JP5127126B2 - Electrode for fuel cell and solid oxide fuel cell using the same - Google Patents
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Description
本発明は、固体電解質型燃料電池用の電極に関し、更に詳しくは、電子伝導体と酸素イオン伝導体の混合物および/または電子・酸素イオン混合伝導体、並びにプロトン伝導体を含有する固体電解質型燃料電池用の電極、該電極と固体電解質とを備える固体電解質型燃料電池用のセルまたはスタック、該セルまたはスタックを備えた燃料電池、該電極を形成するための電極材料に関する。 The present invention relates to an electrode for a solid oxide fuel cell, and more particularly, a solid electrolyte fuel containing a mixture of an electron conductor and an oxygen ion conductor and / or a mixed electron / oxygen ion conductor, and a proton conductor. The present invention relates to an electrode for a battery, a cell or stack for a solid oxide fuel cell including the electrode and a solid electrolyte, a fuel cell including the cell or stack, and an electrode material for forming the electrode.
実用的な燃料電池では、炭化水素を燃料にする必要があり、改質器を用いて水蒸気改質によって水素を生成して発電に用いるのが一般的である。この水蒸気改質は吸熱反応であり、改質のための熱源を必要とする。そのため、外部改質器を用いたものでは、排ガスやアノードからのリサイクルガスの熱を利用することなどにより熱効率の高効率化を図っている例もある(特許文献1参照)。しかしながら、エネルギーロスを減らして発電効率を向上するためにも、燃料電池の構造を単純化して製造コストを削減するためにも、改質器を付帯しないことが望まれる。 In practical fuel cells, it is necessary to use hydrocarbons as fuel, and it is common to generate hydrogen by steam reforming using a reformer and use it for power generation. This steam reforming is an endothermic reaction and requires a heat source for reforming. Therefore, in the case of using an external reformer, there is an example in which the heat efficiency is increased by utilizing the heat of exhaust gas or recycled gas from the anode (see Patent Document 1). However, it is desirable not to attach a reformer in order to reduce energy loss and improve power generation efficiency, or to simplify the structure of the fuel cell and reduce manufacturing costs.
この課題に対して、改質器を外部に付帯しない内部改質型の固体電解質型燃料電池が開発されている(特許文献2、特許文献3参照)。この技術は、燃料電池セルの燃料極に、水蒸気改質触媒であるRu、Rh、PdあるいはCuを添加して電極上で水蒸気改質反応を起こし、改質にともなう熱損失を抑制するとともに、システムの規模をコンパクトにすることを狙っている。
In response to this problem, an internal reforming type solid oxide fuel cell having no reformer attached to the outside has been developed (see
しかしながら、燃料に多量の水蒸気が同伴されるため(S/C=1以上)、燃料電池の起電力を低下(ひいては出力低下)させるとともに、蒸発や水蒸気循環のための付帯設備が必要であり、それに絡んだエネルギーロスがまだ存在する。さらには、サーメット燃料極を構成する金属(Ni等)が水蒸気により酸化されたり、逆に同伴する水蒸気量が不足することにより炭素析出が発生するといった電極劣化が懸念される。 However, since a large amount of water vapor is entrained in the fuel (S / C = 1 or more), the electromotive force of the fuel cell is reduced (and thus the output is reduced), and additional facilities for evaporation and water vapor circulation are necessary. There is still energy loss associated with it. Furthermore, there is a concern about electrode deterioration such that metal (Ni or the like) constituting the cermet fuel electrode is oxidized by water vapor, or conversely, carbon deposition occurs due to insufficient amount of water vapor accompanied.
また、燃料電池の発電効率を向上させるためには、水素や炭化水素燃料の燃料利用率を向上させなければならないが、燃料利用率を増大させると、燃料極における燃料濃度が低下するため起電力が低下(ひいては出力低下)する傾向がある。そのため、高い燃料利用率における出力向上を実現する高活性な燃料極が望まれている。
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、炭化水素を含む燃料を用いたときに水蒸気を同伴させる必要がなく、炭素析出および/または同伴する水蒸気による酸化による燃料極の劣化を抑制し、耐久性を向上するとともに、水素および/または炭化水素燃料を用いたときの燃料利用率と出力の向上を両立させる燃料極を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and it is not necessary to entrain water vapor when using a fuel containing hydrocarbons. The fuel electrode is formed by carbon deposition and / or oxidation by the accompanying water vapor. It is an object of the present invention to provide a fuel electrode that suppresses deterioration of the fuel, improves durability, and at the same time achieves both improvement in fuel utilization and output when using hydrogen and / or hydrocarbon fuel.
本発明者らは、上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、電子伝導体と酸素イオン伝導体に、更にプロトン伝導性を有する材料(以下、これを「プロトン伝導体」と略記する)を加えてサーメット燃料極を作製すれば、飛躍的に上記の電極特性が向上することを見出した。本発明はこれらの知見に基づいて成し遂げられたものである。 As a result of intensive studies to achieve the above problems, the present inventors have further added a material having proton conductivity (hereinafter abbreviated as “proton conductor”) to the electron conductor and the oxygen ion conductor. Thus, it has been found that the electrode characteristics can be dramatically improved if a cermet fuel electrode is produced. The present invention has been accomplished based on these findings.
すなわち本発明は、電子伝導体と酸素イオン伝導体の混合物および/または電子・酸素イオン混合伝導体、並びにプロトン伝導体を含み、酸素イオンを伝導する固体電解質層を有し、加湿されていない水素および/または炭化水素を含む物質を燃料として利用する燃料電池用の燃料極であって、
電子伝導体が、金属および/またはその金属酸化物であり、
酸素イオン伝導体が、安定化ジルコニア、ランタンガレートまたはセリア系固溶体であって、セリア系固溶体がCe1−xMxO2−δ(式中、MはGd、La、Y、Sc、Sm、Pr、Nd、Ca、Mg、Sr、Ba、Dy、Yb、Tb、および他の2価または3価のランタノイドからなる群から選ばれた1種以上の元素を示し、xは0<x≦0.5であり、δは酸素欠損量を示す。)で表される化合物であり、
電子・酸素イオン混合伝導体が、ペロブスカイト固溶体、パイロクロア固溶体またはフルオライト固溶体であって、ペロブスカイト固溶体がA1±aBO3−δ(式中、AはLa、Sr、Ca、YおよびPrからなる群より選ばれる少なくとも1種を示し、BはCo、Cr、Mn、NiおよびFeからなる群より選ばれる少なくとも1種を示し、0≦a≦0.2であり、δは酸素欠損量を示す。)で表される化合物、Ba(Ce1−xGdx)1±aO3(式中、0≦x≦0.5、0≦a≦0.2である。)で表される化合物、Ca(Al1−xTix)1±aO3(式中、0≦x≦0.5、0≦a≦0.2である。)で表される化合物、Sr(Zr1−xScx)1±aO3(式中、0≦x≦0.5、0≦a≦0.2である。)で表される化合物からなる群より選ばれる化合物であり、パイロクロア固溶体がLn2((Zr1−xTix)2)1±aO7(式中、LnはSc、Y、Laおよび他のランタノイドからなる群より選ばれた1種以上の元素を示し、0≦x≦0.5、0≦a≦0.2である。)で表される化合物であり、フルオライト固溶体がCe1−xMxO2−δ(式中、MはGd、La、Y、Sc、Sm、Pr、Nd、Ca、Mg、Sr、Ba、Dy、Yb、Tb、および他の2価または3価のランタノイドからなる群から選ばれた1種以上の元素を示し、0≦x≦0.5である。)で表される化合物であり、
プロトン伝導体が、Sr(Zr1−xYx)1±aO3−δ(式中、0<x≦0.5、0≦a≦0.2であり、δは酸素欠損量を示す。)で表されるペロブスカイト型化合物であることを特徴とする固体電解質型燃料電池の電極を提供するものである。
That is, the present invention provides a mixture of an electron conductor and an oxygen ion conductor and / or a mixed electron / oxygen ion conductor, and a proton conductor, and has a solid electrolyte layer that conducts oxygen ions and is not humidified. and / or a substance containing a hydrocarbon to a fuel electrode for a fuel cell you use as fuel,
The electronic conductor is a metal and / or its metal oxide;
The oxygen ion conductor is a stabilized zirconia, lanthanum gallate, or ceria-based solid solution, and the ceria-based solid solution is Ce 1-x M x O 2-δ (where M is Gd, La, Y, Sc, Sm, One or more elements selected from the group consisting of Pr, Nd, Ca, Mg, Sr, Ba, Dy, Yb, Tb, and other divalent or trivalent lanthanoids, and x is 0 <x ≦ 0 And δ represents the amount of oxygen deficiency.)
The electron / oxygen ion mixed conductor is a perovskite solid solution, a pyrochlore solid solution or a fluorite solid solution, and the perovskite solid solution is A 1 ± a BO 3-δ (where A is composed of La, Sr, Ca, Y and Pr). At least one selected from the group, B represents at least one selected from the group consisting of Co, Cr, Mn, Ni and Fe, 0 ≦ a ≦ 0.2, and δ represents the amount of oxygen deficiency .), A compound represented by Ba (Ce 1-x Gd x ) 1 ± a O 3 (where 0 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ a ≦ 0.2). , Ca (Al 1-x Ti x ) 1 ± a O 3 (where 0 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ a ≦ 0.2), Sr (Zr 1-x Sc x ) 1 ± a O 3 (where 0 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ a ≦ 0.2) And a pyrochlore solid solution of Ln 2 ((Zr 1-x Ti x ) 2 ) 1 ± a O 7 (wherein Ln is Sc, Y, La and 1 or more elements selected from the group consisting of other lanthanoids, and 0 ≦ x ≦ 0.5 and 0 ≦ a ≦ 0.2.) The fluorite solid solution is Ce 1-x M x O 2-δ where M is Gd, La, Y, Sc, Sm, Pr, Nd, Ca, Mg, Sr, Ba, Dy, Yb, Tb, and other divalent or 3 One or more elements selected from the group consisting of valent lanthanoids, and 0 ≦ x ≦ 0.5.)
The proton conductor is Sr (Zr 1-x Y x ) 1 ± a O 3-δ (where 0 <x ≦ 0.5, 0 ≦ a ≦ 0.2, and δ represents the amount of oxygen deficiency) .) Is a perovskite type compound represented by the above formula, and provides an electrode of a solid oxide fuel cell.
また、本発明は、固体電解質層の少なくとも片面に、上記電極を有する燃料電池セルを提供するものであり、また、かかる燃料電池セルを有する燃料電池スタックまたは燃料電池を提供するものである。 Further, the present invention is to at least one surface of the solid electrolyte layer is intended to provide a fuel cell having the electrode, also provides a fuel cell stack or fuel cell having such a fuel cell.
本発明によれば、都市ガスをはじめとする炭化水素を含む燃料を、燃料極で直接酸化することができる高活性で劣化にも強い電極を提供し、これによって燃料電池の構造を単純化することにより低コストかつ高効率な燃料電池を提供することが可能となる。 According to the present invention, a highly active electrode that can directly oxidize a fuel containing hydrocarbons such as city gas directly at the fuel electrode and is resistant to deterioration, thereby simplifying the structure of the fuel cell. Thus, it is possible to provide a low-cost and highly efficient fuel cell.
以下、本発明の実施態様の代表例を示し、本発明を更に詳細に説明する。
1.電極
本発明の固体電解質型燃料電池の電極は、少なくとも、(a)電子伝導体と酸素イオン伝導体の混合物および/または電子・酸素イオン混合伝導体、並びに(b)プロトン伝導体を含むことを特徴とするものである。
Hereinafter, representative examples of the embodiments of the present invention will be shown to describe the present invention in more detail.
1. Electrode The electrode of the solid oxide fuel cell of the present invention includes at least (a) a mixture of an electron conductor and an oxygen ion conductor and / or a mixed electron / oxygen ion conductor, and (b) a proton conductor. It is a feature.
成分(a)は、(a−1)電子伝導体と酸素イオン伝導体の混合物および/または(a−2)電子・酸素イオン混合伝導体を含有するが、(a−1)電子伝導体と酸素イオン伝導体の混合物および/または(a−2)電子・酸素イオン混合伝導体は、それぞれ3次元的なネットワーク構造をもつ多孔質であることが好ましい。ここで、「3次元的なネットワーク構造」とは、電極中を電子および/または酸素イオンが伝導するパスが連通した構造をいい、「それぞれ」の単位は、「電子伝導体」、「酸素イオン伝導体」、「電子・酸素イオン混合伝導体」である。すなわち、電極を形成したとき結果的に、電子と酸素イオンの両方ともの導通があることが好ましい。そして、本発明の電極は、そこに更に成分(b)プロトン伝導体を含むことを特徴とする。 Component (a) contains (a-1) a mixture of an electron conductor and an oxygen ion conductor and / or (a-2) a mixed electron / oxygen ion conductor, but (a-1) an electron conductor and The mixture of oxygen ion conductors and / or (a-2) the electron / oxygen ion mixed conductor is preferably porous having a three-dimensional network structure. Here, the “three-dimensional network structure” refers to a structure in which a path through which electrons and / or oxygen ions are conducted in an electrode communicates, and the units of “respectively” are “electron conductor” and “oxygen ion”. “Conductor” and “electron / oxygen ion mixed conductor”. That is, when the electrode is formed, it is preferable that both electrons and oxygen ions have conduction as a result. And the electrode of this invention is characterized by further including a component (b) proton conductor there.
本発明の電極を構成する電子伝導体、酸素イオン伝導体、酸素・電子混合伝導体およびプロトン伝導体の最良の形態については、下記にそれぞれの項目に分けて詳述する。 The best modes of the electron conductor, oxygen ion conductor, oxygen / electron mixed conductor, and proton conductor constituting the electrode of the present invention will be described in detail for each item below.
(1)電子伝導体
電子伝導体は、燃料電池の運転温度において電子を伝導し易いか、燃料電池の電極の分野において、「電子伝導体」と言われるものであれば特に限定されないが、融点が600℃以上の金属、合金あるいはその酸化物であることが好ましい。構成元素がNi、Co、Cu、Fe、Ag、Pt、Au、Pd、Ru、Mo、WおよびTaからなる群より選択される少なくとも1種の金属並びに/またはその酸化物が特に好ましい。
(1) Electron Conductor The electron conductor is not particularly limited as long as it easily conducts electrons at the operating temperature of the fuel cell or is referred to as “electron conductor” in the field of fuel cell electrodes. Is preferably a metal, alloy or oxide thereof at 600 ° C. or higher. Particularly preferred are at least one metal selected from the group consisting of Ni, Co, Cu, Fe, Ag, Pt, Au, Pd, Ru, Mo, W and Ta and / or an oxide thereof.
(2)酸素イオン伝導体
酸素イオン伝導体は、燃料電池の運転温度において酸素イオンを伝導し易いか、燃料電池の電極の分野において、「酸素イオン伝導体」と言われるものであれば特に限定されないが、安定化ジルコニア、ランタンガレートまたはセリア系固溶体が、酸素イオン伝導度が高い等の点で好ましい。また、特に限定されないが、後述する固体電解質体と主成分が同じ化合物が好ましい。
(2) Oxygen ion conductor The oxygen ion conductor is particularly limited as long as it easily conducts oxygen ions at the operating temperature of the fuel cell or is referred to as an “oxygen ion conductor” in the field of fuel cell electrodes. However, stabilized zirconia, lanthanum gallate or ceria-based solid solution is preferable in terms of high oxygen ion conductivity. Moreover, although it does not specifically limit, the compound whose main component is the same as the solid electrolyte body mentioned later is preferable.
安定化ジルコニアは特に限定はないが、一般式(ZrO2)1−x(M2O3)x(式中、MはY、Sc、Sm、Nd、GdおよびYbからなる群より選ばれた1種以上の元素を示す)および/または(ZrO2)1−x(MO)x(式中、MはCaおよびMgからなる群より選ばれた1種以上の元素を示す)における、xが0<x≦0.3である固溶体が好ましい。特に好ましいものとしては、例えば、(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08等が挙げられる。なお、以下、(ZrO2)1−x(Y2O3)x(式中、0<x≦0.3)を「イットリア安定化ジルコニア」または「YSZ」と略記する。また以下、一般に例えば「式中、Aは、Q、RおよびTからなる群から選ばれた1種以上の元素を示す」という表現は、例えば、式中、AがQである固容体とAがRである固溶体の混合でもよいことを示すだけではなく、AとしてQとRとを同時に結晶サイトに有する固溶体をも示すものとする。 Stabilized zirconia is not particularly limited, but general formula (ZrO 2 ) 1-x (M 2 O 3 ) x (wherein M is selected from the group consisting of Y, Sc, Sm, Nd, Gd and Yb) X represents one or more elements) and / or (ZrO 2 ) 1-x (MO) x (wherein M represents one or more elements selected from the group consisting of Ca and Mg). Solid solutions with 0 <x ≦ 0.3 are preferred. Particularly preferable examples include (ZrO 2 ) 0.92 (Y 2 O 3 ) 0.08 . Hereinafter, (ZrO 2 ) 1-x (Y 2 O 3 ) x (where 0 <x ≦ 0.3) is abbreviated as “yttria-stabilized zirconia” or “YSZ”. In addition, generally, for example, the expression “wherein A represents one or more elements selected from the group consisting of Q, R, and T” is expressed by, for example, a solid body in which A is Q and A In addition to indicating that a solid solution in which R is R may be mixed, the solid solution having A and Q at the same time as the crystal site is also indicated.
ランタンガレートは特に限定はないが、一般式、La1−xSrxGa1−y−zMgyAzO3(式中、AはCo、Fe、NiまたはCuのいずれか1種以上の元素を示し、x=0.05〜0.3、y=0〜0.29、z=0.01〜0.3、y+z=0.025〜0.3の範囲である)で表される固溶体が好ましい。具体的には、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O3−δ(式中、δは酸素欠損量を示す)等が挙げられる。 Although lanthanum gallate is not particularly limited, general formula, La 1-x Sr x Ga 1-y-z Mg y A z O 3 ( wherein, A is Co, Fe, any one or more of Ni or Cu Element is represented by x = 0.05 to 0.3, y = 0 to 0.29, z = 0.01 to 0.3, y + z = 0.025 to 0.3). A solid solution is preferred. Specific examples include La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.15 Co 0.05 O 3-δ (where δ represents the amount of oxygen deficiency).
セリア系固溶体は特に限定はないが、Ce1−xMxO2(式中、MはGd、La、Y、Sc、Sm、Pr、Nd、Ca、Mg、Sr、Ba、Dy、Yb、Tb、および他の2価または3価のランタノイドからなる群から選ばれた1種以上の元素を示す)における、xが0<x≦0.5である固溶体が好ましい。特に好ましいセリア系固溶体としては、Ce0.8Gd0.2O2−δ(式中、δは酸素欠損量を示す)等が挙げられる。 The ceria-based solid solution is not particularly limited, but Ce 1-x M x O 2 (wherein M is Gd, La, Y, Sc, Sm, Pr, Nd, Ca, Mg, Sr, Ba, Dy, Yb, A solid solution in which x is 0 <x ≦ 0.5 in Tb and one or more elements selected from the group consisting of other divalent or trivalent lanthanoids) is preferable. Particularly preferred ceria-based solid solutions include Ce 0.8 Gd 0.2 O 2-δ (where δ represents the amount of oxygen deficiency).
(3)電子・酸素イオン混合伝導体
電子・酸素イオン混合伝導体としては、電子と酸素イオンを共に伝導し易いか、燃料電池の電極の分野において、「電子・酸素イオン混合伝導体」と言われるものであれば特に限定はないが、公知のペロブスカイト固溶体、パイロクロア固溶体またはフルオライト固溶体が好ましい。
(3) Electron / oxygen ion mixed conductor As the electron / oxygen ion mixed conductor, it is easy to conduct both electrons and oxygen ions, or in the field of fuel cell electrodes, it is called “electron / oxygen ion mixed conductor”. Any known perovskite solid solution, pyrochlore solid solution or fluorite solid solution is preferable.
ペロブスカイト固溶体とは、ペロブスカイト型の結晶構造をとる固溶体をいい、一般式、A1±aBO3−δ(式中、AはLa、Sr、Ca、YおよびPrからなる群より選ばれる少なくとも1種を示し、BはCo、Cr、Mn、NiおよびFeからなる群より選ばれる少なくとも1種を示し、0≦a≦0.2である)で表されるものが好ましい。このうち、LaCoO3、LaMnO3、LaCrO3等を母体とする物質が好ましい。具体的には、La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3、La0.75Sr0.2Cr0.5Mn0.5O3等が挙げられる。
The perovskite solid solution refers to a solid solution having a perovskite-type crystal structure, and is represented by a general formula, A 1 ± a BO 3-δ (where A is at least one selected from the group consisting of La, Sr, Ca, Y and Pr). And B represents at least one selected from the group consisting of Co, Cr, Mn, Ni and Fe, and 0 ≦ a ≦ 0.2. Of these, substances based on LaCoO 3 , LaMnO 3 , LaCrO 3 and the like are preferred. Specifically, La 0.6 Sr 0.4 Fe 0.8 Co 0.2
そのほかのペロブスカイト固溶体では、Ba(Ce1−xGdx)1±aO3(式中、0≦x≦0.5、0≦a≦0.2である)、Ca(Al1−xTix)1±aO3(式中、0≦x≦0.5、0≦a≦0.2である)、Sr(Zr1−xScx)1±aO3(式中、0≦x≦0.5、0≦a≦0.2である)等で表されるものも好ましい。具体的には、BaCe0.9Gd0.1O3、CaAl0.7Ti0.3O3、SrZr0.9Sc0.1O3等が挙げられる。
In other perovskite solid solutions, Ba (Ce 1-x Gd x ) 1 ± a O 3 (where 0 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ a ≦ 0.2), Ca (Al 1-x Ti x ) 1 ± a O 3 (where 0 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ a ≦ 0.2), Sr (Zr 1-x Sc x ) 1 ± a O 3 (where 0 ≦ x x ≦ 0.5 and 0 ≦ a ≦ 0.2) are also preferable. Specifically, BaCe 0.9 Gd 0.1 O 3, CaAl 0.7 Ti 0.3
パイロクロア固溶体とは、パイロクロア型の結晶構造をとる固溶体をいい、例としては、Ln2((Zr1−xTix)2)1±aO7(式中、LnはSc、Y、Laおよび他のランタノイドからなる群より選ばれた1種以上の元素を示し、0≦x≦0.5、0≦a≦0.2である)が好ましいものとして挙げられる。具体的には例えば、Gd2((Zr1−xTix)2)1±aO7(式中、0≦x≦0.5、0≦a≦0.2である)、Y2((Zr1−xTix)2)1±aO7(式中、0≦x≦0.5、0≦a≦0.2である)等が挙げられる。 The pyrochlore solid solution refers to a solid solution having a pyrochlore type crystal structure. For example, Ln 2 ((Zr 1-x Ti x ) 2 ) 1 ± a O 7 (wherein Ln is Sc, Y, La and One or more elements selected from the group consisting of other lanthanoids are shown, and 0 ≦ x ≦ 0.5 and 0 ≦ a ≦ 0.2) are preferred. Specifically, for example, Gd 2 ((Zr 1-x Ti x ) 2 ) 1 ± a O 7 (where 0 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ a ≦ 0.2), Y 2 ( (Zr 1-x Ti x ) 2 ) 1 ± a O 7 (where 0 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ a ≦ 0.2).
フルオライト固溶体とは、フルオライト型の結晶構造をとる固溶体をいい、その中で好ましいものはセリア系固溶体で、Ce1−xMxO2(式中、MはGd、La、Y、Sc、Sm、Pr、Nd、Ca、Mg、Sr、Ba、Dy、Yb、Tb、および他の2価または3価のランタノイドからなる群から選ばれた1種以上の元素を示し、0≦x≦0.5である)で表されるものである。特に好ましいセリア系固溶体として、Ce0.8Gd0.2O2−δ(式中、δは酸素欠損量を示す)等が挙げられる。 The fluorite solid solution refers to a solid solution having a fluorite-type crystal structure. Among them, a ceria-based solid solution is preferable, and Ce 1-x M x O 2 (wherein M is Gd, La, Y, Sc). , Sm, Pr, Nd, Ca, Mg, Sr, Ba, Dy, Yb, Tb, and one or more elements selected from the group consisting of other divalent or trivalent lanthanoids, 0 ≦ x ≦ 0.5). As a particularly preferred ceria-based solid solution, Ce 0.8 Gd 0.2 O 2-δ (where δ represents the amount of oxygen deficiency) and the like can be mentioned.
本発明の電極を燃料極とした場合には、ペロブスカイト固溶体(例えば、La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3)またはフルオライト固溶体(例えば、Ce0.8Gd0.2O2−δ(式中、δは酸素欠損量を示す))が、高い混合伝導性をもつ等の点で好ましい。 When the electrode of the present invention is a fuel electrode, a perovskite solid solution (for example, La 0.6 Sr 0.4 Fe 0.8 Co 0.2 O 3 ) or a fluorite solid solution (for example, Ce 0.8 Gd 0 .2 O 2−δ (where δ represents the amount of oxygen deficiency) is preferable from the standpoint of having high mixed conductivity.
(4)プロトン伝導体
本発明は、固体電解質型燃料電池の電極に、プロトン伝導体を含有することを特徴とする。プロトン伝導体とは、燃料電池の運転温度においてプロトンを伝導し易いものであれば特に限定されないが、本発明においては、プロトン伝導体として、燃料電池の運転温度において、10−4Scm−1以上のプロトン伝導度を有する物質を用いることが好ましい。特に好ましくは、10−3Scm−1以上のプロトン伝導度を有する物質であり、更に好ましくは、10−2Scm−1以上のプロトン伝導度を有する物質である。
(4) Proton Conductor The present invention is characterized in that a proton conductor is contained in an electrode of a solid oxide fuel cell. The proton conductor is not particularly limited as long as it easily conducts protons at the operating temperature of the fuel cell. In the present invention, the proton conductor is 10 −4 Scm −1 or more at the operating temperature of the fuel cell. It is preferable to use a substance having proton conductivity of Particularly preferred are substances having a proton conductivity of 10 −3 Scm −1 or more, and more preferred are substances having a proton conductivity of 10 −2 Scm −1 or more.
本発明の電極に含有されるプロトン伝導体としては、特に限定されないが、酸素イオン伝導体あるいは固体電解質の主成分金属と同じ金属を主成分とする物質が、粒子間の良好な接合が得られ易い、伝導性の悪い反応生成物が生成しにくい等の点で好ましい。また、ペロブスカイト型のプロトン伝導体が、高いプロトン伝導性をもつ点で好ましい。プロトン伝導体として特に好ましくは、酸素イオン伝導体あるいは固体電解質の主成分金属がペロブスカイト型結晶構造のBサイトの50%以上を占有するペロブスカイト型化合物である。
The proton conductor contained in the electrode according to the present invention is not particularly limited, but a substance mainly composed of the same metal as the main component metal of the oxygen ion conductor or the solid electrolyte can provide good bonding between particles. It is preferable in that it is easy to generate reaction products with poor conductivity. A perovskite proton conductor is preferable in that it has high proton conductivity. Particularly preferred as the proton conductor is an oxygen ion conductor or a perovskite compound in which the main component metal of the solid electrolyte occupies 50% or more of the B site of the perovskite crystal structure.
本発明のプロトン伝導体としてのペロブスカイト型化合物は、A(B1−xB’x)1±aO3−δ(式中、AはBa、CaおよびSrからなる群より選ばれた1種以上の元素を示し、BはCeおよびZrからなる群より選ばれた1種以上の元素を示し、B’はY、Nd、La、Ca、Yb、Sc、In、Gd、および他の2価または3価のランタノイドからなる群より選ばれた1種以上の元素を示し、0<x≦0.5、0≦a≦0.2である)で表されるものが好ましい。より具体的には、SrZr0.95Y0.05O3−δ、SrCe0.95Yb0.05O3−δ、BaCe0.9Y0.1O3−δ(式中、δは酸素欠損量を示す)等が挙げられる。 The perovskite type compound as the proton conductor of the present invention is A (B 1-x B ′ x ) 1 ± a O 3-δ (wherein A is one selected from the group consisting of Ba, Ca and Sr) B represents one or more elements selected from the group consisting of Ce and Zr, and B ′ represents Y, Nd, La, Ca, Yb, Sc, In, Gd, and other divalent elements. Alternatively, one represented by one or more elements selected from the group consisting of trivalent lanthanoids, and 0 <x ≦ 0.5 and 0 ≦ a ≦ 0.2) is preferable. More specifically, SrZr 0.95 Y 0.05 O 3-δ , SrCe 0.95 Yb 0.05 O 3-δ , BaCe 0.9 Y 0.1 O 3-δ (where δ is Indicating the amount of oxygen deficiency).
代表的なYSZを、後述する固体電解質体に採用した場合、本発明のプロトン伝導体としての特に好ましい例としては、YドープSrZrO3等が挙げられ、具体的な組成としては、SrZr0.95Y0.05O3−δ(式中、δは酸素欠損量を示す)等が挙げられる。 When typical YSZ is employed in a solid electrolyte body to be described later, a particularly preferable example of the proton conductor of the present invention includes Y-doped SrZrO 3 and the like, and a specific composition is SrZr 0.95. Y 0.05 O 3-δ (where δ represents the amount of oxygen deficiency) and the like.
YSZを採用した場合、本発明の固体電解質型燃料電池の電極としての特に好ましい例は、Ni/(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08−SrZr0.95Y0.05O3である。 When YSZ is employed, a particularly preferred example of the electrode of the solid oxide fuel cell of the present invention is Ni / (ZrO 2 ) 0.92 (Y 2 O 3 ) 0.08 -SrZr 0.95 Y 0.05 O 3.
本発明の固体電解質型燃料電池の電極全体に対する(A)電子伝導体、(B)酸素イオン伝導体、(C)電子・酸素イオン混合伝導体、(D)プロトン伝導体の含有量については特に限定されないが、電極のコンポジット組成毎に好ましい含有量を以下に記す。 Regarding the contents of (A) electron conductor, (B) oxygen ion conductor, (C) electron / oxygen ion mixed conductor, and (D) proton conductor with respect to the entire electrode of the solid oxide fuel cell of the present invention. Although it is not limited, preferable content is described below for every composite composition of an electrode.
電極のコンポジット組成が、(A)電子伝導体、(B)酸素イオン伝導体および(D)プロトン伝導体であるときは、(A)と(B)ともに電極全体に対して、10質量%以上であることが、電子および酸素イオンの伝導パスの3次元的なネットワーク構造を形成するために好ましく、20質量%以上であることが特に好ましい。また、80質量%以下であることが好ましく、70質量%以下であることが特に好ましい。 When the composite composition of the electrode is (A) an electron conductor, (B) an oxygen ion conductor, and (D) a proton conductor, both (A) and (B) are 10% by mass or more based on the entire electrode. In order to form a three-dimensional network structure of conduction paths of electrons and oxygen ions, it is particularly preferably 20% by mass or more. Moreover, it is preferable that it is 80 mass% or less, and it is especially preferable that it is 70 mass% or less.
電極のコンポジット組成が、(C)電子・酸素イオン混合伝導体と(D)プロトン伝導体であるときは、(C)は電極全体に対して、10質量%以上であることが、電子および酸素イオンの伝導パスの3次元的なネットワーク構造を形成するために好ましく、20質量%以上であることが特に好ましい。また、80質量%以下であることが好ましく、70質量%以下であることが特に好ましい。 When the composite composition of the electrode is (C) an electron / oxygen ion mixed conductor and (D) a proton conductor, (C) is 10% by mass or more with respect to the entire electrode. It is preferable for forming a three-dimensional network structure of ion conduction paths, and is particularly preferably 20% by mass or more. Moreover, it is preferable that it is 80 mass% or less, and it is especially preferable that it is 70 mass% or less.
電極のコンポジット組成が、(A)電子伝導体、(B)酸素イオン伝導体、(C)電子・酸素イオン混合伝導体および(D)プロトン伝導体であるときは、(A)と(B)のそれぞれ両方か、あるいは(C)が、電極全体に対して、10質量%以上であることが、電子および酸素伝導パスの3次元的なネットワーク構造を形成するために好ましく、20質量%以上であることが特に好ましい。また、80質量%以下であることが好ましく、70質量%以下であることが特に好ましい。 When the composite composition of the electrode is (A) an electron conductor, (B) an oxygen ion conductor, (C) an electron / oxygen ion mixed conductor and (D) a proton conductor, (A) and (B) In order to form a three-dimensional network structure of electron and oxygen conduction paths, it is preferable that each of both of (C) and (C) is 10% by mass or more with respect to the entire electrode. It is particularly preferred. Moreover, it is preferable that it is 80 mass% or less, and it is especially preferable that it is 70 mass% or less.
(D)プロトン伝導体の含有量は、コンポジット組成にかかわらず、電極全体に対して、70質量%以下であることが好ましく、50質量%以下であることが特に好ましい。また、1質量%以上であることが好ましく、5質量%以上であることが特に好ましい。プロトン伝導体が少なすぎると、本発明の上記効果が得られない場合がある。 (D) The content of the proton conductor is preferably 70% by mass or less, and particularly preferably 50% by mass or less, with respect to the entire electrode regardless of the composite composition. Moreover, it is preferable that it is 1 mass% or more, and it is especially preferable that it is 5 mass% or more. When there are too few proton conductors, the above effects of the present invention may not be obtained.
固体電解質体として、最も一般的なYSZを採用した場合、本発明の固体電解質型燃料電池の電極としての特に好ましい例は、前記したように、Ni/(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08−SrZr0.95Y0.05O3であるが、その質量組成比は、電極全体に対し、Niが20〜70質量%、(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08が20〜70質量%、SrZr0.95Y0.05O3が5〜50質量%が好ましく、特に好ましくは、Ni/(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08/SrZr0.95Y0.05O3=6/2.8/1.2である。 When the most common YSZ is adopted as the solid electrolyte body, a particularly preferable example of the electrode of the solid electrolyte fuel cell of the present invention is Ni / (ZrO 2 ) 0.92 (Y 2 O, as described above. 3 ) 0.08- SrZr 0.95 Y 0.05 O 3 , and the mass composition ratio of Ni is 20 to 70 mass% with respect to the entire electrode, (ZrO 2 ) 0.92 (Y 2 O 3 ) 0.08 is preferably 20 to 70% by mass, and SrZr 0.95 Y 0.05 O 3 is preferably 5 to 50% by mass, particularly preferably Ni / (ZrO 2 ) 0.92 (Y 2 O 3 ). 0.08 / SrZr 0.95 Y 0.05 O 3 = 6 / 2.8 / 1.2.
2.固体電解質体
固体電解質体は特に限定はないが、例えば、YSZあるいはカルシア安定化ジルコニア等が挙げられる。セリア系固溶体やランタンガレート系固溶体でも良い。代表的なものは(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08等である。
2. Solid electrolyte body The solid electrolyte body is not particularly limited, and examples thereof include YSZ and calcia-stabilized zirconia. A ceria solid solution or a lanthanum gallate solid solution may be used. A typical one is (ZrO 2 ) 0.92 (Y 2 O 3 ) 0.08 or the like.
3.空気極
空気極は一般的なもので特に限定はないが、例えば、La1-xSrxMnO3やLaCoO3等のペロブスカイト型ランタン系複合酸化物等が挙げられる。具体的にはLa0.85Sr0.15MnO3等が挙げられる。
3. Air electrode The air electrode is a general one and is not particularly limited. Examples thereof include perovskite-type lanthanum-based composite oxides such as La 1-x Sr x MnO 3 and LaCoO 3 . More specific examples thereof include La 0.85 Sr 0.15 MnO 3 and the like.
4.セルまたはスタック
セルは、例えば図1のように、固体電解質体の両面にそれぞれ燃料極と空気極を配置したものであり、セルの形状は、平板型あるいは円筒型が挙げられる。これら単セルを重ね合わせてセルの集合体であるスタックを形成する。
4). A cell or a stack cell is one in which a fuel electrode and an air electrode are respectively disposed on both surfaces of a solid electrolyte body as shown in FIG. 1, and the shape of the cell may be a flat plate type or a cylindrical type. These single cells are overlapped to form a stack that is an aggregate of cells.
本発明の電極を形成する電極材料の製造方法は特に限定はないが、電極材料であるセラミックス粉は、例えば酸化物、炭酸塩、硝酸塩、金属アルコキシド等を出発原料にし、固相法、共沈法、錯体法、燃焼法、噴霧熱分解法、ゾルーゲル法等により調製できる。このセラミックス粉は必要に応じて仮焼およびボールミル等による粉砕を行う。 The method for producing the electrode material for forming the electrode of the present invention is not particularly limited, but the ceramic powder as the electrode material may be prepared by using, for example, an oxide, carbonate, nitrate, metal alkoxide, etc. It can be prepared by the method, complex method, combustion method, spray pyrolysis method, sol-gel method and the like. This ceramic powder is subjected to calcination and ball milling as necessary.
電極材料の平均粒子は10μm以下であることが好ましく、6μm以下であることが特に好ましい。また、0.01μm以上にすることが好ましく、0.1μm以上にすることが特に好ましい。 The average particle of the electrode material is preferably 10 μm or less, and particularly preferably 6 μm or less. Moreover, it is preferable to set it as 0.01 micrometer or more, and it is especially preferable to set it as 0.1 micrometer or more.
本電極材料(セラミックス粉)を溶媒に分散し、有機バインダー等を添加してスラリーを調製する。本スラリーをドクターブレード装置等にかけてグリーンシートを製造、あるいは押し出し成形機等にかけてチューブを製造する。これら、セラミックス粉、スラリーあるいはグリーン成形体は、本発明の電極を形成するために用いられる。 This electrode material (ceramic powder) is dispersed in a solvent, and an organic binder or the like is added to prepare a slurry. The slurry is applied to a doctor blade device or the like to produce a green sheet, or an extrusion molding machine or the like to produce a tube. These ceramic powder, slurry or green molded body is used for forming the electrode of the present invention.
次に、電極およびセルを製造する方法について述べる。電極および電解質からなるセルの多層構造を形成するため、前記電極および電解質のグリーンシートを張り合わせるテープカレンダリングや、グリーンシートや成形チューブ、あるいはこれらの仮焼または本焼後の表面に、別の層を形成するためスラリーコート法、スプレーコート法、ディッピング法あるいはゾルーゲル法等が利用できる。本多層構造体をさらに焼結を行って単セルを製造する。 Next, a method for manufacturing electrodes and cells will be described. In order to form a multilayer structure of cells composed of electrodes and electrolytes, tape calendering that bonds the electrode and electrolyte green sheets, green sheets and molded tubes, or the surfaces after calcination or firing of these, In order to form the layer, a slurry coating method, a spray coating method, a dipping method, a sol-gel method, or the like can be used. The multilayer structure is further sintered to produce a single cell.
5.燃料電池
燃料電池は、前記スタックと、バランスオブプラントとして、スタックへの燃料ガスや酸化剤ガスの供給系、これら供給ガスの予熱や排熱回収を行うための熱交換器、必要に応じて水蒸気を供給するための蒸発器や燃料ガスの改質器と、燃料電池の運転を制御するための制御系からなる。本発明によれば、水蒸気の供給が不要あるいは大幅に縮小することが可能であり、それに関連した熱交換器も不要あるいは縮小することが可能なので、燃料電池の構造を単純化・コンパクト化でき、燃料電池の製造コスト削減と、さらには発電効率の向上が可能になるという特徴を有する。
5. Fuel cell The fuel cell is a fuel gas and oxidant gas supply system to the stack as a balance of plant, a heat exchanger for preheating and exhaust heat recovery of these supply gases, and steam if necessary. And a fuel gas reformer, and a control system for controlling the operation of the fuel cell. According to the present invention, the supply of water vapor is unnecessary or can be greatly reduced, and the heat exchanger associated therewith can also be unnecessary or reduced, so that the structure of the fuel cell can be simplified and made compact. The fuel cell manufacturing cost can be reduced and the power generation efficiency can be improved.
6.燃料
本発明の電極は、水素および/または炭化水素を燃料として用いる燃料電池に用いられるが、炭化水素燃料を用いる燃料電池に用いることが好ましい。本発明に用いられる炭化水素は特に限定されないが、例えば、都市ガス、メタン、エタン、プロパン、ブタン、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ジメチルエーテル、天然ガス、LPG、ナフサ、灯油等が挙げられる。燃料は加湿して用いても良いが、本発明は加湿しないドライ燃料が利用できることを特徴とするので、本発明の効果をより発揮させるためには、加湿されていないドライ燃料を用いることが好ましい。
6). Fuel The electrode of the present invention is used in a fuel cell using hydrogen and / or hydrocarbon as fuel, but is preferably used in a fuel cell using hydrocarbon fuel. The hydrocarbon used in the present invention is not particularly limited, and examples thereof include city gas, methane, ethane, propane, butane, methanol, ethanol, propanol, butanol, dimethyl ether, natural gas, LPG, naphtha, and kerosene. Although the fuel may be used after being humidified, the present invention is characterized in that dry fuel that is not humidified can be used. Therefore, in order to achieve the effects of the present invention, it is preferable to use dry fuel that is not humidified. .
次に実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例によって限定されるものではない。 EXAMPLES Next, although an Example is given and this invention is demonstrated further more concretely, this invention is not limited by a following example, unless the summary is exceeded.
実施例1
<燃料極の酸化物粉末の調製>
NiOは関東化学製の3Nで、平均粒径は4.7μmのものを用いた。YSZは東ソー製のTZ−8Yを用い、1250℃で4時間焼成を行い、エタノール中でボールミルを行った。プロトン伝導体としては、SrZr0.95Y0.05O3−δ(以下、「SrZY」と略記する)を用い、グリシン・ナイトレート法で合成し、湿式ボールミル後に1250℃で4時間の焼成を行い、乳鉢で粉砕後さらに1250℃で4時間の焼成を行った。なお、東ソー製のTZ−8Yの組成は、(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08である。
Example 1
<Preparation of fuel electrode oxide powder>
NiO was 3N manufactured by Kanto Chemical Co., and the average particle size was 4.7 μm. YSZ was TZ-8Y manufactured by Tosoh Corporation, fired at 1250 ° C. for 4 hours, and ball milled in ethanol. As the proton conductor, SrZr 0.95 Y 0.05 O 3-δ (hereinafter abbreviated as “SrZY”) was synthesized by the glycine nitrate method, and fired at 1250 ° C. for 4 hours after wet ball milling. After pulverizing with a mortar, baking was further performed at 1250 ° C. for 4 hours. In addition, the composition of TZ-8Y made by Tosoh is (ZrO 2 ) 0.92 (Y 2 O 3 ) 0.08 .
<燃料極ペーストの調製>
NiOと酸化物粉の重量比は6:4、酸化物粉の重量比はYSZ:SrZY=7:3となるように各粉体を秤量した。これに、α−テルピネオールを、酸化物粉に対して重量で1.2倍量を添加し、遊星ボールミルに600rpmで1時間かけた。回収したペーストに、エチルセルロースを粉体重量の10%量を添加し、60〜70℃に加熱しながら良く混合して電極ペーストとした。
<Preparation of fuel electrode paste>
Each powder was weighed so that the weight ratio of NiO to oxide powder was 6: 4 and the weight ratio of oxide powder was YSZ: SrZY = 7: 3. Α-Terpineol was added in an amount of 1.2 times by weight with respect to the oxide powder, and it was put on a planetary ball mill at 600 rpm for 1 hour. To the collected paste, 10% of the weight of powder of ethyl cellulose was added and mixed well while heating to 60 to 70 ° C. to obtain an electrode paste.
<セル作製>
直径20mmφ、厚み0.3mmの東ソー製YSZディスクの片面にマスキングを行い、ドクターブレード法で前記の燃料極ペーストを塗布した。90℃で5時間以上乾燥した後、電気炉にて1250℃で4時間の焼成を行った。続いて、もう一方の面に同様のマスキングを行って、同じくドクターブレード法で空気極を塗布した。空気極ペーストは、La0.85Sr0.15MnO3−δの粉体を燃料極ペーストと同様にして調製した。電極のサイズは各々0.53〜0.55cm2で、焼成後の燃料極の厚みは約40μm、空気極のそれは15〜20μmであった。得られた燃料極を「Ni/YSZ−SrZY」とする。
<Cell fabrication>
Masking was performed on one side of a Tosoh YSZ disk having a diameter of 20 mmφ and a thickness of 0.3 mm, and the fuel electrode paste was applied by a doctor blade method. After drying at 90 ° C. for 5 hours or longer, firing was performed at 1250 ° C. for 4 hours in an electric furnace. Subsequently, the same masking was performed on the other surface, and an air electrode was similarly applied by the doctor blade method. As the air electrode paste, a powder of La 0.85 Sr 0.15 MnO 3-δ was prepared in the same manner as the fuel electrode paste. The electrode size was 0.53 to 0.55 cm 2 , the thickness of the fuel electrode after firing was about 40 μm, and that of the air electrode was 15 to 20 μm. The obtained fuel electrode is referred to as “Ni / YSZ-SrZY”.
比較例1
プロトン伝導体であるSrZYを用いない以外は、実施例1と同様にして、燃料極の酸化物粉末の調製、燃料極ペーストの調製およびセル作製を行った。2個作成し、得られた燃料極を、それぞれ「Ni/YSZ A」「Ni/YSZ B」とする。また以下、A、B併せて、「Ni/YSZ」という。
Comparative Example 1
A fuel electrode oxide powder, a fuel electrode paste, and a cell were prepared in the same manner as in Example 1 except that SrZY, which is a proton conductor, was not used. Two fuel electrodes were prepared, and the obtained fuel electrodes were named “Ni / YSZ A” and “Ni / YSZ B”, respectively. Hereinafter, A and B are collectively referred to as “Ni / YSZ”.
<プロトン伝導度>
SrZYの900℃におけるプロトン伝導度は、2×10−3Scm−1である(松本広重,ステリアルインテグレーション,18巻,7号,5頁(2005年))。
<Proton conductivity>
The proton conductivity of SrZY at 900 ° C. is 2 × 10 −3 Scm −1 (Hiroshige Matsumoto, Stellar Integration, Vol. 18, No. 7, p. 5 (2005)).
<評価方法>
燃料極には加湿していない水素を200ccm、空気極には同じくO2を60ccmで流通し、900℃における電流と電位の関係をポテンショガルバノスタット(ADVANTEST R6240A)を用いて測定した。カレントインタラプト法を用いて、燃料極の過電圧を分離し、以下の式を用いて三相界面における酸素の活量a0を求め、本活量と電流の関係を調べた。
<Evaluation method>
Hydrogen that was not humidified was passed through the fuel electrode at 200 ccm, and O 2 was passed through the air electrode at 60 ccm, and the relationship between current and potential at 900 ° C. was measured using a potentiogalvanostat (ADVANTEST R6240A). Using the current interrupt method, the overvoltage of the fuel electrode was separated, the oxygen activity a 0 at the three-phase interface was determined using the following equation, and the relationship between the main activity and the current was investigated.
a0=exp(2FE/RT)
(式中、Fはファラデー定数、Eは燃料極電位、Rは気体定数、Tは温度を表す。)
a 0 = exp (2FE / RT)
(In the formula, F represents the Faraday constant, E represents the fuel electrode potential, R represents the gas constant, and T represents the temperature.)
<評価結果>
図2に示すように、Ni/YSZ−SrZY電極を用いたときの傾きは約2/3で、Ni/YSZ電極を用いたときの傾き約1よりも減少した。また、低酸素活量における電流密度はNi/YSZ電極よりも向上した。対数スケール図における傾きが小さくなったこと、つまり電流iに対するa0の次数が小さくなったことは、反応サイトである三相界面で反応に関与する酸素被覆率が上昇したことに対応する(M.Ihara et al., J. Electrochem. Soc.,148(3) A209-A219(2001))。
<Evaluation results>
As shown in FIG. 2, the slope when using the Ni / YSZ-SrZY electrode was about 2/3, which was smaller than the slope when using the Ni / YSZ electrode. Moreover, the current density at the low oxygen activity was improved as compared with the Ni / YSZ electrode. A decrease in the slope in the logarithmic scale diagram, that is, a decrease in the order of a 0 with respect to the current i corresponds to an increase in the oxygen coverage rate involved in the reaction at the three-phase interface as the reaction site (M Ihara et al., J. Electrochem. Soc., 148 (3) A209-A219 (2001)).
一般に、電流iに対するa0の次数が小さくなり、酸素被覆率が上昇したことは、ドライ燃料に対する耐性が向上したことを示すと言われており、従ってこのことから、Ni/YSZ−SrZY電極を用いることで、水素および炭化水素燃料を用いたときの出力が向上し、ドライ炭化水素燃料での炭素析出による電極劣化に対する耐性が向上し、安定発電が可能な方向に電極特性が向上したことがわかった。 In general, it is said that the order of a 0 with respect to the current i is reduced and the oxygen coverage is increased, which indicates that the resistance to dry fuel is improved. Therefore, from this, the Ni / YSZ-SrZY electrode is The use of hydrogen and hydrocarbon fuel improves the output, improves the resistance to electrode degradation caused by carbon deposition in dry hydrocarbon fuel, and improves the electrode characteristics in a direction that enables stable power generation. all right.
実施例1では単セルを用いたが、スタックにおいても同様の効果が期待できる。 In the first embodiment, a single cell is used, but the same effect can be expected in a stack.
実施例2
<燃料極の酸化物粉末の調製>
NiOとYSZは実施例1と同じものを用いて、YSZ同様の前処理を行った。プロトン伝導体として、SrCe0.95Yb0.05O3−δ、(以下、「SrCY」と略記する)を用いた。SrCYは、セイミケミカル製の粉末を用いた。
Example 2
<Preparation of fuel electrode oxide powder>
NiO and YSZ were the same as those in Example 1, and the same pretreatment as YSZ was performed. As a proton conductor, SrCe 0.95 Yb 0.05 O 3-δ (hereinafter abbreviated as “SrCY”) was used. As SrCY, a powder made by Seimi Chemical was used.
<燃料極ペーストの調製>
NiOと酸化物粉の重量比は6:4、酸化物粉の重量比はYSZ:SrCY=9:1および1:1となるように各粉体を秤量した。これら粉体に実施例1と同様の処理を行って電極ペーストを調製した。
<Preparation of fuel electrode paste>
Each powder was weighed so that the weight ratio of NiO to oxide powder was 6: 4 and the weight ratio of oxide powder was YSZ: SrCY = 9: 1 and 1: 1. These powders were treated in the same manner as in Example 1 to prepare electrode pastes.
<セル作製>
実施例1と同様に、YSZディスクの片面に、前記の燃料極ペーストNi/YSZ−SrCY(酸化物重量比が9:1、1:1、1:0の3種類)をそれぞれ塗布した。90℃で5時間以上乾燥した後、電気炉にて1300℃で4時間の焼成を行った。空気極の作製は実施例1と同様にした。
<Cell fabrication>
As in Example 1, the fuel electrode paste Ni / YSZ-SrCY (three kinds of oxide weight ratios 9: 1, 1: 1, and 1: 0) was applied to one side of a YSZ disk. After drying at 90 ° C. for 5 hours or more, baking was performed at 1300 ° C. for 4 hours in an electric furnace. The air electrode was produced in the same manner as in Example 1.
<プロトン伝導度>
SrCYの900℃におけるプロトン伝導度は、1×10−2Scm−1である(松本広重,ステリアルインテグレーション,18巻,7号,5頁(2005年))。
<Proton conductivity>
The proton conductivity of SrCY at 900 ° C. is 1 × 10 −2 Scm −1 (Hiroshige Matsumoto, Stellar Integration, Vol. 18, No. 7, p. 5 (2005)).
<評価方法>
実施例1と同様にして、三相界面における酸素の活量a0を求め、電流との関係を調べた。
<Evaluation method>
In the same manner as in Example 1, the oxygen activity a 0 at the three-phase interface was determined, and the relationship with the current was examined.
<評価結果>
図3に示すように、Ni/YSZ−SrCY電極の傾きは、Ni/YSZの傾き約1よりも小さく、Ni/YSZ−SrCY(9:1)で約2/3、Ni/YSZ−SrCY(1:1)で1/2以下で、SrCY量とともに傾きが減少した。
<Evaluation results>
As shown in FIG. 3, the slope of the Ni / YSZ-SrCY electrode is smaller than the slope of Ni / YSZ about 1, and about 2/3 for Ni / YSZ-SrCY (9: 1), Ni / YSZ-SrCY ( The slope decreased with the SrCY amount at 1/2) or less at 1: 1).
また、Ni/YSZ−SrCY(9:1)は、同じ酸素活量における電流密度が、Ni/YSZよりも向上した。Ni/YSZ−SrCY(1:1)では、Ni/YSZより電流密度が低下した。この系のYSZ量は20質量%であり、酸素イオン伝導のパスであるYSZのネットワークが途切れている可能性がある。このため反応サイトである三相界面が縮小したためと推測している。 Moreover, Ni / YSZ-SrCY (9: 1) improved the current density at the same oxygen activity as compared with Ni / YSZ. In Ni / YSZ-SrCY (1: 1), the current density was lower than in Ni / YSZ. The amount of YSZ in this system is 20% by mass, and there is a possibility that the network of YSZ, which is a path for oxygen ion conduction, is interrupted. For this reason, it is presumed that the three-phase interface as a reaction site has been reduced.
対数スケールの図3における傾きが小さくなったことは、実施例1で記載したように、反応に関与する酸素被覆率が三相界面において上昇したことを示している。実際、酸素イオン伝導のネットワークパスを確保したNi/YSZ−SrCY(9:1)では、Ni/YSZを上回る電流密度を得た。つまり、Ni/YSZ−SrCY電極を用いることにより、水素および炭化水素燃料を用いたときの出力向上と、ドライ炭化水素燃料での炭素析出による電極劣化に対する耐性が向上し、安定発電が可能な方向に電極特性が向上できた。 The smaller slope of the logarithmic scale in FIG. 3 indicates that, as described in Example 1, the oxygen coverage involved in the reaction increased at the three-phase interface. In fact, in Ni / YSZ-SrCY (9: 1) which secured a network path for oxygen ion conduction, a current density exceeding Ni / YSZ was obtained. In other words, by using the Ni / YSZ-SrCY electrode, the output is improved when hydrogen and hydrocarbon fuel are used, and the resistance to electrode deterioration due to carbon deposition in dry hydrocarbon fuel is improved, and stable power generation is possible. The electrode characteristics were improved.
実施例2では単セルを用いるが、スタックにおいても同様の効果が期待できる。 In the second embodiment, a single cell is used, but the same effect can be expected in a stack.
本発明は、炭化水素を含む燃料に水蒸気を同伴させる必要がなく、炭素析出や水蒸気での酸化による燃料極の劣化を抑制し耐久性を向上でき、燃料利用率と出力の向上を両立させる燃料極を提供できる。すなわち、都市ガスをはじめとする炭化水素を含む燃料を、燃料極で直接酸化することができる高活性で劣化にも強い電極を提供できるので、燃料電池応用分野に広く利用できるものである。 The present invention eliminates the need for entraining water vapor into a fuel containing hydrocarbons, suppresses deterioration of the fuel electrode due to carbon deposition and oxidation with water vapor, improves durability, and achieves both improvement in fuel utilization and output Can provide the pole. That is, since it is possible to provide a highly active electrode that can directly oxidize fuel containing hydrocarbons such as city gas at the fuel electrode, it can be widely used in fuel cell application fields.
1・・・固体電解質型燃料電池
2・・・アノード(燃料極)
3・・・カソード(空気極)
4・・・電解質層
5a・・アノード(燃料極)側集電体
5b・・カソード(空気極)側集電体
1 ... Solid
3 ... Cathode (Air electrode)
4 ... Electrolyte layer 5a..Anode (fuel electrode) side current collector 5b..Cathode (air electrode) side current collector
Claims (5)
酸素イオン伝導体が、安定化ジルコニア、ランタンガレートまたはセリア系固溶体であって、セリア系固溶体がCe1−xMxO2−δ(式中、MはGd、La、Y、Sc、Sm、Pr、Nd、Ca、Mg、Sr、Ba、Dy、Yb、Tb、および他の2価または3価のランタノイドからなる群から選ばれた1種以上の元素を示し、xは0<x≦0.5であり、δは酸素欠損量を示す。)で表される化合物であり、
電子・酸素イオン混合伝導体が、ペロブスカイト固溶体、パイロクロア固溶体またはフルオライト固溶体であって、ペロブスカイト固溶体がA1±aBO3−δ(式中、AはLa、Sr、Ca、YおよびPrからなる群より選ばれる少なくとも1種を示し、BはCo、Cr、Mn、NiおよびFeからなる群より選ばれる少なくとも1種を示し、0≦a≦0.2であり、δは酸素欠損量を示す。)で表される化合物、Ba(Ce1−xGdx)1±aO3(式中、0≦x≦0.5、0≦a≦0.2である。)で表される化合物、Ca(Al1−xTix)1±aO3(式中、0≦x≦0.5、0≦a≦0.2である。)で表される化合物、Sr(Zr1−xScx)1±aO3(式中、0≦x≦0.5、0≦a≦0.2である。)で表される化合物からなる群より選ばれる化合物であり、パイロクロア固溶体がLn2((Zr1−xTix)2)1±aO7(式中、LnはSc、Y、Laおよび他のランタノイドからなる群より選ばれた1種以上の元素を示し、0≦x≦0.5、0≦a≦0.2である。)で表される化合物であり、フルオライト固溶体がCe1−xMxO2−δ(式中、MはGd、La、Y、Sc、Sm、Pr、Nd、Ca、Mg、Sr、Ba、Dy、Yb、Tb、および他の2価または3価のランタノイドからなる群から選ばれた1種以上の元素を示し、0≦x≦0.5であり、δは酸素欠損量を示す。)で表される化合物であり、
プロトン伝導体が、Sr(Zr1−xYx)1±aO3−δ(式中、0<x≦0.5、0≦a≦0.2であり、δは酸素欠損量を示す。)で表されるペロブスカイト型化合物であることを特徴とする固体電解質型燃料電池の電極。 Non-humidified hydrogen and / or hydrocarbons comprising a mixture of an electron conductor and an oxygen ion conductor and / or a mixed conductor of electrons and oxygen ions, and a proton conductor and having a solid electrolyte layer for conducting oxygen ions a fuel electrode for a fuel cell you use a substance as a fuel containing, electron conductor is a metal and / or metal oxides,
The oxygen ion conductor is a stabilized zirconia, lanthanum gallate, or ceria-based solid solution, and the ceria-based solid solution is Ce 1-x M x O 2-δ (where M is Gd, La, Y, Sc, Sm, One or more elements selected from the group consisting of Pr, Nd, Ca, Mg, Sr, Ba, Dy, Yb, Tb, and other divalent or trivalent lanthanoids, and x is 0 <x ≦ 0 And δ represents the amount of oxygen deficiency.)
The electron / oxygen ion mixed conductor is a perovskite solid solution, a pyrochlore solid solution or a fluorite solid solution, and the perovskite solid solution is A 1 ± a BO 3-δ (where A is composed of La, Sr, Ca, Y and Pr). At least one selected from the group, B represents at least one selected from the group consisting of Co, Cr, Mn, Ni and Fe, 0 ≦ a ≦ 0.2, and δ represents the amount of oxygen deficiency .), A compound represented by Ba (Ce 1-x Gd x ) 1 ± a O 3 (where 0 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ a ≦ 0.2). , Ca (Al 1-x Ti x ) 1 ± a O 3 (where 0 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ a ≦ 0.2), Sr (Zr 1-x Sc x ) 1 ± a O 3 (where 0 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ a ≦ 0.2) And a pyrochlore solid solution of Ln 2 ((Zr 1-x Ti x ) 2 ) 1 ± a O 7 (wherein Ln is Sc, Y, La and 1 or more elements selected from the group consisting of other lanthanoids, and 0 ≦ x ≦ 0.5 and 0 ≦ a ≦ 0.2.) The fluorite solid solution is Ce 1-x M x O 2-δ where M is Gd, La, Y, Sc, Sm, Pr, Nd, Ca, Mg, Sr, Ba, Dy, Yb, Tb, and other divalent or 3 One or more elements selected from the group consisting of valent lanthanoids, 0 ≦ x ≦ 0.5, and δ represents the amount of oxygen deficiency),
The proton conductor is Sr (Zr 1-x Y x ) 1 ± a O 3-δ (where 0 <x ≦ 0.5, 0 ≦ a ≦ 0.2, and δ represents the amount of oxygen deficiency) An electrode of a solid oxide fuel cell, characterized by being a perovskite type compound represented by.
A fuel cell stack or fuel cell comprising the fuel cell according to claim 4.
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