JP5090575B1 - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料極の反応抵抗が小さい固体酸化物形燃料電池(SOFC)を提供すること。
【解決手段】このSOFCは、「燃料ガスを反応させる多孔質の燃料極であって、Ni及びYSZを含んで構成された燃料極」と、「酸素を含むガスを反応させる多孔質の空気極」と、「燃料極と空気極との間に設けられた緻密な固体電解質膜であって、燃料極との界面を有する固体電解質膜」とを備える。燃料極における前記界面から3μm以内に位置する「界面近傍領域」について、「界面近傍領域」内に存在するNiの粒子の径の平均値が0.28〜0.80μmであり、「界面近傍領域」内に存在するYSZの粒子の径の平均値が0.28〜0.80μmであり、「界面近傍領域」内に存在する気孔の径の平均値が0.10〜0.87μmである。
【選択図】図1
A solid oxide fuel cell (SOFC) having a low reaction resistance of a fuel electrode is provided.
The SOFC includes a "porous fuel electrode for reacting a fuel gas and a fuel electrode comprising Ni and YSZ" and a "porous air electrode for reacting a gas containing oxygen". And “a solid electrolyte membrane provided between the fuel electrode and the air electrode and having an interface with the fuel electrode”. Regarding the “near interface region” located within 3 μm from the interface in the fuel electrode, the average diameter of Ni particles existing in the “near interface region” is 0.28 to 0.80 μm. The average value of the diameters of the YSZ particles existing in the “inside” is 0.28 to 0.80 μm, and the average value of the diameters of the pores existing in the “region near the interface” is 0.10 to 0.87 μm.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)に関するものである。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell (SOFC).

SOFCは、燃料ガスを反応させる多孔質の燃料極と、酸素を含むガスを反応させる多孔質の空気極と、前記燃料極と前記空気極との間に設けられた緻密な固体電解質膜とを備えている(例えば、特許文献1を参照)。高温(例えば、500〜1000℃)のSOFCに対して、燃料極に燃料ガス(水素ガス等)を供給するとともに空気極に酸素を含むガス(空気等)を供給することにより、下記(1)、(2)式に示す化学反応が発生する。これにより、燃料極と空気極との間に電位差が発生する。この電位差は、固体電解質の酸素イオン伝導度に基づく。
(1/2)・O+2e→O2− (於:空気極) …(1)
+O2−→HO+2e (於:燃料極) …(2)
The SOFC includes a porous fuel electrode for reacting a fuel gas, a porous air electrode for reacting a gas containing oxygen, and a dense solid electrolyte membrane provided between the fuel electrode and the air electrode. (For example, refer patent document 1). By supplying a fuel gas (such as hydrogen gas) to the fuel electrode and a gas containing oxygen (such as air) to the air electrode for a high-temperature (for example, 500 to 1000 ° C.) SOFC, the following (1) , (2) chemical reaction occurs. Thereby, a potential difference is generated between the fuel electrode and the air electrode. This potential difference is based on the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte.
(1/2) · O 2 + 2e → O 2− (where: air electrode) (1)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e (in the fuel electrode) (2)

特開2008−226789号公報JP 2008-226789 A

以下、燃料極の反応(上記(2)式)に着目する。多孔質の燃料極は、例えば、Ni(ニッケル)とYSZ(イットリア安定化ジルコニア)とから構成される。この場合、燃料極では、Niは「水素分子(H)を水素イオン(2H)に解離させる触媒」並びに「生成される電子(2e)を伝導する物質」として機能する。YSZは「酸素イオン(O2−)を伝導する物質」として機能する。気孔は「水素分子(H)と生成された水(HO)の通り道」として機能する。即ち、燃料極の反応は、燃料極内(特に、後述する燃料極活性層における固体電解質膜との界面の近傍領域)におけるNiの粒子、YSZの粒子、及び気孔の存在状態に強く依存する。従って、燃料極内におけるNiの粒子、YSZの粒子、及び気孔の存在状態(粒径等)を調整することによって、燃料極の反応抵抗を小さくできると考えられる。 Hereinafter, attention is paid to the reaction of the fuel electrode (the above formula (2)). The porous fuel electrode is composed of, for example, Ni (nickel) and YSZ (yttria stabilized zirconia). In this case, at the fuel electrode, Ni functions as “a catalyst for dissociating hydrogen molecules (H 2 ) into hydrogen ions (2H + )” and “a substance that conducts the generated electrons (2e )”. YSZ functions as a “substance that conducts oxygen ions (O 2− )”. The pores function as “pathways for hydrogen molecules (H 2 ) and generated water (H 2 O)”. That is, the reaction of the fuel electrode strongly depends on the presence state of Ni particles, YSZ particles, and pores in the fuel electrode (particularly, in the vicinity of the interface with the solid electrolyte membrane in the fuel electrode active layer described later). Therefore, it is considered that the reaction resistance of the fuel electrode can be reduced by adjusting the existence state (particle size, etc.) of Ni particles, YSZ particles, and pores in the fuel electrode.

ところで、従来、SOFCセルのサンプルを厚さ方向(積層方向)に切断して得られた断面について走査型電子顕微鏡を用いた観察(SEM観察)を行う際、「Ni粒子又はYSZ粒子」と気孔とは見分けることが容易である一方で、Ni粒子とYSZ粒子とを見分けることが非常に困難であった。これは、「Ni粒子又はYSZ粒子」と気孔の明暗差(より具体的には、SEM反射電子像における明暗差)が大きい一方で、Ni粒子とYSZ粒子の明暗差が小さいことに起因していた。   By the way, when performing observation using a scanning electron microscope (SEM observation) on a cross section obtained by cutting a sample of a SOFC cell in the thickness direction (stacking direction), pores and “Ni particles or YSZ particles” While it was easy to distinguish between the Ni particles and the YSZ particles, it was very difficult to distinguish them. This is due to the fact that the difference in brightness between the Ni particles and the YSZ particles is large (more specifically, the difference in brightness in the SEM reflected electron image), while the difference in brightness between the Ni particles and the YSZ particles is small. It was.

これに対し、近年、Ni粒子とYSZ粒子とを見分けることができる、従って、Ni粒子とYSZ粒子と気孔とを個別に見分けることができるSEM観察の手法が報告されている。この「SEM観察の新たな手法」は、Solid State lonics 178(2008)1984 において詳細に記載されている。   On the other hand, in recent years, an SEM observation method has been reported that can distinguish between Ni particles and YSZ particles, and therefore can individually distinguish between Ni particles, YSZ particles, and pores. This “new technique of SEM observation” is described in detail in Solid State lonics 178 (2008) 1984.

本発明者は、この「SEM観察の新たな手法」を用いて種々の燃料極の断面をそれぞれ観察した。その際、特に、上記燃料極の反応に大きく寄与すると考えられる「燃料極における燃料極と固体電解質膜との界面の近傍領域」に着目した。その結果、本発明者は、上記領域内におけるNi粒子、YSZ粒子、及び気孔の3つの径の組み合わせが燃料極の反応抵抗に大きく影響することを発見した。加えて、本発明者は、燃料極の反応抵抗を小さくするために必要な、上記領域内におけるNi粒子、YSZ粒子、及び気孔の3つの径の組み合わせの適切な範囲を見出した。   The inventor has observed cross sections of various fuel electrodes using this “new technique for SEM observation”. At that time, in particular, attention was paid to the “region in the vicinity of the interface between the fuel electrode and the solid electrolyte membrane in the fuel electrode” that is considered to greatly contribute to the reaction of the fuel electrode. As a result, the present inventor has discovered that the combination of the three diameters of Ni particles, YSZ particles, and pores in the above region greatly affects the reaction resistance of the fuel electrode. In addition, the present inventor has found an appropriate range of combinations of the three diameters of Ni particles, YSZ particles, and pores in the above region, which are necessary for reducing the reaction resistance of the fuel electrode.

以上より、本発明の目的は、燃料極の反応抵抗が小さいSOFCを提供することにある。   In view of the above, an object of the present invention is to provide an SOFC with a small reaction resistance of the fuel electrode.

本発明に係るSOFCは、「燃料ガスを反応させる多孔質の燃料極であって、Ni、及び酸素イオン伝導性を有する酸素イオン伝導物質(酸化物セラミックス)を含んで構成された燃料極」と、「酸素を含むガスを反応させる多孔質の空気極」と、「前記燃料極と前記空気極との間に設けられた緻密な固体電解質膜であって、前記燃料極との界面を有する固体電解質膜」とを備えている。   The SOFC according to the present invention is “a porous fuel electrode that reacts with a fuel gas, and is configured to include Ni and an oxygen ion conductive material (oxide ceramic) having oxygen ion conductivity”. , “A porous air electrode for reacting a gas containing oxygen” and “a solid electrolyte membrane provided between the fuel electrode and the air electrode and having an interface with the fuel electrode” Electrolyte membrane ".

前記酸素イオン伝導物質としては、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、ガドリニウムドープセリア(GDC)等が挙げられる。また、前記燃料極、及び前記固体電解質膜は、同時焼成によって形成されることが好適である。   Examples of the oxygen ion conductive material include yttria stabilized zirconia (YSZ), gadolinium doped ceria (GDC), and the like. The fuel electrode and the solid electrolyte membrane are preferably formed by simultaneous firing.

本発明に係るSOFCの特徴は、前記燃料極における前記界面から3μm以内に位置する領域について、前記領域内に存在する前記Niの粒子の径の平均が0.28〜0.80μmであり、前記領域内に存在する前記酸素イオン伝導物質の粒子の径の平均が0.28〜0.80μmであり、前記領域内に存在する前記燃料極の気孔の径の平均が0.10〜0.87μmであることにある。   The feature of the SOFC according to the present invention is that, for a region located within 3 μm from the interface in the fuel electrode, the average particle diameter of the Ni present in the region is 0.28 to 0.80 μm, The average particle diameter of the oxygen ion conducting material existing in the region is 0.28 to 0.80 μm, and the average pore diameter of the fuel electrode existing in the region is 0.10 to 0.87 μm. It is to be.

上記「SEM観察の新たな手法」を用いて種々の燃料極の断面をそれぞれ観察した結果、本発明者は、上記構成を採用することによって、燃料極の反応抵抗が小さくなることを見出した(詳細は後述する)。   As a result of observing the cross sections of various fuel electrodes using the above-described “new method of SEM observation”, the present inventor has found that the reaction resistance of the fuel electrode is reduced by adopting the above configuration ( Details will be described later).

上記SOFCでは、前記領域内において前記固体電解質膜に面して存在する前記Niの粒子の径の平均が0.31〜0.70μmであり、前記領域内において前記固体電解質膜に面して存在する前記酸素イオン伝導物質の粒子の径の平均が0.32〜0.78μmであり、前記領域内において前記固体電解質膜に面して存在する前記燃料極の気孔の径の平均が0.15〜0.80μmであることが好適である。本発明者は、この構成を採用することによって、燃料極の反応抵抗がより小さくなることも見出した(詳細は後述する)。なお、「固体電解質膜に面して存在する粒子(気孔)」とは、固体電解質膜が存在しないと仮定した場合において固体電解質膜側から燃料極を観察した際に(SEM等を利用して)みえる(確認できる)粒子(気孔)を指す。換言すれば、燃料極における「厚さ方向において前記界面に近い側の端部」にて(前記界面に沿って)分布している粒子(気孔)を指す。   In the SOFC, the average diameter of the Ni particles existing in the region facing the solid electrolyte membrane is 0.31 to 0.70 μm, and in the region exists facing the solid electrolyte membrane. The average particle diameter of the oxygen ion conducting material is 0.32 to 0.78 μm, and the average pore diameter of the fuel electrode existing in the region facing the solid electrolyte membrane is 0.15. It is preferable that it is -0.80 micrometer. The inventor has also found that the reaction resistance of the fuel electrode becomes smaller by adopting this configuration (details will be described later). Note that “particles (pores) present facing the solid electrolyte membrane” means that when the fuel electrode is observed from the solid electrolyte membrane side when the solid electrolyte membrane is assumed to be absent (using SEM or the like). ) Refers to visible (visible) particles (pores). In other words, it refers to particles (pores) distributed at the “end near the interface in the thickness direction” in the fuel electrode (along the interface).

上記「SEM観察の新たな手法」を採用すれば、Ni粒子とYSZ粒子と気孔とを個別に見分けることができるのみならず、Ni粒子について、「隣り合う他のNiの粒子と繋がらずに単独で存在するNi粒子」(non-percolating Ni、以下、「孤立Ni粒子」と呼ぶ)と、「隣り合う他のNiの粒子と繋がって(ひと続きとなって、つらなり続いて)存在するNi粒子」(percolating Ni、以下、「連続Ni粒子」と呼ぶ)とを見分けるも可能である。この点についても、上記「Solid State lonics 178(2008)1984」において詳細に記載されている。   If the above-mentioned “new method of SEM observation” is adopted, not only Ni particles, YSZ particles and pores can be individually distinguished, but also the Ni particles are “single without being connected to other adjacent Ni particles”. Ni particles that exist in non-percolating Ni (hereinafter referred to as “isolated Ni particles”) and “Ni particles that are connected to other adjacent Ni particles (continuously and continuously)” (Percolating Ni, hereinafter referred to as “continuous Ni particles”). This point is also described in detail in the above “Solid State lonics 178 (2008) 1984”.

本発明者は、上記「SEM観察の新たな手法」を用いて種々の燃料極の断面をそれぞれ観察した結果、「前記領域内に存在する全ての前記Niの粒子(即ち、孤立Ni粒子+連続Ni粒子)の体積の総和」に対する、「前記領域内に存在する孤立Ni粒子のみの体積の総和」の割合が(2%以上、且つ)40%以下であると、燃料極の反応抵抗がより小さくなることも見出した(詳細は後述する)。   As a result of observing the cross sections of various fuel electrodes using the above-described “new method of SEM observation”, the present inventor found that “all the Ni particles existing in the region (ie, isolated Ni particles + continuous When the ratio of the “total volume of only isolated Ni particles existing in the region” to the “total volume of Ni particles” is (2% or more and 40% or less), the reaction resistance of the fuel electrode is further increased. It has also been found that it becomes smaller (details will be described later).

本発明の実施形態に係るSOFCの構成を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the structure of SOFC which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るSOFC(特に、燃料極と電解質膜)の断面の一例を示すSEM画像である。It is a SEM image which shows an example of the cross section of SOFC (especially fuel electrode and electrolyte membrane) which concerns on embodiment of this invention. 「界面近傍領域内に存在する」Ni粒子の径の平均値とSOFCセル出力との関係の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the relationship between the average value of the diameter of Ni particle | grains which exist in the interface vicinity area | region, and SOFC cell output. 「界面近傍領域内に存在する」YSZ粒子の径の平均値とSOFCセル出力との関係の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the relationship between the average value of the diameter of the YSZ particle | grains which exist in the interface vicinity area | region, and SOFC cell output. 「界面近傍領域内に存在する」気孔の径の平均値とSOFCセル出力との関係の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the relationship between the average value of the diameter of the pore which exists in the interface vicinity region, and SOFC cell output. 「界面近傍領域内において電解質膜に面して存在する」Ni粒子の径の平均値とSOFCセル出力との関係の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the relationship between the average value of the diameter of Ni particle | grains which face the electrolyte membrane in the interface vicinity area | region, and SOFC cell output. 「界面近傍領域内において電解質膜に面して存在する」YSZ粒子の径の平均値とSOFCセル出力との関係の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the relationship between the average value of the diameter of the YSZ particle | grains which exist in the interface vicinity area | region, and faces an electrolyte membrane, and a SOFC cell output. 「界面近傍領域内において電解質膜に面して存在する」気孔の径の平均値とSOFCセル出力との関係の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the relationship between the average value of the diameter of the pore which “exists in the vicinity of the interface and faces the electrolyte membrane”, and the SOFC cell output. 「界面近傍領域内における孤立Ni粒子割合」とSOFCセル出力との関係の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the relationship between "the ratio of isolated Ni particles in the interface vicinity region" and the SOFC cell output. 「界面近傍領域内における孤立Ni粒子割合」とSOFCの「出力密度の劣化率」との関係の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the relationship between the "isolated Ni particle ratio in the interface vicinity area" and the "output density deterioration rate" of SOFC.

(構成)
図1は、本発明の実施形態に係るSOFCセルの構成を模式的に示す。このSOFCセルは、燃料極110と、燃料極110の上に積層された電解質膜120と、電解質膜120の上に積層された反応防止膜130と、反応防止膜130の上に積層された空気極140と、からなる積層体である。このセルを上方からみた形状は、例えば、1辺が1〜30cmの正方形、長辺が5〜30cmで短辺が3〜15cmの長方形、又は直径が1〜30cmの円形である。セルの厚さは0.1〜3mmである。
(Constitution)
FIG. 1 schematically shows the configuration of a SOFC cell according to an embodiment of the present invention. This SOFC cell includes a fuel electrode 110, an electrolyte membrane 120 laminated on the fuel electrode 110, a reaction preventing membrane 130 laminated on the electrolyte membrane 120, and an air laminated on the reaction preventing membrane 130. A laminated body including the electrode 140. The shape of this cell viewed from above is, for example, a square having a side of 1 to 30 cm, a long side of 5 to 30 cm and a short side of 3 to 15 cm, or a circle having a diameter of 1 to 30 cm. The thickness of the cell is 0.1 to 3 mm.

燃料極110(アノード電極)は、例えば、酸化ニッケルNiOとイットリア安定化ジルコニアYSZとを含んで構成される多孔質の薄板状の焼成体である。燃料極110の厚さは0.1〜3mmである。セルの各構成部材の厚さのうち燃料極110の厚さが最も大きく、燃料極110は、セルの支持基板として機能している。なお、セルの各構成部材のうちで厚さが最も大きい部材が燃料極110以外の部材であってもよい。燃料極110は、周知の還元処理(例えば、NiOをNiに還元する処理)を受けることによって導電性を得る。このように燃料極110が導電性を得た状態で、SOFCは作動する。   The fuel electrode 110 (anode electrode) is, for example, a porous thin plate-like fired body including nickel oxide NiO and yttria-stabilized zirconia YSZ. The thickness of the fuel electrode 110 is 0.1 to 3 mm. The thickness of the fuel electrode 110 is the largest among the thicknesses of the constituent members of the cell, and the fuel electrode 110 functions as a cell support substrate. Note that the member having the largest thickness among the constituent members of the cell may be a member other than the fuel electrode 110. The fuel electrode 110 obtains conductivity by receiving a known reduction process (for example, a process of reducing NiO to Ni). In this manner, the SOFC operates in a state where the fuel electrode 110 has obtained conductivity.

燃料極110は、後述する電解質膜120に接する燃料極活性部(活性層)と、燃料極活性部以外の残りの部分である燃料極集電部(集電層)との2層で構成され得る(図1を参照)。燃料極活性部は、例えば、酸化ニッケルNiOとイットリア安定化ジルコニアYSZ(8YSZ)とから構成され得る。或いは、酸化ニッケルNiOとガドリニウムドープセリアGDCとから構成されてもよい。燃料極集電部は、例えば、酸化ニッケルNiOとイットリア安定化ジルコニアYSZ(8YSZ)とから構成され得る。或いは、酸化ニッケルNiOとイットリアYとから構成されてもよいし、酸化ニッケルNiOとカルシア安定化ジルコニアCSZとから構成されてもよい。燃料極活性部(活性層)の厚さは、5〜30μmであり、燃料極集電部(集電層)の厚さは、50〜500μmである。 The fuel electrode 110 is composed of two layers: a fuel electrode active part (active layer) in contact with an electrolyte membrane 120 (to be described later) and a fuel electrode current collector part (current collection layer) that is the remaining part other than the fuel electrode active part. To obtain (see FIG. 1). The anode active portion may be composed of, for example, nickel oxide NiO and yttria stabilized zirconia YSZ (8YSZ). Alternatively, it may be composed of nickel oxide NiO and gadolinium-doped ceria GDC. The fuel electrode current collector may be composed of, for example, nickel oxide NiO and yttria stabilized zirconia YSZ (8YSZ). Alternatively, it may be composed of nickel oxide NiO and yttria Y 2 O 3 , or may be composed of nickel oxide NiO and calcia stabilized zirconia CSZ. The thickness of the anode active portion (active layer) is 5 to 30 μm, and the thickness of the anode current collecting portion (current collecting layer) is 50 to 500 μm.

このように、燃料極集電部は、電子伝導性を有する物質を含んで構成される。燃料極活性部は、電子伝導性を有する物質と酸素イオン伝導性を有する物質とを含んで構成される。燃料極活性部における「気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合」は、燃料極集電部における「気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合」よりも大きい。   As described above, the fuel electrode current collector includes a substance having electronic conductivity. The fuel electrode active part includes a substance having electron conductivity and a substance having oxygen ion conductivity. “Volume ratio of the substance having oxygen ion conductivity with respect to the entire volume excluding the pore portion” in the anode active portion is “the volume ratio of the substance having oxygen ion conductivity with respect to the entire volume excluding the pore portion” in the anode current collecting portion. It is larger than the “volume ratio”.

電解質膜120は、ジルコニウムを含む材料、例えば、YSZを含んで構成される緻密な薄板状の焼成体である。電解質膜120の厚さは3〜30μmである。   The electrolyte membrane 120 is a dense thin plate-like fired body including a material containing zirconium, for example, YSZ. The thickness of the electrolyte membrane 120 is 3 to 30 μm.

反応防止膜130は、セリアを含んで構成される薄板状の焼成体である。セリアとしては、具体的には、GDC(ガドリニウムドープセリア)、SDC(サマリウムドープセリア)等が挙げられる。反応防止膜130は、セル作製時、又はSOFC作動時において、電解質膜120内のジルコニアZrと空気極140内のストロンチウムSrとが反応して電解質膜120と空気極140との間に高抵抗層が形成される現象の発生を抑制するために、電解質膜120と空気極140との間に介装されている。反応防止膜130の厚さは3〜20μmである。   The reaction preventing film 130 is a thin plate-like fired body including ceria. Specific examples of ceria include GDC (gadolinium doped ceria) and SDC (samarium doped ceria). The reaction preventing film 130 is a high resistance layer between the electrolyte film 120 and the air electrode 140 due to the reaction between the zirconia Zr in the electrolyte film 120 and the strontium Sr in the air electrode 140 at the time of cell fabrication or SOFC operation. Is interposed between the electrolyte membrane 120 and the air electrode 140. The thickness of the reaction preventing film 130 is 3 to 20 μm.

空気極140(カソード電極)は、例えば、ペロブスカイト型酸化物を含んで構成される多孔質の薄板状の焼成体である。ペロブスカイト型酸化物としては、ランタンストロンチウムコバルトフェライトLSCF((La,Sr)(Co,Fe)O)、LSF=(La,Sr)FeO(ランタンストロンチウムフェライト)、LNF=La(Ni,Fe)O(ランタンニッケルフェライト)、LSC=(La,Sr)CoO(ランタンストロンチウムコバルタイト)等が採用され得る。空気極140の厚さは10〜100μmである。 The air electrode 140 (cathode electrode) is, for example, a porous thin plate-like fired body including a perovskite oxide. Perovskite oxides include lanthanum strontium cobalt ferrite LSCF ((La, Sr) (Co, Fe) O 3 ), LSF = (La, Sr) FeO 3 (lanthanum strontium ferrite), LNF = La (Ni, Fe) O 3 (lanthanum nickel ferrite), LSC = (La, Sr) CoO 3 (lanthanum strontium cobaltite) or the like may be employed. The thickness of the air electrode 140 is 10 to 100 μm.

以上、図1に示したSOFCセルの構成の概要について説明した。複数のSOFCセルが、集電用部材(インターコネクタ)を介して電気的に直列に接続されて使用され得る。これにより、高出力を得ることができる。複数のSOFCセルが電気的に直列に接続される態様として、「燃料極、電解質膜、及び、空気極の積層体である発電部」が積層方向に複数積層される形式(所謂「縦縞型」)、或いは、発電部が板状の支持体の表面上の異なる位置にそれぞれ配置される形式(所謂「横縞型」)が採用され得る。   The outline of the configuration of the SOFC cell shown in FIG. 1 has been described above. A plurality of SOFC cells can be used by being electrically connected in series via a current collecting member (interconnector). Thereby, high output can be obtained. As a mode in which a plurality of SOFC cells are electrically connected in series, a form in which a “power generation unit that is a stack of a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode” is stacked in the stacking direction (so-called “vertical stripe type”) Alternatively, a form in which the power generation units are arranged at different positions on the surface of the plate-like support (so-called “horizontal stripe type”) may be employed.

(製造方法)
次に、図1に示したSOFCセルの製造方法の一例について説明する。以下、「成形体」とは、焼成前の状態を指すものとする。先ず、燃料極110の成形体が以下のように形成された。即ち、NiO粉末とYSZ粉末とが混合され、この混合物にバインダーとしてポリビニルアルコール(PVA)が添加されてスラリーが作製された。このスラリーがスプレードライヤーで乾燥・造粒され、燃料極用の粉末が得られた。この粉末が金型プレス成形法により成形されて、燃料極110の成形体が形成された。
(Production method)
Next, an example of a method for manufacturing the SOFC cell shown in FIG. 1 will be described. Hereinafter, the “molded body” refers to a state before firing. First, a molded body of the fuel electrode 110 was formed as follows. That is, NiO powder and YSZ powder were mixed, and polyvinyl alcohol (PVA) was added as a binder to this mixture to prepare a slurry. This slurry was dried and granulated with a spray dryer to obtain a fuel electrode powder. This powder was molded by a die press molding method to form a molded body of the fuel electrode 110.

また、燃料極110が、上述した「燃料極活性部と燃料極集電部との2層」で構成される場合、先ず、燃料極集電部の成形体が形成される。燃料極集電部の成形体は、上述した手法と同様の手法により得られた燃料極集電部用の粉末が金型プレス成形法等により成形されて形成される。次いで、燃料極活性部の成形体が、以下のように燃料極集電部の成形体の上面に積層・形成される。即ち、NiO粉末とYSZ粉末に水とバインダーが加えられ、この混合物がボールミルで24時間混合されてスラリーが作製された。このスラリーが、燃料極集電部の成形体の上面に塗布・乾燥されて、燃料極活性部の成形体(膜)が形成される。なお、燃料極集電部の成形体の上面に燃料極活性部の成形体を形成するに際し、テープ積層法、印刷法等が用いられてもよい。   When the fuel electrode 110 is composed of the above-described “two layers of the fuel electrode active part and the fuel electrode current collector part”, first, a molded body of the fuel electrode current collector part is formed. The molded article of the fuel electrode current collector is formed by molding a powder for the fuel electrode current collector obtained by the same technique as described above by a die press molding method or the like. Next, the molded body of the anode active portion is laminated and formed on the upper surface of the molded body of the anode current collector as follows. That is, water and a binder were added to NiO powder and YSZ powder, and this mixture was mixed with a ball mill for 24 hours to prepare a slurry. This slurry is applied to the upper surface of the molded body of the fuel electrode current collector and dried to form a molded body (film) of the fuel electrode active section. In forming the fuel electrode active portion molded body on the upper surface of the fuel electrode current collector molded body, a tape lamination method, a printing method, or the like may be used.

後に詳述するように、特に、燃料極活性部内のNi粒子径、YSZ粒子径、及び気孔径の調整、並びに、「孤立Ni粒子割合」(後述)の調整は、粉末の粉体特性(粒径、比表面積)、造孔材の混入度合い、スラリー特性(固液比率、バインダ等の有機材料の組成)、上述した還元処理の条件等を調整することによって達成され得る。   As will be described in detail later, in particular, the adjustment of the Ni particle diameter, the YSZ particle diameter, and the pore diameter in the fuel electrode active portion, and the adjustment of the “isolated Ni particle ratio” (described later) are carried out by adjusting the powder characteristics (particle It can be achieved by adjusting the diameter, specific surface area), the degree of mixing of the pore former, slurry characteristics (solid-liquid ratio, composition of organic material such as binder), conditions for the above-described reduction treatment, and the like.

次に、電解質膜120の成形体が、以下のように燃料極110の成形体の上面に積層・形成された。即ち、YSZ粉末に水とバインダーが加えられ、この混合物がボールミルで24時間混合されてスラリーが作製された。このスラリーが、燃料極110の成形体の上面に塗布・乾燥されて、電解質膜120の成形体(膜)が形成された。なお、燃料極110の成形体の上面に電解質膜120の成形体を形成するに際し、テープ積層法、印刷法等が用いられてもよい。   Next, the molded body of the electrolyte membrane 120 was laminated and formed on the upper surface of the molded body of the fuel electrode 110 as follows. That is, water and a binder were added to the YSZ powder, and this mixture was mixed with a ball mill for 24 hours to prepare a slurry. This slurry was applied and dried on the upper surface of the molded body of the fuel electrode 110 to form a molded body (film) of the electrolyte membrane 120. When forming the molded body of the electrolyte membrane 120 on the upper surface of the molded body of the fuel electrode 110, a tape lamination method, a printing method, or the like may be used.

次いで、反応防止膜130の成形体が、以下のように電解質膜120の成形体の上面に形成された。即ち、GDC粉末に水とバインダーが加えられ、この混合物がボールミルで24時間混合されてスラリーが作製された。このスラリーが、電解質膜120の成形体の上面に塗布・乾燥され、反応防止膜130の成形体(膜)が形成された。なお、電解質膜120の成形体の上面に反応防止膜130の成形体を形成するに際し、テープ積層法、印刷法等が用いられてもよい。   Next, a molded body of the reaction preventing film 130 was formed on the upper surface of the molded body of the electrolyte membrane 120 as follows. That is, water and a binder were added to the GDC powder, and this mixture was mixed with a ball mill for 24 hours to prepare a slurry. This slurry was applied and dried on the upper surface of the molded body of the electrolyte membrane 120, and a molded body (film) of the reaction preventing film 130 was formed. When forming the molded body of the reaction preventing film 130 on the upper surface of the molded body of the electrolyte membrane 120, a tape lamination method, a printing method, or the like may be used.

以上より、燃料極110の成形体、電解質膜120の成形体、及び反応防止膜130の成形体の積層体(焼成前)が形成された。この積層体(焼成前)が、1300〜1600℃で2〜20時間共焼結されて、多孔質の燃料極110、緻密な電解質膜120、及び、緻密な反応防止膜130の積層体(焼成後)が得られた。   From the above, a laminate (before firing) of the molded body of the fuel electrode 110, the molded body of the electrolyte membrane 120, and the molded body of the reaction preventing film 130 was formed. This laminate (before firing) is co-sintered at 1300 to 1600 ° C. for 2 to 20 hours to obtain a laminate (sintered) of the porous fuel electrode 110, the dense electrolyte film 120, and the dense reaction preventing film 130. After) was obtained.

次に、空気極140が、以下のように前記積層体の反応防止膜130の上面に形成された。即ち、LSCF粉末に水とバインダーが加えられ、この混合物がボールミルで24時間混合されてスラリーが作製された。このスラリーが、反応防止膜130の上面に塗布・乾燥され、電気炉(酸素含有雰囲気中)で空気中にて1000℃で1時間焼成されて、反応防止膜130の上面に多孔質の空気極140が形成された。   Next, an air electrode 140 was formed on the upper surface of the reaction preventing film 130 of the laminate as follows. That is, water and a binder were added to the LSCF powder, and this mixture was mixed with a ball mill for 24 hours to prepare a slurry. This slurry is applied and dried on the upper surface of the reaction preventing film 130, and baked at 1000 ° C. for 1 hour in the air in an electric furnace (in an oxygen-containing atmosphere), so that a porous air electrode is formed on the upper surface of the reaction preventing film 130. 140 was formed.

その後、燃料極110に対して、上述した還元処理が施される。これにより、燃料極110は、導電性を獲得し、SOFCが作動し得る状態となる。具体的な還元処理の条件は以下の通りである。
昇温速度:50℃/hr〜400℃/hr
還元ガス:水素濃度4%以上
還元ガス導入温度:400℃以上、好ましくは600℃以上
還元温度:700〜900℃
還元時間:1〜50時間
以上、図1に示したSOFCセルの製造方法の一例について説明した。
Thereafter, the above-described reduction process is performed on the fuel electrode 110. As a result, the fuel electrode 110 obtains conductivity and is in a state where the SOFC can operate. The specific conditions for the reduction treatment are as follows.
Temperature increase rate: 50 ° C / hr to 400 ° C / hr
Reducing gas: hydrogen concentration 4% or more Reducing gas introduction temperature: 400 ° C. or more, preferably 600 ° C. or more Reduction temperature: 700 to 900 ° C.
Reduction time: 1 to 50 hours The example of the method for producing the SOFC cell shown in FIG. 1 has been described above.

(界面近傍領域内におけるNi粒子径、YSZ粒子径、及び気孔径の適切な組み合わせ)
「発明の概要」の欄で述べたように、「Solid State lonics
178(2008)1984」に記載された上記「SEM観察の新たな手法」を採用することによって、SOFCセルのサンプルの厚さ方向(積層方向)の断面において、燃料極内に存在するNi粒子とYSZ粒子と気孔とを個別に見分けることができる。
(Appropriate combination of Ni particle size, YSZ particle size, and pore size in the vicinity of the interface)
As stated in the “Summary of Invention” section, “Solid State lonics”
178 (2008) 1984 ”described above, the Ni particles existing in the fuel electrode in the cross section in the thickness direction (stacking direction) of the sample of the SOFC cell YSZ particles and pores can be distinguished individually.

また、「発明の概要」の欄で述べたように、燃料極内に存在するNi粒子として、上記「孤立Ni粒子」(non-percolating Ni)と、上記「連続Ni粒子」(percolating
Ni)とが存在する。上記「SEM観察の新たな手法」を採用することによって、燃料極内に存在する「孤立Ni粒子」と「連続Ni粒子」とを個別に見分けることも可能である。
Further, as described in the “Summary of the Invention” section, as the Ni particles existing in the fuel electrode, the “isolated Ni particles” (non-percolating Ni) and the “continuous Ni particles” (percolating Ni).
Ni) exists. By adopting the above-mentioned “new method of SEM observation”, it is possible to individually distinguish “isolated Ni particles” and “continuous Ni particles” present in the fuel electrode.

図2は、図1に示したSOFCセルのサンプルを厚さ方向(積層方向)に沿って切断して得られた断面(特に、燃料極110の活性部及び電解質膜120の断面)を上記「SEM観察の新たな手法」を用いて観察して得られたSEM画像の一例を示す。図2は、インレンズ二次電子検出器を用いたFE−SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope:電界放射型走査型電子顕微鏡)によって倍率10000倍に拡大された、電解質膜と燃料極活性層とを含む断面のSEM画像である。この断面には、精密機械研磨が施された後に、株式会社日立ハイテクノロジーズのIM4000によってイオンミリング加工処理が施されている。図2は、加速電圧:1kV、ワーキングディスタンス:2mmに設定されたZeiss社(ドイツ)製のFE−SEM(型式:ULTRA55)を使用して得られたSEM画像である。   2 shows a cross section (particularly, a cross section of the active portion of the fuel electrode 110 and the electrolyte membrane 120) obtained by cutting the sample of the SOFC cell shown in FIG. 1 along the thickness direction (stacking direction). An example of the SEM image obtained by observing using the "new technique of SEM observation" is shown. FIG. 2 shows an electrolyte membrane and a fuel electrode active layer enlarged by a magnification of 10,000 times by an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) using an in-lens secondary electron detector. It is a SEM image of a section including. This cross section is subjected to precision mechanical polishing and then subjected to ion milling processing by IM4000 of Hitachi High-Technologies Corporation. FIG. 2 is an SEM image obtained using an FE-SEM (model: ULTRA55) manufactured by Zeiss (Germany) set at an acceleration voltage of 1 kV and a working distance of 2 mm.

図2は、明暗がグレースケール(Gray Scale)で示されている。図2から理解できるように、上記「SEM観察の新たな手法」によれば、明暗差を利用して、燃料極内に存在する「連続Ni粒子」と「孤立Ni粒子」と「YSZ粒子」と「気孔」とを個別に見分けることができる。   In FIG. 2, light and dark are shown in gray scale. As can be understood from FIG. 2, according to the above “new technique for SEM observation”, “continuous Ni particles”, “isolated Ni particles”, and “YSZ particles” existing in the fuel electrode using the difference in brightness and darkness. Can be distinguished from "stomach" individually.

具体的には、画像解析等を利用することによって、上記のSEM画像が明度に応じて4種類の領域に分類され得る。最も明るい領域が「連続Ni粒子」に対応し、2番目に明るい領域が「孤立Ni粒子」に対応し、3番目に明るい領域が「YSZ粒子」に対応し、最も暗い領域が「気孔」に対応する。この画像解析は、例えば、MVTec社(ドイツ)製の画像解析ソフトHALCONを用いて行われ得る。   Specifically, by using image analysis or the like, the SEM image can be classified into four types of regions according to the brightness. The brightest region corresponds to “continuous Ni particles”, the second brightest region corresponds to “isolated Ni particles”, the third brightest region corresponds to “YSZ particles”, and the darkest region corresponds to “pores” Correspond. This image analysis can be performed, for example, using image analysis software HALCON manufactured by MVTec (Germany).

なお、画像解析に基づいてNi粒子、YSZ粒子、気孔を判別する手法は、SEM画像における明暗差を利用するものには限られない。例えば、同一視野においてSEM−EDSにより元素マッピングを取得した後、この取得結果と、予め得ていたインレンズ二次電子検出器を用いたFE−SEM像(インレンズ像とアウトレンズ像を含む)とを照らし合わせることによって、SEM画像中の各粒子が同定され得る。この結果、Ni粒子、YSZ粒子、気孔が3値化されることで、Ni粒子、YSZ粒子、気孔を判別することができる。この際、各粒子の同定は、以下のように簡便に行うことができる。即ち、先ず、アウトレンズ像上の低輝度領域が気孔と判定され得る。その後、インレンズ像上の気孔以外の領域における高輝度領域がNi粒子と判定され得、低輝度領域がYSZ粒子と判定され得る。   Note that the method of discriminating Ni particles, YSZ particles, and pores based on image analysis is not limited to the method using the light / dark difference in the SEM image. For example, after obtaining element mapping by SEM-EDS in the same field of view, this acquisition result and an FE-SEM image (including an in-lens image and an out-lens image) using a previously obtained in-lens secondary electron detector Each particle in the SEM image can be identified. As a result, Ni particles, YSZ particles, and pores are ternarized, so that Ni particles, YSZ particles, and pores can be discriminated. At this time, identification of each particle can be easily performed as follows. That is, first, the low luminance region on the out-lens image can be determined as a pore. Thereafter, the high luminance region in the region other than the pores on the in-lens image can be determined as Ni particles, and the low luminance region can be determined as YSZ particles.

上記画像解析に加えて、上記SEM画像に対応する断面に対してエネルギー分散型X線分析(所謂EDS分析)を利用した組成分析も行われ得る。これによっても、Ni粒子とYSZ粒子とが判別され得、従って、Ni粒子が特定され得る。このように特定されたNi粒子のうちで、明るい粒子が連続Ni粒子と判別され、暗い粒子が孤立Ni粒子と判別され得る。   In addition to the image analysis, composition analysis using energy dispersive X-ray analysis (so-called EDS analysis) can be performed on the cross section corresponding to the SEM image. Also by this, Ni particles and YSZ particles can be discriminated, and therefore Ni particles can be specified. Of the identified Ni particles, bright particles can be identified as continuous Ni particles, and dark particles can be identified as isolated Ni particles.

連続Ni粒子と孤立Ni粒子とは、原子間力顕微鏡(AFM)を利用した導通試験によっても判別することができる。具体的には、上記SEM画像に対応する断面が露呈したSOFCセルのサンプルに対して、燃料極の前記断面とは異なる部分と電気的に接続されるように導電部材が設けられる。この導電部材とAFMのカンチレバー(針)との間に所定の電圧が印加された状態で、前記カンチレバーが前記断面上に亘ってスキャンされる。その際に流れる電流の大きさと前記断面上の位置との関係に基づいて、前記断面におけるNi粒子と特定された領域が、「導通あり領域」と「導通なし領域」の2つの領域に分類され得る。「導通あり領域」が連続Ni粒子と判別され、「導通なし領域」が孤立Ni粒子と判別され得る。   Continuous Ni particles and isolated Ni particles can also be discriminated by a conduction test using an atomic force microscope (AFM). Specifically, a conductive member is provided so that the sample of the SOFC cell in which the cross section corresponding to the SEM image is exposed is electrically connected to a portion different from the cross section of the fuel electrode. In a state where a predetermined voltage is applied between the conductive member and the AFM cantilever (needle), the cantilever is scanned over the cross section. Based on the relationship between the magnitude of the current flowing at that time and the position on the cross section, the area identified as Ni particles in the cross section is classified into two areas, a “conducting area” and a “non-conducting area”. obtain. The “region with continuity” can be determined as continuous Ni particles, and the “region without continuity” can be determined as isolated Ni particles.

なお、連続Ni粒子と孤立Ni粒子との判別について、上述した種々の手法では、SOFCのサンプルを厚さ方向(積層方向)に沿って機械加工により実際に切断して得られた断面が利用される。従って、前記断面近傍に分布していたNi粒子のうち、切断前には連続Ni粒子であったが切断後に孤立Ni粒子に変わったもの(或いは、その逆のもの)が存在し得ると考えられる。   Regarding the discrimination between continuous Ni particles and isolated Ni particles, the various methods described above use a cross section obtained by actually cutting a SOFC sample by machining along the thickness direction (stacking direction). The Accordingly, it is considered that among the Ni particles distributed in the vicinity of the cross-section, there may exist those that were continuous Ni particles before cutting but changed to isolated Ni particles after cutting (or vice versa). .

しかしながら、前記断面近傍に分布していたNi粒子のうち切断前後で連続Ni粒子から孤立Ni粒子(或いは、その逆)に変わったものの割合は非常に小さいと考えられる。従って、後述する「孤立Ni粒子割合」を論ずる際、SOFCのサンプルを機械加工により実際に切断して得られた断面に基づいて算出された「孤立Ni粒子割合」は、SOFCのサンプルを切断する前の真の「孤立Ni粒子割合」とほぼ一致するものと考えられる。   However, the proportion of Ni particles distributed in the vicinity of the cross-section changed from continuous Ni particles to isolated Ni particles (or vice versa) before and after cutting is considered to be very small. Therefore, when discussing the “isolated Ni particle ratio” described later, the “isolated Ni particle ratio” calculated based on the cross section obtained by actually cutting the SOFC sample by machining cuts the SOFC sample. This is considered to be almost coincident with the previous true “isolated Ni particle ratio”.

本発明者は、この「SEM観察の新たな手法」を用いて還元処理後の種々の燃料極110の断面をそれぞれ観察した。その際、「燃料極の反応」(「背景技術」の欄で記載した(2)式で表される反応)に大きく寄与すると考えられる「燃料極110における燃料極110と電解質膜120との界面から3μm以内に位置する領域」(図2を参照、以下、「界面近傍領域」と呼ぶ)に特に着目した。   The inventor has observed cross sections of various fuel electrodes 110 after the reduction treatment using the “new technique for SEM observation”. At that time, “the interface between the fuel electrode 110 and the electrolyte membrane 120 in the fuel electrode 110”, which is considered to greatly contribute to “the reaction of the fuel electrode” (the reaction represented by the formula (2) described in the “Background Art” column). In particular, attention was paid to the “region located within 3 μm” (see FIG. 2, hereinafter referred to as “region near the interface”).

以下、このことについて付言する。本例では、燃料極110と電解質膜120は同時焼成(共焼成)によって形成(焼結)される。このため、同時焼成中において、燃料極110(の膜)内における電解質膜120との界面に近い領域(=上記「界面近傍領域」)は、電解質膜120側から影響を受け易い。具体的には、燃料極110と電解質膜120との間で、焼成開始温度の差、焼成収縮量の差、構成元素の相互拡散等の影響を受ける。このことに起因して、燃料極110内において、上記「界面近傍領域」と、それ以外の領域(つまり、電解質膜120との界面から遠い領域)とでは、微構造(従って、粒径(気孔径)の分布)が異なる可能性が非常に高い。以上のことから、本発明者は、燃料極110の反応に大きく寄与する「界面近傍領域の微構造」のみに着目した。一方、本発明者は、「界面近傍領域の微構造」とは異なる可能性が高い「界面から遠い、燃料極の反応にあまり寄与しない領域の微構造」には着目していない。   The following is a supplementary explanation. In this example, the fuel electrode 110 and the electrolyte membrane 120 are formed (sintered) by simultaneous firing (co-firing). For this reason, during the co-firing, the region close to the interface with the electrolyte membrane 120 in the fuel electrode 110 (the membrane thereof) (= the “region near the interface”) is easily affected from the electrolyte membrane 120 side. Specifically, the fuel electrode 110 and the electrolyte membrane 120 are affected by differences in firing start temperature, differences in firing shrinkage, mutual diffusion of constituent elements, and the like. Due to this, in the fuel electrode 110, the microstructure (therefore, the particle size (the particle size (air)) in the “region near the interface” and the other region (that is, the region far from the interface with the electrolyte membrane 120). It is very likely that the distribution of the pore diameter) is different. From the above, the present inventor has focused only on the “microstructure in the vicinity of the interface” that greatly contributes to the reaction of the fuel electrode 110. On the other hand, the present inventor does not pay attention to “a microstructure in a region far from the interface and does not contribute much to the reaction of the fuel electrode”, which is likely to be different from “a microstructure in the region near the interface”.

なお、燃料極が上述した「燃料極集電部」と「燃料極活性部」との2層で構成される場合、「界面近傍領域」は燃料極活性部の一部に対応する。以下、燃料極が上述した「燃料極集電部」と「燃料極活性部」との2層で構成される場合(即ち、「界面近傍領域」が燃料極活性部の一部に対応する場合)について説明を続ける。   When the fuel electrode is composed of two layers of the “fuel electrode current collector” and the “fuel electrode active part” described above, the “region near the interface” corresponds to a part of the fuel electrode active part. Hereinafter, when the fuel electrode is composed of the two layers of the “fuel electrode current collector” and the “fuel electrode active part” described above (that is, the “region near the interface” corresponds to a part of the fuel electrode active part) )

「燃料極活性部と電解質膜120との界面」の定義について付言する。「燃料極活性部と電解質膜120との界面」は、例えば、以下のように定義される。即ち、先ず、上記「SEM観察の新たな手法」を用いて得られた図2に示すようなSEM画像(燃料極活性部と電解質膜との界面を含むもの)が取得される。このSEM画像(視野)において、燃料極活性部を構成する「連続Ni粒子」、「孤立Ni粒子」、「YSZ粒子」、及び「気孔」(以下、これらを総称して「構成体」と呼ぶ)のうちで電解質膜に面して存在している複数の構成体が特定される。上記特定された複数の構成体のそれぞれについて、構成体内に対応する領域において最も電解質膜側(図2では上側)の点が特定される。特定された複数の点と周知の統計的手法の一つ(例えば、最小二乗法)とを用いて、特定された複数の点のそれぞれの近傍を通る直線が決定される。この線(図2に示した例では、線分L)が「燃料極活性部と電解質膜120との界面」となる。   The definition of “interface between the fuel electrode active portion and the electrolyte membrane 120” will be added. The “interface between the fuel electrode active part and the electrolyte membrane 120” is defined as follows, for example. That is, first, an SEM image (including an interface between the fuel electrode active portion and the electrolyte membrane) as shown in FIG. 2 obtained using the above-described “new technique for SEM observation” is acquired. In this SEM image (field of view), “continuous Ni particles”, “isolated Ni particles”, “YSZ particles”, and “pores” constituting the fuel electrode active portion (hereinafter collectively referred to as “constituents”) ), A plurality of components existing facing the electrolyte membrane are identified. For each of the plurality of identified structures, a point closest to the electrolyte membrane (upper side in FIG. 2) is identified in a region corresponding to the structure. Using the identified points and one of the well-known statistical methods (for example, the least square method), a straight line passing through the neighborhood of each of the identified points is determined. This line (in the example shown in FIG. 2, the line segment L) becomes “the interface between the fuel electrode active portion and the electrolyte membrane 120”.

上述の種々の観察の結果、本発明者は、還元処理後の「界面近傍領域」内におけるNi粒子、YSZ粒子、及び気孔の3つの径の組み合わせが燃料極活性部の反応抵抗に大きく影響することを発見した。加えて、本発明者は、燃料極活性部の反応抵抗を小さくするために必要な、還元処理後の「界面近傍領域」内におけるNi粒子、YSZ粒子、及び気孔の3つの径の平均値の組み合わせの適切な範囲を見出した。以下、このことを確認した試験について説明する。   As a result of the various observations described above, the present inventor has found that the combination of the three diameters of Ni particles, YSZ particles, and pores in the “region near the interface” after the reduction treatment greatly affects the reaction resistance of the fuel electrode active portion. I discovered that. In addition, the present inventor found that the average value of the three diameters of Ni particles, YSZ particles, and pores in the “region near the interface” after the reduction treatment necessary to reduce the reaction resistance of the fuel electrode active portion. We found an appropriate range of combinations. Hereinafter, a test for confirming this will be described.

なお、或るNi粒子の径とは、上記「SEM観察の新たな手法」を用いて得られた図2に示すようなSEM画像(燃料極活性部と電解質膜との界面を含むもの)におけるそのNi粒子(孤立Ni粒子又は連続Ni粒子)に対応する領域の面積と等しい面積を有する円の直径と定義され得る。YSZ粒子の径、気孔の径についても同様である。このように、2次元の組織(断面画像)から3次元の構造(粒径、気孔径)を推定する手法については、水谷惟恭、尾崎義治、木村敏夫、山口喬著、「セラミックプロセッシング」、技報堂出版株式会社、1985年3月25日発行、第190頁から第201頁に、詳細に記載されている。   In addition, the diameter of a certain Ni particle is an SEM image (including an interface between the fuel electrode active part and the electrolyte membrane) as shown in FIG. 2 obtained by using the above-mentioned “new technique for SEM observation”. It can be defined as the diameter of a circle having an area equal to the area of the region corresponding to the Ni particles (isolated Ni particles or continuous Ni particles). The same applies to the diameter of the YSZ particles and the diameter of the pores. As described above, the method for estimating the three-dimensional structure (particle diameter, pore diameter) from the two-dimensional structure (cross-sectional image) is described by Satoshi Mizutani, Yoshiharu Ozaki, Toshio Kimura, Satoshi Yamaguchi, “Ceramic Processing”, Gihodo Publishing Co., Ltd., published on March 25, 1985, pages 190-201.

また、粒径(気孔径)の平均値とは、複数の異なる部位(視野)のそれぞれの断面(SEM画像)を観察・解析して得られたデータから算出された平均値である必要がある。これは、燃料極活性部の反応抵抗を小さくするためには「界面近傍領域」の広い領域に亘って粒径(気孔径)が適切な範囲内で分布する必要があることに基づく。具体的には、例えば、断面観察が倍率:5000〜20000倍で実施され、且つ、20以上の異なる部位(視野)のそれぞれの断面の解析結果に基づいて算出された平均値が採用されることが好ましい。   Further, the average value of the particle diameter (pore diameter) needs to be an average value calculated from data obtained by observing and analyzing each cross section (SEM image) of a plurality of different parts (fields of view). . This is based on the fact that in order to reduce the reaction resistance of the fuel electrode active portion, the particle size (pore size) needs to be distributed within an appropriate range over a wide region of “the vicinity of the interface”. Specifically, for example, cross-sectional observation is performed at a magnification of 5000 to 20000, and an average value calculated based on the analysis result of each cross section of 20 or more different parts (fields of view) is adopted. Is preferred.

<試験>
この試験では、上記実施形態に係るSOFCに対して、還元処理後の燃料極活性部内のNi粒子、YSZ粒子、及び気孔の3つの径の組み合わせが異なる種々のサンプルが作製された。Ni粒子径の調整は、例えば、燃料極活性部用のスラリー内に混入されるNiO粉末の粉体特性(粒径、比表面積)を調整することで達成された。YSZ粒子径の調整も、NiO粒子径の場合と同様、燃料極活性部用のスラリー内に混入されるYSZ粉末の粉体特性(粒径、比表面積)を調整することで達成された。気孔径の調整は、例えば、燃料極活性部用のスラリー内に混入される造孔材の粒径、混入量を調整することで達成された。なお、NiO粒子径の調整、YSZ粒子径の調整、並びに、気孔径の調整は、焼成時間及び焼成温度を調整することによっても達成され得る。
<Test>
In this test, various samples having different combinations of the three diameters of Ni particles, YSZ particles, and pores in the fuel electrode active part after the reduction treatment were produced for the SOFC according to the above embodiment. Adjustment of the Ni particle diameter was achieved, for example, by adjusting the powder characteristics (particle diameter, specific surface area) of the NiO powder mixed in the slurry for the fuel electrode active part. The adjustment of the YSZ particle diameter was also achieved by adjusting the powder characteristics (particle diameter, specific surface area) of the YSZ powder mixed in the slurry for the fuel electrode active part, as in the case of the NiO particle diameter. The adjustment of the pore diameter was achieved, for example, by adjusting the particle diameter and mixing amount of the pore former mixed in the slurry for the fuel electrode active part. The adjustment of the NiO particle diameter, the adjustment of the YSZ particle diameter, and the adjustment of the pore diameter can also be achieved by adjusting the firing time and the firing temperature.

上述した各サンプルにおいて、燃料極集電部(Ni−YSZ)の厚さは1000μm、燃料極活性部の厚さは20μm、電解質膜120(YSZ)の厚さは5μm、反応防止膜130(GDC)の厚さは20μm、空気極140(LSCF)の厚さは50μmで一定とされた。また、これらのサンプルを上方からみた形状は、直径が30mmの円形とされた。   In each sample described above, the thickness of the fuel electrode current collector (Ni-YSZ) is 1000 μm, the thickness of the fuel electrode active portion is 20 μm, the thickness of the electrolyte membrane 120 (YSZ) is 5 μm, and the reaction preventing membrane 130 (GDC). ) Was 20 μm, and the thickness of the air electrode 140 (LSCF) was 50 μm. In addition, the shape of these samples viewed from above was a circle with a diameter of 30 mm.

各サンプルに対して、燃料極110側に窒素ガス、空気極140側に空気を供給しながら、800℃まで昇温し、800℃に達した時点で燃料極110に水素ガスを供給しながら還元処理が3時間行われた。この還元処理の後、各サンプルに対して、SOFCの出力密度が計測された。出力密度として、温度が800℃で定格電圧0.8Vでの値が使用された。   While supplying nitrogen gas to the fuel electrode 110 side and air to the air electrode 140 side for each sample, the temperature was raised to 800 ° C., and when the temperature reached 800 ° C., hydrogen gas was supplied to the fuel electrode 110 and reduced. Processing was carried out for 3 hours. After this reduction treatment, the SOFC power density was measured for each sample. As the output density, a value at a temperature of 800 ° C. and a rated voltage of 0.8 V was used.

なお、一般に、SOFCの電気抵抗には、「(電圧)/(電流)」で定義される抵抗(所謂IR抵抗)と、化学反応の速度に基づく抵抗(反応抵抗)とが存在する。上述した種々のサンプルについてIR抵抗を計測した結果、IR抵抗の差異は小さいことが別途確認されている。従って、出力密度の大きさは反応抵抗の大きさに強く依存すると考えられる。即ち、出力密度が大きいことは燃料極活性部の反応抵抗が小さいことを意味する、ということができる。   In general, the electrical resistance of SOFC includes a resistance defined by “(voltage) / (current)” (so-called IR resistance) and a resistance based on the rate of chemical reaction (reaction resistance). As a result of measuring the IR resistance of the various samples described above, it has been separately confirmed that the difference in IR resistance is small. Therefore, it is considered that the power density depends strongly on the reaction resistance. That is, it can be said that a large output density means that the reaction resistance of the fuel electrode active part is small.

図3は、還元処理後の「界面近傍領域」内に存在するNi粒子の径を変化させることによって得られた「Ni粒子径の平均値」と「SOFCの出力密度」との関係を示す。各サンプルについて、「Ni粒子径の平均値」とは、還元処理後の「界面近傍領域」内に存在するNi粒子(孤立Ni粒子+連続Ni粒子)の径の平均値である。図3に示した関係において、還元処理後の「界面近傍領域」内に存在するYSZ粒子」の径は0.4〜0.6μmに維持され、還元処理後の「界面近傍領域」内に存在する気孔」の径は0.3〜0.5μmに維持されている。   FIG. 3 shows the relationship between “average value of Ni particle diameter” and “SOFC output density” obtained by changing the diameter of Ni particles existing in the “region near the interface” after the reduction treatment. For each sample, the “average value of Ni particle diameter” is the average value of the diameters of Ni particles (isolated Ni particles + continuous Ni particles) present in the “region near the interface” after the reduction treatment. In the relationship shown in FIG. 3, the diameter of the “YSZ particles” present in the “region near the interface” after the reduction treatment is maintained at 0.4 to 0.6 μm and is present in the “region near the interface” after the reduction treatment. The diameter of the “pores” is maintained at 0.3 to 0.5 μm.

図4は、還元処理後の「界面近傍領域」内に存在するYSZ粒子の径を変化させることによって得られた「YSZ粒子径の平均値」と「SOFCの出力密度」との関係を示す。各サンプルについて、「YSZ粒子径の平均値」とは、還元処理後の「界面近傍領域」内に存在するYSZ粒子の径の平均値である。図4に示した関係において、還元処理後の「界面近傍領域」内に存在するNi粒子(孤立Ni粒子+連続Ni粒子)」の径は0.4〜0.6μmに維持され、還元処理後の「界面近傍領域」内に存在する気孔」の径は0.3〜0.5μmに維持されている。   FIG. 4 shows the relationship between “average value of YSZ particle diameter” and “SOFC output density” obtained by changing the diameter of YSZ particles present in the “region near the interface” after the reduction treatment. For each sample, the “average value of YSZ particle diameter” is the average value of the diameters of YSZ particles present in the “region near the interface” after the reduction treatment. In the relationship shown in FIG. 4, the diameter of the Ni particles (isolated Ni particles + continuous Ni particles) existing in the “region near the interface” after the reduction treatment is maintained at 0.4 to 0.6 μm. The diameter of the “pores existing in the“ region close to the interface ”” is maintained at 0.3 to 0.5 μm.

図5は、還元処理後の「界面近傍領域」内に存在する気孔の径を変化させることによって得られた「気孔径の平均値」と「SOFCの出力密度」との関係を示す。各サンプルについて、「気孔径の平均値」とは、還元処理後の「界面近傍領域」内に存在する気孔の径の平均値である。図5に示した関係において、還元処理後の「界面近傍領域」内に存在するNi粒子(孤立Ni粒子+連続Ni粒子)」の径は0.4〜0.6μmに維持され、還元処理後の「界面近傍領域」内に存在するYSZ粒子」の径は0.4〜0.6μmに維持されている。   FIG. 5 shows the relationship between the “average pore diameter” and the “SOFC output density” obtained by changing the diameter of the pores existing in the “region near the interface” after the reduction treatment. For each sample, the “average value of pore diameter” is the average value of the diameters of pores existing in the “region near the interface” after the reduction treatment. In the relationship shown in FIG. 5, the diameter of the Ni particles (isolated Ni particles + continuous Ni particles) existing in the “region near the interface” after the reduction treatment is maintained at 0.4 to 0.6 μm. The diameter of the “YSZ particles” present in the “region near the interface” is maintained at 0.4 to 0.6 μm.

この試験では、上記出力密度が0.7W/cm以上となる領域を高出力状態と判定する。図3、図4、及び、図5から理解できるように、還元処理後の「界面近傍領域」内において、Niの粒子径の平均値が0.28〜0.80μmであり、YSZ粒子径の平均値が0.28〜0.80μmであり、気孔径の平均値が0.10〜0.87μmである場合に高出力状態が得られる。即ち、還元処理後の「界面近傍領域」内におけるNi粒子、YSZ粒子、及び気孔の3つの径の平均値の組み合わせが上記の範囲内の場合に燃料極活性部の反応抵抗が小さい、ということができる。以上、燃料極活性部の反応抵抗低減のために必要となる還元処理後の「界面近傍領域」内におけるNi粒子径、YSZ粒子径、及び気孔径の適切な組み合わせについて説明した。 In this test, a region where the power density is 0.7 W / cm 2 or more is determined as a high power state. As can be understood from FIGS. 3, 4, and 5, the average value of the Ni particle diameter is 0.28 to 0.80 μm in the “region near the interface” after the reduction treatment, and the YSZ particle diameter is When the average value is 0.28 to 0.80 μm and the average pore diameter is 0.10 to 0.87 μm, a high output state is obtained. That is, the reaction resistance of the fuel electrode active part is small when the combination of the average values of the three diameters of Ni particles, YSZ particles, and pores in the “region near the interface” after the reduction treatment is within the above range. Can do. The appropriate combination of the Ni particle diameter, the YSZ particle diameter, and the pore diameter in the “region near the interface” after the reduction process necessary for reducing the reaction resistance of the fuel electrode active portion has been described above.

なお、還元処理後の「界面近傍領域」内において、上記3つの径の平均値の組み合わせが上記の範囲内の場合における、Ni粒子径の標準偏差は0.10〜0.60であり、YSZ粒子径の標準偏差は0.15〜0.60であり、気孔径の標準偏差は0.05〜0.70であった。   In the “region near the interface” after the reduction treatment, the standard deviation of the Ni particle diameter when the combination of the average values of the three diameters is within the above range is 0.10 to 0.60, and YSZ The standard deviation of the particle diameter was 0.15 to 0.60, and the standard deviation of the pore diameter was 0.05 to 0.70.

(電解質膜に面するNi粒子径、YSZ粒子径、及び気孔径の適切な組み合わせ)
本発明者は、「界面近傍領域内に存在するNi粒子、YSZ粒子、及び気孔」の中でも「燃料極活性部の反応」に最も大きく寄与すると考えられる「電解質膜に面して存在するNi粒子、YSZ粒子、及び気孔」についてのそれぞれの径の組み合わせにも更に調査した。
(Appropriate combination of Ni particle size, YSZ particle size, and pore size facing the electrolyte membrane)
The present inventor believes that “Ni particles existing in the vicinity of the electrolyte membrane” are considered to make the largest contribution to “reaction of the active portion of the fuel electrode” among “Ni particles, YSZ particles, and pores existing in the vicinity of the interface”. Further combinations of the respective diameters for “, YSZ particles, and pores” were also investigated.

図6は、還元処理後の「電解質膜120に面して存在するNi粒子」の径を変化させることによって得られた「Ni粒子径の平均値」と「SOFCの出力密度」との関係を示す。各サンプルについて、「Ni粒子径の平均値」とは、「電解質膜120に面して存在するNi粒子(孤立Ni粒子+連続Ni粒子)の径の平均値である。図6に示した関係において、還元処理後の「電解質膜120に面して存在するYSZ粒子」の径は0.4〜0.6μmに維持され、還元処理後の「電解質膜120に面して存在する気孔」の径は0.3〜0.5μmに維持されている。   FIG. 6 shows the relationship between the “average value of the Ni particle diameter” obtained by changing the diameter of the “Ni particles existing facing the electrolyte membrane 120” after the reduction treatment and the “SOFC output density”. Show. For each sample, the “average value of Ni particle diameter” is the “average value of the diameters of Ni particles (isolated Ni particles + continuous Ni particles) existing facing the electrolyte membrane 120. The relationship shown in FIG. , The diameter of the “YSZ particles present facing the electrolyte membrane 120” after the reduction treatment is maintained at 0.4 to 0.6 μm, and the “pores present facing the electrolyte membrane 120” after the reduction treatment The diameter is maintained at 0.3 to 0.5 μm.

図7は、還元処理後の「電解質膜120に面して存在するYSZ粒子」の径を変化させることによって得られた「YSZ粒子径の平均値」と「SOFCの出力密度」との関係を示す。各サンプルについて、「YSZ粒子径の平均値」とは、「電解質膜120に面して存在するYSZ粒子の径の平均値である。図7に示した関係において、還元処理後の「電解質膜120に面して存在するNI粒子(孤立Ni粒子+連続Ni粒子)」の径は0.4〜0.6μmに維持され、還元処理後の「電解質膜120に面して存在する気孔」の径は0.3〜0.5μmに維持されている。   FIG. 7 shows the relationship between the “average value of the YSZ particle diameter” obtained by changing the diameter of the “YSZ particles existing facing the electrolyte membrane 120” after the reduction treatment and the “SOFC output density”. Show. For each sample, “the average value of the YSZ particle diameter” is “the average value of the diameters of the YSZ particles present facing the electrolyte membrane 120. In the relationship shown in FIG. The diameter of “NI particles (isolated Ni particles + continuous Ni particles) present facing 120” is maintained at 0.4 to 0.6 μm, and “pores present facing electrolyte membrane 120” after reduction treatment are maintained. The diameter is maintained at 0.3 to 0.5 μm.

図8は、還元処理後の「電解質膜120に面して存在する気孔」の径を変化させることによって得られた「気孔径の平均値」と「SOFCの出力密度」との関係を示す。各サンプルについて、「気孔径の平均値」とは、「電解質膜120に面して存在する気孔の径の平均値である。図8に示した関係において、還元処理後の「電解質膜120に面して存在するNi粒子(孤立Ni粒子+連続Ni粒子)」の径は0.4〜0.6μmに維持され、還元処理後の「電解質膜120に面して存在するYSZ」の径は0.4〜0.6μmに維持されている。   FIG. 8 shows the relationship between the “average pore diameter” obtained by changing the diameter of the “pores facing the electrolyte membrane 120” after the reduction treatment and the “SOFC output density”. For each sample, “the average value of pore diameter” is “the average value of the diameter of pores existing facing the electrolyte membrane 120. In the relationship shown in FIG. The diameter of the Ni particles (isolated Ni particles + continuous Ni particles) present facing each other is maintained at 0.4 to 0.6 μm, and the diameter of the “YSZ existing facing the electrolyte membrane 120” after the reduction treatment is It is maintained at 0.4 to 0.6 μm.

図6、図7、及び、図8から理解できるように、電解質膜に面して存在する還元処理後の「構成体」において、Niの粒子径の平均値が0.31〜0.70μmであり、YSZ粒子径の平均値が0.32〜0.78μmであり、気孔径の平均値が0.15〜0.80μmである場合に高出力状態が得られる。即ち、電解質膜に面して存在する還元処理後のNi粒子、YSZ粒子、及び気孔の3つの径の平均値の組み合わせが上記の範囲内の場合に燃料極活性部の反応抵抗がより小さい、ということができる。   As can be understood from FIGS. 6, 7, and 8, the average value of the Ni particle diameter is 0.31 to 0.70 μm in the “construction body” after the reduction treatment that faces the electrolyte membrane. A high output state is obtained when the average value of the YSZ particle diameter is 0.32 to 0.78 μm and the average value of the pore diameter is 0.15 to 0.80 μm. That is, the reaction resistance of the fuel electrode active part is smaller when the combination of the average values of the three diameters of Ni particles after reduction treatment, YSZ particles, and pores present facing the electrolyte membrane is within the above range. It can be said.

なお、電解質膜に面して存在する還元処理後の「構成体」において、上記3つの径の平均値の組み合わせが上記の範囲内の場合における、Ni粒子径の標準偏差は0.14〜0.55であり、YSZ粒子径の標準偏差は0.13〜0.60であり、気孔径の標準偏差は0.10〜0.65であった。   In addition, in the “construction body” after the reduction treatment that faces the electrolyte membrane, the standard deviation of the Ni particle diameter is 0.14 to 0 when the combination of the average values of the three diameters is within the above range. The standard deviation of the YSZ particle diameter was 0.13 to 0.60, and the standard deviation of the pore diameter was 0.10 to 0.65.

また、本実施形態では、上述した粒径(Ni粒子径、YSZ粒子径)、並びに、気孔径の平均値、標準偏差の算出において、上述の画像解析ソフトによって認識された0.1μm以下の粒径のデータは使用されていない。これは、さらに高倍率での観察結果によると、上述の画像解析ソフトで認識された0.1μm以下の粒子及び気孔の存在自体が不確かであり、それらを出力性能を支配する因子として考慮に入れるのは相応しくないと考えられることに基づく。   In the present embodiment, in the calculation of the above-described particle size (Ni particle size, YSZ particle size), the average value of the pore size, and the standard deviation, particles of 0.1 μm or less recognized by the image analysis software described above. No diameter data is used. According to the observation result at a higher magnification, the existence of particles and pores of 0.1 μm or less recognized by the above-described image analysis software are uncertain, and they are taken into consideration as a factor governing the output performance. Is based on what is considered inappropriate.

(孤立Ni粒子割合の適切な範囲)
「界面近傍領域内に存在する全てのNiの粒子(孤立Ni粒子+連続Ni粒子)の体積の総和」に対する、「界面近傍領域内に存在する孤立Ni粒子のみの体積の総和の割合」を「孤立Ni粒子割合」と呼ぶ。
(Appropriate range of isolated Ni particle ratio)
“Ratio of the sum of the volumes of only isolated Ni particles existing in the interface region” to “the total volume of all Ni particles (isolated Ni particles + continuous Ni particles) existing in the interface region” This is called “isolated Ni particle ratio”.

本発明者は、孤立Ni粒子割合が燃料極活性部の反応抵抗の低減に寄与するのではないかと考え、「孤立Ni粒子割合」についても更に調査した。「孤立Ni粒子割合」は、例えば、以下のように決定される。即ち、先ず、上記「SEM観察の新たな手法」を用いて得られた図2に示すようなSEM画像(燃料極活性部と電解質膜との界面を含むもの)が取得される。このSEM画像(視野)において、上述の手法によって「燃料極活性部と電解質膜120との界面」が決定される。従って、このSEM画像において「界面近傍領域」が決定される。次いで、このSEM画像における「界面近傍領域」内に存在する「孤立Ni粒子」と「連続Ni粒子」が特定される。次いで、このSEM画像における「孤立Ni粒子」に対応する領域の総面積(総面積1)と、このSEM画像における「連続Ni粒子」に対応する領域の総面積(総面積2)とが取得される。そして、「総面積1」を「総面積1と総面積2の和」で除することによって、「孤立Ni粒子割合」が決定される。   The present inventor considered that the ratio of isolated Ni particles may contribute to the reduction of the reaction resistance of the fuel electrode active part, and further investigated the “isolated Ni particle ratio”. The “isolated Ni particle ratio” is determined as follows, for example. That is, first, an SEM image (including an interface between the fuel electrode active portion and the electrolyte membrane) as shown in FIG. 2 obtained using the above-described “new technique for SEM observation” is acquired. In this SEM image (field of view), the “interface between the fuel electrode active portion and the electrolyte membrane 120” is determined by the above-described method. Accordingly, the “region near the interface” is determined in this SEM image. Next, “isolated Ni particles” and “continuous Ni particles” existing in the “region near the interface” in the SEM image are specified. Next, the total area (total area 1) of the region corresponding to “isolated Ni particles” in this SEM image and the total area (total area 2) of the region corresponding to “continuous Ni particles” in this SEM image are acquired. The Then, “the ratio of isolated Ni particles” is determined by dividing “total area 1” by “sum of total area 1 and total area 2”.

「孤立Ni粒子割合」の調整(即ち、隣り合うNi粒子間の接合状態の調整)は、例えば、燃料極活性部用のスラリー内に混入されるNiO粉末の粉体特性(粒径、比表面積)を調整することで達成された。また、「孤立Ni粒子割合」の調整は、焼成時間及び焼成温度を調整すること、或いは、造孔材の粒径、添加量を調整することによっても達成され得る。更には、上記の種々の調整要素の組合せによっても「孤立Ni粒子割合」が調整され得る。   The adjustment of the “isolated Ni particle ratio” (that is, adjustment of the bonding state between adjacent Ni particles) is, for example, the powder characteristics (particle diameter, specific surface area) of NiO powder mixed in the slurry for the fuel electrode active part. ) Was achieved by adjusting. The adjustment of the “isolated Ni particle ratio” can also be achieved by adjusting the firing time and the firing temperature, or by adjusting the particle size and the amount of the pore former. Furthermore, the “isolated Ni particle ratio” can also be adjusted by a combination of the various adjustment elements described above.

図9は、還元処理後の「孤立Ni粒子割合」を変化させることによって得られた「孤立Ni粒子割合」と「SOFCの出力密度」との関係を示す。図9に示した関係において、還元処理後の「界面近傍領域」内に存在するNi粒子(孤立Ni粒子+連続Ni粒子)」の径は0.4〜0.6μmに維持され、還元処理後の「界面近傍領域」内に存在するYSZ粒子の径は0.4〜0.6μmに維持され、還元処理後の「界面近傍領域」内に存在する気孔の径は0.3〜0.5μmに維持されている。なお、孤立Ni粒子割合を2%未満とすることは不可能であった。   FIG. 9 shows the relationship between the “isolated Ni particle ratio” and the “SOFC output density” obtained by changing the “isolated Ni particle ratio” after the reduction treatment. In the relationship shown in FIG. 9, the diameter of the Ni particles (isolated Ni particles + continuous Ni particles) existing in the “region near the interface” after the reduction treatment is maintained at 0.4 to 0.6 μm. The diameter of YSZ particles existing in the “region near the interface” of the particle is maintained at 0.4 to 0.6 μm, and the diameter of pores existing in the “region near the interface” after the reduction treatment is 0.3 to 0.5 μm. Is maintained. It was impossible to make the ratio of isolated Ni particles less than 2%.

この試験では、上記出力密度が0.8W/cm以上となる領域を高出力状態と判定する。図9から理解できるように、「孤立Ni粒子割合」が2〜40%と小さい場合により大きい出力密度が得られる。即ち、「孤立Ni粒子割合」が上記の範囲内の場合に、高出力状態が得られる、即ち、燃料極活性部の反応抵抗がより小さい、ということができる。なお、この結果は、孤立Ni粒子割合が小さいほど(即ち、連続Ni粒子が密に存在するほど)、燃料極活性部の反応によって生成される電子を伝導する通路(パス)が密に形成されることに基づく、と考えられる。 In this test, a region where the power density is 0.8 W / cm 2 or more is determined as a high power state. As can be understood from FIG. 9, a larger output density can be obtained when the “isolated Ni particle ratio” is as small as 2 to 40%. That is, it can be said that when the “ratio of isolated Ni particles” is within the above range, a high output state is obtained, that is, the reaction resistance of the fuel electrode active part is smaller. This result shows that the smaller the ratio of isolated Ni particles (that is, the denser the continuous Ni particles are), the denser the paths (paths) that conduct electrons generated by the reaction of the fuel electrode active part. It is thought that it is based on that.

また、上記出力密度が1.2W/cm以上となる領域を高出力状態と判定するものとすると、図9から理解できるように、「孤立Ni粒子割合」が2〜25%と小さい場合に更に大きい出力密度が得られる。 Further, assuming that the region where the power density is 1.2 W / cm 2 or more is determined as a high power state, as can be understood from FIG. 9, when the “isolated Ni particle ratio” is as small as 2 to 25%. A larger power density can be obtained.

更に、発明者は、孤立Ni粒子割合がSOFCの定格電流密度(0.3A/cm)における「出力密度の劣化率」にも相関するのではないかと考え、孤立Ni粒子割合とSOFCの「出力密度の劣化率」との関係についても調査した。「出力密度の劣化率」とは、「SOFCを1000時間に亘って連続して稼働する耐久試験」の実行前の上記出力密度をAとし、前記耐久試験の実行後の上記出力密度をBとしたとき、(A−B)/A(%)と定義される。「出力密度の劣化率」が小さいことは、前記耐久試験の実行に起因する「燃料極活性部の反応抵抗の増加割合」が小さいこと、即ち、SOFCを長時間稼働しても燃料極活性部の反応抵抗が増大し難いことを意味する。 Further, the inventor considered that the ratio of isolated Ni particles may also correlate with the “degradation rate of output density” at the rated current density (0.3 A / cm 2 ) of SOFC, and the ratio of isolated Ni particles and SOFC “ We also investigated the relationship with the power density deterioration rate. “Degradation rate of output density” means that the output density before the execution of the “endurance test that operates SOFC continuously for 1000 hours” is A, and the output density after the execution of the endurance test is B. Is defined as (AB) / A (%). A small "output density deterioration rate" means that the "rate of increase in reaction resistance of the fuel electrode active part" resulting from the execution of the durability test is small, that is, the fuel electrode active part even if the SOFC is operated for a long time. This means that the reaction resistance is difficult to increase.

図10は、還元処理後の「孤立Ni粒子割合」を変化させることによって得られた「孤立Ni粒子割合」とSOFCの「出力密度の劣化率」との関係を示す。図10に示した関係においても、図9の場合と同様、還元処理後の「界面近傍領域」内に存在するNi粒子(孤立Ni粒子+連続Ni粒子)」の径は0.4〜0.6μmに維持され、還元処理後の「界面近傍領域」内に存在するYSZ粒子の径は0.4〜0.6μmに維持され、還元処理後の「界面近傍領域」内に存在する気孔の径は0.3〜0.5μmに維持されている。なお、この試験でも、孤立Ni粒子割合を2%未満とすることは不可能であった。   FIG. 10 shows the relationship between the “isolated Ni particle ratio” obtained by changing the “isolated Ni particle ratio” after the reduction treatment and the “output density deterioration rate” of the SOFC. Also in the relationship shown in FIG. 10, as in the case of FIG. 9, the diameter of the Ni particles (isolated Ni particles + continuous Ni particles) existing in the “region near the interface” after the reduction treatment is 0.4 to 0.00. The diameter of the YSZ particles existing in the “region near the interface” after the reduction treatment is maintained at 6 μm, and the diameter of the pores existing in the “region near the interface” after the reduction treatment is maintained at 0.4 to 0.6 μm. Is maintained at 0.3 to 0.5 μm. In this test as well, it was impossible to make the ratio of isolated Ni particles less than 2%.

図10から理解できるように、「孤立Ni粒子割合」が2〜40%と小さい場合に、「孤立Ni粒子割合」が40%より大きい場合と比べて、「出力密度の劣化率」が極端に小さくなる(境界:劣化率=2%)。即ち、「孤立Ni粒子割合」が上記の範囲内の場合、長時間稼働後において燃料極活性部の反応抵抗が増大する程度が極端に小さくなる、ということができる。更には、「孤立Ni粒子割合」が2〜25%と更に小さい場合に、「孤立Ni粒子割合」が25%より大きい場合と比べて、「出力密度の劣化率」が更に極端に小さくなる(境界:劣化率=0.5%)。なお、この結果は、孤立Ni粒子割合が小さいほど(即ち、連続Ni粒子が密に存在するほど)、長時間稼働に起因して破壊される上記「電子伝導通路(パス)」の割合が小さくなることに基づく、と考えられる。   As can be understood from FIG. 10, when the “isolated Ni particle ratio” is as small as 2 to 40%, the “output density deterioration rate” is extremely higher than when the “isolated Ni particle ratio” is larger than 40%. (Boundary: Degradation rate = 2%). That is, when the “isolated Ni particle ratio” is within the above range, it can be said that the degree to which the reaction resistance of the fuel electrode active portion increases after a long operation is extremely small. Furthermore, when the “isolated Ni particle ratio” is further small, such as 2 to 25%, the “output density deterioration rate” is extremely smaller than when the “isolated Ni particle ratio” is larger than 25% ( Boundary: degradation rate = 0.5%). As a result, the smaller the ratio of isolated Ni particles (that is, the more dense the continuous Ni particles are), the smaller the ratio of the “electron conduction path (path)” that is destroyed due to long-time operation. It is thought to be based on

以上、上記「SEM観察の新たな手法」を用いて得られた試験結果によれば、還元処理後の「界面近傍領域」内に存在するNiの粒子径の平均値が0.28〜0.80μmとなり、還元処理後の「界面近傍領域」内に存在するYSZ粒子径の平均値が0.28〜0.80μmとなり、還元処理後の「界面近傍領域」内に存在する気孔径の平均値が0.10〜0.87μmとなるようにSOFCを構成すると、SOFCの燃料極活性部の反応抵抗が小さくなることが判明した。   As described above, according to the test results obtained by using the above-mentioned “new technique for SEM observation”, the average value of the particle diameters of Ni existing in the “region near the interface” after the reduction treatment is 0.28 to 0.8. The average value of the YSZ particle diameter existing in the “region near the interface” after the reduction treatment is 0.28 to 0.80 μm, and the average value of the pore diameter existing in the “region near the interface” after the reduction treatment It has been found that when the SOFC is configured to have a 0.10 to 0.87 μm, the reaction resistance of the fuel electrode active portion of the SOFC becomes small.

加えて、電解質膜に面して存在する還元処理後のNiの粒子径の平均値が0.31〜0.70μmとなり、電解質膜に面して存在する還元処理後のYSZ粒子径の平均値が0.32〜0.78μmとなり、電解質膜に面して存在する還元処理後の気孔径の平均値が0.15〜0.80μmとなるようにSOFCを構成すると、SOFCの燃料極活性部の反応抵抗がより小さくなることが判明した。   In addition, the average value of the Ni particle diameter after reduction treatment existing facing the electrolyte membrane is 0.31 to 0.70 μm, and the average value of the YSZ particle diameter after reduction treatment existing facing the electrolyte membrane is When the SOFC is configured such that the average pore diameter after reduction treatment existing facing the electrolyte membrane is 0.15 to 0.80 μm, the active electrode active portion of the SOFC It was found that the reaction resistance of was smaller.

更には、還元処理後の「孤立Ni粒子割合」が2〜40%となるようにSOFCを構成すると、SOFCの燃料極活性部の反応抵抗がより小さくなること、更には、長時間稼働後においてSOFCの燃料極活性部の反応抵抗が増大する程度が極端に小さくなることも判明した。   Furthermore, if the SOFC is configured so that the “isolated Ni particle ratio” after the reduction treatment is 2 to 40%, the reaction resistance of the SOFC active portion of the fuel electrode becomes smaller, and further, after the operation for a long time. It has also been found that the degree of increase in the reaction resistance of the SOFC anode is extremely small.

以下、本実施形態に係る燃料極活性部の微構造を実現するための手法について付言する。
1.原料粉末(NiOと8YSZ)の平均粒径が0.3μm以上1.3μm以下とされた。粒径0.1μm以下の微細粒子と、粒径20μm以上の粗大粒子とが、分級処理により除去された。この分級処理には、例えば、気流式分級機が適用され得る。
2.造孔材の平均粒径が0.8μm以上10μm以下とされた。粒径0.2μm以下の微細粒子と、粒径30μm以上の粗大粒子とが、分級処理により除去された。造孔材としては、例えば、セルロースやPMMA(ポリメタクリル酸メチル樹脂)が適用され得る。
3.造孔材の添加量が、セラミックス原料(NiO+YSZ)に対して、30体積%以下とされた。
4.燃料極活性部と電解質膜(反応防止膜も含む)との共焼成温度が1350℃以上1500℃以下とされ、共焼成時間が1時間以上20時間以下とされた。
5.燃料料極活性層を形成する材料(印刷法で形成される場合は印刷ペースト)が均一に混合された。
6.燃料極活性層を形成する材料として印刷ペーストが作製される場合、適切な分散剤(例えば、ビックケミージャパン株式会社製の湿潤分散剤「DISPERBYKR-180」等)が添加された分散性の良いスラリーが作製され、その後、十分なポットミル混合とトリロールミル混合により、前記スラリーが均一に混合された。
Hereinafter, a method for realizing the microstructure of the fuel electrode active part according to the present embodiment will be additionally described.
1. The average particle diameter of the raw material powder (NiO and 8YSZ) was set to 0.3 μm or more and 1.3 μm or less. Fine particles having a particle size of 0.1 μm or less and coarse particles having a particle size of 20 μm or more were removed by classification treatment. For example, an airflow classifier can be applied to the classification process.
2. The average particle size of the pore former was 0.8 μm or more and 10 μm or less. Fine particles having a particle size of 0.2 μm or less and coarse particles having a particle size of 30 μm or more were removed by classification treatment. As the pore former, for example, cellulose or PMMA (polymethyl methacrylate resin) can be applied.
3. The amount of pore former added was 30% by volume or less with respect to the ceramic raw material (NiO + YSZ).
4). The co-firing temperature of the fuel electrode active part and the electrolyte membrane (including the reaction preventing film) was 1350 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower, and the co-firing time was 1 hour or longer and 20 hours or shorter.
5). The material for forming the fuel electrode active layer (print paste when formed by a printing method) was uniformly mixed.
6). When printing paste is produced as a material for forming the anode active layer, a slurry with good dispersibility to which an appropriate dispersant (for example, a wet dispersant “DISPERBYKR-180” manufactured by Big Chemie Japan Co., Ltd.) is added After that, the slurry was uniformly mixed by sufficient pot mill mixing and triroll mill mixing.

更に、本実施形態に係る燃料極(燃料極活性部)の微構造を実現するためには、電子伝導性を有する物質(Ni等)及び酸素イオン伝導性を有する物質(YSZ等)を主成分とする燃料極(燃料極活性部)に対して混合物の混入を制御することによって、焼成時と還元時とで、多孔質構造を安定化させることが必要である。具体的には、下記のように、燃料極(燃料極活性部)内の混合物の混入濃度を管理することが重要であることが判明している。これらの混合物は、原料中に予め混入されてもよいし、製造の過程で混入されてもよい。
Si:200ppm以下、望ましくは100ppm以下
P:50ppm以下、望ましくは30ppm以下
Cr:100ppm以下、望ましくは50ppm以下
B:100ppm以下、望ましくは50ppm以下
S:100ppm以下、望ましくは30ppm以下
Furthermore, in order to realize the microstructure of the fuel electrode (fuel electrode active part) according to the present embodiment, a substance having electron conductivity (Ni or the like) and a substance having oxygen ion conductivity (YSZ or the like) are the main components. It is necessary to stabilize the porous structure during firing and during reduction by controlling the mixing of the mixture into the fuel electrode (fuel electrode active part). Specifically, it has been found that it is important to manage the concentration of the mixture in the fuel electrode (fuel electrode active part) as described below. These mixtures may be mixed in the raw material in advance, or may be mixed in the manufacturing process.
Si: 200 ppm or less, desirably 100 ppm or less P: 50 ppm or less, desirably 30 ppm or less Cr: 100 ppm or less, desirably 50 ppm or less B: 100 ppm or less, desirably 50 ppm or less S: 100 ppm or less, desirably 30 ppm or less

これらの元素を微量に添加することにより焼結性が改善し、多孔質の燃料極の骨格が強化され得、一方、これらの元素を過度に添加することは、上記出力密度の低下を招くので好ましくない。これは、長期間運転時の燃料極活性部内のNiの焼結が進行して反応場が減少する(反応抵抗が増大する)ことに基づく、と考えられる。以下、これらのことを確認した試験について説明する。   By adding a small amount of these elements, the sinterability can be improved and the skeleton of the porous fuel electrode can be strengthened. On the other hand, excessive addition of these elements causes a decrease in the power density. It is not preferable. This is considered to be based on the fact that the reaction field decreases (reaction resistance increases) due to the progress of sintering of Ni in the fuel electrode active portion during long-term operation. Hereinafter, the test which confirmed these things is demonstrated.

この試験では、上述した燃料極(燃料極活性部)内の混合物の濃度と、上記「出力密度の劣化率」との関係が調査された。表1は、この調査結果を示す。この試験においても、還元処理後の「界面近傍領域」内に存在するNi粒子(孤立Ni粒子+連続Ni粒子)」の径は0.4〜0.6μmに維持され、還元処理後の「界面近傍領域」内に存在するYSZ粒子の径は0.4〜0.6μmに維持され、還元処理後の「界面近傍領域」内に存在する気孔の径は0.3〜0.5μmに維持されている。   In this test, the relationship between the concentration of the mixture in the above-described fuel electrode (fuel electrode active part) and the above-mentioned “degradation rate of power density” was investigated. Table 1 shows the results of this investigation. Also in this test, the diameter of the Ni particles (isolated Ni particles + continuous Ni particles) existing in the “region near the interface” after the reduction treatment is maintained at 0.4 to 0.6 μm. The diameter of YSZ particles existing in the “near region” is maintained at 0.4 to 0.6 μm, and the diameter of pores existing in the “near interface region” after the reduction treatment is maintained at 0.3 to 0.5 μm. ing.

表1から理解できるように、燃料極(燃料極活性部)内のSi、P、Cr、B、及び、Sの混入濃度がそれぞれ、200ppm以下、50ppm以下、100ppm以下、100ppm以下、及び、100ppm以下である場合(水準2,3,4,5)に、そうでない場合(水準1)と比べて、「出力密度の劣化率」が極端に小さくなる。更に、Si、P、Cr、B、及び、Sの混入濃度がそれぞれ、100ppm以下、30ppm以下、50ppm以下、50ppm以下、及び、30ppm以下である場合(水準4,5)に、そうでない場合(水準2,3)と比べて、「出力密度の劣化率」が更に極端に小さくなる。   As understood from Table 1, the concentration of Si, P, Cr, B, and S in the fuel electrode (fuel electrode active part) is 200 ppm or less, 50 ppm or less, 100 ppm or less, 100 ppm or less, and 100 ppm, respectively. In the following cases (levels 2, 3, 4, and 5), the “output density deterioration rate” is extremely small as compared to the case (level 1) that is not. Furthermore, when the mixed concentrations of Si, P, Cr, B, and S are 100 ppm or less, 30 ppm or less, 50 ppm or less, 50 ppm or less, and 30 ppm or less, respectively (levels 4 and 5), Compared with levels 2 and 3), the “degradation rate of output density” is extremely reduced.

110…燃料極、120…電解質膜、130…反応防止膜、140…空気極   110 ... Fuel electrode, 120 ... Electrolyte membrane, 130 ... Reaction prevention membrane, 140 ... Air electrode

Claims (6)

燃料ガスを反応させる多孔質の燃料極であって、Ni、及び酸素イオン伝導性を有する酸素イオン伝導物質を含んで構成された燃料極と、
酸素を含むガスを反応させる多孔質の空気極と、
前記燃料極と前記空気極との間に設けられた緻密な固体電解質膜であって、前記燃料極との界面を有する固体電解質膜と、
を備えた固体酸化物形燃料電池において、
還元処理が行われた後の前記燃料極における前記界面から3μm以内に位置する領域について、前記領域内に存在する前記Niの粒子の径の平均が0.28〜0.80μmであり、前記領域内に存在する前記酸素イオン伝導物質の粒子の径の平均が0.28〜0.80μmであり、前記領域内に存在する前記燃料極の気孔の径の平均が0.10〜0.87μmであり、
前記燃料極に対して前記還元処理が行われた後において、前記領域内に存在する全ての前記Niの粒子の体積の総和に対する、前記領域内に存在する前記Niの粒子のうちで隣り合う他のNiの粒子と繋がらずに単独で存在するNiの粒子の体積の総和の割合が40%以下である、固体酸化物形燃料電池。
A porous fuel electrode for reacting a fuel gas, the fuel electrode comprising Ni and an oxygen ion conductive material having oxygen ion conductivity; and
A porous air electrode for reacting a gas containing oxygen;
A dense solid electrolyte membrane provided between the fuel electrode and the air electrode, the solid electrolyte membrane having an interface with the fuel electrode;
In a solid oxide fuel cell comprising:
Regarding the region located within 3 μm from the interface in the fuel electrode after the reduction treatment is performed, the average diameter of the Ni particles existing in the region is 0.28 to 0.80 μm, and the region The average particle diameter of the oxygen ion conductive material existing in the region is 0.28 to 0.80 μm, and the average pore diameter of the fuel electrode existing in the region is 0.10 to 0.87 μm. Oh it is,
After the reduction treatment is performed on the fuel electrode, the other of the Ni particles existing in the region is adjacent to the total volume of all the Ni particles present in the region. A solid oxide fuel cell, wherein the ratio of the sum of the volume of Ni particles present alone without being connected to the Ni particles is 40% or less .
請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記燃料極に対して前記還元処理が行われた後において、前記領域内において前記固体電解質膜に面して存在する前記Niの粒子の径の平均が0.31〜0.70μmであり、前記領域内において前記固体電解質膜に面して存在する前記酸素イオン伝導物質の粒子の径の平均が0.32〜0.78μmであり、前記領域内において前記固体電解質膜に面して存在する前記燃料極の気孔の径の平均が0.15〜0.80μmである、固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein
After the reduction treatment is performed on the fuel electrode, the average diameter of the Ni particles existing facing the solid electrolyte membrane in the region is 0.31 to 0.70 μm, The average particle diameter of the oxygen ion conductive material existing in the region facing the solid electrolyte membrane is 0.32 to 0.78 μm, and the region existing in the region facing the solid electrolyte membrane. A solid oxide fuel cell having an average pore diameter of a fuel electrode of 0.15 to 0.80 μm.
請求項1又は請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記燃料極、及び前記固体電解質膜は、同時焼成によって形成された、固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2 ,
The fuel electrode and the solid electrolyte membrane are solid oxide fuel cells formed by simultaneous firing.
請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記酸素イオン伝導物質は、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)である、固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3 ,
The solid oxide fuel cell, wherein the oxygen ion conductive material is yttria stabilized zirconia (YSZ).
請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記燃料極は、前記固体電解質膜に接する層である燃料極活性部と、前記燃料極活性部以外の残りの部分である前記燃料極活性部に対して酸素イオン伝導性を有する物質の含有割合が小さい層である燃料極集電部と、の2層で構成され、
前記領域は前記燃料極活性部の一部である、固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 4 , wherein
The fuel electrode includes a fuel electrode active part which is a layer in contact with the solid electrolyte membrane, and a content ratio of a substance having oxygen ion conductivity with respect to the fuel electrode active part which is a remaining part other than the fuel electrode active part. Is composed of two layers, a fuel electrode current collector that is a small layer,
The solid oxide fuel cell, wherein the region is a part of the fuel electrode active part.
請求項1乃至請求項5の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記燃料極内に混入する混合物として、ケイ素(Si)、リン(P)、クロム(Cr)、ホウ素(B)、及び、硫黄(S)が含まれていて、
前記燃料極内において、ケイ素(Si)、リン(P)、クロム(Cr)、ホウ素(B)、及び、硫黄(S)の混入濃度がそれぞれ、200ppm以下、50ppm以下、100ppm以下、100ppm以下、及び、100ppm以下である、固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 5 , wherein
As a mixture mixed in the fuel electrode, silicon (Si), phosphorus (P), chromium (Cr), boron (B), and sulfur (S) are included,
In the fuel electrode, mixing concentrations of silicon (Si), phosphorus (P), chromium (Cr), boron (B), and sulfur (S) are 200 ppm or less, 50 ppm or less, 100 ppm or less, 100 ppm or less, And a solid oxide fuel cell having a concentration of 100 ppm or less.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018154864A (en) * 2017-03-16 2018-10-04 東芝エネルギーシステムズ株式会社 High temperature steam electrolysis cell, hydrogen electrode layer therefor, and solid oxide electrochemical cell
JP2022010876A (en) * 2020-06-29 2022-01-17 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Fuel electrode for solid oxide type cell, multilayer structure, manufacturing method thereof, solid oxide type cell and manufacturing method thereof

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08162120A (en) * 1994-11-30 1996-06-21 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Solid electrolyte type electrochemical cell
JPH09147876A (en) * 1995-11-28 1997-06-06 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Fuel electrode material of solid electrolyte type electrochemical cell
JP2001102060A (en) * 1999-10-01 2001-04-13 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Fuel pole for solid electrolyte fuel electrode
JP2003045446A (en) * 2001-07-30 2003-02-14 Kyocera Corp Cell of solid electrolyte fuel cell, method for manufacturing it, and fuel cell
JP2005339905A (en) * 2004-05-25 2005-12-08 Kyocera Corp Fuel cell cell and fuel cell
JP2007200664A (en) * 2006-01-25 2007-08-09 Mitsui Mining & Smelting Co Ltd Method of manufacturing solid oxide fuel cell

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08162120A (en) * 1994-11-30 1996-06-21 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Solid electrolyte type electrochemical cell
JPH09147876A (en) * 1995-11-28 1997-06-06 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Fuel electrode material of solid electrolyte type electrochemical cell
JP2001102060A (en) * 1999-10-01 2001-04-13 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Fuel pole for solid electrolyte fuel electrode
JP2003045446A (en) * 2001-07-30 2003-02-14 Kyocera Corp Cell of solid electrolyte fuel cell, method for manufacturing it, and fuel cell
JP2005339905A (en) * 2004-05-25 2005-12-08 Kyocera Corp Fuel cell cell and fuel cell
JP2007200664A (en) * 2006-01-25 2007-08-09 Mitsui Mining & Smelting Co Ltd Method of manufacturing solid oxide fuel cell

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