JP2018129237A - Air electrode for electrochemical cell, and electrochemical cell including the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気化学セル用空気極、およびそれを含む電気化学セルに関する。 The present invention relates to an air electrode for an electrochemical cell and an electrochemical cell including the same.
近年、電気化学セルがクリーンエネルギー源として注目されている。電気化学セルのうち、電解質に固体のセラミックを使用している固体酸化物形燃料電池や固体酸化物形電解セルは、作動温度が高いため排熱を利用でき、さらに高効率で電力や水素燃料を得ることができる等の長所を有しており、幅広い分野での活用が期待されている。電気化学セルは、基本構造として、燃料極と空気極との間に電解質層が配置された構造を有する。 In recent years, electrochemical cells have attracted attention as clean energy sources. Among the electrochemical cells, solid oxide fuel cells and solid oxide electrolytic cells that use solid ceramics as the electrolyte can use exhaust heat because of their high operating temperature, and are more efficient for power and hydrogen fuel. It is expected to be used in a wide range of fields. The electrochemical cell has a structure in which an electrolyte layer is disposed between a fuel electrode and an air electrode as a basic structure.
特許文献1には、カソードと、当該カソードに隣接する層(電解質層等)との間で生じる剥離を抑制することを目的として、電解質層側に配置され、且つイオン伝導性を有する第1粉体材料で作製された多孔体によって形成された活性層と、前記活性層上に当該活性層と接して配置され、且つ電子伝導性を有する第2粉体材料で作製された多孔体によって形成された集電層と、を含んでおり、第2粉体材料の平均粒径が、第1粉体材料の平均粒径よりも大きい2層構造のカソードを有する固体酸化物形燃料電池が記載されている。 Patent Document 1 discloses a first powder that is arranged on the electrolyte layer side and has ion conductivity for the purpose of suppressing peeling that occurs between the cathode and a layer (electrolyte layer or the like) adjacent to the cathode. An active layer formed of a porous body made of a body material, and a porous body made of a second powder material disposed on the active layer in contact with the active layer and having electron conductivity. A solid oxide fuel cell having a cathode with a two-layer structure in which the average particle size of the second powder material is larger than the average particle size of the first powder material. ing.
特許文献2には、空気極を構成する活性層と集電層との界面における、電気的な接合性を向上させることを目的として、空気極が、電解質層の他方の面の側に形成された活性層と、この活性層の上に接して形成された第1集電層と、この第1集電層の上に接して形成された第2集電層とを少なくとも備え、活性層は、イオン伝導性を有する材料から構成された粉体の焼結体から構成され、第1集電層は、電子伝導性を有する材料から構成されて平均粒径が0.8μmより小さい粉体の焼結体から構成され、第2集電層は、電子伝導性を有する材料から構成されて平均粒径が0.8μmより大きい粉体の焼結体から構成されている固体酸化物形燃料電池が記載されている。
しかしながら、固体酸化物形燃料電池や固体電解質形電気化学セル等の電気化学セルの効率(出力)については、改善の余地があった。
In Patent Document 2, the air electrode is formed on the other surface side of the electrolyte layer for the purpose of improving the electrical bondability at the interface between the active layer and the current collecting layer constituting the air electrode. An active layer, at least a first current collecting layer formed on and in contact with the active layer, and a second current collecting layer formed on and in contact with the first current collecting layer, the active layer comprising: The first current collecting layer is made of a material having electron conductivity and has an average particle size smaller than 0.8 μm. Solid oxide fuel cell comprising a sintered body, wherein the second current collecting layer is made of a sintered body of a powder made of a material having electron conductivity and having an average particle size larger than 0.8 μm Is described.
However, there has been room for improvement in the efficiency (output) of electrochemical cells such as solid oxide fuel cells and solid electrolyte electrochemical cells.
従って、本発明の課題は、電流−電圧特性に優れた電気化学セル用空気極、およびそれを含む電気化学セルを提供することにある。 Therefore, the subject of this invention is providing the air electrode for electrochemical cells excellent in the current-voltage characteristic, and an electrochemical cell including the same.
本発明者は、電気化学セル用空気極について、空気極の構造を制御することにより、電流−電圧特性に優れた電気化学セル用空気極、およびそれを含む電気化学セルを製造できることを見出し、本発明を完成するに至った。 The inventor has found that, by controlling the structure of the air electrode for the electrochemical cell air electrode, an electrochemical cell air electrode excellent in current-voltage characteristics, and an electrochemical cell including the same can be produced. The present invention has been completed.
すなわち、本発明の電気化学セル用空気極は、燃料極、電解質層、空気極をこの順に配置してなる電気化学セル用空気極であって、上記空気極は、膜厚が6μm以上であり、断面において、走査型電子顕微鏡で測定される、下記で示されるLS1とLS2との比LS1/LS2が1.0未満であることを特徴とする。
・LS1:上記空気極と上記電解質層との界面から、上記空気極の上記電解質層が形成されていない面方向へ、上記界面と垂直方向にW1以内の範囲における、(複数の空気極成分粒子1の周長円相当径の平均値)/(上記複数の空気極成分粒子1の面積円相当径の平均値)
・LS2:上記空気極の上記電解質層が形成されていない上記面から、上記空気極と上記電解質層との上記界面方向へ上記面と垂直方向にW2以内の範囲における、(複数の空気極成分粒子2の周長円相当径の平均値)/(上記複数の空気極成分粒子2の面積円相当径の平均値)
但し、上記W1と上記W2は同じであっても異なっていてもよく、それぞれ3μm以上であり、上記LS1と上記LS2とを得る範囲は、重ならないように設定する
That is, the electrochemical cell air electrode of the present invention is an electrochemical cell air electrode in which a fuel electrode, an electrolyte layer, and an air electrode are arranged in this order, and the air electrode has a film thickness of 6 μm or more. In the cross section, the ratio LS1 / LS2 of LS1 and LS2 shown below measured with a scanning electron microscope is less than 1.0.
LS1: (a plurality of air electrode component particles in a range within W1 in a direction perpendicular to the interface from the interface between the air electrode and the electrolyte layer in a direction in which the electrolyte layer of the air electrode is not formed) 1 (average value of circumference equivalent circle diameter of 1) / (average value of area equivalent circle diameter of the plurality of air electrode component particles 1)
LS2: a plurality of air electrode components in a range within W2 in the direction perpendicular to the surface from the surface of the air electrode where the electrolyte layer is not formed to the interface between the air electrode and the electrolyte layer. (Average value of circumference equivalent circle diameter of particle 2) / (Average value of area equivalent circle diameter of the plurality of air electrode component particles 2)
However, the W1 and the W2 may be the same or different and each is 3 μm or more, and the range for obtaining the LS1 and the LS2 is set so as not to overlap.
また、本発明の電気化学セルは、燃料極、電解質層、上記空気極をこの順に配置してなる。 Moreover, the electrochemical cell of this invention arrange | positions a fuel electrode, an electrolyte layer, and the said air electrode in this order.
さらに、本発明の電気化学セル用空気極は、燃料極、電解質層、バリア層、空気極をこの順に配置してなる電気化学セル用空気極であって、上記空気極は、膜厚が6μm以上であり、断面において、走査型電子顕微鏡で測定される、下記で示されるLS1とLS2との比LS1/LS2が1.0未満であることを特徴とする
電気化学セル用空気極。
・LS1:上記空気極と上記バリア層との界面から、上記空気極の上記バリア層が形成されていない面方向へ、上記界面と垂直方向にW1以内の範囲における、(複数の空気極成分粒子1の周長円相当径の平均値)/(上記複数の空気極成分粒子1の面積円相当径の平均値)
・LS2:上記空気極の上記バリア層が形成されていない上記面から、上記空気極とバリア層との上記界面方向へ上記面と垂直方向にW2以内の範囲における、(複数の空気極成分粒子2の周長円相当径の平均値)/(上記複数の空気極成分粒子2の面積円相当径の平均値)
但し、上記W1と上記W2は同じであっても異なっていてもよく、それぞれ3μm以上であり、上記LS1と上記LS2とを得る範囲は、重ならないように設定する
Further, the electrochemical cell air electrode of the present invention is an electrochemical cell air electrode in which a fuel electrode, an electrolyte layer, a barrier layer, and an air electrode are arranged in this order, and the air electrode has a film thickness of 6 μm. An air electrode for an electrochemical cell as described above, wherein a ratio LS1 / LS2 of LS1 and LS2 shown below is less than 1.0 as measured with a scanning electron microscope in a cross section.
LS1: (a plurality of air electrode component particles) in a range within W1 in a direction perpendicular to the interface from the interface between the air electrode and the barrier layer in a direction in which the barrier layer of the air electrode is not formed. 1 (average value of circumference equivalent circle diameter of 1) / (average value of area equivalent circle diameter of the plurality of air electrode component particles 1)
LS2: (a plurality of air electrode component particles in a range within W2 in the direction perpendicular to the surface from the surface of the air electrode where the barrier layer is not formed to the interface between the air electrode and the barrier layer) (Average value of circumference equivalent circle diameter of 2) / (average value of area equivalent circle diameter of the plurality of air electrode component particles 2)
However, the W1 and the W2 may be the same or different and each is 3 μm or more, and the range for obtaining the LS1 and the LS2 is set so as not to overlap.
さらにまた、本発明の電気化学セルは、燃料極、電解質層、バリア層、上記空気極をこの順に配置してなる。 Furthermore, the electrochemical cell of the present invention comprises a fuel electrode, an electrolyte layer, a barrier layer, and the air electrode arranged in this order.
本発明によれば、電流−電圧特性に優れた電気化学セル用空気極、およびそれを含む電気化学セルを提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the air electrode for electrochemical cells excellent in the current-voltage characteristic, and an electrochemical cell including the same can be provided.
1.電気化学セル
本発明の電気化学セルは、燃料極、電解質層、空気極をこの順に配置してなる。上記空気極は、膜厚が6μm以上であり、断面において、走査型電子顕微鏡で測定される、下記で示されるLS1とLS2との比LS1/LS2が1.0未満であることを特徴とする。
・LS1:上記空気極と上記電解質層との界面から、上記空気極の上記電解質層が形成されていない面方向へ、上記界面と垂直方向にW1以内の範囲における、(複数の空気極成分粒子1の周長円相当径の平均値)/(上記複数の空気極成分粒子1の面積円相当径の平均値)
・LS2:上記空気極の上記電解質層が形成されていない上記面から、上記空気極と上記電解質層との上記界面方向へ上記面と垂直方向にW2以内の範囲における、(複数の空気極成分粒子2の周長円相当径の平均値)/(上記複数の空気極成分粒子2の面積円相当径の平均値)
但し、上記W1と上記W2は同じであっても異なっていてもよく、それぞれ3μm以上であり、上記LS1と上記LS2とを得る範囲は、重ならないように設定する
1. Electrochemical cell The electrochemical cell of the present invention comprises a fuel electrode, an electrolyte layer, and an air electrode arranged in this order. The air electrode has a film thickness of 6 μm or more, and has a cross section with a ratio LS1 / LS2 of LS1 and LS2 shown below of less than 1.0 as measured with a scanning electron microscope. .
LS1: (a plurality of air electrode component particles in a range within W1 in a direction perpendicular to the interface from the interface between the air electrode and the electrolyte layer in a direction in which the electrolyte layer of the air electrode is not formed) 1 (average value of circumference equivalent circle diameter of 1) / (average value of area equivalent circle diameter of the plurality of air electrode component particles 1)
LS2: a plurality of air electrode components in a range within W2 in the direction perpendicular to the surface from the surface of the air electrode where the electrolyte layer is not formed to the interface between the air electrode and the electrolyte layer. (Average value of circumference equivalent circle diameter of particle 2) / (Average value of area equivalent circle diameter of the plurality of air electrode component particles 2)
However, the W1 and the W2 may be the same or different and each is 3 μm or more, and the range for obtaining the LS1 and the LS2 is set so as not to overlap.
また、本発明の電気化学セルは、燃料極、電解質層、バリア層、上記空気極をこの順に配置してなる。上記空気極は、膜厚が6μm以上であり、断面において、走査型電子顕微鏡で測定される、下記で示されるLS1とLS2との比LS1/LS2が1.0未満であることを特徴とする。
・LS1:上記空気極と上記バリア層との界面から、上記空気極の上記バリア層が形成されていない面方向へ、上記界面と垂直方向にW1以内の範囲における、(複数の空気極成分粒子1の周長円相当径の平均値)/(上記複数の空気極成分粒子1の面積円相当径の平均値)
・LS2:上記空気極の上記バリア層が形成されていない上記面から、上記空気極とバリア層との上記界面方向へ上記面と垂直方向にW2以内の範囲における、(複数の空気極成分粒子2の周長円相当径の平均値)/(上記複数の空気極成分粒子2の面積円相当径の平均値)
但し、上記W1と上記W2は同じであっても異なっていてもよく、それぞれ3μm以上であり、上記LS1と上記LS2とを得る範囲は、重ならないように設定する
Moreover, the electrochemical cell of this invention arrange | positions a fuel electrode, an electrolyte layer, a barrier layer, and the said air electrode in this order. The air electrode has a film thickness of 6 μm or more, and has a cross section with a ratio LS1 / LS2 of LS1 and LS2 shown below of less than 1.0 as measured with a scanning electron microscope. .
LS1: (a plurality of air electrode component particles) in a range within W1 in a direction perpendicular to the interface from the interface between the air electrode and the barrier layer in a direction in which the barrier layer of the air electrode is not formed. 1 (average value of circumference equivalent circle diameter of 1) / (average value of area equivalent circle diameter of the plurality of air electrode component particles 1)
LS2: (a plurality of air electrode component particles in a range within W2 in the direction perpendicular to the surface from the surface of the air electrode where the barrier layer is not formed to the interface between the air electrode and the barrier layer) (Average value of circumference equivalent circle diameter of 2) / (average value of area equivalent circle diameter of the plurality of air electrode component particles 2)
However, the W1 and the W2 may be the same or different and each is 3 μm or more, and the range for obtaining the LS1 and the LS2 is set so as not to overlap.
本発明の電気化学セルとしては、例えば固体酸化物形燃料電池や固体酸化物形電解セルが挙げられ、固体酸化物形燃料電池が好ましい形態である。上記電気化学セルは、燃料極を支持体とする燃料極支持型セル、電解質層を支持体とする固体電解質支持型セル、空気極を支持体とする空気極支持型セルであってもよい。また、上記電気化学セル用単セルは、金属隔壁から構成され複数の貫通孔を備えた支持基板上に、燃料極と上記電解質層と空気極とが、この順に配置されたメタルサポートセルであってもよいし、あるいは燃料極と、上記電解質層とバリア層と空気極とが、この順に配置されたメタルサポートセルであっても良い。 Examples of the electrochemical cell of the present invention include a solid oxide fuel cell and a solid oxide electrolytic cell, and a solid oxide fuel cell is a preferred form. The electrochemical cell may be a fuel electrode support cell using a fuel electrode as a support, a solid electrolyte support cell using an electrolyte layer as a support, or an air electrode support cell using an air electrode as a support. The single cell for an electrochemical cell is a metal support cell in which a fuel electrode, the electrolyte layer, and an air electrode are arranged in this order on a support substrate that is composed of metal partition walls and has a plurality of through holes. Alternatively, a metal support cell in which the fuel electrode, the electrolyte layer, the barrier layer, and the air electrode are arranged in this order may be used.
本発明の電気化学セルは、固体酸化物形燃料電池として用いた場合には、好ましくは、空気極における過電圧が低く、固体酸化物形燃料電池の出力を高めることができる。また、本発明の電気化学セルは、固体酸化物形電解セルとして用いた場合には、好ましくは、低消費電力で高効率の電気分解反応を進めることができる。 When the electrochemical cell of the present invention is used as a solid oxide fuel cell, the overvoltage at the air electrode is preferably low, and the output of the solid oxide fuel cell can be increased. In addition, when the electrochemical cell of the present invention is used as a solid oxide electrolytic cell, it can preferably proceed a highly efficient electrolysis reaction with low power consumption.
図1に、本発明の電気化学セルの一形態としての電気化学セル10を示す。電気化学セル10は、燃料極18、電解質層16、空気極12をこの順に配置してなる電気化学セルである。
また、図2に、本発明の電気化学セルの他の一形態としての電気化学セル20を示す。電気化学セル20は、燃料極28、電解質層26、バリア層24、空気極22をこの順に配置してなる電気化学セルである。
In FIG. 1, the electrochemical cell 10 as one form of the electrochemical cell of this invention is shown. The electrochemical cell 10 is an electrochemical cell in which a fuel electrode 18, an electrolyte layer 16, and an air electrode 12 are arranged in this order.
FIG. 2 shows an electrochemical cell 20 as another embodiment of the electrochemical cell of the present invention. The electrochemical cell 20 is an electrochemical cell in which a fuel electrode 28, an electrolyte layer 26, a barrier layer 24, and an air electrode 22 are arranged in this order.
1−1 電解質層
上記電解質層16、26を構成する電解質成分としては、特に限定されず公知の酸化物イオン伝導性材料が使用できるが、ジルコニア系酸化物を主成分として含んでいることが好ましい。本明細書においては、「主成分として含む」とは、電解質100質量%中、例えば50質量%以上、好ましくは60質量%以上含んでいることを指す。
1-1 Electrolyte Layer The electrolyte component constituting the electrolyte layers 16 and 26 is not particularly limited, and a known oxide ion conductive material can be used, but preferably contains a zirconia-based oxide as a main component. . In the present specification, “including as a main component” means that, for example, 50% by mass or more, preferably 60% by mass or more is contained in 100% by mass of the electrolyte.
上記電解質層16、26を構成する酸化物イオン伝導性材料としては、例えば、Mg、Ca、Sr、Baなどのアルカリ土類金属元素、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Ybなどの希土類元素、Inなどのその他の金属元素などを1種または2種以上含有するジルコニア、好ましくはこれらの元素の1種または2種以上を安定化剤として固溶している安定化ジルコニア;さらには、上記ジルコニア(好ましくは安定化ジルコニア)に、Al2O3、TiO2、Ta2O3、Nb2O5などが分散強化剤として添加されたジルコニア等のジルコニア系酸化物;イットリウム、サマリウム、ガドリニウム、イッテルビウム等を含有するセリア等のセリア系酸化物、中でも好ましくはこれらの元素の1種または2種以上が固溶しているドープドセリア;ランタンガレート、およびランタンガレートのランタンまたはガリウムの一部がストロンチウム、カルシウム、バリウム、マグネシウム、アルミニウム、インジウム、コバルト、鉄、ニッケル、銅等で置換されたランタンガレート型ペロブスカイト構造酸化物;などを例示することができる。 Examples of the oxide ion conductive material constituting the electrolyte layers 16 and 26 include alkaline earth metal elements such as Mg, Ca, Sr, and Ba, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, and Eu. Zirconia containing one or more rare earth elements such as Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, and other metal elements such as In, preferably one or more of these elements is stable. Stabilized zirconia as a solidifying agent; Al 2 O 3 , TiO 2 , Ta 2 O 3 , Nb 2 O 5, etc. are added to the zirconia (preferably stabilized zirconia) as a dispersion strengthening agent Zirconia-based oxides such as zirconia; ceria-based oxides such as ceria containing yttrium, samarium, gadolinium, ytterbium, etc. Doped ceria in which one or more of these elements are in solid solution; lanthanum gallate, and lanthanum or gallium in lanthanum gallate are part of strontium, calcium, barium, magnesium, aluminum, indium, cobalt, iron, nickel, Examples thereof include lanthanum gallate type perovskite structure oxides substituted with copper or the like.
上記の中でも、ジルコニア系酸化物が好適であり、より高度な熱的特性、機械的特性、化学的特性および酸化物イオン伝導特性を有する安定化ジルコニアとして、スカンジウム、イットリウム、セリウム、およびイッテルビウムから選択される少なくとも1種の元素で安定化されたものがより好ましい。また、結晶構造として正方晶または立方晶を含む(部分)安定化ジルコニアが好ましい。 Among the above, zirconia-based oxides are preferred, and selected from scandium, yttrium, cerium, and ytterbium as stabilized zirconia having higher thermal characteristics, mechanical characteristics, chemical characteristics, and oxide ion conduction characteristics Those stabilized with at least one element are more preferred. Further, (partial) stabilized zirconia containing tetragonal crystals or cubic crystals as the crystal structure is preferable.
ジルコニア系酸化物の中でも、イットリウム、スカンジウム、イッテルビウム等の希土類元素の少なくとも1種の元素(安定化元素ともいう)が固溶することにより結晶構造が安定化している安定化ジルコニアが好ましい。
より好ましい形態としては、安定化ジルコニアを構成するジルコニウムの原子数100モル%に対し、スカンジウムを原子数換算で7.0〜27.5モル%の割合で含有するジルコニア(スカンジア安定化ジルコニア)、原子数換算でスカンジウムを17.0〜25.0モル%、セリウムを0.5〜2.5モル%の割合で含有するジルコニア(スカンジア、セリア安定化ジルコニア)、イットリウムを原子数換算で6.0〜28.0モル%の割合で含有するジルコニア(イットリア安定化ジルコニア)、又はイッテルビウムを原子数換算で6.0〜35.5モル%の割合で含有するジルコニア(イッテルビア安定化ジルコニア)が挙げられる。
Among the zirconia-based oxides, stabilized zirconia in which the crystal structure is stabilized by dissolving at least one element (also referred to as a stabilizing element) of rare earth elements such as yttrium, scandium, and ytterbium is preferable.
As a more preferable embodiment, zirconia (scandia stabilized zirconia) containing scandium in a ratio of 7.0 to 27.5 mol% in terms of the number of atoms with respect to 100 mol% of zirconium constituting the stabilized zirconia, Zirconia (scandia, ceria-stabilized zirconia) containing scandium in a proportion of 17.0 to 25.0 mol% and cerium in a proportion of 0.5 to 2.5 mol% in terms of number of atoms, and yttrium in terms of number of atoms. Zirconia (yttria-stabilized zirconia) containing 0 to 28.0 mol%, or zirconia (ytterbia-stabilized zirconia) containing ytterbium in an amount of 6.0 to 35.5 mol% in terms of the number of atoms is mentioned. It is done.
さらに好ましい形態としては、安定化ジルコニアを構成するジルコニウムの原子数100モル%に対し、スカンジウムを原子数換算で13.0〜25.0モル%の割合で含有するジルコニア、原子数換算でスカンジウムを17.0〜24.0モル%、セリウムを0.5〜2.0モル%の割合で含有するジルコニア(スカンジア、セリア安定化ジルコニア)、イットリウムを原資換算で12.0〜28.0モル%の割合で含有するジルコニア、イッテルビウムを原子数換算で12.0〜28.0モル%の割合で含有するジルコニアが好ましい。
特に安定化ジルコニアを構成するジルコニウムの原子数100モル%に対し、イッテルビウムを原子数換算で12.0〜28.0モル%の割合で含有するジルコニアが好ましい。
As a more preferable embodiment, zirconia containing scandium in a ratio of 13.0 to 25.0 mol% in terms of the number of atoms with respect to 100 mol% of the zirconium constituting the stabilized zirconia, scandium in terms of the number of atoms is included. Zirconia (scandia, ceria-stabilized zirconia) containing 17.0 to 24.0 mol% and cerium in a proportion of 0.5 to 2.0 mol%, 12.0 to 28.0 mol% in terms of raw materials Zirconia containing zirconia and ytterbium in a proportion of 12.0 to 28.0 mol% in terms of the number of atoms is preferable.
In particular, zirconia containing ytterbium in an amount of 12.0 to 28.0 mol% in terms of the number of atoms is preferable with respect to 100 mol% of zirconium constituting the stabilized zirconia.
上記電解質層16、26は、ジルコニア系酸化物(好ましくは安定化ジルコニア)を50質量%以上含んでいることが好ましく、80質量%以上含んでいることがより好ましく、85質量%以上含んでいることが一層好ましく、90質量%以上含んでいることが特に好ましい。 The electrolyte layers 16 and 26 preferably contain 50% by mass or more of zirconia-based oxides (preferably stabilized zirconia), more preferably contain 80% by mass or more, and contain 85% by mass or more. It is more preferable that it is 90% by mass or more.
上記電解質層16、26の膜厚は、例えば1〜1000μm、好ましくは1〜500μm、より好ましくは1〜300μmである。電極支持型セルまたは金属支持型セルに使用する場合には、1〜50μmが好ましく、1μm以上30μm未満がより好ましく、1〜20μmがさらに好ましい。膜厚を薄くすることにより、酸化物イオン伝導性をより向上できる。 The film thickness of the electrolyte layers 16 and 26 is, for example, 1 to 1000 μm, preferably 1 to 500 μm, and more preferably 1 to 300 μm. When used for an electrode-supported cell or a metal-supported cell, the thickness is preferably 1 to 50 μm, more preferably 1 μm or more and less than 30 μm, further preferably 1 to 20 μm. By reducing the film thickness, the oxide ion conductivity can be further improved.
1−2 燃料極
上記燃料極18、28は、ニッケル、コバルト、銅、鉄、ルテニウム等の、電気化学セルで燃料極触媒活性を有する金属やその前駆体である金属酸化物のうち1種類以上を含む層であれば、特に制限はされない。燃料極触媒活性を有する金属の前駆体である金属酸化物は、電気化学セルの運転雰囲気下では還元されて、該層は燃料極触媒活性を有する金属が含まれる層となる。燃料極は、さらに、上記ジルコニア系酸化物(好ましくは安定化ジルコニア)、セリア系酸化物(好ましくはドープドセリア)、安定化ビスマスやランタンガレートなどの酸化物イオン伝導性金属酸化物や酸化物イオンと電子との混合伝導性金属酸化物のうち1種類以上が混合された層であることが好ましい。
1-2 Fuel Electrode The fuel electrodes 18 and 28 are one or more kinds of metals, such as nickel, cobalt, copper, iron, and ruthenium, that have fuel electrode catalytic activity in electrochemical cells and metal oxides that are precursors thereof. If it is a layer containing, there will be no restriction | limiting in particular. The metal oxide which is a precursor of the metal having the fuel electrode catalytic activity is reduced in the operating atmosphere of the electrochemical cell, and the layer becomes a layer containing the metal having the fuel electrode catalytic activity. The fuel electrode further includes the above-mentioned zirconia-based oxide (preferably stabilized zirconia), ceria-based oxide (preferably doped ceria), oxide ion conductive metal oxides such as stabilized bismuth and lanthanum gallate, and oxide ions. A layer in which one or more kinds of mixed conductive metal oxides with electrons are mixed is preferable.
燃料極18、28としては、NiまたはNiOとジルコニア系酸化物とが混合された層;または、NiまたはNiOとセリア系酸化物とが混合された層がより好ましい。NiまたはNiOと酸化物(ジルコニア系酸化物またはセリア系酸化物)との体積比は、NiまたはNiOについてはNiO換算でNiO/酸化物=40/60〜70/30が好ましい。これらの体積比は、NiOと各酸化物のバルクの比重から重量比に換算できる。燃料極は、直接に接している電解質層と共通する化合物を含んでいることが好ましい。
燃料極18、28は、燃料ガス透過性が高いという観点から、運転時の条件において気孔を有する層であることが好ましい。膜厚は3〜30μmが好ましく、4〜25μmがより好ましい。
As the fuel electrodes 18 and 28, a layer in which Ni or NiO and a zirconia-based oxide are mixed; or a layer in which Ni or NiO and a ceria-based oxide are mixed is more preferable. The volume ratio of Ni or NiO to oxide (zirconia-based oxide or ceria-based oxide) is preferably NiO / oxide = 40/60 to 70/30 in terms of NiO for Ni or NiO. These volume ratios can be converted into weight ratios from the specific gravity of NiO and the bulk of each oxide. The fuel electrode preferably contains a compound common to the electrolyte layer that is in direct contact therewith.
The fuel electrodes 18 and 28 are preferably layers having pores under operating conditions from the viewpoint of high fuel gas permeability. The film thickness is preferably 3 to 30 μm, and more preferably 4 to 25 μm.
1−3 空気極
空気極12、22の組成としては、電気化学セルの反応時に空気極触媒活性を有する金属酸化物を含む層であれば、特に制限されない。空気極を構成する材料としては伝導性材料が好ましく、電子導電性材料を含むことがより好ましく、特に混合伝導性(イオン伝導性、電子導電性)を有する材料が好ましい。具体的には、La、Pr、Sm、Sr、Ba、Co、Fe、Mn、Ni等のうちの少なくとも1種を含有する各種の複合酸化物(例えば、ストロンチウムを固溶したランタンマンガナイト、ランタンフェライト、ランタンコバルトフェライトやランタンコバルタイト、ランタンストロンチウムコバルタイト等)が挙げられる。空気極は、さらに、上記安定化ジルコニア、ドープドセリア、安定化ビスマスやランタンガレートなどの酸化物イオン伝導性金属酸化物や酸化物イオンと電子との混合伝導性金属酸化物のうち1種類以上が混合された層であることが好ましいが、空気極に混合伝導性を有する材料を用いた場合で、酸化物イオン導電性が十分である場合には、無くても構わない。
1-3 Air Electrode The composition of the air electrodes 12 and 22 is not particularly limited as long as it is a layer containing a metal oxide having an air electrode catalytic activity during the reaction of the electrochemical cell. The material constituting the air electrode is preferably a conductive material, more preferably an electronic conductive material, and particularly preferably a material having mixed conductivity (ionic conductivity, electronic conductivity). Specifically, various composite oxides containing at least one of La, Pr, Sm, Sr, Ba, Co, Fe, Mn, Ni, etc. (for example, lanthanum manganite, lanthanum in which strontium is dissolved) Ferrite, lanthanum cobalt ferrite, lanthanum cobaltite, lanthanum strontium cobaltite, etc.). The air electrode is further mixed with one or more of the above-mentioned stabilized zirconia, doped ceria, oxide ion conductive metal oxides such as stabilized bismuth and lanthanum gallate, and mixed conductive metal oxides of oxide ions and electrons. However, it may be omitted when a material having mixed conductivity is used for the air electrode and the oxide ion conductivity is sufficient.
混合伝導性材料の中でも、ペロブスカイト型酸化物が好ましく、SrとCoを含有する複合酸化物がより好ましい。Fe含有量は少ないことが好ましく、例えば、Fe/(Co+Fe)(原子比)が0.7未満が好ましく、0.5未満がより好ましく、0.3未満がさらに好ましく、0.1未満が特に好ましく、実質的に0であることが最も好ましい。Fe含有量を少なくすることにより、空気極触媒活性と焼結性を向上させることができる。 Among the mixed conductive materials, perovskite type oxides are preferable, and composite oxides containing Sr and Co are more preferable. Fe content is preferably small, for example, Fe / (Co + Fe) (atomic ratio) is preferably less than 0.7, more preferably less than 0.5, even more preferably less than 0.3, and particularly preferably less than 0.1. Preferably, it is substantially 0. By reducing the Fe content, the air electrode catalytic activity and sinterability can be improved.
上記空気極12、22の膜厚は6μm以上であり、8μm以上がより好ましく、10μm以上がさらに好ましい。また上限は特に限定されないが、100μm以下が好ましく、40μm以下がより好ましい。上記空気極は、好ましくは、2層以上の層から構成されていてもよい。第1層と第2層は組成が同じ伝導性材料を含むことが好ましく、第1層と第2層は組成が同じであることがより好ましい。
また、第1層と第2層とで構成する粒子や気孔についての形状や大きさが異なることが好ましい。なお、第1層は電解質層またはバリア層に隣接する層をいい、第2層は、第1層における電解質層および/またはバリア層が形成されていない面に隣接する層である。
The film thickness of the air electrodes 12 and 22 is 6 μm or more, more preferably 8 μm or more, and further preferably 10 μm or more. Moreover, although an upper limit is not specifically limited, 100 micrometers or less are preferable and 40 micrometers or less are more preferable. The air electrode may preferably be composed of two or more layers. The first layer and the second layer preferably include conductive materials having the same composition, and more preferably the first layer and the second layer have the same composition.
In addition, it is preferable that the shape and size of the particles and pores constituted by the first layer and the second layer are different. The first layer refers to a layer adjacent to the electrolyte layer or the barrier layer, and the second layer is a layer adjacent to the surface of the first layer where the electrolyte layer and / or the barrier layer is not formed.
1−3−1 空気極成分粒子の、各所定領域における面積円相当径の平均値と周長円相当径の平均値との比の、各所定領域間の比(LS1/LS2)
本発明の電気化学セル用空気極は、燃料極、電解質層、空気極をこの順に配置してなる電気化学セル用空気極であって、膜厚が6μm以上であり、断面において、走査型電子顕微鏡で測定される、下記で示されるLS1とLS2との比LS1/LS2が1.0未満である。
・LS1:上記空気極と上記電解質層との界面から、上記空気極の上記電解質層が形成されていない面方向へ、上記界面と垂直方向にW1以内の範囲における、(複数の空気極成分粒子1の周長円相当径の平均値)/(上記複数の空気極成分粒子1の面積円相当径の平均値)
・LS2:上記空気極の上記電解質層が形成されていない上記面から、上記空気極と上記電解質層との上記界面方向へ上記面と垂直方向にW2以内の範囲における、(複数の空気極成分粒子2の周長円相当径の平均値)/(上記複数の空気極成分粒子2の面積円相当径の平均値)
但し、上記W1と上記W2は同じであっても異なっていてもよく、それぞれ3μm以上であり、上記LS1と上記LS2とを得る範囲は、重ならないように設定する
1-3-1 Ratio between the predetermined areas of the average value of the area circle equivalent diameter and the average value of the circumference equivalent circle diameter in each predetermined area of the air electrode component particles (LS1 / LS2)
The air electrode for an electrochemical cell according to the present invention is an air electrode for an electrochemical cell in which a fuel electrode, an electrolyte layer, and an air electrode are arranged in this order, and has a film thickness of 6 μm or more. The ratio LS1 / LS2 of LS1 and LS2 shown below measured with a microscope is less than 1.0.
LS1: (a plurality of air electrode component particles in a range within W1 in a direction perpendicular to the interface from the interface between the air electrode and the electrolyte layer in a direction in which the electrolyte layer of the air electrode is not formed) 1 (average value of circumference equivalent circle diameter of 1) / (average value of area equivalent circle diameter of the plurality of air electrode component particles 1)
LS2: a plurality of air electrode components in a range within W2 in the direction perpendicular to the surface from the surface of the air electrode where the electrolyte layer is not formed to the interface between the air electrode and the electrolyte layer. (Average value of circumference equivalent circle diameter of particle 2) / (Average value of area equivalent circle diameter of the plurality of air electrode component particles 2)
However, the W1 and the W2 may be the same or different and each is 3 μm or more, and the range for obtaining the LS1 and the LS2 is set so as not to overlap.
また、本発明の電気化学セルは、燃料極、電解質層、空気極をこの順に配置してなる。上記空気極は、膜厚が6μm以上であり、断面において、走査型電子顕微鏡で測定される、下記で示されるLS1とLS2との比LS1/LS2が1.0未満である。
・LS1:上記空気極と上記電解質層との界面から、上記空気極の上記電解質層が形成されていない面方向へ、上記界面と垂直方向にW1以内の範囲における、(複数の空気極成分粒子1の周長円相当径の平均値)/(上記複数の空気極成分粒子1の面積円相当径の平均値)
・LS2:上記空気極の上記電解質層が形成されていない上記面から、上記空気極と電解質層との上記界面方向へ上記面と垂直方向にW2以内の範囲における、(複数の空気極成分粒子2の周長円相当径の平均値)/(上記複数の空気極成分粒子2の面積円相当径の平均値)
但し、上記W1と上記W2は同じであっても異なっていてもよく、それぞれ3μm以上であり、上記LS1と上記LS2とを得る範囲は、重ならないように設定する
Moreover, the electrochemical cell of this invention arrange | positions a fuel electrode, an electrolyte layer, and an air electrode in this order. The air electrode has a film thickness of 6 μm or more, and has a ratio LS1 / LS2 of LS1 and LS2 shown below of less than 1.0 as measured with a scanning electron microscope in the cross section.
LS1: (a plurality of air electrode component particles in a range within W1 in a direction perpendicular to the interface from the interface between the air electrode and the electrolyte layer in a direction in which the electrolyte layer of the air electrode is not formed) 1 (average value of circumference equivalent circle diameter of 1) / (average value of area equivalent circle diameter of the plurality of air electrode component particles 1)
LS2: a plurality of air electrode component particles in a range within W2 in the direction perpendicular to the surface from the surface of the air electrode where the electrolyte layer is not formed to the interface between the air electrode and the electrolyte layer. (Average value of circumference equivalent circle diameter of 2) / (average value of area equivalent circle diameter of the plurality of air electrode component particles 2)
However, the W1 and the W2 may be the same or different and each is 3 μm or more, and the range for obtaining the LS1 and the LS2 is set so as not to overlap.
本発明の電気化学セル用空気極は、また、燃料極、電解質層、バリア層、空気極をこの順に配置してなる電気化学セル用空気極であって、膜厚が6μm以上であり、断面において、走査型電子顕微鏡で測定される、下記で示されるLS1とLS2との比LS1/LS2が1.0未満である。
・LS1:上記空気極と上記電解質層との界面から、上記空気極の上記バリア層が形成されていない面方向へ、上記界面と垂直方向にW1以内の範囲における、(複数の空気極成分粒子1の周長円相当径の平均値)/(上記複数の空気極成分粒子1の面積円相当径の平均値)
・LS2:上記空気極の上記バリア層が形成されていない上記面から、上記空気極と上記電解質層との上記界面方向へ上記面と垂直方向にW2以内の範囲における、(複数の空気極成分粒子2の周長円相当径の平均値)/(上記複数の空気極成分粒子2の面積円相当径の平均値)
但し、上記W1と上記W2は同じであっても異なっていてもよく、それぞれ3μm以上であり、上記LS1と上記LS2とを得る範囲は、重ならないように設定する
The air electrode for an electrochemical cell of the present invention is also an air electrode for an electrochemical cell in which a fuel electrode, an electrolyte layer, a barrier layer, and an air electrode are arranged in this order, and has a film thickness of 6 μm or more and a cross section. The ratio LS1 / LS2 of LS1 and LS2 shown below measured with a scanning electron microscope is less than 1.0.
LS1: (a plurality of air electrode component particles in a range within W1 in a direction perpendicular to the interface from the interface between the air electrode and the electrolyte layer in a direction in which the barrier layer of the air electrode is not formed) 1 (average value of circumference equivalent circle diameter of 1) / (average value of area equivalent circle diameter of the plurality of air electrode component particles 1)
LS2: a plurality of air electrode components in a range within W2 in a direction perpendicular to the surface from the surface of the air electrode where the barrier layer is not formed to the interface between the air electrode and the electrolyte layer. (Average value of circumference equivalent circle diameter of particle 2) / (Average value of area equivalent circle diameter of the plurality of air electrode component particles 2)
However, the W1 and the W2 may be the same or different and each is 3 μm or more, and the range for obtaining the LS1 and the LS2 is set so as not to overlap.
また、本発明の電気化学セルは、燃料極、電解質層、バリア層、空気極をこの順に配置してなる。上記空気極は、膜厚が6μm以上であり、断面において、走査型電子顕微鏡で測定される、下記で示されるLS1とLS2との比LS1/LS2が1.0未満である。
・LS1:上記空気極と上記バリア層との界面から、上記空気極の上記バリア層が形成されていない面方向へ、上記界面と垂直方向にW1以内の範囲における、(複数の空気極成分粒子1の周長円相当径の平均値)/(上記複数の空気極成分粒子1の面積円相当径の平均値)
・LS2:上記空気極の上記バリア層が形成されていない上記面から、上記空気極とバリア層との上記界面方向へ上記面と垂直方向にW2以内の範囲における、(複数の空気極成分粒子1の周長円相当径の平均値)/(上記複数の空気極成分粒子1の面積円相当径の平均値)
但し、上記W1と上記W2は同じであっても異なっていてもよく、それぞれ3μm以上であり、上記LS1と上記LS2とを得る範囲は、重ならないように設定する
Moreover, the electrochemical cell of this invention arrange | positions a fuel electrode, an electrolyte layer, a barrier layer, and an air electrode in this order. The air electrode has a film thickness of 6 μm or more, and has a ratio LS1 / LS2 of LS1 and LS2 shown below of less than 1.0 as measured with a scanning electron microscope in the cross section.
LS1: (a plurality of air electrode component particles) in a range within W1 in a direction perpendicular to the interface from the interface between the air electrode and the barrier layer in a direction in which the barrier layer of the air electrode is not formed. 1 (average value of circumference equivalent circle diameter of 1) / (average value of area equivalent circle diameter of the plurality of air electrode component particles 1)
LS2: (a plurality of air electrode component particles in a range within W2 in the direction perpendicular to the surface from the surface of the air electrode where the barrier layer is not formed to the interface between the air electrode and the barrier layer) 1 (average value of circumference equivalent circle diameter of 1) / (average value of area equivalent circle diameter of the plurality of air electrode component particles 1)
However, the W1 and the W2 may be the same or different and each is 3 μm or more, and the range for obtaining the LS1 and the LS2 is set so as not to overlap.
上記空気極成分粒子1、2は、それぞれCoを含有する粒子であることが好ましく、加えてSrを含有することがより好ましく、Co、Sr以外にも同じ元素が含まれていることがさらに好ましく、ペロブスカイト型複合酸化物粒子であることが特に好ましい。空気極成分粒子1の粒子中に含まれる酸素以外の金属元素中のCoのモル%:M1と、空気極成分粒子2の粒子中に含まれる酸素以外の金属元素中のCoのモル%:M2の比:M1/M2が1以上であることが好ましく、1以上5以下であることがより好ましく、1であることがさらに好ましい。 The air electrode component particles 1 and 2 are preferably particles containing Co, more preferably contain Sr, and more preferably contain the same element in addition to Co and Sr. Particularly preferred are perovskite complex oxide particles. Mole% of Co in metal element other than oxygen contained in air electrode component particle 1: M1 and Mole% of Co in metal element other than oxygen contained in air electrode component particle 2: M2 Ratio: M1 / M2 is preferably 1 or more, more preferably 1 or more and 5 or less, and even more preferably 1.
なお、本発明において、空気極成分粒子の面積円相当径は、空気極成分粒子の面積より求めた、面積と等しい円面積を持つ円の直径を示し、空気極成分粒子の周長円相当径は、空気極成分粒子の界面長さより求めた、界面長さに等しい円周をもつ円の直径を示す。 In the present invention, the area equivalent circle diameter of the air electrode component particles indicates the diameter of a circle having a circular area equal to the area, obtained from the area of the air electrode component particles, and the circumference equivalent circle diameter of the air electrode component particles. Indicates the diameter of a circle having a circumference equal to the interface length, obtained from the interface length of the air electrode component particles.
上記空気極の断面の空気極成分粒子の走査型電子顕微鏡による観察は、観察される空気極成分粒子測定数が好ましくは80個以上、より好ましくは100個以上になるよう測定することが好ましく、空気極成分粒子測定数が上記個数に満たない場合は、取得する断面観察画像を増やしたり、倍率を8000倍にするなどして、空気極成分粒子測定数が上記個数以上になるようにすることが好ましい。
上記空気極の断面の走査型電子顕微鏡による観察は、2次電子像で観察することが好ましい。2次電子像であれば、反射電子像よりも、取得できる像が鮮明になるので、1つ1つの粒子を判別しやすくなる。ただし、粒子が判別できるのであれば、2次電子像ではなく、反射電子像であっても構わない。空気極成分粒子測定数は、以下についても同様である。
Observation of the air electrode component particles in the cross section of the air electrode by a scanning electron microscope is preferably measured so that the number of air electrode component particles observed is preferably 80 or more, more preferably 100 or more, If the number of measured air electrode component particles is less than the above number, increase the number of cross-sectional observation images to be acquired or increase the magnification to 8000 times so that the number of measured air electrode component particles is equal to or greater than the above number. Is preferred.
Observation of the cross section of the air electrode with a scanning electron microscope is preferably performed with a secondary electron image. If it is a secondary electron image, the image which can be acquired becomes clear rather than a reflected electron image, Therefore It becomes easy to distinguish each particle | grain. However, as long as particles can be identified, a reflected electron image may be used instead of a secondary electron image. The number of measured air electrode component particles is the same for the following.
図3を用いて説明すると、上記空気極12、22は、断面において走査型電子顕微鏡で観測される範囲1(上記空気極12、22と、上記電解質層16またはバリア層24との界面8から、上記空気極12、22の上記電解質層16またはバリア層24が形成されていない面9の方へ、黒塗り矢印Sで示す方向に、上記界面8と垂直方向にW1以内の範囲)における上記LS1と、範囲2(上記空気極12、22の上記電解質層16またはバリア層24が形成されていない面9から、上記空気極12、22と、上記電解質層16またはバリア層24との界面8へ、黒塗り矢印Tで示す方向に、上記面9と垂直方向にW2以内の範囲)におけるLS2との比LS1/LS2が1.0未満である。上記比LS1/LS2は、0.3以上1.0未満であることが好ましく、0.4以上0.95以下であることがより好ましく、0.5以上0.90以下であることがさらに好ましい。
空気極における上記比LS1/LS2が上記範囲である場合には、電極との界面側の範囲1における空気極成分粒子1の方が範囲2における空気極成分粒子2よりもより複雑な形状をしているため、電極粒子と気孔との界面が増加するので、電極活性に優れ、かつ電極粒子同士の導通を損なうことが少なく、空気極として、電気化学セルに用いた場合に、電流−電圧特性に優れた電気化学セルが得られる。
Referring to FIG. 3, the air electrodes 12, 22 are cross-sectionally observed by a scanning electron microscope in a range 1 (from the interface 8 between the air electrodes 12, 22 and the electrolyte layer 16 or the barrier layer 24. In the direction of the air electrode 12, 22 where the electrolyte layer 16 or the barrier layer 24 is not formed, in the direction indicated by the black arrow S, the range perpendicular to the interface 8 and within W1) LS1 and range 2 (from the surface 9 of the air electrodes 12, 22 where the electrolyte layer 16 or barrier layer 24 is not formed to the interface 8 between the air electrodes 12, 22 and the electrolyte layer 16 or barrier layer 24) The ratio LS1 / LS2 with respect to LS2 in the direction indicated by the black arrow T in the direction perpendicular to the surface 9 and within W2) is less than 1.0. The ratio LS1 / LS2 is preferably 0.3 or more and less than 1.0, more preferably 0.4 or more and 0.95 or less, and further preferably 0.5 or more and 0.90 or less. .
When the ratio LS1 / LS2 at the air electrode is in the above range, the air electrode component particles 1 in the range 1 on the interface side with the electrode have a more complicated shape than the air electrode component particles 2 in the range 2. Therefore, since the interface between the electrode particles and the pores increases, the electrode activity is excellent and the conduction between the electrode particles is less likely to be impaired. When used as an air electrode in an electrochemical cell, current-voltage characteristics An electrochemical cell excellent in the above can be obtained.
上記W1、W2は、それぞれ独立して、3μm以上であり、4μm以上であることが好ましく、5μm以上であることがより好ましい。上記W1と上記W2は、共に5μmであることがさらに好ましい。
すなわち、上記範囲1は、上記空気極12、22と、上記電解質層16またはバリア層24との界面8から、上記空気極12、22の上記電解質層16またはバリア層24が形成されていない面9の方へ、黒塗り矢印Sで示す方向に、上記界面8と垂直方向に3μm以上離れた位置までの範囲であり、3μm以内の範囲であることが好ましく、4μm以内の範囲であることがより好ましく、5μm以内の範囲であることがさらに好ましい。
同様に、上記範囲2は、上記空気極12、22の上記電解質層16またはバリア層24が形成されていない面9から、上記空気極12、22と、上記電解質層16またはバリア層24との界面8へ、黒塗り矢印Tで示す方向に、上記面9と垂直方向に3μm以上離れた位置までの範囲であり、3μm以内の範囲であることが好ましく、4μm以内の範囲であることがより好ましく、5μm以内の範囲であることがさらに好ましい。
特には、上記範囲1が、上記空気極12、22と、上記電解質層16またはバリア層24との界面8から、上記空気極12、22の上記電解質層16またはバリア層24が形成されていない面9の方へ、黒塗り矢印Sで示す方向に、上記界面8と垂直方向に3μm離れた位置までの範囲であることが好ましく、上記範囲2が、上記空気極12、22の上記電解質層16またはバリア層24が形成されていない面9から、上記空気極12、22と、上記電解質層16またはバリア層24との界面8へ、黒塗り矢印Tで示す方向に、上記面9と垂直方向に3μm離れた位置までの範囲であることが好ましい。
W1 and W2 are each independently 3 μm or more, preferably 4 μm or more, and more preferably 5 μm or more. More preferably, both W1 and W2 are 5 μm.
That is, the range 1 is a surface where the electrolyte layer 16 or the barrier layer 24 of the air electrodes 12 and 22 is not formed from the interface 8 between the air electrodes 12 and 22 and the electrolyte layer 16 or the barrier layer 24. 9 toward the position indicated by the black arrow S in the direction indicated by a black arrow S, and is a range up to 3 μm or more in the direction perpendicular to the interface 8, preferably within 3 μm, and within 4 μm. More preferably, the range is within 5 μm.
Similarly, the range 2 includes the air electrodes 12 and 22 and the electrolyte layer 16 or the barrier layer 24 from the surface 9 of the air electrodes 12 and 22 where the electrolyte layer 16 or the barrier layer 24 is not formed. It is a range up to a position 3 μm or more away from the surface 9 in the direction indicated by the black arrow T toward the interface 8, preferably within 3 μm, more preferably within 4 μm. Preferably, the range is within 5 μm.
In particular, in the range 1, the electrolyte layer 16 or the barrier layer 24 of the air electrodes 12, 22 is not formed from the interface 8 between the air electrodes 12, 22 and the electrolyte layer 16 or the barrier layer 24. The surface 9 is preferably in a range up to a position 3 μm away from the interface 8 in the direction indicated by the black arrow S, and the range 2 is the electrolyte layer of the air electrodes 12 and 22. 16 or the surface 9 on which the barrier layer 24 is not formed, to the interface 8 between the air electrodes 12 and 22 and the electrolyte layer 16 or the barrier layer 24, perpendicular to the surface 9 in the direction indicated by the black arrow T. A range up to a position 3 μm away in the direction is preferable.
なお、上記空気極12、22と、上記電解質層16またはバリア層24との界面8は、例えば、空気極成分が最も電解質層16またはバリア層24へ入り込んでいる箇所と、その箇所から2μm以上離れて、空気極成分が電解質層16またはバリア層24へ入り込んでいる箇所の2か所を結んだ直線から求めることができる。
上記範囲1、2は、空気極全体の代表的な箇所を測定することを目的として、界面8と平行な方向において、空気極12、22の中央部付近7を含み、電解質層16またはバリア層24との界面方向の端部から中央方向へ距離L以上離れている領域であることが好ましい。上記Lは、0.3mm以上であることが好ましく、0.8mm以上であることがより好ましく、1.0mm以上であることがさらに好ましい。両端部における2つのLは、同じ値であってもよいし、異なった値であってもよい。後述の長方形領域3、4についても上記領域内で選択することが好ましい(図4、5参照)。
The interface 8 between the air electrodes 12 and 22 and the electrolyte layer 16 or the barrier layer 24 is, for example, a place where the air electrode component is most penetrating into the electrolyte layer 16 or the barrier layer 24 and 2 μm or more from the place. It can be determined from a straight line connecting two places where the air electrode component enters the electrolyte layer 16 or the barrier layer 24 apart.
The ranges 1 and 2 include the vicinity 7 of the central portion of the air electrodes 12 and 22 in the direction parallel to the interface 8 for the purpose of measuring a representative portion of the entire air electrode, and the electrolyte layer 16 or the barrier layer. 24 is preferably a region that is separated by a distance L or more from the end in the interface direction with respect to 24 toward the center. L is preferably 0.3 mm or more, more preferably 0.8 mm or more, and further preferably 1.0 mm or more. The two Ls at both ends may be the same value or different values. It is preferable to select rectangular areas 3 and 4 to be described later within the above area (see FIGS. 4 and 5).
上記比LS1/LS2を上記範囲にするためには、空気極を構成する上記複数の前駆体層の内、電解質層側(電解質層の表面上またはバリア層の表面上)に形成する層の形成に用いるスラリーとして、「所定の金属を含む混合溶液から得られた固形物等の原料粉末を、さらに成形して焼成して焼成成形体(ペレット)を調製し、これを解砕して得られる、微粒と粗粒とを含むスラリー」を用いることが好ましい。また好ましくは、上記スラリーから形成された前駆体層の上に形成する前駆体層の形成に用いるスラリーとして、「所定の金属を含む混合溶液から得られた固形物等の原料粉末を、さらに成形して焼成して焼成成形体(ペレット)を調製し、これを解砕した粗粒を含むスラリー」を用いて形成することが好ましい。 In order to set the ratio LS1 / LS2 in the above range, a layer formed on the electrolyte layer side (on the surface of the electrolyte layer or the surface of the barrier layer) among the plurality of precursor layers constituting the air electrode is formed. As a slurry used in the above, “a raw material powder such as a solid obtained from a mixed solution containing a predetermined metal is further molded and fired to prepare a fired molded body (pellet), which is obtained by crushing It is preferable to use a slurry containing fine particles and coarse particles. Preferably, as a slurry used for forming a precursor layer formed on the precursor layer formed from the slurry, “a raw material powder such as a solid obtained from a mixed solution containing a predetermined metal is further formed. Then, it is preferably formed using a slurry containing coarse particles obtained by firing and preparing a fired molded body (pellet) and pulverizing it.
1−3−2 所定領域における空気極成分粒子の面積円相当径の変動係数の比
好ましくは、本発明の電気化学セル用空気極では、上記範囲1において測定された空気極成分粒子の面積円相当径の変動係数CVLS1と、上記範囲2において測定された空気極成分粒子の面積円相当径の変動係数CVLS2と、の比CVLS1/CVLS2が0.3以上0.9以下であり、0.5以上0.8以下であることがより好ましい。これにより、空気極触媒活性を最大に発揮しつつも、電子導電性が良好な効果が得られ、電気化学セルに用いた場合に、電流−電圧特性により優れた電気化学セルとなる。
1-3-2 Ratio of Fluctuation Coefficient of Area Circle Equivalent Diameter of Air Electrode Component Particles in Predetermined Area Preferably, in the air electrode for electrochemical cells of the present invention, the area circle of air electrode component particles measured in the above range 1 The ratio CVLS1 / CVLS2 of the variation coefficient CVLS1 of the equivalent diameter and the variation coefficient CVLS2 of the area circle equivalent diameter of the air electrode component particles measured in the range 2 is 0.3 or more and 0.9 or less, 0.5 More preferably, it is 0.8 or less. Thereby, while exhibiting the air electrode catalytic activity to the maximum, the effect of good electronic conductivity is obtained, and when used in an electrochemical cell, the electrochemical cell is more excellent in current-voltage characteristics.
1−3−3 気孔の面積円相当径の平均値DSに対する、気孔の周長円相当径の平均値DL比DL/DS
好ましくは、本発明の電気化学セル用空気極では、上記範囲1において走査型電子顕微鏡で観測される、複数の気孔の面積円相当径の平均値DSに対する、上記複数の気孔の周長円相当径の平均値DLの比DL/DSが1.75以上であり、より好ましくは1.8以上である。
なお、本発明において、面積円相当径は、気孔面積より求めた、面積と等しい円面積を持つ円の直径を示し、周長円相当径は、気孔とそれと接する各空気極成分との界面長さより求めた、界面長さに等しい円周をもつ円の直径を示す。空気極における上記DL/DSが上記範囲である場合には、気孔の形状が複雑な形状をしているため、電極粒子同士の導通を損なうことなく、反応領域まで、良好なガス拡散性を維持できるので、空気極として、電気化学セルに用いた場合に、電流−電圧特性により優れた電気化学セルとなる。
1-3-3 The average value D L ratio D L / D S of the circumference equivalent circle diameter of the pores to the average value D S of the area equivalent circle diameter of the pores
Preferably, an electrochemical cell for air electrode of the present invention is observed with a scanning electron microscope in the range 1, to the average value D S of the area circle equivalent diameters of the plurality of pores, the peripheral oval of the plurality of pores The ratio D L / D S of the average value D L of equivalent diameters is 1.75 or more, more preferably 1.8 or more.
In the present invention, the area equivalent circle diameter indicates the diameter of a circle having a circular area equal to the area obtained from the pore area, and the circumference equivalent circle diameter indicates the interface length between the pore and each air electrode component in contact with the pore. The diameter of a circle having a circumference equal to the interface length obtained from the above is shown. When the D L / D S at the air electrode within the above range, since the shape of the pores have a complex shape, without compromising the continuity between the electrode grains, to the reaction region, good gas diffusibility Therefore, when used as an air electrode in an electrochemical cell, the electrochemical cell is more excellent in current-voltage characteristics.
上記空気極の断面の気孔の走査型電子顕微鏡による観察は、観察される気孔測定数が好ましくは80個以上、より好ましくは100個以上になるよう測定することが好ましく、気孔測定数が上記個数に満たない場合は、取得する断面観察画像を増やしたり、倍率を8000倍にするなどして、気孔測定数が上記個数以上になるようにすることが好ましい。気孔測定数は、以下においても同様である。 Observation of the pores in the cross section of the air electrode with a scanning electron microscope is preferably performed so that the number of observed pores is preferably 80 or more, more preferably 100 or more. In the case where it is less than the above, it is preferable to increase the number of cross-sectional observation images to be acquired or to increase the number of pores to be equal to or greater than the above number by increasing the magnification to 8000 times. The number of pores is the same in the following.
1−3−4 気孔の面積円相当径の分布
好ましくは、本発明の電気化学セル用空気極では、上記範囲1において走査型電子顕微鏡で観測される、上記複数の気孔の面積円相当径をヒストグラムにした場合に、2つ以上のピークを有する。これにより、空気極触媒活性を最大に発揮しつつ、空気極中の電解質層(あるいはバリア層)に近い領域でも、酸素がより不足せずに供給されるようにすることができるという効果が得られる。
気孔の面積円相当径分布におけるピーク数を求めるにあたって、階級と階級間隔については、面積円相当径の最大値:Pmax、最小値:Pminの差:ΔP=Pmax−Pminを求め、ΔPを20に近い数で割りその値を参考に決めれば良い[応用統計ハンドブック:応用統計ハンドブック編集委員会(代表:奥野忠一)編、株式会社養賢堂、1978発行 第1版、p12〜15(第1章 分布と検定・推定、1.1データの要約、1.1.1度数分布)を参照]。
1-3-4 Distribution of Pore Area Circle Equivalent Diameter Preferably, in the air electrode for an electrochemical cell of the present invention, the area circle equivalent diameter of the plurality of pores observed in a scanning electron microscope in the above range 1 is set. In the case of a histogram, it has two or more peaks. As a result, the effect of being able to supply oxygen without being deficient even in a region close to the electrolyte layer (or barrier layer) in the air electrode while obtaining the maximum air electrode catalytic activity is obtained. It is done.
In obtaining the number of peaks in the area circle equivalent diameter distribution of the pores, for the class and class interval, the maximum value of the area circle equivalent diameter: Pmax, the minimum value: the difference between Pmin: ΔP = Pmax−Pmin, and ΔP is set to 20. Divide by a close number and determine the value by reference [Applied Statistics Handbook: Applied Statistics Handbook Editorial Committee (Representative: Chuichi Okuno), Yokendo Co., Ltd., 1978, 1st Edition, p12-15 (Chapter 1) Distribution and testing / estimation, 1.1 data summary, 1.1.1 frequency distribution)].
1−3−5 気孔の面積円相当径の分布のピーク数比
好ましくは、本発明の電気化学セル用空気極では、上記範囲1において走査型電子顕微鏡で観測される、上記複数の気孔の面積円相当径をヒストグラムにした場合に得られるピーク数Pb1と、上記範囲2において走査型電子顕微鏡で観測される、複数の気孔の面積円相当径をヒストグラムにした場合に得られるピーク数Pb2との比Pb1/Pb2が1より大きい。より好ましくは2以上であり、さらに好ましくは3以上である。
これにより、より空気極触媒活性を最大に発揮しつつ、空気極中の電解質層(あるいはバリア層)に近い領域でも、酸素が不足せずに供給されるようにすることができるため、空気極として電気化学セルに用いた時に電流―電圧特性に優れるという効果が得られる。
1-3-5 Pore Area Ratio of Peak Numbers in Distribution of Equivalent Circle Diameter Preferably, in the air electrode for an electrochemical cell of the present invention, the area of the plurality of pores observed with a scanning electron microscope in the above range 1 The number of peaks Pb1 obtained when the equivalent circle diameter is made into a histogram and the number of peaks Pb2 obtained when the area equivalent circle diameters of a plurality of pores are made into a histogram in the above range 2 are observed. The ratio Pb1 / Pb2 is greater than 1. More preferably, it is 2 or more, More preferably, it is 3 or more.
As a result, oxygen can be supplied without being deficient even in a region near the electrolyte layer (or barrier layer) in the air electrode while maximizing the air electrode catalytic activity. When used in an electrochemical cell, the effect of excellent current-voltage characteristics can be obtained.
1−3−6 所定領域における気孔と空気極成分粒子との界面長さの合計値
好ましくは、上記空気極は、断面において、上記空気極と上記電解質層または上記バリア層との界面から、上記空気極の上記電解質層および/またはバリア層が形成されていない面方向へ、上記界面と垂直方向に1μm離れた位置と3μm離れた位置との間における5μm幅の2μm×5μmの長方形領域における、走査型電子顕微鏡で測定される気孔と空気極成分粒子との界面長さの合計値が18μm以上80μm以下である。
空気極の断面における上記界面長さの合計値をこのような範囲にした場合に、電気化学セルに用いた場合に、電流−電圧特性により優れた電気化学セルとなる。
1-3-6 Total value of interface length between pores and air electrode component particles in a predetermined region Preferably, the air electrode has a cross section from the interface between the air electrode and the electrolyte layer or the barrier layer. In a 2 μm × 5 μm rectangular region having a width of 5 μm between a position 1 μm away from a position perpendicular to the interface and a position 3 μm away in a direction in which the electrolyte layer and / or barrier layer of the air electrode is not formed, The total value of the interface length between the pores and the air electrode component particles measured with a scanning electron microscope is 18 μm or more and 80 μm or less.
When the total value of the above interface lengths in the cross section of the air electrode is in such a range, when used in an electrochemical cell, the electrochemical cell is more excellent in current-voltage characteristics.
図4を用いて説明すると、空気極12、22の断面において、相互に重ならないように、例えば、10視野分程度を電子顕微鏡にて観察し、これらの視野において、複数の長方形領域3(上記空気極12、22と、上記電解質層16またはバリア層24との界面8から、上記空気極12、22の上記電解質層16またはバリア層24が形成されていない面9へ、黒塗り矢印Sで示す方向に、上記界面8と垂直方向に1μm離れた位置と3μm離れた位置との間における5μm幅の2μm×5μmの複数の長方形領域)を、相互に重ならないように、例えば複数か所(好ましくは10か所以上)選択して、それぞれの長方形領域3における、気孔と空気極成分粒子との界面長さの合計値データを複数取得する。このようにして得られた複数(好ましくは10か所以上)の合計値データの平均値を、気孔と空気極成分粒子との界面長さの合計値(t1とする)とする。10か所以上測定する場合、空気極の幅は500μm以上であることが好ましい。
本発明の電気化学セル用空気極では、好ましくは上記気孔と空気極成分粒子との界面長さの合計値t1が18μm以上80μm以下である。上記長方形領域3における界面長さの合計値t1は、20μm以上70μm以下であることがより好ましく、25μm以上60μm以下であることがさらに好ましい。
If it demonstrates using FIG. 4, in the cross section of the air electrodes 12 and 22, about 10 visual fields will be observed with an electron microscope so that it may not mutually overlap, and in these visual fields, several rectangular area | region 3 (above-mentioned) A black arrow S extends from the interface 8 between the air electrodes 12 and 22 and the electrolyte layer 16 or the barrier layer 24 to the surface 9 of the air electrodes 12 and 22 where the electrolyte layer 16 or the barrier layer 24 is not formed. In the direction shown, a plurality of 2 μm × 5 μm rectangular regions with a width of 5 μm between a position 1 μm apart and a position 3 μm apart in the direction perpendicular to the interface 8, for example, at a plurality of locations ( Preferably, 10 or more locations are selected, and a plurality of total value data of interface lengths between pores and air electrode component particles in each rectangular region 3 are acquired. The average value of a plurality of (preferably 10 or more) total value data obtained in this way is defined as the total value (t1) of the interface length between the pores and the air electrode component particles. When measuring at 10 or more locations, the width of the air electrode is preferably 500 μm or more.
In the air electrode for electrochemical cells of the present invention, the total value t1 of the interface length between the pores and the air electrode component particles is preferably 18 μm or more and 80 μm or less. The total interface length t1 in the rectangular region 3 is more preferably 20 μm or more and 70 μm or less, and further preferably 25 μm or more and 60 μm or less.
1−3−7 所定領域における気孔と空気極成分粒子との界面長さの合計値の比
好ましくは、本発明の電気化学セル用空気極では、厚みが6μm以上、幅500μm以上であり、上記の気孔と空気極成分粒子との界面長さの合計値t1と、上記空気極12、22の長方形領域4(上記電解質層16またはバリア層24が形成されていない面9から、上記空気極12、22と、上記電解質層16またはバリア層24との界面8方向へ黒塗り矢印Tで示す方向に、上記面9と垂直方向に1μm離れた位置と3μm離れた位置との間における5μm幅の2μm×5μmの領域、図5参照)における気孔と空気極成分粒子との界面長さの合計値t2との比t1/t2が1.2以上である。t1/t2をこのようにした場合に、より(空気中の)酸素が空気極中の電解質層(あるいはバリア層)に近い領域まで不足せずに供給されるという効果が得られる。
ここで、t2は、t1と同様に、相互に重ならないように選択した複数の、例えば、10視野分程度を電子顕微鏡にて観察し、さらに、これらの視野において、相互に重ならないように選択した複数の長方形領域4を、例えば、複数か所(好ましくは10箇所以上)観察し、これらの各長方形領域4についてそれぞれ界面長さの合計値データを求め、これらの界面長さの合計値データから求めた平均値とする。
1-3-7 Ratio of the total value of the interface lengths of pores and air electrode component particles in a predetermined region Preferably, in the air electrode for an electrochemical cell of the present invention, the thickness is 6 μm or more and the width is 500 μm or more, The total length t1 of the interface length between the pores and the air electrode component particles, and the rectangular region 4 of the air electrodes 12 and 22 (from the surface 9 where the electrolyte layer 16 or the barrier layer 24 is not formed) , 22 in the direction indicated by the black arrow T in the direction of the interface 8 between the electrolyte layer 16 or the barrier layer 24 and a width of 5 μm between a position 1 μm away from the surface 9 and a position 3 μm away from the surface 9. The ratio t1 / t2 of the total value t2 of the interface length between the pores and the air electrode component particles in a region of 2 μm × 5 μm (see FIG. 5) is 1.2 or more. When t1 / t2 is set in this way, an effect is obtained that oxygen (in the air) is supplied without deficiency to a region near the electrolyte layer (or barrier layer) in the air electrode.
Here, similarly to t1, t2 is selected so as not to overlap each other in a plurality of, for example, about 10 visual fields that are selected so as not to overlap each other. The plurality of rectangular regions 4 are observed, for example, at a plurality of locations (preferably 10 or more), and the interface length total value data is obtained for each of the rectangular regions 4, and the interface length total value data is obtained. The average value obtained from
1−3−8 所定領域における気孔と空気極成分粒子との界面長さの合計値データの標準偏差
好ましくは、本発明の電気化学セル用空気極では、上記t1を求めた複数の長方形領域3における、気孔と個々の空気極成分粒子との界面長さの合計値データの標準偏差d1が、8.0μm以下である。さらに、標準偏差d1は1.7μm以上であることが好ましい。より好ましくは1.8μm以上7.0μm以下であり、2.0μm以上5.0μm以下であることがさらに好ましい。標準偏差が上記範囲であれば、空気極触媒活性を最大に発揮しつつ、空気極中の電解質層(あるいはバリア層)に近い領域まで、酸素がより不足せずに供給されやすくなるため、より高活性な空気極となる。
1-3-8 Standard Deviation of Total Value Data of Interface Length between Pore and Air Electrode Component Particles in Predetermined Area Preferably, in the electrochemical cell air electrode of the present invention, a plurality of rectangular regions 3 from which t1 is obtained The standard deviation d1 of the total value data of the interface lengths between the pores and the individual air electrode component particles is 8.0 μm or less. Furthermore, the standard deviation d1 is preferably 1.7 μm or more. More preferably, they are 1.8 micrometers or more and 7.0 micrometers or less, and it is still more preferable that they are 2.0 micrometers or more and 5.0 micrometers or less. If the standard deviation is within the above range, oxygen is more easily supplied to the region near the electrolyte layer (or barrier layer) in the air electrode while maximizing the air electrode catalytic activity. It becomes a highly active air electrode.
1−3−9 所定領域における気孔と空気極成分粒子との界面長さの合計値データの標準偏差の比
好ましくは、本発明の電気化学セル用空気極では、上記t2を求めた複数の長方形領域4における、気孔と個々の空気極成分粒子との界面長さの合計値データの標準偏差d2に対する、上記t1を求めた複数の長方形領域3における、気孔と個々の空気極成分粒子との界面長さの合計値データの標準偏差d1の比d1/d2が1.1以上である。より好ましくは1.2以上であり、1.3以上であることがさらに好ましい。d1/d2をこのようにした場合に、空気極の全領域でより偏りなく、より均一に酸素の供給と反応が進行しやすくなるため、局所的な熱の影響を受けて、失活することをより効果的に防ぐことができる。
1-3-9 Ratio of standard deviation of total value data of interface length between pores and air electrode component particles in a predetermined region Preferably, in the air electrode for an electrochemical cell of the present invention, a plurality of rectangles obtained from the above t2 The interface between the pores and the individual air electrode component particles in the plurality of rectangular regions 3 for which the above-mentioned t1 is obtained with respect to the standard deviation d2 of the total value data of the interface length between the pores and the individual air electrode component particles in the region 4 The ratio d1 / d2 of the standard deviation d1 of the total length data is 1.1 or more. More preferably, it is 1.2 or more, and it is further more preferable that it is 1.3 or more. When d1 / d2 is set in this way, the supply and reaction of oxygen is more uniform and more uniform in the entire area of the air electrode, so that it is deactivated under the influence of local heat. Can be more effectively prevented.
1−3−10 所定領域における気孔と空気極成分粒子との界面長さの合計値データの変動係数
好ましくは、本発明の電気化学セル用空気極では、上記t1を求めた複数の長方形領域3における、気孔と個々の空気極成分粒子との各界面長さの合計値データの変動係数cv1が、11%以上30%以下であり、11.5%以上25%以下であることがより好ましく、12%以上20%以下であることがさらに好ましい。ここで、変動係数は標準偏差を平均値で割った値である。変動係数をこのようにした場合に、標準偏差が上記範囲であれば、空気極触媒活性を最大に発揮しつつ、空気極中の電解質層(あるいはバリア層)に近い領域まで、酸素が不足せずに供給されるようにすることができるため、高活性な空気極となる。
1-3-10 Coefficient of variation of total value data of interface length between pores and air electrode component particles in a predetermined region Preferably, in the air electrode for an electrochemical cell of the present invention, a plurality of rectangular regions 3 for which the above t1 is obtained The variation coefficient cv1 of the total value data of the interface lengths of the pores and the individual air electrode component particles is 11% to 30%, more preferably 11.5% to 25%, More preferably, it is 12% or more and 20% or less. Here, the coefficient of variation is a value obtained by dividing the standard deviation by the average value. If the standard deviation is within the above range when the coefficient of variation is set in this way, oxygen is insufficient to the region close to the electrolyte layer (or barrier layer) in the air electrode while maximizing the air electrode catalytic activity. Therefore, the air electrode is highly active.
1−3−11 所定領域における気孔と空気極成分粒子との界面長さの合計値データの変動係数の比
好ましくは、本発明の電気化学セル用空気極では、上記t2を求めた複数の長方形領域4における、気孔と個々の空気極成分粒子との界面長さの合計値データの変動係数cv2に対する、上記t1を求めた複数の長方形領域3における、気孔と個々の空気極成分粒子との界面長さの合計値データの変動係数cv1の比cv1/cv2が1.1以上5.0以下であり、1.2以上4.0以下であることがより好ましく、1.3以上3.0以下であることがさらに好ましい。cv1/cv2をこのようにした場合に、空気極の全領域でより偏りなく、より均一に反応が進行しやすくなるため、局所的な熱の影響を受けて、失活することをより効果的に防ぐことができる。
1-3-11 Ratio of coefficient of variation of total value data of interface length between pores and air electrode component particles in a predetermined region Preferably, in the air electrode for an electrochemical cell of the present invention, a plurality of rectangles obtained from the above t2 The interface between the pores and the individual air electrode component particles in the plurality of rectangular regions 3 where the above t1 is obtained with respect to the coefficient of variation cv2 of the total value data of the interface length between the pores and the individual air electrode component particles in the region 4 The ratio cv1 / cv2 of the coefficient of variation cv1 of the total length data is 1.1 or more and 5.0 or less, more preferably 1.2 or more and 4.0 or less, and 1.3 or more and 3.0 or less. More preferably. When cv1 / cv2 is set in this way, the reaction proceeds more uniformly and more uniformly in the entire area of the air electrode, so it is more effective to deactivate due to the influence of local heat. Can be prevented.
1−3−12 所定領域における気孔と空気極成分粒子との界面長さの分布
好ましくは、本発明の電気化学セル用空気極では、上記t1を求めた複数の長方形領域3における、気孔と個々の空気極成分粒子との界面長さをヒストグラムにした場合に、2つ以上のピークを有する。より好ましくは、3以上である。また上限は特に限定されないが6以下が好ましく、5以下がより好ましい。
このような場合に、空気極触媒活性を最大に発揮しつつ、空気極中の電解質層(あるいはバリア層)に近い領域でも、酸素がより不足せずに供給されるようにすることができるため、より高活性な空気極となる。
1-3-12 Distribution of Interface Length between Pore and Air Electrode Component Particles in Predetermined Area Preferably, in the air electrode for an electrochemical cell of the present invention, the pores and the individual in the plurality of rectangular areas 3 for which t1 is obtained When the interface length with the air electrode component particles is a histogram, it has two or more peaks. More preferably, it is 3 or more. Moreover, although an upper limit is not specifically limited, 6 or less is preferable and 5 or less is more preferable.
In such a case, oxygen can be supplied without being deficient even in a region near the electrolyte layer (or barrier layer) in the air electrode while maximizing the air electrode catalytic activity. It becomes a more highly active air electrode.
上記界面長さの分布におけるピーク数を求めるにあたって、階級と階級間隔については、界面長さの最大値:Pmax、最小値:Pminの差:ΔP=Pmax−Pminを求め、ΔPを20に近い数で割りその値を参考に決めれば良い[応用統計ハンドブック:応用統計ハンドブック編集委員会(代表:奥野忠一)編、株式会社養賢堂、1978発行 第1版、p12〜15(第1章 分布と検定・推定、1.1データの要約、1.1.1度数分布)を参照]。 In determining the number of peaks in the above-mentioned interface length distribution, for the class and class interval, the maximum value of interface length: Pmax, the minimum value: difference of Pmin: ΔP = Pmax−Pmin is determined, and ΔP is a number close to 20. [Applied Statistics Handbook: Editorial Committee for Applied Statistics Handbook (Representative: Chuichi Okuno) edited by Yokendo Co., Ltd., 1978, 1st Edition, p12-15 (Chapter 1 Distribution and See Test / Estimation, 1.1 Data Summary, 1.1.1 Frequency Distribution)].
1−3−13 所定領域における気孔と空気極成分との界面長さの分布におけるピーク数の比
好ましくは、本発明の電気化学セル用空気極では、上記t1を求めた複数の長方形領域3における気孔と個々の空気極成分粒子との界面長さをヒストグラムにした場合のピーク数Pa1と、上記t2を求めた複数の長方形領域4における各界面長さの合計値データをヒストグラムにした場合のピーク数Pa2との比Pa1/Pa2が1より大きい。より好ましくは2以上であり、さらに好ましくは3以上である。Pa1/Pa2をこのようにした場合に、より空気極触媒活性を最大に発揮しつつ、空気極中の電解質層(あるいはバリア層)に近い領域でも、酸素がより不足せずに供給されるようにすることができるため、より高活性な空気極となる。
1-3-13 Ratio of number of peaks in distribution of interface length between pores and air electrode components in a predetermined region Preferably, in the air electrode for an electrochemical cell of the present invention, in the plurality of rectangular regions 3 for which the above t1 is obtained The peak number Pa1 when the interface length between the pores and the individual air electrode component particles is made into a histogram, and the peak when the total value data of each interface length in the plurality of rectangular regions 4 obtained from the above t2 is made into a histogram The ratio Pa1 / Pa2 with a few Pa2 is larger than 1. More preferably, it is 2 or more, More preferably, it is 3 or more. When Pa1 / Pa2 is set in this way, oxygen can be supplied without being deficient even in a region near the electrolyte layer (or barrier layer) in the air electrode while maximizing the air electrode catalytic activity. Therefore, the air electrode is more highly active.
1−4 バリア層
本発明の電気化学セルは、電気化学セルの作製時や反応時に、空気極と電解質層とが直接接していることで絶縁物質を作りやすく、この絶縁物質の生成を抑制することを目的として、バリア層を備えていてもよい。上記バリア層は、上記電解質層と上記燃料極ならびに上記空気極の少なくとも一方との間に配置されることが好ましい。本発明の電気化学セルの一形態としての電気化学セル20では、上記電解質層26と上記空気極22との間に配置される。絶縁層の生成が十分に抑制されている場合には、本発明の電気化学セルの一形態としての電気化学セル10のように、バリア層は無くても構わない。
1-4 Barrier Layer The electrochemical cell of the present invention is easy to produce an insulating material because the air electrode and the electrolyte layer are in direct contact with each other during the production or reaction of the electrochemical cell, and suppresses the generation of this insulating material. For this purpose, a barrier layer may be provided. The barrier layer is preferably disposed between the electrolyte layer and at least one of the fuel electrode and the air electrode. In the electrochemical cell 20 as one embodiment of the electrochemical cell of the present invention, it is disposed between the electrolyte layer 26 and the air electrode 22. When the generation of the insulating layer is sufficiently suppressed, the barrier layer may be omitted as in the electrochemical cell 10 as one embodiment of the electrochemical cell of the present invention.
上記バリア層を構成する成分としては特に制限はされないが、酸化物イオン伝導性材料であり、電気化学セルの作製時や反応時にバリア層と空気極あるいは、電解質層との間で酸素イオン伝導性を阻害する成分を生成しにくい成分であることが好ましい。
上記バリア層を構成する成分としては特に制限はされないが、セリア系酸化物を主成分として含むことが好ましく、Sc、Y、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Ybなどの希土類元素を含有するセリアを主成分として含むことが好ましく、該セリアがこれらの元素と固溶体を構成していることがより好ましい。上記希土類元素は1種または2種以上含まれていてもよい。該セリア系酸化物を主成分として含むとは、バリア層100質量%中、該セリア系酸化物を50質量%以上含むことを意味し、好ましくは60質量%以上含み、70質量%以上含んでいることがさらに好ましい。また、バリア層において、希土類元素/Ceのモル比が0.01〜0.40であることが好ましく、0.05〜0.30であることがより好ましい。
The component constituting the barrier layer is not particularly limited, but is an oxide ion conductive material, and oxygen ion conductivity between the barrier layer and the air electrode or the electrolyte layer at the time of production or reaction of the electrochemical cell. It is preferable that it is a component which is hard to produce | generate the component which inhibits.
Although it does not restrict | limit especially as a component which comprises the said barrier layer, It is preferable to contain a ceria-type oxide as a main component, Sc, Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, It is preferable to contain ceria containing rare earth elements such as Er and Yb as a main component, and it is more preferable that the ceria constitutes a solid solution with these elements. One or more of the rare earth elements may be contained. The inclusion of the ceria-based oxide as a main component means that the ceria-based oxide is contained in an amount of 50% by mass or more, preferably 60% by mass or more, and 70% by mass or more in 100% by mass of the barrier layer. More preferably. In the barrier layer, the rare earth element / Ce molar ratio is preferably 0.01 to 0.40, and more preferably 0.05 to 0.30.
上記希土類元素としては、Y、Gd、Sm、Ybがより好ましく、Gd、Smがさらに好ましい。また、Gd、Smに加えて、2種目の希土類元素としてYbが含まれていることが特に好ましい。 As the rare earth element, Y, Gd, Sm, and Yb are more preferable, and Gd and Sm are more preferable. In addition to Gd and Sm, it is particularly preferable that Yb is contained as the second rare earth element.
上記バリア層は、上記希土類元素を、セリウム元素100モル%に対して、合計で、5〜50モル%含んでいることが好ましく、7〜40モル%含んでいることがより好ましく、8〜35モル%含んでいることがさらに好ましい。 The barrier layer preferably contains the rare earth element in a total amount of 5 to 50 mol%, more preferably 7 to 40 mol%, more preferably 8 to 35, based on 100 mol% of the cerium element. It is more preferable that it contains mol%.
バリア層の厚みは特に限定されないが、例えば0.2〜20μmであることが好ましい。 Although the thickness of a barrier layer is not specifically limited, For example, it is preferable that it is 0.2-20 micrometers.
1−5 支持体
本発明における好ましくは支持体を有する電気化学セルとしては、燃料極を支持体とする形態(燃料極支持型セル)、電解質層を支持体とする形態(固体電解質支持型セル)、空気極を支持体とする形態(空気極支持型セル)、あるいは金属隔壁から構成され複数の貫通孔を備えた支持基板を支持体とする形態(メタルサポートセル)、セラミックス材料を基材として導電物質を混合、または修飾したものを支持体とする形態、等が挙げられる。
中でも好ましい支持体の形態としては、燃料極支持基板が挙げられ、一般的に、安定化ジルコニアと導電性成分とを含むものが好ましく使用できる。燃料極支持基板における安定化ジルコニアと導電性成分の割合は適宜調整すればよいが、例えば、安定化ジルコニアと導電性成分の合計に対する導電性成分の質量割合で40質量%以上80質量%以下程度とすることができる。
1-5 Support The electrochemical cell preferably having a support in the present invention includes a form using a fuel electrode as a support (fuel electrode support type cell) and a form using an electrolyte layer as a support (solid electrolyte support type cell). ), A form using an air electrode as a support (air electrode support type cell), or a form using a support substrate composed of a metal partition wall and having a plurality of through holes (metal support cell), and a ceramic material as a base material And the like in which a conductive material is mixed or modified as a support.
Among these, a preferable form of the support is a fuel electrode support substrate. In general, a support containing stabilized zirconia and a conductive component can be preferably used. The ratio of the stabilized zirconia and the conductive component in the fuel electrode support substrate may be appropriately adjusted. For example, the mass ratio of the conductive component to the total of the stabilized zirconia and the conductive component is about 40% by mass to 80% by mass. It can be.
燃料極支持基板を構成する安定化ジルコニアとしては、イットリウム、スカンジウム、イッテルビウム、カルシウム、マグネシウムおよびランタンからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素(安定化元素ともいう)が固溶することにより結晶構造が安定化しているジルコニア(安定化ジルコニア)が好ましい。
当該安定化ジルコニアにおけるイットリウム等の元素の含有割合、好ましくは固溶量としては、原子数換算で、安定化ジルコニアに含まれるジルコニウム100モル%に対して4.0モル%以上35.5モル%以下であることが好ましい。当該割合が4.0モル%以上であれば、結晶相の安定化効果などの効果がより確実に得られる。一方、当該割合が過剰になると強度が低下するおそれがあり得るので、当該割合としては35.5モル%以下が好ましい。当該割合としては、5.0モル%以上27.0モル%以下がより好ましい。
The stabilized zirconia constituting the fuel electrode support substrate has a crystal structure formed by dissolving at least one element selected from the group consisting of yttrium, scandium, ytterbium, calcium, magnesium and lanthanum (also referred to as a stabilizing element). Is preferably stabilized zirconia (stabilized zirconia).
The content ratio of elements such as yttrium in the stabilized zirconia, preferably the solid solution amount is 4.0 mol% or more and 35.5 mol% in terms of the number of atoms with respect to 100 mol% of zirconium contained in the stabilized zirconia. The following is preferable. When the ratio is 4.0 mol% or more, effects such as a crystal phase stabilization effect can be obtained more reliably. On the other hand, if the proportion is excessive, the strength may be lowered. Therefore, the proportion is preferably 35.5 mol% or less. As the said ratio, 5.0 mol% or more and 27.0 mol% or less are more preferable.
電解質層、燃料極、燃料極支持基板に使用される安定化ジルコニアは、イットリウム、スカンジウム、イッテルビウム等の特に好ましい安定化元素に加えてさらに他の金属元素を含んでいてもよい。さらなる金属元素の添加により、酸素イオン伝導性、強度、耐久性などの特性がより一層向上する可能性がある。かかる金属元素としては、例えば、Mg、Ca、Sr、Baなどのアルカリ土類金属元素;Ce、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Erなどの希土類元素;Al、Inなどの第13族元素;Si、Ge、Snなどの第14族元素;Bi、Sbなどの第15族元素;Ti、Hfなどの第4族元素;Nb、Taなどの第5族元素などを挙げることができる。これらの中でも、ランタン(La)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、アルミニウム(Al)およびチタン(Ti)からなる群より選択される1種以上の金属元素が特に好ましい。これらその他の金属元素は、いずれか1種のみであってもよいし、2種以上の組み合わせであってもよい。また、これらの他の金属元素の割合としてはこれらの合計含有量が、原子数換算で、安定化ジルコニアに含まれるジルコニウム100モル%に対して0.05モル%以上5.0モル%以下が好ましい。 The stabilized zirconia used for the electrolyte layer, the fuel electrode, and the fuel electrode support substrate may further contain other metal elements in addition to particularly preferable stabilizing elements such as yttrium, scandium, and ytterbium. Additional metal elements may further improve the characteristics such as oxygen ion conductivity, strength and durability. Examples of such metal elements include alkaline earth metal elements such as Mg, Ca, Sr, and Ba; rare earth elements such as Ce, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, and Er; Al Group 13 elements such as In, In; Group 14 elements such as Si, Ge and Sn; Group 15 elements such as Bi and Sb; Group 4 elements such as Ti and Hf; Group 5 elements such as Nb and Ta And so on. Among these, lanthanum (La), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), gadolinium (Gd), terbium (Tb), aluminum (Al), and titanium (Ti) are selected. One or more metal elements are particularly preferred. Any one of these other metal elements may be used, or a combination of two or more thereof may be used. Further, as a ratio of these other metal elements, the total content thereof is 0.05 mol% or more and 5.0 mol% or less with respect to 100 mol% of zirconium contained in the stabilized zirconia in terms of the number of atoms. preferable.
燃料極支持基板は、燃料極へ水素などの燃料ガスを不均一にならないよう供給し、反応により生じる電子をインターコネクタへ受け渡し、電解質層やカソード層を支持する役割を有する。よって、燃料極支持基板は、安定化ジルコニアに加え、発電時の還元的条件下で還元されて導電性を示す導電性成分を含むことが好ましい。かかる導電性成分としては、酸化ニッケル、酸化鉄、酸化銅などを用いることができ、酸化ニッケルが最も一般的である。 The fuel electrode support substrate has a role of supplying fuel gas such as hydrogen to the fuel electrode so as not to be non-uniform, transferring electrons generated by the reaction to the interconnector, and supporting the electrolyte layer and the cathode layer. Therefore, it is preferable that the fuel electrode support substrate includes a conductive component that exhibits conductivity by being reduced under reducing conditions during power generation, in addition to stabilized zirconia. As such a conductive component, nickel oxide, iron oxide, copper oxide or the like can be used, and nickel oxide is the most common.
上記燃料極支持基板の厚さは、特に限定されないが、例えば100μm以上が好ましく、120μm以上がより好ましく、150μm以上がさらに好ましい。また、燃料極支持基板の厚さは、3mm以下が好ましく、2mm以下がより好ましく、1mm以下がさらに好ましい。燃料極支持基板の厚さが上記範囲内であれば、燃料極支持基板の機械的強度とガス通過性とをバランス良く両立しやすくなる。 Although the thickness of the said fuel electrode support substrate is not specifically limited, For example, 100 micrometers or more are preferable, 120 micrometers or more are more preferable, and 150 micrometers or more are further more preferable. The thickness of the fuel electrode support substrate is preferably 3 mm or less, more preferably 2 mm or less, and even more preferably 1 mm or less. If the thickness of the fuel electrode support substrate is within the above range, the mechanical strength and gas permeability of the fuel electrode support substrate can be easily balanced.
2.電気化学セルの製造方法
本発明の電気化学セルにおいて、燃料極、電解質層、空気極をこの順に配置して、または燃料極、電解質層、バリア層、空気極をこの順に配置して製造する方法としては、特に限定されず、公知の方法が使用できる。
2. Method for producing electrochemical cell In the electrochemical cell of the present invention, a method for producing a fuel electrode, an electrolyte layer, an air electrode in this order, or a fuel electrode, an electrolyte layer, a barrier layer, and an air electrode in this order. There is no particular limitation, and a known method can be used.
好ましくは、本発明の電気化学セルの製造方法(A)は、
(i) 支持体または支持体前駆体層上へ、電極前駆体層を形成する工程と、
(ii) 上記電極前駆体層上へ、電解質層前駆体層を形成する工程と、
(iii)上記工程で形成した電解質層前駆体層上へ、バリア層前駆体層を形成する工程と、
(iv) 上記支持体または支持体前駆体層と、上記電極前駆体層と、上記電解質層前駆体層とバリア層前駆体層を共焼成する焼成工程と、
(v) 上記工程で形成したバリア層上へ、他の電極前駆体層を形成する工程と、
(vi) 上記支持体と、上記電極と、上記電解質層と、上記バリア層と、上記他の電極前駆体層とを共焼成する焼成工程と
を含んでいてもよい。
Preferably, the method (A) for producing an electrochemical cell of the present invention comprises:
(I) forming an electrode precursor layer on the support or the support precursor layer;
(Ii) forming an electrolyte layer precursor layer on the electrode precursor layer;
(Iii) forming a barrier layer precursor layer on the electrolyte layer precursor layer formed in the above step;
(Iv) a firing step of co-firing the support or support precursor layer, the electrode precursor layer, the electrolyte layer precursor layer and the barrier layer precursor layer;
(V) forming another electrode precursor layer on the barrier layer formed in the above step;
(Vi) A firing step of co-firing the support, the electrode, the electrolyte layer, the barrier layer, and the other electrode precursor layer may be included.
上記電極と他の電極とは、それぞれ燃料極と空気極のどちらでもよいが、上記電極が燃料極で、上記他の電極が空気極であることが好ましい。空気極前駆体層としての他の電極前駆体層は、組成は同一で焼成温度の異なる原料粒子を用いた2種以上の空気極前駆体層用ペーストを重ね塗りして形成してもよいし、組成は同一で粒子径の異なる原料粒子を用いた2種以上の空気極前駆体層用ペーストを重ね塗りして形成してもよい。この点は、以下の製造方法においても同様である。 The electrode and the other electrode may be either a fuel electrode or an air electrode, respectively, but the electrode is preferably a fuel electrode and the other electrode is preferably an air electrode. The other electrode precursor layer as the air electrode precursor layer may be formed by recoating two or more types of air electrode precursor layer pastes using raw material particles having the same composition but different firing temperatures. Alternatively, two or more types of air electrode precursor layer pastes using raw material particles having the same composition but different particle diameters may be formed by recoating. This also applies to the following manufacturing method.
なお、上記製造方法において、本発明の燃料極と電解質層と空気極とをこの順に配置してなる電気化学セルでは、電解質層と空気極との間のバリア層前駆体層及びバリア層の形成は省略する。この点は、以下の製造方法においても同様である。 In the above manufacturing method, in the electrochemical cell in which the fuel electrode, the electrolyte layer, and the air electrode of the present invention are arranged in this order, the formation of the barrier layer precursor layer and the barrier layer between the electrolyte layer and the air electrode Is omitted. This also applies to the following manufacturing method.
上記の電気化学セルの製造方法(A)は、支持体を有する電気化学セルの製法として、好ましく採用し得る。 The electrochemical cell production method (A) can be preferably employed as a method for producing an electrochemical cell having a support.
また好ましくは、本発明の電気化学セルの製造方法(B)は、
(1)電極または電極前駆体層上へ、電解質層前駆体層を形成する工程と、
(2)上記電極または電極前駆体層と、上記電解質層前駆体層とを共焼成する焼成工程と、
(3)上記工程で形成した電解質層上へ、バリア層前駆体層を形成する工程と、
(4)上記工程で形成したバリア層前駆体層上へ、他の電極前駆体層を形成する工程と、
(5)上記電極と、上記電解質層と、上記バリア層前駆体層と、上記他の電極前駆体層とを共焼成する焼成工程と
を含むか、または、
(11)電極または電極前駆体層上へ、電解質層前駆体層を形成する工程と、
(12)上記工程で形成した電解質層前駆体層上へ、バリア層前駆体層を形成する工程と、
(13)上記工程で形成したバリア層前駆体層上へ、他の電極前駆体層を形成する工程と、
(14)上記電極または電極前駆体層と、上記電解質層前駆体層と、上記バリア層前駆体層と、上記他の電極前駆体層とを共焼成する焼成工程と
を含んでいてもよい。
Also preferably, the electrochemical cell production method (B) of the present invention comprises:
(1) forming an electrolyte layer precursor layer on the electrode or electrode precursor layer;
(2) a firing step of co-firing the electrode or electrode precursor layer and the electrolyte layer precursor layer;
(3) forming a barrier layer precursor layer on the electrolyte layer formed in the above step;
(4) A step of forming another electrode precursor layer on the barrier layer precursor layer formed in the above step;
(5) includes a firing step of co-firing the electrode, the electrolyte layer, the barrier layer precursor layer, and the other electrode precursor layer, or
(11) forming an electrolyte layer precursor layer on the electrode or electrode precursor layer;
(12) forming a barrier layer precursor layer on the electrolyte layer precursor layer formed in the above step;
(13) A step of forming another electrode precursor layer on the barrier layer precursor layer formed in the above step;
(14) A firing step of co-firing the electrode or electrode precursor layer, the electrolyte layer precursor layer, the barrier layer precursor layer, and the other electrode precursor layer may be included.
上記電極前駆体層、上記電解質層前駆体層、および上記バリア層前駆体層の焼成は、工程(12)と工程(13)の間に行って、上記電極前駆体層、上記電解質層前駆体層、および上記バリア層前駆体層を工程(13)の前に、電極、電解質層およびバリア層としておいてもよい。
上記電極前駆体層、上記電解質層前駆体層、および上記バリア層前駆体層の焼成は、工程(12)と工程(13)の間に行なうことが好ましい。
The electrode precursor layer, the electrolyte layer precursor layer, and the barrier layer precursor layer are fired between the step (12) and the step (13), and the electrode precursor layer and the electrolyte layer precursor are fired. The layer and the barrier layer precursor layer may be formed as an electrode, an electrolyte layer and a barrier layer before the step (13).
The firing of the electrode precursor layer, the electrolyte layer precursor layer, and the barrier layer precursor layer is preferably performed between step (12) and step (13).
上記の電気化学セルの製造方法(B)は、燃料極または空気極を支持体とする電極支持型セル(燃料極支持型セル、空気極支持型セル)の製法として、またメタルサポートセルの製法として、好ましく採用し得る。 The above electrochemical cell production method (B) is a method for producing an electrode-supported cell (fuel electrode-supported cell, air electrode-supported cell) using a fuel electrode or an air electrode as a support, and a method for producing a metal support cell. Can be preferably employed.
また好ましくは、本発明の電気化学セルの製造方法(C)は、
(20)電解質スラリーをドクターブレード法などにより電解質層前駆体層を作製する工程と、
(21)電解質層前駆体層を焼成して電解質層を製造する工程と、
(22)上記電解質層上に電極前駆体層を形成する工程と、
(23)上記電解質層の上記電極前駆体層が形成された面とは反対側の表面上にバリア層前駆体層を形成する工程と、
(24)上記バリア層前駆体層の表面上に他の電極前駆体層を形成する工程と、
(25)上記電解質層と、上記電極前駆体層と、上記バリア層前駆体層と、上記他の電極前駆体層とを焼成する工程と
を含んでいてもよい。
Also preferably, the electrochemical cell production method (C) of the present invention comprises:
(20) A step of preparing an electrolyte layer precursor layer by using a doctor blade method or the like for an electrolyte slurry;
(21) a step of firing an electrolyte layer precursor layer to produce an electrolyte layer;
(22) forming an electrode precursor layer on the electrolyte layer;
(23) forming a barrier layer precursor layer on the surface of the electrolyte layer opposite to the surface on which the electrode precursor layer is formed;
(24) forming another electrode precursor layer on the surface of the barrier layer precursor layer;
(25) A step of firing the electrolyte layer, the electrode precursor layer, the barrier layer precursor layer, and the other electrode precursor layer may be included.
上記電極前駆体層、および上記バリア層前駆体層の焼成は、工程(23)と工程(24)の間に行って、上記電極前駆体層、および上記バリア層前駆体層を工程(24)の前に、電極、およびバリア層としておいてもよい。
上記電極前駆体層、および上記バリア層前駆体層の焼成は、工程(23)と工程(24)の間に行なうことが好ましい。
The electrode precursor layer and the barrier layer precursor layer are baked between the step (23) and the step (24), and the electrode precursor layer and the barrier layer precursor layer are converted into the step (24). Before the step, an electrode and a barrier layer may be provided.
The firing of the electrode precursor layer and the barrier layer precursor layer is preferably performed between step (23) and step (24).
また好ましくは、本発明の電気化学セルの製造方法(D)は、
(31)電解質層前駆体層を製造する工程と、
(32)上記電解質層前駆体層上に電極前駆体層を形成する工程と、
(33)上記電解質層前駆体層の上記電極前駆体層が形成された面とは反対側の表面上にバリア層前駆体層を形成する工程と、
(34)上記バリア層前駆体層上に他の電極前駆体層を形成する工程と、
(35)上記電解質層前駆体層と、上記電極前駆体層と、上記バリア層前駆体層と、上記他の電極前駆体層とを焼成する工程と
を含んでいてもよい。
Also preferably, the electrochemical cell production method (D) of the present invention comprises:
(31) a step of producing an electrolyte layer precursor layer;
(32) forming an electrode precursor layer on the electrolyte layer precursor layer;
(33) forming a barrier layer precursor layer on the surface of the electrolyte layer precursor layer opposite to the surface on which the electrode precursor layer is formed;
(34) forming another electrode precursor layer on the barrier layer precursor layer;
(35) A step of firing the electrolyte layer precursor layer, the electrode precursor layer, the barrier layer precursor layer, and the other electrode precursor layer may be included.
上記電解質層前駆体層、上記電極前駆体層、および上記バリア層前駆体層の焼成は、工程(33)と工程(34)の間に行って、上記電解質層前駆体層、上記電極前駆体層、および上記バリア層前駆体層を工程(34)の前に、電解質層、電極、およびバリア層としておいてもよい。
上記電解質層前駆体層、上記電極前駆体層、および上記バリア層前駆体層の焼成は、工程(33)と工程(34)の間に行なうことが好ましい。
The electrolyte layer precursor layer, the electrode precursor layer, and the barrier layer precursor layer are fired between the step (33) and the step (34), and the electrolyte layer precursor layer and the electrode precursor are fired. The layer and the barrier layer precursor layer may be formed as an electrolyte layer, an electrode, and a barrier layer before the step (34).
The firing of the electrolyte layer precursor layer, the electrode precursor layer, and the barrier layer precursor layer is preferably performed between step (33) and step (34).
上記の電気化学セルの製造方法(C)、(D)は、固体電解質支持型セルの製法として、特に好ましく採用し得る。 The above electrochemical cell production methods (C) and (D) can be particularly preferably employed as a method for producing a solid electrolyte-supported cell.
上記の各前駆体層(グリーン層)の形成方法としては、各原料粉末を、公知のバインダーおよび/または溶剤(分散媒)、必要により更に分散剤や可塑剤等と混合して塗布用インク(ペースト、スラリーとも言う)とし、これら塗布用インクを、ドクターブレード法、カレンダーロール法、押出し法等によってポリエステルシート等の平滑な基板上に塗布し、乾燥して分散媒を揮発除去することによって、シート(グリーンシート)を形成してもよい。また、上記塗布用インクをブレードコート、スリットダイコート等のコーティング法やスクリーン印刷等により塗布し、乾燥して分散媒を揮発除去することによって塗膜を形成してもよい。
また、上記各層は溶射法やパウダージェットデポジション法等の粉体成膜法を用いて層形成してもよく、この場合には、前駆体層形成工程、脱脂工程および焼成工程を省略できる。
As a method for forming each precursor layer (green layer) described above, each raw material powder is mixed with a known binder and / or solvent (dispersion medium) and, if necessary, a dispersing agent, a plasticizer, etc. By applying these coating inks on a smooth substrate such as a polyester sheet by a doctor blade method, a calender roll method, an extrusion method, etc., and drying to volatilize and remove the dispersion medium. A sheet (green sheet) may be formed. Alternatively, the coating ink may be formed by applying the coating ink by a coating method such as blade coating or slit die coating, screen printing, or the like, and drying to volatilize and remove the dispersion medium.
Each of the above layers may be formed by using a powder film forming method such as a thermal spraying method or a powder jet deposition method. In this case, the precursor layer forming step, the degreasing step and the firing step can be omitted.
本発明の電気化学セル用空気極の製造では、上記1−3 空気極12、22のところで記載した金属酸化物の粉体材料を原料として使用できる。上記金属酸化物の粉体材料は、市販の金属酸化物の粉末を所定の組成になるように混合して使用してもよく、また、所定の金属を含む溶液を乾燥・焼成することにより製造してもよい。なかでも、本発明の電気化学セル用空気極において、より確実に、上記LS1とLS2との比LS1/LS2が1.0未満となるようにするために、所定の金属を含む混合溶液から得られた固形物を、以下の所定の方法により乾燥・焼成することにより製造することが好ましい。 In the production of the air electrode for an electrochemical cell of the present invention, the metal oxide powder material described in the above 1-3 air electrodes 12 and 22 can be used as a raw material. The above metal oxide powder material may be used by mixing a commercially available metal oxide powder so as to have a predetermined composition, or manufactured by drying and firing a solution containing a predetermined metal. May be. Especially, in the air electrode for electrochemical cells of the present invention, in order to ensure that the ratio LS1 / LS2 of LS1 and LS2 is less than 1.0, it is obtained from a mixed solution containing a predetermined metal. It is preferable to produce the obtained solid by drying and baking by the following predetermined method.
具体的には、本発明の空気極を形成する際、空気極が単層であっても複数の前駆体層を塗布、焼成することが好ましい。空気極を構成する上記複数の前駆体層の内、電解質層側(電解質層の表面上またはバリア層の表面上)に形成する層の形成に用いるスラリーとして、「所定の金属を含む混合溶液から得られた固形物等の原料粉末を、さらに成形して焼成して焼成成形体(ペレット)を調製し、これを解砕して得られる、微粒と粗粒とを含むスラリー」を用いることが好ましい。また好ましくは、上記スラリーから形成された前駆体層の上に形成する前駆体層の形成に用いるスラリーとして、「所定の金属を含む混合溶液から得られた固形物等の原料粉末を、さらに成形して焼成して焼成成形体(ペレット)を調製し、これを解砕した粗粒を含むスラリー」を用いて形成することが好ましい。 Specifically, when forming the air electrode of the present invention, it is preferable that a plurality of precursor layers are applied and fired even if the air electrode is a single layer. As a slurry used for forming a layer formed on the electrolyte layer side (on the surface of the electrolyte layer or the surface of the barrier layer) among the plurality of precursor layers constituting the air electrode, “from a mixed solution containing a predetermined metal” The obtained raw material powder such as a solid material is further shaped and fired to prepare a fired molded body (pellet), which is obtained by crushing this, and a slurry containing fine particles and coarse particles is used. preferable. Preferably, as a slurry used for forming a precursor layer formed on the precursor layer formed from the slurry, “a raw material powder such as a solid obtained from a mixed solution containing a predetermined metal is further formed. Then, it is preferably formed using a slurry containing coarse particles obtained by firing and preparing a fired molded body (pellet) and pulverizing it.
本発明の空気極用の原料粉末の製造方法としては、より具体的には、例えば、下記の工程が例示できる。
(1)所定の金属を含む混合溶液から得られた固形物からある程度の水分を留去した後、蒸発皿に移して150℃以下の温度で乾燥する。
(2)得られた固形物について、乳鉢で解砕した後、350〜450℃で4〜6時間熱分解する。
(3)さらに、(2)で得られた固形物を、750〜850℃で4〜6時間仮焼する。
(4)さらに、(3)で得られた固形物を、900〜1100℃で8〜12時間焼成する。
なお、熱分解、仮焼、焼成の温度および時間は、(1)で得られた固形物について、示差熱−熱重量同時測定装置(TG−DTA)などの測定結果や、一度の処理量に応じて、決定すればよく、使用する固形物の種類や処理量に応じて、適宜調整することが好ましい。
(5)(4)で得られた固形物にエタノールの溶媒を加え、ボールミルで解砕してから乾燥する。エタノールの他にも、メタノールやイソプロパノール、トルエンやヘキサン等の通常の湿式解砕で使用される有機溶媒であれば、効率良く解砕を行うことができる。
(6)(5)で得られた粉末を錠剤成形器を用い、成形後の大きさが、Φ20mm厚さ1.5〜5μm程度になるように1.5t/cm2程度で5分間程度圧縮成形する。
(7)(6)で得られた成形物を1000〜1200℃で5〜7時間焼成して均一な組成からなるペレットを得る。
(8)得られたペレットについて、目開き100μmのふるい下になるまで解砕する。
(9)さらにその後、容器に得られた粉末とエタノールとYSZボールを入れ、所定の平均粒子径(D50)ならびに比表面積となるように、YSZボール径と回転数と時間を調整しながらボールミルで解砕し、乾燥させる。
As a manufacturing method of the raw material powder for air electrodes of this invention, the following process can be illustrated more specifically, for example.
(1) After a certain amount of water is distilled off from the solid obtained from the mixed solution containing a predetermined metal, it is transferred to an evaporating dish and dried at a temperature of 150 ° C. or lower.
(2) About the obtained solid substance, after crushing with a mortar, it thermally decomposes at 350-450 degreeC for 4 to 6 hours.
(3) Further, the solid obtained in (2) is calcined at 750 to 850 ° C. for 4 to 6 hours.
(4) Furthermore, the solid material obtained in (3) is baked at 900 to 1100 ° C. for 8 to 12 hours.
The temperature and time of pyrolysis, calcination, and firing are the same as the measurement results of the differential thermal-thermogravimetric measurement device (TG-DTA) or the like for the solid matter obtained in (1). Accordingly, it may be determined, and it is preferable to appropriately adjust according to the kind of solid matter to be used and the processing amount.
(5) An ethanol solvent is added to the solid obtained in (4), and the mixture is crushed with a ball mill and dried. In addition to ethanol, any organic solvent used in normal wet crushing such as methanol, isopropanol, toluene, hexane, etc. can be efficiently crushed.
(6) The powder obtained in (5) is compressed for about 5 minutes at about 1.5 t / cm 2 so that the size after molding is about 1.5 to 5 μm in Φ20 mm thickness using a tablet molding machine. Mold.
(7) The molded product obtained in (6) is fired at 1000 to 1200 ° C. for 5 to 7 hours to obtain pellets having a uniform composition.
(8) The obtained pellet is pulverized until it becomes a sieve having an opening of 100 μm.
(9) After that, the powder obtained, ethanol and YSZ balls are put into a container and adjusted with a ball mill while adjusting the YSZ ball diameter, rotation speed and time so as to obtain a predetermined average particle diameter (D50) and specific surface area. Crush and dry.
上記で得られた原料粉末を用いた空気極前駆体層用ペースト(空気極用スラリー)としては、電解質層または好ましくは備えていてもよいバリア層側に設ける第1層用スラリーと、該層上であり、上記電解質層または好ましくは備えていてもよいバリア層と反対側に設ける第2層用スラリーを用いることが好ましい。 As a paste for an air electrode precursor layer (slurry for air electrode) using the raw material powder obtained above, the slurry for the first layer provided on the electrolyte layer or preferably the barrier layer side which may be provided, and the layer It is preferable to use a slurry for the second layer provided on the opposite side of the electrolyte layer or preferably the barrier layer which may be provided.
第1層用スラリーとしては、微粒の原料粉末(微粒粉末)と、粗粒の原料粉末(粗粒粉末)とを混合して用いることが好ましい。
微粒粉末は、平均粒子径(D50、以下同じ)が1.0μm未満であることが好ましく、0.6μm未満であることがより好ましい。また、平均粒子径は0.2μm以上であることが好ましい。比表面積は5〜10m2/gであることが好ましい。
粗粒粉末は、平均粒子径が1.2μm超であることが好ましく、1.5μm以上であることがより好ましい。比表面積は1〜5m2/gであることが好ましい。
微粒粉末と粗粒粉末の平均粒子径比は、粗粒粉末の平均粒子径/微粒粉末の平均粒子径が3倍以上であることが好ましく、3.5倍以上であることがより好ましく、4倍以上であることがさらに好ましい。
微粒粉末と粗粒粉末の混合割合は、微粒粉末と粗粒粉末の混合物100質量%に対して、粗粒粉末が5質量%以上30質量%以下が好ましい。
第1層用スラリーは、気孔と空気極成分との界面長さやその構造を調整することを目的として、カーボンブラック、有機微粒子等の公知の造孔剤を、微粒粉末と粗粒粉末の混合物100質量部に対して、1〜10質量部添加してもよい。造孔材は、気孔と空気極成分との界面長さやその構造を調整することが目的であるので、空気極が焼成後に目的の構造となっていれば良く、造孔材が添加されていない場合でも、目的の構造に調整できている場合には無くても構わない。
As the slurry for the first layer, it is preferable to mix and use a fine raw material powder (fine powder) and a coarse raw material powder (coarse powder).
The fine powder preferably has an average particle size (D50, the same applies hereinafter) of less than 1.0 μm, and more preferably less than 0.6 μm. Moreover, it is preferable that an average particle diameter is 0.2 micrometer or more. The specific surface area is preferably 5 to 10 m 2 / g.
The coarse powder preferably has an average particle size of more than 1.2 μm, and more preferably 1.5 μm or more. The specific surface area is preferably 1 to 5 m 2 / g.
The average particle size ratio between the fine powder and the coarse powder is preferably such that the average particle size of the coarse powder / the average particle size of the fine powder is 3 times or more, more preferably 3.5 times or more. More preferably, it is at least twice.
The mixing ratio of the fine powder and the coarse powder is preferably 5% by mass to 30% by mass of the coarse powder with respect to 100% by mass of the mixture of the fine powder and the coarse powder.
The slurry for the first layer is prepared by mixing a known pore forming agent such as carbon black and organic fine particles with a mixture of fine and coarse particles 100 for the purpose of adjusting the interface length between the pores and the air electrode component and the structure thereof. You may add 1-10 mass parts with respect to a mass part. Since the purpose of the pore former is to adjust the interface length between the pores and the air electrode component and its structure, it is sufficient that the air electrode has the desired structure after firing, and no pore former is added. Even in such a case, it may be omitted if the target structure can be adjusted.
第2層用スラリーとしては、上記粗粒の原料粉末を用いることが好ましい。 As the slurry for the second layer, it is preferable to use the coarse raw material powder.
第1層用スラリーと第2層用スラリーは、組成が同じ伝導性材料を含むことが好ましく、第1層用スラリーと第2層用スラリーに含まれる伝導性材料の原料粉末は、組成が同じであることがより好ましい。 The first layer slurry and the second layer slurry preferably contain conductive materials having the same composition, and the raw material powders of the conductive materials contained in the first layer slurry and the second layer slurry have the same composition. It is more preferable that
空気極用スラリーの調製で使用するバインダーおよび/または溶剤としては、公知のものを公知の使用量で使用できる。 As the binder and / or solvent used in the preparation of the slurry for the air electrode, known materials can be used in known amounts.
空気極用スラリーの塗工方法は特に制限されず、ドクターブレード法、カレンダーロール法、印刷法などの常法を用いることができる。空気極用スラリーの塗布は、空気極前駆体層1用スラリー(第1層用スラリー)と空気極前駆体層2用スラリー(第2層用スラリー)との2種のスラリーを重ねて塗布し、空気極前駆体層1と空気極前駆体層2を隙間なく密着させることが好ましい。たとえば、電解質層またはバリア層の表面に第1層用スラリーをスクリーン印刷法により塗布し乾燥した後、第2層用スラリーをスクリーン印刷法により塗布し乾燥することにより2層からなる空気極前駆体層が得られる。空気極前駆体層1を形成後に空気極前駆体層2を重ねて塗布し、2層からなる空気極前駆体層の層と層の間に剥離が少ないと、電子導電性のより高い空気極となり、内部抵抗がより削減される。 The method for coating the air electrode slurry is not particularly limited, and conventional methods such as a doctor blade method, a calender roll method, and a printing method can be used. The application of the slurry for the air electrode is performed by applying two types of slurry, a slurry for the air electrode precursor layer 1 (slurry for the first layer) and a slurry for the air electrode precursor layer 2 (slurry for the second layer). It is preferable that the air electrode precursor layer 1 and the air electrode precursor layer 2 are closely attached without any gap. For example, a first layer slurry is applied to the surface of an electrolyte layer or a barrier layer by a screen printing method and dried, and then a second layer slurry is applied by a screen printing method and dried to form an air electrode precursor having two layers. A layer is obtained. When the air electrode precursor layer 1 is formed after the air electrode precursor layer 1 is formed and is peeled off between the two air electrode precursor layers, the air electrode with higher electronic conductivity is obtained. Thus, the internal resistance is further reduced.
空気極用スラリーの乾燥条件は、使用した溶媒の種類などに応じて適宜調整すればよいが、通常は40℃以上150℃以下程度とする。乾燥は一定温度で行ってもよいし、50℃、80℃、120℃の様に順次連続的に昇温して加熱乾燥してもよい。 The drying conditions for the air electrode slurry may be adjusted as appropriate according to the type of solvent used, but are usually about 40 ° C. or higher and 150 ° C. or lower. Drying may be performed at a constant temperature, or may be performed by heating by successively raising the temperature sequentially such as 50 ° C., 80 ° C., and 120 ° C.
焼成条件は適宜調整すればよいが、例えば、十分量の酸素の存在下、800℃以上1200℃以下程度で焼成する。950℃以上で焼結すれば十分な焼成効果が得られ、十分な強度が得られるため、より好ましい。一方、焼成温度が高過ぎると焼結が進行し粒子の粒径が過大となったり、気孔が減少しやすくなり、空気極における上記LS1とLS2との比LS1/LS2を1.0未満とすることが難しくなるおそれがある。 Firing conditions may be adjusted as appropriate. For example, firing is performed at a temperature of about 800 ° C. to 1200 ° C. in the presence of a sufficient amount of oxygen. Sintering at 950 ° C. or higher is more preferable because a sufficient firing effect can be obtained and a sufficient strength can be obtained. On the other hand, if the firing temperature is too high, the sintering proceeds and the particle size becomes excessive or the pores tend to decrease, and the ratio LS1 / LS2 between the LS1 and LS2 in the air electrode is less than 1.0. Can be difficult.
本発明では、空気極に使用する原料粉末を、所定の乾燥・焼成条件で製造し、所定の平均粒子径(D50)ならびに比表面積を有する粉末とすることにより、空気極における上記LS1とLS2との比LS1/LS2をより確実に1.0未満とすることができ、電流−電圧特性に優れた電気化学セル用空気極、およびそれを含む電気化学セルとすることができる。 In the present invention, the raw material powder used for the air electrode is produced under predetermined drying and firing conditions, and is a powder having a predetermined average particle diameter (D50) and specific surface area, whereby the above LS1 and LS2 in the air electrode The ratio LS1 / LS2 can be reliably reduced to less than 1.0, and an air electrode for an electrochemical cell excellent in current-voltage characteristics and an electrochemical cell including the same can be obtained.
本発明の電気化学セルが有していてもよい支持体の形成は従来公知の方法を採用できるが、たとえば、上記燃料極支持基板の製造では、上記安定化ジルコニアの粉末と上記導電性成分の粉末とを含むものが好ましく使用できる。スラリーを基材上に塗工した後に乾燥することにより作製する。当該スラリーは、少なくとも、安定化ジルコニア粉末、導電性成分粉末、溶媒およびバインダーを含み、その他に、例えば可塑剤、分散剤、空孔形成材、消泡剤などを添加してもよい。 For forming the support that the electrochemical cell of the present invention may have, a conventionally known method can be adopted. For example, in the production of the fuel electrode support substrate, the stabilized zirconia powder and the conductive component What contains a powder can be used preferably. The slurry is coated on a substrate and then dried. The slurry includes at least a stabilized zirconia powder, a conductive component powder, a solvent, and a binder, and in addition, for example, a plasticizer, a dispersant, a pore forming material, an antifoaming agent, and the like may be added.
スラリー調製に用いる溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、2−プロパノール、1−ブタノール、1−ヘキサノール、α−テルピネオールなどのアルコール類;アセトン、2−ブタノンなどのケトン類;ペンタン、ヘキサン、ヘプタンなどの脂肪族炭化水素類;ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼンなどの芳香族炭化水素類;酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチルなどの酢酸エステル類などを例示することができ、これらから適宜選択して使用する。これらの溶媒は単独で使用し得る他、2種以上を混合して使用することができる。 As a solvent used for slurry preparation, for example, alcohols such as methanol, ethanol, 2-propanol, 1-butanol, 1-hexanol and α-terpineol; ketones such as acetone and 2-butanone; pentane, hexane, heptane and the like Aliphatic hydrocarbons; aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene, and ethylbenzene; and acetic acid esters such as methyl acetate, ethyl acetate, and butyl acetate. To do. These solvents can be used alone or in combination of two or more.
溶媒の使用量は、グリーンシート成形時におけるスラリーの粘度を加味して調節するのがよく、好ましくはスラリー粘度が1Pa・s以上80Pa・s以下、より好ましくは1Pa・s以上50Pa・s以下の範囲となるように調整するのがよい。 The amount of solvent used should be adjusted in consideration of the viscosity of the slurry during green sheet molding, preferably the slurry viscosity is 1 Pa · s to 80 Pa · s, more preferably 1 Pa · s to 50 Pa · s. It is better to adjust the range.
スラリーを製造する際に用いられるバインダーの種類は、焼成により分解したり燃焼することで除去されるものであれば格別の制限はなく、従来から知られた有機質のバインダーを適宜選択して使用することができる。有機質バインダーとしては、例えばエチレン系共重合体、スチレン系共重合体、(メタ)アクリレート系共重合体、酢酸ビニル系共重合体、マレイン酸系共重合体、ポリビニルブチラール樹脂、ビニルアセタール系樹脂、ビニルホルマール系樹脂、ビニルアルコール系樹脂、ワックス類、エチルセルロースなどのセルロース類などが例示される。 The type of binder used when producing the slurry is not particularly limited as long as it is decomposed by firing or removed by burning, and a conventionally known organic binder is appropriately selected and used. be able to. Examples of the organic binder include an ethylene copolymer, a styrene copolymer, a (meth) acrylate copolymer, a vinyl acetate copolymer, a maleic acid copolymer, a polyvinyl butyral resin, a vinyl acetal resin, Examples thereof include vinyl formal resins, vinyl alcohol resins, waxes, and celluloses such as ethyl cellulose.
これらの中でも特に好ましいのは、数平均分子量が5,000以上200,000以下、より好ましくは10,000以上100,000以下の(メタ)アクリレート系共重合体である。これらの有機質バインダーは、単独で使用し得る他、必要により2種以上を適宜組み合わせて使用することができる。特に好ましいのは、n−ブチルメタクリレート、イソブチルメタクリレートおよび/または2−エチルヘキシルアクリレートを60質量%以上含むモノマーの重合体である。 Among these, a (meth) acrylate copolymer having a number average molecular weight of 5,000 or more and 200,000 or less, and more preferably 10,000 or more and 100,000 or less is particularly preferable. These organic binders can be used alone or in combination of two or more as necessary. Particularly preferable is a polymer of a monomer containing 60% by mass or more of n-butyl methacrylate, isobutyl methacrylate and / or 2-ethylhexyl acrylate.
バインダーの使用量は適宜調整すればよいが、安定化ジルコニア粉末と導電性成分粉末の合計100質量部に対して10質量部以上50質量部以下程度が好ましい。 Although the usage-amount of a binder should just be adjusted suitably, about 10 to 50 mass parts is preferable with respect to a total of 100 mass parts of stabilized zirconia powder and electroconductive component powder.
可塑剤を、グリーンシートに柔軟性を付与するために添加してもよい。可塑剤としては、例えば、低分子可塑剤、コオリゴマー可塑剤および高分子可塑剤がある。低分子可塑剤としては、例えば、フタル酸ジブチルやフタル酸ジオクチルなどフタル酸エステル類を挙げることができる。コオリゴマー可塑剤および高分子可塑剤としては、ポリエステル類が挙げられる。可塑剤の配合量は、使用するバインダーのガラス転移温度にもよるが、安定化ジルコニア粉末と導電性成分粉末の合計100質量部に対して0.5質量部以上10質量部以下程度とすることが好ましい。 A plasticizer may be added to impart flexibility to the green sheet. Examples of the plasticizer include a low molecular plasticizer, a co-oligomer plasticizer, and a high molecular plasticizer. Examples of the low molecular plasticizer include phthalic acid esters such as dibutyl phthalate and dioctyl phthalate. Examples of the co-oligomer plasticizer and the polymer plasticizer include polyesters. The blending amount of the plasticizer depends on the glass transition temperature of the binder to be used, but it should be about 0.5 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass in total of the stabilized zirconia powder and the conductive component powder. Is preferred.
スラリーの調製に当たっては、固体電解質材料の解膠や分散を促進し、スラリーの流動性を増加せしめ、スラリー中での固体電解質材料の沈降を抑制するため、分散剤を添加してもよい。分散剤の配合量は、安定化ジルコニア粉末と導電性成分粉末の合計100質量部に対して0.5質量部以上5質量部以下程度とすることが好ましい。 In preparing the slurry, a dispersant may be added to promote peptization and dispersion of the solid electrolyte material, increase the fluidity of the slurry, and suppress sedimentation of the solid electrolyte material in the slurry. The blending amount of the dispersant is preferably about 0.5 parts by mass or more and 5 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass in total of the stabilized zirconia powder and the conductive component powder.
空孔形成材は、支持体や電極における気孔の形成を促進し、支持体や電極内部のガスの拡散を促進するために添加されるものであり、焼成により分解したり燃焼することで除去されたりするものであれば特に制限はない。従来から知られた空孔形成材としては、例えばカーボンブラック、有機微粒子等の公知の炭素材料を挙げることができる。空孔形成材の配合量は、安定化ジルコニア粉末と導電性成分粉末の合計100質量部に対して0.01質量部以上20質量部以下程度とすることが好ましいが、支持体や電極内部におけるガスの拡散が十分である場合には添加しなくても良い。 The pore forming material is added to promote the formation of pores in the support or electrode, and to promote the diffusion of gas inside the support or electrode, and is removed by decomposition or burning by firing. There is no particular limitation as long as it is. Conventionally known pore forming materials include known carbon materials such as carbon black and organic fine particles. The blending amount of the pore forming material is preferably about 0.01 parts by mass or more and 20 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass in total of the stabilized zirconia powder and the conductive component powder. If the gas diffusion is sufficient, it may not be added.
上記各成分は、常法により混合すればよい。例えば、ディスパーなどを用いて混合したり、或いはボールミルなどを用いて原料粉末の凝集粒子を解砕しつつ混合してもよい。 What is necessary is just to mix said each component by a conventional method. For example, mixing may be performed using a disper or the like, or the aggregated particles of the raw material powder may be mixed while being pulverized using a ball mill or the like.
基材上へのスラリーの塗工方法は特に制限されず、ドクターブレード法、カレンダーロール法、印刷法などの常法を用いることができる。具体的には、例えば、スラリーを塗工ダムへ輸送し、ドクターブレードやスクリーン印刷機などにより均一な厚さとなるようPETフィルムなどの基材上にキャスティングし、乾燥することにより、燃料極支持基板グリーンシートとする。 The method for applying the slurry onto the substrate is not particularly limited, and conventional methods such as a doctor blade method, a calender roll method, and a printing method can be used. Specifically, for example, the slurry is transported to a coating dam, cast on a base material such as a PET film so as to have a uniform thickness by a doctor blade, a screen printing machine, etc. Use green sheets.
グリーンシートの乾燥条件は、使用した溶媒の種類などに応じて適宜調整すればよいが、通常は40℃以上150℃以下程度とする。乾燥は一定温度で行ってもよいし、50℃、80℃、120℃の様に順次連続的に昇温して加熱乾燥してもよい。 The drying conditions of the green sheet may be adjusted as appropriate according to the type of solvent used, but are usually about 40 ° C. or higher and 150 ° C. or lower. Drying may be performed at a constant temperature, or may be performed by heating by successively raising the temperature sequentially such as 50 ° C., 80 ° C., and 120 ° C.
燃料極支持基板グリーンシートは、所望の形状に切断してもよい。燃料極支持基板グリーンシートの形状は特に制限されず、例えば、目的のハーフセルまたは単セルの形状に合わせればよい。例えば、円形、楕円形、R(アール)を持った角形などとすることができ、また、これらのシート内に円形、楕円形、Rを持った角形などの穴を有するものであってもよい。 The fuel electrode support substrate green sheet may be cut into a desired shape. The shape of the fuel electrode supporting substrate green sheet is not particularly limited, and may be matched with the shape of a target half cell or single cell, for example. For example, it may be a circle, an ellipse, a square with R (R), or the like, and may have a hole such as a circle, an ellipse, or a square with R in these sheets. .
上記燃料極支持基板グリーンシートは、焼成することにより単独の燃料極支持基板としてもよい。但し本発明では、この段階で燃料極支持基板グリーンシートを焼成せず、その上に燃料極用グリーン層などを形成するなどし、所望の形状に切断した上でまとめて共焼成してもよい。また、以降の工程の説明において、グリーン層の上に別のグリーン層を形成することのみが記載されていても、グリーン層を適宜焼成した上で別のグリーン層を形成してもよいものとする。以降の焼成条件は、いずれの層の焼成や共焼成にも適用することができる。 The fuel electrode support substrate green sheet may be a single fuel electrode support substrate by firing. However, in the present invention, the fuel electrode supporting substrate green sheet may not be fired at this stage, and a fuel electrode green layer or the like may be formed thereon, and may be cofired together after being cut into a desired shape. . Also, in the description of the subsequent steps, it is described that only another green layer is formed on the green layer, but another green layer may be formed after firing the green layer as appropriate. To do. The subsequent firing conditions can be applied to firing and co-firing of any layer.
焼成条件は適宜調整すればよいが、例えば、十分量の酸素の存在下、1200℃以上1500℃以下程度で焼成する。1200℃以上で焼結すれば十分な焼成効果が得られ、十分な強度が得られる。一方、焼成温度が高過ぎると各層の粒子の粒径が過大となって靭性がかえって低下するおそれがあるため、上限を1500℃とする。より好ましくは1250℃以上1450℃以下である。
焼成温度に至るまでの加熱速度は適宜調整すればよいが、通常、0.05℃/分以上4℃/分以下程度とすることができる。
Firing conditions may be adjusted as appropriate. For example, firing is performed at about 1200 ° C. to 1500 ° C. in the presence of a sufficient amount of oxygen. If it sinters at 1200 degreeC or more, sufficient baking effect will be acquired and sufficient intensity | strength will be acquired. On the other hand, if the firing temperature is too high, the particle size of the particles in each layer may be excessive and the toughness may be reduced, so the upper limit is set to 1500 ° C. More preferably, it is 1250 degreeC or more and 1450 degrees C or less.
The heating rate up to the calcination temperature may be adjusted as appropriate, but it can usually be about 0.05 ° C./min to 4 ° C./min.
以下では、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail using examples.
<粉体の粒子径の評価>
ピロリン酸ナトリウム[和光純薬工業(株)製、商品名「ピロりん酸ナトリウム+水和物」]を0.2重量%になるように純水に溶解し、分散媒とした。この分散媒に粉体を分散させ、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置[(株)堀場製作所製、型番LA−920]を用いて、粉体の粒子径を測定した。
<比表面積の評価>
BET比表面積測定装置[Macsorb製、型番Model−HM1210]を用いて、粉体の比表面積を測定した。
<Evaluation of particle size of powder>
Sodium pyrophosphate [manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., trade name “Sodium Pyrophosphate + Hydrate”] was dissolved in 0.2% by weight in pure water to obtain a dispersion medium. The powder was dispersed in this dispersion medium, and the particle size of the powder was measured using a laser diffraction / scattering type particle size distribution analyzer [manufactured by Horiba, Ltd., model number LA-920].
<Evaluation of specific surface area>
The specific surface area of the powder was measured using a BET specific surface area measuring device [manufactured by Macsorb, model number Model-HM1210].
<実施例1>
(支持基板グリーンシートの作製)
導電性成分としての酸化ニッケル[正同化学工業(株)製]60質量部、骨格成分としての3モル%イットリア安定化ジルコニア粉末[東ソー(株)製、商品名「TZ3Y」]40質量部、空孔形成材としてのカーボンブラック[SECカーボン(株)製、SGP−3]10質量部、メタクリレート系共重合体からなるバインダー(分子量:30,000、ガラス転移温度:−8℃、固形分濃度:50質量部)30質量部、可塑剤としてジブチルフタレート2質量部及び分散媒としてトルエン/イソプロピルアルコール(質量比=3/2)の混合溶剤80質量部を、ボールミルにより混合して、スラリーを調製した。得られたスラリーを使用し、ドクターブレード法によりシート成形し、70℃で5時間乾燥させて、燃料極支持基板グリーンシートを作製した。なお、グリーンシートの厚みについては、同じ組成のスラリーを用いて、予備実験を行い、グリーンシートと焼成後の厚みを考慮して、焼成後の厚みが400μmになるようにコントロールして作製を行った。
<Example 1>
(Production of support substrate green sheet)
60 parts by mass of nickel oxide as a conductive component [manufactured by Shodo Chemical Industry Co., Ltd.], 3 mol% yttria-stabilized zirconia powder as a skeleton component [trade name “TZ3Y”] by 40 parts by mass, Carbon black as a pore-forming material [manufactured by SEC Carbon Co., SGP-3], 10 parts by mass, a binder comprising a methacrylate copolymer (molecular weight: 30,000, glass transition temperature: −8 ° C., solid content concentration : 50 parts by mass) 30 parts by mass, 2 parts by mass of dibutyl phthalate as a plasticizer and 80 parts by mass of a mixed solvent of toluene / isopropyl alcohol (mass ratio = 3/2) as a dispersion medium are mixed by a ball mill to prepare a slurry. did. Using the obtained slurry, a sheet was formed by a doctor blade method and dried at 70 ° C. for 5 hours to produce a fuel electrode supporting substrate green sheet. Regarding the thickness of the green sheet, a preliminary experiment was performed using a slurry having the same composition, and the green sheet and the thickness after firing were taken into consideration and the thickness after firing was controlled to be 400 μm. It was.
(8YbSZ原料粉末の作製)
塩化イッテルビウム(III)水和物[和光純薬工業(株)製]および、塩化ジルコニウム(IV)[和光純薬工業(株)製]、を焼成後に8モル%イッテルビア安定化ジルコニア[8YbSZ:(Yb2O3)0.08(ZrO2)0.92]になるように計量した。純水を用意し、加温機能付きのマグネチックスターラーを用いて水温が20℃になるようにコントロールし、上記塩化物を溶解させた。なお、30分経っても溶解しない場合には、さらに純水を加え、目視で、塩化物が溶解するまで溶解させた。目視で塩化物が溶解したことを確認した後、それまで溶解に必要とした純水の1割に当たる量を加え、さらに、水溶液を25℃になるように加温・保温しながら、1時間撹拌し、塩化物を完全に溶解させた。得られた水溶液をアンモニア水に滴下して得られた沈殿物を洗浄、乾燥後、800℃で1時間仮焼した。仮焼した粉末にエタノールを加え、ボールミルで10時間解砕してから乾燥させて、さらに乳鉢にて、解砕を行い、解砕した粉を1200℃で焼成して8YbSZ原料粉末を得た。ポリ容器に得られた原料粉末とエタノールとYSZボールを入れ、回転数と時間を調整しながらボールミルで解砕し、乾燥させることで、平均粒子径が0.49μmの8YbSZ原料粉末を得た。
(Preparation of 8YbSZ raw material powder)
After firing ytterbium (III) chloride hydrate [manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] and zirconium chloride (IV) [manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.], 8 mol% ytterbia stabilized zirconia [8YbSZ: ( Yb 2 O 3 ) 0.08 (ZrO 2 ) 0.92 ]. Pure water was prepared, and the water temperature was controlled to 20 ° C. using a magnetic stirrer with a heating function to dissolve the chloride. In addition, when it did not melt | dissolve even if 30 minutes passed, more pure water was added and it was made to melt | dissolve until a chloride melt | dissolves visually. After visually confirming that the chloride was dissolved, add an amount equivalent to 10% of pure water required for dissolution, and stir for 1 hour while heating and keeping the aqueous solution at 25 ° C. The chloride was completely dissolved. A precipitate obtained by dropping the obtained aqueous solution into aqueous ammonia was washed, dried, and calcined at 800 ° C. for 1 hour. Ethanol was added to the calcined powder, crushed with a ball mill for 10 hours, dried, further crushed in a mortar, and the crushed powder was baked at 1200 ° C. to obtain 8YbSZ raw material powder. The raw material powder, ethanol, and YSZ balls obtained in a plastic container were placed, crushed with a ball mill while adjusting the rotation speed and time, and dried to obtain 8YbSZ raw material powder having an average particle diameter of 0.49 μm.
(YbGdDC原料粉末の作製)
塩化イッテルビウム(III)水和物[和光純薬工業(株)製]および、塩化ガドリニウム(III)水和物[和光純薬工業(株)製]、塩化セリウム(III)水和物[和光純薬工業(株)製]を、焼成後に10モル%イッテルビア10モル%ガドリニアを固溶させたセリア[YbGdDC:(YbO1.5)0.10(GdO1.5)0.10(CeO2)0.80、別表記:Yb0.10Gd0.10Ce0.80Ox]になるように計量した。
純水を用意し、加温機能付きのマグネチックスターラーを用いて水温が20℃になるようにコントロールし、上記塩化物を溶解させた。なお、30分経っても溶解しない場合には、さらに純水を加え、目視で、塩化物が溶解するまで溶解させた。目視で塩化物が溶解したことを確認した後、それまで溶解に必要とした純水の1割に当たる量を加え、さらに、水溶液を25℃になるように加温・保温しながら、1時間撹拌し、塩化物を完全に溶解させた。得られた水溶液をアンモニア水に滴下して得られた沈殿物を洗浄、乾燥後、800℃で1時間仮焼した。仮焼した粉末にエタノールを加え、ボールミルで10時間解砕してから乾燥させて、さらに乳鉢にて、解砕を行い、解砕した粉を1200℃で焼成して焼成粉末を得た。得られた焼成粉末にエタノールを加え、ボールミルで0.5μm以下になるように回転数と時間を調整し解砕し、乾燥させてYbGdDC原料粉末を得た。
(Preparation of YbGdDC raw material powder)
Ytterbium chloride (III) hydrate [Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] and gadolinium chloride (III) hydrate [Wako Pure Chemical Industries, Ltd.], cerium (III) chloride hydrate [Wako Pure] Ceria [YbGdDC: (YbO 1.5 ) 0.10 (GdO 1.5 ) 0.10 (CeO 2 ) in which 10 mol% ytterbia 10 mol% gadolinia was dissolved after firing. 0.80 , separate notation: Yb 0.10 Gd 0.10 Ce 0.80 Ox].
Pure water was prepared, and the water temperature was controlled to 20 ° C. using a magnetic stirrer with a heating function to dissolve the chloride. In addition, when it did not melt | dissolve even if 30 minutes passed, more pure water was added and it was made to melt | dissolve until a chloride melt | dissolves visually. After visually confirming that the chloride was dissolved, add an amount equivalent to 10% of pure water required for dissolution, and stir for 1 hour while heating and keeping the aqueous solution at 25 ° C. The chloride was completely dissolved. A precipitate obtained by dropping the obtained aqueous solution into aqueous ammonia was washed, dried, and calcined at 800 ° C. for 1 hour. Ethanol was added to the calcined powder, crushed with a ball mill for 10 hours, and then dried, and further crushed in a mortar. The crushed powder was baked at 1200 ° C. to obtain a baked powder. Ethanol was added to the obtained fired powder, and the rotational speed and time were adjusted so as to be 0.5 μm or less with a ball mill, pulverized, and dried to obtain a YbGdDC raw material powder.
(燃料極用ペーストの作製)
ポリ容器に、導電性成分としての酸化ニッケル[日興リカ(株)製、商品名「高純度酸化ニッケルF」]60質量部、イオン伝導成分としての調整した8YbSZ原料粉末40質量部、さらに分散媒としてのエタノールとYSZボールを加え、これをボールミルで解砕・混合してから乾燥させて、ボールミル処理したNiO/8YbSZ混合粉末を得た。
NiO/8YbSZ混合粉末60質量部、溶剤としてのα−テルピネオール[和光純薬工業(株)製]36質量部、バインダーとしてのエチルセルロース[和光純薬工業(株)製]4質量部、可塑剤としてのジブチルフタレート[和光純薬工業(株)製]6質量部及び分散剤としてのソルビタン脂肪酸エステル系界面活性剤4質量部を、乳鉢を用いて混合した後、3本ロールミル(EXAKT technologies社製、型式「M−80S」、ロール材質:アルミナ)を用いて解砕し、燃料極用ペーストを作製した。
(Preparation of fuel electrode paste)
In a plastic container, 60 parts by mass of nickel oxide as a conductive component [manufactured by Nikko Rica Co., Ltd., trade name “high purity nickel oxide F”], 40 parts by mass of adjusted 8YbSZ raw material powder as an ion conductive component, and further a dispersion medium Ethanol and YSZ balls as were added, and this was crushed and mixed by a ball mill and then dried to obtain a ball milled NiO / 8YbSZ mixed powder.
NiO / 8YbSZ mixed powder 60 parts by mass, α-terpineol as a solvent [manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] 36 parts by mass, ethyl cellulose as a binder [manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] 4 parts by mass, as a plasticizer 6 parts by mass of dibutyl phthalate [manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] and 4 parts by mass of a sorbitan fatty acid ester surfactant as a dispersing agent were mixed using a mortar, and then a three-roll mill (manufactured by EXAK technologies, Crushing was performed using a model “M-80S” (roll material: alumina) to produce a fuel electrode paste.
(電解質層用ペーストの作製)
8YbSZ原料粉末60質量部、バインダーとしてエチルセルロース[和光純薬工業(株)製]を5質量部、溶剤としてα−テルピネオール[和光純薬工業(株)製]を40質量部、可塑剤としてジブチルフタレート[和光純薬工業(株)製]を6質量部及び分散剤としてソルビタン酸エステル系界面活性剤[三洋化成工業(株)製、商品名「イオネットS−80」]5質量部を、乳鉢を用いて混合した後、3本ロールミル(EXAKT technologies社製、型式「M−80S」ロール材質:アルミナ)を用いて解砕し、8YbSZ電解質層用ペーストを作製した。
(Preparation of electrolyte layer paste)
60 parts by mass of 8YbSZ raw material powder, 5 parts by mass of ethyl cellulose [manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] as a binder, 40 parts by mass of α-terpineol [manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] as a solvent, and dibutyl phthalate as a plasticizer 6 parts by weight [manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] and 5 parts by weight of a sorbitan acid ester surfactant [manufactured by Sanyo Chemical Industries, Ltd., trade name “IONET S-80”] as a dispersant After using and mixing, the mixture was crushed using a three-roll mill (manufactured by EXAK technologies, model “M-80S” roll material: alumina) to prepare an 8YbSZ electrolyte layer paste.
(バリア層用のペーストの作製)
上記で合成したYbGdDC原料粉末60質量部、バインダーとしてのエチルセルロース[和光純薬工業(株)製]5質量部、溶剤としてのα−テルピネオール[和光純薬工業(株)製]40質量部、可塑剤としてのジブチルフタレート[和光純薬工業(株)製]6質量部及び分散剤としてのソルビタン酸エステル系界面活性剤[三洋化成工業(株)製、商品名「イオネットS−80」]5質量部、を乳鉢を用いて混合した後、3本ロールミル(EXAKT technologies社製、型式「M−80S」、ロール材質;アルミナ)を用いて解砕した。これにより、バリア層用ペーストを得た。
(Preparation of paste for barrier layer)
60 parts by mass of YbGdDC raw material powder synthesized above, 5 parts by mass of ethyl cellulose [manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] as a binder, 40 parts by mass of α-terpineol [manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] as a solvent, plastic 6 parts by weight of dibutyl phthalate [manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] as an agent and 5 parts by mass of a sorbitan acid ester surfactant as a dispersant [trade name “IONET S-80”, manufactured by Sanyo Chemical Industries, Ltd.] The parts were mixed using a mortar, and then pulverized using a three-roll mill (manufactured by EXKT technologies, model “M-80S”, roll material: alumina). As a result, a barrier layer paste was obtained.
(燃料極用グリーン層の形成)
上記で得た燃料極用ペーストをスクリーン印刷により、上記で得た支持基板グリーンシートに、焼成後の厚さが16μmとなるように印刷し、100℃で30分間乾燥させ、燃料極用グリーン層を形成した。
(Formation of green layer for fuel electrode)
The fuel electrode paste obtained above is printed on the support substrate green sheet obtained above by screen printing so that the thickness after firing is 16 μm, dried at 100 ° C. for 30 minutes, and the fuel electrode green layer Formed.
(電解質層用グリーン層の形成)
上記で得た燃料極用グリーン層上に、上記で得た電解質層用ペーストをスクリーン印刷により、焼成後の厚さが8μmとなるように印刷し、100℃で30分間乾燥させ、電解質層用グリーン層を形成した。
(Formation of green layer for electrolyte layer)
On the green layer for the fuel electrode obtained above, the paste for the electrolyte layer obtained above is printed by screen printing so that the thickness after firing becomes 8 μm, dried at 100 ° C. for 30 minutes, and used for the electrolyte layer A green layer was formed.
(バリア層用グリーン層の形成)
上記で得た、電解質層のグリーン層上に上記のバリア層用ペーストを、スクリーン印刷により厚さ2μmとなるように印刷した。これを100℃で30分間乾燥させることによって、バリア層用グリーン層を形成した。
(Formation of green layer for barrier layer)
The barrier layer paste was printed on the green layer of the electrolyte layer obtained above so as to have a thickness of 2 μm by screen printing. This was dried at 100 ° C. for 30 minutes to form a barrier layer green layer.
(焼成)
バリア層用ペーストの乾燥後、上記で得たバリア層用グリーン層、電解質層用グリーン層、燃料極用グリーン層が形成された支持基板用のグリーンシートを、焼成後の1辺が60mmの正方形になるように打ち抜いた。打ち抜いた後、1300℃で2時間焼成してバリア層を有するハーフセルを得た。
(Baking)
After drying the barrier layer paste, the green sheet for the support substrate on which the green layer for the barrier layer, the green layer for the electrolyte layer, and the green layer for the fuel electrode obtained above are formed is a square having a side of 60 mm after firing. I punched it to become. After punching, a half cell having a barrier layer was obtained by firing at 1300 ° C. for 2 hours.
(LSCの粉体材料の調製)
LSC空気極の原料となる粉体材料として、硝酸ランタン(III)水和物、硝酸ストロンチウム、硝酸コバルト(II)水和物[いずれも和光純薬工業(株)製]を焼成後にLa0.6Sr0.4CoOxとなるように純水に溶解させた。溶解後、この溶液を0.1モル/Lになるように純水を加えて調整した(溶液:A)。調整した溶液:Aに対する量論比が1.2倍のシュウ酸アンモニウム水和物[関東化学(株)製]を純水に溶かした溶液(溶液:B)を用意し、スターラーにて撹拌させた状態の溶液:Bに溶液:Aを滴下させた。
滴下後の混合溶液をロータリーエバポレータにてある程度の水分を留去した後、蒸発皿に移して100℃で乾燥を行った。得られた固形物について、乳鉢で解砕した後、400℃で5時間熱分解、800℃で5時間仮焼、1000℃で10時間焼成を行なった。
得られた粉末にエタノールを加え、さらにボールミルで解砕してから乾燥させて、得られた粉末を2.00gずつ秤量し、それぞれをφ20mmの錠剤成形器を用い、1.5t/cm2で5分間圧縮成形した。できた成形物を1100℃で6時間焼成してLSC(6−4−10)からなるペレットを得た。なお、得られたペレットは、X線回折によって、ペロブスカイトからなる単一相であることを確認した[未反応物質(酸化ランタン、酸化ストロンチウム、酸化コバルト)がないことを確認した]。得られたペレットについては、乳鉢を用いて粗解砕した後、スタンプミルを用いて目開き100μmのふるい下になるまで解砕した。さらにその後、ポリ容器に得られた粉末とエタノールとYSZボールを入れ、ボール径と回転数と時間を調整しながらボールミルで解砕し、乾燥させることで、平均粒子径(D50)が0.31μm、比表面積が7.8m2/gのLSC粉末:Aと、平均粒子径(D50)が1.92μm、比表面積が2.5m2/gのLSC粉末:Bを得た。
(Preparation of LSC powder material)
As a powder material to be used as a raw material for the LSC air electrode, lanthanum nitrate (III) hydrate, strontium nitrate, cobalt nitrate (II) hydrate [all manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] are calcined, and then La 0. It was dissolved in pure water so as to be 6 Sr 0.4 CoOx. After dissolution, this solution was adjusted by adding pure water to a concentration of 0.1 mol / L (solution: A). Prepared solution: A solution (solution: B) prepared by dissolving ammonium oxalate hydrate [manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.] having a stoichiometric ratio of 1.2 times with A in pure water is prepared and stirred with a stirrer. Solution: A was added dropwise to the solution: B in a fresh state.
After a certain amount of water was distilled off from the mixed solution after the dropping by a rotary evaporator, the mixed solution was transferred to an evaporating dish and dried at 100 ° C. The obtained solid was crushed in a mortar, then pyrolyzed at 400 ° C. for 5 hours, calcined at 800 ° C. for 5 hours, and baked at 1000 ° C. for 10 hours.
Ethanol was added to the obtained powder, and it was further crushed with a ball mill and then dried. The obtained powder was weighed in an amount of 2.00 g each, and each was used at 1.5 t / cm 2 using a tablet molding machine with a diameter of 20 mm. Compression molded for 5 minutes. The resulting molded product was fired at 1100 ° C. for 6 hours to obtain pellets made of LSC (6-4-10). The obtained pellet was confirmed to be a single phase composed of perovskite by X-ray diffraction [confirmed that there was no unreacted substance (lanthanum oxide, strontium oxide, cobalt oxide)]. About the obtained pellet, after roughly crushing using a mortar, it was crushed using a stamp mill until it became a sieve having an opening of 100 μm. After that, the powder obtained in a plastic container, ethanol and YSZ balls are placed, pulverized with a ball mill while adjusting the ball diameter, rotation speed and time, and dried, so that the average particle diameter (D50) is 0.31 μm. LSC powder: A having a specific surface area of 7.8 m 2 / g and LSC powder: B having an average particle diameter (D50) of 1.92 μm and a specific surface area of 2.5 m 2 / g were obtained.
(空気極用スラリーの調製)
上記の方法で調製されたLSC粉末:Aを90質量部、LSC粉末:Bを10質量部に対して、空孔形成材としての平均粒子径3μmのカーボンブラック2質量部、バインダーとしてのエチルセルロースが3質量部、溶剤としてのα−テルピネオールが30質量部の割合となるように加え、これを乳鉢を用いて混合した。その後、3本ロールミル(EXAKT technologies社製、型式「M−80S」、ロール材質:アルミナ)を用いて混練し、空気極用スラリー:Aを得た。
同様に、使用するLSC粉末として、LSC粉末:Bを100質量部使用し、空孔形成材を使用しなかったこと以外は同様の方法で、空気極用スラリー:Bを得た。
(Preparation of slurry for air electrode)
LSC powder prepared by the above method: 90 parts by mass of A, LSC powder: 10 parts by mass of B, 2 parts by mass of carbon black having an average particle diameter of 3 μm as a pore forming material, and ethyl cellulose as a binder 3 parts by mass, α-terpineol as a solvent was added so as to have a ratio of 30 parts by mass, and this was mixed using a mortar. Then, it knead | mixed using the 3 roll mill (EXAKT technologies company make, model "M-80S", roll material: Alumina), and obtained slurry for air electrodes: A.
Similarly, as an LSC powder to be used, an air electrode slurry: B was obtained in the same manner except that 100 parts by mass of LSC powder: B was used and no pore forming material was used.
(LSC空気極の形成)
上記バリア層を有するハーフセルのバリア層面に、スクリーン印刷により、上記空気極用スラリー:Aを1cm×1cmで、焼成後の厚みが10μm程度になるように、正方形に塗布し、90℃で1時間乾燥させた。乾燥後に、上記空気極用スラリー:Bを1cm×1cmで、焼成後の厚みが10μm程度になるように正方形に塗布し、90℃で1時間乾燥させ、2層からなる空気極用グリーン層を形成した。この空気極用グリーン層を、1050℃で2時間焼成し、実施例1に係る電気化学セルを得た。
(Formation of LSC air electrode)
On the barrier layer surface of the half cell having the above barrier layer, the above-mentioned slurry for air electrode: A is applied in a square so that the thickness after firing is about 1 μm and the thickness after firing is about 10 μm by screen printing, and at 90 ° C. for 1 hour. Dried. After drying, the air electrode slurry: B is applied in a square shape with a size of 1 cm × 1 cm so that the fired thickness is about 10 μm, and dried at 90 ° C. for 1 hour to form a two-layer green layer for the air electrode. Formed. The air electrode green layer was baked at 1050 ° C. for 2 hours to obtain an electrochemical cell according to Example 1.
<実施例2>
実施例1における空気極用スラリーの調製において、空気極用スラリー:Aの作製に当たり、空孔形成材として、平均粒子径2μmの樹脂粒子2質量部を用いた以外は、実施例1と同様の方法で作製を行い、実施例2に係る電気化学セルを得た。
<Example 2>
In the preparation of the air electrode slurry in Example 1, the air electrode slurry: A was the same as in Example 1 except that 2 parts by mass of resin particles having an average particle diameter of 2 μm were used as the pore forming material. The electrochemical cell according to Example 2 was obtained.
<比較例1>
実施例1における、LSC空気極の形成において、上記空気極用スラリー:Bを1cm×1cmで、焼成後の厚みが20μm程度になるように正方形に塗布した以外は実施例1と同様の方法で作製を行い、比較例1に係る電気化学セルを得た。
<Comparative Example 1>
In the formation of the LSC air electrode in Example 1, the slurry for air electrode: B was 1 cm × 1 cm, and was applied in the same manner as in Example 1 except that it was applied in a square shape so that the thickness after firing was about 20 μm. The electrochemical cell according to Comparative Example 1 was obtained.
<比較例2>
実施例1における、LSC空気極の形成において、上記空気極用スラリー:Aを1cm×1cmで、焼成後の厚みが20μm程度になるように正方形に塗布した以外は実施例1と同様の方法で作製を行い、比較例2に係る電気化学セルを得た。なお、この方法で作製した空気極は表面から見た時にひび割れ、剥離が観察された。
<Comparative example 2>
In the formation of the LSC air electrode in Example 1, the same method as in Example 1 except that the air electrode slurry: A was applied to a square so that the thickness after firing was 1 cm × 1 cm and the thickness after firing was about 20 μm. The electrochemical cell according to Comparative Example 2 was obtained. The air electrode produced by this method was cracked and peeled when viewed from the surface.
<電気化学セルの電気性能評価(電池性能評価試験)>
各実施例及び比較例の電気化学セルについて以下の方法で電池性能を評価した。電気化学セルの燃料極に100mL/分の窒素を、空気極に100mL/分の空気を供給しつつ、100℃/時間の速度で測定温度(750℃)まで昇温した。昇温後、燃料極、空気極の出口側のガスについて、流量計で、流量を測定し、漏れが無いことを確認した。
次いで、水素を6mL/分、窒素を194mL/分の水温25℃で、バブラーにより加湿した混合ガスを燃料極へ、400mL/分の空気を空気極へ供給した。10分以上経過後に起電力が発生し、漏れが無いことを再度確認した後、燃料極側のガスを、水温25℃でバブラーにより加湿した水素を194mL/分の流量で燃料極へ供給し、起電力が安定してから、10分以上経過後に電流密度(負荷)を1.0A/cm2に変更し、電気特性としての電圧を得た。結果を表1、2に記載する。
<Electrical performance evaluation of electrochemical cells (battery performance evaluation test)>
Battery performance was evaluated for the electrochemical cells of each Example and Comparative Example by the following method. While supplying 100 mL / min of nitrogen to the fuel electrode of the electrochemical cell and 100 mL / min of air to the air electrode, the temperature was raised to the measurement temperature (750 ° C.) at a rate of 100 ° C./hour. After the temperature rise, the flow rate of the gas on the outlet side of the fuel electrode and air electrode was measured with a flow meter, and it was confirmed that there was no leakage.
Next, a mixed gas humidified by a bubbler was supplied to the fuel electrode at a water temperature of 25 ° C. at 6 mL / min for hydrogen and 194 mL / min for nitrogen, and air at 400 mL / min was supplied to the air electrode. After confirming again that an electromotive force is generated after 10 minutes or more and that there is no leakage, the gas on the fuel electrode side is supplied with hydrogen humidified by a bubbler at a water temperature of 25 ° C. at a flow rate of 194 mL / min. After the electromotive force was stabilized, the current density (load) was changed to 1.0 A / cm 2 after 10 minutes or more to obtain a voltage as electrical characteristics. The results are listed in Tables 1 and 2.
<空気極の観察A>
各実施例、比較例で作製した電気性能評価後サンプルについて、空気極が塗布されている面の中央付近の部分を含むように、長さ:10mm、幅:6mmになるように破断し、そのまま断面観察用のサンプルとした。観察には電界放出型走査電子顕微鏡(日本電子社製「JSM−7600F」)を用い、断面観察用の1.5万倍の倍率の画像を取得した。なお、取得した画像は、作製した断面観察用サンプルの、空気極の中央付近を1点、各両端部より1mm付近の2点、それら以外の部分で同じ観察個所を含まないように7点、の合計10点について取得した。
<Observation of air electrode A>
About the samples after electrical performance evaluation produced in each Example and Comparative Example, the sample was broken to have a length of 10 mm and a width of 6 mm so as to include a portion near the center of the surface on which the air electrode was applied. A sample for cross-sectional observation was used. For observation, a field emission scanning electron microscope (“JSM-7600F” manufactured by JEOL Ltd.) was used to obtain an image with a magnification of 15,000 times for cross-sectional observation. In addition, the acquired image has one point near the center of the air electrode of the produced cross-sectional observation sample, two points near 1 mm from each end, and seven points so as not to include the same observation point in other parts, A total of 10 points were obtained.
上記10点の取得した画像について、画像解析ソフト(Media Cybernetics社製「Image Pro Plus バージョン4.0」)を用いて、
・空気極とバリア層との界面から空気極表面方向への垂直方向に5μm以内の範囲1(図3参照)における、複数の空気極成分粒子の(周長円相当径の平均値)/(面積円相当径の平均値)である比LS1
・空気極の表面からバリア層との界面方向への5μm以内の範囲2(図3参照)における、複数の空気極成分粒子の(周長円相当径の平均値)/(面積円相当径の平均値)である比LS2
・範囲1における、複数の空気極成分粒子の面積円相当径の変動係数CVLS1(%)
・範囲2における、複数の空気極成分粒子の面積円相当径の変動係数CVLS2(%)
・変動係数CVLS1と変動係数CVLS2の比
について、値を求めた。範囲1および2において、取得した断面観察画像から得られるそれぞれの粒子の測定数が100個に満たない場合には、取得する断面観察画像を増やしたり、倍率を8000倍にするなどして、測定数が100個以上になるようにした。
図6、7に取得画像の一例を示す。図7中のPG1,PG2,PG3,...は、各空気極成分粒子の周縁部であり、これらから各空気極成分粒子の面積円相当径ならびに周長円相当径を得た。結果を表1に示す。
Using the image analysis software (“Media Pro Plus version 4.0” manufactured by Media Cybernetics) for the 10 acquired images,
-(Average value of the circumference equivalent circle diameter) of a plurality of air electrode component particles in a range 1 (see FIG. 3) within 5 μm in the direction perpendicular to the air electrode surface direction from the interface between the air electrode and the barrier layer / ( Ratio LS1 which is an average value of equivalent circle diameters)
・ In the range 2 (see FIG. 3) within 5 μm from the surface of the air electrode to the interface with the barrier layer (see FIG. 3), (average value of circumference equivalent circle diameter) / (area equivalent circle diameter) Ratio LS2 which is an average value)
-Variation coefficient CVLS1 (%) of the area equivalent circle diameter of a plurality of air electrode component particles in range 1
-Variation coefficient CVLS2 (%) of the area equivalent circle diameter of a plurality of air electrode component particles in range 2
A value was obtained for the ratio between the coefficient of variation CVLS1 and the coefficient of variation CVLS2. In ranges 1 and 2, when the number of measured particles obtained from the acquired cross-sectional observation image is less than 100, measurement is performed by increasing the cross-sectional observation image to be acquired or increasing the magnification to 8000 times. The number was set to 100 or more.
6 and 7 show examples of acquired images. PG1, PG2, PG3,. . . Is the peripheral edge of each air electrode component particle, and the area circle equivalent diameter and the circumferential ellipse equivalent diameter of each air electrode component particle were obtained from these. The results are shown in Table 1.
<空気極の観察B>
各実施例、比較例で作製した電気性能評価後サンプルについて、空気極が塗布されている面の中央付近の部分を含むように、長さ:10mm、幅:6mmになるように破断し、エポキシ樹脂で樹脂包埋後、空気極の中央部分が観察できるように研磨し、断面観察用のサンプルとした。観察には電界放出型走査電子顕微鏡(日本電子社製「JSM−7600F」)を用い、断面観察用の1.5万倍の倍率の画像を取得した。なお、取得した画像は、作製した断面観察用サンプルの、空気極の中央付近を1点、各両端部より1mm付近の2点、それら以外の部分で同じ観察個所を含まないように7点、の合計10点について取得した。
<Observation of air electrode B>
The samples after electrical performance evaluation produced in each example and comparative example were broken so that the length was 10 mm and the width was 6 mm so as to include a portion near the center of the surface on which the air electrode was applied. After embedding resin with resin, it was polished so that the central part of the air electrode could be observed, and used as a sample for cross-sectional observation. For observation, a field emission scanning electron microscope (“JSM-7600F” manufactured by JEOL Ltd.) was used to obtain an image with a magnification of 15,000 times for cross-sectional observation. In addition, the acquired image has one point near the center of the air electrode of the produced cross-sectional observation sample, two points near 1 mm from each end, and seven points so as not to include the same observation point in other parts, A total of 10 points were obtained.
上記10点の取得した画像について、画像解析ソフト(Media Cybernetics社製「Image Pro Plus バージョン4.0」)を用いて、
・範囲1における複数の気孔の周長円相当径の平均値DL(μm)、ならびに面積円相当径の平均値DS(μm)および、上記複数の面積円相当径についてのヒストグラムのピーク数Pb1
・範囲2における複数の気孔の、面積円相当径についてのヒストグラムのピーク数Pb2
・上記DLとDS、上記Pb1とPb2の各比
について、値を求めた。範囲1および2において、取得した断面観察画像から得られる気孔の測定数が100個に満たない場合には、取得する断面観察画像を増やしたり、倍率を8000倍にするなどして、測定数が100個以上になるようにした。ヒストグラムにおける階級と階級間隔については、界面長さの最大値:Pmax、最小値:Pminの差:ΔP=Pmax−Pminを求め、ΔPを20に近い数で割りその値を参考に決定した。
図8に取得画像の一例を示す。図8中のPG1,PG2,PG3,...は、各気孔の周縁部であり、これらから各気孔の面積円相当径ならびに周長円相当径を得た。結果を表1に示す。
Using the image analysis software (“Media Pro Plus version 4.0” manufactured by Media Cybernetics) for the 10 acquired images,
The average value D L (μm) of the circumference equivalent circle diameter of a plurality of pores in the range 1, the average value D S (μm) of the area equivalent circle diameter, and the number of histogram peaks for the plurality of area equivalent circle diameters Pb1
-The peak number Pb2 of the histogram about the area equivalent circle diameter of the plurality of pores in the range 2
- the D L and D S, for each ratio of the Pb1 and Pb2, was determined value. In the range 1 and 2, when the number of pores obtained from the acquired cross-sectional observation image is less than 100, the number of measurement is increased by increasing the cross-sectional observation image to be acquired or increasing the magnification to 8000 times. It was made to become 100 or more. The class and class interval in the histogram were determined by referring to the maximum value of the interface length: Pmax, the minimum value: difference of Pmin: ΔP = Pmax−Pmin, and ΔP divided by a number close to 20.
FIG. 8 shows an example of the acquired image. PG1, PG2, PG3,. . . Is the peripheral part of each pore, and from these, the area circle equivalent diameter and the circumferential ellipse equivalent diameter of each pore were obtained. The results are shown in Table 1.
なお、空気極とバリア層の境界については、空気極成分が最もバリア層へ(電解質層方向へ)入り込んでいる箇所と、その箇所から2μm以上離れて、空気極成分がバリア層へ入り込んでいる箇所の2か所を結んだ直線を空気極/バリア層界面とした。また、空気極と表面の境界については、空気極成分が表面へ最も突出している部分と、その箇所から2μm以上離れて、空気極成分が最も突出している部分の2か所を結んだ直線を空気極/表面の境界とした。以下においても同様とした。 As for the boundary between the air electrode and the barrier layer, the air electrode component enters the barrier layer at a position where the air electrode component enters the barrier layer most (in the direction of the electrolyte layer) and 2 μm or more away from the location. A straight line connecting two places was defined as an air electrode / barrier layer interface. As for the boundary between the air electrode and the surface, a straight line connecting the two portions of the portion where the air electrode component protrudes most to the surface and the portion where the air electrode component protrudes most apart from the portion by 2 μm or more. The cathode / surface boundary was used. The same applies to the following.
同様に、上記10点の取得した画像について、画像解析ソフト(Media Cybernetics社製「Image Pro Plus バージョン4.0」)を用いて、
・空気極とバリア層との界面から空気極の表面方向へ、上記界面と垂直方向に1μm離れた位置と3μm離れた位置との間における5μm幅の2μm×5μmの長方形領域3(図5参照)における、気孔と空気極成分粒子との界面長さの合計値データを上記10点の取得した画像毎に求め、これらについての平均値t1、標準偏差d1ならびに変動係数cv1
・空気極の表面からバリア層との界面方向へ、上記表面と垂直方向に1μm離れた位置と3μm離れた位置との間における5μm幅の2μm×5μmの長方形領域4(図5参照)における、気孔と空気極成分粒子との界面長さの合計値データを上記10点の取得した画像毎に求め、これらについての平均値t2、標準偏差d2ならびに変動係数cv2
・上記t1とt2、上記d1とd2、上記cv1とcv2の各比
について、値を求めた。結果を表2に示す。なお、表2中では、t1、t2は「界面長さ」と略記する。
なお、長方形領域3および4は、それぞれ10か所以上選択して各値を取得した。図9、10に取得画像の一例を示す。図10中のT1,T2,T3,...は、気孔と個々の空気極成分粒子との各界面長さであり、これらの合計を界面の合計値データとした。
Similarly, using the image analysis software (“Image Pro Plus version 4.0” manufactured by Media Cybernetics) for the 10 acquired images,
A rectangular region 3 of 2 μm × 5 μm with a width of 5 μm between the position 1 μm away from the interface perpendicular to the interface from the interface between the air electrode and the barrier layer in the direction perpendicular to the interface 3 (see FIG. 5) ), The total value data of the interface length between the pores and the air electrode component particles is obtained for each of the 10 acquired images, and the average value t1, the standard deviation d1 and the coefficient of variation cv1 of these images are obtained.
In the rectangular region 4 (see FIG. 5) of 2 μm × 5 μm in width of 5 μm between the position 1 μm away from the surface in the direction perpendicular to the surface from the surface of the air electrode and the position 3 μm away from the surface. The total value data of the interface length between the pores and the air electrode component particles is obtained for each of the 10 acquired images, and the average value t2, the standard deviation d2 and the coefficient of variation cv2 of these images are obtained.
A value was obtained for each ratio of t1 and t2, d1 and d2, and cv1 and cv2. The results are shown in Table 2. In Table 2, t1 and t2 are abbreviated as “interface length”.
In addition, each of the rectangular regions 3 and 4 was selected at 10 or more locations to obtain each value. 9 and 10 show examples of acquired images. T1, T2, T3,. . . Is the interface length between the pores and the individual air electrode component particles, and the total of these was used as the total value data of the interface.
実施例1、2および比較例1、2の空気極の長方形領域3および4でそれぞれ得られた各100個以上の気孔と空気極成分粒子との界面長さを、長方形領域3および4でそれぞれヒストグラムとした。階級と階級間隔については、界面長さの最大値:Pmax、最小値:Pminの差:ΔP=Pmax−Pminを求め、ΔPを20に近い数で割りその値を参考に決定した。
図11に、実施例1の、長方形領域3における気孔と空気極成分粒子との界面長さをヒストグラムにしたものを示す。図11中の矢印で示すように、長方形領域3における界面長さをヒストグラムにした際のピークは、2つ存在した(Pa1=2)。図11中の横軸の界面長さの範囲は、例えば0.0〜0.1は0.0μm以上0.1μm未満であり、他も同様である。
長方形領域3におけるヒストグラムでのピーク数Pa1、長方形領域4におけるヒストグラムでのピーク数Pa2、ならびにPa1/Pa2の値を表2に示す。
The interfacial lengths of 100 or more pores and air electrode component particles obtained in the rectangular regions 3 and 4 of the air electrode in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, respectively, in the rectangular regions 3 and 4 respectively. A histogram was used. Regarding the class and class interval, the maximum value of the interface length: Pmax, the minimum value: difference of Pmin: ΔP = Pmax−Pmin was obtained, and ΔP was divided by a number close to 20 to determine the value.
FIG. 11 shows a histogram of the interface length between the pores and the air electrode component particles in the rectangular region 3 in Example 1. As shown by the arrows in FIG. 11, there were two peaks when the interface length in the rectangular region 3 was made into a histogram (Pa1 = 2). In the range of the interface length on the horizontal axis in FIG. 11, for example, 0.0 to 0.1 is 0.0 μm or more and less than 0.1 μm, and the others are the same.
Table 2 shows values of the peak number Pa1 in the histogram in the rectangular region 3, the peak number Pa2 in the histogram in the rectangular region 4, and Pa1 / Pa2.
表1に示すように、空気極の断面において、上記範囲1における、(複数の空気極成分粒子1の周長円相当径の平均値)/(上記複数の空気極成分粒子1の面積円相当径の平均値)LS1と、上記範囲2における、(複数の空気極成分粒子2の周長円相当径の平均値)/(上記複数の空気極成分粒子2の面積円相当径の平均値)LS2との比LS1/LS2が1.0未満である実施例1、2の電気化学セルでは、優れた電流−電圧特性を示した。 As shown in Table 1, in the cross section of the air electrode, in the above range 1, (the average value of the circumference equivalent circle diameter of the plurality of air electrode component particles 1) / (corresponding to the area circle of the plurality of air electrode component particles 1) LS1 and (average value of circumference equivalent circle diameters of the plurality of air electrode component particles 2) / (average value of area equivalent circle diameters of the plurality of air electrode component particles 2) in the above range 2 The electrochemical cells of Examples 1 and 2 in which the ratio LS1 / LS2 to LS2 is less than 1.0 showed excellent current-voltage characteristics.
本発明の電気化学セルは、電流−電圧特性に優れている。したがって、本発明の電気化学セル用空気極、およびそれを含む電気化学セルは、電気化学セルの高性能化および高信頼性化に寄与できるものである。 The electrochemical cell of the present invention is excellent in current-voltage characteristics. Therefore, the air electrode for an electrochemical cell of the present invention and the electrochemical cell including the same can contribute to high performance and high reliability of the electrochemical cell.
10、20 電気化学セル
12、22 空気極
24 バリア層
16、26 電解質層
18、28 燃料極
1、2 範囲
3、4 長方形領域
7 空気極の、電解質層またはバリア層との界面方向での中央部付近
8 空気極と、電解質層またはバリア層との界面
9 空気極の、電解質層および/またはバリア層が形成されていない面
L 空気極の、電解質層またはバリア層との界面方向の端部からの距離
S 空気極と電解質層またはバリア層との界面から、空気極の電解質層および/またはバリア層が形成されていない面方向へ、上記界面と垂直な方向
T 空気極の電解質層および/またはバリア層が形成されていない面から、空気極と電解質層またはバリア層との界面方向へ、上記面と垂直な方向
W1 空気極と電解質層またはバリア層との界面から、空気極の電解質層および/またはバリア層が形成されていない面方向へ、界面と垂直方向に離れた距離
W2 空気極の電解質層および/またはバリア層が形成されていない面から、空気極と電解質層またはバリア層との界面方向へ、面と垂直方向に離れた距離
10, 20 Electrochemical cell 12, 22 Air electrode 24 Barrier layer 16, 26 Electrolyte layer 18, 28 Fuel electrode 1, 2, Range 3, 4, Rectangular region 7 Center of air electrode in interface direction with electrolyte layer or barrier layer Near the part 8 Interface between the air electrode and the electrolyte layer or barrier layer 9 Surface of the air electrode where the electrolyte layer and / or barrier layer is not formed L End of the air electrode in the interface direction with the electrolyte layer or barrier layer Distance S from the interface between the air electrode and the electrolyte layer or the barrier layer in the direction of the surface where the electrolyte layer and / or the barrier layer of the air electrode is not formed T The direction of the electrolyte layer of the air electrode and / or Or, from the surface where the barrier layer is not formed, toward the interface between the air electrode and the electrolyte layer or barrier layer, the direction perpendicular to the above surface W1 From the interface between the air electrode and the electrolyte layer or barrier layer, Distance away from the interface in the direction perpendicular to the interface in the surface direction where the electrolyte layer and / or barrier layer of the electrode is not formed. W2 From the surface where the electrolyte layer and / or barrier layer of the air electrode is not formed, the air electrode and the electrolyte layer Or distance away from the surface perpendicular to the surface in the direction of the interface with the barrier layer
Claims (4)
前記空気極は、膜厚が6μm以上であり、断面において、走査型電子顕微鏡で測定される、下記で示されるLS1とLS2との比LS1/LS2が1.0未満であることを特徴とする
電気化学セル用空気極。
・LS1:前記空気極と前記電解質層との界面から、前記空気極の前記電解質層が形成されていない面方向へ、前記界面と垂直方向にW1以内の範囲における、(複数の空気極成分粒子1の周長円相当径の平均値)/(前記複数の空気極成分粒子1の面積円相当径の平均値)
・LS2:前記空気極の前記電解質層が形成されていない前記面から、前記空気極と前記電解質層との前記界面方向へ前記面と垂直方向にW2以内の範囲における、(複数の空気極成分粒子2の周長円相当径の平均値)/(前記複数の空気極成分粒子2の面積円相当径の平均値)
但し、前記W1と前記W2は同じであっても異なっていてもよく、それぞれ3μm以上であり、前記LS1と前記LS2とを得る範囲は、重ならないように設定する An air electrode for an electrochemical cell in which a fuel electrode, an electrolyte layer, and an air electrode are arranged in this order,
The air electrode has a film thickness of 6 μm or more, and a cross-sectional ratio LS1 / LS2 of LS1 and LS2 shown below measured by a scanning electron microscope is less than 1.0. Air electrode for electrochemical cells.
LS1: (a plurality of air electrode component particles in a range within W1 in a direction perpendicular to the interface from the interface between the air electrode and the electrolyte layer in a direction in which the electrolyte layer of the air electrode is not formed) 1 (average value of circumference equivalent circle diameter of 1) / (average value of area equivalent circle diameter of the plurality of air electrode component particles 1)
LS2: a plurality of air electrode components in a range within W2 in a direction perpendicular to the surface from the surface of the air electrode where the electrolyte layer is not formed to the interface between the air electrode and the electrolyte layer. (Average value of circumference equivalent circle diameter of particle 2) / (Average value of area equivalent circle diameter of the plurality of air electrode component particles 2)
However, W1 and W2 may be the same or different and each is 3 μm or more, and the range for obtaining LS1 and LS2 is set so as not to overlap.
前記空気極は、膜厚が6μm以上であり、断面において、走査型電子顕微鏡で測定される、下記で示されるLS1とLS2との比LS1/LS2が1.0未満であることを特徴とする
電気化学セル用空気極。
・LS1:前記空気極と前記バリア層との界面から、前記空気極の前記バリア層が形成されていない面方向へ、前記界面と垂直方向にW1以内の範囲における、(複数の空気極成分粒子1の周長円相当径の平均値)/(前記複数の空気極成分粒子1の面積円相当径の平均値)
・LS2:前記空気極の前記バリア層が形成されていない前記面から、前記空気極とバリア層との前記界面方向へ前記面と垂直方向にW2以内の範囲における、(複数の空気極成分粒子2の周長円相当径の平均値)/(前記複数の空気極成分粒子2の面積円相当径の平均値)
但し、前記W1と前記W2は同じであっても異なっていてもよく、それぞれ3μm以上であり、前記LS1と前記LS2とを得る範囲は、重ならないように設定する An air electrode for an electrochemical cell in which a fuel electrode, an electrolyte layer, a barrier layer, and an air electrode are arranged in this order,
The air electrode has a film thickness of 6 μm or more, and a cross-sectional ratio LS1 / LS2 of LS1 and LS2 shown below measured by a scanning electron microscope is less than 1.0. Air electrode for electrochemical cells.
LS1: (a plurality of air electrode component particles in a range within W1 in a direction perpendicular to the interface from the interface between the air electrode and the barrier layer in a direction in which the barrier layer of the air electrode is not formed) 1 (average value of circumference equivalent circle diameter of 1) / (average value of area equivalent circle diameter of the plurality of air electrode component particles 1)
LS2: (a plurality of air electrode component particles in a range within W2 in the direction perpendicular to the surface from the surface of the air electrode where the barrier layer is not formed to the interface between the air electrode and the barrier layer) (Average value of circumference equivalent circle diameter of 2) / (average value of area equivalent circle diameter of the plurality of air electrode component particles 2)
However, W1 and W2 may be the same or different and each is 3 μm or more, and the range for obtaining LS1 and LS2 is set so as not to overlap.
An electrochemical cell comprising a fuel electrode, an electrolyte layer, a barrier layer, and the air electrode according to claim 2 arranged in this order.
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JP2017022504A JP2018129237A (en) | 2017-02-09 | 2017-02-09 | Air electrode for electrochemical cell, and electrochemical cell including the same |
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