatives (glycol ether solvents), toluene, xylene, butyl carbitol (BC), terpineol, or two or more kinds are used. Can be used in combination. 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. The dispersion medium may contain any additive that can be generally used for this type of dispersion medium, such as a dispersant and a plasticizer.

かかる分散媒の割合は、かかる電極材料の仕様目的に応じて適宜調整することができる。例えば、SOFCの電極およびその他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、かかるペースト状の形態の電極材料は、印刷等の手法により上記のSOFCの構成部材を形成するのに好ましく用いることができる。より具体的には、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の空気極を作製するためのグリーンシートを成形する場合を例にすると、かかる分散媒が、ペースト全体(すなわち、例えば、電極材料と、造孔材と、分散媒との合計)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、粉末状の電極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 dispersion medium can be adjusted as appropriate according to the specification purpose of the electrode material. For example, it can be appropriately adjusted according to the form of the SOFC electrode and other components, the method employed for the molding, and the like. For example, such a paste-like electrode material can be preferably used to form the above-mentioned SOFC constituent member by printing or the like. More specifically, for example, when a green sheet for producing an SOFC air electrode is formed by a method such as screen printing or a doctor blade method, the dispersion medium is used for the entire paste (that is, for example, The ratio of the electrode material, the pore former, and the dispersion medium) is about 5% by mass to 60% by mass, preferably 7% by mass to 50% by mass, and more preferably 10%. It is not less than 40% by mass. 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 electrode material can be easily formed (applied) as a layered body (for example, a coating film) with a uniform thickness, is easy to handle, and further removes the solvent from the molded body. It is suitable because it does not take a long time to do. 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、上記電極材料および分散媒の混合には、例えば、公知の三本ロールミル等を用いることができる。ペースト状の電極材料は、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電極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、ここに開示される電極材料でSOFCの空気極を形成する場合、空気極の全体をかかる電極材料で構成しても良いし、その一部のみをかかる空気材料で構成するようにしても良い。ここに開示される電極材料は、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)として用いることもできる。   In preparing the paste, for example, a known three-roll mill can be used for mixing the electrode material and the dispersion medium. By adjusting the viscosity of the paste-like electrode material to an appropriate viscosity according to the desired application, the electrode material can be easily supplied to the desired position in the desired form in the form of coating or printing. . 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. In addition, when forming the SOFC air electrode with the electrode material disclosed herein, the entire air electrode may be composed of the electrode material, or only part of the air electrode may be composed of the air material. good. The electrode material disclosed herein can be used as 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電極材料の成形体は、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の空気極や集電体等の、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 electrode material prepared as described above can be fired in the same manner as this conventional component member. 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 constituent member such as an SOFC air electrode or a current collector can be produced.

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.

[電極材料の用意]
第1の酸化物(第1粒子)として、La0.6Sr0.4(Co0.2Fe0.8)O3‐δの基本組成を有するペロブスカイト型酸化物(平均粒子径2μm)を用意し、また、第2の酸化物(第2粒子)としてLaNiO(平均粒子径0.2μm)を用意した。
そしてこれらの酸化物を、下記の表1の例1〜8に示す配合で秤量し、混合(メカニカル手法によらない)することで、例1〜8の粒子からなる電極材料を作製した。また、これらの酸化物を、下記の表1の例9〜15に示す配合で秤量し、メカニカル手法により複合体化することで例9〜15の複合粒子からなる電極材料を作製した。なお、メカニカル手法による複合化には、微粒子を乾式で複合化・被覆化することができる乾式粒子複合化装置(ホソカワミクロン(株)製、ノビルタ)を用い、動力3.0,運転時間:10分間の条件で複合化処理を行った。
[Preparation of electrode material]
As the first oxide (first particle), a perovskite oxide (average particle diameter 2 μm) having a basic composition of La 0.6 Sr 0.4 (Co 0.2 Fe 0.8 ) O 3-δ is used. In addition, La 2 NiO 4 (average particle diameter 0.2 μm) was prepared as the second oxide (second particle).
These oxides were weighed according to the formulations shown in Examples 1 to 8 in Table 1 below, and mixed (not depending on the mechanical technique) to produce electrode materials composed of the particles of Examples 1 to 8. In addition, these oxides were weighed in the formulations shown in Examples 9 to 15 in Table 1 below, and composited by a mechanical method to produce electrode materials composed of the composite particles of Examples 9 to 15. For compounding by a mechanical method, a dry particle compounding device (Nosoluta manufactured by Hosokawa Micron Co., Ltd.) capable of compounding and coating fine particles by a dry method is used, and the power is 3.0 and the operation time is 10 minutes. The compounding process was performed under the following conditions.

[評価用のSOFCセルの作製]
上記で用意した例1〜15の電極材料をSOFCの空気極用材料として用い、以下の手順で、評価用のSOFCセルを作製した。
すなわち、まず、酸化ニッケル(NiO,平均粒子径0.5μm)粉末と、8%イットリア安定化ジルコニア(8%YSZ,平均粒子径0.5μm)粉末とを、60:40の質量比で混合することで、燃料極支持体用材料を用意した。そして、この燃料極支持体用材料と、造孔材(炭素成分)、バインダ(ポリビニルブチラール;PVB)、可塑剤および溶媒(キシレン)とを、順に58:5:8.5:4.5:24の質量比で混練することにより、ペースト状の燃料極支持体形成用組成物を調製した。次いで、この燃料極支持体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、厚みが0.5〜1mmの燃料極支持体グリーンシートを形成した。
[Production of SOFC cell for evaluation]
The electrode materials of Examples 1 to 15 prepared above were used as SOFC air electrode materials, and SOFC cells for evaluation were produced by the following procedure.
That is, first, nickel oxide (NiO, average particle size 0.5 μm) powder and 8% yttria-stabilized zirconia (8% YSZ, average particle size 0.5 μm) powder are mixed at a mass ratio of 60:40. Thus, a fuel electrode support material was prepared. Then, this fuel electrode support material, a pore former (carbon component), a binder (polyvinyl butyral; PVB), a plasticizer and a solvent (xylene) in this order 58: 5: 8.5: 4.5: By kneading at a mass ratio of 24, a paste-like composition for forming a fuel electrode support was prepared. Subsequently, this composition for forming a fuel electrode support was applied onto a carrier sheet in a sheet form by a doctor blade method and dried to form a fuel electrode support green sheet having a thickness of 0.5 to 1 mm.

次に、上記と同じ、酸化ニッケル粉末と、8%YSZ粉末と、溶媒(α−テルピネオール;TE)およびバインダ(エチルセルロース;EC)とを、48:32:18:2の質量比で混合することで、燃料極形成用組成物を調製した。次いで、この燃料極形成用組成物を上記燃料極支持体グリーンシート上にスクリーン印刷法により供給し、乾燥させて、厚みが約10μmの燃料極グリーンシートを形成した。   Next, the same nickel oxide powder, 8% YSZ powder, solvent (α-terpineol; TE) and binder (ethyl cellulose; EC) as above are mixed in a mass ratio of 48: 32: 18: 2. Thus, a fuel electrode forming composition was prepared. Next, this fuel electrode forming composition was supplied onto the fuel electrode support green sheet by screen printing and dried to form a fuel electrode green sheet having a thickness of about 10 μm.

固体電解質材料として、上記と同じ8%YSZ粉末と、バインダ(EC)と、溶媒(TE)とを、65:4:31の質量比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、厚みが約10μmの固体電解質層グリーンシートを形成した。   A composition for forming a solid electrolyte layer in the form of a paste by kneading the same 8% YSZ powder, binder (EC), and solvent (TE) as the solid electrolyte material at a mass ratio of 65: 4: 31. A product was prepared. A solid electrolyte layer green sheet having a thickness of about 10 μm was formed by supplying the sheet on the fuel electrode green sheet by a screen printing method.

また、反応防止層材料として、平均粒子径0.5μmの10%ガドリニウムドープセリア(10GDC)粉末と、バインダ(EC)と、溶媒(TE)とを、65:4:31の質量比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、厚みが約5μmの反応防止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、1350℃で共焼成することで、SOFCのハーフセルを得た。なお、ハーフセルの形状は、直径20mmの円板形とした。
Further, as a reaction preventing layer material, 10% gadolinium-doped ceria (10GDC) powder having an average particle diameter of 0.5 μm, a binder (EC), and a solvent (TE) are kneaded at a mass ratio of 65: 4: 31. As a result, a paste-like composition for the reaction preventing layer was prepared. This was supplied on the solid electrolyte layer green sheet in a sheet form by a screen printing method to form a reaction preventing layer green sheet having a thickness of about 5 μm.
The laminated green sheet thus prepared was cofired at 1350 ° C. to obtain a SOFC half cell. In addition, the shape of the half cell was a disk shape having a diameter of 20 mm.

次いで、空気極材料として、上記で用意した例1〜15の電極材料を用い、空気極形成用組成物を調製した。すなわち、各電極材料と、バインダ(EC)と、溶媒(TE)とを、80:3:17の質量比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得た。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円形シート状に供給することで、空気極層グリーンシートを形成した。次いで、これを1100℃で焼成して空気極を焼成し、例1〜14の評価用のSOFCを得た。なお、空気極の寸法は、直径10mm、厚み約30μmとした。
そして、このように得られた評価用のSOFCについて、電極抵抗および発電性能を以下に示す手順で測定した。
Next, a composition for forming an air electrode was prepared using the electrode materials of Examples 1 to 15 prepared above as the air electrode material. That is, each electrode material, binder (EC), and solvent (TE) were kneaded at a mass ratio of 80: 3: 17 to obtain a paste-like composition for forming an air electrode. The air electrode layer green sheet was formed by supplying this into a circular sheet by the screen printing method on the SOFC half cell prepared above. Next, this was fired at 1100 ° C. to fire the air electrode, and SOFCs for evaluation of Examples 1 to 14 were obtained. The dimensions of the air electrode were 10 mm in diameter and about 30 μm in thickness.
The electrode resistance and power generation performance of the evaluation SOFC thus obtained were measured according to the following procedure.

[電極反応抵抗]
例1〜14のSOFCについて、開回路状態において交流インピーダンス測定を行い、発電時の電圧損失から電極反応抵抗を算出した。交流インピーダンスの測定には、周波数応答アナライザ(Solartron社製、1260型)を用い、燃料極供給ガス:水素ガス(50ml/min)、空気極供給ガス:空気(100ml/min)、測定温度700℃、開回路状態において、測定周波数領域10MHz〜0.1Hzの条件で測定した。電極反応抵抗は、交流インピーダンス測定により得られたコール・コールプロットにおける、複数の円弧状の抵抗成分の全幅とした。電極反応抵抗の測定結果を、表1の「R」の欄に示した。
[Electrode reaction resistance]
For the SOFCs of Examples 1 to 14, AC impedance measurement was performed in an open circuit state, and the electrode reaction resistance was calculated from the voltage loss during power generation. For the measurement of the AC impedance, a frequency response analyzer (manufactured by Solartron, model 1260) was used. Fuel electrode supply gas: hydrogen gas (50 ml / min), air electrode supply gas: air (100 ml / min), measurement temperature 700 ° C. In an open circuit state, measurement was performed under conditions of a measurement frequency region of 10 MHz to 0.1 Hz. The electrode reaction resistance was defined as the full width of a plurality of arc-shaped resistance components in the Cole-Cole plot obtained by AC impedance measurement. The measurement results of the electrode reaction resistance are shown in the column “R” in Table 1.

[発電性能]
例1〜14のSOFCを下記の条件で運転させた際の電力密度を測定し、最大出力密度(W/cm)を発電性能として、表1の「発電性能」の欄に示した。
燃料極供給ガス:水素ガス(50ml/min)
空気極供給ガス:空気(100ml/min)
運転温度:700℃
[Power generation performance]
The power density when the SOFCs of Examples 1 to 14 were operated under the following conditions was measured, and the maximum power density (W / cm 2 ) was shown as the power generation performance in the “Power generation performance” column of Table 1.
Fuel electrode supply gas: Hydrogen gas (50 ml / min)
Air electrode supply gas: Air (100 ml / min)
Operating temperature: 700 ° C

また、用意した第1粒子,第2粒子からなる粉末および例1〜15の電極材料について、窒素ガスを利用したBET法に基づき比表面積を各々測定した。そしてその結果と、上記の反応抵抗の測定結果とから、式:P=R×S×(S/S’);に基づきパラメータPを算出した。その結果を、例1〜15の電極材料の比表面積については表1の「S」の欄に、例1〜15の電極材料の理論比表面積については「S’」の欄に、パラメータPについては「P」の欄に示した。なお、例1〜8の電極材料の比表面積Sは、所定の割合で混合された第1粒子および第2粒子の比表面積であり、第1粒子および第2粒子の各比表面積を配合割合に応じて足し合わせた値と一致している。   Further, specific surface areas of the prepared powders of the first particles and the second particles and the electrode materials of Examples 1 to 15 were measured based on the BET method using nitrogen gas. Then, the parameter P was calculated from the result and the measurement result of the reaction resistance based on the formula: P = R × S × (S / S ′). The results are shown in the column “S” of Table 1 for the specific surface area of the electrode material of Examples 1 to 15, and in the column of “S ′” for the theoretical specific surface area of the electrode material of Examples 1 to 15 for the parameter P. Is shown in the column “P”. In addition, the specific surface area S of the electrode material of Examples 1-8 is a specific surface area of the 1st particle | grains and 2nd particle | grains mixed by the predetermined | prescribed ratio, and makes each specific surface area of a 1st particle | grain and a 2nd particle into a mixture ratio. Corresponds to the value added up accordingly.

Figure 2016110935
Figure 2016110935

[評価]
例1〜8の結果から解るように、LSCF(第1の酸化物)は、単独で用いることで良好な発電性能を実現する空気極を構成できることがわかる。しかしながら、メカニカル処理を施さず、LSCF(第1の酸化物)とLaNiO(第2の酸化物)とを混合した混合粒子を電極材料として用いた場合は、LaNiOの配合割合が増えるほど発電性能が低下してゆくことが確認できた。
また、例9と例1とを比較して発電性能に大きな変化がないことから、LSCF単独の電極材料については、メカニカル処理を施しても施さなくても、発電性能に大きな影響がないことが確認できた。すなわち、同一の結晶構造を有する単一材料の単なる複合一体化では、メカニカル処理による界面状態の調整の効果は得られ難いことがわかる。
[Evaluation]
As can be seen from the results of Examples 1 to 8, it can be seen that LSCF (first oxide) can constitute an air electrode that achieves good power generation performance when used alone. However, when mechanical treatment is not performed and mixed particles obtained by mixing LSCF (first oxide) and La 2 NiO 4 (second oxide) are used as the electrode material, the mixing ratio of La 2 NiO 4 It has been confirmed that the power generation performance decreases as the value increases.
In addition, since there is no significant change in power generation performance in comparison with Example 9 and Example 1, there is no significant impact on power generation performance whether or not LSCF single electrode material is subjected to mechanical treatment. It could be confirmed. That is, it can be seen that the effect of adjusting the interface state by mechanical processing is difficult to obtain by mere composite integration of a single material having the same crystal structure.

そして、例10〜15に示されるように、LSCF(第1の酸化物)とLaNiO(第2の酸化物)とをメカニカル処理により複合化することで、例1および8の各材料の単独の場合と比較して、発電性能が向上することがわかった。すなわち、異種の結晶構造を有する第1粒子と第2粒子とを一体的に接合することで、互いの材料自身の有する特性(例えば、酸素イオン導電性やその補助特性)に加えて、メカニカル処理による界面状態の調整の効果が発揮されて発電性能の向上に寄与することが確認できた。複合粒子に占めるLaNiOの割合は、全体の0.1〜20質量%であることが好ましく、1〜10質量%であることがより好ましく、5質量%近傍であることがさらに好ましいことがわかった。 Then, as shown in Examples 10 to 15, each material of Examples 1 and 8 is obtained by compounding LSCF (first oxide) and La 2 NiO 4 (second oxide) by mechanical processing. It was found that the power generation performance was improved as compared with the case of the single case. That is, the first particles and the second particles having different crystal structures are integrally joined to each other, in addition to the properties (for example, oxygen ion conductivity and auxiliary properties) of each material itself, mechanical processing It has been confirmed that the effect of adjusting the interface state due to the above has been demonstrated and contributed to the improvement of power generation performance. The proportion of La 2 NiO 4 in the composite particles is preferably from 0.1 to 20% by mass, more preferably from 1 to 10% by mass, and even more preferably in the vicinity of 5% by mass. I understood.

以上のことから、ここに開示される電極材料を用いて、例えば、低温作動型のSOFCの空気極を形成することで、発電性能に優れたSOFCが実現できることが確認された。なお、かかる電極材料は、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、この空気極とインターコネクタとの間に配設される集電体や、インターコネクタ自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 was confirmed that an SOFC excellent in power generation performance can be realized, for example, by forming a low temperature operation type SOFC air electrode using the electrode material disclosed herein. Such an electrode material is suitable for forming an SOFC air electrode, for example, a current collector disposed between the air electrode and the interconnector, or an interconnector itself. Also, it can be preferably used.
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.

10 固体酸化物形燃料電池(SOFC)
20 空気極(カソード)
30 固体電解質
40 燃料極(アノード)
50 接続部材
60 ガス管
10 Solid oxide fuel cell (SOFC)
20 Air electrode (cathode)
30 Solid electrolyte 40 Fuel electrode (anode)
50 connecting member 60 gas pipe

Claims (7)

固体酸化物形燃料電池の電極を形成するために用いる電極材料であって、
ペロブスカイト型結晶構造を有し、一般式:(Ln1−xSr)BO3−δ
(ここで、Lnは少なくとも1種のランタノイド元素を示し、BはNi,Co,Mn,Cr,Cu,FeおよびTiから選択される少なくとも1種の元素を示し、0.1≦x≦0.9であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である)で表される第1の酸化物と、
一般式:XNiO4−δ’(ここで、XはLa,PrおよびNdから選択される少なくとも1種の元素を含み、δ’は電荷中性条件を満たすように定まる値である);で表される第2の酸化物と、を含み、
前記第1の酸化物の表面に前記第2の酸化物がメカニカル手法により接合されている複合粒子を含む、電極材料。
An electrode material used to form an electrode of a solid oxide fuel cell,
Having a perovskite crystal structure, the general formula: (Ln 1-x Sr x ) BO 3-δ;
(Here, Ln represents at least one lanthanoid element, B represents at least one element selected from Ni, Co, Mn, Cr, Cu, Fe and Ti, and 0.1 ≦ x ≦ 0. 9 and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition),
General formula: X 2 NiO 4-δ ′ (where X includes at least one element selected from La, Pr and Nd, and δ ′ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition); A second oxide represented by:
An electrode material comprising composite particles in which the second oxide is bonded to the surface of the first oxide by a mechanical method.
前記複合粒子は、
前記第1の酸化物を含む第1粒子と、前記第2の酸化物を含む第2粒子とを、メカニカル手法により乾式混合することにより形成されている、請求項1に記載の電極材料。
The composite particles are:
The electrode material according to claim 1, wherein the electrode material is formed by dry-mixing the first particles containing the first oxide and the second particles containing the second oxide by a mechanical method.
前記複合粒子の比表面積の実測値Sと、
前記複合粒子を形成するのに用いた前記第1粒子および前記第2粒子の比表面積の合計として定義される理論比表面積S’と、
前記複合粒子を用いて形成した厚さ10μm以上100μm以下の電極について、交流インピーダンス法により測定される電極抵抗Rと、
に基づき、次式:P=R×S×(S/S’);
で定義されるパラメータPが、P≦1.4を満たす、請求項2に記載の電極材料。
An actual measurement S of the specific surface area of the composite particles;
A theoretical specific surface area S ′ defined as the sum of the specific surface areas of the first and second particles used to form the composite particles;
For an electrode having a thickness of 10 μm or more and 100 μm or less formed using the composite particles, an electrode resistance R measured by an AC impedance method;
Based on the following formula: P = R × S × (S / S ′);
The electrode material according to claim 2, wherein the parameter P defined by: satisfies P ≦ 1.4.
前記第1の酸化物と前記第2の酸化物との合計に占める前記第2の酸化物の割合は、0質量%を超えて50質量%以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電極材料。   The ratio of the said 2nd oxide which occupies for the sum total of a said 1st oxide and a said 2nd oxide exceeds 0 mass%, and is 50 mass% or less, The any one of Claims 1-3 The electrode material according to item. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の電極材料から構成されている、固体酸化物形燃料電池の構成部材。   The structural member of the solid oxide fuel cell comprised from the electrode material of any one of Claims 1-4. 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
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2779630C1 (en) * 2022-03-30 2022-09-12 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) Electrode material based on praseodymium nickelate for electrochemical devices

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