JP5112711B2 - Method for producing electrode for solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池用の電極の製造方法及び固体酸化物形燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a method for producing an electrode for a solid oxide fuel cell and a solid oxide fuel cell.
固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cells:SOFC)は、酸素イオン導電性固体電解質によって隔てられた燃料電極及び空気極を備え、燃料電極に燃料ガスを供給し、空気極に酸化剤ガスを供給し、各々の電極で電気化学反応を進行させて外部に電力を取り出す電池であり、電池の構成材料に固体酸化物が用いられているものの総称である。固体酸化物形燃料電池において、酸素イオン導電性固体電解質から供給される酸素イオンと燃料ガスとの電気化学的な酸化反応をつかさどる燃料電極材料として、ニッケル(Ni)とジルコニアからなるNi−安定化ジルコニアサーメット、Niと希土類元素とをドープしたセリアとのサーメット、及びNiとランタンガレート(LaGaO3)系材料とのサーメットなどが用いられている。これらのなかで、Niは、燃料電極における電子伝導を担い、電気化学反応の差異の触媒として働く。ここで、このようにNiが多用されるのは、Niが固体電解質に対する材料間の反応安定性に優れるなど、要求される多くの条件を満たしており、また、低コストであるなどの理由による。 A solid oxide fuel cell (SOFC) has a fuel electrode and an air electrode separated by an oxygen ion conductive solid electrolyte, supplies fuel gas to the fuel electrode, and supplies oxidant gas to the air electrode. This is a generic term for a battery that is supplied and causes an electrochemical reaction to proceed at each electrode to extract electric power to the outside, and a solid oxide is used as a constituent material of the battery. Ni-stabilization consisting of nickel (Ni) and zirconia as a fuel electrode material that controls the electrochemical oxidation reaction between oxygen ions supplied from oxygen ion conductive solid electrolyte and fuel gas in solid oxide fuel cells Zirconia cermets, cermets of ceria doped with Ni and rare earth elements, and cermets of Ni and lanthanum gallate (LaGaO 3 ) -based materials are used. Among these, Ni is responsible for electron conduction in the fuel electrode and acts as a catalyst for the difference in electrochemical reaction. Here, the reason why Ni is frequently used is that Ni satisfies a number of required conditions such as excellent reaction stability between materials with respect to the solid electrolyte, and is also low in cost. .
一方で、固体酸化物形燃料電池においては、燃料ガスとして、精製された水素に限らず、天然ガスや石炭ガス化ガスなどの炭化水素系燃料が想定されている。炭化水素系燃料を用いる場合、燃料電極は、炭化水素系燃料を改質もしくは直接電極反応させるための触媒としての役割も果たすことになる。炭化水素系燃料を用いる固体酸化物形燃料電池においては、以下の式(1)に示す炭化水素の分解反応などによって炭素が発生するが、この炭素が燃料電極に析出することで電極活性点を失活させ、多孔質状態の燃料電極を閉塞させてガスの拡散を妨げるという問題がある。 On the other hand, in the solid oxide fuel cell, hydrocarbon fuels such as natural gas and coal gasification gas are assumed as the fuel gas, not limited to purified hydrogen. When a hydrocarbon fuel is used, the fuel electrode also serves as a catalyst for reforming or directly reacting the hydrocarbon fuel. In a solid oxide fuel cell using a hydrocarbon-based fuel, carbon is generated by a hydrocarbon decomposition reaction represented by the following formula (1), and the electrode active point is set by depositing this carbon on the fuel electrode. There is a problem in that it deactivates and blocks the porous fuel electrode to prevent gas diffusion.
CnH2n+2→nC+(n+1)H2・・・(1) C n H 2n + 2 → nC + (n + 1) H 2 (1)
上述した問題を避ける目的から、炭化水素系燃料を水蒸気あるいは二酸化炭素を主成分とするガスと加熱反応させ、水素と一酸化炭素とに改質した後、固体酸化物形燃料電池の燃料として用いる方法をとるのが一般的である。 For the purpose of avoiding the above-mentioned problems, a hydrocarbon-based fuel is heated and reacted with a gas containing water vapor or carbon dioxide as a main component, reformed to hydrogen and carbon monoxide, and then used as a fuel for a solid oxide fuel cell. It is common to take a method.
ところが、この種の改質過程を含む燃料電池では、改質反応は発電に寄与しない上に、反応に熱を必要とする吸熱反応であるため、発電部位である発電部分からの熱移動の際に損失があり、熱電供給を含めた高効率化の上で問題となる。 However, in a fuel cell including this type of reforming process, the reforming reaction does not contribute to power generation and is an endothermic reaction that requires heat for the reaction. There is a loss, and it becomes a problem for high efficiency including thermoelectric supply.
これらの問題を解決する手段として、天然ガスの主成分であるメタンを燃料とする固体酸化物形燃料電池において、電解質材料に高イオン伝導性物質を用い、水蒸気を添加することなく改質反応として以下の(2)式に示す部分酸化反応を含む反応を電極反応として起こすことにより、炭素質の析出がなく、改質及び発電を行う方法が見いだされている(非特許文献1参照) As a means to solve these problems, in a solid oxide fuel cell using methane, which is the main component of natural gas, as a fuel, a highly ionic conductive substance is used as an electrolyte material, and a reforming reaction can be performed without adding water vapor. A method of performing reforming and power generation without causing carbonaceous precipitation by causing a reaction including a partial oxidation reaction represented by the following formula (2) as an electrode reaction has been found (see Non-Patent Document 1).
CH4+1/2O2=CO+2H2・・・(2) CH 4 + 1 / 2O 2 = CO + 2H 2 (2)
この反応は、これ自身が発電反応として機能するだけでなく、燃料電池の燃料として用いることのできる一酸化炭素及び水素を生成するので、これらの生成した燃料を他の燃料電池と組み合わせて発電を起こすことにより、高い効率での発電を可能とする。ただし、この方法は、短期間の試験において検討されているにすぎない。 This reaction not only functions as a power generation reaction itself, but also produces carbon monoxide and hydrogen that can be used as fuel for fuel cells. Therefore, the generated fuel is combined with other fuel cells to generate power. By waking up, it is possible to generate electricity with high efficiency. However, this method is only being studied in short-term trials.
上述のいずれの固体酸化物形燃料電池においても、よく知られているように、電極反応の場となるのは三層界面であり、例えば、前述した燃料電極/電解質材料系のNi/LaGaO3材料系では、Ni,LaGaO3,及び燃料ガスが接する部分が、三層界面に相当する。従って、燃料電極の三層界面の増大による電子の発生量の増加と、発生した電子の外部回路への効率的な供給が、固体酸化物形燃料電池における出力向上に重要となる。 As is well known in any of the above-described solid oxide fuel cells, the electrode reaction field is the three-layer interface. For example, the above-described Ni / LaGaO 3 of the fuel electrode / electrolyte material system is used. In the material system, the portion where Ni, LaGaO 3 and fuel gas are in contact corresponds to the three-layer interface. Therefore, an increase in the amount of electrons generated due to an increase in the three-layer interface of the fuel electrode and an efficient supply of the generated electrons to the external circuit are important for improving the output in the solid oxide fuel cell.
また、炭化水素系ガスを燃料として用いる場合は、炭化水素系燃料の改質もしくは電極上での直接反応と、炭化水素の分解による炭素析出とは、競争的な関係にある。このことから、炭化水素ガスを効率よく改質し、もしくは電極上での直接反応の速度を向上させて効率よく電力を発生させるためには、例えば、燃料電極中の金属触媒の高分散化などの手段による触媒能力の向上が重要となる。この要求に対し、セリア系材料を燃料電極の骨格とし、ここにNiや貴金属元素(Ru,Ptなど)を高分散担持することで、燃料電極に混合導電性を持たせるとともに、燃料電極の触媒活性を向上させる方法が提案されている(非特許文献2参照)。また、燃料電極の原料粉末(粉体)となるNiO粉末やジルコニア粉末の粒径や粒径比を調整することで、Ni粒子やジルコニア粒子を高分散させて三層界面を増大させる検討もなされている(非特許文献3参照)。 In the case where a hydrocarbon gas is used as the fuel, the reforming of the hydrocarbon fuel or the direct reaction on the electrode and the carbon deposition by the decomposition of the hydrocarbon have a competitive relationship. For this reason, in order to efficiently reform hydrocarbon gas or increase the rate of direct reaction on the electrode to generate electric power efficiently, for example, highly dispersed metal catalyst in the fuel electrode, etc. It is important to improve the catalyst capacity by the above means. In response to this requirement, a ceria-based material is used as the skeleton of the fuel electrode, and Ni and noble metal elements (Ru, Pt, etc.) are supported in a highly dispersed state, thereby providing the fuel electrode with mixed conductivity and a fuel electrode catalyst. A method for improving the activity has been proposed (see Non-Patent Document 2). In addition, by adjusting the particle size and particle size ratio of NiO powder and zirconia powder, which are the raw material powder (powder) of the fuel electrode, studies have been made to increase the three-layer interface by highly dispersing Ni particles and zirconia particles. (See Non-Patent Document 3).
ところが、上述したNiO粉末やジルコニア粉末の粒径や粒径比の調整により、初期の発電特性は向上するものの、Niは、高温,還元雰囲気において凝集する傾向があり、これが、固体酸化物形燃料電池の作動時の経時的な性能劣化の1要因となっている。
また、燃料電極に貴金属を添加することが、電極の活性を向上させ、耐炭素析出能力の向上にも有効であるが、コストの点や長期安定性に問題がある。
However, although the initial power generation characteristics are improved by adjusting the particle size and particle size ratio of the NiO powder and zirconia powder described above, Ni tends to aggregate in a high temperature, reducing atmosphere. This is a solid oxide fuel. This is one factor of performance deterioration with time during battery operation.
In addition, the addition of a noble metal to the fuel electrode is effective for improving the activity of the electrode and improving the carbon deposition resistance, but there are problems in terms of cost and long-term stability.
また、Niを添加する場合も、添加する物質がNi単一であるため、添加したNiが高分散担持されていても、これらが凝集して三層界面が減少し、長期的に電極が失活していくという問題があった。 In addition, even when Ni is added, since the substance to be added is a single Ni, even if the added Ni is supported in a highly dispersed state, these will aggregate to reduce the three-layer interface, resulting in long-term electrode loss. There was a problem of being alive.
また、非特許文献3の技術では、燃料として水素を用いる場合が対象であるが、炭化水素系燃料を用いる場合には、燃料の改質に対する活性及び炭素析出に対し、不活性であることが要求される。 The technique of Non-Patent Document 3 is intended for the case where hydrogen is used as a fuel. However, when a hydrocarbon-based fuel is used, it may be inactive against the reforming of fuel and carbon deposition. Required.
以上に説明したように、従来の技術では、固体酸化物形燃料電池を構成する電極の初期の性能が長期にわたって安定して維持することが容易ではなく、また、炭化水素系燃料を使用すると、電極の高い活性が得られないという問題があった。 As described above, in the conventional technology, it is not easy to stably maintain the initial performance of the electrodes constituting the solid oxide fuel cell over a long period of time, and when a hydrocarbon fuel is used, There was a problem that high activity of the electrode could not be obtained.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、固体酸化物形燃料電池の電極を、初期の性能が長期にわたって安定して維持され、炭化水素系燃料を使用する場合でも高い活性が得られるようにすることを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. The solid oxide fuel cell electrode uses a hydrocarbon-based fuel whose initial performance is stably maintained over a long period of time. The purpose is to obtain high activity even in some cases.
本発明に係る固体酸化物形燃料電池用電極の製造方法は、金属酸化物を含む焼結体より構成された多孔質状態とされた燃料電極が形成された状態とする第1工程と、2つ以上の金属を含む有機酸の化合物の溶液が燃料電極の多孔質の孔内に含浸された状態とする第2工程と、溶液が含浸された燃料電極を加熱することで、溶液に含まれている金属より構成された複合酸化物が、多孔質の孔内に配置された状態とする第3工程とを少なくとも備え、複合酸化物を、(2−x)((Ce1-yMα)O2)−x(NiO)(0.2≦x≦1.2,0<y≦0.4,M α =Sm,Y)とした。 The method for producing an electrode for a solid oxide fuel cell according to the present invention includes a first step in which a porous fuel electrode composed of a sintered body containing a metal oxide is formed, and 2 A second step in which a solution of an organic acid compound containing two or more metals is impregnated in the porous pores of the fuel electrode, and the fuel electrode impregnated with the solution is heated to be contained in the solution. The composite oxide composed of the metal is at least a third step in which the composite oxide is disposed in the porous pores, and the composite oxide is represented by ( 2-x) ((Ce 1-y M α ) O 2 ) −x ( Ni 2 O) (0.2 ≦ x ≦ 1.2, 0 <y ≦ 0.4, M α = Sm, Y) .
上記固体酸化物形燃料電池用電極の製造方法において、有機酸は、1〜4個のCOOH基を有する有機酸、1〜3個のOH基を有する有機酸、1〜4個のNを有する有機酸のなかから選択されたものであればよい。また、溶液は、有機酸の化合物に加えてエチレングリコール類を添加し、100〜150℃に加熱して作製するとよい。また、溶液は、有機酸の化合物に加えて有機バインダーが添加されていてもよい。 In the method for producing an electrode for a solid oxide fuel cell, the organic acid has an organic acid having 1 to 4 COOH groups, an organic acid having 1 to 3 OH groups, and 1 to 4 N. Any material selected from organic acids may be used. The solution may be prepared by adding ethylene glycol in addition to the organic acid compound and heating to 100 to 150 ° C. The solution may contain an organic binder in addition to the organic acid compound.
また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、上述した固体酸化物形燃料電池用電極の製造方法により製造された電極を備えたものである。 A solid oxide fuel cell according to the present invention includes an electrode manufactured by the above-described method for manufacturing an electrode for a solid oxide fuel cell.
以上説明したように、本発明では、2つ以上の金属を含む有機酸の化合物の溶液が燃料電極の多孔質の孔内に含浸させた後、これを加熱することで、溶液に含まれている金属より構成された(2−x)((Ce1-yMα)O2)−x(NiO)(0.2≦x≦1.2,0<y≦0.4,M α =Sm,Y)が、多孔質の孔内に配置された状態とするようにした。この結果、本発明によれば、固体酸化物形燃料電池の電極を、初期の性能が長期にわたって安定して維持され、炭化水素系燃料を使用する場合でも高い活性が得られるようにすることができるという優れた効果が得られる。 As described above, in the present invention, a solution of an organic acid compound containing two or more metals is impregnated in the porous pores of the fuel electrode, and then heated to be contained in the solution. ( 2-x) ((Ce 1-y M α ) O 2 ) -x ( Ni 2 O) (0.2 ≦ x ≦ 1.2, 0 <y ≦ 0.4, M α = Sm, Y) is arranged in a porous hole. As a result, according to the present invention, the initial performance of the electrode of the solid oxide fuel cell can be stably maintained over a long period of time, and high activity can be obtained even when a hydrocarbon fuel is used. An excellent effect that it can be obtained.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では、Ni−安定化ジルコニア系材料を骨格(母体)とした燃料電極を用いた固体酸化物形燃料電池セルによる発電試験結果を中心に説明するが、燃料電極の母体は、Ni−安定化ジルコニア系材料に限定されるものではなく、Ni−ランタンガレート系材料を母体として用いた燃料電極においても同様である。また、以下では、燃料電極に導入する複合酸化物を構成する金属元素Lαとして、コバルト(Co)を代表例としているが、これに限らず、Niを用いた場合も同様の効果が得られる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiment, the description will focus on the results of a power generation test using a solid oxide fuel cell using a fuel electrode having a Ni-stabilized zirconia-based material as a skeleton (base). Is not limited to Ni-stabilized zirconia materials, and the same applies to fuel electrodes using Ni-lanthanum gallate materials as a base material. In the following, cobalt (Co) is used as a representative example of the metal element L α constituting the composite oxide introduced into the fuel electrode. However, the present invention is not limited to this, and the same effect can be obtained when Ni is used. .
[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1における固体酸化物形燃料電池用電極の製造方法について説明する。図1は、実施の形態における固体酸化物形燃料電池用電極の製造方法について説明する説明図である。
[Embodiment 1]
First, the manufacturing method of the electrode for solid oxide fuel cells in Embodiment 1 of this invention is demonstrated. FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining a method of manufacturing a solid oxide fuel cell electrode according to an embodiment.
まず、燃料電極の母体(骨格)として用いるNi−安定化ジルコニア系材料として、原料粉体として電解質層と同様の8mol%のY2O3を固溶させた安定化ジルコニア(8YSZ)とNiOとをNiOの含有量が60w%となるように混合し、これらの混合粉体を有機バインダーに分散させたスラリーを用意する。例えば、上記混合粉体が、ポリビニルアルコール(PVA)を溶解した水溶液(分散媒体)に分散されているスラリーを作製する。 First, as a Ni-stabilized zirconia-based material used as a base (skeleton) of a fuel electrode, stabilized zirconia (8YSZ) and NiO in which 8 mol% of Y 2 O 3 similar to the electrolyte layer is dissolved as a raw material powder, Are mixed so that the content of NiO is 60 w%, and a slurry in which these mixed powders are dispersed in an organic binder is prepared. For example, a slurry in which the mixed powder is dispersed in an aqueous solution (dispersion medium) in which polyvinyl alcohol (PVA) is dissolved is prepared.
次に、図1(a)に示すように、8YSZよりなるYSZ基板101を用意し、YSZ基板101の一方の面に、上記スラリーを例えばスクリーン印刷法により塗布し、直径1cm程度の平面視円形の燃料電極塗布膜102が形成された状態とする。YSZ基板101は、例えば、直径3.5cm厚さ0.35mmの円板状の構造体である。YSZ基板101が、燃料電池セルの電解質層となる。
Next, as shown in FIG. 1A, a
次に、YSZ基板101に形成された燃料電極塗布膜102を、大気雰囲気中で1400℃で2時間の加熱焼成を行い焼結させ、図1(b)に示すように、YSZ基板101の一方の面に母体となる燃料電極103が形成された状態とする。例えば、燃料電極103は、膜厚0.02〜0.1mm程度に形成されていればよい。このように形成された燃料電極103は、8YSZ粉体とNiO粉との混合粉体の焼結体であり、各焼結体粒子の間に各々存在する複数の細孔を備えた多孔質状態に形成される。なお、加熱の温度は1200〜1600℃の範囲で行えばよい。また、厚さは、単セルを積層してスタック構造とした際に要求される、力学的な強度が得られる厚さの範囲であればよい。
Next, the fuel
次に、LaNi0.6Fe0.4O3の粉体を、ポリビニルアルコールの水溶液を含む媒体に分散させたスラリーを用意し、作製したスラリーをスクリーン印刷法によりYSZ基板101の他方の面に塗布し、図1(c)に示すように、直径1cm程度の平面視円形の空気極塗布膜104が形成された状態とする。
Next, a slurry in which a powder of LaNi 0.6 Fe 0.4 O 3 is dispersed in a medium containing an aqueous solution of polyvinyl alcohol is prepared, and the prepared slurry is applied to the other surface of the
次に、YSZ基板101に形成された空気極塗布膜104を、大気雰囲気中で1000℃で2時間の加熱焼成を行い焼結させ、図1(d)に示すように、YSZ基板101の他方の面に空気極105が形成された状態とする。例えば、空気極105は、膜厚0.02〜0.1mm程度に形成されていればよい。空気極105も、LaNi0.6Fe0.4O3の粉体の焼結体であり、各焼結体粒子の間に各々存在する複数の細孔を備えた多孔質状態に形成される。これらのことにより、YSZ基板101の一方の面に燃料電極103が形成され、他方の面に空気極105が形成された単セルが得られた状態となる。
Next, the air
次に、図1(e)に示すように、燃料電極103以外のYSZ基板101及び空気極105の露出面が、マスク層111に覆われた状態とする。これらを、減圧されて所定の圧力(第1圧力)とされた容器の内部で、(2−x)(CeO2)−x(CoO)(0.2≦x≦1.2)の組成の複合酸化物となりうる有機酸の金属塩(有機酸化合物)の溶液に浸漬する。例えば、グルコン酸化合物の溶液に浸漬する。なお、(2−x)(CeO2)−x(CoO)は、(2−x)(CeO2)−x(LαO)(0.2≦x≦1.2,Lα=Co,Ni)のLαをCoとした場合である。
Next, as shown in FIG. 1E, the exposed surfaces of the
次に、容器の内部圧力を例えば大気圧に上昇させることで、図1(f)に示すように、多孔質状態の複数の細孔内に、上記溶液が含浸した燃料電極103aが形成された状態とする。この後、この単セル(燃料極103a)を乾燥した後、乾燥した単セルに大気中で850℃・4時間の加熱処理を施す。これらのことにより、図1(g)に示すように、多孔質の複数の細孔内に、(2−x)(CeO2)−x(CoO)(0.2≦x≦1.2)の組成の複合酸化物が導入(配置)され、界面抵抗値などが所望とする状態(値)とされた複合酸化物導入燃料電極113が形成された状態が得られる。なお、加熱処理の温度は、800〜900℃の範囲であればよい。
Next, by raising the internal pressure of the container to atmospheric pressure, for example, as shown in FIG. 1 (f), the
このようにして得られた複合酸化物導入燃料電極113を用いた固体酸化物形燃料電池によれば、初期の性能が長期にわたって安定して維持され、炭化水素系燃料を使用する場合でも高い活性が得られるようになる。
According to the solid oxide fuel cell using the composite oxide-introduced
上述したように複合酸化物が導入された燃料電極を電子顕微鏡で観察したところ、多孔質の各細孔内において、焼結体粒子の表面に、厚さ50nm〜150nmの膜が形成されていることが確認された。また、この膜が、X線回折測定により、上記複合酸化物であることが確認された。 As described above, when the fuel electrode into which the composite oxide was introduced was observed with an electron microscope, a film with a thickness of 50 nm to 150 nm was formed on the surface of the sintered particles in each porous pore. It was confirmed. Further, this film was confirmed to be the above complex oxide by X-ray diffraction measurement.
なお、上述では、上記複合酸化物となりうるグルコン酸化合物の溶液に燃料電極103を浸漬するようにしたが、これに限るものではない。例えば、上記溶液にエチレングリコール類を添加し、これを100〜150℃に加熱した後で、燃料電極103を浸漬し、この溶液が燃料電極103に含浸した状態とした後、上述同様に加熱処理を行うようにしても良い。また、エチレングリコール類の代わりに、ポリビニルアルコールなどの有機バインダーを用いるようにしても良い。例えば、上記溶液に、ポリビニルアルコールを1〜5wt%添加すればよい。これらのように樹脂を添加した溶液を含浸させることで、燃料電極を構成している焼結体粒子(骨格)と、含浸させた溶液との密着性を向上させることができる。
In the above description, the
上記エチレングリコール類としては、エチレングリコール,ジエチレングリコール,トリエチレングリコール,プロピレングリコール,及びイソポリピルグリコールなどであればよい。これらエチレングリコール類を、加熱焼成により生成される複合酸化物に対して0.1〜10mol量を添加して用いればよい。 Examples of the ethylene glycols include ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, propylene glycol, and isopropyl glycol. These ethylene glycols may be used in an amount of 0.1 to 10 mol added to the composite oxide produced by heating and baking.
また、有機バインダーとしては、ビニル系高分子化合物,セルロース系高分子化合物,及びアクリル系高分子化合物などが適用可能である。例えば、上述したポリビニルアルコールや、ポリビニルブチラールなどのビニル系高分子化合物,メチルセルロースやヒドロキシプロピルセルロースなどのセルロース系高分子化合物,ポリ(メタ)アクリル酸エステルなどのアクリル系高分子化合物が挙げられる。 As the organic binder, vinyl polymer compounds, cellulose polymer compounds, acrylic polymer compounds, and the like are applicable. Examples thereof include vinyl polymer compounds such as polyvinyl alcohol and polyvinyl butyral, cellulose polymer compounds such as methyl cellulose and hydroxypropyl cellulose, and acrylic polymer compounds such as poly (meth) acrylate.
ところで、一般に、通常の固体酸化物形燃料電池の作動温度である650〜1000℃において、水素雰囲気中で燃料電極の還元処理を行うと、NiOが還元されて金属状態のNiとなり、電極反応をつかさどる触媒となると同時に、燃料電極中の電子の移動媒体となる。上述したような本実施の形態1における複合酸化物が導入された燃料電極においては、母体(骨格)を構成しているNiとともに、導入した複合酸化物である(2−x)(CeO2)−x(CoO)においても、上述同様の還元で、複合酸化物から金属状態のCoが生成される。Ni及びCoの粒子は、多孔質の各細孔内の焼結体粒子の表面に生成(析出)する。この状態は、電子顕微鏡の観察及びエックス線回折測定により確認されている。電子顕微鏡の観察により、(2−x)(CeO2)−x(CoO)が導入された燃料電極において、粒子径5〜50nmの粒子が確認され、また、エックス線回折測定により、当該粒子がCoであることが確認されている。 By the way, in general, when a reduction treatment of a fuel electrode is performed in a hydrogen atmosphere at a normal solid oxide fuel cell operating temperature of 650 to 1000 ° C., NiO is reduced to a metallic Ni, and the electrode reaction is caused. At the same time, it becomes a catalyst for controlling the electrons and a medium for transferring electrons in the fuel electrode. In the fuel electrode into which the composite oxide in Embodiment 1 as described above is introduced, (2-x) (CeO 2 ) which is the introduced composite oxide together with Ni constituting the base (skeleton). Even in -x (CoO), Co in a metallic state is generated from the composite oxide by the same reduction as described above. Ni and Co particles are generated (precipitated) on the surface of the sintered particles in each porous pore. This state has been confirmed by observation with an electron microscope and X-ray diffraction measurement. By observation with an electron microscope, a particle having a particle diameter of 5 to 50 nm is confirmed in the fuel electrode into which (2-x) (CeO 2 ) -x (CoO) is introduced. It has been confirmed that.
これに対し、Coのみの酸化物となりうるグルコン酸化合物の溶液、例えば、グルコン酸コバルトのみを燃料電極に含浸させて加熱焼成した場合、上記同様の還元処理を行うと、200nm以上の粒子径のCoが生成されることが確認されている。
以上のことより、燃料電極に複合酸化物の状態で導入すると、還元により生成する金属微粒子の寸法が、より小さくなることが分かる。
On the other hand, when a solution of a gluconic acid compound that can be an oxide of only Co, for example, cobalt gluconate only is impregnated in a fuel electrode and heated and fired, a reduction treatment similar to the above results in a particle size of 200 nm or more It has been confirmed that Co is generated.
From the above, it can be seen that when introduced into the fuel electrode in the form of a complex oxide, the size of the metal fine particles produced by the reduction becomes smaller.
次に、上述した製造方法により作製された複合酸化物導入燃料電極113の特性について説明する。以下では、上述した単セルを用いて固体酸化物形燃料電池を組み立て、組み立てた固体酸化物形燃料電池の測定結果を示す。まず、固体酸化物形燃料電池の構成について説明する。組み立てた固体酸化物形燃料電池は、図2(a)に示すように、支持基板となる電解質層202の一方に燃料電極201が配置され、電解質層202の他方に空気極203が配置され、また、電解質202の空気極側に参照電極204を備えた単セルを用いる。参照電極204は、空気極203と同様に形成されたものである。また、この単セルを用いて図2(b)の断面図に示すような固体酸化物形燃料電池とする。図2(b)に示す固体酸化物形燃料電池について説明すると、上記単セルの、燃料電極201にはAuメッシュよりなる集電体層211が設けられ、空気極203には白金メッシュよりなる集電体層212が設けられている。
Next, the characteristics of the composite oxide-introduced
また、単セルの燃料電極201の側には、電解質層202の周縁部に、酸化アルミニウムから構成された燃料ガス排気配管213が、リング214を介して固定され、燃料ガス排気配管213の内側に、燃料ガス供給配管215が配置されている。一方、単セルの空気極203の側には、電解質層202の周縁部に、酸化アルミニウムから構成された酸化剤ガス排気配管216が、リング217を介して固定され、酸化剤ガス排気配管216の内側に、酸化剤ガス供給配管218が配置されている。リング214,リング217は、試験温度付近に軟化点を持つガラスから構成されたものである。なお、参照電極204は、排気管216の外側の領域に配置されている。また、集電体層211には、Auよりなる端子線219が接続され、集電体層212には、白金よりなる端子線220が接続されている。また、参照電極204には白金よりなる端子線221が接続されている。なお、上記構成の固体酸化物形燃料電池が、電気炉230の内部に配置されている。
Further, on the
このように構成された固体酸化物形燃料電池において、燃料ガス供給配管215より燃料電極201に対して燃料ガスを供給し、酸化剤ガス供給配管218より空気極203に対して酸化剤ガスを供給し、発電動作を行わせて試験を行う。なお、この発電動作は、電気炉230の中において、800℃に加熱された状態で行う。ここで、燃料ガスとしては、水蒸気が3vol%添加された水素(加湿H2)、水蒸気が64vol%添加されたメタン(64%CH4)、及び乾燥したメタン(CH4)を用いる。64%CH4は、水蒸気の体積:メタンの体積=2:1としたものである。一方、酸化剤ガスとしては、空気(酸素:窒素=1:4、体積比)を用いる。
In the solid oxide fuel cell configured as described above, the fuel gas is supplied from the fuel
また、各試験の前に、燃料電極を乾燥水素の雰囲気とする還元処理により、燃料電極中に導入されている複合酸化物から、金属状態のCoが析出した状態とする。この状態においても上述同様の測定を行う(試験雰囲気:乾燥水素)。また、比較のために、複合酸化物を導入していない従来同様の固体酸化物形燃料電池についても、同様の測定を行う。 Further, before each test, Co is precipitated in a metallic state from the composite oxide introduced into the fuel electrode by a reduction treatment in which the fuel electrode is in an atmosphere of dry hydrogen. Even in this state, the same measurement as described above is performed (test atmosphere: dry hydrogen). For comparison, the same measurement is performed for a solid oxide fuel cell similar to the prior art in which no complex oxide is introduced.
また、試験では、電流遮断法を用いた燃料電極における過電圧測定と、開回路電圧(OCV)付近での交流インピーダンス法から求めた燃料電極におけるセル界面抵抗の測定とを行い、電極性能の指標とする。電流遮断法による過電圧特性の評価は、試験セルの電圧が、0.6〜0.8V付近となる。また、交流インピーダンス法による界面抵抗値は、電極の単位面積あたりに流す電流値が0.5A/cm2での燃料電極における過電圧を代表的な値とする。 In the test, overvoltage measurement at the fuel electrode using the current interruption method and cell interface resistance at the fuel electrode obtained from the AC impedance method near the open circuit voltage (OCV) were measured, To do. In the evaluation of the overvoltage characteristic by the current interruption method, the voltage of the test cell is around 0.6 to 0.8V. Further, the interfacial resistance value obtained by the AC impedance method has a representative value of the overvoltage at the fuel electrode at a current value of 0.5 A / cm 2 flowing per unit area of the electrode.
また、上述した発電状態における試験の後に、試験セル表面の目視による観察を行う。加えて、供給したガスと排出されたガスとの各々に含まれる炭素原子の濃度をガスクロマトグラフにより測定し、測定された炭素原子供給量と炭素原子排出量と測定し、これらの差より供給した燃料ガス中の炭化水素からの炭素質の析出の状態を評価する。 In addition, after the test in the power generation state described above, the surface of the test cell is visually observed. In addition, the concentration of carbon atoms contained in each of the supplied gas and the exhausted gas was measured with a gas chromatograph, the measured carbon atom supply amount and carbon atom emission amount were measured, and the difference between these was supplied. The state of carbonaceous precipitation from hydrocarbons in the fuel gas is evaluated.
評価では、図1に示した製造方法により、多孔質の複数の細孔内に複合酸化物が導入された複合酸化物導入燃料電極113よりなる試料単セルを作製し、この試料単セルを用いて図2に示す固体酸化物形燃料電池を構成して上述の発電試験を行う。また、導入する複合酸化物である(2−x)(CeO2)−x(CoO)のxを0.4,1.0,1.2とした3種類の試料単セルを作製し、各試料単セルについて測定を行う。以下の表1に示すように、いずれの燃料ガス条件においても、複合酸化物を導入(添加)していない従来同様の固体酸化物形燃料電池に比較し、複合酸化物が添加されている試料単セルは、界面抵抗が約1/10〜1/26と大幅に低下している。また、燃料電極における過電圧が、約1/3〜1/5に低減されている。なお、表1から分かるように、x=1.0の条件が、界面抵抗及び過電圧が、最も低くなっている。
In the evaluation, a sample unit cell composed of a complex oxide-introduced
これらのことより、燃料電極に複合酸化物を導入することで、優れた発電特性が発揮されることが確認された。特に、供給する燃料ガスが、乾燥水素や乾燥メタンなどの乾燥状態のときに、水蒸気を添加している条件に比較して上記低下の効果が大きくなっている。なお、上述したいずれの試験においても、発電状態の初期に行った供給ガスと排出ガスとのガスクロマトグラフによる比較では、炭素原子供給量と炭素原子排出量とは釣り合っていた。このことより、本実施の形態1による製造方法で製造された燃料電極を用いた固体酸化物形燃料電池の発電では、炭化水素系燃料を使用する場合でも炭素質析出が発生しないものと考えられる。 From these facts, it was confirmed that excellent power generation characteristics were exhibited by introducing a complex oxide into the fuel electrode. In particular, when the fuel gas to be supplied is in a dry state such as dry hydrogen or dry methane, the effect of the above reduction is greater than the condition in which water vapor is added. In any of the above-described tests, the supply amount of carbon atoms and the discharge amount of carbon atoms were balanced in the gas chromatographic comparison between the supply gas and the exhaust gas performed at the initial stage of the power generation state. From this, it is considered that in the power generation of the solid oxide fuel cell using the fuel electrode manufactured by the manufacturing method according to the first embodiment, carbonaceous precipitation does not occur even when a hydrocarbon fuel is used. .
また、本実施の形態1の製造方法により複合酸化物を導入した試験セルと、従来同様の複合酸化物を導入していない試験セルとを、燃料ガスを乾燥メタンとした上記発電試験条件において、各々電極の単位面積あたりに流れる電流値を0.5A/cm2として500時間保持した後、燃料電極に供給するガスを不活性な窒素ガスに切り替えてから常温(25℃)に戻した後、各試験セルにおける燃料電極の状態を観察した。この結果、複合酸化物を導入していない試験セルの燃料電極には、黒色の析出物が目視で確認された。また、この析出物は、元素分析により炭素質であることが確認された。これに対し、複合酸化物を導入した試験セルの燃料電極には、炭素質の析出は確認されなかった。 Further, in the above power generation test conditions in which the test gas in which the composite oxide is introduced by the manufacturing method of the first embodiment and the test cell in which the conventional composite oxide is not introduced are dry methane as the fuel gas, After holding the current value flowing per unit area of each electrode at 0.5 A / cm 2 for 500 hours, after switching the gas supplied to the fuel electrode to inert nitrogen gas and returning to normal temperature (25 ° C.), The state of the fuel electrode in each test cell was observed. As a result, a black deposit was visually confirmed on the fuel electrode of the test cell into which the complex oxide was not introduced. The precipitate was confirmed to be carbonaceous by elemental analysis. On the other hand, carbonaceous deposition was not confirmed on the fuel electrode of the test cell into which the composite oxide was introduced.
また、前述した試験において、複合酸化物を導入した試験セルの燃料電極に、燃料ガスではなく不活性な窒素ガスを導入し、燃料電極における還元処理状態を保持したまま常温(25℃程度)に戻した後、試験セルの燃料電極を電子顕微鏡で観察したところ、いずれの条件の試料セルにおいても、燃料電極の多孔質状態の複数の細孔において、焼結粒子の表面に5〜20nmのCoの微粒子が生成されていることが確認された。 In the above-described test, an inert nitrogen gas is introduced instead of the fuel gas into the fuel electrode of the test cell into which the composite oxide has been introduced, and the normal temperature (about 25 ° C.) is maintained while maintaining the reduction treatment state in the fuel electrode. After returning, the fuel electrode of the test cell was observed with an electron microscope. In any of the sample cells under any conditions, the surface of the sintered particle was 5 to 20 nm in the plurality of pores in the porous state of the fuel electrode. It was confirmed that fine particles were generated.
なお、上述した本実施の形態1においては、燃料電極を8YSZとNiOとの混合粉体から作製し、電解質層は8YSZから構成したが、これに限るものではない。例えば、Ni−ZrO2系燃料電極材料である、10mol%のSc2O3と1mol%のAl2O3とを固溶させたZrO2(10SZSZ)から電解質層(基板)を構成し、10SZSZとNiOの混合物から燃料電極を構成し、ここに複合酸化物を導入するようにしても良い。この場合、前述同様に試験を行うと、以下の表2に示すように、同様の効果が確認された。 In the first embodiment described above, the fuel electrode is made of a mixed powder of 8YSZ and NiO and the electrolyte layer is made of 8YSZ. However, the present invention is not limited to this. For example, an electrolyte layer (substrate) is formed from ZrO 2 (10SZSZ) in which 10 mol% of Sc 2 O 3 and 1 mol% of Al 2 O 3, which are Ni—ZrO 2 fuel electrode materials, are dissolved, and 10 SZSZ. A fuel electrode may be composed of a mixture of NiO and NiO, and a complex oxide may be introduced into the fuel electrode. In this case, when the test was performed in the same manner as described above, the same effect was confirmed as shown in Table 2 below.
なお、上述では、試験温度を800℃として行ったが、試験温度650〜1000℃の範囲で、前述同様の結果(効果)が確認された。 In the above description, the test temperature was set to 800 ° C., but the same result (effect) as described above was confirmed in the test temperature range of 650 to 1000 ° C.
上述したように、燃料ガスの発電反応に活性な金属(CoやNiなど)を複合酸化物の状態で燃料電極導入し、水素雰囲気中などの還元状態で複合酸化物から上記金属の微粒子を析出させるようにしたので、燃料電極の反応能力が高くなる同時に、長期の試験にわたっても炭化水素燃料の分解による炭素質の析出が抑制される効果が発現されることが確認された。また、これらの効果は、水蒸気を添加していない乾燥状態の燃料ガスを用いる場合に、燃料ガスの電極反応の特性向上に顕著であり、乾燥した燃料ガスを用いる際に、本発明による燃料電極が有効であることが確認された。 As described above, a metal active in the power generation reaction of fuel gas (Co, Ni, etc.) is introduced into the fuel electrode in the form of a composite oxide, and the metal fine particles are precipitated from the composite oxide in a reduced state such as in a hydrogen atmosphere. As a result, it was confirmed that the reaction capacity of the fuel electrode was increased and, at the same time, the effect of suppressing the precipitation of carbonaceous matter due to the decomposition of the hydrocarbon fuel was exhibited over a long-term test. In addition, these effects are remarkable in improving the characteristics of the electrode reaction of the fuel gas when using a dry fuel gas to which water vapor is not added. When using the dry fuel gas, the fuel electrode according to the present invention is used. Was confirmed to be effective.
[実施の形態2]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。本実施の形態2における固体酸化物形燃料電池用電極の製造方法は、(2−x)(CeO2)−x(CoO)においてx=1のときの一部のCeサイトを、サマリウム(Sm)もしくはイットリウム(Y)で置換した((Ce1-yMα y)O2)−(CoO)(Mα=Sm,Y;0<y≦0.4)の組成を有する複合酸化物を用い、実施の形態1と同様に燃料電極を作製するようにしたものである。本実施の形態2では、((Ce1-yMα y)O2)−(CoO)(Mα=Sm,Y;0<y≦0.4)の組成の複合酸化物となりうるグルコン酸化合物の溶液に、燃料電極を浸漬して含浸させ、これを加熱焼成することで、複合酸化物導入燃料電極を作製する。例えば、グルコン酸セリウム,グルコン酸コバルト,及びMαのグルコン酸化物が溶解した水溶液を用いればよい。なお、((Ce1-yMα y)O2)−(CoO)は、(2−x)((Ce1-yMα y)O2)−x(LαO)(0.2≦x≦1.2,0<y≦0.4,Lα=Co,Ni)のxを1としLαをCoとした場合である。
[Embodiment 2]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the manufacturing method of the electrode for the solid oxide fuel cell according to the second embodiment, a part of the Ce site when x = 1 in (2-x) (CeO 2 ) -x (CoO) is converted to samarium (Sm Or a composite oxide having a composition of ((Ce 1-y M α y ) O 2 )-(CoO) (M α = Sm, Y; 0 <y ≦ 0.4) substituted with yttrium (Y). In the same manner as in the first embodiment, a fuel electrode is produced. In the second embodiment, gluconic acid that can be a composite oxide having a composition of ((Ce 1 -y M α y ) O 2 )-(CoO) (M α = Sm, Y; 0 <y ≦ 0.4). A compound electrode-introduced fuel electrode is produced by immersing and impregnating a fuel electrode in a compound solution, followed by heating and firing. For example, an aqueous solution in which cerium gluconate, cobalt gluconate, and M α glucone oxide are dissolved may be used. Note that ((Ce 1-y M α y ) O 2 )-(CoO) is (2-x) ((Ce 1-y M α y ) O 2 ) -x (L α O) (0.2 ≦ x ≦ 1.2, 0 <y ≦ 0.4, L α = Co, Ni) where x is 1 and L α is Co.
本実施の形態2においても、複合酸化物が導入された燃料電極を電子顕微鏡で観察したところ、多孔質の各細孔内において、焼結体粒子の表面に、50nm〜150nmの膜が形成されていることが確認された。また、この膜が、X線回折測定により、上記複合酸化物であることが確認された。また、前述した実施の形態1と同様に還元処理を行うと、複合酸化物が導入された燃料電極において、複合酸化物より金属状態のCoが生成される。この状態は、電子顕微鏡の観察及びエックス線回折測定により確認されている。電子顕微鏡の観察により、((Ce1-yMα y)O2)−(CoO)が導入された燃料電極において、粒子径5〜50nmの粒子が確認され、また、エックス線回折測定により、当該粒子がCoであることが確認されている。 Also in the second embodiment, when the fuel electrode into which the composite oxide is introduced is observed with an electron microscope, a film of 50 nm to 150 nm is formed on the surface of the sintered body particle in each porous pore. It was confirmed that Further, this film was confirmed to be the above complex oxide by X-ray diffraction measurement. Further, when the reduction treatment is performed in the same manner as in the first embodiment, Co in a metallic state is generated from the composite oxide in the fuel electrode into which the composite oxide has been introduced. This state has been confirmed by observation with an electron microscope and X-ray diffraction measurement. By observation with an electron microscope, particles having a particle diameter of 5 to 50 nm were confirmed in the fuel electrode into which ((Ce 1-y M α y ) O 2 )-(CoO) was introduced. It has been confirmed that the particles are Co.
また、本実施の形態2においても、上記溶液にエチレングリコールを添加し、これを100〜150℃に加熱した後で、燃料電極を浸漬し、この溶液が燃料電極に含浸した状態とした後、上述同様に加熱処理を行うようにしても良い。また、エチレングリコールの代わりに、ポリビニルアルコールなどの有機バインダーを用いるようにしても良い。例えば、上記溶液に、ポリビニルアルコールを1〜5wt%添加すればよい。これらのように樹脂を添加した溶液を含浸させることで、燃料電極を構成している焼結体粒子(骨格)と、含浸させた溶液との密着性を向上させることができる。 Also in the second embodiment, after adding ethylene glycol to the solution and heating it to 100 to 150 ° C., the fuel electrode is immersed and the solution is impregnated in the fuel electrode. Heat treatment may be performed in the same manner as described above. Moreover, you may make it use organic binders, such as polyvinyl alcohol, instead of ethylene glycol. For example, 1 to 5 wt% of polyvinyl alcohol may be added to the above solution. By impregnating the resin-added solution as described above, the adhesion between the sintered particles (skeleton) constituting the fuel electrode and the impregnated solution can be improved.
次に、上述したように、((Ce1-yMα y)O2)−(CoO)(Mα=Sm,Y;0<y≦0.4)の組成の複合酸化物となりうるグルコン酸化合物の溶液を用いて作製された複合酸化物導入燃料電極の特性について、実施の形態1の場合と同様に試料セルを作製して試験した結果を用いて説明する。この試験では、導入する複合化合物である((Ce1-yMα y)O2)−(CoO)(Mα=Sm,Y;0<y≦0.4)のyを、0.05,0.2,及び0.4とした3種類の試料セルを作製し、各試料セルについて測定を行う。 Next, as described above, glucone that can be a composite oxide having a composition of ((Ce 1 -y M α y ) O 2 )-(CoO) (M α = Sm, Y; 0 <y ≦ 0.4). The characteristics of the composite oxide-introduced fuel electrode produced using the acid compound solution will be described using the results of producing and testing a sample cell in the same manner as in the first embodiment. In this test, y of ((Ce 1 -y M α y ) O 2 )-(CoO) (M α = Sm, Y; 0 <y ≦ 0.4), which is a compound to be introduced, is 0.05. , 0.2, and 0.4, three types of sample cells are prepared, and measurement is performed on each sample cell.
この試験の結果、以下の表3に示すように、いずれの燃料ガス条件においても、複合酸化物を導入(添加)していない従来同様の固体酸化物形燃料電池に比較し、複合酸化物が添加されている試料単セルは、界面抵抗が低下している。また、燃料電極における過電圧も、低減されている。また、y=0.2の条件が、界面抵抗及び過電圧が最も低くなっている。なお、本実施の形態2では、実施の形態1の場合に比較して、燃料電極過電圧は大きくなっている。これは、金属成分Mαを加えたことにより、導入する複合酸化物におけるCoの濃度(組成比)が低下し、燃料電極中に生成される金属状態のCoの量が少なくなるためである。 As a result of this test, as shown in Table 3 below, in any fuel gas condition, the composite oxide was compared with the conventional solid oxide fuel cell in which the composite oxide was not introduced (added). The added sample single cell has a reduced interface resistance. Moreover, the overvoltage at the fuel electrode is also reduced. Moreover, the condition of y = 0.2 has the lowest interface resistance and overvoltage. In the second embodiment, the fuel electrode overvoltage is larger than that in the first embodiment. This is because the addition of the metal component M alpha, decreases the concentration of Co (composition ratio) of the composite oxide to be introduced, because the amount of Co in a metal state to be generated in the fuel electrode is reduced.
以上に示したように、((Ce1-yMα y)O2)−(CoO)(Mα=Sm,Y;0<y≦0.4)の組成の複合酸化物となりうるグルコン酸化合物の溶液を用いることで、燃料電極中に上記複合酸化物を導入するようにしても、燃料電極における反応能力をより高める効果があることが確認された。なお、((Ce1-ySmy)O2)−(CoO)及び((Ce1-yYy)O2)−(CoO)に限らず、(2−x)(CeO2)−x(CoO)においてx=1のときに、Smに一部のCeサイトが置換され、かつ、Yに一部のCeサイトが置換された複合酸化物の場合であっても、2つの元素の固溶割合の合計が0<y≦0.4の範囲であれば、前述同様の効果が発現されることを確認している。また、本実施の形態2では、(2−x)(CeO2)−x(CoO)においてx=1としたが、これに限らず、0.2≦x≦1.2の範囲においても、同様の効果が確認されている。また、本実施の形態2においても、試験温度650〜1000℃の範囲で、前述同様の結果(効果)が確認された。 As shown above, gluconic acid that can be a composite oxide having a composition of ((Ce 1 -y M α y ) O 2 )-(CoO) (M α = Sm, Y; 0 <y ≦ 0.4) By using the compound solution, it was confirmed that even if the complex oxide was introduced into the fuel electrode, the reaction capacity in the fuel electrode was further enhanced. Incidentally, ((Ce 1-y Sm y) O 2) - (CoO) and ((Ce 1-y Y y ) O 2) - is not limited to (CoO), (2-x ) (CeO 2) -x (CoO) When x = 1, even in the case of a complex oxide in which some Ce sites are substituted for Sm and some Ce sites are substituted for Y, It has been confirmed that the same effect as described above is exhibited when the total dissolution rate is in the range of 0 <y ≦ 0.4. Further, in the second embodiment, x = 1 in (2-x) (CeO 2 ) −x (CoO). However, the present invention is not limited to this, and in the range of 0.2 ≦ x ≦ 1.2, Similar effects have been confirmed. In the second embodiment, the same results (effects) as described above were confirmed in the test temperature range of 650 to 1000 ° C.
[実施の形態3]
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。本実施の形態3における固体酸化物形燃料電池用電極の製造方法は、(2−x)(CeO2)−x(CoO)においてx=1のときの一部のCeサイトを、SmもしくはYで置換した((Ce1-yMα y)O2)−(CoO)(Mα=Sm,Y;0<y≦0.4)の組成を有する複合酸化物を用い、実施の形態1と同様に燃料電極を作製するようにしたものである。本実施の形態3では、((Ce1-yMα y)O2)−(CoO)(Mα=Sm,Y;0<y≦0.4)の組成の複合酸化物となりうるリンゴ酸化合物(有機酸金属塩)の溶液に、燃料電極を浸漬して含浸させ、これを加熱焼成することで、複合酸化物導入燃料電極を作製する。例えば、リンゴ酸セリウム,リンゴ酸コバルト,及びMαのリンゴ酸化物が溶解した水溶液を用いればよい。
[Embodiment 3]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the manufacturing method of the electrode for the solid oxide fuel cell according to the third embodiment, a part of Ce sites when S = 1 or Sm or Y in (2-x) (CeO 2 ) -x (CoO). Embodiment 1 Using a composite oxide having a composition of ((Ce 1-y M α y ) O 2 ) — (CoO) (M α = Sm, Y; 0 <y ≦ 0.4) substituted with In the same manner as described above, a fuel electrode is manufactured. In the third embodiment, malic acid that can be a composite oxide having a composition of ((Ce 1 -y M α y ) O 2 )-(CoO) (M α = Sm, Y; 0 <y ≦ 0.4). A fuel electrode is immersed and impregnated in a compound (organic acid metal salt) solution, and this is heated and fired to produce a composite oxide-introduced fuel electrode. For example, an aqueous solution in which cerium malate, cobalt malate, and Mα malate are dissolved may be used.
本実施の形態3においても、複合酸化物が導入された燃料電極を電子顕微鏡で観察したところ、多孔質の各細孔内において、焼結体粒子の表面に、50nm〜150nmの膜が形成されていることが確認された。また、この膜が、X線回折測定により、上記複合酸化物であることが確認された。また、前述した実施の形態1と同様に還元処理を行うと、複合酸化物が導入された燃料電極において、複合酸化物より金属状態のCoが生成される。この状態は、電子顕微鏡の観察及びエックス線回折測定により確認されている。電子顕微鏡の観察により、((Ce1-yMα y)O2)−(CoO)が導入された燃料電極において、粒子径5〜50nmの粒子が確認され、また、エックス線回折測定により、当該粒子がCoであることが確認されている。 Also in the third embodiment, when the fuel electrode into which the composite oxide is introduced is observed with an electron microscope, a film of 50 nm to 150 nm is formed on the surface of the sintered particles in each porous pore. It was confirmed that Further, this film was confirmed to be the above complex oxide by X-ray diffraction measurement. Further, when the reduction treatment is performed in the same manner as in the first embodiment, Co in a metallic state is generated from the composite oxide in the fuel electrode into which the composite oxide has been introduced. This state has been confirmed by observation with an electron microscope and X-ray diffraction measurement. By observation with an electron microscope, particles having a particle diameter of 5 to 50 nm were confirmed in the fuel electrode into which ((Ce 1-y M α y ) O 2 )-(CoO) was introduced. It has been confirmed that the particles are Co.
また、本実施の形態3においても、上記溶液にエチレングリコールを添加し、これを100〜150℃に加熱した後で、燃料電極を浸漬し、この溶液が燃料電極に含浸した状態とした後、上述同様に加熱処理を行うようにしても良い。また、エチレングリコールの代わりに、ポリビニルアルコールなどの有機バインダーを用いるようにしても良い。例えば、上記溶液に、ポリビニルアルコールを1〜5wt%添加すればよい。これらのように樹脂を添加した溶液を含浸させることで、燃料電極を構成している焼結体粒子(骨格)と、含浸させた溶液との密着性を向上させることができる。 Also in the third embodiment, after adding ethylene glycol to the above solution and heating it to 100 to 150 ° C., the fuel electrode is immersed, and this solution is impregnated in the fuel electrode. Heat treatment may be performed in the same manner as described above. Moreover, you may make it use organic binders, such as polyvinyl alcohol, instead of ethylene glycol. For example, 1 to 5 wt% of polyvinyl alcohol may be added to the above solution. By impregnating the resin-added solution as described above, the adhesion between the sintered particles (skeleton) constituting the fuel electrode and the impregnated solution can be improved.
次に、上述したように、((Ce1-yMα y)O2)−(CoO)(Mα=Sm,Y;0<y≦0.4)の組成の複合酸化物となりうるリンゴ酸化合物の溶液を用いて作製された複合酸化物導入燃料電極の特性について、実施の形態1の場合と同様に試料セルを作製して試験した結果を用いて説明する。この試験でも、導入する複合化合物である((Ce1-yMα y)O2)−(CoO)(Mα=Sm,Y;0<y≦0.4)のyを、0.05,0.2,及び0.4とした3種類の試料セルを作製し、各試料セルについて測定を行う。 Next, as described above, an apple that can be a composite oxide having a composition of ((Ce 1 -y M α y ) O 2 )-(CoO) (M α = Sm, Y; 0 <y ≦ 0.4). The characteristics of the composite oxide-introduced fuel electrode produced using the acid compound solution will be described using the results of producing and testing a sample cell in the same manner as in the first embodiment. Also in this test, y of ((Ce 1-y M α y ) O 2 )-(CoO) (M α = Sm, Y; 0 <y ≦ 0.4), which is a compound to be introduced, is 0.05. , 0.2, and 0.4, three types of sample cells are prepared, and measurement is performed on each sample cell.
この試験の結果、以下の表4に示すように、いずれの燃料ガス条件においても、複合酸化物を導入(添加)していない従来同様の固体酸化物形燃料電池に比較し、複合酸化物が添加されている試料単セルは、界面抵抗が低下している。また、燃料電極における過電圧も、低減されている。また、y=0.2の条件が、界面抵抗及び過電圧が最も低くなっている。なお、本実施の形態3では、実施の形態1の場合に比較して、燃料電極過電圧は大きくなっている。これは、金属成分Mαを加えたことにより、導入する複合酸化物におけるCoの濃度(組成比)が低下し、燃料電極中に生成される金属状態のCoの量が少なくなるためである。 As a result of this test, as shown in Table 4 below, in any fuel gas condition, the composite oxide was compared with the conventional solid oxide fuel cell in which the composite oxide was not introduced (added). The added sample single cell has a reduced interface resistance. Moreover, the overvoltage at the fuel electrode is also reduced. Moreover, the condition of y = 0.2 has the lowest interface resistance and overvoltage. In the third embodiment, the fuel electrode overvoltage is larger than that in the first embodiment. This is because the addition of the metal component M alpha, decreases the concentration of Co (composition ratio) of the composite oxide to be introduced, because the amount of Co in a metal state to be generated in the fuel electrode is reduced.
以上に示したように、((Ce1-yMα y)O2)−(CoO)(Mα=Sm,Y;0<y≦0.4)の組成の複合酸化物となりうるリンゴ酸化合物の溶液を用いることで、燃料電極中に上記複合酸化物を導入するようにしても、燃料電極における反応能力をより高める効果があることが確認された。なお、((Ce1-ySmy)O2)−(CoO)及び((Ce1-yYy)O2)−(CoO)に限らず、(2−x)(CeO2)−x(CoO)においてx=1のときに、Smに一部のCeサイトが置換され、かつ、Yに一部のCeサイトが置換された複合酸化物の場合であっても、2つの元素の固溶割合の合計が0<y≦0.4の範囲であれば、前述同様の効果が発現されることを確認している。また、本実施の形態3では、(2−x)(CeO2)−x(CoO)においてx=1としたが、これに限らず、0.2≦x≦1.2の範囲においても、同様の効果が確認されている。また、本実施の形態3においても、試験温度650〜1000℃の範囲で、前述同様の結果(効果)が確認された。 As shown above, malic acid that can be a composite oxide having a composition of ((Ce 1 -y M α y ) O 2 )-(CoO) (M α = Sm, Y; 0 <y ≦ 0.4) By using the compound solution, it was confirmed that even if the complex oxide was introduced into the fuel electrode, the reaction capacity in the fuel electrode was further enhanced. Incidentally, ((Ce 1-y Sm y) O 2) - (CoO) and ((Ce 1-y Y y ) O 2) - is not limited to (CoO), (2-x ) (CeO 2) -x (CoO) When x = 1, even in the case of a complex oxide in which some Ce sites are substituted for Sm and some Ce sites are substituted for Y, It has been confirmed that the same effect as described above is exhibited when the total dissolution rate is in the range of 0 <y ≦ 0.4. In the third embodiment, x = 1 is set in (2-x) (CeO 2 ) −x (CoO). However, the present invention is not limited to this, and in the range of 0.2 ≦ x ≦ 1.2, Similar effects have been confirmed. In the third embodiment, the same results (effects) as described above were confirmed in the test temperature range of 650 to 1000 ° C.
[実施の形態4]
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。本実施の形態4における固体酸化物形燃料電池用電極の製造方法は、(2−x)(CeO2)−x(CoO)においてx=1のときの一部のCeサイトを、SmもしくはYで置換した((Ce1-yMα y)O2)−(CoO)(Mα=Sm,Y;0<y≦0.4)の組成を有する複合酸化物を用い、実施の形態1と同様に燃料電極を作製するようにしたものである。本実施の形態4では、((Ce1-yMα y)O2)−(CoO)(Mα=Sm,Y;0<y≦0.4)の組成の複合酸化物となりうる乳酸化合物(有機酸金属塩)の溶液に、燃料電極を浸漬して含浸させ、これを加熱焼成することで、複合酸化物導入燃料電極を作製する。例えば、乳酸セリウム,乳酸コバルト,及びMαの乳酸化物が溶解した水溶液を用いればよい。
[Embodiment 4]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the manufacturing method of the electrode for the solid oxide fuel cell according to the fourth embodiment, a part of the Ce site when x = 1 in (2-x) (CeO 2 ) -x (CoO) is converted into Sm or Y Embodiment 1 Using a composite oxide having a composition of ((Ce 1-y M α y ) O 2 ) — (CoO) (M α = Sm, Y; 0 <y ≦ 0.4) substituted with In the same manner as described above, a fuel electrode is manufactured. In the fourth embodiment, a lactic acid compound that can be a composite oxide having a composition of ((Ce 1 -y M α y ) O 2 )-(CoO) (M α = Sm, Y; 0 <y ≦ 0.4). A fuel electrode is immersed and impregnated in a solution of (organic acid metal salt), and this is heated and fired to produce a composite oxide-introduced fuel electrode. For example, lactate, cerium, lactic cobalt, and may be used an aqueous solution of lactic acid product is dissolved in M alpha.
本実施の形態4においても、複合酸化物が導入された燃料電極を電子顕微鏡で観察したところ、多孔質の各細孔内において、焼結体粒子の表面に、50nm〜150nmの膜が形成されていることが確認された。また、この膜が、X線回折測定により、上記複合酸化物であることが確認された。また、前述した実施の形態1と同様に還元処理を行うと、複合酸化物が導入された燃料電極において、複合酸化物より金属状態のCoが生成される。この状態は、電子顕微鏡の観察及びエックス線回折測定により確認されている。電子顕微鏡の観察により、((Ce1-yMα y)O2)−(CoO)が導入された燃料電極において、粒子径5〜50nmの粒子が確認され、また、エックス線回折測定により、当該粒子がCoであることが確認されている。 Also in the fourth embodiment, when the fuel electrode into which the composite oxide is introduced is observed with an electron microscope, a film of 50 nm to 150 nm is formed on the surface of the sintered particles in each porous pore. It was confirmed that Further, this film was confirmed to be the above complex oxide by X-ray diffraction measurement. Further, when the reduction treatment is performed in the same manner as in the first embodiment, Co in a metallic state is generated from the composite oxide in the fuel electrode into which the composite oxide has been introduced. This state has been confirmed by observation with an electron microscope and X-ray diffraction measurement. By observation with an electron microscope, particles having a particle diameter of 5 to 50 nm were confirmed in the fuel electrode into which ((Ce 1-y M α y ) O 2 )-(CoO) was introduced. It has been confirmed that the particles are Co.
また、本実施の形態4においても、上記溶液にエチレングリコールを添加し、これを100〜150℃に加熱した後で、燃料電極を浸漬し、この溶液が燃料電極に含浸した状態とした後、上述同様に加熱処理を行うようにしても良い。また、エチレングリコールの代わりに、ポリビニルアルコールなどの有機バインダーを用いるようにしても良い。例えば、上記溶液に、ポリビニルアルコールを1〜5wt%添加すればよい。これらのように樹脂を添加した溶液を含浸させることで、燃料電極を構成している焼結体粒子(骨格)と、含浸させた溶液との密着性を向上させることができる。 Also in the fourth embodiment, after adding ethylene glycol to the above solution and heating it to 100 to 150 ° C., the fuel electrode is immersed, and this solution is impregnated in the fuel electrode. Heat treatment may be performed in the same manner as described above. Moreover, you may make it use organic binders, such as polyvinyl alcohol, instead of ethylene glycol. For example, 1 to 5 wt% of polyvinyl alcohol may be added to the above solution. By impregnating the resin-added solution as described above, the adhesion between the sintered particles (skeleton) constituting the fuel electrode and the impregnated solution can be improved.
次に、上述したように、((Ce1-yMα y)O2)−(CoO)(Mα=Sm,Y;0<y≦0.4)の組成の複合酸化物となりうる乳酸化合物(有機酸金属塩)の溶液を用いて作製された複合酸化物導入燃料電極の特性について、実施の形態1の場合と同様に試料セルを作製して試験した結果を用いて説明する。この試験でも、導入する複合化合物である((Ce1-yMα y)O2)−(CoO)(Mα=Sm,Y;0<y≦0.4)のyを、0.05,0.2,及び0.4とした3種類の試料セルを作製し、各試料セルについて測定を行う。 Next, as described above, lactic acid that can be a composite oxide having a composition of ((Ce 1 -y M α y ) O 2 )-(CoO) (M α = Sm, Y; 0 <y ≦ 0.4). The characteristics of the composite oxide-introduced fuel electrode produced using a compound (organic acid metal salt) solution will be described using the results of producing and testing a sample cell in the same manner as in the first embodiment. Also in this test, y of ((Ce 1-y M α y ) O 2 )-(CoO) (M α = Sm, Y; 0 <y ≦ 0.4), which is a compound to be introduced, is 0.05. , 0.2, and 0.4, three types of sample cells are prepared, and measurement is performed on each sample cell.
この試験の結果、以下の表5に示すように、いずれの燃料ガス条件においても、複合酸化物を導入(添加)していない従来同様の固体酸化物形燃料電池に比較し、複合酸化物が添加されている試料単セルは、界面抵抗が低下している。また、燃料電極における過電圧も、低減されている。また、y=0.2の条件が、界面抵抗及び過電圧が最も低くなっている。なお、本実施の形態4では、実施の形態1の場合に比較して、燃料電極過電圧は大きくなっている。これは、金属成分Mαを加えたことにより、導入する複合酸化物におけるCoの濃度(組成比)が低下し、燃料電極中に生成される金属状態のCoの量が少なくなるためである。 As a result of this test, as shown in Table 5 below, in any fuel gas condition, the composite oxide was compared with the conventional solid oxide fuel cell in which the composite oxide was not introduced (added). The added sample single cell has a reduced interface resistance. Moreover, the overvoltage at the fuel electrode is also reduced. Moreover, the condition of y = 0.2 has the lowest interface resistance and overvoltage. In the fourth embodiment, the fuel electrode overvoltage is larger than that in the first embodiment. This is because the addition of the metal component M alpha, decreases the concentration of Co (composition ratio) of the composite oxide to be introduced, because the amount of Co in a metal state to be generated in the fuel electrode is reduced.
以上に示したように、((Ce1-yMα y)O2)−(CoO)(Mα=Sm,Y;0<y≦0.4)の組成の複合酸化物となりうる乳酸化合物の溶液を用いることで、燃料電極中に上記複合酸化物を導入するようにしても、燃料電極における反応能力をより高める効果があることが確認された。なお、((Ce1-ySmy)O2)−(CoO)及び((Ce1-yYy)O2)−(CoO)に限らず、(2−x)(CeO2)−x(CoO)においてx=1のときに、Smに一部のCeサイトが置換され、かつ、Yに一部のCeサイトが置換された複合酸化物の場合であっても、2つの元素の固溶割合の合計が0<y≦0.4の範囲であれば、前述同様の効果が発現されることを確認している。また、本実施の形態4では、(2−x)(CeO2)−x(CoO)においてx=1としたが、これに限らず、0.2≦x≦1.2の範囲においても、同様の効果が確認されている。また、本実施の形態4においても、試験温度650〜1000℃の範囲で、前述同様の結果(効果)が確認された。 As described above, a lactic acid compound that can be a composite oxide having a composition of ((Ce 1 -y M α y ) O 2 )-(CoO) (M α = Sm, Y; 0 <y ≦ 0.4) By using this solution, it was confirmed that even if the complex oxide was introduced into the fuel electrode, the reaction capacity of the fuel electrode was further enhanced. Incidentally, ((Ce 1-y Sm y) O 2) - (CoO) and ((Ce 1-y Y y ) O 2) - is not limited to (CoO), (2-x ) (CeO 2) -x (CoO) When x = 1, even in the case of a complex oxide in which some Ce sites are substituted for Sm and some Ce sites are substituted for Y, It has been confirmed that the same effect as described above is exhibited when the total dissolution rate is in the range of 0 <y ≦ 0.4. In the fourth embodiment, x = 1 is set in (2-x) (CeO 2 ) −x (CoO). However, the present invention is not limited to this, and in the range of 0.2 ≦ x ≦ 1.2, Similar effects have been confirmed. In the fourth embodiment, the same results (effects) as described above were confirmed in the test temperature range of 650 to 1000 ° C.
次に、電極の単位面積あたりに流れる電流値を0.5A/cm2として500時間保持したときの、試料セルにおける燃料電極の過電圧の時間変化について説明する。この試験は、複合酸化物を導入していない従来同様の燃料電極による試料セル,グルコン酸化合物を用いて(CeO2)−(CoO)の組成の複合酸化物を導入した燃料電極による試料セル,及びグルコン酸化合物を用いて((Ce0.8Sm0.2)O2)−(CoO)の組成の複合酸化物を導入した燃料電極による試料セルで行う。また、電池作動温度は800℃とする。 Next, the time change of the overvoltage of the fuel electrode in the sample cell when the value of the current flowing per unit area of the electrode is held for 0.5 hours at 0.5 A / cm 2 will be described. This test consists of a sample cell with a conventional fuel electrode that does not introduce a complex oxide, a sample cell with a fuel electrode into which a complex oxide having a composition of (CeO 2 )-(CoO) is introduced using a gluconic acid compound, And a gluconic acid compound in a sample cell by a fuel electrode into which a composite oxide having a composition of ((Ce 0.8 Sm 0.2 ) O 2 )-(CoO) is introduced. The battery operating temperature is 800 ° C.
この試験の結果を表6に示す。表6に示すように、複合酸化物を導入していない試験セルに比較し、複合酸化物を導入したいずれの試験セルも、〜500時間にかけて、界面抵抗及び燃料電極過電圧の両方が低い値に維持されている。特に、((Ce0.8Sm0.2)O2)−(CoO)の組成の複合酸化物を導入した燃料電極による試料セルでは、燃料電極過電圧の増加がより抑制されており、固体酸化物形燃料電池の長期の発電運転に有用であることが確認された。 The results of this test are shown in Table 6. As shown in Table 6, both the interfacial resistance and the fuel electrode overvoltage are low over a period of ˜500 hours, as compared with the test cell in which the composite oxide was not introduced. Maintained. In particular, in a sample cell using a fuel electrode into which a composite oxide having a composition of ((Ce 0.8 Sm 0.2 ) O 2 )-(CoO) is introduced, an increase in the fuel electrode overvoltage is further suppressed, and the solid oxide fuel cell It was confirmed that it is useful for long-term power generation operation.
また、上記試験の後、燃料電極に供給するガスを不活性な窒素ガスに切り替えてから常温(25℃)に戻した後、各試験セルにおける燃料電極の状態を観察すると、複合酸化物を導入していない試験セルの燃料電極には、黒色の析出物が目視で確認された。また、この析出物は、元素分析により炭素質であることが確認された。これに対し、複合酸化物を導入したいずれの試験セルの燃料電極においても、炭素質の析出は確認されなかった。 After the above test, after switching the gas supplied to the fuel electrode to an inert nitrogen gas and returning to room temperature (25 ° C.), the state of the fuel electrode in each test cell was observed, and then the composite oxide was introduced. A black deposit was visually confirmed on the fuel electrode of the test cell that was not used. The precipitate was confirmed to be carbonaceous by elemental analysis. On the other hand, no carbonaceous deposition was observed in the fuel electrode of any test cell in which the composite oxide was introduced.
また、上述では、(2−x)(CeO2)−x(CoO)においてx=1としたが、これに限らず、0.2≦x≦1.2の範囲においても、同様の結果となることが確認されている。また、((Ce0.8Sm0.2)O2)−(CoO)に限らず、SmをYとした場合も同様である。また、y=0.2に限らず、Ceサイトを置換する元素の合計の割合が、合計が0<y≦0.4の範囲であれば、前述同様の燃料電極過電圧の増加の割合を低下する効果が確認されている。 In the above description, x = 1 in (2-x) (CeO 2 ) −x (CoO). However, the present invention is not limited to this, and the same results are obtained in the range of 0.2 ≦ x ≦ 1.2. It has been confirmed that The same applies not only to ((Ce 0.8 Sm 0.2 ) O 2 ) — (CoO) but also to Sm as Y. Further, not only y = 0.2, but if the total ratio of the elements substituting the Ce site is in the range of 0 <y ≦ 0.4, the increase rate of the fuel electrode overvoltage is reduced as described above. The effect to do is confirmed.
また、表6に示す結果では、燃料ガスを乾燥メタンとしたが、これに限るものではなく、水蒸気を添加した炭化水素を燃料ガスとして供給する場合においても同様である。 In the results shown in Table 6, the fuel gas is dry methane. However, the present invention is not limited to this, and the same applies to the case where hydrocarbons added with water vapor are supplied as fuel gas.
なお、上述した実施の形態において、有機酸金属塩としてグルコン酸塩,リンゴ酸塩,及び乳酸塩を用いるようにしたが、これに限るものではない。有機酸金属塩の合成に用いられる有機酸としては、1〜4個のカルボキシル基(COOH基)を有する有機酸、1〜3個の水酸基(OH基)を有する有機酸、1〜4個の窒素(N)を有する有機酸であればよい。例えば、グルコン酸,リンゴ酸,マレイン酸,乳酸,コハク酸,フマル酸,プロピオン酸,メタクリル酸,アクリル酸,クエン酸,酒石酸,イタコン酸,蟻酸,酢酸,マロン酸などが挙げられる。 In the above-described embodiment, gluconate, malate, and lactate are used as the organic acid metal salt. However, the present invention is not limited to this. Organic acids used for the synthesis of organic acid metal salts include organic acids having 1 to 4 carboxyl groups (COOH groups), organic acids having 1 to 3 hydroxyl groups (OH groups), 1 to 4 Any organic acid having nitrogen (N) may be used. Examples include gluconic acid, malic acid, maleic acid, lactic acid, succinic acid, fumaric acid, propionic acid, methacrylic acid, acrylic acid, citric acid, tartaric acid, itaconic acid, formic acid, acetic acid, malonic acid and the like.
また、上述した各有機酸が、有機酸金属塩を構成したときの金属に対する有機酸の割合は、1〜4倍当量とし、導入したい複合酸化物の濃度を0.1〜2M/リットルに調整した混合溶液に、上述した有機酸に、Ce,Sm,Y,Co,及びNiなどの金属が溶解しにくい場合は、キレート剤などを添加して、これら金属がイオンとして溶解した状態にしても良い。例えば、エチレンジアミン4酢酸(EDTA),エチレンジアミン4酢酸アンモニウム(EDTA・2NH4),ヒドロキシエチレンジアミン3酢酸(HEDTA),ジエチレントリアミン5酢酸(DTPA),トリエチレンテトラミン6酢酸(TTHA),エチレンジアミンテトラプロピレン,及びエチレングリコールなどのキレート剤を用いればよい。 In addition, when each organic acid described above constitutes an organic acid metal salt, the ratio of the organic acid to the metal is 1 to 4 times equivalent, and the concentration of the composite oxide to be introduced is adjusted to 0.1 to 2 M / liter. In the case where metals such as Ce, Sm, Y, Co, and Ni are difficult to dissolve in the above-described organic acid, a chelating agent or the like is added to the mixed solution so that these metals are dissolved as ions. good. For example, ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), ethylenediaminetetraacetic acid ammonium (EDTA · 2NH 4), hydroxyethylene diamine triacetic acid (HEDTA), diethylenetriaminepentaacetic acid (DTPA), triethylenetetramine 6 acetate (TTHA), ethylenediamine tetra propylene and ethylene A chelating agent such as glycol may be used.
上述した本発明は、固体酸化物形燃料電池の燃料電極材料中の金属触媒を高分散に配置させ、電極反応場を増加させるとともに、金属触媒の凝集を抑制し、長期安定性に優れる燃料電極を提供しようとしたものである。また、上述した本発明は、実用上想定される、燃料ガスに炭化水素系燃料を用いる固体酸化物形燃料電池の性能向上を目的とし、炭化水素系燃料使用条件下で、高活性かつ長期安定性に優れる燃料電極を提供しようとしたものである。 The above-described present invention is a fuel electrode in which the metal catalyst in the fuel electrode material of the solid oxide fuel cell is highly dispersed, the electrode reaction field is increased, the aggregation of the metal catalyst is suppressed, and the long-term stability is excellent. It is what I tried to provide. In addition, the present invention described above is intended to improve the performance of a solid oxide fuel cell that uses a hydrocarbon-based fuel as a fuel gas, which is assumed in practical use, and has high activity and long-term stability under the use of hydrocarbon-based fuel. It is an object of the present invention to provide a fuel electrode having excellent properties.
このような目的のためには、Niと同等以上に燃料ガスに対する高い酸化能力を有する金属触媒を探索し、このような触媒を安定に燃料電極中に高分散に配置する必要がある。本発明では、上述した高い触媒能を有する金属として、Co及びNiに着目し、また、担体として炭素析出を考慮して酸化セリウム(CeO2)系の酸化物に着目し、これらの金属と酸化物とを複合酸化物化するようにした。さらに、複合化した酸化物を還元することにより、安定に微細な金属粒子を析出させることを検討した。また、上記複合酸化物を従来の燃料電極の骨格中に添加(導入)することにより、本来の燃料電極の力学的な構造や電子伝導性を損なうことなく、電極反応場を増大させ、電極性能をさらに向上させるようにした。 For this purpose, it is necessary to search for a metal catalyst having a high oxidation ability for fuel gas equivalent to or higher than that of Ni, and to stably arrange such a catalyst in the fuel electrode with high dispersion. In the present invention, attention is focused on Co and Ni as the above-described metals having high catalytic ability, and attention is focused on cerium oxide (CeO 2 ) -based oxides in consideration of carbon deposition as a support. To make a complex oxide. Furthermore, it was studied to stably deposit fine metal particles by reducing the composite oxide. In addition, by adding (introducing) the above complex oxide into the skeleton of a conventional fuel electrode, the electrode reaction field is increased without impairing the dynamic structure and electronic conductivity of the original fuel electrode, and the electrode performance. Was further improved.
このために、本願発明では、Ceと、Sm及びYの少なくとも1つとを含む複合酸化物、また、Ceと、Sm及びYの少なくとも1つとCo及びNiの少なくとも1つとを含む複合酸化物の混合比や組成比について、各元素を有機酸溶液化することで、原子レベルで均一化して規則正しく結晶化した固溶体が燃料電極中に形成されるようにし、上述した元素よりなる複合酸化物触媒を、安定的に効果的に燃料電極中に高分散するようにした。 For this reason, in the present invention, a mixed oxide containing Ce and at least one of Sm and Y, or a mixed oxide containing Ce, at least one of Sm and Y, and at least one of Co and Ni. Regarding the ratio and composition ratio, by converting each element into an organic acid solution, a solid solution that is uniformly crystallized regularly at the atomic level is formed in the fuel electrode. Highly dispersed in the fuel electrode stably and effectively.
このように、本発明では、固体酸化物形燃料電池の燃料電極の酸素イオン伝導性を有する金属酸化物と電子伝導性を有する金属又はこの酸化物粒子の混合体を多孔質として形成した骨格(母体)に、一般式:(2−x)(CeO2)−x(LαO)(Lα=Co,Ni;0.2≦x≦1.2)、又は(2−x)((Ce1-yMα y)O2)−x(LαO)(Mα=Sm,Y、Lα=Co,Ni;0.2≦x≦1.2,0<y≦0.4)で示される複合酸化物を、この酸化物となりうる有機酸溶液の状態で上記骨格に含浸させ、この後で熱処理することで、燃料電極内に上記複合酸化物の粒子を形成した。また、燃料電池運転条件で還元処理を施し、燃料電極内に微細な電極触媒となるCoやNiの金属粒子を析出させるようにした。 As described above, in the present invention, a skeleton (a mixture of a metal oxide having oxygen ion conductivity and a metal having electron conductivity or a mixture of these oxide particles as a porous material of a fuel electrode of a solid oxide fuel cell ( In the matrix), the general formula: (2-x) (CeO 2 ) -x (L α O) (L α = Co, Ni; 0.2 ≦ x ≦ 1.2) or (2-x) (( ce 1-y M α y) O 2) -x (L α O) (M α = Sm, Y, L α = Co, Ni; 0.2 ≦ x ≦ 1.2,0 <y ≦ 0.4 The composite oxide represented by (2) was impregnated into the skeleton in the form of an organic acid solution capable of forming the oxide, and then heat-treated to form the composite oxide particles in the fuel electrode. In addition, reduction treatment was performed under fuel cell operating conditions so that Co and Ni metal particles that would become fine electrode catalysts were deposited in the fuel electrode.
これらのことにより、燃料電極において電極反応場を増大させることが可能となり、燃料電極に起因する電極過電圧を低減し、開回路電圧付近での燃料電極の界面抵抗を低減させることが可能となる。また、燃料電極内に、微細な金属触媒を複合酸化物中から生成(析出)させるため、電極触媒が凝集するなどのことが抑制されて高分散された状態の保持が容易である。このため、長時間の発電においても、電極特性の劣化を抑制することができる。さらに、燃料電池の燃料として炭化水素燃料を用いた際に、炭化水素燃料の分解による燃料電極への炭素質の析出を抑制することが可能であり、また、この効果を長時間保持することができる。 As a result, the electrode reaction field can be increased in the fuel electrode, the electrode overvoltage caused by the fuel electrode can be reduced, and the interface resistance of the fuel electrode in the vicinity of the open circuit voltage can be reduced. In addition, since a fine metal catalyst is generated (deposited) from the composite oxide in the fuel electrode, it is easy to maintain a highly dispersed state by suppressing aggregation of the electrode catalyst. For this reason, deterioration of electrode characteristics can be suppressed even during long-time power generation. Furthermore, when a hydrocarbon fuel is used as the fuel for the fuel cell, it is possible to suppress the deposition of carbonaceous matter on the fuel electrode due to the decomposition of the hydrocarbon fuel, and this effect can be maintained for a long time. it can.
101…YSZ基板、102…燃料電極塗布膜、103…燃料電極、103a…燃料電極、104…空気極塗布膜、105…空気極、111…マスク層、113…複合酸化物導入燃料電極。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
金属酸化物を含む焼結体より構成された多孔質状態とされた燃料電極が形成された状態とする第1工程と、
2つ以上の金属を含む有機酸の化合物の溶液が前記燃料電極の前記多孔質の孔内に含浸された状態とする第2工程と、
前記溶液が含浸された前記燃料電極を加熱することで、前記溶液に含まれている前記金属より構成された複合酸化物が、前記多孔質の孔内に配置された状態とする第3工程と
を少なくとも備え、
前記複合酸化物は、(2−x)((Ce1-yMα)O2)−x(NiO)(0.2≦x≦1.2,0<y≦0.4,M α =Sm,Y)である
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用電極の製造方法。 In the method for producing a solid oxide fuel cell electrode,
A first step of forming a porous fuel electrode composed of a sintered body containing a metal oxide; and
A second step in which a solution of an organic acid compound containing two or more metals is impregnated in the porous pores of the fuel electrode;
A third step of heating the fuel electrode impregnated with the solution so that the composite oxide composed of the metal contained in the solution is disposed in the porous hole; Comprising at least
The composite oxide, (2-x) (( Ce 1-y M α) O 2) -x (Ni O) (0.2 ≦ x ≦ 1.2,0 <y ≦ 0.4, M α = Sm, Y) A method for producing an electrode for a solid oxide fuel cell, wherein:
前記有機酸は、1〜4個のCOOH基を有する有機酸、1〜3個のOH基を有する有機酸、1〜4個のNを有する有機酸のなかから選択されたものである
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用電極の製造方法。 In the manufacturing method of the electrode for solid oxide fuel cells of Claim 1,
The organic acid is selected from an organic acid having 1 to 4 COOH groups, an organic acid having 1 to 3 OH groups, and an organic acid having 1 to 4 N. A method for producing an electrode for a solid oxide fuel cell.
前記溶液は、
前記有機酸の化合物に加えてエチレングリコール類を添加し、100〜150℃に加熱して作製する
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用電極の製造方法。 In the manufacturing method of the electrode for solid oxide fuel cells of Claim 1 or 2,
The solution is
A method for producing an electrode for a solid oxide fuel cell, comprising adding an ethylene glycol in addition to the organic acid compound and heating to 100 to 150 ° C.
前記溶液は、
前記有機酸の化合物に加えて有機バインダーが添加されている
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用電極の製造方法。 In the manufacturing method of the electrode for solid oxide fuel cells of Claim 1 or 2,
The solution is
An organic binder is added in addition to the organic acid compound. A method for producing an electrode for a solid oxide fuel cell, wherein:
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