JP2018142500A - Air electrode material, air electrode and solid oxide fuel cell - Google Patents

Air electrode material, air electrode and solid oxide fuel cell Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an air electrode material which makes Cr poisoning unlikely to occur even during use in a state in contact with a metal material containing Cr, an air electrode, and a solid oxide fuel cell including such an air electrode.SOLUTION: When a trivalent metal selected from rare earth and Bi is defined as R, a divalent metal with lower reactivity with Cr on a contact interface with a metal material containing Cr than Sr is defined as A, one or two or more metals selected from among Fe, Co, Ni and Mn are defined as B and an oxygen vacancy quantity is defined as δ, an air electrode material consists of a perovskite conductive oxide having a composition of RABOunder 0<x<1. And an air electrode and a solid oxide fuel cell are configured by using such an air electrode material.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、空気極材料、空気極、および固体酸化物形燃料電池に関し、さらに詳しくは、Srを含有しない導電性酸化物よりなる空気極材料、およびそれを用いて構成される空気極ならびに固体酸化物形燃料電池に関するものである。   The present invention relates to an air electrode material, an air electrode, and a solid oxide fuel cell. More specifically, the present invention relates to an air electrode material composed of a conductive oxide not containing Sr, and an air electrode and a solid formed using the same. The present invention relates to an oxide fuel cell.

電子・酸化物イオン混合導電性を有する導電性酸化物が、固体酸化物形燃料電池(SOFC)の空気極(カソード)等の構成材料として用いられている。電子・酸化物イオン混合導電性を有する導電性酸化物としては、ペロブスカイト型複合酸化物が一般的であり、中でも、La1−xSrMnO3−δ、La1−xSrCoO3−δ、La1−xSrCo1−yFe3−δ等、Srを含むペロブスカイト型複合酸化物が、SOFCの空気極材料としてしばしば用いられる。 A conductive oxide having mixed conductivity of electrons and oxide ions is used as a constituent material for an air electrode (cathode) of a solid oxide fuel cell (SOFC). As a conductive oxide having mixed conductivity of electrons and oxide ions, a perovskite-type composite oxide is generally used. Among these, La 1-x Sr x MnO 3-δ , La 1-x Sr x CoO 3− Perovskite complex oxides containing Sr, such as δ , La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 -δ , are often used as SOFC air electrode materials.

SOFCにおいては、長期間にわたって高い性能を維持できることが求められ、空気極材料も、経時的な使用によって劣化を起こさないことが望ましい。例えば、下記特許文献1では、低温作動型のSOFCの空気極等の性能を長期に亘って良好に維持しうるSOFC用の電極材料として、一般式ABOで表されるペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物を含み、リートベルト解析に基づき算出される結晶構造の格子歪が2.5%以下である電極材料を開示している。実施例として開示されている電極材料においては、ABOのAサイトを占める金属として、LaまたはSm、あるいはそれらとSrの組み合わせを採用している。 The SOFC is required to maintain high performance for a long period of time, and it is desirable that the air electrode material does not deteriorate due to use over time. For example, Patent Document 1 below has a perovskite crystal structure represented by the general formula ABO 3 as an electrode material for SOFC that can maintain the performance of a low-temperature operation type SOFC air electrode and the like well over a long period of time. An electrode material containing an oxide and having a lattice distortion of 2.5% or less calculated based on Rietveld analysis is disclosed. In the electrode material disclosed as an example, La or Sm, or a combination of them and Sr is adopted as the metal occupying the A site of ABO 3 .

特開2015−111534号公報JP, 2015-111534, A

電極が長期の使用によって劣化する大きな原因として、電極の構成材料が、接触している他の部材の構成材料との間で、相互作用や化学反応を起こすことが挙げられる。SOFCは通常、電解質層の両面に燃料極と空気極をそれぞれ接合した単セルが、ステンレス鋼等よりなるセパレータ(インターコネクタ)を介して積層されたセルスタックの形で使用される。この場合に、燃料極および空気極がセパレータと接触した状態で、SOFCの運転温度に保持されることになる。この際、空気極を構成する導電性酸化物が、セパレータを構成するステンレス鋼等に含まれるCrと反応し、空気極の性能が劣化するクロム(Cr)被毒という現象が知られている。   A major cause of the deterioration of the electrode due to long-term use is that the constituent material of the electrode causes an interaction or a chemical reaction with the constituent material of another member in contact with the electrode. The SOFC is usually used in the form of a cell stack in which single cells each having a fuel electrode and an air electrode bonded to both surfaces of an electrolyte layer are stacked via a separator (interconnector) made of stainless steel or the like. In this case, the fuel electrode and the air electrode are held at the operating temperature of the SOFC while being in contact with the separator. At this time, a phenomenon of chromium (Cr) poisoning is known in which the conductive oxide constituting the air electrode reacts with Cr contained in the stainless steel or the like constituting the separator, and the performance of the air electrode deteriorates.

SOFCにおいて、空気極のCr被毒を防ぐ方法として、セパレータ表面にコーティングを施し、セパレータと空気極の間での構成元素の相互拡散を防ぐという方法が用いられている。しかし、セパレータのコーティング処理には大きなコストを要する。そこで、セパレータのコーティングを行わなくても空気極のCr被毒を抑制できる方法が望まれる。   In SOFC, as a method for preventing Cr poisoning of the air electrode, a method is used in which the separator surface is coated to prevent mutual diffusion of constituent elements between the separator and the air electrode. However, the coating process of the separator requires a large cost. Therefore, a method that can suppress Cr poisoning of the air electrode without coating the separator is desired.

本発明者らの研究によると、空気極におけるCr被毒の程度は、空気極を構成する材料に著しく依存する(図1参照)。上記のように、空気極を構成する導電性酸化物としては、La1−xSrCo1−yFeに代表される、AサイトにSrを含んだペロブスカイト型複合酸化物が一般的であるが、SrがCrとの間に高い反応性を有しているため、この種の材料においては、Cr被毒が深刻になりやすい。特許文献1の電極材料は、電極の性能を長期に亘って良好に維持することを意図したものであるが、Cr被毒の抑制という観点での耐久性については考慮されていない。実際に、特許文献1では、実施例において、希土類金属に加えて結晶中に含まれる元素としてSrが採用されていることから、Cr被毒が深刻となると考えられる。 According to the study by the present inventors, the degree of Cr poisoning in the air electrode depends significantly on the material constituting the air electrode (see FIG. 1). As described above, as the conductive oxide constituting the air electrode, a perovskite complex oxide containing Sr at the A site, represented by La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 , is generally used. Although Sr has high reactivity with Cr, Cr poisoning tends to be serious in this type of material. The electrode material of Patent Document 1 is intended to maintain good electrode performance over a long period of time, but durability in terms of suppressing Cr poisoning is not considered. Actually, in Patent Document 1, in the examples, Sr is adopted as an element contained in the crystal in addition to the rare earth metal, so that Cr poisoning is considered to be serious.

本発明が解決しようとする課題は、Crを含む金属材料と接触した状態で用いても、Cr被毒が起こりにくい空気極材料および空気極、そしてそのような空気極を有する固体酸化物形燃料電池を提供することにある。   The problem to be solved by the present invention is an air electrode material and an air electrode that hardly cause poisoning of Cr even when used in contact with a metal material containing Cr, and a solid oxide fuel having such an air electrode To provide a battery.

上記課題を解決するために、本発明にかかる空気極材料は、固体酸化物形燃料電池の空気極を構成する材料であり、Rを希土類およびBiから選択される3価の金属とし、Aを、Crを含有する金属材料との接触界面におけるCrとの反応性がSrよりも低い2価の金属とし、Bを、Fe,Co,Ni,Mnから選択される1種または2種以上とし、δを酸素空孔量、0<x<1として、R1−xBO3−δの組成を有するペロブスカイト型導電性酸化物よりなるものである。 In order to solve the above problems, an air electrode material according to the present invention is a material constituting an air electrode of a solid oxide fuel cell, wherein R is a trivalent metal selected from rare earth and Bi, and A is , A bivalent metal having a reactivity with Cr lower than that of Sr at the contact interface with a metal material containing Cr, and B is one or more selected from Fe, Co, Ni, Mn, It is made of a perovskite-type conductive oxide having a composition of R x A 1-x BO 3 -δ , where δ is the amount of oxygen vacancies and 0 <x <1.

ここで、R=La、A=Ca、B=Feであるとよい。さらに、0.5<x<0.8であるとよい。特に、0.55≦x≦0.70であるとよい。   Here, it is preferable that R = La, A = Ca, and B = Fe. Furthermore, it is preferable that 0.5 <x <0.8. In particular, 0.55 ≦ x ≦ 0.70 is preferable.

本発明にかかる空気極は、上記のような空気極材料を含んでなり、固体酸化物形燃料電池を構成するものである。   The air electrode according to the present invention comprises the above air electrode material and constitutes a solid oxide fuel cell.

本発明にかかる固体酸化物形燃料電池は、固体酸化物電解質よりなる電解質層と、前記電解質層に接合された燃料極と、前記燃料極に対向して前記電解質層に接合された上記のような空気極と、を有するものである。   The solid oxide fuel cell according to the present invention includes an electrolyte layer made of a solid oxide electrolyte, a fuel electrode bonded to the electrolyte layer, and the above-described electrode bonded to the electrolyte layer facing the fuel electrode. A positive air electrode.

ここで、前記固体酸化物形燃料電池は、前記空気極に接触して、Crを含有する金属材料よりなるセパレータをさらに有するとよい。   Here, the solid oxide fuel cell may further include a separator made of a metal material containing Cr in contact with the air electrode.

上記発明にかかる空気極材料を構成する導電性酸化物は、Crとの間に高い反応性を有するSrを含有しておらず、金属元素Aとして、Crとの反応性がSrよりも低いものを含有している。よって、Crを含有する金属材料と接触した状態で使用しても、Crとの反応による劣化を起こしにくい。よって、そのような空気極材料を用いて固体酸化物形燃料電池の空気極を形成し、Crを含有する金属材料よりなるセパレータと接触させて用いたとしても、空気極のCr被毒が起こりにくく、長期の耐久性に優れた空気極となる。   The conductive oxide constituting the air electrode material according to the present invention does not contain Sr having high reactivity with Cr, and the metal element A has lower reactivity with Cr than Sr. Contains. Therefore, even if it uses in the state which contacted the metal material containing Cr, it is hard to raise | generate degradation by reaction with Cr. Therefore, even if such an air electrode material is used to form an air electrode of a solid oxide fuel cell and is used in contact with a separator made of a metal material containing Cr, Cr poisoning of the air electrode occurs. It is difficult to form an air electrode with excellent long-term durability.

ここで、R=La、A=Ca、B=Feである場合には、CaとCrの間の反応性の低さにより、空気極材料のCr被毒を効果的に抑制することができる。また、安定にペロブスカイト型構造をとった状態で、Ca2+のLa3+での置換を行いやすく、高い酸化物イオン導電性と電子導電性を両立しやすい。 Here, when R = La, A = Ca, and B = Fe, Cr poisoning of the air electrode material can be effectively suppressed due to the low reactivity between Ca and Cr. Moreover, it is easy to replace Ca 2+ with La 3+ in a state where the perovskite structure is stably adopted, and it is easy to achieve both high oxide ion conductivity and electronic conductivity.

さらに、0.5<x<0.8である場合には、それよりもxが小さい領域や大きい領域と比較して、空気極材料における酸素透過の活性化エネルギーが顕著に低くなる。よって、比較的低温で運転されるSOFCの空気極を構成するのに好適に用いることができる。特に、0.55≦x≦0.70である場合には、活性化エネルギーが小さいだけでなく、酸素透過速度の値自体も大きくなるため、空気極として用いることで、とりわけ高い発電特性を有する固体酸化物形燃料電池を得ることができる。 Furthermore, when 0.5 <x <0.8, the activation energy for oxygen permeation in the air electrode material is significantly lower than in regions where x is smaller or larger than that. Therefore, it can be suitably used to construct an SOFC air electrode operated at a relatively low temperature. In particular, when 0.55 ≦ x ≦ 0.70, not only the activation energy is small, but also the value of the oxygen permeation rate itself is large, so that it has particularly high power generation characteristics when used as an air electrode. A solid oxide fuel cell can be obtained.

上記発明にかかる空気極および固体酸化物形燃料電池においては、上記のような空気極材料より空気極を構成することにより、ステンレス鋼等、Crを含有する金属材料よりなるセパレータを接触させて用いたとしても、空気極におけるCr被毒を抑制することができる。よって、長期間の使用を経ても、特性の劣化の小さい空気極および固体酸化物形燃料電池とすることができる。   In the air electrode and the solid oxide fuel cell according to the above invention, the separator made of a metal material containing Cr, such as stainless steel, is used by making the air electrode from the above air electrode material. Even if it exists, Cr poisoning in an air electrode can be suppressed. Therefore, even after a long period of use, an air electrode and a solid oxide fuel cell with little deterioration in characteristics can be obtained.

導電性酸化物とCr鋼との界面における反応性の検証結果を示すSEM−EPMA像である。(a)はLaCa1−xFeO3−δ(x=0.5)/Cr鋼界面におけるCaの分布、(b)はLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.83−δ/Cr鋼界面におけるSrの分布を示している。It is a SEM-EPMA image which shows the verification result of the reactivity in the interface of a conductive oxide and Cr steel. (A) is the distribution of Ca at the La x Ca 1-x FeO 3-δ (x = 0.5) / Cr steel interface, and (b) is La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8. It shows the distribution of Sr at the O 3−δ / Cr steel interface. LaCa1−xFeO3−δ(x=0.4,0.5,0.6)のX線回折パターンであり、(b)は(a)中の四角で囲んだ部分の拡大図である。It is an X-ray diffraction pattern of La x Ca 1-x FeO 3-δ (x = 0.4, 0.5, 0.6), and (b) is an enlarged view of a portion surrounded by a square in (a). It is. LaCa1−xFeO3−δ(x=0.5,0.6)のX線回折パターンを、立方晶および直方晶ペロブスカイト型構造についてのシミュレーション結果と比較する図である。(b)は(a)中の四角で囲んだ部分の拡大図である。 La x Ca 1-x FeO 3 -δ the X-ray diffraction pattern of (x = 0.5,0.6), a diagram provided for comparison between the simulation result of the cubic and Akira Nogata perovskite structure. (B) is an enlarged view of a portion surrounded by a square in (a). LaCa1−xFeO3−δ(x=0.6)について、酸素透過速度を計測した実験の結果であり、温度を変化させながら計測した酸素および窒素の透過速度を示している。For La x Ca 1-x FeO 3 -δ (x = 0.6), the results of experiments to measure the oxygen transmission rate indicates a transmission rate of oxygen and nitrogen were measured while changing the temperature. LaCa1−xFeO3−δについて、xを様々に変化させた場合の酸素透過速度の温度依存性を示す実験結果であり、(a)は線形表示、(b)はアレニウスプロットである。For La x Ca 1-x FeO 3 -δ, it is an experimental result showing the temperature dependence of the oxygen transmission rate in the case of variously changing the x, is (a) a linear display, (b) the Arrhenius plot . LaCa1−xFeO3−δについて、酸素透過の活性化エネルギーのLaドープ量xに対する依存性を示す図である。For La x Ca 1-x FeO 3 -δ, it is a diagram showing a dependency on La doping amount x of activation energy for oxygen transmission.

以下に、本発明の実施形態にかかる空気極材料、空気極、および固体酸化物形燃料電池について説明する。   Hereinafter, an air electrode material, an air electrode, and a solid oxide fuel cell according to embodiments of the present invention will be described.

[空気極材料]
まず、本発明の一実施形態にかかる空気極材料について説明する。本発明の一実施形態にかかる空気極材料は、以下のような導電性酸化物よりなっている。
[Air electrode material]
First, an air electrode material according to an embodiment of the present invention will be described. The air electrode material according to one embodiment of the present invention is made of the following conductive oxide.

本空気極材料を構成する導電性酸化物は、R1−xBO3−δの組成を有するペロブスカイト型導電性酸化物である。ここで、Rは、希土類およびBiから選択される3価の金属である。また、Aは2価の金属である。Bは、Fe,Co,Ni,Mnから選択される1種または2種以上である。xはRのドープ量であり、0<x<1である。δは酸素空孔量である。R,A,Bはそれぞれ、単一の金属種よりなってもよいし、所定の群から選択される2種以上が混在してもよい。 The conductive oxide constituting the air electrode material is a perovskite type conductive oxide having a composition of R x A 1-x BO 3-δ . Here, R is a trivalent metal selected from rare earths and Bi. A is a divalent metal. B is one or more selected from Fe, Co, Ni, and Mn. x is the doping amount of R, and 0 <x <1. δ is the amount of oxygen vacancies. Each of R, A, and B may be made of a single metal species, or two or more selected from a predetermined group may be mixed.

1−xBO3−δにおいて、Aは、Srを除く2価金属であり、Crを含有する金属材料との接触界面におけるCrとの反応性が、Srよりも低いものである。例えば、R1−xBO3−δをステンレス鋼(Cr鋼)等のCrを含有する金属材料と接触させた際の接触界面におけるAとCrの間の反応性が、La1−xSrCo1−yFe3−δ(0<x<1;0<y<1;δは酸素空孔量)を同じCrを含有する金属材料と接触させた接触界面におけるSrとCrの間の反応性よりも、低くなっている。 In R x A 1-x BO 3-δ , A is a divalent metal excluding Sr, and has a lower reactivity with Cr at the contact interface with a metal material containing Cr than Sr. For example, the reactivity between A and Cr at the contact interface when R x A 1-x BO 3-δ is brought into contact with a metal material containing Cr such as stainless steel (Cr steel) is La 1-x. Sr and Co at the contact interface where Sr x Co 1-y Fe y O 3−δ (0 <x <1; 0 <y <1; δ is the amount of oxygen vacancies) is contacted with the same metal material containing Cr It is lower than the reactivity during.

R,A,Bのそれぞれが、上記のような価数およびCrとの反応性等の条件を満たしていれば、また、R1−xBO3−δがペロブスカイト型構造を構成し、導電性を備えるのであれば、R,A,Bの具体的な金属種は特に限定されない。しかし、Rの好適な例として、La,Pr,Nd,Gd,Sm,Y等の希土類元素やBiを挙げることができる。この中で特に、Laを用いることが好ましい。Laは、ドープ時にペロブスカイト型結晶構造を安定に構成しやすく、また、希土類元素の中でも大きいイオン半径をもつことから、格子体積の大きいペロブスカイト結晶となり、その結果として高いイオン導電率を与える、等の理由による。 If each of R, A, and B satisfies the above conditions such as valence and reactivity with Cr, R x A 1-x BO 3-δ constitutes a perovskite structure, If it has electroconductivity, the specific metal seed | species of R, A, and B will not be specifically limited. However, preferred examples of R include rare earth elements such as La, Pr, Nd, Gd, Sm, and Y, and Bi. Among these, it is particularly preferable to use La. La can easily form a perovskite crystal structure when doped, and has a large ionic radius among rare earth elements, so that it becomes a perovskite crystal having a large lattice volume, resulting in high ionic conductivity, etc. Depending on the reason.

一方、金属Aの好適な例として、Mg,Ca,Ba,Pb等を挙げることができる。この中で、Crを含有する金属材料との接触界面におけるCrとの反応性がとりわけ低いという点において、Caを用いることが特に好ましい。また、La3+のイオン半径が1.36Å、Ca2+のイオン半径が1.34Åと近いため、R=Laとし、A=Caとすることで、ペロブスカイト型構造において、Ca2+のLa3+での置換を行いやすい。 On the other hand, Mg, Ca, Ba, Pb etc. can be mentioned as a suitable example of the metal A. Among these, it is particularly preferable to use Ca in that the reactivity with Cr is particularly low at the contact interface with the metal material containing Cr. Also, since the ionic radius of La 3+ is close to 1.36 Å and the ionic radius of Ca 2+ is close to 1.34 Å, by setting R = La and A = Ca, in the perovskite structure, Ca 2+ in La 3+ Easy to replace.

金属Bは、Fe,Co,Ni,Mnのいずれであっても、導電性ペロブスカイト型酸化物結晶を構成することができる。しかし、B=Feとすることで、後述するように、Fe3+とFe4+の安定な混合原子価状態を利用して、高い電子導電性を達成しやすい。Feの一部をCo,Ni,Mnのいずれかで置換してもよく、例えば、これらの金属で、Feのうち20%程度を置換する形態が好適である。 Even if the metal B is any of Fe, Co, Ni, and Mn, a conductive perovskite oxide crystal can be formed. However, by setting B = Fe, high electronic conductivity can be easily achieved by utilizing a stable mixed valence state of Fe 3+ and Fe 4+ as described later. A part of Fe may be substituted with any one of Co, Ni, and Mn. For example, a form in which about 20% of Fe is substituted with these metals is preferable.

LaCa1−xFeO3−δをはじめとするR1−xBO3−δは、電子導電性と酸化物イオン導電性をともに備えた電子・酸化物イオン混合導電性の酸化物材料として機能しうる。この材料において、電子導電性は、酸素空孔の存在下で、B3+(例えばFe3+)とB4+(例えばFe4+)の混合原子価状態が形成されることによってもたらされる。さらに、結晶中でA2+がR3+で置換されることで、その混合原子価状態において、電荷中性条件によって、B4+の割合が増加する。これにより、高い電子導電性が得られる。LaCa1−xFeO3−δの場合には、おおむね、Laドープ量xが0.4〜0.95の範囲で、電子導電性が高くなりやすい。 La x Ca 1-x FeO 3 -δ and other R x A 1-x BO 3 -δ , the electron-oxide ion mixed conducting oxides with electronic conductivity with both the oxide ion-conducting Can function as a material. In this material, electronic conductivity is brought about by the formation of a mixed valence state of B 3+ (eg Fe 3+ ) and B 4+ (eg Fe 4+ ) in the presence of oxygen vacancies. Furthermore, by replacing A 2+ with R 3+ in the crystal, the ratio of B 4+ increases in the mixed valence state depending on the charge neutrality condition. Thereby, high electronic conductivity is obtained. In the case of La x Ca 1-x FeO 3 -δ , the electronic conductivity tends to be high when the La doping amount x is generally in the range of 0.4 to 0.95.

酸化物イオン導電性に関しては、導電性酸化物の母材となる結晶の種類と、Rのドープ量xの両方に依存する。例えば、LaCa1−xFeO3−δの場合、母材となるCaFe自体が2×10−3S/cmのように高い酸化物イオン導電率を示すため、Laドープ量xの広い範囲で、比較的高い酸化物イオン導電性を得ることができる。さらに、酸化物イオン導電性は、Laドープ量xにも依存し、後の実施例に示すように、0.5<x<0.8、中でも0.55≦x≦0.70の領域で、酸化物イオンの形での酸素透過において、低い活性化エネルギーが得られている。このことより、高い酸化物イオン導電性を達成する観点から、Laドープ量xを、0.5<x<0.8の範囲とすることが好ましい。特に、低い活性化エネルギーを有することに加え、酸化物イオン導電性の値自体が大きくなる、0.55≦x≦0.70の範囲とすることが好ましい。 The oxide ion conductivity depends on both the kind of crystal serving as a base material of the conductive oxide and the doping amount x of R. For example, in the case of La x Ca 1-x FeO 3-δ , the Ca 2 Fe 2 O 5 itself that is a base material exhibits high oxide ion conductivity such as 2 × 10 −3 S / cm. A relatively high oxide ion conductivity can be obtained in a wide range of the amount x. Furthermore, the oxide ion conductivity also depends on the La doping amount x, and as shown in a later example, in the region of 0.5 <x <0.8, particularly 0.55 ≦ x ≦ 0.70. A low activation energy is obtained in oxygen permeation in the form of oxide ions. For this reason, from the viewpoint of achieving high oxide ion conductivity, the La doping amount x is preferably in the range of 0.5 <x <0.8. In particular, in addition to having a low activation energy, the oxide ion conductivity value itself is preferably in a range of 0.55 ≦ x ≦ 0.70.

1−xBO3−δは、酸化物イオンの形での酸素透過において、一般に固体酸化物形燃料電池(SOFC)の空気極材料として多用されるLa1−xSrCo1−yFe3−δよりも低い活性化エネルギーを有することが好ましい。La1−xSrCo1−yFe3−δの活性化エネルギーは、xおよびyの値にも依存するが、x=0.4,y=0.2の時に、約120kJ/molであり、R1−xBO3−δは、120kJ/mol未満、さらには100kJ/mol以下、70kJ/mol以下の活性化エネルギーを有することが好ましい。 R x A 1-x BO 3-δ is La 1-x Sr x Co 1-, which is commonly used as an air electrode material of a solid oxide fuel cell (SOFC) in oxygen permeation in the form of oxide ions. It is preferable to have an activation energy lower than y Fe y O 3 -δ . The activation energy of La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3-δ depends on the values of x and y, but is approximately 120 kJ / when x = 0.4 and y = 0.2. R x A 1-x BO 3-δ is preferably less than 120 kJ / mol, more preferably 100 kJ / mol or less, and 70 kJ / mol or less.

上記のように、R1−xBO3−δは、ペロブスカイト型結晶構造をとる。この場合に、ペロブスカイト型構造のAサイトを占めるA2+の一部がR3+に置換されることになる。LaCa1−xFeO3−δの場合、母材であるCaFeはブラウンミラライト構造をとるが、Laドープ量xの増加に伴い、ペロブスカイト型構造への構造変化が起こる。後に実施例に示すように、少なくともx=0.4以上では、ペロブスカイト型構造が支配的となる。さらに詳しくは、立方晶に近い直方晶ペロブスカイト型構造をとる可能性が高いと考えられる。 As described above, R x A 1-x BO 3-δ has a perovskite crystal structure. In this case, a part of A 2+ occupying the A site of the perovskite structure is replaced with R 3+ . In the case of La x Ca 1-x FeO 3-δ , the base material Ca 2 Fe 2 O 5 has a brown miralite structure, but as the La doping amount x increases, a structural change to a perovskite structure occurs. . As will be shown later in the examples, at least x = 0.4 or more, the perovskite structure becomes dominant. More specifically, it is considered that there is a high possibility that a tetragonal perovskite structure close to cubic is taken.

1−xBO3−δは、適宜、固相法、液相法等により、製造することができる。LaCa1−xFeO3−δは、例えば、液相法の一種である有機錯体重合法(Pechini法;米国特許第3330697号明細書)により前駆体を合成し、焼成することで、好適に製造することができる。この酸化物を固相法によって製造しようとすると、La源としてLaを用いることになるが、Laの結晶粒径が大きいために、Laを均一にドープすることが困難である。これに対し、液相法を用いることで、Laの均一なドープを達成しやすい。 R x A 1-x BO 3-δ can be appropriately produced by a solid phase method, a liquid phase method, or the like. La x Ca 1-x FeO 3-δ is suitable, for example, by synthesizing and firing a precursor by an organic complex polymerization method (Pecini method; US Pat. No. 3,330,697) which is a kind of liquid phase method. Can be manufactured. When this oxide is manufactured by the solid phase method, La 2 O 3 is used as the La source. However, since the crystal grain size of La 2 O 3 is large, it is difficult to dope La uniformly. is there. On the other hand, uniform dope of La can be easily achieved by using the liquid phase method.

本実施形態にかかる導電性酸化物R1−xBO3−δよりなる空気極材料は、単独でSOFCの空気極を構成するのに用いられても、他種の導電性酸化物等、それ以外の材料と混合されて空気極を構成してもよい。ただし、他の材料を混合する場合であっても、空気極全体としてのCr被毒を低減する観点から、Srを含有する材料は使用しない方がよい。また、R1−xBO3−δの一般式で表現される空気極材料として、1種の材料のみを用いても、2種以上を混合して用いてもよい。 The air electrode material made of the conductive oxide R x A 1-x BO 3-δ according to the present embodiment may be used alone to form the SOFC air electrode, but other types of conductive oxides, etc. The air electrode may be mixed with other materials. However, even when other materials are mixed, it is better not to use a material containing Sr from the viewpoint of reducing Cr poisoning as the entire air electrode. Further, as an air electrode material is represented by the general formula R x A 1-x BO 3 -δ, even with only one material may be used as a mixture of two or more.

[空気極および固体酸化物形燃料電池]
次に、本発明の一実施形態にかかる空気極およびSOFCについて説明する。
[Air electrode and solid oxide fuel cell]
Next, an air electrode and an SOFC according to an embodiment of the present invention will be described.

本発明の一実施形態にかかる空気極は、上記で説明した本発明の一実施形態にかかる空気極材料を含んでなるものである。そして、本発明の一実施形態にかかるSOFCは、そのような空気極を含んで構成されるものである。   The air electrode according to one embodiment of the present invention comprises the air electrode material according to one embodiment of the present invention described above. And SOFC concerning one Embodiment of this invention is comprised including such an air electrode.

本発明の一実施形態にかかるSOFCは、固体酸化物電解質材料よりなる電解質層と、燃料極(アノード)および空気極(カソード)の2つの電極よりなる単セルの構造を基本とするものである。単セルにおいては、電解質層に、燃料極と空気極が相互に対向して接合されている。単セルとしては、平板型、円筒型等、種々の形状のものがありうる。また、各形状を有する単セルとして、電解質層をもって支持体とするものの他、厚く形成した燃料極を支持体とするものがありうる。本実施形態にかかる空気極は、電解質層を支持体とする場合にも、燃料極を支持体とする場合にも、適用することができる。なお、以下では、セパレータを空気極に密着させてセルスタックを構成する観点から、平板型の単セルを主に想定している。   The SOFC according to one embodiment of the present invention is based on a single cell structure comprising an electrolyte layer made of a solid oxide electrolyte material and two electrodes, a fuel electrode (anode) and an air electrode (cathode). . In a single cell, a fuel electrode and an air electrode are joined to an electrolyte layer so as to face each other. The single cell may have various shapes such as a flat plate type and a cylindrical type. Further, as a single cell having each shape, there can be one having an electrolyte layer as a support, and a thick fuel electrode as a support. The air electrode according to the present embodiment can be applied both when the electrolyte layer is used as a support and when the fuel electrode is used as a support. In the following description, a flat plate type single cell is mainly assumed from the viewpoint of forming a cell stack by bringing a separator into close contact with an air electrode.

単セルを構成する空気極としては、上記で説明した本発明の一実施形態にかかる空気極材料よりなるものを用いる。電解質層および燃料極を構成する材料は、特に限定されるものではないが、以下のようなものを例示することができる。   As an air electrode which comprises a single cell, what consists of air electrode material concerning one Embodiment of this invention demonstrated above is used. Although the material which comprises an electrolyte layer and a fuel electrode is not specifically limited, The following can be illustrated.

電解質層は、酸化物イオン導電性を示す固体酸化物電解質材料よりなり、具体例としては、スカンジア(Sc)、イットリア(Y)、セリア(CeO)、カルシア(CaO)、マグネシア(MgO)などから選択される1種または2種以上の酸化物によって安定化された安定化ジルコニア(ZrO)、およびサマリア(Sm)、ガドリニア(Gd)、イットリアなどから選択される1種または2種以上の酸化物を含むセリア(CeO)系固溶体、安定化ジルコニアおよび/またはセリア系固溶体とアルミナとの複合体などを例示することができる。これらのうち、安定化ジルコニアや、安定化ジルコニアとアルミナの複合物が好適である。 The electrolyte layer is made of a solid oxide electrolyte material exhibiting oxide ion conductivity. Specific examples include scandia (Sc 2 O 3 ), yttria (Y 2 O 3 ), ceria (CeO 2 ), and calcia (CaO). , Stabilized zirconia (ZrO 2 ), samaria (Sm 2 O 3 ), gadolinia (Gd 2 O 3 ), yttria stabilized by one or more oxides selected from magnesia (MgO) and the like Examples thereof include ceria (CeO 2 ) -based solid solutions containing one or more oxides selected from the above, stabilized zirconia and / or composites of ceria-based solid solutions and alumina, and the like. Of these, stabilized zirconia and a composite of stabilized zirconia and alumina are preferable.

また、燃料極の材料としては、金属触媒、またはそれら金属触媒と固体電解質とから形成されるサーメットを例示することができる。金属触媒としては、具体的には、Ni,Ni合金,酸化ニッケル(NiO),Co,Ru,Pt,Pdなどを例示することができる。これらは2種以上混合されていてもよい。一方、サーメットを構成する固体電解質としては、上記電解質層を構成しうる固体酸化物電解質材料として列挙したような、安定化ジルコニア、セリア系固溶体等を採用することができる。サーメットにおいて、金属触媒と固体電解質との比率(質量比)は、好ましくは、触媒:固体電解質=30:70〜70:30の範囲内にあるとよい。   Moreover, as a material of a fuel electrode, the cermet formed from a metal catalyst or these metal catalysts and a solid electrolyte can be illustrated. Specific examples of the metal catalyst include Ni, Ni alloy, nickel oxide (NiO), Co, Ru, Pt, and Pd. Two or more of these may be mixed. On the other hand, as the solid electrolyte constituting the cermet, stabilized zirconia, ceria-based solid solution, and the like as listed as solid oxide electrolyte materials that can constitute the electrolyte layer can be employed. In the cermet, the ratio (mass ratio) between the metal catalyst and the solid electrolyte is preferably in the range of catalyst: solid electrolyte = 30: 70 to 70:30.

また、単セルにおいて、電極(燃料極、空気極)と電解質層との間に、電解質材料と電極材料との間の反応を抑制することや、電極の触媒活性を増大させること等を目的として、任意に中間層などが介在されてもよい。中間層を構成する材料としては、具体的には、ガドリア、イットリア、セリアから選択される少なくとも1種の酸化物を例示することができる。   In a single cell, for the purpose of suppressing the reaction between the electrolyte material and the electrode material between the electrode (fuel electrode, air electrode) and the electrolyte layer, or increasing the catalytic activity of the electrode An intermediate layer or the like may optionally be interposed. Specific examples of the material constituting the intermediate layer include at least one oxide selected from gadria, yttria, and ceria.

上記のような単セルは、例えば以下のように製造することができる。すなわち、まず、プレス成形法やテープ成形法などによって、固体酸化物電解質材料を平板状等、所望の形状に成形し、その組成に応じて最適な温度で焼結し、電解質層を形成する。次いで、この電解質層の一方の面に、燃料極材料を含むスラリーを、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、ハケ塗り法、スプレー法、ディッピング法などにより塗布し、その組成に応じて最適な温度で焼結し、燃料極とする。同様にして、電解質層の他方の面に、上記空気極材料を含むスラリーを塗布して焼結し、空気極とする。   The single cell as described above can be manufactured, for example, as follows. That is, first, a solid oxide electrolyte material is formed into a desired shape such as a flat plate shape by a press molding method or a tape molding method, and sintered at an optimum temperature according to the composition to form an electrolyte layer. Next, the slurry containing the fuel electrode material is applied to one surface of the electrolyte layer by a screen printing method, a doctor blade method, a brush coating method, a spray method, a dipping method, etc., and at an optimum temperature according to its composition. Sinter to make the fuel electrode. Similarly, the slurry containing the air electrode material is applied to the other surface of the electrolyte layer and sintered to form an air electrode.

単セルは、セパレータ(インターコネクタ)を介して複数を電気的に直列に接続して使用することが好ましい。セパレータは、ガス流路が形成された導電性材料よりなる。セパレータを構成する材料としては、Cr鋼に代表されるステンレス鋼、あるいはCr系合金、Ni系合金等の耐熱金属材料を例示することができる。これらよりなる板状の材料に、プレス加工、エッチング加工等によってガス流路を形成し、セパレータとすることができる。単セルとセパレータを、適宜集電材を介在させながら、交互に積層することで、セルスタックを構築することができる。   It is preferable to use a single cell by electrically connecting a plurality of single cells via a separator (interconnector). The separator is made of a conductive material in which a gas flow path is formed. Examples of the material constituting the separator include stainless steel typified by Cr steel, or heat-resistant metal materials such as Cr-based alloys and Ni-based alloys. A gas flow path can be formed in a plate-like material made of these materials by pressing, etching, or the like to form a separator. A cell stack can be constructed by stacking single cells and separators alternately with a current collector appropriately interposed.

本SOFCは、600〜1000℃の温度で運転することができる。SOFCを運転温度にまで昇温した状態で、セパレータのガス流路を介して、燃料極に燃料ガスを供給し、空気極に空気を供給する。燃料ガスとしては、水素、メタン、あるいはこれらを窒素等の不活性ガスで希釈したもの、都市ガス等を挙げることができる。   The present SOFC can be operated at a temperature of 600 to 1000 ° C. With the SOFC raised to the operating temperature, fuel gas is supplied to the fuel electrode and air is supplied to the air electrode through the gas flow path of the separator. Examples of the fuel gas include hydrogen, methane, those diluted with an inert gas such as nitrogen, city gas, and the like.

本SOFCにおいては、空気極が、上記で説明したLaCa1−xFeO3−δに代表されるR1−xBO3−δの組成を有する空気極材料を含んで構成されている。この導電性酸化物のCrに対する反応性が低いことにより、Crを含む金属材料よりなるセパレータを空気極に密着させてセルスタックを構成し、さらにそのセルスタックを600〜1000℃の温度環境に晒したとしても、空気極のCr被毒による発電性能の低下が起こりにくくなっている。 In the present SOFC, the air electrode includes an air electrode material having a composition of R x A 1-x BO 3-δ typified by La x Ca 1-x FeO 3-δ described above. Yes. Due to the low reactivity of the conductive oxide to Cr, a cell stack is formed by bringing a separator made of a metal material containing Cr into close contact with the air electrode, and the cell stack is exposed to a temperature environment of 600 to 1000 ° C. Even if it does, the fall of the power generation performance by Cr poisoning of an air electrode does not occur easily.

従来一般のLa1−xSrCo1−yFe3−δよりなる空気極を有するSOFCを、Crを含む金属材料よりなるセパレータと密着させてセルスタックを構成し、SOFCを運転すると、空気極においてCr被毒が発生し、SOFCの発電性能が低下することが知られている。詳細には、空気極とセパレータの接触界面において、SrとCrの相互間の反応が起こり(図1(b)参照)、界面にSrCrOが形成される。このSrCrOが抵抗成分となり、セルスタック全体としての発電性能が低下すると考えられる。なお、セパレータによる空気極のCr被毒は、セパレータと空気極の間に集電材を介在させる場合にも起こり得る。 When a SOFC having an air electrode made of conventional La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3-δ is brought into close contact with a separator made of a metal material containing Cr to form a cell stack, and the SOFC is operated It is known that Cr poisoning occurs in the air electrode, and the power generation performance of SOFC decreases. Specifically, a reaction between Sr and Cr occurs at the contact interface between the air electrode and the separator (see FIG. 1B), and SrCrO 4 is formed at the interface. This SrCrO 4 becomes a resistance component, and it is considered that the power generation performance of the entire cell stack is lowered. Note that Cr poisoning of the air electrode by the separator can also occur when a current collector is interposed between the separator and the air electrode.

これに対し、上記R1−xBO3−δは、Srを含まず、金属AのCrに対する反応性がSrよりも低いことにより、空気極とCrを含む金属材材料よりなるセパレータとの間で、金属AとCrの間の反応が起こるのを抑制することができる。その結果、La1−xSrCo1−yFe3−δの場合に問題となるような、Cr被毒によるSOFCの発電性能の低下を、小さく抑えることができる。その結果、SOFCの長期耐久性を高めることができる。 On the other hand, the R x A 1-x BO 3-δ does not contain Sr, and the reactivity of the metal A to Cr is lower than that of Sr, so that the separator made of a metal material containing the air electrode and Cr It is possible to suppress the reaction between the metal A and Cr. As a result, La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3-δ as a problem in the case of a reduction in the power generation performance of the SOFC according to Cr poisoning can be reduced. As a result, the long-term durability of the SOFC can be improved.

従来一般のセルスタックにおいては、空気極におけるCr被毒を防ぐために、セパレータの表面に、MnCoなどのスピネル系酸化物をはじめとする導電性酸化物からなるコーティングが施されることも多い。しかし、本SOFCにおいては、空気極におけるCr被毒が抑制されていることにより、そのようなコーティングを省略することができる。コーティングに要する費用を抑制する観点から、むしろコーティングを行わない方が好ましい。 In a conventional general cell stack, a coating made of a conductive oxide such as spinel oxide such as MnCo 2 O 4 may be applied on the surface of the separator in order to prevent Cr poisoning in the air electrode. Many. However, in the present SOFC, such coating can be omitted because Cr poisoning in the air electrode is suppressed. From the standpoint of reducing the cost required for coating, it is preferable not to perform coating.

特に、空気極材料として、LaCa1−xFeO3−δを用いてSOFCを構成することで、Cr被毒の抑制のみならず、空気極における電子導電性および酸化物イオン導電性にも優れた空気極を備えたSOFCとすることができる。なかでも、0.5<x<0.8の領域において酸素透過の活性化エネルギーが低くなることにより、空気極における酸化物イオン導電性を高め、SOFC全体としての発電性能を高めることができる。さらに、酸素透過の活性化エネルギーが低いことは、酸化物イオン導電性の温度依存性が小さいことを意味し、SOFCを低温で運転しても十分な発電性能を得られる可能性を示すものである。例えば本SOFCは、600〜850℃のような比較的低温の領域で運転することができる。運転温度の低温化は、運転に要するコストの削減と、各構成部材の長寿命化に寄与するものである。特に、0.55≦x≦0.70の領域においては、活性化エネルギーが低いだけでなく、酸化物イオン導電性の値自体が大きくなるため、それらの効果にとりわけ優れる。 In particular, by constituting SOFC using La x Ca 1-x FeO 3-δ as an air electrode material, not only the suppression of Cr poisoning but also the electronic conductivity and oxide ion conductivity in the air electrode The SOFC can be provided with an excellent air electrode. In particular, when the activation energy for oxygen permeation decreases in the region of 0.5 <x <0.8, the oxide ion conductivity in the air electrode can be increased, and the power generation performance as a whole SOFC can be improved. Furthermore, the low activation energy for oxygen permeation means that the temperature dependence of the oxide ion conductivity is small, indicating that there is a possibility that sufficient power generation performance can be obtained even if the SOFC is operated at a low temperature. is there. For example, the present SOFC can be operated in a relatively low temperature region such as 600 to 850 ° C. Lowering the operating temperature contributes to a reduction in the cost required for operation and a longer life of each component. In particular, in the region of 0.55 ≦ x ≦ 0.70, not only the activation energy is low, but also the oxide ion conductivity value itself is large, so that these effects are particularly excellent.

以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail using examples. The present invention is not limited to the following examples.

[試料の作製]
以降の各実験に用いるため、Laドープ量xを様々に変化させて、LaCa1−xFeO3−δの結晶を作製した。
[Sample preparation]
La x Ca 1-x FeO 3 -δ crystals were produced by changing the La doping amount x in various ways for use in the subsequent experiments.

x>0の場合については、La(99.99%)、CaCO(99.9%)、Fe(NO)・9HO(99.9%)を出発物質として、Pechini法により前駆体を合成し、900℃にて5時間のか焼を行った。さらに、ディスク状に成形し、1300℃で10時間の焼成を行った。 For x> 0, the Pechini method using La 2 O 3 (99.99%), CaCO 3 (99.9%), Fe (NO 3 ) · 9H 2 O (99.9%) as starting materials Then, the precursor was synthesized and calcined at 900 ° C. for 5 hours. Further, it was formed into a disk shape and fired at 1300 ° C. for 10 hours.

x=0の場合については、CaCO(99.9%)とFe(99.9%)を固相にて混合した後、900℃にて5時間のか焼を行った。さらに、ディスク状に成形し、1150℃で10時間の焼成を行った。 In the case of x = 0, CaCO 3 (99.9%) and Fe 2 O 3 (99.9%) were mixed in a solid phase and then calcined at 900 ° C. for 5 hours. Further, it was formed into a disk shape and fired at 1150 ° C. for 10 hours.

さらに、比較用に、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.83−δ(以下、LSCFと称する場合がある)のか焼粉を1200℃で12時間焼成した試料も準備した。 For comparison, a sample prepared by calcining calcined powder of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3-δ (hereinafter sometimes referred to as LSCF) at 1200 ° C. for 12 hours is also prepared. did.

[実験1:Cr被毒の評価]
最初に、LaCa1−xFeO3−δとLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.83−δのCr被毒の比較に関する実験を行った。
[Experiment 1: Evaluation of Cr poisoning]
First, an experiment on comparison of Cr poisoning of La x Ca 1-x FeO 3-δ and La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3-δ was performed.

(試験方法)
上記で準備したLaCa1−xFeO3−δ(x=0.5)と、LSCFの各試料ディスクを、Cr鋼(Cr含有量:22質量%)の平板と密着させて、大気中、800℃にて、1000時間放置した。その後、走査電子顕微鏡(SEM)を用いて接触界面の断面観察を行い、電子線マイクロアナライザ(EPMA)による元素分析により、各構成元素の分布をマッピングした。
(Test method)
La x Ca 1-x FeO 3-δ (x = 0.5) prepared above and each sample disk of LSCF were brought into close contact with a flat plate of Cr steel (Cr content: 22% by mass), and in the atmosphere And left at 800 ° C. for 1000 hours. Thereafter, the cross section of the contact interface was observed using a scanning electron microscope (SEM), and the distribution of each constituent element was mapped by elemental analysis using an electron beam microanalyzer (EPMA).

(結果)
図1に、SEM−EPMAによる元素マッピングの結果を示す。(a)がLaCa1−xFeO3−δを試料とした場合のCaの分布、(b)がLSCFを試料とした場合のSrの分布を示している。図の上方にLaCa1−xFeO3−δまたはLSCFが位置し、下方にCr鋼が位置している。また、図中に示した折れ線((a)では白、(b)ではグレー)は、それぞれ、SrおよびCaの分布濃度を示している。図の上方のスケールは、原子%を単位として、それらの分布濃度の値を表示するものである。
(result)
FIG. 1 shows the result of element mapping by SEM-EPMA. (A) shows the distribution of Ca when La x Ca 1-x FeO 3-δ is used as a sample, and (b) shows the distribution of Sr when LSCF is used as a sample. La x Ca 1-x FeO 3 -δ or LSCF is located in the upper part of the figure, and Cr steel is located in the lower part. Further, the broken lines shown in the figure (white in (a) and gray in (b)) indicate the distribution concentrations of Sr and Ca, respectively. The upper scale in the figure displays the values of the distribution concentrations in units of atomic%.

図1(b)のLSCFの場合においては、LSCFとCrの界面において、Srの分布に鋭いピークが見られている。つまり、Srが界面に凝集している。また、図の掲載は省略するが、界面において、Srの濃度が高い位置で、Crの濃度も高くなっている。一方、SrとCrの濃度が高い位置で、Feの濃度が低くなっている。これらの結果は、LSCFとCr鋼の接触界面において、SrとCrが反応して局所的に化合物を形成し、Feを含むペロブスカイト型酸化物を置換しているものと解釈される。   In the case of LSCF in FIG. 1B, a sharp peak is observed in the Sr distribution at the interface between LSCF and Cr. That is, Sr is aggregated at the interface. Although illustration is omitted, the Cr concentration is high at the interface where the Sr concentration is high. On the other hand, the Fe concentration is low at positions where the Sr and Cr concentrations are high. These results are interpreted as Sr and Cr reacting locally to form a compound at the contact interface between LSCF and Cr steel, and replacing the perovskite oxide containing Fe.

一方、図1(a)のLaCa1−xFeO3−δの場合においては、Caが接触界面に高密度で分布するというような挙動は見られない。このことは、LaCa1−xFeO3−δとCr鋼の接触界面において、CaとCrの間の相互拡散による反応が実質的に起こっていないことを示している。つまり、LaCa1−xFeO3−δは、LSCFとは異なり、Cr鋼との接触界面においてCr被毒を起こしにくいことが示されている。 On the other hand, in the case of La x Ca 1-x FeO 3-δ in FIG. 1A, no behavior is observed in which Ca is distributed at a high density at the contact interface. This indicates that the reaction due to mutual diffusion between Ca and Cr does not substantially occur at the contact interface between La x Ca 1-x FeO 3-δ and Cr steel. That is, La x Ca 1-x FeO 3-δ is unlikely to cause Cr poisoning at the contact interface with Cr steel, unlike LSCF.

[実験2:LaCa1−xFeO3−δの結晶構造の確認]
次に、LaCa1−xFeO3−δの結晶構造を確認した。
[Experiment 2: Confirmation of the crystal structure of La x Ca 1-x FeO 3-δ ]
Next, the crystal structure of La x Ca 1-x FeO 3-δ was confirmed.

(実験方法)
x=0.4,0.5,0.6の3通りの試料について、CuKα線を用いて、X線回折測定を行った。
(experimental method)
X-ray diffraction measurement was performed on three samples of x = 0.4, 0.5, and 0.6 using CuKα rays.

(結果)
図2に、各測定結果を示す。また、図3に、x=0.5,0.6の場合について、立方晶ペロブスカイト型構造をとる場合(Cubic Pm−3m)および直方晶ペロブスカイト型構造をとる場合(Orthorhombic Pbnm)のシミュレーション結果とともに示す。
(result)
FIG. 2 shows each measurement result. FIG. 3 shows the simulation results for the case of x = 0.5, 0.6 when the cubic perovskite structure is adopted (Cubic Pm-3m) and when the tetragonal perovskite structure is adopted (Orthohombic Pbnm). Show.

図3において、実測結果とシミュレーション結果を比較する。ここでは、直方晶ペロブスカイト型構造に特有のピークを「▲」で示しているが、それらのピークがx=0.5およびx=0.6の実測結果において明瞭に観察されている。それらのピークと他のピークとの強度比は、直方晶のシミュレーション結果とは異なっている。これらの結果から、少なくともx=0.5およびx=0.6の場合については、立方晶に近い直方晶のペロブスカイト型構造をとっている可能性が高いと言える。   In FIG. 3, the actual measurement result and the simulation result are compared. Here, the peaks peculiar to the tetragonal perovskite structure are indicated by “▲”, but these peaks are clearly observed in the measurement results of x = 0.5 and x = 0.6. The intensity ratio between these peaks and other peaks is different from the simulation results of tetragonal crystals. From these results, it can be said that at least when x = 0.5 and x = 0.6, there is a high possibility that a cubic perovskite structure close to cubic is taken.

さらに、図2において、x=0.4の場合についても、x=0.5,0.6の場合と基本的は同じ位置にピークが見られ、ペロブスカイト型構造が形成されていると解釈される。ただし、図2(b)に顕著に示されるように、x=0.5,0.6の場合よりも、ピークがブロードになっており、結晶構造に乱れが存在していることが示唆される。   Further, in FIG. 2, when x = 0.4, a peak is basically observed at the same position as when x = 0.5 and 0.6, and it is interpreted that a perovskite structure is formed. The However, as clearly shown in FIG. 2 (b), the peak is broader than in the case of x = 0.5, 0.6, suggesting that there is disorder in the crystal structure. The

[実験3:酸素透過特性の評価]
最後に、LaCa1−xFeO3−δの酸素透過特性の評価を行った。
[Experiment 3: Evaluation of oxygen permeation characteristics]
Finally, the oxygen permeation characteristics of La x Ca 1-x FeO 3-δ were evaluated.

(実験方法)
酸素透過特性の評価に先立ち、試料の緻密性の評価を行った。代表として、x=0.4およびx=0.6の試料ディスクに対して、アルキメデス法により、相対密度を計測した。その結果、相対密度97%(x=0.4)および98%(x=0.6)となった。このような高い緻密性を有することにより、酸素透過特性の評価を十分に正確に行えることが確認された。つまり、分子状での酸素の透過を実質的に排除し、酸化物イオンの形での酸素透過の速度を正確に評価することができる。
(experimental method)
Prior to the evaluation of oxygen permeation characteristics, the density of the sample was evaluated. As a representative, relative density was measured by Archimedes method for sample disks of x = 0.4 and x = 0.6. As a result, the relative densities were 97% (x = 0.4) and 98% (x = 0.6). It was confirmed that the oxygen permeation characteristics can be evaluated sufficiently accurately by having such a high density. In other words, molecular oxygen transmission can be substantially eliminated, and the oxygen transmission rate in the form of oxide ions can be accurately evaluated.

次に、Laドープ量xを様々に変化させた厚さ1.0mmの試料ディスクを用いて、酸素透過速度の測定を行った。測定に際しては、アルミナ管に閉塞された空間を試料ディスクによって2つの空間に区画しておき、一方の空間(上流側)に大気を供給するとともに、他方の空間(下流側)にヘリウムガスを流通させた(流量:20sccm)。この状態で、上流側の空間から下流側の空間に試料ディスクを介して酸素が透過する速度を、下流側の空間においてガスクロマトグラフィーによって測定した。測定に際しては、試料ディスクを含むアルミナ管に閉塞された空間の内部の温度を、800〜1000℃の範囲で変化させた。この際、図4内に、「1000℃」,「975℃」…と温度を表示しているように、所定時間だけ一定の温度に保った状態で酸素透過速度を測定した後、温度を不連続に変更し、再度、所定時間だけ一定の温度に保った状態で酸素透過速度を測定するという工程を繰り返した。測定温度の変更は、1000℃から順に低温にするという方法で行った。また、測定に際し、酸素透過速度と併せて、試料のクラック等による物理的なガスリークの有無を確認するため、窒素透過速度の測定も行った。   Next, the oxygen transmission rate was measured using a sample disk having a thickness of 1.0 mm in which the La doping amount x was varied. In the measurement, the space closed by the alumina tube is divided into two spaces by the sample disk, air is supplied to one space (upstream side), and helium gas is circulated to the other space (downstream side). (Flow rate: 20 sccm). In this state, the speed at which oxygen permeates through the sample disk from the upstream space to the downstream space was measured by gas chromatography in the downstream space. In the measurement, the temperature inside the space closed by the alumina tube including the sample disk was changed in the range of 800 to 1000 ° C. At this time, as shown in FIG. 4, “1000 ° C.”, “975 ° C.”, etc., the oxygen permeation rate was measured while maintaining a constant temperature for a predetermined time, and then the temperature was The process of changing to continuous was repeated and the oxygen permeation rate was measured again while maintaining a constant temperature for a predetermined time. The measurement temperature was changed by a method of decreasing the temperature from 1000 ° C. in order. In addition, the nitrogen permeation rate was also measured in order to confirm the presence or absence of physical gas leaks due to cracks in the sample along with the oxygen permeation rate.

(結果)
図4に、x=0.6の場合について、温度を変更しながら、試料ディスクの単位面積当たりにおける酸素透過速度JO2(mol/cm/sec)を測定した結果を示す。まず、ほぼ窒素透過速度がゼロであることから、ガスリークがないことが確認される。すわわち、得られた酸素透過速度は、分子状での酸素の透過を示しているのではなく、酸素が酸化物イオンとして酸素透過に寄与するものであることが分かる。そして、時間に対して測定温度を不連続に低下させているのに伴い、酸素透過速度が階段状に低下している。これは、酸素透過速度の温度依存性を示すものである。各温度における酸素透過速度が安定しており、酸化物イオンの形での酸素透過速度が高い信頼性で計測されていることが確認できる。
(result)
FIG. 4 shows the result of measuring the oxygen transmission rate J O2 (mol / cm 2 / sec) per unit area of the sample disk while changing the temperature in the case of x = 0.6. First, since the nitrogen permeation rate is almost zero, it is confirmed that there is no gas leak. In other words, it can be seen that the obtained oxygen permeation rate does not indicate molecular permeation of oxygen but oxygen contributes to oxygen permeation as oxide ions. As the measurement temperature is decreased discontinuously with respect to time, the oxygen permeation rate decreases stepwise. This shows the temperature dependence of the oxygen transmission rate. It can be confirmed that the oxygen transmission rate at each temperature is stable, and the oxygen transmission rate in the form of oxide ions is measured with high reliability.

図5(a)に、Laドープ量xを様々に変化させた試料について、酸素透過速度を各温度で測定した結果を示す。いずれの試料においても、高温ほど酸素透過速度が大きくなる温度依存性を示しているが、酸素透過速度の絶対値および温度依存性の程度は、試料ごとに大きく異なっている。x=0.55,0.60,0.65,0.70の場合に、測定を行ったほぼ全温度領域において、酸素透過速度がLSCFの場合よりも大きくなっていることが分かる。   FIG. 5 (a) shows the results of measuring the oxygen transmission rate at various temperatures for samples with various La doping amounts x. Each sample shows temperature dependence in which the oxygen permeation rate increases as the temperature increases, but the absolute value of the oxygen permeation rate and the degree of temperature dependence vary greatly from sample to sample. In the case of x = 0.55, 0.60, 0.65, and 0.70, it can be seen that the oxygen transmission rate is higher than that in the case of LSCF in almost the entire temperature range in which the measurement was performed.

さらに、図5(b)に、同じデータをアレニウスプロットとして示す。つまり、縦軸に酸素透過速度の対数値logJO2を、横軸に測定温度の逆数1/Tをとって、酸素透過速度の温度依存性をプロットしている。アレニウスプロットを一次近似した傾きから酸素透過の活性化エネルギーを算出することができる。図5(b)においては、いずれの試料のデータ群も、一次近似がよく成り立っている。得られた活性化エネルギーの値は、Laドープ量xの関数として、図6に示している。LSCFでは活性化エネルギーが約120kJ/molになっているが、x=0,0.4,0.55,0.60,0.65,0.70の場合において、それを下回る活性化エネルギーが得られている。特に、x=0.55,0.60,0.65,0.70の場合には、48〜72kJ/molと、LSCFの場合の半分以下の活性化エネルギーとなっている。 Further, FIG. 5B shows the same data as an Arrhenius plot. That is, the logarithm LogJ O2 of oxygen transmission rate on the vertical axis, the horizontal axis represents the reciprocal 1 / T of the measuring temperature plots the temperature dependence of the oxygen transmission rate. The activation energy of oxygen permeation can be calculated from the slope obtained by linear approximation of the Arrhenius plot. In FIG. 5B, the linear approximation is well established for the data group of any sample. The value of the activation energy obtained is shown in FIG. 6 as a function of the La doping amount x. In LSCF, the activation energy is about 120 kJ / mol, but when x = 0, 0.4, 0.55, 0.60, 0.65, 0.70, the activation energy below that is Has been obtained. In particular, when x = 0.55, 0.60, 0.65, and 0.70, the activation energy is 48 to 72 kJ / mol, which is less than half that of LSCF.

このように、0.5<x<0.8の領域において、酸素透過の活性化エネルギーが小さくなっている。さらに、この0.5<x<0.8の領域、より詳細には、0.55≦x≦0.70の領域においては、図5(a)から分かるように、活性化エネルギーの低さのみならず、酸素透過速度の絶対値の大きさにおいても、おおむね全温度領域でLSCFの場合を上回っている。このことより、0.5<x<0.8、特に0.55≦x≦0.70の領域にあるLaCa1−xFeO3−δ材料を空気極として用いることで、比較的低温でSOFCを運転する場合にも、高い発電性能が得られると期待される。 Thus, in the region of 0.5 <x <0.8, the activation energy for oxygen permeation is small. Further, in this region of 0.5 <x <0.8, more specifically, in the region of 0.55 ≦ x ≦ 0.70, as shown in FIG. 5A, the activation energy is low. Not only that, the absolute value of the oxygen permeation rate is generally higher than that of LSCF in the entire temperature range. Accordingly, the La x Ca 1-x FeO 3-δ material in the region of 0.5 <x <0.8, particularly 0.55 ≦ x ≦ 0.70 is used as the air electrode, so that the temperature is relatively low. It is expected that high power generation performance can be obtained even when the SOFC is operated at the same time.

図6で、Laドープ量xの増加に伴い、xがごく小さい領域を除いて、x=0.5付近で活性化エネルギーが上昇した後、一旦低下し、さらに再度上昇するという挙動が見られている。このような特異な挙動をとる機構の詳細は不明であるが、上記実験2で確認したような結晶構造の変化が関係している可能性が考えられる。   In FIG. 6, as the La doping amount x increases, the activation energy rises near x = 0.5 except for a region where x is very small, and then decreases once and then rises again. ing. Although the details of the mechanism that takes such a unique behavior are unclear, there is a possibility that a change in the crystal structure as confirmed in Experiment 2 is related.

なお、この実験においては、図4に示すように、測定温度を所定の範囲で変化させて酸素透過速度を測定する一連の過程を連続して行っており、厳密には、ヘリウムを流通させている下流側空間の酸素濃度が経時的に上昇している。その酸素濃度の変化が、2つの空間の間における酸素分圧差の変化を介して、見積もられる活性化エネルギーの値に影響を与えている可能性がある。そこで、そのような影響の程度を確認するために、別の方法でも活性化エネルギーを見積もり、両者の値を比較した。具体的には、下流側における酸素分圧を変化させながら酸素透過速度を測定して、酸素透過速度の酸素分圧依存性を評価し、同じ酸素分圧差条件下での各温度の酸素透過速度から活性化エネルギーを見積もった。その結果、例えばx=0.6の場合の活性化エネルギーが60kJ/molとなり、上記の測定で見積もられた図6中の値よりも大きくなったが、xの値に対する活性化エネルギーの挙動およびLSCFの活性化エネルギーとの比較においては、図6に示した関係性を維持していた。このことから、上記の測定で得られた図5,6の結果は、少なくとも半定量的には、酸素透過速度の活性化エネルギーについて、xの値に対する依存性とLSCFとの比較における傾向を正確に示すものである。   In this experiment, as shown in FIG. 4, a series of processes for measuring the oxygen transmission rate by changing the measurement temperature in a predetermined range is continuously performed. Strictly speaking, helium is circulated. The oxygen concentration in the downstream space increases with time. The change in the oxygen concentration may affect the estimated activation energy value through the change in the oxygen partial pressure difference between the two spaces. Therefore, in order to confirm the degree of such influence, the activation energy was estimated by another method, and the values were compared. Specifically, the oxygen transmission rate was measured while changing the oxygen partial pressure on the downstream side to evaluate the oxygen partial pressure dependency of the oxygen transmission rate, and the oxygen transmission rate at each temperature under the same oxygen partial pressure differential condition The activation energy was estimated from As a result, for example, the activation energy when x = 0.6 is 60 kJ / mol, which is larger than the value in FIG. 6 estimated by the above measurement, but the behavior of the activation energy with respect to the value of x. In comparison with the activation energy of LSCF and LSCF, the relationship shown in FIG. 6 was maintained. From this, the results of FIGS. 5 and 6 obtained by the above measurement show, at least semi-quantitatively, an accurate analysis of the dependence of the oxygen permeation rate activation energy on the value of x and the comparison with LSCF. It is shown in

本発明は上記実施形態および実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。また、本発明においては、R1−xBO3−δの組成を有する導電性酸化物をSOFCの空気極材料として用いているが、この導電性酸化物は、SOFCの空気極に限られず、固体酸化物形電解セル(SOEC)の空気極、酸素センサに代表される各種装置の電極や酸素透過膜等、電子・酸化物イオン混合導電性を必要とする各種用途において、Crを含有する金属材料との接触界面におけるCrとの反応性の低い導電性酸化物として利用することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. In the present invention, although using a conductive oxide having a composition of R x A 1-x BO 3 -δ as an air electrode material of SOFC, the conductive oxide is limited to the air electrode of the SOFC In addition, Cr is contained in various applications that require mixed conductivity of electrons and oxide ions, such as air electrodes of solid oxide electrolytic cells (SOEC), electrodes of various devices represented by oxygen sensors, oxygen permeable membranes, etc. It can be used as a conductive oxide having low reactivity with Cr at the contact interface with the metal material to be used.

Claims (7)

固体酸化物形燃料電池の空気極を構成する材料であり、
Rを希土類およびBiから選択される3価の金属とし、
Aを、Crを含有する金属材料との接触界面におけるCrとの反応性がSrよりも低い2価の金属とし、
Bを、Fe,Co,Ni,Mnから選択される1種または2種以上とし、
δを酸素空孔量、0<x<1として、
1−xBO3−δの組成を有するペロブスカイト型導電性酸化物よりなることを特徴とする空気極材料。
A material constituting the air electrode of a solid oxide fuel cell,
R is a trivalent metal selected from rare earths and Bi,
A is a divalent metal whose reactivity with Cr at a contact interface with a metal material containing Cr is lower than Sr,
B is one or more selected from Fe, Co, Ni, Mn,
where δ is the amount of oxygen vacancies, 0 <x <1,
R x A 1-x BO air electrode material, characterized by consisting of a perovskite-type conductive oxide having a composition of 3-[delta].
R=La、A=Ca、B=Feであることを特徴とする請求項1に記載の空気極材料。   The air electrode material according to claim 1, wherein R = La, A = Ca, and B = Fe. 0.5<x<0.8であることを特徴とする請求項2に記載の空気極材料。   The air electrode material according to claim 2, wherein 0.5 <x <0.8. 0.55≦x≦0.70であることを特徴とする請求項2または3に記載の空気極材料。   The air electrode material according to claim 2, wherein 0.55 ≦ x ≦ 0.70. 請求項1から4のいずれか1項に記載の空気極材料を含んでなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池の空気極。   An air electrode for a solid oxide fuel cell, comprising the air electrode material according to any one of claims 1 to 4. 固体酸化物電解質よりなる電解質層と、
前記電解質層に接合された燃料極と、
前記燃料極に対向して前記電解質層に接合された請求項5に記載の空気極と、を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
An electrolyte layer comprising a solid oxide electrolyte;
A fuel electrode joined to the electrolyte layer;
A solid oxide fuel cell comprising: the air electrode according to claim 5, wherein the air electrode is bonded to the electrolyte layer so as to face the fuel electrode.
前記空気極に接触して、Crを含有する金属材料よりなるセパレータをさらに有することを特徴とする請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to claim 6, further comprising a separator made of a metal material containing Cr in contact with the air electrode.
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