JP2023143898A - Electrochemical cell and manufacturing method thereof, electrochemical module, and electrochemical cartridge - Google Patents

Electrochemical cell and manufacturing method thereof, electrochemical module, and electrochemical cartridge Download PDF

Info

Publication number
JP2023143898A
JP2023143898A JP2023075652A JP2023075652A JP2023143898A JP 2023143898 A JP2023143898 A JP 2023143898A JP 2023075652 A JP2023075652 A JP 2023075652A JP 2023075652 A JP2023075652 A JP 2023075652A JP 2023143898 A JP2023143898 A JP 2023143898A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
oxygen electrode
intermediate layer
air electrode
conductive layer
electrochemical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2023075652A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP7494354B2 (en
Inventor
重徳 末森
Shigenori Suemori
克彦 横濱
Katsuhiko Yokohama
慎 吉田
Shin Yoshida
和男 冨田
Kazuo Tomita
雄一郎 北川
Yuichiro Kitagawa
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Heavy Industries Ltd filed Critical Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority to JP2023075652A priority Critical patent/JP7494354B2/en
Publication of JP2023143898A publication Critical patent/JP2023143898A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7494354B2 publication Critical patent/JP7494354B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

To provide an electrochemical cell reduced in the reaction resistance of an interface of an air electrode middle layer and an air electrode conductive layer in comparison to the conventional one, and its manufacturing method.SOLUTION: An electrochemical cell according to a disclosure hereof comprises: an air electrode conductive layer 113b composed of a sintered body of a material which contains a perovskite oxide represented by the general formula, ABO3 and of which A site is La, Sr and/or Ca and B site is Mn; and an air electrode middle layer 113a composed of a sintered body of a material containing Sm-doped ceria, and having pore P, a first structure S1 and a second structure S2. The first structure S1 contains Ce of 50 atom% or more, and it does not contain Ca, Sr and Mn. The second structure S2 contains an element selected from a group consisting of Ca, Sr and Mn. In a section of the air electrode middle layer 113a, the rate of an area of the second structure S2 is 20% or more and 60% or less to a total area of the first structure S1 and second structure S2.SELECTED DRAWING: Figure 9

Description

本開示は、電気化学セルおよびその製造方法、電気化学モジュール、電気化学カートリッジに関するものである。 The present disclosure relates to an electrochemical cell, a method for manufacturing the same, an electrochemical module, and an electrochemical cartridge.

固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)は、燃料極、固体電解質膜、空気極から構成された単素子(セル)と、隣接するセル同士を電気的に接続させるインターコネクタとを備えている。1つのセル当たりの発電電圧は小さいが、複数のセルを直列に接続してセルスタックとすることで、電圧を高め、実用の出力を得ることができる。 A solid oxide fuel cell (SOFC) consists of a single element (cell) consisting of a fuel electrode, a solid electrolyte membrane, and an air electrode, and an interconnector that electrically connects adjacent cells. We are prepared. Although the generated voltage per cell is small, by connecting multiple cells in series to form a cell stack, it is possible to increase the voltage and obtain a practical output.

セルスタックでは、燃料極に燃料ガスが供給され、空気極に酸素などの酸化性ガスが供給されると、空気極に供給された酸化性ガス中の酸素がイオン化されて固体電解質膜を透過し、燃料極に達する。そして、燃料極に達した酸素イオンと燃料ガスとの電気化学反応により、燃料極と空気極との間に電位差が発生して、この電位差を外部に取り出すことで発電が行われる。 In a cell stack, when fuel gas is supplied to the fuel electrode and oxidizing gas such as oxygen is supplied to the air electrode, the oxygen in the oxidizing gas supplied to the air electrode is ionized and passes through the solid electrolyte membrane. , reaches the fuel electrode. An electrochemical reaction between the oxygen ions that have reached the fuel electrode and the fuel gas generates a potential difference between the fuel electrode and the air electrode, and this potential difference is extracted to the outside to generate electricity.

SOFCの最大の特徴はその高い発電効率にある。そのためSOFCでは、発電時のセルの劣化耐性を保持しつつ、より高い出力密度の実現が要求されている。発電性能の向上および劣化挙動には、電極および電解質の表面および界面の挙動を理解することが重要である。(非特許文献1参照) The biggest feature of SOFC is its high power generation efficiency. Therefore, SOFCs are required to achieve higher output density while maintaining cell deterioration resistance during power generation. Understanding the behavior of electrode and electrolyte surfaces and interfaces is important for improving power generation performance and degrading behavior. (See Non-Patent Document 1)

大友順一郎,「固体電解質形燃料電池の材料開発と構造制御による高性能化」,表面化学,Vol.32,No.2,pp.93-98,2011Junichiro Otomo, “Improving the performance of solid electrolyte fuel cells through material development and structural control,” Surface Chemistry, Vol. 32, No. 2, pp. 93-98, 2011

セルにおいて、空気極と固体電解質膜との界面部分には、大きな界面抵抗が存在する。非特許文献1に記載されているように、空気極と固体電解質膜との界面における抵抗を低減する策の1つとして、空気極と固体電解質膜との間にセリア系酸化物の緻密な中間層を導入する方法が知られている。 In a cell, a large interfacial resistance exists at the interface between the air electrode and the solid electrolyte membrane. As described in Non-Patent Document 1, one of the measures to reduce the resistance at the interface between the air electrode and the solid electrolyte membrane is to form a dense intermediate layer of ceria-based oxide between the air electrode and the solid electrolyte membrane. Methods of introducing layers are known.

しかしながら、セリア系酸化物の中間層上に電子導電性を有する空気極を積層させた場合、空気極と中間層との間の界面抵抗が高くなる場合がある。 However, when an air electrode having electronic conductivity is laminated on an intermediate layer of ceria-based oxide, the interfacial resistance between the air electrode and the intermediate layer may increase.

固体電解質膜と空気極との界面では、酸素の吸着解離移動を伴い三相界面で電極反応が生じる。三相界面とは、イオン導電(電解質)、酸素供給(ガス拡散)および電子供給(電子導電性)の三相が共存する界面である。 At the interface between the solid electrolyte membrane and the air electrode, an electrode reaction occurs at the three-phase interface accompanied by adsorption and dissociation of oxygen. A three-phase interface is an interface where three phases of ionic conductivity (electrolyte), oxygen supply (gas diffusion), and electron supply (electronic conductivity) coexist.

図10に、従来のセルの空気極側の模式図を示す。固体電解質膜111の上に、空気極113’が形成されている。空気極113’は、空気極中間層113a’と空気極導電層113b’とを含む。空気極中間層113a’は酸化雰囲気でイオン導電性であるため、電解質として機能する。空気極中間層113a’および空気極導電層113b’に含まれる気孔Pが酸素ガス拡散経路となり得る。空気極導電層113b’は電子導電性を有する。図10では、空気極中間層113a’と空気極導電層113b’との界面が三相界面場となり得る。 FIG. 10 shows a schematic diagram of the air electrode side of a conventional cell. An air electrode 113' is formed on the solid electrolyte membrane 111. The air electrode 113' includes an air electrode intermediate layer 113a' and an air electrode conductive layer 113b'. Since the air electrode intermediate layer 113a' is ionic conductive in an oxidizing atmosphere, it functions as an electrolyte. Pores P included in the air electrode intermediate layer 113a' and the air electrode conductive layer 113b' can serve as an oxygen gas diffusion path. The air electrode conductive layer 113b' has electronic conductivity. In FIG. 10, the interface between the air cathode intermediate layer 113a' and the air cathode conductive layer 113b' can be a three-phase interface field.

しかしながら、空気極中間層113a’の主成分であるセリア系酸化物は、電子導電性を有していない。そのため空気極中間層113a’では、電子が通過できず、空気極113’側の三相界面場は、空気極中間層113a’と空気極導電層113b’との界面のみとなり、電極の界面抵抗が高くなる。 However, the ceria-based oxide that is the main component of the air electrode intermediate layer 113a' does not have electronic conductivity. Therefore, electrons cannot pass through the air electrode intermediate layer 113a', and the three-phase interface field on the air electrode 113' side is only the interface between the air electrode intermediate layer 113a' and the air electrode conductive layer 113b', and the interfacial resistance of the electrode becomes higher.

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、従来よりも酸素極中間層と酸素極導電層との界面の抵抗を低減させた電気化学セルとその製造方法、電気化学モジュール、電気化学カートリッジを提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in view of these circumstances, and provides an electrochemical cell, a method for manufacturing the same, and an electrochemical module that have lower resistance at the interface between the oxygen electrode intermediate layer and the oxygen electrode conductive layer than before. , aims to provide an electrochemical cartridge.

上記課題を解決するために、本開示の電気化学セルおよびその製造方法、電気化学モジュール、電気化学カートリッジは以下の手段を採用する。 In order to solve the above problems, the electrochemical cell, its manufacturing method, electrochemical module, and electrochemical cartridge of the present disclosure employ the following means.

本開示は、水素極、固体電解質膜および酸素極が順次積層され、前記酸素極は、前記固体電解質膜側から順に酸素極中間層および酸素極導電層を含み、前記酸素極導電層は、一般式ABOで表され、AサイトがLaと、Srおよび/またはCaであり、BサイトがMnであるペロブスカイト酸化物を含む材料の焼結体であり、前記酸素極中間層は、Smドープされたセリアを含む材料の焼結体であり、かつ、気孔、第1組織および第2組織を有し、前記第1組織は、50原子%以上のCeを含み、かつ、Ca,SrおよびMnを含まず、前記第2組織は、Ca,SrおよびMnからなる群から選択される元素を含み、前記酸素極中間層の断面における前記第2組織の面積率は、前記第1組織および前記第2組織の総面積に対し20%以上60%以下である電気化学セルを提供する。 In the present disclosure, a hydrogen electrode, a solid electrolyte membrane, and an oxygen electrode are sequentially stacked, the oxygen electrode includes an oxygen electrode intermediate layer and an oxygen electrode conductive layer in order from the solid electrolyte membrane side, and the oxygen electrode conductive layer is generally It is a sintered body of a material containing a perovskite oxide represented by the formula ABO 3 , the A site is La, Sr and/or Ca, and the B site is Mn, and the oxygen electrode intermediate layer is doped with Sm. It is a sintered body of a material containing ceria, and has pores, a first structure, and a second structure, and the first structure contains 50 atomic % or more of Ce, and contains Ca, Sr, and Mn. The second structure contains an element selected from the group consisting of Ca, Sr, and Mn, and the area ratio of the second structure in the cross section of the oxygen electrode intermediate layer is the same as that of the first structure and the second structure. Provided is an electrochemical cell whose area is 20% or more and 60% or less of the total area of the tissue.

本開示は、上記開示に記載の電気化学セルを備えた電気化学モジュールを提供する。 The present disclosure provides an electrochemical module comprising the electrochemical cell described in the above disclosure.

本開示は、上記開示に記載の電気化学モジュールを備えた電気化学カートリッジを提供する。 The present disclosure provides an electrochemical cartridge comprising the electrochemical module described in the above disclosure.

本開示は、水素極、固体電解質膜および酸素極が順次積層され、前記酸素極は、前記固体電解質膜側から順に酸素極中間層および酸素極導電層を含み、前記酸素極導電層は、一般式ABOで表され、AサイトがLaと、Srおよび/またはCaであり、BサイトがMnであるペロブスカイト酸化物を含む材料の焼結体であり、前記酸素極中間層は、Smドープされたセリアを含む材料の焼結体である電気化学セルの製造方法であって、前記酸素極中間層の断面において、Ca,SrおよびMnからなる群から選択される元素が含まれる組織が、前記断面の気孔を除いた総面積に対して20%以上60%以下形成される条件を取得し、取得した前記条件に従って、前記酸素極中間層および前記酸素極導電層を共焼結して前記酸素極中間層を形成する電気化学セルの製造方法を提供する。 In the present disclosure, a hydrogen electrode, a solid electrolyte membrane, and an oxygen electrode are sequentially stacked, the oxygen electrode includes an oxygen electrode intermediate layer and an oxygen electrode conductive layer in order from the solid electrolyte membrane side, and the oxygen electrode conductive layer is generally It is a sintered body of a material containing a perovskite oxide represented by the formula ABO 3 , the A site is La, Sr and/or Ca, and the B site is Mn, and the oxygen electrode intermediate layer is doped with Sm. A method for manufacturing an electrochemical cell which is a sintered body of a material containing ceria, wherein in a cross section of the oxygen electrode intermediate layer, a structure containing an element selected from the group consisting of Ca, Sr, and Mn is provided. The oxygen electrode intermediate layer and the oxygen electrode conductive layer are co-sintered according to the acquired conditions, and the oxygen A method of manufacturing an electrochemical cell forming a very intermediate layer is provided.

上記ペロブスカイト酸化物を含む材料を焼結してなる酸素極導電層は、電子導電性を有する。Smドープされたセリアを含む材料を焼結してなる酸素極中間層は、イオン導電性を有する。酸素極を酸素極導電層と酸素極中間層との2層構成にすることで、固体電解質膜と酸素極との界面抵抗を低減できる。 The oxygen electrode conductive layer formed by sintering the material containing the perovskite oxide has electronic conductivity. The oxygen electrode intermediate layer formed by sintering a material containing Sm-doped ceria has ionic conductivity. By forming the oxygen electrode into a two-layer structure consisting of the oxygen electrode conductive layer and the oxygen electrode intermediate layer, the interfacial resistance between the solid electrolyte membrane and the oxygen electrode can be reduced.

Smドープされたセリア由来の元素を主成分とする第1組織は、イオン導電の機能を担う。Ca,SrおよびMnからなる群から選択される元素を含む第2組織は、電子導電の機能を担う。酸素極中間層の断面の総面積が一定である場合、第2組織が増えると第1組織の割合が低下して酸素極中間層のイオン導電性は低下し、第1組織が増えると第2組織の割合が低下して酸素極中間層の電子導電性は低下する。酸素極中間層の断面における第2組織の面積率を酸素極中間層の断面における第1組織および前記第2組織の総面積に対して20%以上60%以下とすることで、酸素極中間層内においてイオンパスを確保しつつ、電子パスを形成できる。 The first structure, which is mainly composed of an element derived from ceria and which is Sm-doped, has the function of ionic conduction. The second structure containing an element selected from the group consisting of Ca, Sr and Mn is responsible for the function of electronic conduction. When the total cross-sectional area of the oxygen electrode intermediate layer is constant, as the second structure increases, the proportion of the first structure decreases and the ionic conductivity of the oxygen electrode intermediate layer decreases; As the proportion of the structure decreases, the electronic conductivity of the oxygen electrode intermediate layer decreases. By setting the area ratio of the second structure in the cross section of the oxygen electrode intermediate layer to 20% or more and 60% or less of the total area of the first structure and the second structure in the cross section of the oxygen electrode intermediate layer, the oxygen electrode intermediate layer It is possible to form an electron path while ensuring an ion path within the structure.

ガス経路となる気孔、イオン導電性の第1組織および電子導電性の第2組織が含まれるようにすることで、酸素極中間層内部に3次元的に電極反応場(三相界面)が拡大する。これにより、酸素極導電層と酸素極中間層との界面での抵抗が低減される。 The electrode reaction field (three-phase interface) is expanded three-dimensionally inside the oxygen electrode intermediate layer by including pores that serve as gas paths, an ionic conductive first structure, and an electronically conductive second structure. do. This reduces the resistance at the interface between the oxygen electrode conductive layer and the oxygen electrode intermediate layer.

本開示の一実施形態に係るセルスタックの一態様を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating one aspect of a cell stack according to an embodiment of the present disclosure. 本開示の一実施形態に係るSOFCモジュールの一態様を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating one aspect of a SOFC module according to an embodiment of the present disclosure. 本開示の一実施形態に係るSOFCカートリッジの断面の一態様を示す図である。1 is a diagram showing one aspect of a cross section of an SOFC cartridge according to an embodiment of the present disclosure. 試験体の空気極中間層の断面の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the cross section of the air cathode intermediate layer of the test piece. エネルギー分散型X線分析(EDX)の半定量分析結果の図表である。It is a chart of semi-quantitative analysis results of energy dispersive X-ray analysis (EDX). Mn,Ca,Srが試験体の電子導電性に与える影響について説明するグラフである。It is a graph explaining the influence which Mn, Ca, and Sr have on the electronic conductivity of a test object. 図6から読み取った数値をまとめた図表である。This is a chart summarizing the numerical values read from FIG. 6. 空気極中間層における第2組織の割合と電子導電率との関係を示すグラフである。It is a graph showing the relationship between the proportion of the second structure in the air electrode intermediate layer and the electronic conductivity. 本開示の一実施形態に係る燃料電池セルの断面(空気極側)の模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a cross section (air electrode side) of a fuel cell according to an embodiment of the present disclosure. 従来の燃料電池セルの断面(空気極側)の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a cross section (air electrode side) of a conventional fuel cell.

以下に、本開示に係る電気化学セルとその製造方法、電気化学モジュール、電気化学カートリッジの一実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の燃料電池セルに関する記載は、電気化学セルに適宜置き換えて読むものとする。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of an electrochemical cell, a method for manufacturing the same, an electrochemical module, and an electrochemical cartridge according to the present disclosure will be described below with reference to the drawings. Note that the following description regarding fuel cells should be read with the term electrochemical cell being replaced as appropriate.

以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」および「下」の表現を用いて説明した各構成要素の位置関係は、各々鉛直上方側、鉛直下方側を示すものである。また、本実施形態では、上下方向と水平方向で同様な効果を得られるものは、紙面における上下方向が必ずしも鉛直上下方向に限定することなく、例えば鉛直方向に直交する水平方向に対応してもよい。 In the following, for convenience of explanation, the positional relationship of each component explained using the expressions "above" and "below" with respect to the paper surface indicates the vertically upper side and the vertically lower side, respectively. In addition, in this embodiment, the same effect can be obtained in the vertical direction and the horizontal direction without necessarily limiting the vertical direction in the plane of the paper to the vertical vertical direction. good.

また、以下においては、固体酸化物形燃料電池(SOFC)のセルスタックとして円筒形(筒状)を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。基体上に燃料電池セルを形成するが、基体ではなく電極(燃料極もしくは空気極)が厚く形成されて、基体を兼用したものでも良い。 In addition, in the following description, a cylindrical (cylindrical) cell stack will be explained as an example of a solid oxide fuel cell (SOFC) cell stack, but it is not necessarily limited to this, and for example, a flat cell stack may be used. Good too. Although a fuel cell is formed on a base, an electrode (fuel electrode or air electrode) may be formed thick instead of the base so that it also serves as the base.

(円筒形セルスタックの構造)
まず、図1を参照して本実施形態に係る一例として、基体管を用いる円筒形セルスタックについて説明する。基体管を用いない場合は、例えば燃料極を厚く形成して基体管を兼用してもよく、基体管の使用に限定されることはない。また、本実施形態での基体管は円筒形状を用いたもので説明するが、基体管は筒状であればよく、必ずしも断面が円形に限定されなく、例えば楕円形状でもよい。円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒(Flat tubular)等のセルスタックでもよい。ここで、図1は、実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。
(Structure of cylindrical cell stack)
First, a cylindrical cell stack using a base tube will be described as an example of the present embodiment with reference to FIG. When the base tube is not used, for example, the fuel electrode may be made thick and also serve as the base tube, and the use is not limited to the base tube. Furthermore, although the base tube in this embodiment is described as having a cylindrical shape, the base tube may be cylindrical, and the cross section is not necessarily limited to a circular shape, and may be, for example, an elliptical shape. A cell stack such as a flat cylinder in which the circumferential side of the cylinder is vertically crushed may be used. Here, FIG. 1 shows one aspect of a cell stack according to an embodiment.

セルスタック101は、一例として円筒形状の基体管103と、基体管103の外周面に複数形成された燃料電池セル105と、隣り合う燃料電池セル105の間に形成されたインターコネクタ107とを備える。燃料電池セル105は、燃料極109と固体電解質膜111と空気極113とが積層して形成されている。また、セルスタック101は、基体管103の外周面に形成された複数の燃料電池セル105の内、基体管103の軸方向において最も端の一端に形成された燃料電池セル105の空気極113に、インターコネクタ107を介して電気的に接続されたリード膜115を備え、最も端の他端に形成された燃料電池セル105の燃料極109に電気的に接続されたリード膜115を備える。 The cell stack 101 includes, for example, a cylindrical base tube 103, a plurality of fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103, and an interconnector 107 formed between adjacent fuel cells 105. . The fuel cell 105 is formed by stacking a fuel electrode 109, a solid electrolyte membrane 111, and an air electrode 113. In addition, the cell stack 101 is connected to the air electrode 113 of the fuel cell 105 that is formed at one end of the plurality of fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103 in the axial direction of the base tube 103. , a lead film 115 electrically connected via an interconnector 107, and a lead film 115 electrically connected to the fuel electrode 109 of the fuel cell 105 formed at the other end.

(セルスタックの各構成要素の材料と機能の説明)
基体管103は、多孔質材料からなり、例えば、CaO安定化ZrO(CSZ)、CSZと酸化ニッケル(NiO)との混合物(CSZ+NiO)、またはY安定化ZrO(YSZ)、またはMgAlなどを主成分とされる。この基体管103は、燃料電池セル105とインターコネクタ107とリード膜115とを支持すると共に、基体管103の内周面に供給される燃料ガスを基体管103の細孔を介して基体管103の外周面に形成される燃料極109に拡散させるものである。
(Explanation of materials and functions of each component of the cell stack)
The base tube 103 is made of a porous material, such as CaO-stabilized ZrO 2 (CSZ), a mixture of CSZ and nickel oxide (NiO) (CSZ+NiO), or Y 2 O 3- stabilized ZrO 2 (YSZ), or The main component is MgAl 2 O 4 etc. The base tube 103 supports the fuel cell 105, the interconnector 107, and the lead membrane 115, and also supplies fuel gas to the inner peripheral surface of the base tube 103 through the pores of the base tube 103. The fuel is diffused into the fuel electrode 109 formed on the outer peripheral surface of the fuel electrode 109.

燃料極109は、Niとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ni/YSZが用いられる。燃料極109の厚さは50μm~250μmであり、燃料極109はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。この場合、燃料極109は、燃料極109の成分であるNiが燃料ガスに対して触媒作用を備える。この触媒作用は、基体管103を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン(CH)と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素(H)と一酸化炭素(CO)に改質するものである。また、燃料極109は、改質により得られる水素(H)および一酸化炭素(CO)と、固体電解質膜111を介して供給される酸素イオン(O2-)とを固体電解質膜111との界面付近において電気化学的に反応させて水(HO)および二酸化炭素(CO)を生成するものである。なお、燃料電池セル105は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。
固体酸化物形燃料電池の燃料極109に供給し利用できる燃料ガスとしては、水素(H)および一酸化炭素(CO)、メタン(CH)などの炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、および石炭などの炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガスなどが挙げられる。
The fuel electrode 109 is made of a composite oxide of Ni and a zirconia-based electrolyte material, and for example, Ni/YSZ is used. The thickness of the fuel electrode 109 is 50 μm to 250 μm, and the fuel electrode 109 may be formed by screen printing a slurry. In this case, in the fuel electrode 109, Ni, which is a component of the fuel electrode 109, has a catalytic effect on the fuel gas. This catalytic action causes the fuel gas supplied through the base pipe 103, for example, a mixed gas of methane (CH 4 ) and water vapor, to react and reform into hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO). It is something. Further, the fuel electrode 109 transfers hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) obtained by reforming, and oxygen ions (O 2− ) supplied via the solid electrolyte membrane 111 to the solid electrolyte membrane 111. The electrochemical reaction occurs near the interface of the two to produce water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ). Note that the fuel cell 105 generates power using electrons released from oxygen ions at this time.
Fuel gases that can be supplied to the fuel electrode 109 of the solid oxide fuel cell include hydrogen (H 2 ), hydrocarbon gases such as carbon monoxide (CO) and methane (CH 4 ), city gas, and natural gas. Other examples include gasified gas produced from carbon-containing raw materials such as petroleum, methanol, and coal using gasification equipment.

固体電解質膜111は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるYSZが主として用いられる。この固体電解質膜111は、空気極113で生成される酸素イオン(O2-)を燃料極109に移動させるものである。燃料極109の表面上に位置する固体電解質膜111の膜厚は10μm~100μmであり固体電解質膜111はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。 The solid electrolyte membrane 111 is mainly made of YSZ, which has airtightness that prevents gas from passing through and high oxygen ion conductivity at high temperatures. This solid electrolyte membrane 111 moves oxygen ions (O 2− ) generated at the air electrode 113 to the fuel electrode 109. The thickness of the solid electrolyte membrane 111 located on the surface of the fuel electrode 109 is 10 μm to 100 μm, and the solid electrolyte membrane 111 may be formed by screen printing a slurry.

空気極113は、空気極113は、固体電解質膜111との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン(O2-)を生成するものである。空気極113はスラリーをスクリーン印刷またはディスペンサを用いて塗布される。 The air electrode 113 dissociates oxygen in the supplied oxidizing gas such as air near the interface with the solid electrolyte membrane 111 to generate oxygen ions (O 2− ). The air electrode 113 is applied with slurry by screen printing or using a dispenser.

酸化性ガスとは,酸素を略15%~30%含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。 Oxidizing gas is a gas containing about 15% to 30% oxygen, and air is typically preferred, but other gases include a mixture of combustion exhaust gas and air, a mixture of oxygen and air, etc. is available.

空気極113は、空気極中間層113aおよび空気極導電層113bを含む。空気極中間層113aは固体電解質膜111およびインターコネクタ107に接触配置されている。空気極導電層113bは、空気極中間層113a上に、接触配置されている。 The air electrode 113 includes an air electrode intermediate layer 113a and an air electrode conductive layer 113b. The air electrode intermediate layer 113a is placed in contact with the solid electrolyte membrane 111 and the interconnector 107. The air electrode conductive layer 113b is placed in contact with the air electrode intermediate layer 113a.

空気極導電層113bは、電子導電性を有する。空気極導電層113bの膜厚は、20μm以上1500μm以下である。円筒形セルスタックに適用される場合、空気極導電層113bの膜厚は500μm以上1500μm以下であってよい。 The air electrode conductive layer 113b has electronic conductivity. The film thickness of the air electrode conductive layer 113b is 20 μm or more and 1500 μm or less. When applied to a cylindrical cell stack, the thickness of the air electrode conductive layer 113b may be 500 μm or more and 1500 μm or less.

空気極導電層113bの材料は、一般式ABOで表されるペロブスカイト酸化物である。一般式ABOにおいて、Aサイトは、La,SrおよびCaからなる群から選択される。BサイトはMnである。一般式ABOで表されるペロブスカイト酸化物は、例えば、Srおよび/またはCaがドープされたLaMnOである。SrおよびCaがドープされたLaMnOは、一般的な固相混合法または液相混合法にて製造され得る。La,Mn,Sr,およびCaの含有量は、原料混合時に調整され得る。 The material of the air electrode conductive layer 113b is a perovskite oxide represented by the general formula ABO3 . In the general formula ABO 3 , the A site is selected from the group consisting of La, Sr and Ca. The B site is Mn. Perovskite oxides of the general formula ABO 3 are, for example, LaMnO 3 doped with Sr and/or Ca. LaMnO 3 doped with Sr and Ca can be produced by a general solid phase mixing method or a liquid phase mixing method. The contents of La, Mn, Sr, and Ca can be adjusted during raw material mixing.

一般式ABOで表されるペロブスカイト酸化物は、Aサイト欠損組成であってよい。Aサイト欠損組成では、A/Bモル比が0.90以上0.98以下であることが好ましい。例えば、A=0.95mol,B=1.00mol,A/Bモル比0.95とすることで、Aサイトが欠損し、Bサイトが過剰な組成となる。 The perovskite oxide represented by the general formula ABO 3 may have an A-site deficient composition. In the A-site deficient composition, the A/B molar ratio is preferably 0.90 or more and 0.98 or less. For example, by setting A=0.95 mol, B=1.00 mol, and A/B molar ratio 0.95, the composition will be such that the A site is deficient and the B site is excessive.

一般式ABOで表されるペロブスカイト酸化物は、Aサイト過剰組成であってよい。Aサイト過剰組成では、A/B比が1.02以上1.10以下であることが好ましい。例えば、A=1.05mol,B=1.00mol,A/B比1.05とすることで、Bサイトが欠損し、Aサイトが過剰となる。 The perovskite oxide represented by the general formula ABO 3 may have an A-site excess composition. In the A-site excess composition, the A/B ratio is preferably 1.02 or more and 1.10 or less. For example, by setting A=1.05 mol, B=1.00 mol, and A/B ratio 1.05, the B site becomes deficient and the A site becomes excessive.

空気極中間層113aは、イオン導電性および電子導電性を有する。空気極中間層113aの膜厚は、10μm以上20μm以下である。 The air electrode intermediate layer 113a has ionic conductivity and electronic conductivity. The film thickness of the air electrode intermediate layer 113a is 10 μm or more and 20 μm or less.

空気極中間層113aは、気孔、第1組織および第2組織を有する。空気極中間層113aにおける第2組織の面積率は、該断面での第1組織および第2組織の総面積に対し、20%以上60%以下、好ましくは30%以上40%以上である。空気極中間層113aの断面において、気孔の面積率は、該断面での気孔、第1組織および第2組織の総面積に対し、5%以上50%以下であってよい。 The air electrode intermediate layer 113a has pores, a first structure, and a second structure. The area ratio of the second structure in the air electrode intermediate layer 113a is 20% or more and 60% or less, preferably 30% or more and 40% or more, with respect to the total area of the first structure and the second structure in the cross section. In the cross section of the air electrode intermediate layer 113a, the area ratio of pores may be 5% or more and 50% or less with respect to the total area of the pores, the first structure, and the second structure in the cross section.

空気極中間層113aは、高いイオン導電性を有し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層113aの材料は、Smドープされたセリアである。Smドープされたセリアは、Sm1-xCe(0.8≦x≦0.9)であってよい。 The air electrode intermediate layer 113a is made of a material that has high ionic conductivity and excellent catalytic activity. The material of the air electrode intermediate layer 113a is Sm-doped ceria. The Sm-doped ceria may be Sm 1-x Ce x O 2 (0.8≦x≦0.9).

空気極中間層113aの材料には、空気極導電層113bの材料のAサイトおよびBサイトの元素が添加されてもよい。元素の添加量は、Aサイト、Bサイトの元素のmol比で1.0以下である。 The material of the air electrode intermediate layer 113a may be added with elements at the A site and the B site of the material of the air electrode conductive layer 113b. The amount of the element added is such that the molar ratio of the element at the A site and the B site is 1.0 or less.

第1組織は、主にSmドープされたセリア由来の元素で構成されている。第1組織のCe含有量は50原子%以上である。第1組織は、Mn、Ca、Srを含まない。ここで「含まない」とは、0.4原子%以下であることを示す。 The first structure is mainly composed of Sm-doped ceria-derived elements. The Ce content of the first structure is 50 atomic % or more. The first structure does not contain Mn, Ca, or Sr. Here, "not containing" indicates that the content is 0.4 atomic % or less.

第2組織は、Smドープされたセリア由来の元素と、Ca,SrおよびMnからなる群から選択される元素(電子導電性元素)とを含む。第2組織のCe含有量は50原子%未満である。第2組織の電子導電性元素含有量は、0.5原子%以上50原子%以下であり得る。 The second structure includes an Sm-doped ceria-derived element and an element (electronic conductive element) selected from the group consisting of Ca, Sr, and Mn. The Ce content of the second structure is less than 50 atomic %. The content of the electronic conductive element in the second structure may be 0.5 atomic % or more and 50 atomic % or less.

インターコネクタ107は、SrTiO系などのM1-xTiO(Mはアルカリ土類金属元素、Lはランタノイド元素)で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、スラリーをスクリーン印刷する。インターコネクタ107は、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ107は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した耐久性と電気導電性を備える。このインターコネクタ107は、隣り合う燃料電池セル105において、一方の燃料電池セル105の空気極113と他方の燃料電池セル105の燃料極109とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル105同士を直列に接続するものである。 The interconnector 107 is made of a conductive perovskite oxide represented by M 1-x L x TiO 3 (M is an alkaline earth metal element, L is a lanthanide element) such as SrTiO 3 system, and is made by screen printing a slurry. do. The interconnector 107 is a dense film to prevent fuel gas and oxidizing gas from mixing. Further, the interconnector 107 has stable durability and electrical conductivity under both an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere. This interconnector 107 electrically connects the air electrode 113 of one fuel cell 105 and the fuel electrode 109 of the other fuel cell 105 in the adjacent fuel cells 105, and connects the adjacent fuel cells 105 to each other. are connected in series.

リード膜115は、電子導電性を備えること、およびセルスタック101を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ni/YSZ等のNiとジルコニア系電解質材料との複合材やSrTiO系などのM1-xLxTiO(Mはアルカリ土類金属元素、Lはランタノイド元素)で構成されている。このリード膜115は、インターコネクタ107により直列に接続される複数の燃料電池セル105で発電された直流電力をセルスタック101の端部付近まで導出すものである。 The lead film 115 needs to have electronic conductivity and have a coefficient of thermal expansion close to that of other materials constituting the cell stack 101. It is composed of M1-xLxTiO 3 (M is an alkaline earth metal element, L is a lanthanide element) such as a composite material or SrTiO 3 system. This lead film 115 guides the DC power generated by the plurality of fuel cells 105 connected in series by the interconnector 107 to near the end of the cell stack 101.

(円筒形セルスタックの製造方法)
燃料極109,固体電解質膜111,インターコネクタ107,リード膜115,空気極中間層113a,空気極導電層113bの材料粉末それぞれに、水系ビヒクルを混合して各構成のスラリーを作製する。
(Method for manufacturing cylindrical cell stack)
An aqueous vehicle is mixed with each of the material powders of the fuel electrode 109, solid electrolyte membrane 111, interconnector 107, lead membrane 115, air electrode intermediate layer 113a, and air electrode conductive layer 113b to prepare a slurry of each structure.

燃料極109、固体電解質膜111およびインターコネクタ107のスラリーの膜が形成された基体管103を、大気中にて共焼結する。焼結温度は、具体的に1350℃~1450℃とされる。 The base tube 103 on which the slurry film of the fuel electrode 109, the solid electrolyte membrane 111, and the interconnector 107 has been formed is co-sintered in the atmosphere. The sintering temperature is specifically 1350°C to 1450°C.

つぎに、共焼結された基体管103上に、空気極中間層113aおよび空気極導電層113bのスラリーの膜が順次形成された基体管103が、大気中にて焼結される。焼結温度は、具体的に1100℃~1250℃とされる。ここでの焼結温度は、基体管103~インターコネクタ107を形成した後の共焼結温度よりも低温とされる。 Next, the base tube 103 in which the slurry films of the air electrode intermediate layer 113a and the air electrode conductive layer 113b are sequentially formed on the co-sintered base tube 103 is sintered in the atmosphere. The sintering temperature is specifically 1100°C to 1250°C. The sintering temperature here is lower than the co-sintering temperature after forming the base tube 103 to the interconnector 107.

上記工程により、基体管103上に燃料電池セル105が形成された円筒形セルスタック101が得られる。 Through the above steps, a cylindrical cell stack 101 in which fuel cells 105 are formed on a base tube 103 is obtained.

空気極中間層113aおよび空気極導電層113bの材料組成、焼結温度、焼結手順については、空気極中間層113a中に、Ca,SrおよびMnからなる群から選択される元素が含まれる組織(第2組織)が、気孔を除いた前記空気極中間層の総面積に対して20%以上60%以下形成される条件を予備試験等で取得する。該取得した上記にしたがって空気極中間層113aを形成する。 The material composition, sintering temperature, and sintering procedure of the air electrode intermediate layer 113a and the air electrode conductive layer 113b are such that the air electrode intermediate layer 113a contains an element selected from the group consisting of Ca, Sr, and Mn. (Second structure) is formed in 20% or more and 60% or less of the total area of the air electrode intermediate layer excluding pores, by obtaining conditions such as a preliminary test. The air cathode intermediate layer 113a is formed according to the obtained above.

例えば、空気極中間層113aと空気極導電層113bとを共焼結することで、空気極導電層113bに含まれる元素が空気極中間層113aに拡散される。それにより、空気極中間層113aに第2組織が形成される。 For example, by co-sintering the air electrode intermediate layer 113a and the air electrode conductive layer 113b, elements contained in the air electrode conductive layer 113b are diffused into the air electrode intermediate layer 113a. As a result, a second structure is formed in the air electrode intermediate layer 113a.

空気極導電層113bの材料がAサイト欠損組成である場合、ペロブスカイト構造の化学量論比組成に対して過剰となるMnが空気極中間層113aに多く拡散する。 When the material of the air electrode conductive layer 113b has an A-site deficient composition, a large amount of Mn, which is excessive with respect to the stoichiometric composition of the perovskite structure, diffuses into the air electrode intermediate layer 113a.

空気極導電層113bの材料がAサイト過剰組成である場合、ペロブスカイト構造の化学量論比組成に対して過剰となるCaおよびSrが空気極中間層113aに多く拡散する。 When the material of the air electrode conductive layer 113b has an excessive A-site composition, a large amount of Ca and Sr, which are in excess of the stoichiometric composition of the perovskite structure, diffuses into the air electrode intermediate layer 113a.

焼結温度の高温化、および、空気極導電層113bの材料の微粒化等により、空気極導電層113bの材料に含まれる元素の空気極中間層113aへの拡散を促進できる。焼結温度の高温化では、空気極導電層材料の収縮挙動を計測し、焼結収縮開始点から、温度を50℃ずつ変化させ、セルを試作し、断面の組織観察結果から第2組織の面積率の変化量を取得することで、第2組織の変化率を制御することが可能である。また、同じ焼結温度でも焼結時間を延ばすことでも同様の制御が可能である。粒径に関しては、粒子径の異なる材料で、セルを試作し、粒径変化後の断面の組織観察結果から第2組織の面積率の変化量を取得することで、第2組織の変化率を制御することが可能である。 By increasing the sintering temperature and making the material of the air electrode conductive layer 113b finer, it is possible to promote the diffusion of elements contained in the material of the air electrode conductive layer 113b into the air electrode intermediate layer 113a. To increase the sintering temperature, we measured the shrinkage behavior of the air electrode conductive layer material, changed the temperature in 50°C increments from the sintering shrinkage start point, fabricated a prototype cell, and determined the second structure based on the cross-sectional structure observation results. By acquiring the amount of change in area ratio, it is possible to control the rate of change in the second tissue. Furthermore, similar control is possible by extending the sintering time even at the same sintering temperature. Regarding the particle size, we can calculate the rate of change in the second structure by making trial cells using materials with different particle sizes and obtaining the amount of change in the area ratio of the second structure from the microstructure observation results of the cross section after the particle size has changed. It is possible to control.

(SOFCモジュールの構造と各要素の機能の説明)
次に、図2と図3とを参照して本実施形態に係るSOFCモジュールおよびSOFCカートリッジについて説明する。ここで、図2は、本実施形態に係るSOFCモジュールの一態様を示すものである。また、図3は、本実施形態に係るSOFCカートリッジの一態様の断面図を示すものである。
(Explanation of SOFC module structure and functions of each element)
Next, the SOFC module and SOFC cartridge according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3. Here, FIG. 2 shows one aspect of the SOFC module according to this embodiment. Further, FIG. 3 shows a cross-sectional view of one aspect of the SOFC cartridge according to the present embodiment.

SOFCモジュール(燃料電池モジュール)201は、図2に示すように、例えば、複数のSOFCカートリッジ(燃料電池カートリッジ)203と、これら複数のSOFCカートリッジ203を収納する圧力容器205とを備える。なお、図2には円筒形のSOFCのセルスタック101を例示しているが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。また、SOFCモジュール201は、燃料ガス供給管207と複数の燃料ガス供給枝管207aおよび燃料ガス排出管209と複数の燃料ガス排出枝管209aとを備える。また、SOFCモジュール201は、酸化性ガス供給管(不図示)と酸化性ガス供給枝管(不図示)および酸化性ガス排出管(不図示)と複数の酸化性ガス排出枝管(不図示)とを備える。 As shown in FIG. 2, the SOFC module (fuel cell module) 201 includes, for example, a plurality of SOFC cartridges (fuel cell cartridges) 203 and a pressure vessel 205 that accommodates the plurality of SOFC cartridges 203. Note that although FIG. 2 illustrates a cylindrical SOFC cell stack 101, this is not necessarily the case; for example, a flat cell stack may be used. The SOFC module 201 also includes a fuel gas supply pipe 207, a plurality of fuel gas supply branch pipes 207a, a fuel gas discharge pipe 209, and a plurality of fuel gas discharge branch pipes 209a. The SOFC module 201 also includes an oxidizing gas supply pipe (not shown), an oxidizing gas supply branch pipe (not shown), an oxidizing gas exhaust pipe (not shown), and a plurality of oxidizing gas exhaust branch pipes (not shown). Equipped with.

燃料ガス供給管207は、圧力容器205の外部に設けられ、SOFCモジュール201の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管207aに接続されている。この燃料ガス供給管207は、上記の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管207aに分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管207aは、燃料ガス供給管207に接続されると共に、複数のSOFCカートリッジ203に接続されている。この燃料ガス供給枝管207aは、燃料ガス供給管207から供給される燃料ガスを複数のSOFCカートリッジ203に略均等の流量で導き、複数のSOFCカートリッジ203の発電性能を略均一化させるものである。 The fuel gas supply pipe 207 is provided outside the pressure vessel 205, is connected to a fuel gas supply section that supplies fuel gas with a predetermined gas composition and a predetermined flow rate in accordance with the amount of power generated by the SOFC module 201, and is connected to a plurality of It is connected to the fuel gas supply branch pipe 207a. This fuel gas supply pipe 207 branches and guides a predetermined flow rate of fuel gas supplied from the above fuel gas supply section to a plurality of fuel gas supply branch pipes 207a. Further, the fuel gas supply branch pipe 207a is connected to the fuel gas supply pipe 207 and to the plurality of SOFC cartridges 203. This fuel gas supply branch pipe 207a guides the fuel gas supplied from the fuel gas supply pipe 207 to the plurality of SOFC cartridges 203 at a substantially equal flow rate, thereby making the power generation performance of the plurality of SOFC cartridges 203 substantially uniform. .

燃料ガス排出枝管209aは、複数のSOFCカートリッジ203に接続されると共に、燃料ガス排出管209に接続されている。この燃料ガス排出枝管209aは、SOFCカートリッジ203から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管209に導くものである。また、燃料ガス排出管209は、複数の燃料ガス排出枝管209aに接続されると共に、一部が圧力容器205の外部に配置されている。この燃料ガス排出管209は、燃料ガス排出枝管209aから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器205の外部に導くものである。 The fuel gas discharge branch pipe 209a is connected to the plurality of SOFC cartridges 203 and also to the fuel gas discharge pipe 209. This fuel gas discharge branch pipe 209a guides the exhaust fuel gas discharged from the SOFC cartridge 203 to the fuel gas discharge pipe 209. Further, the fuel gas exhaust pipe 209 is connected to a plurality of fuel gas exhaust branch pipes 209a, and a part of the fuel gas exhaust pipe 209 is disposed outside the pressure vessel 205. This fuel gas discharge pipe 209 guides the exhaust fuel gas, which is discharged from the fuel gas discharge branch pipe 209a at a substantially uniform flow rate, to the outside of the pressure vessel 205.

圧力容器205は、内部の圧力が0.1MPa~約3MPa、内部の温度が大気温度~約550℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばSUS304などのステンレス系材が好適である。 The pressure vessel 205 is operated at an internal pressure of 0.1 MPa to approximately 3 MPa and an internal temperature of atmospheric temperature to approximately 550°C, so it is important to have strength and corrosion resistance against oxidizing agents such as oxygen contained in oxidizing gas. Materials in stock will be used. For example, a stainless steel material such as SUS304 is suitable.

ここで、本実施形態においては、複数のSOFCカートリッジ203が集合化されて圧力容器205に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、SOFCカートリッジ203が集合化されずに圧力容器205内に収納される態様とすることもできる。 Here, in this embodiment, a mode is described in which a plurality of SOFC cartridges 203 are collected and stored in the pressure vessel 205, but the present invention is not limited to this, and for example, the SOFC cartridges 203 are not collected and stored in the pressure vessel 205. It can also be configured to be housed within the container 205.

(SOFCカートリッジの構造と各要素の機能の説明)
SOFCカートリッジ203は、図3に示す通り、複数のセルスタック101と、発電室215と、燃料ガス供給ヘッダ217と、燃料ガス排出ヘッダ219と、酸化性ガス(空気)供給ヘッダ221と、酸化性ガス排出ヘッダ223とを備える。また、SOFCカートリッジ203は、上部管板225aと、下部管板225bと、上部断熱体227aと、下部断熱体227bとを備える。なお、本実施形態においては、SOFCカートリッジ203は、燃料ガス供給ヘッダ217と燃料ガス排出ヘッダ219と酸化性ガス供給ヘッダ221と酸化性ガス排出ヘッダ223とが図3のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタック101の内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタック101の長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
(Explanation of SOFC cartridge structure and functions of each element)
As shown in FIG. 3, the SOFC cartridge 203 includes a plurality of cell stacks 101, a power generation chamber 215, a fuel gas supply header 217, a fuel gas discharge header 219, an oxidizing gas (air) supply header 221, and an oxidizing gas (air) supply header 221. A gas exhaust header 223 is provided. Further, the SOFC cartridge 203 includes an upper tube sheet 225a, a lower tube sheet 225b, an upper heat insulator 227a, and a lower heat insulator 227b. In this embodiment, the SOFC cartridge 203 has a fuel gas supply header 217, a fuel gas exhaust header 219, an oxidizing gas supply header 221, and an oxidizing gas exhaust header 223 arranged as shown in FIG. Although the structure is such that the fuel gas and the oxidizing gas flow oppositely between the inside and outside of the cell stack 101, this is not necessarily necessary; for example, the fuel gas and the oxidizing gas may flow in parallel between the inside and outside of the cell stack 101. Alternatively, the oxidizing gas may flow in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the cell stack 101.

発電室215は、上部断熱体227aと下部断熱体227bとの間に形成された領域である。この発電室215は、セルスタック101の燃料電池セル105が配置された領域であり、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。また、この発電室215のセルスタック101長手方向の中央部付近での温度は、温度計測部(温度センサや熱電対など)で監視され、SOFCモジュール201の定常運転時に、およそ700℃~1000℃の高温雰囲気となる。 The power generation chamber 215 is an area formed between the upper heat insulator 227a and the lower heat insulator 227b. The power generation chamber 215 is an area where the fuel cells 105 of the cell stack 101 are arranged, and is an area where fuel gas and oxidizing gas are electrochemically reacted to generate electricity. The temperature near the longitudinal center of the cell stack 101 in the power generation chamber 215 is monitored by a temperature measurement unit (temperature sensor, thermocouple, etc.), and is approximately 700°C to 1000°C during steady operation of the SOFC module 201. This creates a high temperature atmosphere.

燃料ガス供給ヘッダ217は、SOFCカートリッジ203の上部ケーシング229aと上部管板225aとに囲まれた領域であり、上部ケーシング229aの上部に設けられた燃料ガス供給孔231aによって、燃料ガス供給枝管207aと連通されている。また、複数のセルスタック101は、上部管板225aとシール部材237aにより接合されており、燃料ガス供給ヘッダ217は、燃料ガス供給枝管207aから燃料ガス供給孔231aを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック101の基体管103の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック101の発電性能を略均一化させるものである。 The fuel gas supply header 217 is an area surrounded by the upper casing 229a and the upper tube plate 225a of the SOFC cartridge 203, and is connected to the fuel gas supply branch pipe 207a by the fuel gas supply hole 231a provided in the upper part of the upper casing 229a. It is communicated with. Further, the plurality of cell stacks 101 are joined by an upper tube plate 225a and a sealing member 237a, and the fuel gas supply header 217 is connected to a fuel gas supply header 217 for receiving fuel gas supplied from the fuel gas supply branch pipe 207a through the fuel gas supply hole 231a. is introduced into the base tubes 103 of the plurality of cell stacks 101 at a substantially uniform flow rate, thereby making the power generation performance of the plurality of cell stacks 101 substantially uniform.

燃料ガス排出ヘッダ219は、SOFCカートリッジ203の下部ケーシング229bと下部管板225bとに囲まれた領域であり、下部ケーシング229bに備えられた燃料ガス排出孔231bによって、図示しない燃料ガス排出枝管209aと連通されている。また、複数のセルスタック101は、下部管板225bとシール部材237bにより接合されており、燃料ガス排出ヘッダ219は、複数のセルスタック101の基体管103の内部を通過して燃料ガス排出ヘッダ219に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔231bを介して燃料ガス排出枝管209aに導くものである。 The fuel gas discharge header 219 is a region surrounded by the lower casing 229b and the lower tube plate 225b of the SOFC cartridge 203, and is connected to the fuel gas discharge branch pipe 209a (not shown) by the fuel gas discharge hole 231b provided in the lower casing 229b. It is communicated with. Further, the plurality of cell stacks 101 are joined by a lower tube plate 225b and a sealing member 237b, and the fuel gas exhaust header 219 passes through the inside of the base tube 103 of the plurality of cell stacks 101 to connect to the fuel gas exhaust header 219. The exhaust fuel gas supplied to the fuel gas is collected and guided to the fuel gas exhaust branch pipe 209a via the fuel gas exhaust hole 231b.

SOFCモジュール201の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のSOFCカートリッジ203へ供給する。酸化性ガス供給ヘッダ221は、SOFCカートリッジ203の下部ケーシング229bと下部管板225bと下部断熱体227bとに囲まれた領域であり、下部ケーシング229bの側面に設けられた酸化性ガス供給孔233aによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給ヘッダ221は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔233aを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間235aを介して発電室215に導くものである。 The oxidizing gas having a predetermined gas composition and a predetermined flow rate is branched to an oxidizing gas supply branch pipe in accordance with the amount of power generated by the SOFC module 201, and is supplied to the plurality of SOFC cartridges 203. The oxidizing gas supply header 221 is an area surrounded by the lower casing 229b, the lower tube plate 225b, and the lower heat insulating body 227b of the SOFC cartridge 203. , and is communicated with an oxidizing gas supply branch pipe (not shown). This oxidizing gas supply header 221 generates electricity by using a predetermined flow rate of oxidizing gas supplied from an oxidizing gas supply branch pipe (not shown) through an oxidizing gas supply hole 233a through an oxidizing gas supply gap 235a to be described later. It leads to room 215.

酸化性ガス排出ヘッダ223は、SOFCカートリッジ203の上部ケーシング229aと上部管板225aと上部断熱体227aとに囲まれた領域であり、上部ケーシング229aの側面に設けられた酸化性ガス排出孔233bによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出ヘッダ223は、発電室215から、後述する酸化性ガス排出隙間235bを介して酸化性ガス排出ヘッダ223に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔233bを介して図示しない酸化性ガス排出枝管に導くものである。 The oxidizing gas exhaust header 223 is an area surrounded by the upper casing 229a, the upper tube plate 225a, and the upper insulating body 227a of the SOFC cartridge 203, and is an area surrounded by the oxidizing gas exhaust hole 233b provided on the side surface of the upper casing 229a. , and is communicated with an oxidizing gas discharge branch pipe (not shown). The oxidizing gas exhaust header 223 collects the exhaust oxidizing gas supplied from the power generation chamber 215 to the oxidizing gas exhaust header 223 through an oxidizing gas exhaust gap 235b (described later) through an oxidizing gas exhaust hole 233b. This leads to an oxidizing gas discharge branch pipe (not shown).

上部管板225aは、上部ケーシング229aの天板と上部断熱体227aとの間に、上部管板225aと上部ケーシング229aの天板と上部断熱体227aとが略平行になるように、上部ケーシング229aの側板に固定されている。また上部管板225aは、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック101がそれぞれ挿入されている。この上部管板225aは、複数のセルスタック101の一方の端部をシール部材237aおよび接着部材のいずれか一方または両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給ヘッダ217と酸化性ガス排出ヘッダ223とを隔離するものである。 The upper tube sheet 225a is arranged between the top plate of the upper casing 229a and the upper insulator 227a so that the upper tube sheet 225a, the top plate of the upper casing 229a, and the upper insulator 227a are approximately parallel to each other. is fixed to the side plate. Further, the upper tube plate 225a has a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 included in the SOFC cartridge 203, and the cell stacks 101 are inserted into each of the holes. This upper tube plate 225a airtightly supports one end of the plurality of cell stacks 101 via the sealing member 237a and/or the adhesive member, and also supports the fuel gas supply header 217 and the oxidizing gas discharge header. 223.

上部断熱体227aは、上部ケーシング229aの下端部に、上部断熱体227aと上部ケーシング229aの天板と上部管板225aとが略平行になるように配置され、上部ケーシング229aの側板に固定されている。また、上部断熱体227aには、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック101の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体227aは、この孔の内面と、上部断熱体227aに挿通されたセルスタック101の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間235bを備える。 The upper insulating body 227a is arranged at the lower end of the upper casing 229a so that the upper insulating body 227a, the top plate of the upper casing 229a, and the upper tube plate 225a are substantially parallel, and is fixed to the side plate of the upper casing 229a. There is. Further, the upper heat insulator 227a is provided with a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 included in the SOFC cartridge 203. The diameter of this hole is set larger than the outer diameter of the cell stack 101. The upper insulator 227a includes an oxidizing gas discharge gap 235b formed between the inner surface of this hole and the outer surface of the cell stack 101 inserted through the upper insulator 227a.

この上部断熱体227aは、発電室215と酸化性ガス排出ヘッダ223とを仕切るものであり、上部管板225aの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板225a等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板225a等が発電室215内の高温に晒されて上部管板225a等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体227aは、発電室215を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間235bを通過させて酸化性ガス排出ヘッダ223に導くものである。 The upper heat insulating body 227a partitions the power generation chamber 215 and the oxidizing gas discharge header 223, and prevents the atmosphere around the upper tube sheet 225a from becoming hot, resulting in a decrease in strength and corrosion due to the oxidizing agent contained in the oxidizing gas. Suppress the increase. The upper tube sheet 225a and the like are made of a metal material that is durable at high temperatures, such as Inconel. This prevents thermal deformation. Further, the upper heat insulator 227a guides the exhaust oxidizing gas that has passed through the power generation chamber 215 and been exposed to high temperature to the oxidizing gas exhaust header 223 through the oxidizing gas exhaust gap 235b.

本実施形態によれば、上記したSOFCカートリッジ203の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管103の内部を通って発電室215に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板225a等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出ヘッダ223に供給される。また、燃料ガスは、発電室215から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室215に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室215に供給することができる。 According to this embodiment, the structure of the SOFC cartridge 203 described above allows the fuel gas and the oxidizing gas to flow oppositely between the inside and outside of the cell stack 101. As a result, heat exchange is performed between the exhaust oxidizing gas and the fuel gas supplied to the power generation chamber 215 through the inside of the base tube 103, and the upper tube plate 225a made of metal material is prevented from buckling or the like. The gas is cooled to a temperature that does not cause deformation and is supplied to the oxidizing gas discharge header 223. Further, the temperature of the fuel gas is increased by heat exchange with the exhaust oxidizing gas discharged from the power generation chamber 215, and then the fuel gas is supplied to the power generation chamber 215. As a result, fuel gas that has been preheated to a temperature suitable for power generation can be supplied to the power generation chamber 215 without using a heater or the like.

下部管板225bは、下部ケーシング229bの底板と下部断熱体227bとの間に、下部管板225bと下部ケーシング229bの底板と下部断熱体227bとが略平行になるように下部ケーシング229bの側板に固定されている。また下部管板225bは、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック101がそれぞれ挿入されている。この下部管板225bは、複数のセルスタック101の他方の端部をシール部材237bおよび接着部材のいずれか一方または両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出ヘッダ219と酸化性ガス供給ヘッダ221とを隔離するものである。 The lower tube plate 225b is attached to the side plate of the lower casing 229b between the bottom plate of the lower casing 229b and the lower heat insulating body 227b so that the bottom plate of the lower tube plate 225b, the bottom plate of the lower casing 229b, and the lower heat insulating body 227b are approximately parallel to each other. Fixed. Further, the lower tube plate 225b has a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 included in the SOFC cartridge 203, and the cell stacks 101 are inserted into each of the holes. This lower tube plate 225b airtightly supports the other end of the plurality of cell stacks 101 via the seal member 237b and/or the adhesive member, and also supports the fuel gas discharge header 219 and the oxidizing gas supply header. 221.

下部断熱体227bは、下部ケーシング229bの上端部に、下部断熱体227bと下部ケーシング229bの底板と下部管板225bとが略平行になるように配置され、下部ケーシング229bの側板に固定されている。また、下部断熱体227bには、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック101の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体227bは、この孔の内面と、下部断熱体227bに挿通されたセルスタック101の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間235aを備える。 The lower insulator 227b is arranged at the upper end of the lower casing 229b so that the lower insulator 227b, the bottom plate of the lower casing 229b, and the lower tube plate 225b are substantially parallel, and is fixed to the side plate of the lower casing 229b. . Further, the lower heat insulator 227b is provided with a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 included in the SOFC cartridge 203. The diameter of this hole is set larger than the outer diameter of the cell stack 101. The lower insulator 227b includes an oxidizing gas supply gap 235a formed between the inner surface of the hole and the outer surface of the cell stack 101 inserted through the lower insulator 227b.

この下部断熱体227bは、発電室215と酸化性ガス供給ヘッダ221とを仕切るものであり、下部管板225bの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板225b等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板225b等が高温に晒されて下部管板225b等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体227bは、酸化性ガス供給ヘッダ221に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間235aを通過させて発電室215に導くものである。 The lower heat insulating body 227b partitions the power generation chamber 215 and the oxidizing gas supply header 221, and prevents the atmosphere around the lower tube sheet 225b from becoming hot, resulting in a decrease in strength and corrosion due to the oxidizing agent contained in the oxidizing gas. Suppress the increase. Although the lower tube sheet 225b and the like are made of a metal material such as Inconel that is durable at high temperatures, it is important to note that if the lower tube sheet 225b and the like are exposed to high temperatures and the temperature difference within the lower tube sheet 225b becomes large, thermal deformation may occur. It is something to prevent. Further, the lower heat insulator 227b guides the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas supply header 221 to the power generation chamber 215 through the oxidizing gas supply gap 235a.

本実施形態によれば、上記したSOFCカートリッジ203の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管103の内部を通って発電室215を通過した排燃料ガスは、発電室215に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板225b等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出ヘッダ219に供給される。また、酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室215に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室215に供給することができる。 According to this embodiment, the structure of the SOFC cartridge 203 described above allows the fuel gas and the oxidizing gas to flow oppositely between the inside and outside of the cell stack 101. As a result, the exhaust fuel gas that has passed through the inside of the base tube 103 and the power generation chamber 215 undergoes heat exchange with the oxidizing gas supplied to the power generation chamber 215, and the lower tube sheet 225b made of metal material is heated. etc. are cooled to a temperature that does not cause deformation such as buckling and are supplied to the fuel gas discharge header 219. Further, the oxidizing gas is heated by heat exchange with the exhaust fuel gas, and is supplied to the power generation chamber 215. As a result, the oxidizing gas heated to a temperature necessary for power generation can be supplied to the power generation chamber 215 without using a heater or the like.

発電室215で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル105に設けたNi/YSZ等からなるリード膜115によりセルスタック101の端部付近まで導出した後に、SOFCカートリッジ203の集電棒(不図示)に集電板(不図示)を介して集電して、各SOFCカートリッジ203の外部へと取り出される。前記集電棒によってSOFCカートリッジ203の外部に導出された直流電力は、各SOFCカートリッジ203の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、SOFCモジュール201の外部へと導出されて、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置(インバータなど)により所定の交流電力へと変換されて、電力供給先(例えば、負荷設備や電力系統)へと供給される。 The DC power generated in the power generation chamber 215 is led to the vicinity of the end of the cell stack 101 by the lead membranes 115 made of Ni/YSZ etc. provided in the plurality of fuel cells 105, and then transferred to the current collector rod (non-conductor) of the SOFC cartridge 203. The current is collected through a current collector plate (not shown) and taken out to the outside of each SOFC cartridge 203 . The DC power led out to the outside of the SOFC cartridge 203 by the current collector rod is connected to the generated power of each SOFC cartridge 203 in a predetermined number of series and parallel numbers, and led out to the outside of the SOFC module 201. It is converted into predetermined alternating current power by a power conversion device (such as an inverter) such as a power conditioner (not shown), and is supplied to a power supply destination (for example, a load facility or a power system).

次に、上記実施形態に係る燃料電池セルの作用および効果について説明する。 Next, the functions and effects of the fuel cell according to the above embodiment will be explained.

(試験体作製)
上記実施形態に従って作製したセルスタックから燃料電池セルの断面を切り出して試験体とした。
(Test specimen preparation)
A cross-section of a fuel cell was cut out from the cell stack produced according to the above embodiment and used as a test specimen.

セルスタックの各構成の材料は以下の通りである。
基体管:カルシウム安定化ジルコニア(Ca添加量15mol%)
燃料極:Ni:YSZ(Y添加量8mol%)=50:50(質量比)、膜厚120μm
固体電解質膜:YSZ(Y添加量8mol%)、膜厚80μm
インターコネクタ:Sr0.9La0.1TiO
空気極中間層:Sm0.2Ce0.8、膜厚15μm
空気極導電層:La0.5Sr0.25Ca0.25MnO、膜厚1000μm、A/B比=0.95
The materials for each component of the cell stack are as follows.
Base tube: Calcium stabilized zirconia (Ca addition amount 15 mol%)
Fuel electrode: Ni:YSZ (Y addition amount 8 mol%) = 50:50 (mass ratio), film thickness 120 μm
Solid electrolyte membrane: YSZ (Y addition amount: 8 mol%), film thickness: 80 μm
Interconnector: Sr 0.9 La 0.1 TiO 3
Air electrode intermediate layer: Sm 0.2 Ce 0.8 O 2 , film thickness 15 μm
Air electrode conductive layer: La 0.5 Sr 0.25 Ca 0.25 MnO 3 , film thickness 1000 μm, A/B ratio = 0.95

基体管~インターコネクタの共焼結条件は1400℃,4時間、空気極中間層および空気極導電層の焼結条件は1200℃,2時間とした。 The co-sintering conditions for the base tube and the interconnector were 1400° C. for 4 hours, and the sintering conditions for the air electrode intermediate layer and the air electrode conductive layer were 1200° C. for 2 hours.

(空気極中間層の組成分析)
元素分析機器が搭載された走査電子顕微鏡(SEM)「SU6600形」(日立ハイテク社製)を用いて、空気極中間層の組成分析を行った。元素分析機器は、EDX(Energy Dispersive X-ray spectrometer)(エネルギー分散形X線元素分析器)である。
試験体をエネルギー分散型X線分析(EDX)に供した。図4,5に分析結果を示す。図4は、試験体表面の空気極中間層部分のSEM写真(視野サイズ(倍率):5000倍)である。図5は、空気極中間層の半定量分析結果である。カーボン蒸着をしているため、図5では、Cの半定量値は除外し、Ce,Sm,O,Mn,CaおよびSrの合計を100とした。
(Compositional analysis of air electrode intermediate layer)
The composition of the air cathode intermediate layer was analyzed using a scanning electron microscope (SEM) "Model SU6600" (manufactured by Hitachi High-Tech) equipped with an elemental analysis device. The elemental analysis device is an EDX (Energy Dispersive X-ray spectrometer).
The test specimen was subjected to energy dispersive X-ray analysis (EDX). The analysis results are shown in Figures 4 and 5. FIG. 4 is a SEM photograph (field size (magnification): 5000 times) of the air electrode intermediate layer portion on the surface of the test piece. FIG. 5 shows the results of semi-quantitative analysis of the air electrode intermediate layer. Since carbon was vapor-deposited, the semi-quantitative value of C was excluded in FIG. 5, and the total of Ce, Sm, O, Mn, Ca, and Sr was set to 100.

図4の空気極中間層では、黒色部(閾値0-60.frn)、灰色部(閾値61-195.frn)および白色部(閾値196-255.frn)が観察された。黒色部、灰色部および白色部の総面積を100%とした場合、黒色部、灰色部および白色部の面積率(各3点を分析した平均値)は、それぞれ17%、26%、55%であった。灰色部および白色部の総面積を100%とした(気孔なしの)場合、灰色部および白色部の面積率は、それぞれ32%、68%であった。黒色部は、気孔に相当する。 In the air cathode intermediate layer in FIG. 4, a black part (threshold value 0-60.frn), a gray part (threshold value 61-195.frn), and a white part (threshold value 196-255.frn) were observed. When the total area of the black, gray, and white parts is taken as 100%, the area ratios of the black, gray, and white parts (average value of each three points analyzed) are 17%, 26%, and 55%, respectively. Met. When the total area of the gray part and the white part was taken as 100% (without pores), the area ratios of the gray part and the white part were 32% and 68%, respectively. The black parts correspond to pores.

図5によれば、白色部ではCe,Sm,Oが検出され、Mn,Ca,Srは検出されなかった。白色部は、主に、空気極中間層の材料に由来する元素を含む組織(第1組織)であった。白色部にはCeが50原子%以上含まれていた。 According to FIG. 5, Ce, Sm, and O were detected in the white part, but Mn, Ca, and Sr were not detected. The white part was a structure (first structure) mainly containing elements derived from the material of the air electrode intermediate layer. The white part contained 50 atomic % or more of Ce.

灰色部では、空気極中間層の材料に由来する元素(Ce,Sm,O)に加え、Mn,Ca,Srが検出された。Ca,Mn,Srは空気極中間層の材料に含まれないため、共焼結した際に、空気極導電層の材料に含まれる元素が、空気極中間層に拡散したものと考えられる。灰色部は、空気極導電層の材料に由来する元素を含み、第1組織とは異なる組成の組織(第2組織)であった。灰色部に含まれるCeは、白色部よりも少なく、50原子%未満であった。図5によれば灰色部において、Mnは12-14原子%、Caは1-2.1原子%、Srは1-2.1原子%含まれていた。 In the gray area, Mn, Ca, and Sr were detected in addition to elements (Ce, Sm, and O) originating from the material of the air electrode intermediate layer. Since Ca, Mn, and Sr are not contained in the material of the air electrode intermediate layer, it is considered that the elements contained in the material of the air electrode conductive layer were diffused into the air electrode intermediate layer during co-sintering. The gray part contained elements derived from the material of the air electrode conductive layer, and was a structure (second structure) with a different composition from the first structure. The gray part contained less Ce than the white part, which was less than 50 atomic %. According to FIG. 5, the gray area contained 12-14 at.% of Mn, 1-2.1 at.% of Ca, and 1-2.1 at.% of Sr.

図には示さないが、試験体の面分析の結果、空気極導電層側から空気極中間層にMn,Ca,Srがそれぞれ拡散していることが認められた。 Although not shown in the figure, as a result of surface analysis of the test specimen, it was found that Mn, Ca, and Sr were each diffused from the air electrode conductive layer side to the air electrode intermediate layer.

(電子導電性)
図6に、Mn,Ca,Srが試験体の電子導電性に与える影響について示す(出典:Matsui et al.,J.Mater.Chem.A,2020,8,11867-11873)。同図において、上横軸は温度(℃)、下横軸は温度(1000T-1/K-1)、縦軸は電子導電率(log[σ/Scm-1])である。図7は、図6から読み取った数値をまとめた図表である。
(electronic conductivity)
FIG. 6 shows the influence of Mn, Ca, and Sr on the electronic conductivity of the test specimen (Source: Matsui et al., J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 11867-11873). In the figure, the upper horizontal axis is temperature (° C.), the lower horizontal axis is temperature (1000T −1 /K −1 ), and the vertical axis is electronic conductivity (log[σ/Scm −1 ]). FIG. 7 is a chart summarizing the numerical values read from FIG. 6.

SmMnOの電子導電率は、600℃で0.3Scm-1であった。この値は、Mnを含まないSmCeOの電子導電率よりも高い。これにより、Mnが含まれることで試験体の電子導電率を上昇させられることが示唆された。 The electronic conductivity of SmMnO 3 was 0.3 Scm −1 at 600 °C. This value is higher than the electronic conductivity of SmCeO 2 without Mn. This suggests that the inclusion of Mn can increase the electronic conductivity of the test specimen.

図6によれば、CaまたはSrが含まれることで、電子導電率は増加した。Caの含有量が増えるほど、電子導電率も高くなった。Caの含有量が低い場合、温度が高いほど電子導電率も高くなる傾向を示した。SrもCaと同様の傾向を示すと推察される。CaまたはSrの添加量がSmと同量である場合、電子導電率は温度によらず、略一定であった。 According to FIG. 6, the inclusion of Ca or Sr increased the electronic conductivity. As the content of Ca increased, the electronic conductivity also increased. When the Ca content was low, the higher the temperature, the higher the electronic conductivity tended to be. It is presumed that Sr also shows the same tendency as Ca. When the amount of Ca or Sr added was the same as the amount of Sm, the electronic conductivity was approximately constant regardless of temperature.

空気極中間層の材料であるSmドープされたセリアは、高いイオン導電性を有するが、空気極側の酸化雰囲気では電子導電性は低い。図4~7によれば、空気極導電層から空気極中間層にMn,Caおよび/またはSrが拡散されたことにより生じ得た第2組織(灰色部)が電子導電性を有すると考えられる。 Sm-doped ceria, which is the material of the air electrode intermediate layer, has high ionic conductivity, but low electronic conductivity in the oxidizing atmosphere on the air electrode side. According to FIGS. 4 to 7, it is considered that the second structure (gray area) that may be generated due to the diffusion of Mn, Ca, and/or Sr from the air electrode conductive layer to the air electrode intermediate layer has electronic conductivity. .

電子絶縁性の材料中に電子導電性の材料を含む複合材の電子パスについては、パーコレーション理論により考察できる。パーコレーション理論では、電子導電体が特定濃度(閾値)以上で凝集し、系全体を連なるクラスターが形成されることで電子導電性が発現すると考えられる。この閾値はパーコレーション閾値と呼ばれる。パーコレーションとは、対象とする物質が系内でどのように繋がっているか、その特徴が径の性質にどう反映しているかを対象とする理論である。ある物質が繋がってできた集団をクラスターと呼ぶ。 The electron path of a composite material containing an electronically conductive material in an electronically insulating material can be considered using percolation theory. According to percolation theory, electronic conductors are thought to aggregate at a certain concentration (threshold) or higher, forming clusters that connect the entire system, thereby developing electronic conductivity. This threshold is called the percolation threshold. Percolation is a theory that focuses on how the target substances are connected within a system and how their characteristics are reflected in the properties of the diameter. A group of connected substances is called a cluster.

図8に、上記実施形態に係る空気極中間層における第2組織の割合と電子導電率との関係を示す。図8において、横軸は第2組織の割合(vol%)、横軸が電子導電率(S/cm)である。第2組織の割合は、第1組織と第2組織の合計体積を100%として算出した。 FIG. 8 shows the relationship between the proportion of the second structure and the electronic conductivity in the air electrode intermediate layer according to the above embodiment. In FIG. 8, the horizontal axis represents the proportion of the second tissue (vol%), and the horizontal axis represents the electronic conductivity (S/cm). The proportion of the second tissue was calculated by setting the total volume of the first tissue and the second tissue as 100%.

図8は、Bruggemanの式(1)から推算した。
σは空気極中間層の電子導電率、Vは第2組織の体積分率、σは第2組織の電子導電率、σは第1組織の電子導電率である。第1組織の電子導電率は、0.001Scm-1と仮定した。第2組織の電子導電率は、図6のグラフの各試験体データについて近似式を作成し、該近似式の傾きと、EXPの係数のCa含有量との相関で補間式を用いる。Srの電子導電率は、Caと同等とした。
FIG. 8 was estimated from Bruggeman's equation (1).
σ c is the electronic conductivity of the air electrode intermediate layer, V f is the volume fraction of the second structure, σ f is the electronic conductivity of the second structure, and σ m is the electronic conductivity of the first structure. The electronic conductivity of the first structure was assumed to be 0.001 Scm −1 . For the electronic conductivity of the second tissue, an approximate equation is created for each specimen data in the graph of FIG. 6, and an interpolated equation is used based on the correlation between the slope of the approximate equation and the Ca content of the EXP coefficient. The electronic conductivity of Sr was made equal to that of Ca.

図8によれば、第2組織の体積割合が増えるにしたがって、電子導電率も上昇した。第2組織の体積割合が20%以上で、線形効果以上の電子導電性が発現した。グラフの傾きは、第2組織の体積割合が30%以上40%以下で最も大きかった。図8によれば、第2組織の体積割合33%程度がパーコレーション閾値となる。体積割合は、面積割合に置き換えて考えることができる。図8の結果は、図4~7の結果と整合する。 According to FIG. 8, as the volume ratio of the second tissue increased, the electronic conductivity also increased. When the volume ratio of the second tissue was 20% or more, electronic conductivity greater than a linear effect was exhibited. The slope of the graph was greatest when the volume percentage of the second tissue was 30% or more and 40% or less. According to FIG. 8, the percolation threshold is approximately 33% in volume of the second tissue. The volume ratio can be considered in place of the area ratio. The results in FIG. 8 are consistent with the results in FIGS. 4-7.

空気極中間層において、電子導電性とイオン導電性は、トレードオフの関係にある。電子導電性第2組織が増えると、イオン導電性の第1組織の割合が減り、空気極中間層のイオン導電性は低下する。空気極中間層にイオン導電性は必要であるため、第2組織の割合は、60%以下であることが好ましい。 In the air electrode intermediate layer, electronic conductivity and ionic conductivity are in a trade-off relationship. As the electronically conductive second structure increases, the proportion of the ionically conductive first structure decreases, and the ionic conductivity of the air electrode intermediate layer decreases. Since ionic conductivity is required for the air electrode intermediate layer, the proportion of the second structure is preferably 60% or less.

図9は、空気極中間層が第2組織を含む上記実施形態に係る燃料電池セルの空気極側の断面模式図である。 FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the air electrode side of the fuel cell according to the above embodiment in which the air electrode intermediate layer includes the second structure.

上記実施形態に係る燃料電池セルの空気極中間層113aは、気孔Pと、第1組織Sと、第2組織Sとを含む。気孔Pは酸素ガス拡散経路となり得る。空気極中間層113aは酸化雰囲気でイオン導電性であるため、電解質として機能する。第2組織Sを含む空気極中間層113aは、イオン導電性に加え、電子導電性を有する。よって、第2組織Sを含む空気極中間層113aでは、内部に三相界面が形成される。空気極中間層113aに電子導電性を付与することで、三相界面(電極反応場)を三次元的に拡大できるため、従来よりも反応抵抗を低減させられる。 The air electrode intermediate layer 113a of the fuel cell according to the above embodiment includes pores P, a first structure S1 , and a second structure S2 . The pores P can serve as oxygen gas diffusion paths. Since the air electrode intermediate layer 113a is ionic conductive in an oxidizing atmosphere, it functions as an electrolyte. The air electrode intermediate layer 113a including the second structure S2 has electronic conductivity in addition to ionic conductivity. Therefore, a three-phase interface is formed inside the air electrode intermediate layer 113a including the second structure S2 . By imparting electronic conductivity to the air cathode intermediate layer 113a, the three-phase interface (electrode reaction field) can be expanded three-dimensionally, so that the reaction resistance can be reduced more than before.

なお、上記実施形態は、燃料電池セル105と同じ構成で電力を印加して水素を製造する高温水蒸気電解(SOEC)セルに適用することも可能である。その場合、上記実施形態における燃料電池セル105は発電せずに水素を発生する水素発生部に置き換えればよい。 Note that the above embodiment can also be applied to a high temperature steam electrolysis (SOEC) cell that has the same configuration as the fuel cell 105 and produces hydrogen by applying electric power. In that case, the fuel cell 105 in the above embodiment may be replaced with a hydrogen generating section that generates hydrogen without generating electricity.

〈付記〉
以上説明した実施形態に記載の電気化学セルおよびその製造方法、電気化学モジュール、電気化学カートリッジは、例えば以下のように把握される。
〈Additional notes〉
The electrochemical cell, its manufacturing method, electrochemical module, and electrochemical cartridge described in the embodiments described above can be understood, for example, as follows.

本開示に係る電気化学セル(105)は、水素極(109)、固体電解質膜(111)および酸素極(113)が順次積層され、前記酸素極は、前記固体電解質膜側から順に酸素極中間層(113a)および酸素極導電層(113b)を含み、前記酸素極導電層は、一般式ABOで表され、AサイトがLaと、Srおよび/またはCaであり、BサイトがMnであるペロブスカイト酸化物を含む材料の焼結体であり、前記酸素極中間層は、Smドープされたセリアを含む材料の焼結体であり、かつ、気孔、第1組織および第2組織を有し、前記第1組織は、50原子%以上のCeを含み、かつ、Ca,SrおよびMnを含まず、前記第2組織は、Ca,SrおよびMnからなる群から選択される元素を含み、前記酸素極中間層の断面における前記第2組織の面積率は、前記第1組織および前記第2組織の総面積に対し20%以上60%以下である。 The electrochemical cell (105) according to the present disclosure has a hydrogen electrode (109), a solid electrolyte membrane (111), and an oxygen electrode (113) stacked in sequence, and the oxygen electrode is arranged in the middle of the oxygen electrode in order from the solid electrolyte membrane side. layer (113a) and an oxygen electrode conductive layer (113b), the oxygen electrode conductive layer is represented by the general formula ABO3 , the A site is La, Sr and/or Ca, and the B site is Mn. a sintered body of a material containing perovskite oxide, the oxygen electrode intermediate layer being a sintered body of a material containing Sm-doped ceria, and having pores, a first structure, and a second structure; The first structure contains 50 atomic % or more of Ce and does not contain Ca, Sr, and Mn, and the second structure contains an element selected from the group consisting of Ca, Sr, and Mn, and the oxygen The area ratio of the second structure in the cross section of the extreme intermediate layer is 20% or more and 60% or less of the total area of the first structure and the second structure.

上記ペロブスカイト酸化物を含む材料を焼結してなる酸素極導電層は、電子導電性を有する。Smドープされたセリアを含む材料を焼結してなる酸素極中間層は、イオン導電性を有する。酸素極を酸素極導電層と酸素極中間層との2層構成にすることで、固体電解質膜と酸素極との界面抵抗を低減できる。 The oxygen electrode conductive layer formed by sintering the material containing the perovskite oxide has electronic conductivity. The oxygen electrode intermediate layer formed by sintering a material containing Sm-doped ceria has ionic conductivity. By forming the oxygen electrode into a two-layer structure consisting of the oxygen electrode conductive layer and the oxygen electrode intermediate layer, the interfacial resistance between the solid electrolyte membrane and the oxygen electrode can be reduced.

Smドープされたセリア由来の元素を主成分とする第1組織は、イオン導電の機能を担う。Ca,SrおよびMnからなる群から選択される元素を含む第2組織は、電子導電の機能を担う。酸素極中間層の断面の総面積が一定である場合、第2組織が増えると第1組織の割合が低下して酸素極中間層のイオン導電性は低下し、第1組織が増えると第2組織の割合が低下して酸素極中間層の電子導電性は低下する。酸素極中間層の断面における第2組織の面積率を酸素極中間層の断面における第1組織および前記第2組織の総面積に対して20%以上60%以下好ましくは30%以上40%以下とすることで、酸素極中間層内においてイオンパスを確保しつつ、電子パスを形成できる。 The first structure, which is mainly composed of an element derived from ceria and which is Sm-doped, has the function of ionic conduction. The second structure containing an element selected from the group consisting of Ca, Sr and Mn is responsible for the function of electronic conduction. When the total cross-sectional area of the oxygen electrode intermediate layer is constant, as the second structure increases, the proportion of the first structure decreases and the ionic conductivity of the oxygen electrode intermediate layer decreases; As the proportion of the structure decreases, the electronic conductivity of the oxygen electrode intermediate layer decreases. The area ratio of the second structure in the cross section of the oxygen electrode intermediate layer is 20% or more and 60% or less, preferably 30% or more and 40% or less, with respect to the total area of the first structure and the second structure in the cross section of the oxygen electrode intermediate layer. By doing so, it is possible to form an electron path while ensuring an ion path within the oxygen electrode intermediate layer.

ガス経路となる気孔、イオン導電性の第1組織および電子導電性の第2組織が含まれるようにすることで、酸素極中間層内部に3次元的に電極反応場(三相界面)が拡大する。これにより、酸素極導電層と酸素極中間層との界面での反応抵抗が低減される。 The electrode reaction field (three-phase interface) is expanded three-dimensionally inside the oxygen electrode intermediate layer by including pores that serve as gas paths, an ionic conductive first structure, and an electronically conductive second structure. do. This reduces the reaction resistance at the interface between the oxygen electrode conductive layer and the oxygen electrode intermediate layer.

上記開示の一態様において、前記酸素極中間層の断面における前記気孔の面積率は、前記気孔,前記第1組織および前記第2組織の総面積に対し20%以上であってよい。 In one aspect of the above disclosure, the area ratio of the pores in the cross section of the oxygen electrode intermediate layer may be 20% or more with respect to the total area of the pores, the first structure, and the second structure.

気孔の面積率を上記範囲にすることで、酸素極中間層内により確実に三相界面を形成できる。 By setting the area ratio of pores within the above range, a three-phase interface can be more reliably formed within the oxygen electrode intermediate layer.

上記開示に係る電気化学セルを備えた電気化学モジュール、該電気化学モジュールを備えた電気化学カートリッジは、従来よりも発電効率が改善されたものとなる。 The electrochemical module equipped with the electrochemical cell according to the above disclosure and the electrochemical cartridge equipped with the electrochemical module have improved power generation efficiency than conventional ones.

本開示に係る電気化学セルの製造方法は、水素極(109)、固体電解質膜(111)および酸素極(113)が順次積層され、前記酸素極は、前記固体電解質膜側から順に酸素極中間層(113a)および酸素極導電層(113b)を含み、前記酸素極導電層は、一般式ABOで表され、AサイトがLaと、Srおよび/またはCaであり、BサイトがMnであるペロブスカイト酸化物を含む材料の焼結体であり、前記酸素極中間層は、Smドープされたセリアを含む材料の焼結体である電気化学セルの製造方法であって、前記酸素極中間層の断面において、Ca,SrおよびMnからなる群から選択される元素が含まれる組織が、気孔を除いた前記酸素極中間層の断面の総面積に対して20%以上60%以下形成される条件を取得し、取得した前記条件に従って、前記酸素極中間層および前記酸素極導電層を共焼結して前記酸素極中間層を形成する。 In the method for manufacturing an electrochemical cell according to the present disclosure, a hydrogen electrode (109), a solid electrolyte membrane (111), and an oxygen electrode (113) are sequentially stacked, and the oxygen electrode is stacked in order from the solid electrolyte membrane side to the oxygen electrode intermediate layer. layer (113a) and an oxygen electrode conductive layer (113b), the oxygen electrode conductive layer is represented by the general formula ABO3 , the A site is La, Sr and/or Ca, and the B site is Mn. A method for manufacturing an electrochemical cell, wherein the oxygen electrode intermediate layer is a sintered body of a material containing perovskite oxide, and the oxygen electrode intermediate layer is a sintered body of a material containing Sm-doped ceria. Conditions are set such that in a cross section, a structure containing an element selected from the group consisting of Ca, Sr, and Mn is formed in 20% or more and 60% or less of the total area of the cross section of the oxygen electrode intermediate layer excluding pores. and co-sintering the oxygen electrode intermediate layer and the oxygen electrode conductive layer according to the acquired conditions to form the oxygen electrode intermediate layer.

上記開示の一態様において、前記条件は、前記酸素極導電層の材料組成、前記酸素極中間層の材料組成、前記酸素極中間層および前記酸素極導電層の焼結温度、焼結手順のいずれかであり得る。 In one aspect of the disclosure, the conditions include any of the material composition of the oxygen electrode conductive layer, the material composition of the oxygen electrode intermediate layer, the sintering temperature of the oxygen electrode intermediate layer and the oxygen electrode conductive layer, and the sintering procedure. It could be.

101 セルスタック(燃料電池)
103 基体管(基体)
105 燃料電池セル(発電素子)(電気化学セル)
107 インターコネクタ
109 燃料極(水素極)
111 固体電解質膜
113 空気極(酸素極)
113a 空気極中間層(酸素極中間層)
113b 空気極導電層(酸素極導電層)
115 リード膜
201 SOFC(燃料電池)モジュール(電気化学モジュール)
203 SOFC(燃料電池)カートリッジ(電気化学カートリッジ)
205 圧力容器
207 燃料ガス供給管
207a 燃料ガス供給枝管
209 燃料ガス排出管
209a 燃料ガス排出枝管
215 発電室
217 燃料ガス供給ヘッダ
219 燃料ガス排出ヘッダ
221 酸化性ガス供給ヘッダ
223 酸化性ガス排出ヘッダ
225a 上部管板
225b 下部管板
227a 上部断熱体
227b 下部断熱体
229a 上部ケーシング
229b 下部ケーシング
231a 燃料ガス供給孔
231b 燃料ガス排出孔
233a 酸化性ガス供給孔
233b 酸化性ガス排出孔
235a 酸化性ガス供給隙間
235b 酸化性ガス排出隙間
237a、237b シール部材
101 Cell stack (fuel cell)
103 Base tube (base body)
105 Fuel cell (power generation element) (electrochemical cell)
107 Interconnector 109 Fuel electrode (hydrogen electrode)
111 Solid electrolyte membrane 113 Air electrode (oxygen electrode)
113a Air electrode intermediate layer (oxygen electrode intermediate layer)
113b Air electrode conductive layer (oxygen electrode conductive layer)
115 Lead membrane 201 SOFC (fuel cell) module (electrochemical module)
203 SOFC (fuel cell) cartridge (electrochemical cartridge)
205 Pressure vessel 207 Fuel gas supply pipe 207a Fuel gas supply branch pipe 209 Fuel gas discharge pipe 209a Fuel gas discharge branch pipe 215 Power generation chamber 217 Fuel gas supply header 219 Fuel gas discharge header 221 Oxidizing gas supply header 223 Oxidizing gas discharge header 225a Upper tube sheet 225b Lower tube sheet 227a Upper insulator 227b Lower insulator 229a Upper casing 229b Lower casing 231a Fuel gas supply hole 231b Fuel gas discharge hole 233a Oxidizing gas supply hole 233b Oxidizing gas exhaust hole 235a Oxidizing gas supply gap 235b Oxidizing gas discharge gap 237a, 237b Seal member

Claims (7)

水素極、固体電解質膜および酸素極が順次積層され、
前記酸素極は、前記固体電解質膜側から順に酸素極中間層および酸素極導電層を含み、
前記酸素極導電層は、一般式ABOで表され、AサイトがLaと、Srおよび/またはCaであり、BサイトがMnであるペロブスカイト酸化物を含む材料の焼結体であり、
前記酸素極中間層は、Smドープされたセリアを含む材料の焼結体であり、かつ、気孔、第1組織および第2組織を有し、
前記第1組織は、50原子%以上のCeを含み、かつ、Ca,SrおよびMnを含まず、
前記第2組織は、Ca,SrおよびMnからなる群から選択される元素を含み、
前記酸素極中間層の断面における前記第2組織の面積率は、前記第1組織および前記第2組織の総面積に対し20%以上60%以下である電気化学セル。
A hydrogen electrode, a solid electrolyte membrane, and an oxygen electrode are sequentially stacked,
The oxygen electrode includes an oxygen electrode intermediate layer and an oxygen electrode conductive layer in order from the solid electrolyte membrane side,
The oxygen electrode conductive layer is a sintered body of a material containing a perovskite oxide represented by the general formula ABO 3 , whose A site is La, Sr and/or Ca, and whose B site is Mn,
The oxygen electrode intermediate layer is a sintered body of a material containing Sm-doped ceria, and has pores, a first structure, and a second structure,
The first structure contains 50 atomic % or more of Ce and does not contain Ca, Sr, and Mn,
The second structure contains an element selected from the group consisting of Ca, Sr and Mn,
An electrochemical cell, wherein the area ratio of the second structure in the cross section of the oxygen electrode intermediate layer is 20% or more and 60% or less with respect to the total area of the first structure and the second structure.
前記酸素極中間層の断面における前記第2組織の面積率は、前記第1組織および前記第2組織の総面積に対し30%以上40%以下である請求項1に記載の電気化学セル。 The electrochemical cell according to claim 1, wherein the area ratio of the second structure in the cross section of the oxygen electrode intermediate layer is 30% or more and 40% or less with respect to the total area of the first structure and the second structure. 前記酸素極中間層の断面における前記気孔の面積率は、前記気孔,前記第1組織および前記第2組織の総面積に対し5%以上である請求項2に記載の電気化学セル。 The electrochemical cell according to claim 2, wherein the area ratio of the pores in the cross section of the oxygen electrode intermediate layer is 5% or more with respect to the total area of the pores, the first structure, and the second structure. 請求項1~3のいずれかに記載の電気化学セルを備えた電気化学モジュール。 An electrochemical module comprising the electrochemical cell according to any one of claims 1 to 3. 請求項4に記載の電気化学モジュールを備えた電気化学カートリッジ。 An electrochemical cartridge comprising the electrochemical module according to claim 4. 水素極、固体電解質膜および酸素極が順次積層され、
前記酸素極は、前記固体電解質膜側から順に酸素極中間層および酸素極導電層を含み、
前記酸素極導電層は、一般式ABOで表され、AサイトがLaと、Srおよび/またはCaであり、BサイトがMnであるペロブスカイト酸化物を含む材料の焼結体であり、
前記酸素極中間層は、Smドープされたセリアを含む材料の焼結体である電気化学セルの製造方法であって、
前記酸素極中間層の断面において、Ca,SrおよびMnからなる群から選択される元素が含まれる組織が、気孔を除いた前記断面の総面積に対して20%以上60%以下形成される条件を取得し、
取得した前記条件に従って、前記酸素極中間層および前記酸素極導電層を共焼結して前記酸素極中間層を形成する電気化学セルの製造方法。
A hydrogen electrode, a solid electrolyte membrane, and an oxygen electrode are sequentially stacked,
The oxygen electrode includes an oxygen electrode intermediate layer and an oxygen electrode conductive layer in order from the solid electrolyte membrane side,
The oxygen electrode conductive layer is a sintered body of a material containing a perovskite oxide represented by the general formula ABO 3 , whose A site is La, Sr and/or Ca, and whose B site is Mn,
The method for manufacturing an electrochemical cell, wherein the oxygen electrode intermediate layer is a sintered body of a material containing Sm-doped ceria,
Conditions under which, in the cross section of the oxygen electrode intermediate layer, a structure containing an element selected from the group consisting of Ca, Sr, and Mn is formed in 20% or more and 60% or less of the total area of the cross section excluding pores. and
A method for manufacturing an electrochemical cell, comprising co-sintering the oxygen electrode intermediate layer and the oxygen electrode conductive layer according to the acquired conditions to form the oxygen electrode intermediate layer.
前記条件は、前記酸素極導電層の材料組成、前記酸素極中間層の材料組成、前記酸素極中間層および前記酸素極導電層の焼結温度、焼結手順のいずれかである請求項6に記載の電気化学セルの製造方法。 7. The conditions are any one of the material composition of the oxygen electrode conductive layer, the material composition of the oxygen electrode intermediate layer, the sintering temperature of the oxygen electrode intermediate layer and the oxygen electrode conductive layer, and the sintering procedure. Method of manufacturing the electrochemical cell described.
JP2023075652A 2022-03-24 2023-05-01 Electrochemical cell and method for producing the same, electrochemical module, and electrochemical cartridge Active JP7494354B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2023075652A JP7494354B2 (en) 2022-03-24 2023-05-01 Electrochemical cell and method for producing the same, electrochemical module, and electrochemical cartridge

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022048285A JP7275344B1 (en) 2022-03-24 2022-03-24 Fuel cell and manufacturing method thereof, fuel cell module, fuel cell cartridge
JP2023075652A JP7494354B2 (en) 2022-03-24 2023-05-01 Electrochemical cell and method for producing the same, electrochemical module, and electrochemical cartridge

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022048285A Division JP7275344B1 (en) 2022-03-24 2022-03-24 Fuel cell and manufacturing method thereof, fuel cell module, fuel cell cartridge

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2023143898A true JP2023143898A (en) 2023-10-06
JP7494354B2 JP7494354B2 (en) 2024-06-03

Family

ID=86332447

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022048285A Active JP7275344B1 (en) 2022-03-24 2022-03-24 Fuel cell and manufacturing method thereof, fuel cell module, fuel cell cartridge
JP2023075652A Active JP7494354B2 (en) 2022-03-24 2023-05-01 Electrochemical cell and method for producing the same, electrochemical module, and electrochemical cartridge

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022048285A Active JP7275344B1 (en) 2022-03-24 2022-03-24 Fuel cell and manufacturing method thereof, fuel cell module, fuel cell cartridge

Country Status (3)

Country Link
JP (2) JP7275344B1 (en)
TW (1) TW202345447A (en)
WO (1) WO2023181681A1 (en)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10177862A (en) * 1996-12-18 1998-06-30 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Manufacture of high temperature solid electrolyte fuel cell
JP5481611B2 (en) 2008-04-28 2014-04-23 国立大学法人山梨大学 High temperature steam electrolysis cell
JP5622754B2 (en) * 2012-01-05 2014-11-12 三菱重工業株式会社 Method for producing solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
JP7275344B1 (en) 2023-05-17
WO2023181681A1 (en) 2023-09-28
JP2023141791A (en) 2023-10-05
TW202345447A (en) 2023-11-16
JP7494354B2 (en) 2024-06-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Singh et al. Solid oxide fuel cell: Decade of progress, future perspectives and challenges
Pandiyan et al. Review of solid oxide electrolysis cells: a clean energy strategy for hydrogen generation
Kim et al. Hybrid-solid oxide electrolysis cell: A new strategy for efficient hydrogen production
DK1532710T3 (en) PEROVSKIT-BASED FUEL CELL ELECTRODE AND MEMBRANE
Blennow et al. Planar metal‐supported SOFC with novel cermet anode
US10662383B2 (en) Direct synthesis of hydrocarbons from co-electrolysis solid oxide cell
Danilov et al. Multifactor performance analysis of reversible solid oxide cells based on proton-conducting electrolytes
JP2005513721A (en) Metal current collector protected by oxide film
Zheng et al. High-temperature electrolysis of simulated flue gas in solid oxide electrolysis cells
Mushtaq et al. Development of Electrode-Supported Proton Conducting Solid Oxide Cells and their Evaluation as Electrochemical Hydrogen Pumps
Mauvy et al. Lanthanum nickelate as an efficient oxygen electrode for solid oxide electrolysis cell
Jiang et al. Protonic and electronic hole conductivity of grain interior and grain boundaries in BaZr0. 9Y0. 1O3-δ: Effect from sample processing
WO2023181681A1 (en) Fuel cell and method for manufacturing same, fuel cell module, and fuel cell cartridge
JP6633236B1 (en) Fuel cell, fuel cell module, power generation system, high-temperature steam electrolysis cell, and methods for producing them
Zhu Mitigation of chromium poisoning in solid oxide fuel cell cathodes
KR102564764B1 (en) Electrochemical devices, energy systems, and solid oxide fuel cells
US9431663B2 (en) Method for the direct oxidation and/or internal reforming of ethanol, solid oxide fuel cell for direct oxidation and/or internal reforming of ethanol, catalyst and multifunctional electrocatalytic anode for direct oxidation and/or internal
US20240105969A1 (en) Seal material for electrochemical reaction cell, electrochemical reaction cell cartridge, and method of producing seal material for electrochemical reaction cell
Gupta et al. Structural And Electroc Hemical Performance Stability Of Perovskite‐Fluorite Composi Te For High Temperature Electrochemical Devices
Singhal Solid oxide fuel cells: status, challenges and opportunities
US20240072271A1 (en) Single fuel cell, fuel cell cartridge, and manufacturing method for single fuel cell
Lei System optimization and material development of solid oxide cells for energy conversion and storage
Tang Oxygen Electrode Component Optimization in Protonic Ceramic Elctrochemical Cells
Rodriguez Performance Degradation of Proton-Conducting Ceramic Electrolyzers for High-Temperature Water Splitting
Hernandez Rodriguez Performance degradation of proton-conducting ceramic electrolyzers for high-temperature water splitting

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230501

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20240423

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20240522

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7494354

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150