JP2020170607A - Anode for solid oxide fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池用アノードに関し、さらに詳しくは、固体酸化物電解質として、Y2O3、CeO2及びZrO2の複合酸化物(YCZ)を含む集電層を備えた固体酸化物形燃料電池用アノードに関する。 The present invention relates to an anode for a solid oxide fuel cell, and more specifically, a solid having a current collecting layer containing a composite oxide (YCZ) of Y 2 O 3 , CeO 2 and ZrO 2 as a solid oxide electrolyte. Regarding anodes for oxide fuel cells.
燃料電池は、環境問題・エネルギー問題を解決するための有力な手段の一つである。特に、固体酸化物型燃料電池(SOFC)は、(1)発電効率が高い、(2)多様な燃料に対応可能である、(3)小型分散電源から大規模火力代替システムまで幅広い適応性を持つ、(4)Pt触媒を必要としない、等の利点がある。
しかし、SOFC普及に向けて、作動温度(現状の作動温度:750℃)の低温化が鍵となっている。低温化(例えば、600℃)によって、(1)セルの耐久性向上(化学安定性)、(2)安価な筐体(安価なステンレス鋼)の使用、(3)起動停止時間の短縮、が可能となる。
Fuel cells are one of the powerful means for solving environmental and energy problems. In particular, solid oxide fuel cells (SOFCs) have a wide range of adaptability, from (1) high power generation efficiency, (2) compatible with a variety of fuels, and (3) small distributed power sources to large-scale thermal power alternative systems. It has advantages such as (4) no need for a Pt catalyst.
However, lowering the operating temperature (current operating temperature: 750 ° C.) is the key to the spread of SOFCs. By lowering the temperature (for example, 600 ° C), (1) improvement of cell durability (chemical stability), (2) use of an inexpensive housing (inexpensive stainless steel), and (3) shortening of start / stop time can be achieved. It will be possible.
従来のSOFCは、750℃で運転しており、電解質としてイットリア安定化ジルコニア(YSZ)を使用している。また、従来のSOFCのアノードには、電極触媒であるNiと固体酸化物電解質であるYSZとの複合体(いわゆる、「Ni−YSZサーメット」)が用いられている。YSZの結晶構造は、蛍石構造であり、対称性の高い結晶構造である。そのため、YSZ中の酸素イオンは、3次元方向への空孔拡散によって移動する。 Conventional SOFCs operate at 750 ° C. and use yttria-stabilized zirconia (YSZ) as the electrolyte. Further, as the anode of the conventional SOFC, a composite of Ni which is an electrode catalyst and YSZ which is a solid oxide electrolyte (so-called "Ni-YSZ cermet") is used. The crystal structure of YSZ is a fluorite structure, which is a highly symmetric crystal structure. Therefore, oxygen ions in YSZ move by vacancy diffusion in the three-dimensional direction.
YSZは、高温でのイオン伝導度が高い。そのため、SOFCの電解質やSOFCのアノード用の固体電解質には、専らYSZが用いられ、他の固体電解質が用いられた例は少ない。例えば、非特許文献1には、Ni(56wt%)−Ce0.5Zr0.5O2-δからなるSOFC燃料極が開示されている。 YSZ has high ionic conductivity at high temperatures. Therefore, YSZ is exclusively used as the SOFC electrolyte and the solid electrolyte for the SOFC anode, and there are few cases where other solid electrolytes are used. For example, Non-Patent Document 1 discloses an SOFC fuel electrode composed of Ni (56 wt%) -Ce 0.5 Zr 0.5 O 2-δ .
非特許文献2には、SOFCのアノードではないが、グリセロールを水蒸気改質し、合成ガスを製造するための触媒として、Ni(5wt%)−Ce0〜1Zr1〜0O2-δが開示されている。同文献には、Ce0.5Zr0.5O2-δが最も好ましい点が記載されている。
さらに、非特許文献3には、SOFCのアノードではないが、メタンを二酸化炭素と共に改質するための触媒として、Ni(15wt%)−MgO(10wt%)−Ce0〜1Zr1〜0O2-δが開示されている。同文献には、Ni−MgO−Ce0.8Zr0.2O2-δが最も好ましい点が記載されている。
Non-Patent Document 2 describes Ni (5 wt%) -Ce 0 to 1 Zr 1 to 0 O 2-δ as a catalyst for steam reforming glycerol and producing a synthetic gas, although it is not an anode of SOFC. It is disclosed. The document describes that Ce 0.5 Zr 0.5 O 2-δ is the most preferable.
Further, Non-Patent Document 3 describes Ni (15 wt%) -MgO (10 wt%) -Ce 0 to 1 Zr 1 to 0 O as a catalyst for reforming methane together with carbon dioxide, although it is not an anode of SOFC. 2-δ is disclosed. The document describes that Ni-MgO-Ce 0.8 Zr 0.2 O 2-δ is the most preferable.
SOFCは、一般に、電解質の両面に電極が接合された単セルが積層された構造(スタック構造)を取る。各単セルの間には、ガス流路が形成された集電体(セパレータ、インターコネクターなどとも呼ばれる)が配置される。 SOFCs generally have a structure (stack structure) in which single cells in which electrodes are bonded to both sides of an electrolyte are laminated. A current collector (also called a separator, an interconnector, etc.) having a gas flow path is arranged between each single cell.
このような構造を備えたSOFCにおいて、アノード流路にH2を含む燃料ガスを供給し、カソード流路に空気を供給すると、カソードから電解質を通ってアノードの表面までO2-が拡散する。その結果、アノード表面においてO2-とH2とが反応し、H2Oが生成する。H2Oは酸化剤でもあるため、アノードに含まれる電極触媒(Ni)を酸化させる原因となる。アノードに含まれるNiであって、集電体との接触面近傍に存在するものが酸化されると、接触抵抗が増大し、電池性能を低下させる原因となる。しかしながら、アノードの集電体側の表面が酸化されることに起因する接触抵抗の増大を抑制可能なアノードが提案された例は、従来にはない。 In an SOFC having such a structure, when a fuel gas containing H 2 is supplied to the anode flow path and air is supplied to the cathode flow path, O 2- diffuses from the cathode through the electrolyte to the surface of the anode. As a result, O 2- and H 2 react on the surface of the anode to generate H 2 O. Since H 2 O is also an oxidizing agent, it causes oxidation of the electrode catalyst (Ni) contained in the anode. When Ni contained in the anode and existing near the contact surface with the current collector is oxidized, the contact resistance increases, which causes the battery performance to deteriorate. However, there has been no conventional example in which an anode capable of suppressing an increase in contact resistance due to oxidation of the surface of the anode on the current collector side has been proposed.
本発明が解決しようとする課題は、アノード表面が酸化されることに起因する接触抵抗の増大を抑制可能な新規な固体酸化物形燃料電池用アノードを提供することにある。 An object to be solved by the present invention is to provide a novel anode for a solid oxide fuel cell capable of suppressing an increase in contact resistance due to oxidation of the anode surface.
上記課題を解決するために本発明に係る固体酸化物形燃料電池用アノードは、以下の構成を備えている。
(1)前記固体酸化物形燃料電池用アノードは、
拡散層と、
前記拡散層の集電体側表面に形成された集電層と、
前記拡散層の電解質側表面に形成された活性層と
を備えている。
(2)前記拡散層は、
Ni粒子(A)と、
イットリア安定化ジルコニアからなる電解質粒子(A)と
を含むサーメット(A)からなる。
(3)前記集電層は、
Ni粒子(B)と、
Y2O3、CeO2及びZrO2の複合酸化物(YCZ)からなる電解質粒子(B)と
を含むサーメット(B)からなる。
(4)前記活性層は、
Ni粒子(C)と、
固体酸化物からなる電解質粒子(C)と
を含むサーメット(C)からなる。
The anode for a solid oxide fuel cell according to the present invention in order to solve the above problems has the following configurations.
(1) The anode for a solid oxide fuel cell is
Diffusion layer and
The current collector layer formed on the current collector side surface of the diffusion layer and
It includes an active layer formed on the electrolyte side surface of the diffusion layer.
(2) The diffusion layer is
Ni particles (A) and
It consists of a cermet (A) containing electrolyte particles (A) made of yttria-stabilized zirconia.
(3) The current collector layer is
Ni particles (B) and
It is composed of a cermet (B) containing electrolyte particles (B) composed of a composite oxide (YCZ) of Y 2 O 3 , CeO 2 and ZrO 2 .
(4) The active layer is
Ni particles (C) and
It is composed of a cermet (C) containing electrolyte particles (C) composed of a solid oxide.
YCZは、酸化物イオン伝導体としての機能に加えて、酸素吸蔵・放出能を持つ。そのため、YCZをSOFCのアノードの集電層に適用した場合、高出力下での発電により水蒸気が多量に発生しても、YCZが水蒸気中の酸素イオンをトラップする。その結果、アノードの集電体側の表面近傍におけるNiの酸化、及び、これに起因するアノード/集電体間の接触抵抗の増加を抑制することができる。 YCZ has oxygen storage / release ability in addition to its function as an oxide ion conductor. Therefore, when YCZ is applied to the current collecting layer of the anode of SOFC, YCZ traps oxygen ions in the water vapor even if a large amount of water vapor is generated due to power generation under high output. As a result, it is possible to suppress the oxidation of Ni near the surface of the anode on the current collector side and the increase in contact resistance between the anode and the current collector due to this.
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 固体酸化物形燃料電池用アノード]
本発明に係る固体酸化物形燃料電池用アノードは、
拡散層と、
前記拡散層の集電体側表面に形成された集電層と、
前記拡散層の電解質側表面に形成された活性層と
を備えている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Anode for solid oxide fuel cell]
The anode for a solid oxide fuel cell according to the present invention is
Diffusion layer and
The current collector layer formed on the current collector side surface of the diffusion layer and
It includes an active layer formed on the electrolyte side surface of the diffusion layer.
[1.1. 拡散層]
本発明において、拡散層は、Ni粒子(A)と、イットリア安定化ジルコニアからなる電解質粒子(A)とを含むサーメット(A)からなる。拡散層は、活性層を支持するためのものである。拡散層と活性層との積層体を含むアノードにおいて、電極反応は、主として活性層内で生じる。そのため、拡散層は、必ずしも高いイオン伝導性を有している必要はない。
[1.1. Diffusion layer]
In the present invention, the diffusion layer is composed of a cermet (A) containing Ni particles (A) and electrolyte particles (A) composed of yttria-stabilized zirconia. The diffusion layer is for supporting the active layer. In the anode containing the laminate of the diffusion layer and the active layer, the electrode reaction occurs mainly in the active layer. Therefore, the diffusion layer does not necessarily have to have high ionic conductivity.
すなわち、拡散層は、少なくとも、
(a)その電解質側表面に形成される活性層を支持するための機能、
(b)燃料ガスを活性層まで拡散させる機能、
(c)電極反応により活性層で放出された電子を集電体まで輸送する機能、及び、
(d)電極反応により活性層で生成した水蒸気をアノード外に排出する機能
を備えている必要がある。
拡散層の組成は、このような機能を奏する限りにおいて、特に限定されない。
That is, the diffusion layer is at least
(A) Function for supporting the active layer formed on the surface on the electrolyte side,
(B) Function of diffusing fuel gas to the active layer,
(C) The function of transporting the electrons emitted in the active layer by the electrode reaction to the current collector, and
(D) It is necessary to have a function of discharging the water vapor generated in the active layer by the electrode reaction to the outside of the anode.
The composition of the diffusion layer is not particularly limited as long as it performs such a function.
[1.1.1. Ni粒子(A)]
Ni粒子(A)の含有量は、拡散層としての機能を奏する限りにおいて、特に限定されない。一般に、Ni粒子(A)の含有量が少なすぎると、拡散層の導電性が低下する。従って、Ni粒子(A)の含有量は、30wt%以上が好ましい。含有量は、好ましくは、40wt%以上である。
一方、Ni粒子(A)の含有量が過剰になると、電解質粒子(A)の含有量が少なくなり、機械的強度が低下する。従って、Ni粒子(A)の含有量は、70wt%以下が好ましい。含有量は、好ましくは、60wt%以下である。
[1.1.1. Ni particles (A)]
The content of the Ni particles (A) is not particularly limited as long as it functions as a diffusion layer. Generally, if the content of Ni particles (A) is too small, the conductivity of the diffusion layer is lowered. Therefore, the content of Ni particles (A) is preferably 30 wt% or more. The content is preferably 40 wt% or more.
On the other hand, when the content of the Ni particles (A) becomes excessive, the content of the electrolyte particles (A) decreases, and the mechanical strength decreases. Therefore, the content of Ni particles (A) is preferably 70 wt% or less. The content is preferably 60 wt% or less.
[1.1.2. 電解質粒子(A)]
本発明において、電解質粒子(A)は、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)からなる。電解質粒子(A)の組成は、拡散層としての機能を奏する限りにおいて、特に限定されない。すなわち、電解質粒子(A)は、活性層に含まれる電解質粒子(C)と同一の組成を有するものでも良く、あるいは、異なる組成を有するものでも良い。
[1.1.2. Electrolyte particles (A)]
In the present invention, the electrolyte particles (A) consist of yttria-stabilized zirconia (YSZ). The composition of the electrolyte particles (A) is not particularly limited as long as it functions as a diffusion layer. That is, the electrolyte particles (A) may have the same composition as the electrolyte particles (C) contained in the active layer, or may have a different composition.
電解質粒子(A)のY2O3含有量は、機械的強度、活性層に用いられる電解質粒子(C)との熱膨張係数差などを考慮して、3〜15mol%が好ましい。 The Y 2 O 3 content of the electrolyte particles (A) is preferably 3 to 15 mol% in consideration of mechanical strength, a difference in thermal expansion coefficient from the electrolyte particles (C) used for the active layer, and the like.
[1.1.3. 気孔率]
拡散層の気孔率は、アノードのガス拡散性、強度、電子伝導性などに影響を与える。一般に、拡散層の気孔率が小さすぎると、ガス拡散性が低下する。従って、拡散層の気孔率は、40%以上が好ましい。気孔率は、好ましくは、45%以上、さらに好ましくは、50%以上である。
一方、拡散層の気孔率が大きくなりすぎると、強度及び電子伝導性が低下する。従って、拡散層の気孔率は、60%以下が好ましい。気孔率は、好ましくは、58%以下、さらに好ましくは、55%以下である。
[1.1.3. Porosity]
The porosity of the diffusion layer affects the gas diffusivity, strength, electron conductivity, etc. of the anode. In general, if the porosity of the diffusion layer is too small, the gas diffusivity decreases. Therefore, the porosity of the diffusion layer is preferably 40% or more. The porosity is preferably 45% or more, more preferably 50% or more.
On the other hand, if the porosity of the diffusion layer becomes too large, the strength and electron conductivity will decrease. Therefore, the porosity of the diffusion layer is preferably 60% or less. The porosity is preferably 58% or less, more preferably 55% or less.
[1.2. 集電層]
集電層は、拡散層の集電体側表面に形成される。本発明において、集電層は、Ni粒子(B)と、Y2O3、CeO2及びZrO2の複合酸化物(YCZ)からなる電解質粒子(B)とを含むサーメット(B)からなる。集電層は、CeO2−ZrO2固溶体(CZ)からなるCZ粒子をさらに含んでいても良い。
集電層は、拡散層から集電体に電子を輸送するためのものである。そのため、集電層は、必ずしも高いイオン伝導度を有している必要はない。しかし、Ni粒子(B)が酸化することに起因する接触抵抗の増大を抑制するためには、集電層の材料は、耐酸化性に優れている材料である必要がある。
[1.2. Current collector layer]
The current collector layer is formed on the surface of the diffusion layer on the current collector side. In the present invention, the current collecting layer is composed of a cermet (B) containing Ni particles (B) and electrolyte particles (B) composed of a composite oxide (YCZ) of Y 2 O 3 , CeO 2 and ZrO 2 . The current collector layer may further contain CZ particles composed of a CeO 2- ZrO 2 solid solution (CZ).
The current collector layer is for transporting electrons from the diffusion layer to the current collector. Therefore, the current collector layer does not necessarily have to have high ionic conductivity. However, in order to suppress the increase in contact resistance due to the oxidation of the Ni particles (B), the material of the current collector layer needs to be a material having excellent oxidation resistance.
[1.2.1. Ni粒子(B)]
Ni粒子(B)の含有量は、集電層としての機能を奏する限りにおいて、特に限定されない。一般に、Ni粒子(B)の含有量が少なすぎると、集電層の導電性が低下する。従って、Ni粒子(B)の含有量は、30wt%以上が好ましい。含有量は、好ましくは、40wt%以上である。
一方、Ni粒子(B)の含有量が過剰になると、電解質粒子(B)の含有量が少なくなり、機械的強度が低下する。従って、Ni粒子(B)の含有量は、70wt%以下が好ましい。含有量は、好ましくは、60wt%以下である。
[1.2.1. Ni particles (B)]
The content of the Ni particles (B) is not particularly limited as long as it functions as a current collector layer. Generally, if the content of Ni particles (B) is too small, the conductivity of the current collector layer decreases. Therefore, the content of Ni particles (B) is preferably 30 wt% or more. The content is preferably 40 wt% or more.
On the other hand, when the content of the Ni particles (B) becomes excessive, the content of the electrolyte particles (B) decreases, and the mechanical strength decreases. Therefore, the content of Ni particles (B) is preferably 70 wt% or less. The content is preferably 60 wt% or less.
[1.2.2. 電解質粒子(B)]
[A. 酸素吸蔵・放出能]
電解質粒子(B)は、Y2O3、CeO2及びZrO2の複合酸化物(YCZ)からなる。CeO2は、ZrO2に酸素吸蔵・放出能を付与する作用がある。一方、Y2O3は、ZrO2内、又は、CeO2−ZrO2固溶体(以下、「CZ」ともいう)内に酸素イオン空孔を導入し、ZrO2又はCZのイオン伝導度を向上させる作用がある。そのため、適量のY2O3及びCeO2を含むYCZを電解質粒子(B)として用いると、高い発電性能と高い耐久性とを兼ね備えた集電層が得られる。
[1.2.2. Electrolyte particles (B)]
[A. Oxygen storage / release capacity]
The electrolyte particles (B) are composed of a composite oxide (YCZ) of Y 2 O 3 , CeO 2 and ZrO 2 . CeO 2 has the effect of imparting oxygen storage / release ability to ZrO 2 . On the other hand, Y 2 O 3 is within ZrO 2, or, CeO 2 -ZrO 2 solid solution (hereinafter, also referred to as "CZ") oxygen ions vacancies introduced into, improve the ion conductivity of the ZrO 2 or CZ It works. Therefore, when YCZ containing an appropriate amount of Y 2 O 3 and Ce O 2 is used as the electrolyte particles (B), a current collector layer having both high power generation performance and high durability can be obtained.
次の式(1)に、CZの酸素吸蔵・放出反応の反応式を示す。式(1)中、右側に進む反応は酸化反応を表し、左側に進む反応は還元反応を表す。
CeO2-x−ZrO2+(x/2)O2 ⇔ CeO2−ZrO2 …(1)
ZrO2中に固溶しているCeイオンは、周囲の雰囲気中の酸素分圧に応じて、可逆的に3価の状態(還元状態)と、4価の状態(酸化状態)とを取ることができる。そのため、CZが酸化雰囲気に曝される時には、CZは雰囲気中にある酸素イオンを結晶格子内に取り込む(図3参照)。一方、CZが還元雰囲気に曝される時には、CZは結晶格子内にある酸素イオンを雰囲気中に放出する。この点は、YCZも同様である。
The following formula (1) shows the reaction formula of the oxygen occlusion / release reaction of CZ. In formula (1), the reaction that proceeds to the right side represents an oxidation reaction, and the reaction that proceeds to the left side represents a reduction reaction.
CeO 2-x −ZrO 2 + (x / 2) O 2 ⇔ CeO 2 −ZrO 2 … (1)
Ce ions dissolved in ZrO 2 reversibly take a trivalent state (reducing state) and a tetravalent state (oxidizing state) according to the partial pressure of oxygen in the surrounding atmosphere. Can be done. Therefore, when the CZ is exposed to an oxidizing atmosphere, the CZ takes in oxygen ions in the atmosphere into the crystal lattice (see FIG. 3). On the other hand, when the CZ is exposed to a reducing atmosphere, the CZ releases oxygen ions in the crystal lattice into the atmosphere. This point is the same for YCZ.
[B. 組成]
電解質粒子(B)は、特に、次の式(2)で表される組成を有するものが好ましい。
YxCeyZr1-x-yO2-δ …(2)
但し、
0<x≦0.30、
0<y≦0.20、
δは、電気的中性が保たれる値。
[B. composition]
The electrolyte particles (B) are particularly preferably those having a composition represented by the following formula (2).
Y x Ce y Zr 1-xy O 2-δ ... (2)
However,
0 <x ≤ 0.30,
0 <y ≦ 0.20,
δ is a value that maintains electrical neutrality.
[B.1. x]
式(2)中、xは、電解質粒子(B)に含まれるY、Ce及びZrの総モル数に対するYのモル数の比を表す。xは、特に限定されるものではなく、0超であれば良い。
但し、xが大きくなりすぎると、拡散層に含まれる電解質粒子(A)との熱膨張係数差が大きくなり、機械的強度が低下する場合がある。従って、xは、0.30以下が好ましい。xは、好ましくは、0.20以下である。
[B. 1. 1. x]
In the formula (2), x represents the ratio of the number of moles of Y to the total number of moles of Y, Ce and Zr contained in the electrolyte particle (B). x is not particularly limited and may be more than 0.
However, if x becomes too large, the difference in thermal expansion coefficient from the electrolyte particles (A) contained in the diffusion layer becomes large, and the mechanical strength may decrease. Therefore, x is preferably 0.30 or less. x is preferably 0.20 or less.
[B.2. y]
式(2)中、yは、電解質粒子(B)に含まれるY、Ce及びZrの総モル数に対するCeのモル数の比を表す。Ceは、上述したように、ZrO2に酸素吸蔵・放出能を付与する作用がある。そのため、yが小さくなりすぎると、集電層の耐酸化性が低下する。従って、yは、0超が好ましい。yは、好ましくは、0.001以上、さらに好ましくは、0.02以上である。
[B. 2. y]
In the formula (2), y represents the ratio of the number of moles of Ce to the total number of moles of Y, Ce and Zr contained in the electrolyte particle (B). As described above, Ce has an action of imparting oxygen storage / release ability to ZrO 2 . Therefore, if y becomes too small, the oxidation resistance of the current collector layer decreases. Therefore, y is preferably more than 0. y is preferably 0.001 or more, more preferably 0.02 or more.
一方、yが大きくなりすぎると、酸素拡散の活性化エネルギーが大きくなり、かえって酸素が拡散しにくくなる(参考文献1参照)。また、yが大きくなりすぎると、焼結性が低下し、集電層の機械的特性が低下する。従って、yは、0.20以下が好ましい。yは、好ましくは、0.1以下、さらに好ましくは、0.08以下である。
[参考文献1]J. Phys. Chem. B 1997, 101, 1750-1753
On the other hand, when y becomes too large, the activation energy of oxygen diffusion becomes large, and on the contrary, it becomes difficult for oxygen to diffuse (see Reference 1). On the other hand, if y becomes too large, the sinterability is lowered and the mechanical properties of the current collector layer are lowered. Therefore, y is preferably 0.20 or less. y is preferably 0.1 or less, more preferably 0.08 or less.
[Reference 1] J. Phys. Chem. B 1997, 101, 1750-1753
[B.3. δ]
δは、電気的中性が保たれる値を表す。Zrは4価であるのに対し、Yは3価である。また、Ceは、ZrO2中において、4価又は3価を取る。そのため、ZrO2にY及びCeを固溶させると、電気的中性が保たれるように、所定量の酸素空孔が導入される。
[B. 3. 3. δ]
δ represents a value at which electrical neutrality is maintained. Zr is tetravalent, whereas Y is trivalent. In addition, Ce takes a tetravalent or trivalent value in ZrO 2 . Therefore, when Y and Ce are dissolved in ZrO 2 , a predetermined amount of oxygen vacancies are introduced so that electrical neutrality is maintained.
[C. Ce/Zr比]
「Ce/Zr比」とは、電解質粒子(B)に含まれるZrの平均モル濃度に対するCeの平均モル濃度の比をいう。
Ce/Zr比が大きくなるほど、集電層の耐久性が向上する。このような効果を得るためには、Ce/Zr比は、0.001以上が好ましい。
[C. Ce / Zr ratio]
The “Ce / Zr ratio” refers to the ratio of the average molar concentration of Ce to the average molar concentration of Zr contained in the electrolyte particles (B).
The larger the Ce / Zr ratio, the better the durability of the current collector layer. In order to obtain such an effect, the Ce / Zr ratio is preferably 0.001 or more.
一方、Ce/Zr比が大きくなりすぎると、かえってイオン伝導度が低下し、あるいは、焼結性が低下する。従って、Ce/Zr比は、0.20以下が好ましい。 On the other hand, if the Ce / Zr ratio becomes too large, the ionic conductivity is rather lowered, or the sinterability is lowered. Therefore, the Ce / Zr ratio is preferably 0.20 or less.
[1.2.3. 気孔率]
集電層の気孔率は、アノードのガス拡散性、強度、電子伝導性などに影響を与える。一般に、集電層の気孔率が小さすぎると、ガス拡散性が低下する。従って、集電層の気孔率は、40%以上が好ましい。気孔率は、好ましくは、45%以上、さらに好ましくは、50%以上である。
一方、集電層の気孔率が大きくなりすぎると、強度及び電子伝導性が低下する。従って、集電層の気孔率は、60%以下が好ましい。気孔率は、好ましくは、58%以下、さらに好ましくは、55%以下である。
[12.3. Porosity]
The porosity of the current collector layer affects the gas diffusivity, strength, electron conductivity, etc. of the anode. In general, if the porosity of the current collector layer is too small, the gas diffusibility decreases. Therefore, the porosity of the current collector layer is preferably 40% or more. The porosity is preferably 45% or more, more preferably 50% or more.
On the other hand, if the porosity of the current collector layer becomes too large, the strength and electron conductivity will decrease. Therefore, the porosity of the current collector layer is preferably 60% or less. The porosity is preferably 58% or less, more preferably 55% or less.
[1.2.4. CZ粒子]
CZ粒子とは、CeO2−ZrO2固溶体からなる粒子をいう。YCZを含む集電層の製造方法には、種々の方法がある。例えば、Ni−YSZサーメットからなる拡散層の表面に、CZ粒子を含むスラリーを含浸させ、所定の温度で焼成すると、表面近傍のYSZとCZとが反応し、YCZが生成する。この時、未反応のCZ粒子が残留する場合がある。集電層は、このような未反応のCZ粒子を含んでいても良い。
[12.4. CZ particles]
CZ particles refer to particles composed of a CeO 2- ZrO 2 solid solution. There are various methods for manufacturing the current collector layer containing YCZ. For example, when the surface of a diffusion layer made of Ni—YSZ cermet is impregnated with a slurry containing CZ particles and fired at a predetermined temperature, YSZ and CZ in the vicinity of the surface react with each other to generate YCZ. At this time, unreacted CZ particles may remain. The current collector layer may contain such unreacted CZ particles.
[1.3. 活性層]
活性層は、拡散層の電解質側表面に形成される。本発明において、活性層は、Ni粒子(C)と、固体酸化物からなる電解質粒子(C)とを含むサーメット(C)からなる。活性層は、電極反応の反応場となる部分である。そのため、活性層は、電子伝導性及びイオン伝導性に優れている必要がある。また、高い耐久性を得るためには、活性層は、耐酸化性に優れているのが好ましい。
[1.3. Active layer]
The active layer is formed on the electrolyte side surface of the diffusion layer. In the present invention, the active layer is composed of a cermet (C) containing Ni particles (C) and electrolyte particles (C) made of a solid oxide. The active layer is a portion that serves as a reaction field for the electrode reaction. Therefore, the active layer needs to be excellent in electron conductivity and ionic conductivity. Further, in order to obtain high durability, the active layer preferably has excellent oxidation resistance.
[1.3.1. Ni粒子(C)]
Ni粒子(C)は、活性層中において、電極触媒及び電子伝導体として機能する。そのため、Ni粒子(C)の含有量が少なくなりすぎると、セル全抵抗が高くなり、発電出力も低下する。従って、Ni粒子(C)の含有量は、30wt%以上が好ましい。
[13.1. Ni particles (C)]
The Ni particles (C) function as an electrode catalyst and an electron conductor in the active layer. Therefore, if the content of the Ni particles (C) becomes too small, the total resistance of the cell increases and the power generation output also decreases. Therefore, the content of Ni particles (C) is preferably 30 wt% or more.
一方、Ni粒子(C)の含有量が過剰になると、活性層中における電解質粒子(C)の割合が少なくなるため、かえってセル全抵抗が高くなり、発電出力も低下する。従って、Ni粒子(C)の含有量は、70.0wt%以下が好ましい。Ni粒子(C)の含有量は、好ましくは、65.0wt%以下、さらに好ましくは、60wt%以下である。 On the other hand, when the content of Ni particles (C) becomes excessive, the proportion of electrolyte particles (C) in the active layer decreases, so that the total cell resistance increases and the power generation output also decreases. Therefore, the content of Ni particles (C) is preferably 70.0 wt% or less. The content of the Ni particles (C) is preferably 65.0 wt% or less, more preferably 60 wt% or less.
[1.3.2. 電解質粒子(C)]
電解質粒子(C)の組成は、活性層としての機能を奏する限りにおいて、特に限定されない。電解質粒子(C)は、電解質粒子(A)及び/又は電解質粒子(B)と同一の組成を有するものでも良く、あるいは、異なる組成を有するものでも良い。
[1.3.2. Electrolyte particles (C)]
The composition of the electrolyte particles (C) is not particularly limited as long as it functions as an active layer. The electrolyte particles (C) may have the same composition as the electrolyte particles (A) and / or the electrolyte particles (B), or may have a different composition.
電解質粒子(C)としては、例えば、
(a)3mol%以上15mol%以下のY2O3を含むイットリア安定化ジルコニア、
(b)次の式(3)を満たすYCZ、
などがある。
Yx’Cey'Zr1-x'-y'O2-δ' …(3)
但し、
0<x'≦0.30、
0<y'≦0.20、
δ'は、電気的中性が保たれる値。
Examples of the electrolyte particles (C) include, for example.
(A) Yttria-stabilized zirconia containing Y 2 O 3 of 3 mol% or more and 15 mol% or less.
(B) YCZ, which satisfies the following equation (3),
and so on.
Y x 'Ce y' Zr 1 -x'-y 'O 2-δ' ... (3)
However,
0 <x'≤ 0.30,
0 <y'≤ 0.20,
δ'is a value that maintains electrical neutrality.
特に、式(3)で表すYCZは、耐酸化性に優れているので、活性層を構成する電解質粒子(C)として好適である。電解質粒子(C)がYCZからなる場合、x’及びy’は、以下の条件を満たしているのが好ましい。 In particular, YCZ represented by the formula (3) has excellent oxidation resistance and is therefore suitable as the electrolyte particles (C) constituting the active layer. When the electrolyte particles (C) are made of YCZ, x'and y'preferably satisfy the following conditions.
[A. x']
式(3)中、x'は、電解質粒子(C)に含まれるY、Ce及びZrの総モル数に対するYのモル数の比を表す。Yは、上述したように、ZrO2のイオン伝導度を向上させる作用がある。そのため、x'が小さくなりすぎると、活性層のイオン伝導度が低下する。従って、x'は、0超が好ましい。x'は、好ましくは、0.03以上、好ましくは、0.05以上、さらに好ましくは、0.07以上である。
[A. x']
In the formula (3), x'represents the ratio of the number of moles of Y to the total number of moles of Y, Ce and Zr contained in the electrolyte particle (C). As described above, Y has an effect of improving the ionic conductivity of ZrO 2 . Therefore, if x'is too small, the ionic conductivity of the active layer will decrease. Therefore, x'preferably more than 0. x'is preferably 0.03 or more, preferably 0.05 or more, and more preferably 0.07 or more.
一方、x'が大きくなりすぎると、かえってイオン伝導度が低下する。従って、xは、0.30以下が好ましい。xは、好ましくは、0.20以下である。 On the other hand, if x'becomes too large, the ionic conductivity will rather decrease. Therefore, x is preferably 0.30 or less. x is preferably 0.20 or less.
[B. y']
式(3)中、y'は、電解質粒子(C)に含まれるY、Ce及びZrの総モル数に対するCeのモル数の比を表す。Ceは、上述したように、ZrO2に酸素吸蔵・放出能を付与する作用がある。そのため、y'が小さくなりすぎると、活性層の耐酸化性が低下する。従って、y'は、0超が好ましい。y'は、好ましくは、0.001以上である。
[B. y']
In the formula (3), y'represents the ratio of the number of moles of Ce to the total number of moles of Y, Ce and Zr contained in the electrolyte particle (C). As described above, Ce has an action of imparting oxygen storage / release ability to ZrO 2 . Therefore, if y'is too small, the oxidation resistance of the active layer is lowered. Therefore, y'preferably more than 0. y'is preferably 0.001 or more.
一方、y'が大きくなりすぎると、酸素拡散の活性化エネルギーが大きくなり、かえって酸素が拡散しにくくなる(参考文献1参照)。また、y'が大きくなりすぎると、焼結性が低下し、活性層の機械的特性が低下する。従って、y'は、0.20以下が好ましい。 On the other hand, if y'is too large, the activation energy of oxygen diffusion becomes large, and oxygen is rather difficult to diffuse (see Reference 1). On the other hand, if y'is too large, the sinterability is lowered and the mechanical properties of the active layer are lowered. Therefore, y'is preferably 0.20 or less.
[C. δ']
δ'は、電気的中性が保たれる値を表す。Zrは4価であるのに対し、Yは3価である。また、Ceは、ZrO2中において、4価又は3価を取る。そのため、ZrO2にY及びCeを固溶させると、電気的中性が保たれるように、所定量の酸素空孔が導入される。
[C. δ']
δ'represents a value at which electrical neutrality is maintained. Zr is tetravalent, whereas Y is trivalent. In addition, Ce takes a tetravalent or trivalent value in ZrO 2 . Therefore, when Y and Ce are dissolved in ZrO 2 , a predetermined amount of oxygen vacancies are introduced so that electrical neutrality is maintained.
[D. Ce/Zr比]
「Ce/Zr比」とは、電解質粒子(C)に含まれるZrの平均モル濃度に対するCeの平均モル濃度の比をいう。
Ce/Zr比が大きくなるほど、活性層の耐久性が向上する。このような効果を得るためには、Ce/Zr比は、0.001以上が好ましい。Ce/Zr比は、好ましくは、0.002以上である。
[D. Ce / Zr ratio]
The “Ce / Zr ratio” refers to the ratio of the average molar concentration of Ce to the average molar concentration of Zr contained in the electrolyte particles (C).
The larger the Ce / Zr ratio, the better the durability of the active layer. In order to obtain such an effect, the Ce / Zr ratio is preferably 0.001 or more. The Ce / Zr ratio is preferably 0.002 or more.
一方、Ce/Zr比が大きくなりすぎると、かえってイオン伝導度が低下し、あるいは、焼結性が低下する。従って、Ce/Zr比は、0.20以下が好ましい。 On the other hand, if the Ce / Zr ratio becomes too large, the ionic conductivity is rather lowered, or the sinterability is lowered. Therefore, the Ce / Zr ratio is preferably 0.20 or less.
[1.3.3. 気孔率]
活性層の気孔率は、発電特性に影響を与える。活性層の気孔率が小さすぎると、反応生成物である水蒸気の排出特性が低下する。従って、活性層の気孔率は、20%以上が好ましい。気孔率は、好ましくは、22%以上、さらに好ましくは、25%以上である。
一方、活性層の気孔率が大きくなりすぎると、三相界面が相対的に少なくなり、かえって発電特性が低下する。従って、活性層の気孔率は、40%以下が好ましい。気孔率は、好ましくは、35%以下、さらに好ましくは、30%以下である。
[1.3.3. Porosity]
The porosity of the active layer affects the power generation characteristics. If the porosity of the active layer is too small, the discharge characteristics of water vapor, which is a reaction product, deteriorate. Therefore, the porosity of the active layer is preferably 20% or more. The porosity is preferably 22% or more, more preferably 25% or more.
On the other hand, if the porosity of the active layer becomes too large, the three-phase interface becomes relatively small, and the power generation characteristics are rather deteriorated. Therefore, the porosity of the active layer is preferably 40% or less. The porosity is preferably 35% or less, more preferably 30% or less.
[1.4. 特性]
[1.4.1. オーミック抵抗]
「オーミック抵抗」とは、燃料電池の内部抵抗の内、構成素材の抵抗成分をいう。YCZを集電層に用いることによって、酸素吸蔵作用を示し、かつ、酸素拡散性も向上する。酸素吸蔵作用により、Ni酸化に対する抵抗が向上し、集電層の電子伝導性の低下が抑制される。その結果、オーミック抵抗が低下する。
具体的には、アノードの組成を最適化すると、オーミック抵抗は、0.12Ω・cm以下となる。アノードの組成をさらに最適化すると、オーミック抵抗は、0.11Ω・cm以下となる。
[1.4. Characteristic]
[1.4.1. Ohmic resistance]
"Ohmic resistance" refers to the resistance component of the constituent material among the internal resistance of the fuel cell. By using YCZ for the current collector layer, it exhibits an oxygen storage effect and also improves oxygen diffusivity. Due to the oxygen storage action, the resistance to Ni oxidation is improved, and the decrease in electron conductivity of the current collector layer is suppressed. As a result, the ohmic resistance is reduced.
Specifically, when the composition of the anode is optimized, the ohmic resistance becomes 0.12 Ω · cm or less. If the composition of the anode is further optimized, the ohmic resistance becomes 0.11 Ω · cm or less.
[1.4.2. 反応抵抗]
「反応抵抗」とは、燃料電池の内部抵抗の内、化学反応(電極反応)の速度限界による抵抗成分をいう。YCZを集電層に用いると、オーミック抵抗だけでなく、反応抵抗も低下する。
具体的には、アノードの組成を最適化すると、反応抵抗は、0.12Ω・cm以下となる。アノードの組成をさらに最適化すると、反応抵抗は、0.1Ω・cm以下となる。
[1.4.2. Reaction resistance]
"Reaction resistance" refers to a resistance component due to the speed limit of a chemical reaction (electrode reaction) among the internal resistances of a fuel cell. When YCZ is used in the current collector layer, not only the ohmic resistance but also the reaction resistance is reduced.
Specifically, when the composition of the anode is optimized, the reaction resistance becomes 0.12 Ω · cm or less. When the composition of the anode is further optimized, the reaction resistance becomes 0.1 Ω · cm or less.
[2. 固体酸化物形燃料電池用アノードの製造方法(1)]
本発明の第1の実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池用アノードの製造方法は、
(a)Ni粒子(A)、及び、電解質粒子(A)の原料を含む原料混合物(A)を用いて拡散層成形体を作製する拡散層成形体作製工程と、
(b)拡散層成形体の表面に、Ni粒子(C)、及び、電解質粒子(C)の原料を含む原料混合物(C)を用いて活性層成形体を形成する活性層成形体形作製工程と、
(c)得られた積層体を焼結させる焼結工程と、
(d)拡散層/活性層からなる焼結体の活性層が形成されていない面にCZ粒子を含むスラリーを含浸させ、拡散層に含まれるYSZとCZとを固相反応させることにより、YCZを生成させる集電層形成工程と、
(e)得られた焼結体を還元処理する還元工程と、
を備えている。
[2. Manufacturing Method of Anode for Solid Oxide Fuel Cell (1)]
The method for manufacturing an anode for a solid oxide fuel cell according to the first embodiment of the present invention is as follows.
(A) A diffusion layer molded product manufacturing step of producing a diffusion layer molded product using a raw material mixture (A) containing the Ni particles (A) and the raw materials of the electrolyte particles (A).
(B) A step of forming an active layer molded body by using a raw material mixture (C) containing Ni particles (C) and a raw material of electrolyte particles (C) on the surface of the diffusion layer molded body. ,
(C) A sintering step of sintering the obtained laminate and
(D) YCZ by impregnating the surface of the sintered body composed of the diffusion layer / active layer on which the active layer is not formed with a slurry containing CZ particles and causing YSZ and CZ contained in the diffusion layer to react in a solid phase. And the current collecting layer forming process to generate
(E) A reduction step of reducing the obtained sintered body and
Is equipped with.
[2.1. 拡散層成形体作製工程]
まず、Ni粒子(A)、及び、電解質粒子(A)の原料を含む原料混合物(A)を用いて拡散層成形体を作製する(拡散層成形体作製工程)。
[2.1. Diffusion layer molded product manufacturing process]
First, a diffusion layer molded product is produced using a raw material mixture (A) containing the Ni particles (A) and the raw materials of the electrolyte particles (A) (diffusion layer molded product manufacturing step).
電解質粒子(A)の原料の種類は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な原料を選択することができる。
例えば、電解質粒子(A)の原料としては、
(a)目的とする組成を有するYSZ粉末、
(b)目的とする組成となるように配合されたZrO2粉末と、Y2O3粉末との混合物
などがある。
Ni粒子(A)の原料としては、例えば、NiO粉末などがある。
The type of the raw material of the electrolyte particles (A) is not particularly limited, and the optimum raw material can be selected according to the purpose.
For example, as a raw material for the electrolyte particles (A),
(A) YSZ powder having the desired composition,
(B) There is a mixture of ZrO 2 powder and Y 2 O 3 powder formulated so as to have a desired composition.
Examples of the raw material of the Ni particles (A) include NiO powder.
また、原料混合物(A)中には、造孔材(例えば、カーボン粉末)が含まれていても良い。原料混合物(A)中にNiO粉末が添加されている場合、焼結体作製後に還元処理される。その際、体積収縮が起こり、焼結体内に気孔が導入される。そのため、造孔材は、必ずしも必要ではない。しかし、原料混合物(A)中に造孔材を添加すると、気孔率の制御の自由度が増大する。 Further, the raw material mixture (A) may contain a pore-forming material (for example, carbon powder). When NiO powder is added to the raw material mixture (A), it is reduced after the sintered body is produced. At that time, volume shrinkage occurs and pores are introduced into the sintered body. Therefore, the pore-forming material is not always necessary. However, when the pore-forming material is added to the raw material mixture (A), the degree of freedom in controlling the porosity is increased.
拡散層成形体の作製方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法を選択することができる。拡散層成形体の作製方法としては、例えば、
(a)原料混合物(A)を含むスラリーをテープ成形し、得られたグリーンシートを複数枚積層し、積層体を静水圧プレスして圧着させる方法、
(b)原料混合物(A)を金型でプレス成形する方法、
などがある。
The method for producing the diffusion layer molded product is not particularly limited, and the optimum method can be selected according to the purpose. As a method for producing the diffusion layer molded product, for example,
(A) A method in which a slurry containing a raw material mixture (A) is tape-molded, a plurality of obtained green sheets are laminated, and the laminate is hydrostatically pressed for pressure bonding.
(B) A method of press-molding the raw material mixture (A) with a die,
and so on.
[2.2. 活性層成形体作製工程]
次に、拡散層成形体の表面に、Ni粒子(C)、及び、電解質粒子(C)の原料を含む原料混合物(C)を用いて活性層成形体を形成する(活性層成形体作製工程)。
[2.2. Active layer molded product manufacturing process]
Next, an active layer molded product is formed on the surface of the diffusion layer molded product using a raw material mixture (C) containing the raw materials of Ni particles (C) and the electrolyte particles (C) (active layer molded product manufacturing step). ).
電解質粒子(C)の原料の種類は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な原料を選択することができる。電解質粒子(C)の原料としては、
(a)目的とする組成を有するYSZ粉末若しくはYCZ粉末、
(b)目的とする組成となるように配合されたYSZ粉末と、CeO2粉末及び/又はCZ粉末との混合物
(c)目的とする組成となるように配合されたZrO2粉末とY2O3粉末との混合物、若しくは、ZrO2粉末とY2O3粉末とCeO2粉末との混合物
などがある。
Ni粒子(C)の原料の詳細については、Ni粒子(A)の原料と同様であるので、説明を省略する。
The type of the raw material of the electrolyte particles (C) is not particularly limited, and the optimum raw material can be selected according to the purpose. As a raw material for the electrolyte particles (C),
(A) YSZ powder or YCZ powder having the desired composition,
(B) A mixture of YSZ powder formulated to have the desired composition and CeO 2 powder and / or CZ powder (c) ZrO 2 powder and Y 2 O formulated to have the desired composition. There is a mixture of 3 powders, or a mixture of ZrO 2 powder, Y 2 O 3 powder and CeO 2 powder.
The details of the raw material of the Ni particles (C) are the same as those of the raw material of the Ni particles (A), and thus the description thereof will be omitted.
さらに、原料混合物(A)と同様の理由から、原料混合物(C)中には、造孔材(例えば、カーボン粉末)が含まれていても良い。 Further, for the same reason as the raw material mixture (A), the raw material mixture (C) may contain a pore-forming material (for example, carbon powder).
活性層成形体の作製方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法を選択することができる。活性層成形体の作製方法としては、例えば、
(a)原料混合物(C)を含むスラリーをテープ成形し、得られたグリーンシートを拡散層成形体の上に積層し、積層体を静水圧プレスして圧着させる方法、
(b)原料混合物(C)を含むスラリーを作製し、拡散層成形体の表面にスラリーをスクリーン印刷する方法、
などがある。
The method for producing the active layer molded product is not particularly limited, and the optimum method can be selected according to the intended purpose. As a method for producing the active layer molded product, for example,
(A) A method in which a slurry containing the raw material mixture (C) is tape-molded, the obtained green sheet is laminated on a diffusion layer molded body, and the laminated body is pressure-bonded by hydrostatic pressure pressing.
(B) A method of preparing a slurry containing the raw material mixture (C) and screen-printing the slurry on the surface of the diffusion layer molded product.
and so on.
[2.3. 焼結工程]
次に、得られた積層体を焼結させる(焼結工程)。焼結条件は、原料組成に応じて最適な条件を選択するのが好ましい。焼結は、通常、大気雰囲気下において、1000℃〜1500℃で1時間〜5時間行うのが好ましい。
原料混合物中に2種以上の酸化物が含まれている場合、焼結中に固相反応が進行し、所定の組成を有する固溶体が生成する。また、原料混合物中に造孔材が含まれている場合、焼結時に造孔材が消失し、焼結体内に気孔が形成される。
[2.3. Sintering process]
Next, the obtained laminate is sintered (sintering step). As for the sintering conditions, it is preferable to select the optimum conditions according to the raw material composition. Sintering is usually preferably carried out at 1000 ° C. to 1500 ° C. for 1 hour to 5 hours in an air atmosphere.
When two or more kinds of oxides are contained in the raw material mixture, a solid phase reaction proceeds during sintering to form a solid solution having a predetermined composition. Further, when the pore-forming material is contained in the raw material mixture, the pore-forming material disappears at the time of sintering, and pores are formed in the sintered body.
[2.4. 集電層形成工程]
次に、拡散層/活性層からなる焼結体の活性層が形成されていない面にCZ粒子を含むスラリーを含浸させる。次いで、これを所定温度に加熱する。これにより、拡散層に含まれるYSZとCZとが固相反応し、YCZが生成する。固相反応の条件は、原料組成に応じて最適な条件を選択するのが好ましい。固相反応は、通常、大気雰囲気下において、500℃〜1000℃で1時間〜10時間行うのが好ましい。
[2.4. Current collector layer formation process]
Next, the surface of the sintered body composed of the diffusion layer / active layer on which the active layer is not formed is impregnated with the slurry containing CZ particles. This is then heated to a predetermined temperature. As a result, YSZ and CZ contained in the diffusion layer undergo a solid-phase reaction to generate YCZ. As for the solid-phase reaction conditions, it is preferable to select the optimum conditions according to the raw material composition. The solid-phase reaction is usually preferably carried out in an air atmosphere at 500 ° C. to 1000 ° C. for 1 hour to 10 hours.
[2.5. 還元工程]
次に、得られた焼結体を還元処理する(還元工程)。これにより、本発明に係るアノードが得られる。還元処理は、焼結体中に含まれるNiO粒子をNi粒子に還元するために行われる。還元条件は、特に限定されるものではなく、アノード、電解質、及びカソードの組成に応じて最適な条件を選択するのが好ましい。
なお、固体酸化物形燃料電池は、後述するように、アノード/電解質/反応防止層/カソードの接合体からなる。アノードの還元は、通常、各層を接合した後に行われる。
[2.5. Reduction process]
Next, the obtained sintered body is reduced (reduction step). As a result, the anode according to the present invention is obtained. The reduction treatment is performed to reduce the NiO particles contained in the sintered body to Ni particles. The reduction conditions are not particularly limited, and it is preferable to select the optimum conditions according to the composition of the anode, the electrolyte, and the cathode.
As will be described later, the solid oxide fuel cell is composed of an anode / electrolyte / reaction prevention layer / cathode conjugate. The reduction of the anode is usually done after joining the layers.
[3. 固体酸化物形燃料電池用アノードの製造方法(2)]
本発明の第2の実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池用アノードの製造方法は、
(a)Ni粒子(A)、及び、電解質粒子(A)の原料を含む原料混合物(A)を用いて拡散層成形体を作製する拡散層成形体作製工程と、
(b)拡散層成形体の一方の表面に、Ni粒子(C)、及び、電解質粒子(C)の原料を含む原料混合物(C)を用いて活性層成形体を形成する活性層成形体形作製工程と、
(c)拡散層成形体の他方の表面に、Ni粒子(B)、及び、電解質粒子(B)の原料を含む原料混合物(B)を用いて集電層成形体を形成する集電層成形体形作製工程と、
(d)得られた積層体を焼結させる焼結工程と、
(e)得られた焼結体を還元処理する還元工程と、
を備えている。
[3. Manufacturing method of anode for solid oxide fuel cell (2)]
The method for manufacturing an anode for a solid oxide fuel cell according to the second embodiment of the present invention is as follows.
(A) A diffusion layer molded product manufacturing step of producing a diffusion layer molded product using a raw material mixture (A) containing the Ni particles (A) and the raw materials of the electrolyte particles (A).
(B) Preparation of an active layer molded body shape in which an active layer molded body is formed by using a raw material mixture (C) containing Ni particles (C) and a raw material of an electrolyte particle (C) on one surface of the diffusion layer molded body. Process and
(C) Current collector layer molding for forming a current collector layer molded body on the other surface of the diffusion layer molded body using a raw material mixture (B) containing Ni particles (B) and the raw materials of the electrolyte particles (B). Body shape making process and
(D) A sintering step of sintering the obtained laminate and
(E) A reduction step of reducing the obtained sintered body and
Is equipped with.
本実施の形態に係る方法は、活性層成形体/拡散層成形体/集電層成形体からなる積層体を作製し、積層体を一体的に焼結させるものである。この点が第1の実施の形態とは異なる。集電層成形体の形成方法は、活性層成形体の形成方法と同様である。その他の点については第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。 In the method according to the present embodiment, a laminated body composed of an active layer molded body / a diffusion layer molded body / a current collecting layer molded body is produced, and the laminated body is integrally sintered. This point is different from the first embodiment. The method for forming the current collector layer molded body is the same as the method for forming the active layer molded body. Since other points are the same as those in the first embodiment, the description thereof will be omitted.
[4. 固体酸化物形燃料電池]
図1に、YCZをアノードの集電層に用いた固体酸化物形燃料電池の模式図を示す。
図1において、固体酸化物形燃料電池(SOFC)10は、
電解質12と、
電解質12の一方の面に接合されたアノード14と、
電解質12の他方の面に接合されたカソード16と、
電解質12とカソード16との間に挿入された反応防止層18と
を備えている。
[4. Solid oxide fuel cell]
FIG. 1 shows a schematic view of a solid oxide fuel cell using YCZ as the current collector layer of the anode.
In FIG. 1, the solid oxide fuel cell (SOFC) 10 is
An
With the
It includes a
アノード14は、拡散層14aと、拡散層14aの集電体側表面に形成された集電層14bと、拡散層14aの電解質12側表面に形成された活性層14cとを備えている。拡散層14a、集電層14b、及び活性層14cの詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
The
電解質12、カソード16、及び反応防止層18の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な材料を選択することができる。
例えば、電解質12には、YSZなどを用いることができる。また、カソード16には、(La,Sr)CoO3(LSC)、(La,Sr)(Co,Fe)O3(LSCF)などを用いることができる。
反応防止層18は、電解質12とカソード16とが直接、接触することにより生じる反応を防止するための層であり、必要に応じて挿入される。例えば、電解質12がYSZであり、カソード16がLSCである場合、反応防止層18には、Gd添加CeO2(GDC)を用いるのが好ましい。
The materials of the
For example, YSZ or the like can be used as the
The
[4. 作用]
図2に、Ni−YSZサーメットを用いた従来のアノードの模式図を示す。アノードがNi−YSZサーメットからなるSOFCにおいて、アノードにH2ガスを供給し、カソードに空気を供給すると、カソード側からアノード側に向かってO2-が拡散する。その結果、アノード表面において次の式(4)の反応が進行する。
H2+O2- → H2O+2e- …(4)
[4. Action]
FIG. 2 shows a schematic view of a conventional anode using a Ni-YSZ cermet. In an SOFC whose anode is a Ni-YSZ cermet, when H 2 gas is supplied to the anode and air is supplied to the cathode, O 2- diffuses from the cathode side toward the anode side. As a result, the reaction of the following formula (4) proceeds on the surface of the anode.
H 2 + O 2- → H 2 O + 2e - ... (4)
SOFCの低コスト化及びダウンサイジング化のためには、1セル当たりの出力を上げ、スタック中のセル数を少なくすることが有効である。しかしながら、高出力下の発電では水蒸気が多量に発生し、その水蒸気がアノード中のNiを酸化させる。その結果、電極活性が低下する。また、Niが酸化してNiOになると、体積が約1.6倍に膨張するために、アノードの剥離又はセルの破壊が生じるおそれがある。 In order to reduce the cost and downsizing of SOFC, it is effective to increase the output per cell and reduce the number of cells in the stack. However, in power generation under high output, a large amount of water vapor is generated, and the water vapor oxidizes Ni in the anode. As a result, the electrode activity decreases. Further, when Ni is oxidized to NiO, the volume expands about 1.6 times, which may cause peeling of the anode or destruction of the cell.
これに対し、YCZは、酸化物イオン伝導体としての機能に加えて、酸素吸蔵・放出能を持つ(図3参照)。そのため、YCZをSOFCのアノードの集電層に適用した場合、高出力下での発電により水蒸気が多量に発生しても、YCZが水蒸気中の酸素イオンをトラップする。その結果、アノード表面近傍におけるNiの酸化、及び、これに起因するアノード/集電体間の接触抵抗の増加を抑制することができる。 On the other hand, YCZ has oxygen storage / release ability in addition to its function as an oxide ion conductor (see FIG. 3). Therefore, when YCZ is applied to the current collecting layer of the anode of SOFC, YCZ traps oxygen ions in the water vapor even if a large amount of water vapor is generated due to power generation under high output. As a result, it is possible to suppress the oxidation of Ni in the vicinity of the anode surface and the increase in contact resistance between the anode and the current collector due to this.
(実施例1〜4、比較例1)
[1. セルの作製]
[1.1. 実施例1〜4]
[1.1.1. SOFCセルの作製]
公知の方法を用いて、アノードの拡散層がNi−YSZサーメットからなるSOFCセルを作製した。
(Examples 1 to 4, Comparative Example 1)
[1. Cell production]
[1.1. Examples 1 to 4]
[1.1.1. Preparation of SOFC cell]
Using a known method, SOFC cells in which the diffusion layer of the anode was Ni-YSZ cermet were prepared.
[1.1.2. YCZを含む集電層の作製]
エタノール中に濃度10wt%のCZ粒子が分散しているCZスラリーを調製した。次いで、SOFCセルのアノードの拡散層表面にCZスラリーを含浸させた。さらに、SOFCセルを100℃で乾燥させた後、大気中、800℃で焼成した。
[1.1.2. Preparation of current collector layer containing YCZ]
A CZ slurry in which CZ particles having a concentration of 10 wt% were dispersed in ethanol was prepared. Next, the surface of the diffusion layer at the anode of the SOFC cell was impregnated with the CZ slurry. Further, the SOFC cell was dried at 100 ° C. and then calcined in the air at 800 ° C.
CZ粒子には、
(a)5mol%CeO2−ZrO2粒子(CZ0595)(実施例1)、
(b)9mol%CeO2−ZrO2粒子(CZ0991)(実施例2)、
(c)25mol%CeO2−ZrO2粒子(CZ2575)(実施例3)、又は、
(d)50mol%CeO2−ZrO2粒子(CZ5050)(実施例4)、
を用いた。
For CZ particles,
(A) 5 mol% CeO 2- ZrO 2 particles (CZ0595) (Example 1),
(B) 9 mol% CeO 2- ZrO 2 particles (CZ0991) (Example 2),
(C) 25 mol% CeO 2- ZrO 2 particles (CZ2575) (Example 3), or
(D) 50 mol% CeO 2- ZrO 2 particles (CZ5050) (Example 4),
Was used.
[1.2. 比較例1]
実施例1で得られたSOFCセル(CZスラリー未添加)をそのまま試験に供した。
[1.2. Comparative Example 1]
The SOFC cell (without CZ slurry added) obtained in Example 1 was used as it was for the test.
[2. 試験方法]
[2.1. EPMA分析]
アノードの断面のEPMA分析を行った。
[2.2. オーミック抵抗及び反応抵抗]
インピーダンス振幅:100mV、周波数範囲:0.3MHz〜0.1Hzの条件下で、SOFCセルのインピーダンスを測定した。得られたインピーダンスから、セル全抵抗(Ω・cm)を算出した。さらに、セル全抵抗(Ω・cm)から、オーミック抵抗(Ω・cm)と反応抵抗(Ω・cm)とを算出した。
[2. Test method]
[2.1. EPMA analysis]
An EPMA analysis of the cross section of the anode was performed.
[2.2. Ohmic resistance and reaction resistance]
The impedance of the SOFC cell was measured under the conditions of impedance amplitude: 100 mV and frequency range: 0.3 MHz to 0.1 Hz. From the obtained impedance, the total cell resistance (Ω · cm) was calculated. Further, the ohmic resistance (Ω · cm) and the reaction resistance (Ω · cm) were calculated from the total cell resistance (Ω · cm).
[2.3. 発電出力]
SOFCセルのアノード及びカソードに、それぞれ、燃料及び酸化剤を供給し、発電を行った。燃料には、100%水素を用い、水素流量は200cc/minとした。酸化剤には、空気を用い、空気流量は500cc/minとした。セル温度は、700℃とした。セル電圧:0.8Vの時の電流値から、発電出力を算出した。
[2.3. Power generation output]
Fuel and oxidant were supplied to the anode and cathode of the SOFC cell, respectively, to generate electricity. 100% hydrogen was used as the fuel, and the hydrogen flow rate was 200 cc / min. Air was used as the oxidizing agent, and the air flow rate was set to 500 cc / min. The cell temperature was 700 ° C. The power generation output was calculated from the current value when the cell voltage was 0.8 V.
[3. 結果]
[3.1. EPMA分析]
図4(A)に、アノード(実施例3)のSEM像を示す。図4(B)に、アノード(実施例3)のCeマッピング結果(EPMA分析)を示す。図4より、上記方法によって、拡散層内に最大10μmの集電層が形成されていることが分かった。
[3. result]
[3.1. EPMA analysis]
FIG. 4A shows an SEM image of the anode (Example 3). FIG. 4 (B) shows the Ce mapping result (EPMA analysis) of the anode (Example 3). From FIG. 4, it was found that a current collecting layer having a maximum length of 10 μm was formed in the diffusion layer by the above method.
[3.2. セル抵抗、発電出力]
表1に、発電出力、反応抵抗、及びオーミック抵抗を示す。表1より、以下のことが分かる。
(1)実施例1〜4の発電出力は、比較例1に比べて1.2倍以上向上した。
(2)発電時の反応抵抗及びオーミック抵抗は、いずれも、CZ添加により低減した。
[3.2. Cell resistance, power generation output]
Table 1 shows the power generation output, reaction resistance, and ohmic resistance. From Table 1, the following can be seen.
(1) The power generation output of Examples 1 to 4 was improved by 1.2 times or more as compared with Comparative Example 1.
(2) Both the reaction resistance and the ohmic resistance during power generation were reduced by adding CZ.
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
本発明に係る固体酸化物形燃料電池用アノードは、家庭用コジェネレーションシステム、独立分散型電源などに用いられる固体酸化物形燃料電池のアノードとして使用することができる。 The anode for a solid oxide fuel cell according to the present invention can be used as an anode for a solid oxide fuel cell used in a household cogeneration system, an independent distributed power source, or the like.
Claims (9)
(1)前記固体酸化物形燃料電池用アノードは、
拡散層と、
前記拡散層の集電体側表面に形成された集電層と、
前記拡散層の電解質側表面に形成された活性層と
を備えている。
(2)前記拡散層は、
Ni粒子(A)と、
イットリア安定化ジルコニアからなる電解質粒子(A)と
を含むサーメット(A)からなる。
(3)前記集電層は、
Ni粒子(B)と、
Y2O3、CeO2及びZrO2の複合酸化物(YCZ)からなる電解質粒子(B)と
を含むサーメット(B)からなる。
(4)前記活性層は、
Ni粒子(C)と、
固体酸化物からなる電解質粒子(C)と
を含むサーメット(C)からなる。 Anode for solid oxide fuel cell with the following configuration.
(1) The anode for a solid oxide fuel cell is
Diffusion layer and
The current collector layer formed on the current collector side surface of the diffusion layer and
It includes an active layer formed on the electrolyte side surface of the diffusion layer.
(2) The diffusion layer is
Ni particles (A) and
It consists of a cermet (A) containing electrolyte particles (A) made of yttria-stabilized zirconia.
(3) The current collector layer is
Ni particles (B) and
It is composed of a cermet (B) containing electrolyte particles (B) composed of a composite oxide (YCZ) of Y 2 O 3 , CeO 2 and ZrO 2 .
(4) The active layer is
Ni particles (C) and
It is composed of a cermet (C) containing electrolyte particles (C) composed of a solid oxide.
YxCeyZr1-x-yO2-δ …(2)
但し、
0<x≦0.30、
0<y≦0.20、
δは、電気的中性が保たれる値。 The anode for a solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the electrolyte particles (B) have a composition represented by the following formula (2).
Y x Ce y Zr 1-xy O 2-δ ... (2)
However,
0 <x ≤ 0.30,
0 <y ≦ 0.20,
δ is a value that maintains electrical neutrality.
前記拡散層に含まれる前記Ni粒子(A)の含有量は、30wt%以上70wt%以下である
請求項1から7までのいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池用アノード。 The electrolyte particles (A) consist of yttria-stabilized zirconia containing Y 2 O 3 of 3 mol% or more and 15 mol% or less.
The anode for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the content of the Ni particles (A) contained in the diffusion layer is 30 wt% or more and 70 wt% or less.
(a)3mol%以上15mol%以下のY2O3を含むイットリア安定化ジルコニア、又は、
(b)次の式(3)を満たすYCZからなり、
前記活性層に含まれる前記Ni粒子(C)の含有量は、30wt%以上70wt%以下である
請求項1から8までのいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池用アノード。
Yx’Cey'Zr1-x'-y'O2-δ' …(3)
但し、
0<x'≦0.30、
0<y'≦0.20、
δ'は、電気的中性が保たれる値。 The electrolyte particles (C) are
(A) Yttria-stabilized zirconia containing Y 2 O 3 of 3 mol% or more and 15 mol% or less, or
(B) Consists of YCZ satisfying the following equation (3)
The anode for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 8, wherein the content of the Ni particles (C) contained in the active layer is 30 wt% or more and 70 wt% or less.
Y x 'Ce y' Zr 1 -x'-y 'O 2-δ' ... (3)
However,
0 <x'≤ 0.30,
0 <y'≤ 0.20,
δ'is a value that maintains electrical neutrality.
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