JP4130796B2 - SOFC fuel electrode containing ceria-based perovskite oxide and method for producing the same - Google Patents
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Description
本発明は、セリア系ペロブスカイト型酸化物を含むSOFC用燃料極およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel electrode for SOFC containing a ceria-based perovskite oxide and a method for producing the same.
近年、電解質に酸素イオン伝導体である酸化物を用いた燃料電池(SOFC)に関心が高まりつつあるが、この燃料電池はカルノー効率の制約を受けないため本質的に高いエネルギー変換効率を有し、さらに良好な環境保全が期待されるなどの優れた特長を持っている。 In recent years, there has been an increasing interest in fuel cells (SOFCs) using oxides, which are oxygen ion conductors, as electrolytes. However, these fuel cells are not subject to Carnot efficiency and have essentially high energy conversion efficiency. It has excellent features such as better environmental protection.
発電特性の向上を目的として電解質のイオン電導度の向上、電解質の薄膜化などが検討されている。固体電解質としては、希土類添加ジルコニア((1−x)ZrO2−xA2O3、AはY,Scなどの元素で、0.03≦x≦0.12、これにアルミナなどを微量添加して立方晶に安定化することもある)を使用し、またそれの薄層化が検討されている。 For the purpose of improving the power generation characteristics, improvement of the ionic conductivity of the electrolyte and reduction in the thickness of the electrolyte are being studied. As the solid electrolyte, rare earth-doped zirconia ((1-x) ZrO 2 -xA 2 O 3 , A is an element such as Y, Sc, 0.03 ≦ x ≦ 0.12, and a small amount of alumina or the like is added to this. In some cases, it may be stabilized into cubic crystals), and its thinning is being studied.
また、特に500℃〜750℃の低温でイオン伝導性に優れた電解質として、例えば、稀土類を添加したセリア系電解質であるCe0.8Sm0.2O2(SDC)やランタンガレート系電解質であるLa0.8Sr0.2Ga0.85Mg0.15O3(LSGM)なども知られている。 Further, as an electrolyte excellent in ion conductivity particularly at a low temperature of 500 ° C. to 750 ° C., for example, Ce 0.8 Sm 0.2 O 2 (SDC) which is a ceria-based electrolyte added with rare earths, or a lanthanum gallate-based electrolyte La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.85 Mg 0.15 O 3 (LSGM) are also known, such as is.
燃料電池セルは、電解質を挟んで空気極と燃料極が設けられているが、これらの電極は、ガスと電子を電解質まで供給し、電解質との界面において電気化学反応を起こす場を提供している。この反応場は、ガスと電子そしてイオンが接するため三相界面と呼ばれている。燃料極には一般に酸素イオン伝導体であるYSZ(0.92ZrO2−0.08Y2O3)と電子伝導体であるNiなどの金属との混合物(サーメット)が使用されており、電極反応はNiとYSZとの界面で起きている。電子と酸素イオンに対して共に伝導体である混合伝導体がこの界面に接している場合、反応場、すなわち三相界面が著しく拡大し、電極特性が改善されると言われている。 The fuel cell has an air electrode and a fuel electrode sandwiched between electrolytes. These electrodes supply gas and electrons to the electrolyte and provide a place for an electrochemical reaction at the interface with the electrolyte. Yes. This reaction field is called a three-phase interface because the gas, electrons, and ions are in contact. The fuel electrode generally uses a mixture (cermet) of YSZ (0.92ZrO 2 -0.08Y 2 O 3 ), which is an oxygen ion conductor, and a metal, such as Ni, which is an electron conductor. It occurs at the interface between Ni and YSZ. It is said that when a mixed conductor, which is a conductor for both electrons and oxygen ions, is in contact with this interface, the reaction field, that is, the three-phase interface, is remarkably expanded and the electrode characteristics are improved.
還元雰囲気中で安定な混合伝導体の例として、セリア系電解質材料やCoやNiを添加したLa(Sr)Ga(Mg)O3などが知られている(参考文献1:Tatsumi Ishihara and coworkers;Proc.of Solid Oxide Fuel Cells−VI(1999)pp.869−978。(Electrochemical Society Proceedings Volume99−19))。 As examples of a mixed conductor that is stable in a reducing atmosphere, a ceria-based electrolyte material, La (Sr) Ga (Mg) O 3 to which Co or Ni is added, and the like are known (Reference 1: Tatsuumi Ishihara and workers; Proc. Of Solid Oxide Fuel Cells-VI (1999) pp. 869-978 (Electrochemical Society Proceedings Volume 99-19)).
特に、希土類と遷移金属の複合酸化物であるLa(Sr)Ga(Mg)O3やLa(Sr)VO3など、ペロブスカイト型酸化物を燃料極内に添加すると、遷移金属の価数変化に伴う触媒活性が高いため、炭化水素燃料を使用してもカーボンの蓄積を起こしにくい(参考文献2:Shiqiang Hui,Anthony Pertric and Wenhe Gong;Proc.of Solid Oxide Fuel Cells−VI(1999)pp.632−639。(Electrochemical Society Proceedings Volume 99−19))。 In particular, when a perovskite oxide such as La (Sr) Ga (Mg) O 3 or La (Sr) VO 3 , which is a complex oxide of rare earth and transition metal, is added to the fuel electrode, the valence of the transition metal is changed. Due to the high catalytic activity, carbon accumulation is unlikely to occur even when a hydrocarbon fuel is used (Reference 2: Shiqiang Hui, Anthony Pertric and Wenhe Gong; Proc. Of Solid Oxide Fuel Cells-VI (1999) pp. 632). -639 (Electrochemical Society Proceedings Volume 99-19)).
しかし上記のペロブスカイト型酸化物はAサイトにLaなどイオン半径が大きい3価のカチオンを持つ構造をとっているが、電解質のジルコニアとLaが反応し不導体である絶縁体であるパイロクロア相(La2Zr2O7)を形成し易い。このパイロクロア相が生じると電極特性が著しく低下する(参考文献3:川田博著、固体酸化物燃料電池と地球環境、p155−p175、アグネ承風社)。 However, although the perovskite oxide has a structure having a trivalent cation having a large ionic radius such as La at the A site, the pyrochlore phase (La 2 Zr 2 O 7 ) is easily formed. When this pyrochlore phase is generated, the electrode characteristics are remarkably deteriorated (Reference 3: Hiroshi Kawada, solid oxide fuel cell and global environment, p155-p175, Agne Jofu Co., Ltd.).
また、Laなど3価でイオン半径の大きな元素は炭酸ガスと反応し易いため、炭化水素を燃料とした場合、Laを主成分とする酸化物は一部分解され電極性能が劣化する懸念がある。
本発明は固体電解質型燃料電池の燃料極において、従来から使用されている、電解質材とNiなど金属で構成されたサーメットに、炭化水素の触媒活性が高く、電極内の材料および電解質との間で劣化反応を起こさない混合導電性酸化物を混合して燃料極を作製することで、燃料極の特性劣化につながるパイロクロア相の発生およびカーボン析出そして炭酸ガスとの反応劣化などを起こさず、かつペロブスカイト系酸化物の持つ高い電極性能を有するセリア系ペロブスカイト型酸化物を含むSOFC用燃料極およびその製造方法を提供することを目的とする。 In the fuel electrode of a solid oxide fuel cell, the present invention is a conventional cermet composed of an electrolyte material and a metal such as Ni, and has a high catalytic activity of hydrocarbons. By preparing a fuel electrode by mixing mixed conductive oxides that do not cause a deterioration reaction in the above, generation of a pyrochlore phase leading to deterioration of the characteristics of the fuel electrode, carbon deposition, reaction deterioration with carbon dioxide gas, etc., and An object of the present invention is to provide a fuel electrode for SOFC containing a ceria-based perovskite oxide having high electrode performance possessed by a perovskite-based oxide, and a method for producing the same.
上記問題点を解決するため、本発明によるセリア系ペロブスカイト型酸化物を含むSOFC用燃料極は、緻密なジルコニア系固体電解質とその両面に設けられた多孔質の燃料極と空気極で構成された燃料電池セルそしてそれらを電気的に接続するインターコネクタからなる燃料電池において、燃料極が、ジルコニア系電解質材料とセリア系ペロブスカイト型酸化物との混合体である酸化物と金属とのサーメットからなり、そのセリア系ペロブスカイト型酸化物の組成が次式(CeMxO3においてMはCr,V,Mn,Fe,Coの中から選ばれる1つ以上の金属元素で、その総量Xが0.6<X<1.5)で表されることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a fuel electrode for SOFC containing a ceria-based perovskite oxide according to the present invention is composed of a dense zirconia-based solid electrolyte, a porous fuel electrode provided on both sides thereof, and an air electrode. In a fuel cell comprising a fuel cell and an interconnector for electrically connecting them, the fuel electrode comprises a cermet of an oxide and a metal, which is a mixture of a zirconia-based electrolyte material and a ceria-based perovskite oxide, The composition of the ceria-based perovskite oxide has the following formula (in CeM x O 3 , where M is one or more metal elements selected from Cr, V, Mn, Fe, and Co, and the total amount X is 0.6 < X < 1.5).
さらに、本発明によるセリア系ペロブスカイト型酸化物を含むSOFC用燃料極は、緻密なセリア系固体電解質とその両面に設けられた多孔質の燃料極と空気極で構成された燃料電池セルそしてそれらを電気的に接続するインターコネクタからなる燃料電池において、燃料極が、セリア系電解質材料とセリア系ペロブスカイト型酸化物との混合体である酸化物との混合体と金属とのサーメットであり、そのセリア系ペロブスカイト型酸化物の組成が次式(CeMxO3においてMはCr,V,Mn,Fe,Coの中から選ばれる1つ以上の金属元素で、その総量Xが0.6<X<1.5)で表されることを特徴とする。 Furthermore, a fuel electrode for SOFC containing a ceria-based perovskite oxide according to the present invention is a fuel cell comprising a dense ceria-based solid electrolyte, a porous fuel electrode and an air electrode provided on both sides thereof, and a In a fuel cell comprising an electrically connected interconnector, the fuel electrode is a cermet of a mixture of a ceria-based electrolyte material and a ceria-based perovskite oxide and a metal, and the ceria. The composition of the perovskite-type oxide is represented by the following formula (in CeM x O 3 , M is one or more metal elements selected from Cr, V, Mn, Fe, Co, and the total amount X is 0.6 < X < 1.5).
また、本発明による第3のセリア系ペロブスカイト型酸化物を含むSOFC用燃料極は、緻密なランタンガレート系固体電解質とその両面に設けられた多孔質の燃料極と空気極で構成された燃料電池セルそしてそれらを電気的に接続するインターコネクタからなる燃料電池において、燃料極が、ジルコニア系電解質材料とセリア系ペロブスカイト型酸化物との混合体である酸化物と金属とのサーメットであり、そのセリア系ペロブスカイト型酸化物の組成が次式(CeMxO3においてMはCr,V,Mn,Fe,Coの中から選ばれる1つ以上の金属元素で、その総量Xが0.6<X<1.5)で表されることを特徴とする。 Further, a fuel electrode for SOFC containing a third ceria-based perovskite oxide according to the present invention is a fuel cell comprising a dense lanthanum gallate solid electrolyte, a porous fuel electrode provided on both sides thereof, and an air electrode. In a fuel cell comprising a cell and an interconnector for electrically connecting them, the fuel electrode is a cermet of oxide and metal, which is a mixture of a zirconia-based electrolyte material and a ceria-based perovskite oxide, and the ceria The composition of the perovskite-type oxide is represented by the following formula (in CeM x O 3 , M is one or more metal elements selected from Cr, V, Mn, Fe, Co, and the total amount X is 0.6 < X < 1.5).
上述のような本発明によるセリア系ペロブスカイト型酸化物を含むSOFC用燃料極において、前記CeMxO3は、Mの一部をAl,Gaの中から選ばれる1つ以上の元素で置換し、かつCeの一部をSm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Lu,Yの中から選ばれる1つ以上の元素で置換でき、この時Ceを置換する原子の総置換量が50%以下で、かつMの総置換量が50%未満([Ce1−ZLnZ][M1−YM1Y]X;Ln=Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Lu,Y;M=Cr,V,Mn,Fe,Co;M1=Al;Ga;Z<0.5;Y<0.5;0.6<X<1.5)、であることを特徴とする。 In the fuel electrode for SOFC containing the ceria-based perovskite oxide according to the present invention as described above, the CeM x O 3 is a part of M substituted with one or more elements selected from Al and Ga, In addition, a part of Ce can be substituted with one or more elements selected from Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Lu, and Y. At this time, the total substitution amount of atoms substituting Ce There 50% or less, and the total substitution amount of M is less than 50% ([Ce 1-Z Ln Z] [M 1-Y M1 Y] X; Ln = Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er , Yb, Lu, Y; M = Cr, V, Mn, Fe, Co; M1 = Al; Ga; Z < 0.5; Y <0.5; 0.6 < X < 1.5). It is characterized by that.
また、前記CeMxO3において、Mの一部をAl,Gaの中から選ばれる1つ以上の元素で置換し、かつCeの一部をCa,Sr,Nd,Sm,Gd,Eu,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Lu,Yの中から選ばれる1つ以上の元素で置換でき、この時Ceを置換する原子の総置換量が50%以下で、かつMに対する総置換量が50%以上でかつ90%以下、かつ([Ce1−ZLnZ][M1−YM1Y]X;Ln=Ca,Sr,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Lu,Y;M=Cr,V,Mn,Fe,Co;M1=Al,Ga;Z<0.5;0.5<Y<0.9;0.6<X<1.5)であることを特徴とする。 In the CeM x O 3 , a part of M is replaced with one or more elements selected from Al and Ga, and a part of Ce is replaced with Ca, Sr, Nd, Sm, Gd, Eu, and Tb. , Dy, Ho, Er, Yb, Lu, Y can be substituted with one or more elements, wherein the total substitution amount of atoms substituting Ce is 50% or less and the total substitution amount for M is and 50% to 90%, and ([Ce 1-Z Ln Z ] [M 1-Y M1 Y] X; Ln = Ca, Sr, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb , Lu, Y; M = Cr, V, Mn, Fe, Co; M1 = Al, Ga; Z < 0.5; 0.5 < Y < 0.9; 0.6 < X < 1.5) It is characterized by being.
さらに、本発明による第4のセリア系ペロブスカイト型酸化物を含むSOFC用燃料極は、緻密なジルコニア系固体電解質とその両面に設けられた多孔質の燃料極と空気極で構成された燃料電池セルそしてそれらを電気的に接続するインターコネクタからなる燃料電池において、燃料極が、ジルコニア系電解質材料とセリア系ペロブスカイト型酸化物との混合体である酸化物と金属とのサーメットからなり、かつジルコニア系電解質材料と金属との混合体表面をセリア系ペロブスカイト型酸化物が微細な粒子として覆っており、かつセリア系ペロブスカイト型酸化物の含有量が燃料極において15wt%以下であり、かつ、燃料極および電解質の焼成を終えた後にセリア系ペロブスカイト型酸化物を添加し、かつ、そのセリア系ペロブスカイト型酸化物の組成が次式(CeMxO3においてMはCr,V,Mn,Fe,Coの中から選ばれる1つ以上の金属元素で、その総量Xが0.1<X<1.5)で表されることを特徴とする。 Furthermore, a fuel electrode for SOFC containing a fourth ceria-based perovskite oxide according to the present invention is a fuel cell comprising a dense zirconia-based solid electrolyte, a porous fuel electrode provided on both sides thereof, and an air electrode. And in a fuel cell comprising an interconnector that electrically connects them, the fuel electrode is composed of a cermet of an oxide and a metal, which is a mixture of a zirconia-based electrolyte material and a ceria-based perovskite oxide, and is a zirconia-based The ceria-based perovskite oxide covers the surface of the mixture of the electrolyte material and the metal as fine particles, and the content of the ceria-based perovskite oxide is 15 wt% or less in the fuel electrode, and the fuel electrode and After the firing of the electrolyte, the ceria-based perovskite oxide is added and the ceria-based perovskite is added. The composition of the type oxide in the formula (CeM x O 3 M is Cr, V, Mn, Fe, at least one metal element selected from among Co, the total amount X is 0.1 <X <1. It is represented by 5).
本発明による第5のセリア系ペロブスカイト型酸化物を含むSOFC用燃料極は、緻密なセリア系固体電解質とその両面に設けられた多孔質の燃料極と空気極で構成された燃料電池セルそしてそれらを電気的に接続するインターコネクタからなる燃料電池において、燃料極が、セリア系電解質材料とセリア系ペロブスカイト型酸化物との混合体である酸化物と金属とのサーメットからなり、かつセリア系電解質材料と金属との混合体表面をセリア系ペロブスカイト型酸化物が微細な粒子として覆っており、かつセリア系ペロブスカイト型酸化物の含有量が燃料極において15wt%以下であり、かつ、燃料極および電解質の焼成を終えた後にセリア系ペロブスカイト型酸化物を添加し、かつ、そのセリア系ペロブスカイト型酸化物の組成が次式(CeMxO3においてMはCr,V,Mn,Fe,Coの中から選ばれる1つ以上の金属元素で、その総量Xが0.1<X<1.5)で表されることを特徴とする。 A fuel electrode for SOFC containing a fifth ceria-based perovskite oxide according to the present invention is a fuel cell comprising a dense ceria-based solid electrolyte, a porous fuel electrode and an air electrode provided on both sides thereof, and those In the fuel cell comprising an interconnector for electrically connecting the electrodes, the fuel electrode comprises a cermet of an oxide and a metal, which is a mixture of a ceria-based electrolyte material and a ceria-based perovskite oxide, and the ceria-based electrolyte material The ceria-based perovskite oxide covers the surface of the mixture of metal and metal as fine particles, the content of the ceria-based perovskite oxide is 15 wt% or less in the fuel electrode, and the fuel electrode and the electrolyte After the firing, ceria-based perovskite oxide is added, and the composition of the ceria-based perovskite oxide is (CeM x M in O 3 Cr, V, Mn, Fe, at least one metal element selected from among Co, the total amount X is 0.1 <X <1.5) to be represented by Features.
本発明による第6のセリア系ペロブスカイト型酸化物を含むSOFC用燃料極によれば、緻密なランタンガレート系固体電解質とその両面に設けられた多孔質の燃料極と空気極で構成された燃料電池セルそしてそれらを電気的に接続するインターコネクタからなる燃料電池において、燃料極が、セリア系電解質材料とセリア系ペロブスカイト型酸化物との混合体である酸化物と金属とのサーメットからなり、かつセリア系電解質材料と金属との混合体表面をセリア系ペロブスカイト型酸化物が微細な粒子として覆っており、かつセリア系ペロブスカイト型酸化物の含有量が燃料極において15wt%以下であり、かつ、燃料極および電解質の焼成を終えた後にセリア系ペロブスカイト型酸化物を添加し、かつ、そのセリア系ペロブスカイト型酸化物の組成が次式(CeMxO3においてMはCr,V,Mn,Fe,Coの中から選ばれる1つ以上の金属元素で、その総量Xが0.1<X<1.5)で表されることを特徴とする。 According to the sixth fuel electrode for SOFC containing a ceria-based perovskite oxide according to the present invention, a fuel cell comprising a dense lanthanum gallate solid electrolyte, a porous fuel electrode provided on both sides thereof, and an air electrode. In a fuel cell comprising a cell and an interconnector for electrically connecting them, the fuel electrode comprises a cermet of an oxide and a metal, which is a mixture of a ceria-based electrolyte material and a ceria-based perovskite oxide, and the ceria The ceria-based perovskite oxide covers the surface of the mixture of the electrolyte material and the metal as fine particles, the content of the ceria-based perovskite oxide is 15 wt% or less in the fuel electrode, and the fuel electrode And ceria-based perovskite oxide added after the firing of the electrolyte, and the ceria-based perovskite type The composition of the product is the following formula (CeM x M in O 3 Cr, V, Mn, Fe, at least one metal element selected from among Co, the total amount X is 0.1 <X <1.5) It is represented by.
上述のような本発明による第4から第6のセリア系ペロブスカイト型酸化物を含むSOFC用燃料極において、前記CeMxO3は、Mの一部をAl,Gaの中から選ばれる1つ以上の元素で置換し、かつCeの一部をSm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Lu,Yの中から選ばれる1つ以上の元素で置換するが、このときMの総置換量が50%未満で、かつ、Ceを置換する原子の総置換量が50%以下([Ce1−zLnz][M1−YM1Y]x;Ln=Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Lu,Y;M=Cr,V,Mn,Fe,Co;M1=Al,Ga;Z<0.5;Y<0.5;0.1<X<1.5)であることを特徴とする。 In the fuel electrode for SOFC containing the fourth to sixth ceria-based perovskite oxides according to the present invention as described above, the CeM x O 3 is one or more selected from Al and Ga in a part of M. And a part of Ce is replaced with one or more elements selected from Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Lu, and Y. in total substitution amount less than 50%, and total substitution of the atoms for replacing Ce is less 50% ([Ce 1-z Ln z] [M 1-Y M1 Y] x; Ln = Sm, Eu, Gd , Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Lu, Y; M = Cr, V, Mn, Fe, Co; M1 = Al, Ga; Z < 0.5; Y <0.5; 0.1 < X < 1.5).
さらに、上述のような本発明による第4から第6のセリア系ペロブスカイト型酸化物を含むSOFC用燃料極において、前記CeMxO3は、Mの一部をAl,Gaの中から選ばれる1つ以上の元素で置換し、かつCeの一部をCa,Sr,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Lu,Yの中から選ばれる1つ以上の元素で置換するが、このときMの総置換量が50%以上でかつ90%以下、かつCeを置換する原子の総置換量が50%以下([Ce1−zLnz][M1−YM1Y]x;Ln=Ca,Sr,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Lu,Y;M=Cr,V,Mn,Fe,Co;M1=Al,Ga;Z<0.5;0.5<Y<0.9;0.1<X<1.5)であることを特徴とする。 Furthermore, in the fuel electrode for SOFC containing the fourth to sixth ceria-based perovskite oxides according to the present invention as described above, the CeM x O 3 is a part of M selected from Al and Ga 1 Substituting with one or more elements, and replacing part of Ce with one or more elements selected from Ca, Sr, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Lu, and Y but this time the total amount of substitution M is and 90% or more 50% or less, and 50% or less total substitution of the atoms for replacing Ce ([Ce 1-z Ln z] [M 1-Y M1 Y] x ; Ln = Ca, Sr, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Lu, Y; M = Cr, V, Mn, Fe, Co; M1 = Al, Ga; Z < 0. 5; 0.5 <Y <0.9; and characterized in that it is 0.1 <X <1.5) That.
本発明は、前記第4の燃料極の製造方法において、前記ジルコニア系電解質上に前記ジルコニア系電解質材料と金属とのスラリーーを塗布して焼結したのち、セリア系ペロブスカイト型酸化物の溶液を添加し、焼成することを特徴とする。 The present invention provides the fourth fuel electrode manufacturing method, wherein a slurry of the zirconia-based electrolyte material and a metal is applied on the zirconia-based electrolyte, sintered, and then added with a solution of a ceria-based perovskite oxide. And firing.
また、本発明は、前記第5の燃料極の製造方法において、前記セリア系電解質上に前記セリア系電解質材料と金属とのスラリーーを塗布して焼結したのち、セリア系ペロブスカイト型酸化物の溶液を添加し、焼成することを特徴とする。 Further, the present invention provides the fifth fuel electrode manufacturing method, wherein a slurry of the ceria-based electrolyte material and the metal is applied on the ceria-based electrolyte and sintered, and then a ceria-based perovskite oxide solution. Is added and fired.
さらに、本発明による第3の燃料極の製造方法は、前記第6の燃料電極の製造方法において、前記ランタンガレート系電解質上に前記セリア系電解質材料と金属とのスラリーーを塗布して焼結したのち、セリア系ペロブスカイト型酸化物の溶液を添加し、焼成することを特徴とする。 Further, according to the third fuel electrode manufacturing method of the present invention, in the sixth fuel electrode manufacturing method, a slurry of the ceria-based electrolyte material and metal is applied and sintered on the lanthanum gallate-based electrolyte. After that, a solution of ceria-based perovskite oxide is added and fired.
さらに上述の燃料極の製造方法において、前記セリア系ペロブスカイト型酸化物の溶液はゾルゲル溶液であることを特徴としている。 Further, in the fuel electrode manufacturing method described above, the ceria-based perovskite oxide solution is a sol-gel solution.
セリア系ペロブスカイト型酸化物を含むSOFC用燃料極を固体電解質型燃料電池の燃料極に用いることにより、燃料極の特性劣化につながるパイロクロア相の発生およびカーボン析出や炭酸ガスによる不安定化を起こさず、高い電極性能有するセルを得ることに成功した。本発明は固体燃料電池の高効率化に大きな貢献をなすものである。 By using an SOFC fuel electrode containing a ceria-based perovskite oxide as the fuel electrode of a solid oxide fuel cell, the pyrochlore phase that leads to the deterioration of the characteristics of the fuel electrode and the occurrence of carbon deposition and carbon dioxide destabilization do not occur. We succeeded in obtaining a cell with high electrode performance. The present invention greatly contributes to improving the efficiency of solid fuel cells.
本発明によれば、カーボン析出の抑制ができ炭酸ガスによる劣化反応を引き起こしにくいセリア系ペロブスカイト型酸化物を、従来から燃料極に用いられている金属と電解質材料とで構成されたサーメットに混合したものを燃料極として用いる。La系のペロブスカイト型酸化物を燃料極に混合したものは知られているが、セリア系ペロブスカイト型酸化物を燃料極に混合したものは知られていない。セリア系ペロブスカイト型酸化物は、それ自体では酸化雰囲気中では安定性に欠ける。本発明においては燃料極の骨格に従来のサーメットを用いることにより、前記欠点を解決したものである。 According to the present invention, a ceria-based perovskite oxide that can suppress carbon deposition and does not easily cause a deterioration reaction due to carbon dioxide gas is mixed with a cermet composed of a metal and an electrolyte material that are conventionally used in a fuel electrode. We use thing as fuel electrode. A mixture of La-based perovskite oxide in the fuel electrode is known, but a mixture of ceria-based perovskite oxide in the fuel electrode is not known. Ceria-based perovskite oxide itself lacks stability in an oxidizing atmosphere. In the present invention, the above-mentioned drawback is solved by using a conventional cermet for the skeleton of the fuel electrode.
本発明の第1の発明においては、固体電解質はジルコニア系固体電解質であり、燃料極はジルコニア系電解質材料と前に詳述したセリア系ペロブスカイト型酸化物との混合体との酸化物と金属とのサーメットである。 In the first invention of the present invention, the solid electrolyte is a zirconia-based solid electrolyte, and the fuel electrode is an oxide of a mixture of a zirconia-based electrolyte material and the ceria-based perovskite oxide described in detail above, a metal, Cermet.
本発明による第2の発明においては、固体電解質はセリア系固体電解質であり、燃料極はセリア系電解質材料と前に詳述したセリア系ペロブスカイト型酸化物との混合体との酸化物と金属とのサーメットである。 In the second invention according to the present invention, the solid electrolyte is a ceria-based solid electrolyte, and the fuel electrode is composed of an oxide, a metal, and a mixture of the ceria-based electrolyte material and the ceria-based perovskite oxide described in detail above. Cermet.
本発明による第3の発明は、固体電解質はランタンガレート系固体電解質であり、燃料極はセリア系電解質材料と前に詳述したセリア系ペロブスカイト型酸化物との混合体との酸化物と金属とのサーメットである。 According to a third aspect of the present invention, the solid electrolyte is a lanthanum gallate solid electrolyte, and the fuel electrode is composed of an oxide of a ceria-based electrolyte material and a mixture of the ceria-based perovskite oxide described in detail above, a metal, Cermet.
本発明による第4の発明は、固体電解質はジルコニア系固体電解質であり、燃料極はジルコニア系電解質材料と前に詳述したセリア系ペロブスカイト型酸化物との混合体との酸化物と金属とのサーメットであり、ジルコニア系電解質材料と金属との混合体表面をセリア系ペロブスカイト型酸化物が微細な粒子として覆っており、かつセリア系ペロブスカイト型酸化物の含有量が燃料極において15wt%以下であり、かつ、燃料極および電解質の焼成を終えた後にセリア系ペロブスカイト型酸化物を添加して製造する。 According to a fourth aspect of the present invention, the solid electrolyte is a zirconia-based solid electrolyte, and the fuel electrode is composed of an oxide and a metal of a mixture of a zirconia-based electrolyte material and the ceria-based perovskite oxide described in detail above. It is a cermet, the surface of the mixture of the zirconia-based electrolyte material and the metal is covered with fine particles of ceria-based perovskite-type oxide, and the content of ceria-based perovskite-type oxide is 15 wt% or less at the fuel electrode. In addition, the ceria-based perovskite oxide is added after the firing of the fuel electrode and the electrolyte.
本発明の第5の発明は、固体電解質はセリア系固体電解質であり、燃料極はセリア系電解質材料と前に詳述したセリア系ペロブスカイト型酸化物との混合体との酸化物と金属とのサーメットであり、セリア系電解質材料と金属との混合体表面をセリア系ペロブスカイト型酸化物が微細な粒子として覆っており、かつセリア系ペロブスカイト型酸化物の含有量が燃料極において15wt%以下であり、かつ、燃料極および電解質の焼成を終えた後にセリア系ペロブスカイト型酸化物を添加して製造する。 According to a fifth aspect of the present invention, the solid electrolyte is a ceria-based solid electrolyte, and the fuel electrode is composed of an oxide and a metal of a mixture of a ceria-based electrolyte material and a ceria-based perovskite oxide described in detail above. It is a cermet, the surface of the mixture of the ceria-based electrolyte material and the metal is covered with fine particles of ceria-based perovskite-type oxide, and the content of ceria-based perovskite-type oxide is 15 wt% or less in the fuel electrode. In addition, the ceria-based perovskite oxide is added after the firing of the fuel electrode and the electrolyte.
本発明による第6の固体電解質はランタンガレート系固体電解質であり、燃料極はジルコニア系電解質材料と前に詳述したセリア系ペロブスカイト型酸化物との混合体との酸化物と金属とのサーメットであリ、セリア系電解質材料と金属との混合体表面をセリア系ペロブスカイト型酸化物が微細な粒子として覆っており、かつセリア系ペロブスカイト型酸化物の含有量が燃料極において15wt%以下であり、かつ、燃料極および電解質の焼成を終えた後にセリア系ペロブスカイト型酸化物を添加して製造する。 The sixth solid electrolyte according to the present invention is a lanthanum gallate-based solid electrolyte, and the fuel electrode is a cermet of an oxide and metal of a mixture of a zirconia-based electrolyte material and a ceria-based perovskite oxide described in detail above. The ceria-based perovskite oxide covers the surface of the mixture of the ceria-based electrolyte material and the metal as fine particles, and the content of the ceria-based perovskite-type oxide is 15 wt% or less in the fuel electrode; In addition, the ceria-based perovskite oxide is added after the firing of the fuel electrode and the electrolyte.
ここで、このセリア系ペロブスカイト型酸化物材料は、CeMxO3にMを構成する主元素としてCr,V,Mn,Fe,Coの遷移金属の中より選ばれる1つ以上の金属元素とする。 Here, the ceria-based perovskite oxide material is one or more metal elements selected from transition metals of Cr, V, Mn, Fe, and Co as the main element constituting M in CeM x O 3. .
ここで、CeとMとの組成比は1:1が理想的であるが、ここから、多少ずれた組成でも化合物となる。すなわち本発明による第1から第3の発明では0.6<x<1.5であることができる。また第4から第6の発明では、0.1<x<1.5であることができる。焼成後にセリア系ペロブスカイト型酸化物を含浸するなどして添加する第4から第6の発明では、CeMxO3における金属Mの組成として、本発明の第1から第3の発明と異なり、組成範囲を0.1までとする。焼成温度が低いのでこの組成範囲でも電極特性は大きくは損なわれないからである。第4から第6の発明の場合、好ましくは0.3<x<1.2であり、さらに好ましくは0.8<x<1.0である。 Here, the composition ratio of Ce and M is ideally 1: 1, but even a composition slightly deviated from here becomes a compound. That is, in the first to third inventions according to the present invention, 0.6 < x < 1.5. In the fourth to sixth inventions, 0.1 < x < 1.5 can be satisfied . In the fourth to sixth inventions added by impregnating the ceria-based perovskite oxide after firing, the composition of the metal M in CeM x O 3 is different from the first to third inventions of the present invention. The range is up to 0.1. This is because, since the firing temperature is low, the electrode characteristics are not greatly impaired even in this composition range. In the fourth to sixth inventions, preferably 0.3 < x < 1.2, and more preferably 0.8 < x < 1.0.
本発明において、CeおよびMを他の元素で置換することができ、すなわち、[Ce1−ZLnZ][M1−YM1Y]XO3とすることができる。 In the present invention, it is possible to replace the Ce and M with other elements, i.e., can be [Ce 1-Z Ln Z] [M 1-Y M1 Y] X O 3.
Ceの一部を3価のカチオンであるSm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Lu,Yの中から選ばれる1つ以上の元素で置換した場合、主成分がCeであるためセリア系の安定性を殆ど損なわず、伝導度の向上を行うことが出来る。この場合、後述の実施例より、Z<0.5である。この場合、Mを構成する遷移金属の一部をAl、Gaの1つ以上で置換することができる。Mの置換量は後述の実施例より明らかなようにY<0.5である。 When a part of Ce is substituted with one or more elements selected from the trivalent cations Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Lu, Y, the main component is Ce. Therefore, the conductivity can be improved without substantially impairing the stability of the ceria system. In this case, Z < 0.5 from the examples described later. In this case, a part of the transition metal constituting M can be replaced with one or more of Al and Ga. The substitution amount of M is Y <0.5 as will be apparent from the examples described later.
また、Ceの一部をCa,Sr,Nd,Sm,Gd,Eu,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Lu,Yの中から選ばれる1つ以上の元素で少量置換してもほぼ同様の特性が得られる。この場合も後述の実施例より、Z<0.5である。さらに、Mを構成する遷移金属の一部をAl、Gaの1つ以上で置換することができる。この場合後述の実施例より明らかなように0.5<Y<0.9である。 Even if a small part of Ce is replaced with one or more elements selected from Ca, Sr, Nd, Sm, Gd, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Lu, and Y, it is almost the same. The following characteristics can be obtained. Also in this case, Z < 0.5 from the examples described later. Furthermore, a part of the transition metal constituting M can be replaced with one or more of Al and Ga. In this case, 0.5 < Y < 0.9, as will be apparent from the examples described later.
このような本発明による第4から第6の発明において、燃料極および電解質の焼成を終えた後にセリア系ペロブスカイト型酸化物を添加することでセリア系電解質材料と金属との混合体表面をセリア系ペロブスカイト型酸化物が微細な粒子として覆った構造とすることができる。この場合は、セリア系ペロブスカイト型酸化物の含有量が燃料極全体で見ると15wt%以下にする必要がある。これは、焼成が終了した後の添加であるため、多孔質燃料極の穴を埋めてしまうためで、添加量がこれ以下であればガス透過性能を大きく損なわずに済むからである。前記セリア系ペロブスカイト型酸化物の含有量は、好ましくは0.05〜15wt%であり、特に2〜8wt%が好ましい。 In the fourth to sixth inventions according to the present invention, the surface of the mixture of the ceria-based electrolyte material and the metal is made ceria-based by adding the ceria-based perovskite oxide after the firing of the fuel electrode and the electrolyte. A structure in which the perovskite oxide is covered as fine particles can be obtained. In this case, the content of the ceria-based perovskite oxide needs to be 15 wt% or less when viewed from the whole fuel electrode. This is because the addition after the completion of firing fills the hole in the porous fuel electrode, and if the addition amount is less than this, the gas permeation performance is not significantly impaired. The content of the ceria-based perovskite oxide is preferably 0.05 to 15 wt%, particularly preferably 2 to 8 wt%.
前記金属としては、たとえばNi合金を例としてあげることができる。 An example of the metal is Ni alloy.
セリア系酸化物を構成するセリア原子は、ジルコニアとの界面で、ジルコニア側へ拡散しても、パイロクロア相を生じない。セリア系酸化物のCe原子は酸化雰囲気では4価をとるが、燃料極内では、還元され平均価数は約3.0〜3.5価となり、遷移金属と等モルで混合するとCeMO3型のペロブスカイト型酸化物となる。ここで遷移金属として、Cr,V,Mn,Fe,Coなどを用いるとこれらの金属が酸化物表面に露出し、炭化水素の酸化を助けるため、カーボンの析出や炭酸ガスとの反応劣化が抑制される。このため、セリア系ペロブスカイト型酸化物と従来の電極材料を混合した材料を用いて燃料極を作製した場合、ジルコニア電解質との間ではパイロクロア相など劣化物を生じず、かつカーボン析出が抑制された高性能な燃料極となる。 Even if the ceria atoms constituting the ceria-based oxide diffuse to the zirconia side at the interface with zirconia, no pyrochlore phase is generated. Ce atoms of ceria-based oxides are tetravalent in an oxidizing atmosphere, but are reduced within the fuel electrode to an average valence of about 3.0 to 3.5. When mixed with transition metal in equimolarity, CeMO 3 type Of the perovskite oxide. If transition metals such as Cr, V, Mn, Fe, and Co are used, these metals are exposed on the oxide surface, helping to oxidize hydrocarbons, thus suppressing carbon precipitation and reaction deterioration with carbon dioxide. Is done. For this reason, when a fuel electrode was produced using a material in which a ceria-based perovskite oxide and a conventional electrode material were mixed, no deterioration product such as a pyrochlore phase was produced with the zirconia electrolyte, and carbon deposition was suppressed. It becomes a high-performance fuel electrode.
ところで、これら遷移金属は種々の価数をとりうるため、炭化水素の酸化反応における触媒能が高いが、これら遷移金属の一部をイオン半径が近く3価のカチオンとなるGa,Alなどで置換しても同様の効果が期待でき、また安定性が向上するため、耐久性などの向上も期待できる。ただし、遷移金属を少なくとも10%以上含む必要がある。 By the way, since these transition metals can take various valences, they have a high catalytic ability in the oxidation reaction of hydrocarbons, but some of these transition metals are replaced with Ga, Al, etc., which have a ionic radius and become trivalent cations. However, the same effect can be expected, and since the stability is improved, durability and the like can be expected. However, it is necessary to contain at least 10% of a transition metal.
本発明はまた、第4から第6の発明の燃料極を製造する方法を提供するものであり、このような方法によれば、電解質上に前記セリア系ペロブスカイト型酸化物を含まない燃料極基材を焼成により形成しておき、前記多孔質の燃料極基材にセリア系ペロブスカイト型酸化物溶液を滴下などにより含浸させ、再度焼成することによって、前記セリア系ペロブスカイト型酸化物の微細粒子を析出させる。これにより前記微細粒子は燃料極基材を覆うことになる。 The present invention also provides a method for producing the fuel electrode according to the fourth to sixth inventions, and according to such a method, the fuel electrode base does not contain the ceria-based perovskite oxide on the electrolyte. A material is formed by firing, and the porous fuel electrode base material is impregnated with a ceria-based perovskite-type oxide solution dropwise, and then fired again to precipitate fine particles of the ceria-based perovskite-type oxide. Let As a result, the fine particles cover the fuel electrode substrate.
この場合第4の発明の燃料極を製造する場合、前記燃料極基材は、ジルコニア系電解質材料と金属との混合体であり、第5および第6の発明の燃料極を製造する場合、前記燃料極基材はセリア系電解質材料と金属との混合体表面である。 In this case, when the fuel electrode of the fourth invention is manufactured, the fuel electrode base material is a mixture of a zirconia-based electrolyte material and a metal, and when the fuel electrode of the fifth and sixth inventions is manufactured, The fuel electrode substrate is the surface of a mixture of a ceria-based electrolyte material and a metal.
また溶液は、好ましくはセリア系ペロブスカイト型酸化物のゾルゲル溶液である。さらにセリア系ペロブスカイト型酸化物は、前記CeMxO3において、Mの一部をAl,Gaの中から選ばれる1つ以上の元素で置換し、かつCeの一部をSm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Lu,Yの中から選ばれる1つ以上の元素で置換するが、このときMの総置換量が50%未満で、かつ、Ceを置換する原子の総置換量が50%以下([Ce1−zLnz][M1−YM1Y]x;Ln=Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Lu,Y;M=Cr,V,Mn,Fe,Co;M1=Al,Ga;Z<0.5;Y<0.5;0.1<X<1.5)であることができる。 The solution is preferably a sol-gel solution of ceria-based perovskite oxide. Further, the ceria-based perovskite oxide may be obtained by substituting a part of M with one or more elements selected from Al and Ga in the CeM x O 3 and a part of Ce with Sm, Eu, Gd, Substitution with one or more elements selected from Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Lu, and Y. At this time, the total substitution amount of M is less than 50%, and the total number of atoms substituting Ce substitution amount less 50% ([Ce 1-z Ln z] [M 1-Y M1 Y] x; Ln = Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Lu, Y; M = Cr , V, Mn, Fe, Co; M1 = Al, Ga; Z < 0.5; Y <0.5; 0.1 < X < 1.5).
さらに、前記CeMxO3において、Mの一部をAl,Gaの中から選ばれる1つ以上の元素で置換し、かつCeの一部をCa,Sr,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Lu,Yの中から選ばれる1つ以上の元素で置換するが、このときMの総置換量が50%以上でかつ90%以下、かつCeを置換する原子の総置換量が50%以下([Ce1−zLnz][M1−YM1Y]x;Ln=Ca,Sr,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Lu,Y;M=Cr,V,Mn,Fe,Co;M1=Al,Ga;Z<0.5;0.5<Y<0.9;0.1<X<1.5)であることができる。 Further, in the CeM x O 3 , a part of M is replaced with one or more elements selected from Al and Ga, and a part of Ce is replaced with Ca, Sr, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy. , Ho, Er, Yb, Lu, Y are substituted with one or more elements. At this time, the total substitution amount of M is 50% or more and 90% or less, and the total number of atoms substituting Ce substitution amount less 50% ([Ce 1-z Ln z] [M 1-Y M1 Y] x; Ln = Ca, Sr, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Lu, Y M = Cr, V, Mn, Fe, Co; M1 = Al, Ga; Z < 0.5; 0.5 < Y < 0.9; 0.1 < X < 1.5). .
以下に本発明の実施例を説明する。なお、当然のことであるが本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Examples of the present invention will be described below. Of course, the present invention is not limited to the following examples.
まずドクターブレード法で焼成した0.2mm厚でSc2O3、Al2O3添加ジルコニア(SASZまたは、0.895ZrO2−0.10Sc2O3−0.005Al2O3)固体電解質基板1の片面にNiO−YSZのスラリー(10mol%Y2O3添加ジルコニアYSZが40wt%、NiOが60wt%)を塗布しこの上に白金メッシュの集電体4を乗せて1200℃、2時間焼成し燃料極2を設けた。次にその裏面にLSM(La0.78Sr0.2MnO3)のスラリーを塗布し、1100℃、2時間の条件で焼成し空気極3とした。燃料極2、空気極3ともに6mm径とした。この燃料電池セルをセル#1−0とする。これを比較例とする。
First, a 0.2 mm-thick Sc 2 O 3 and Al 2 O 3 -added zirconia (SASZ or 0.895ZrO 2 -0.10 Sc 2 O 3 -0.005Al 2 O 3 ) solid electrolyte substrate 1 fired by a doctor blade method A NiO—YSZ slurry (10 mol% Y 2 O 3 added zirconia YSZ 40 wt%, NiO 60 wt%) was applied on one side of this, and a platinum mesh current collector 4 was placed thereon and fired at 1200 ° C. for 2 hours. A
次に、上記比較例における燃料極2において、YSZの50wt%をCe1.0Fe0.6O3,Ce1.0Fe1.0O3,CeFe1.5O3,Ce1.0Mn0.6O3,Ce1.0Mn1.0O3,CeMn1.5O3,Ce1.0Co0.6O3,Ce1.0Co1.0O3,CeCo1.5O3,Ce1.0Cr1.0O3,Ce1.0V1.0O3の組成のセリア系ペロブスカイト型酸化物に代えてYSZとセリア系ペロブスカイト型酸化物との混合体を用いた燃料極を作製した。これらをセル#1−1〜#1−11とする。
Next, in the
また、セリア系ペロブスカイト型酸化物としてCe1.0Co0.1Fe0.5Mn0.2Cr0.1V0.1O3の組成の酸化物を用いたセル#1−12を作製した。また、YSZのCe1.0Fe1.0O3による置換量を10wt%、20wt%、80wt%に変化させた場合のセル#1−2−1、セル#1−2−2、セル#1−2−3を作製した。そして、セル#1−5において、サーメットに使用する金属をNiに代えて、Ni0.5Co0.5,Ni0.5Fe0.5,Ni0.5Mn0.5を用いたセルであるセル#1−5−1、セル#1−5−2、セル#1−5−3を作製した。 In addition, cell # 1-12 using an oxide having a composition of Ce 1.0 Co 0.1 Fe 0.5 Mn 0.2 Cr 0.1 V 0.1 O 3 as a ceria-based perovskite oxide is manufactured. did. Further, when the substitution amount of YSZ with Ce 1.0 Fe 1.0 O 3 is changed to 10 wt%, 20 wt%, and 80 wt%, cell # 1-2-1, cell # 1-2-2, cell # 1-2-3 was produced. And in the cell # 1-5, the metal used for the cermet is replaced with Ni, and a cell using Ni 0.5 Co 0.5 , Ni 0.5 Fe 0.5 , Ni 0.5 Mn 0.5 Cell # 1-5-1, Cell # 1-5-2, and Cell # 1-5-3 were produced.
これらのセルおよび比較例のセルを用いて図1に示す燃料電池を組み立て、800℃において発電試験を行った。ここで、燃料極には水蒸気とメタンの混合ガス(H2O:CH4=0.5:1のモル比で混合)、空気極には酸素を供給した。なお、図中、5は白金端子、6は参照極(白金)である。 A fuel cell shown in FIG. 1 was assembled using these cells and the cell of the comparative example, and a power generation test was performed at 800 ° C. Here, the fuel electrode gas mixture of steam and methane (H 2 O: CH 4 = 0.5: mixing 1 molar ratio), the air electrode was supplied with oxygen. In the figure, 5 is a platinum terminal and 6 is a reference electrode (platinum).
開放起電力としては、1.20V以上の値が得られた。表1に300mA/cm2における燃料極の過電圧の測定の結果をセル#1−0〜#1−12に比較例であるセル#1−0とともに示す。ここで燃料極の過電圧は、電解質シート上に設けた白金参照極6(酸素ガス中)との電位差について、カレントインタラプト法によりオーム抵抗による成分を差し引くことで求めた。セル#1−1〜#1−12は比較例であるセル#1−0に比べて低い過電圧とすることができた。 As the open electromotive force, a value of 1.20 V or more was obtained. Table 1 shows the results of measurement of the overvoltage of the fuel electrode at 300 mA / cm 2 in cells # 1-0 to # 1-12 together with cell # 1-0 as a comparative example. Here, the overvoltage of the fuel electrode was obtained by subtracting the ohmic resistance component from the potential difference from the platinum reference electrode 6 (in oxygen gas) provided on the electrolyte sheet by the current interrupt method. The cells # 1-1 to # 1-12 were able to have a lower overvoltage than the cell # 1-0 as a comparative example.
また、表1に運転開始から500時間後の各セル過電圧も併せて示したが、比較例のセルに比べ過電圧の上昇が少なく経時安定性がより優れていることが分かる。これは、カーボンの析出が抑制されたために、セルの燃料極過電圧特性の劣化が少なかったものである。以上のように本発明の製造方法により従来の方法に比べて優れた特性の燃料極を作製することに成功した。 Table 1 also shows each cell overvoltage after 500 hours from the start of operation. It can be seen that the increase in overvoltage is small and the stability over time is better than that of the cell of the comparative example. This is because the deposition of carbon was suppressed, and the deterioration of the fuel electrode overvoltage characteristics of the cell was small. As described above, the production method of the present invention succeeded in producing a fuel electrode having superior characteristics as compared with the conventional method.
表1 実施例1における燃料極および電極活性酸化物組成と燃料極過電圧
**800℃で測定。*セル#1−5−1〜セル#1−5−3では、サーメットに使用する金属をNiに代えて、Ni0.5Co0.5,Ni0.5Fe0.5,Ni0.5Mn0.5を用いている。
Table 1 Composition of fuel electrode and electrode active oxide and fuel electrode overvoltage in Example 1
** Measured at 800 ° C. * In cell # 1-5-1 to cell # 1-5-3, Ni 0.5 Co 0.5 , Ni 0.5 Fe 0.5 , Ni 0. 5 Mn 0.5 is used.
実施例1のセリア系酸化物(CeMO3,M=Fe,Co,Mnで50wt%置換)において、Ce原子の一部をSmで10at%、20at%、50at%置換した材料、またはCe原子の一部をEuまたはGdまたはTbまたはDyまたはHoまたはErまたはYbまたはLuまたはYで20at%置換した材料を用いて燃料極を焼成し、セル#2−1〜#2−8を作製した。これらのセルについて実施例1と同様の試験を行ったが、この結果を表2のセル#2−1〜#2−8に示す。次に、セリア系酸化物(CeMO3)における遷移金属Mの一部をAlまたはGa原子で、10at%、50at%置換した燃料極を持つセルを作製した。また、組成がCe0.8Sm0.2M0.8Al0.2O3,Ce0.8Sm0.2M0.8Ga2O3、(M:Fe,Co,Mn)およびCe0.8Y0.2Fe0.8Ga0.2O3、およびCe0.8Y0.2Fe0.8Al0.2O3のセリア系ペロブスカイト型酸化物を用いて同様に作製した。これら燃料極の試験結果を表2のセル#2−9〜#2−24に示す。いずれも、比較例セル#1−0に比べ良好な特性を示している。 In the ceria-based oxide of Example 1 (CeMO 3 , M = Fe, Co, Mn substituted by 50 wt%), a material obtained by substituting a part of Ce atoms with Sm at 10 at%, 20 at%, 50 at%, or Ce atoms Cells # 2-1 to # 2-8 were fabricated by firing the anode using a material partially substituted by Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Lu, or Y at 20 at%. These cells were tested in the same manner as in Example 1. The results are shown in cells # 2-1 to # 2-8 in Table 2. Next, a cell having a fuel electrode in which a part of the transition metal M in the ceria-based oxide (CeMO 3 ) was replaced with Al or Ga atoms by 10 at% and 50 at% was manufactured. Further, the composition is Ce 0.8 Sm 0.2 M 0.8 Al 0.2 O 3 , Ce 0.8 Sm 0.2 M 0.8 Ga 2 O 3 , (M: Fe, Co, Mn) and Using ceria-based perovskite oxides of Ce 0.8 Y 0.2 Fe 0.8 Ga 0.2 O 3 and Ce 0.8 Y 0.2 Fe 0.8 Al 0.2 O 3 in the same manner Produced. The test results of these fuel electrodes are shown in cells # 2-9 to # 2-24 in Table 2. All of them show better characteristics than Comparative Example Cell # 1-0.
表2 実施例2における燃料極および電極活性酸化物組成と燃料極過電圧
*800℃で測定。
Table 2 Fuel electrode and electrode active oxide composition and fuel electrode overvoltage in Example 2
* Measured at 800 ° C.
実施例1において、セリア系酸化物CeMO3(M=Fe,Co,Mn)のCe原子の一部をCaまたはSrで20at%置換し、かつ遷移金属原子の一部をAlまたはGaで51at%、70at%、90at%置換した材料を用いて燃料極を焼成し、セル#3−1〜#3−12を作製した。次にセリア系酸化物(CeMO3)において、Ce原子の一部をCaおよびSmで20at%づつ置換し、またはCe原子の一部をCaおよびYで20at%づつ置換し、またはCe原子の一部をSrおよびSmで20at%づつ置換し、またはCe原子の一部をSrおよびYで20at%づつ置換し、かつ遷移金属原子Mの一部をAl又はGaで70at%づつ置換したセル#3−13〜#3−26を作製した。これらのセルについて実施例1と同様の試験を行ったが、この結果を表3のセル#3−13〜#3−26に示す。いずれも、比較例セル#1−0に比べ良好な特性を示している。 In Example 1, a portion of the Ce atom of the ceria-based oxide CeMO 3 (M = Fe, Co, Mn) is substituted by 20 at% with Ca or Sr, and a part of the transition metal atom is 51 at% with Al or Ga. , 70 at%, 90 at% substituted materials were used to fire the fuel electrode to produce cells # 3-1 to # 3-12. Next, in the ceria-based oxide (CeMO 3 ), a part of the Ce atom is substituted with Ca and Sm by 20 at%, or a part of the Ce atom is substituted with Ca and Y by 20 at%, or one of the Ce atoms is substituted. Cell # 3 in which part is replaced by 20 at% with Sr and Sm, or part of Ce atom is replaced with 20 at% with Sr and Y, and part of transition metal atom M is replaced with Al or Ga in 70 at% -13 to # 3-26 were produced. These cells were tested in the same manner as in Example 1. The results are shown in cells # 3-13 to # 3-26 in Table 3. All of them show better characteristics than Comparative Example Cell # 1-0.
表3 実施例3における燃料極および電極活性酸化物組成と燃料極過電圧
*800℃で測定。
Table 3 Fuel electrode and electrode active oxide composition and fuel electrode overvoltage in Example 3
* Measured at 800 ° C.
実施例1における比較例であるセル#1−0と同じセルに表4の含浸する組成の欄に記載されている組成に混合調製したゾルゲル溶液(有機金属溶液の混合溶液で、5wt%の金属を含む)を多孔質体である燃料極の表面から滴下することで含浸させ、乾燥後、1000℃で2時間焼成して、セル#4−1〜セル#4−51を作製し実施例1と同様の測定を行った。その結果を表4に示す。ここで、セル#4−0は含浸を行わずに1000℃で焼成のみを行ったセルである。 A sol-gel solution mixed with the composition described in the column of impregnation in Table 4 in the same cell as the cell # 1-0 as a comparative example in Example 1 (5 wt% metal in a mixed solution of organometallic solution) Cell # 4-1 to cell # 4-51 were produced by impregnating by dripping from the surface of the fuel electrode, which is a porous body, and dried and fired at 1000 ° C. for 2 hours. The same measurement was performed. The results are shown in Table 4. Here, the cell # 4-0 is a cell which is only baked at 1000 ° C. without impregnation.
いずれも、比較例セル#4−0に比べ良好な特性を示している。 All of them show better characteristics than Comparative Example Cell # 4-0.
表4 実施例4における燃料極および電極活性酸化物組成と燃料極過電圧
表4続き
実施例1のSASZ電解質に代えてセリア系電解質SDC(Ce0.8Sm0.2O2)を用い、実施例1の燃料極のYSZに代えてSDCを用いたセル#5−0を作製した。ここで、燃料極の焼成温度は1300℃で2時間とした。このセルをSDCを電解質として用いた場合の比較例とする。次に燃料極のSDCの一部をCe1.0FexO3またはCe1.0CoxO3またはCe1.0MnxO3(X=0.6,1.0,1.5)またはCe0.8Sm0.2Fe1.0O3で50wt%置換して同様のセルを作製した。これをセル#5−1〜セル#5−14とする。これらのセルの過電圧特性を実施例1と同様に測定した。ただし、測定温度は700℃とした。この結果を表5−1のセル#5−1〜#5−10に示す。いずれも、比較例セル#5−0に比べ良好な特性を示している。 A cell # 5-0 using a ceria-based electrolyte SDC (Ce 0.8 Sm 0.2 O 2 ) instead of the SASZ electrolyte of Example 1 and using SDC instead of YSZ of the fuel electrode of Example 1 is manufactured. did. Here, the firing temperature of the fuel electrode was 1300 ° C. for 2 hours. This cell is used as a comparative example when SDC is used as an electrolyte. Then a part of the SDC of the fuel electrode Ce 1.0 Fe x O 3 or Ce 1.0 Co x O 3 or Ce 1.0 Mn x O 3 (X = 0.6,1.0,1.5 ) Or 50 wt% substitution with Ce 0.8 Sm 0.2 Fe 1.0 O 3 to prepare a similar cell. This is designated as cell # 5-1 to cell # 5-14. The overvoltage characteristics of these cells were measured in the same manner as in Example 1. However, the measurement temperature was 700 ° C. The results are shown in cells # 5-1 to # 5-10 in Table 5-1. Both show better characteristics than Comparative Example Cell # 5-0.
表5−1 実施例5における燃料極および電極活性酸化物組成と燃料極過電圧
*700℃で測定。
Table 5-1 Fuel electrode and electrode active oxide composition and fuel electrode overvoltage in Example 5
* Measured at 700 ° C.
次に比較例であるセル#5−0と同じ条件で作製したセルに実施例4で行ったのと同じ方法でCe1.0FexO3、またはCe1.0CoxO3、またはCe1.0MnxO3(X=0.6,1.0,1.5)、またはこれらの組成においてCeの一部をCaまたはSmまたはGdで置換し、Fe,Co,Mnの一部をAlまたGaで置換した組成に対応するゾルゲル液を調製し、これらを含浸させて乾燥後、1000℃で2時間焼成して、セル#5−11〜セル#5−37を作製し700℃で同様の測定を行った。その結果を表5−2に示す。いずれも、比較例セル#5−0に比べ良好な特性を示している。 Next, Ce 1.0 Fe x O 3 , or Ce 1.0 Co x O 3 , or Ce 1.0 Co x O 3 , or a cell produced under the same conditions as in cell # 5-0 as a comparative example, Ce 1.0 Mn x O 3 (X = 0.6, 1.0, 1.5), or a part of Ce in these compositions is replaced with Ca, Sm, or Gd, and Fe, Co, Mn A sol-gel solution corresponding to the composition in which the part was replaced with Al or Ga was prepared, impregnated with these, dried, and then fired at 1000 ° C. for 2 hours to produce Cell # 5-11 to Cell # 5-37. The same measurement was performed at ° C. The results are shown in Table 5-2. Both show better characteristics than Comparative Example Cell # 5-0.
表5−2 実施例5における燃料極および電極活性酸化物組成と燃料極過電圧
実施例1のSASZ電解質に代えてランタンガレート系電解質LSGM(La0.8Sr0.2Ga0.85Mg0.15O3)を用い、実施例1の燃料極のYSZに代えてSDCを用いたセル#6−0を作製した。ここで、燃料極の焼成温度は1300℃で2時間とした。このセルをLSGMを電解質として用いた場合の比較例とする。次に燃料極のSDCの一部をCe1.0FexO3またはCe1.0CoxO3またはCe1.0MnxO3(X=0.6,1.0,1.5)で50wt%置換して同様のセルを作製した。これをセル#6−1〜セル#6−9とする。これらのセルの過電圧特性を実施例1と同様に測定した。ただし、測定温度は700℃とした。これらの結果を表6−1のセル#6−1〜#6−9に示す。いずれも、比較例セル#6−0に比べ良好な特性を示している。 A lanthanum gallate electrolyte LSGM (La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.85 Mg 0.15 O 3 ) was used instead of the SASZ electrolyte of Example 1, and SDC was replaced with YSZ of the fuel electrode of Example 1. Cell # 6-0 used was fabricated. Here, the firing temperature of the fuel electrode was 1300 ° C. for 2 hours. This cell is used as a comparative example when LSGM is used as an electrolyte. Then a part of the SDC of the fuel electrode Ce 1.0 Fe x O 3 or Ce 1.0 Co x O 3 or Ce 1.0 Mn x O 3 (X = 0.6,1.0,1.5 ) To obtain a similar cell. This is designated as cell # 6-1 to cell # 6-9. The overvoltage characteristics of these cells were measured in the same manner as in Example 1. However, the measurement temperature was 700 ° C. These results are shown in cells # 6-1 to # 6-9 in Table 6-1. All of them show better characteristics than Comparative Example Cell # 6-0.
表6−1 実施例6における燃料極および電極活性酸化物組成と燃料極過電圧
*700℃で測定。
Table 6-1 Fuel electrode and electrode active oxide composition and fuel electrode overvoltage in Example 6
* Measured at 700 ° C.
次に比較例であるセル#6−0と同じ条件で作製したセルに実施例4で行ったのと同じ方法でCe1.0FexO3、またはCe1.0CoxO3、またはCe1.0MnxO3(X=0.6,1.0,1.5)の組成に対応するゾルゲル液を調製し、また、これらの組成においてCeの一部をCaまたはSmまたはGdで置換し、Fe、Co、Mnの一部をAlまたはGaで置換した組成に対応するゾルゲル液を調製し、これらを含浸させて乾燥後、1000℃で2時間焼成して、セル#6−10〜セル#6−33を作製し同様の測定を700℃で行った。その結果を表6−2に示す。いずれも、比較例セル#6−0に比べ良好な特性を示している。 Next, Ce 1.0 Fe x O 3 , or Ce 1.0 Co x O 3 , or Ce 1.0 Co x O 3 , or a cell produced under the same conditions as in cell # 6-0 as a comparative example, A sol-gel solution corresponding to the composition of Ce 1.0 Mn x O 3 (X = 0.6, 1.0, 1.5) is prepared, and a part of Ce in these compositions is Ca, Sm, or Gd. Sol-gel solution corresponding to the composition in which a part of Fe, Co, and Mn is replaced with Al or Ga is prepared, impregnated with these, dried, fired at 1000 ° C. for 2 hours, and cell # 6- 10-cell # 6-33 was produced and the same measurement was performed at 700 degreeC. The results are shown in Table 6-2. All of them show better characteristics than Comparative Example Cell # 6-0.
表6−2 実施例6における燃料極および電極活性酸化物組成と燃料極過電圧
実施例1における比較例であるセル#1−0と同じセルにセル#4−13、セル#4−19の組成に対応するゾルゲル溶液を多孔質体である燃料極の表面から滴下することで含浸させ、乾燥後、1000℃で2時間焼成して、セル#7−1からセル#7−15を作製し実施例1と同様の測定を行った。実施例4および5では5wt%の溶液を用いて、含浸を2回行って、燃料極全体では5wt%のセリア系ペロブスカイト型酸化物を添加したが、本実施例では含浸する5wt%の溶液をトルエンで稀釈することで、低い添加量のセルを作製し、またこれ以上の添加量については、含浸回数をさらに増やすことで対応した。次に、添加量を5wt%に固定し、表7のセル#7−16〜セル#7−21に示す組成比にセリアと遷移金属の比を変化させたセル#7−16〜セル#7−21を作製した。
これらの測定結果を表7に示す。ここで、セル#7−0は含浸を行わずに1000℃で焼成のみを行ったセルである。
By dripping the sol-gel solution corresponding to the composition of cell # 4-13 and cell # 4-19 from the surface of the fuel electrode, which is a porous body, into the same cell as cell # 1-0, which is a comparative example in Example 1. After impregnation, drying, and baking at 1000 ° C. for 2 hours, cell # 7-1 to cell # 7-15 were produced, and the same measurement as in Example 1 was performed. In Examples 4 and 5, impregnation was performed twice using a 5 wt% solution, and 5 wt% ceria-based perovskite oxide was added to the entire fuel electrode. By diluting with toluene, a cell with a low addition amount was produced, and for addition amounts beyond this, the number of impregnations was further increased. Next, the addition amount was fixed to 5 wt%, and the ratio of ceria to transition metal was changed to the composition ratio shown in cell # 7-16 to cell # 7-21 in Table 7 to cell # 7-16 to cell # 7 -21 was produced.
These measurement results are shown in Table 7. Here, the cell # 7-0 is a cell which is only baked at 1000 ° C. without impregnation.
いずれも、比較例セル#1−0に比べ良好な特性を示している。 All of them show better characteristics than Comparative Example Cell # 1-0.
表7 実施例7における燃料極および電極活性酸化物組成と燃料極過電圧
本発明によれば、セリア系ペロブスカイト型酸化物を含むSOFC用燃料極を固体電解質型燃料電池の燃料極に用いることにより、燃料極の特性劣化につながるパイロクロア相の発生およびカーボン析出や炭酸ガスによる不安定化を起こさず、高い電極性能有するセルを得ることに成功した。本発明は固体燃料電池の高効率化に大きな貢献をなすものである。 According to the present invention, by using a fuel electrode for SOFC containing a ceria-based perovskite oxide as a fuel electrode of a solid oxide fuel cell, generation of a pyrochlore phase that leads to deterioration of the characteristics of the fuel electrode, carbon deposition, and carbon dioxide We succeeded in obtaining a cell with high electrode performance without causing instability. The present invention greatly contributes to improving the efficiency of solid fuel cells.
1 固体電解質
2 燃料極
3 空気極
4 集電メッシュ
5 白金端子
6 参照極
7 ガスシール
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