JP5296516B2 - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain further improvement of an output voltage, in a solid oxide fuel cell with an air electrode structured by perovskite type oxide. <P>SOLUTION: The solid oxide fuel cell includes an electrolyte 101 consisting of a material of a zirconia system, and a fuel electrode 102 formed on one side of the electrolyte 101. And also, an air electrode 103 is formed on the other side of the electrolyte 101, and consists of a metal oxide (perovskite type oxide) of a perovskite structure equipped with a rare earth, copper or nickel, cobalt and manganese. For example, the air electrode 103 consists of a sintered body of perovskite type oxide expressed in the formula: LnE<SB>(1-y-x)</SB>Co<SB>x</SB>Mn<SB>y</SB>O<SB>3</SB>(Ln is a rare earth, E is copper or nickel). <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、ペロブスカイト型の金属酸化物で構成された空気極を用いる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 solid oxide fuel cell using an air electrode composed of a perovskite metal oxide.

近年、酸化物イオン伝導体を電解質に用いた固体酸化物形燃料電池に関心が高まりつつある。特に、エネルギーの有効利用という観点から、固体燃料電池はカルノー効率の制約を受けないために本質的に高いエネルギー変換効率を有し、さらに、良好な環境保全が期待されるなどの優れた特徴を持っている。このような特徴を備えている固体酸化物形燃料電池に用いられる空気極は、酸素が電子と反応して酸化物イオン(酸素イオン)になる反応場であるため、高い電気伝導度と電極活性とが要求される。   In recent years, there has been an increasing interest in solid oxide fuel cells using oxide ion conductors as electrolytes. In particular, from the viewpoint of effective use of energy, solid fuel cells have essentially high energy conversion efficiency because they are not restricted by Carnot efficiency, and have excellent features such as good environmental conservation. have. The air electrode used in the solid oxide fuel cell having such characteristics is a reaction field where oxygen reacts with electrons to become oxide ions (oxygen ions), and thus has high electrical conductivity and electrode activity. Is required.

ところで、固体酸化物形燃料電池は、当初、動作温度が900〜1000℃と高く、全ての部材がセラミックで構成されていた。燃料極,電解質,及ぶ空気極からなる単セルを、インターコネクタ(セパレータ)を挟んで積層してスタック構成としている固体酸化物形燃料電池では、上述したように動作温度が高温では、インターコネクタも加工が容易ではないセラミックで構成することになり、セルスタックの製造コストの低減が容易ではなかった。   By the way, the solid oxide fuel cell initially has an operating temperature as high as 900 to 1000 ° C., and all members are made of ceramic. In a solid oxide fuel cell in which a single cell composed of a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode is stacked with an interconnector (separator) sandwiched between them, the interconnector also has a high operating temperature as described above. It was made of ceramic that was not easy to process, and it was not easy to reduce the manufacturing cost of the cell stack.

ここで、動作温度を800℃以下まで低下させることができれば、インターコネクタにフェライト系Fe−Cr合金などの耐熱合金材料を用いることが可能となり、製造コストの低減が可能となる。しかしながら、動作温度の低下は、空気極の活性の低下を引き起こし、これに伴い空気極における電気化学的な抵抗、すなわち過電圧が、急激に増大して出力電圧の低下を招いてしまう。   Here, if the operating temperature can be lowered to 800 ° C. or lower, a heat-resistant alloy material such as a ferrite-based Fe—Cr alloy can be used for the interconnector, and the manufacturing cost can be reduced. However, a decrease in the operating temperature causes a decrease in the activity of the air electrode. Along with this, the electrochemical resistance at the air electrode, that is, the overvoltage, suddenly increases, leading to a decrease in the output voltage.

例えば、従来より、LaSrMnO3(LSM)などは、ジルコニア系材料からなる電解質の化学反応性が低く、空気極としての信頼性が高い材料として用いられている。しかしながら、LSMは、動作温度が低下すると、空気極としての電極活性が要求特性を満たさなく不充分なものとなってしまう。このため、上述したような低温動作においても、高い電極性能を有する空気極材料が望まれている。 For example, conventionally, LaSrMnO 3 (LSM) or the like is used as a material having low chemical reactivity of an electrolyte made of a zirconia-based material and high reliability as an air electrode. However, when the operating temperature is lowered, the LSM becomes insufficient because the electrode activity as an air electrode does not satisfy the required characteristics. Therefore, an air electrode material having high electrode performance is desired even in the low-temperature operation as described above.

このような動作温度の低下による空気極の問題を解消するために、La1-XSrXFe1-YCoY3(LSFC:X=0.1〜0.5,Y=0.1〜0.6,X+Y<0.7)、La1-XSrXCoO3(X=0.1〜0.5)などの、高い電極活性(電気化学反応の性能)を有するペロブスカイト型の金属酸化物(ペロブスカイト型酸化物)を用いる技術がある。 In order to solve the problem of the air electrode due to such a decrease in operating temperature, La 1-X Sr X Fe 1-Y Co Y O 3 (LSFC: X = 0.1 to 0.5, Y = 0.1 ~0.6, X + Y <0.7) , such as La 1-X Sr X CoO 3 (X = 0.1~0.5), perovskite metal having a high electrode activity (performance of the electrochemical reaction) There is a technique using an oxide (perovskite oxide).

ここで、ペロブスカイト型酸化物は、AMO3の構造を基本とし、Aサイトが希土類元素、Mサイトが遷移金属元素で構成される。また、ペロブスカイト型酸化物は、AサイトおよびMサイトともに、複数の元素で構成することが可能である。例えば、LSMは、Aサイトをランタン(La)とストロンチウム(Sr)とから構成している。また、LSCFは、AサイトをLaとSrとから構成し、Mサイトをコバルト(Co)とマンガン(Mn)とから構成している。 Here, the perovskite oxide is based on the structure of AMO 3 , and the A site is composed of a rare earth element and the M site is composed of a transition metal element. The perovskite oxide can be composed of a plurality of elements at both the A site and the M site. For example, in LSM, the A site is composed of lanthanum (La) and strontium (Sr). In the LSCF, the A site is composed of La and Sr, and the M site is composed of cobalt (Co) and manganese (Mn).

T.Komatsu, et al., "Cr Poisoning Suppression in Solid Oxide Fuel Cells Using LaNi(Fe)O3 Electrodes", Electrochem. Solid-State Lett., Vol.9, pp.A9-A12, 2006.T. Komatsu, et al., "Cr Poisoning Suppression in Solid Oxide Fuel Cells Using LaNi (Fe) O3 Electrodes", Electrochem. Solid-State Lett., Vol. 9, pp. A9-A12, 2006. S.P.Jiang, et al., "Deposition of Cr Spices at (La,Sr)(Co,Fe)O3 Cathodes of Solid Oxide Fuel Cells" , J. Electrochem. Soc., Vol.153, pp.A127-A134, 2006.SPJiang, et al., "Deposition of Cr Spices at (La, Sr) (Co, Fe) O3 Cathodes of Solid Oxide Fuel Cells", J. Electrochem. Soc., Vol.153, pp.A127-A134, 2006 . A.Petirc, et al., "Evolution of La-Sr-Co-Fe-O perovskites for solid oxide fuel cells and gas separation membranes", Solid State Ionics, Vol,135, pp.719-725, 2000.A. Petirc, et al., "Evolution of La-Sr-Co-Fe-O perovskites for solid oxide fuel cells and gas separation membranes", Solid State Ionics, Vol, 135, pp. 719-725, 2000. Y.Matsuzaki, et al.,"Electrochemical properties of reduced-temperature SOFCs with mixed ionic-electronic conductors in electrodes and/or interlayers",Solid State Ionics 152-153, pp.463-468, 2002.Y. Matsuzaki, et al., "Electrochemical properties of reduced-temperature SOFCs with mixed ionic-electronic conductors in electrodes and / or referrings", Solid State Ionics 152-153, pp.463-468, 2002.

上述したように、ペロブスカイト型酸化物より空気極を構成することで、空気極における電気化学的な抵抗の増大による出力電圧の低下という、動作温度の低下による空気極の問題が解消されるようになったが、空気極におけるさらなる出力電圧(特性)の向上が要求されるようになってきている。   As described above, by forming the air electrode from the perovskite oxide, the problem of the air electrode due to a decrease in operating temperature, such as a decrease in output voltage due to an increase in electrochemical resistance in the air electrode, is solved. However, further improvement in output voltage (characteristic) at the air electrode has been demanded.

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、ペロブスカイト型酸化物より空気極が構成されている固体酸化物形燃料電池において、さらなる出力電圧の向上が得られるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and a further improvement in output voltage can be obtained in a solid oxide fuel cell in which an air electrode is composed of a perovskite oxide. The purpose is to.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、燃料極,電解質,および空気極を備える固体酸化物形燃料電池において、空気極は、希土類,遷移金属(銅またはニッケル),コバルト,およびマンガンを備えるペロブスカイト型構造の金属酸化物から構成されているようにしたものである。   The solid oxide fuel cell according to the present invention is a solid oxide fuel cell including a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode. The air electrode includes a rare earth element, a transition metal (copper or nickel), cobalt, and manganese. It is made of a metal oxide having a perovskite structure.

上記固体酸化物形燃料電池において、金属酸化物は、LnE(1-y-x)CoxMny3Lnは希土類、Eは銅またはニッケル、0.6≦x+y≦0.8、x≦y)であ。特に、金属酸化物は、LnE1/3Co1/3Mn1/33(Lnは希土類、Eは銅またはニッケル)であるとよい。また、希土類は、ランタン,プラセオジム,ネオジム,サマリウム,ユウロピウム,およびガドリニウムの少なくとも1つである。なお、空気極は、電解質側に配置されるセリウム酸化物を含む層を備えるようにしてもよい。 In the solid oxide fuel cell, metal oxides, LnE (1-yx) Co x Mn y O 3 (Ln is a rare earth, E is copper or nickel, 0.6 ≦ x + y ≦ 0.8 , x ≦ y ) Ru der. In particular, the metal oxide may be LnE 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 3 (Ln is a rare earth, E is copper or nickel). The rare earth is at least one of lanthanum, praseodymium, neodymium, samarium, europium, and gadolinium. Note that the air electrode may include a layer containing cerium oxide disposed on the electrolyte side.

以上説明したように、本発明によれば、空気極を、希土類,遷移金属(銅またはニッケル),コバルト,およびマンガンを備えるペロブスカイト型構造の金属酸化物から構成したので、ペロブスカイト型酸化物より空気極が構成されている固体酸化物形燃料電池において、さらなる出力電圧の向上が得られるようなる。   As described above, according to the present invention, the air electrode is composed of a metal oxide having a perovskite structure including rare earth, transition metal (copper or nickel), cobalt, and manganese. In the solid oxide fuel cell in which the electrode is configured, further improvement in output voltage 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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[実施の形態1]
始めに、本発明の実施の形態1について図1を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態1における固体酸化物形燃料電池の一部構成例を模式的に示す断面図である。この固体酸化物燃料電池は、ジルコニア系の材料から構成された電解質101と、電解質101の一方の面に形成された燃料極102とを備える。また、本実施の形態の固体酸化物形燃料電池は、電解質101の他方に形成され、希土類,遷移金属,コバルト,およびマンガンを備えるペロブスカイト型構造の金属酸化物(ペロブスカイト型酸化物)から構成された空気極103を備える。上記遷移金属は、銅またはニッケルである。
[Embodiment 1]
First, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a partial configuration example of the solid oxide fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention. This solid oxide fuel cell includes an electrolyte 101 made of a zirconia-based material and a fuel electrode 102 formed on one surface of the electrolyte 101. The solid oxide fuel cell according to the present embodiment is formed of a metal oxide (perovskite oxide) having a perovskite structure, which is formed on the other side of the electrolyte 101 and includes rare earth, transition metal, cobalt, and manganese. The air electrode 103 is provided. The transition metal is copper or nickel.

例えば、空気極103は、LnE(1-y-x)CoxMny3(Lnは希土類、Eは銅またはニッケル)で示されるペロブスカイト型酸化物の焼成体(多孔質焼結体)から構成されている。ここで、LnE(1-y-x)CoxMny3における酸素は、化学量論組成から多少ずれた値の範囲も含むものである。なお、希土類は、ランタン(La),プラセオジム(Pr),ネオジム(Nd),サマリウム(Sm),ユウロピウム(Eu),およびガドリニウム(Gd)の少なくとも1つであり、例えば、これらの2つが含まれていてもよい。 For example, the air electrode 103 is composed of LnE (1-yx) Co x Mn y O 3 (Ln is a rare earth, E is copper or nickel) sintered body of the perovskite type oxide represented by (porous sintered body) ing. Here, oxygen in LnE (1-yx) Co x Mn y O 3 is intended to include a range of slightly deviated value from the stoichiometric composition. The rare earth is at least one of lanthanum (La), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), and gadolinium (Gd). For example, these two are included. It may be.

なお、電解質101は、例えば、酸化スカンジウム(Sc23)および酸化アルミニウム(Al23)安定化ZrO2(SASZ),イットリア安定化ジルコニア(YSZ),スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ),サマリア安定化ジルコニア(SSZ)などのジルコニア材料の粉体の焼結体から構成されていればよい。また、燃料極102は、例えば、ニッケル−イットリア安定化ジルコニアサーメット(Ni−YSZ),ニッケル−スカンジア安定化ジルコニア(Ni−ScSZ)などの、電解質101を構成する酸化物材料に金属ニッケルが混合された電子伝導性を有する金属−酸化物混合体(サーメット)の粉体の焼成体(多孔質焼結体)から構成されていればよい。 The electrolyte 101 may be, for example, scandium oxide (Sc 2 O 3 ) and aluminum oxide (Al 2 O 3 ) stabilized ZrO 2 (SASZ), yttria stabilized zirconia (YSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), Samaria. What is necessary is just to be comprised from the sintered compact of the powder of zirconia materials, such as stabilized zirconia (SSZ). The fuel electrode 102 is made of, for example, nickel-yttria stabilized zirconia cermet (Ni-YSZ), nickel-scandia stabilized zirconia (Ni-ScSZ), and the like, in which metal nickel is mixed with an oxide material constituting the electrolyte 101. It is only necessary to be composed of a sintered body (porous sintered body) of a powder of a metal-oxide mixture (cermet) having electron conductivity.

また、これらの各層は、よく知られているように、粉体もしくは混合粉体のスラリを作製し、ドクターブレード法による成形やスクリーン印刷法による塗布で、スラリの膜(層)を形成し、これを1000〜1200℃で焼成することで作製することができる。   In addition, as is well known, each of these layers produces a slurry of powder or mixed powder, and forms a slurry film (layer) by molding by a doctor blade method or application by a screen printing method, This can be produced by firing at 1000 to 1200 ° C.

このように構成した本実施の形態の固体酸化物形燃料電池によれば、希土類,NiもしくはCu,Co,およびMnよりなるペロブスカイト型酸化物で空気極103を構成したので、LSMなどのSrよりなるペロブスカイト型酸化物を用いた場合に比較し、800℃程度の低温な動作温度における空気極特性の向上が図れ、さらなる出力電圧の向上が得られるようになる。   According to the solid oxide fuel cell of the present embodiment configured as described above, the air electrode 103 is composed of a perovskite oxide made of rare earth, Ni or Cu, Co, and Mn. Compared with the case where the perovskite type oxide is used, the air electrode characteristics can be improved at a low operating temperature of about 800 ° C., and the output voltage can be further improved.

なお、上述した実施の形態では、固体酸化物形燃料電池の基本的な構成(単セル)を説明している。実際には、よく知られているように、複数の単セルがインターコネクタを介して積層された状態で用いられ、各単セルにおいて、都市ガスなどの炭化水素ガスを改質して得られた水素を含む燃料ガスが燃料極102の側に供給され、酸化剤ガスとしての酸素を含む空気が空気極103の側に供給されることで、発電動作が行われる。   In the above-described embodiment, the basic configuration (single cell) of the solid oxide fuel cell is described. Actually, as is well known, a plurality of single cells are used in a state of being stacked via an interconnector, and obtained by reforming hydrocarbon gas such as city gas in each single cell. A fuel gas containing hydrogen is supplied to the fuel electrode 102 side, and air containing oxygen as an oxidant gas is supplied to the air electrode 103 side, whereby a power generation operation is performed.

次に、実際に作製した固体酸化物形燃料電池の単セルにおける特性測定結果について、以下に説明する。   Next, the characteristic measurement result in the single cell of the actually produced solid oxide fuel cell will be described below.

[測定方法1]
始めに、特性測定の方法について説明する。この測定では、後述するように各々作製した試料セルにおいて、電極性能の指標である界面抵抗を交流インピーダンス法で測定する。測定時は、開放電圧の条件で行い、空気極と燃料極との間に5mV程度の交流電圧が印加されるように微小な交流信号(電流)を印加(流)し、これに対して空気極と参照極との間に現れる微小な電位変化(応答)をインピーダンス測定器で測定し、この測定結果(周波数応答性)よりインピーダンス(界面抵抗)を求める。なお、測定において、燃料極には室温(23℃程度)とした加湿水素ガスを燃料ガスとして供給し、空気極には酸素を供給する。また、開放起電力としては、800℃で1.09V以上の値が得られる。
[Measurement method 1]
First, a method for measuring characteristics will be described. In this measurement, as will be described later, the interfacial resistance, which is an index of electrode performance, is measured by an AC impedance method in each sample cell produced. At the time of measurement, it is performed under the condition of an open voltage, and a minute AC signal (current) is applied (flowed) so that an AC voltage of about 5 mV is applied between the air electrode and the fuel electrode. A minute potential change (response) appearing between the electrode and the reference electrode is measured with an impedance measuring instrument, and the impedance (interface resistance) is obtained from the measurement result (frequency response). In the measurement, humidified hydrogen gas at room temperature (about 23 ° C.) is supplied as fuel gas to the fuel electrode, and oxygen is supplied to the air electrode. Moreover, as an open electromotive force, the value of 1.09V or more is obtained at 800 degreeC.

[セルの作製1]
次に、比較試料となる固体酸化物形燃料電池セル(比較試料セル:#1-0-0)を例にとり、単セルの作製について説明する。まず、よく知られたドクターブレード法でシート状に成形して焼成したSc23,Al23添加ジルコニア(0.89ZrO2−0.10Sc23−0.01Al23:SASZ)からなる電解質基板を用意する。電解質基板は、厚さ0.2mmに形成する。次に、10mol%Y23が添加された平均粒径が約0.6μmのジルコニアの粉末(40wt%)に平均粒径が0.2μmのNiO粉末(60wt%)を混合した混合粉末(燃料極材料粉末)のスラリを作製し、このスラリを上述した電解質基板の一方の面に、よく知られたスクリーン印刷法により塗布して燃料極塗布膜を形成する。加えて、この燃料極塗布膜の上に白金のメッシュよりなる集電体を配置し、これらを、1300℃・8時間の熱処理条件で、空気中で焼成し、上記混合粉末の焼結体からなる厚さ60μmの燃料極が形成された状態とする。
[Cell production 1]
Next, taking a solid oxide fuel cell (comparative sample cell: # 1-0-0) as a comparative sample as an example, production of a single cell will be described. First, well known Sc 2 O 3 obtained by firing molded into a sheet by a doctor blade method, Al 2 O 3 doped zirconia (0.89ZrO 2 -0.10Sc 2 O 3 -0.01Al 2 O 3: SASZ An electrolyte substrate is prepared. The electrolyte substrate is formed to a thickness of 0.2 mm. Next, a mixed powder in which NiO powder (60 wt%) having an average particle diameter of 0.2 μm is mixed with zirconia powder (40 wt%) having an average particle diameter of about 0.6 μm to which 10 mol% Y 2 O 3 has been added ( A slurry of (fuel electrode material powder) is prepared, and this slurry is applied to one surface of the above-described electrolyte substrate by a well-known screen printing method to form a fuel electrode coating film. In addition, a current collector made of platinum mesh is disposed on the fuel electrode coating film, and these are fired in air under a heat treatment condition of 1300 ° C. for 8 hours. A fuel electrode having a thickness of 60 μm is formed.

次に、平均粒径が1.0μmのLa0.8Sr0.2MnO3(LSM)粉末のスラリを作製し、このスラリを、上述した電解質基板の他方の面にスクリーン印刷法により塗布して空気極塗布膜を形成する。加えて、この空気極塗布膜の上に白金のメッシュよりなる集電体を配置し、これら空気極塗布膜が形成された電解質基板を、1100℃・2時間の熱処理条件で焼成し、上記粉末の焼結体からなる厚さ60μmの空気極が形成された状態とする。 Next, a slurry of La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 (LSM) powder having an average particle size of 1.0 μm is prepared, and this slurry is applied to the other surface of the electrolyte substrate by the screen printing method and applied with an air electrode. A film is formed. In addition, a current collector made of platinum mesh is disposed on the air electrode coating film, and the electrolyte substrate on which the air electrode coating film is formed is fired under heat treatment conditions of 1100 ° C. for 2 hours, An air electrode having a thickness of 60 μm made of the sintered body is formed.

このようにして形成した単セルは、図3の斜視図に示すように、1辺30mmの正方形の板状に形成された電解質基板301の上に、直径10mmの円盤に形成された空気極302が配置された状態とされている。なお、図3において、電解質基板301の下に配置される燃料極および集電体は、図示せずに省略している。また、この単セルは、電解質基板301の周辺部に白金からなる参照極303を備え、これに接続した状態で前述した測定を行う。   As shown in the perspective view of FIG. 3, the unit cell formed in this way is formed on a disk having a diameter of 10 mm on an electrolyte substrate 301 formed in a square plate shape with a side of 30 mm. Has been placed. In FIG. 3, the fuel electrode and the current collector disposed below the electrolyte substrate 301 are not shown and are omitted. In addition, this single cell includes the reference electrode 303 made of platinum around the electrolyte substrate 301, and performs the above-described measurement in a state where it is connected thereto.

[実施例1]
次に、実施例1として、試料となる固体酸化物形燃料電池セル(試料セル:#1-1-1〜#1-1-6)の作成について説明する。この試料セルは、上述した比較試料セルの空気極に用いたLSMの代わりに、以下の表1に示すように、LaNi(1-x-y)CoxMny3の粉末(#1-1-1〜#1-1-8)およびLaCu(1-x-y)CoxMny3の粉末(#1-2-1〜#1-2-8)を用い、この他は比較試料セルと同様に作製する。なお、表1には、LaNi(1-x-y)CoxMny3においては、Ni,Co,Mnの組成を変化させ、各試料セル(#1-1-1〜#1-1-8)としている。同様に、LaCu(1-x-y)CoxMny3においては、Cu,Co,Mnの組成を変化させ、各試料セル(#1-2-1〜#1-2-8)としている。なお、原子数は元素記号の右下に記載するものであるが、以下の各表においては、見やすくするために、原子数を元素記号の右側に大きく記載している。
[Example 1]
Next, as Example 1, the production of solid oxide fuel cells (sample cells: # 1-1-1 to # 1-1-6) to be samples will be described. The sample cell in place of the LSM used in the air electrode of the comparative sample cell as described above, as shown in Table 1 below, LaNi (1-xy) powder Co x Mn y O 3 (# 1-1- 1 # 1-1-8) and LACU (using 1-xy) Co x Mn y O 3 powder (# 1-2-1~ # 1-2-8) in addition, like the comparative sample cell To make. In Table 1, in the LaNi (1-xy) Co x Mn y O 3, is changed Ni, Co, the composition of Mn, the sample cell (# 1-1-1~ # 1-1-8 ). Similarly, in LaCu (1-xy) Co x Mn y O 3, Cu, Co, varying the composition of Mn, has a respective sample cell (# 1-2-1~ # 1-2-8). In addition, although the number of atoms is described in the lower right of the element symbol, in the following tables, the number of atoms is greatly described on the right side of the element symbol for easy viewing.

Figure 0005296516
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表1に示す各試料セルにおいて前述した測定を行うと、試料セル(#1-1-3〜#1-1-8および#1-2-3〜#1-2-8)においては、比較試料セル(#1-0-0)に比較して、同程度の界面抵抗もしくは界面抵抗が低く良好な結果が得られている。また、これらの中でも、マンガンの組成比が比較的小さい試料セル(#1-1-6〜#1-1-8および#1-2-6〜#1-2-8)は、より長く動作(通電)させると、比較試料セル(#1-0-0)に比較して、界面抵抗がより低くなる傾向が得られている。これらに対し、NiもしくはCuの添加量が少ない試料セル(#1-1-1,#1-1-2,#1-2-1,#1-2-2)は、比較試料セル(#1-0-0)に比較して、初期の電極特性としては、界面抵抗が高い状態となっている。しかしながら、試料セル(#1-1-1,#1-1-2,#1-2-1,#1-2-2)においても、より長く動作させると、比較試料セル(#1-0-0)に比較して、界面抵抗の低下量が多い傾向が得られている。   When the measurement described above is performed in each sample cell shown in Table 1, the sample cells (# 1-1-3 to # 1-1-8 and # 1-2-3 to # 1-2-8) are compared. Compared to the sample cell (# 1-0-0), the interfacial resistance or interfacial resistance is comparable and good results are obtained. Among these, sample cells with relatively small manganese composition ratios (# 1-1-6 to # 1-1-8 and # 1-2-6 to # 1-2-8) operate longer. When energized, the interface resistance tends to be lower than that of the comparative sample cell (# 1-0-0). On the other hand, sample cells (# 1-1-1, # 1-1-2, # 1-2-1, # 1-2-2) with a small amount of Ni or Cu added are comparative sample cells (# Compared with 1-0-0), the initial electrode characteristics are higher in interfacial resistance. However, if the sample cells (# 1-1-1, # 1-1-2, # 1-2-1, # 1-2-2) are operated longer, the comparative sample cells (# 1-0 Compared to -0), there is a tendency that the amount of decrease in interfacial resistance is large.

表1に示す結果を検討すると、比較試料セルおよびいずれの試料セルにおいても、通電時間が長いほど、界面抵抗の低下が見られるが、これは、セルを作製した時点(初期)において空気極と電解質との間に形成されるLa2Zr27などの抵抗性の高い物質が、通電時間の経過とともに減少するためと考えられる。また、異なる試料セルにおける初期特性の差は、例えば、NiおよびCuの組成比による化合物全体の中における酸素の化学量論的な組成の平衡の差に、対応しているものと考えられる。表1の結果より、空気極の材料としてのLaE(1-y-x)CoxMny3(Eは銅またはニッケル)において、0<xかつx+y≦0.8の範囲であれば、初期の特性においてもLSMと同等以上の特性が得られていることがわかる。また、0.1≦x≦0.3,0.4≦y≦0.6であれば、72時間経過した後で、よりよい特性が得られている。 When the results shown in Table 1 are examined, in the comparative sample cell and any of the sample cells, the longer the energization time, the lower the interfacial resistance. It is considered that a highly resistant substance such as La 2 Zr 2 O 7 formed between the electrolyte and the electrolyte decreases with the passage of energization time. In addition, it is considered that the difference in initial characteristics between different sample cells corresponds to, for example, the difference in the stoichiometric equilibrium of oxygen in the whole compound due to the composition ratio of Ni and Cu. From the results of Table 1, in LaE as the material of the air electrode (1-yx) Co x Mn y O 3 (E copper or nickel), it is in the range of 0 <x and x + y ≦ 0.8, initial It can be seen that the same characteristics as those of LSM are obtained. If 0.1 ≦ x ≦ 0.3 and 0.4 ≦ y ≦ 0.6, better characteristics are obtained after 72 hours.

[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2について図2を用いて説明する。図2は、本発明の実施の形態2における固体酸化物形燃料電池の一部構成例を模式的に示す断面図である。この固体酸化物燃料電池は、電解質101と、電解質101の一方の面に形成された燃料極102と、電解質101の他方に形成された空気極203とを備える。本実施の形態では、空気極203が、実施の形態1の空気極103と同様に、希土類,銅またはニッケル,コバルト,およびマンガンを備えるペロブスカイト型酸化物から構成された第1層203aと、電解質101の側に配置される上記ペロブスカイト型酸化物に加えてセリウム酸化物を含む第2層203bとから構成されているようにする。
[Embodiment 2]
Next, Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a partial configuration example of the solid oxide fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention. This solid oxide fuel cell includes an electrolyte 101, a fuel electrode 102 formed on one surface of the electrolyte 101, and an air electrode 203 formed on the other side of the electrolyte 101. In the present embodiment, the air electrode 203, like the air electrode 103 of the first embodiment, includes a first layer 203a made of a perovskite oxide including rare earth, copper, nickel, cobalt, and manganese, and an electrolyte. And a second layer 203b containing cerium oxide in addition to the perovskite oxide arranged on the 101 side.

ここで、空気極はジルコニアを含む電解質と接した状態で焼成することで製造されるため、電解質と接触している部分にLa2Zr27などの抵抗性の高い物質が生成され、この生成物が、空気極における初期運転時の特性を低下させる原因の1つとなっている。空気極に接する電解質との間に、空気極を構成しているLaと電解質を構成しているジルコニアとが反応してLa2Zr27などの抵抗性の高い物質が生成される場合があり、この生成物が、空気極における特性を低下させる原因の1つとなっていることが報告されている。 Here, since the air electrode is manufactured by firing in contact with an electrolyte containing zirconia, a highly resistant substance such as La 2 Zr 2 O 7 is generated in a portion in contact with the electrolyte. The product is one of the causes for deteriorating the characteristics of the air electrode during initial operation. In some cases, La constituting the air electrode and zirconia constituting the electrolyte react with the electrolyte in contact with the air electrode to generate a highly resistant substance such as La 2 Zr 2 O 7. It has been reported that this product is one of the causes for deteriorating the characteristics of the air electrode.

これに対し、ペロブスカイト型酸化物の粒子と、Gd0.1Ce0.92およびSm0.2Ce0.82などの希土類を添加したセリウム酸化物(セリア化合物)の粒子との混合体を、電解質付近に設けることで、空気極における上記問題を解消する技術がある(非特許文献4参照)。ペロブスカイト型酸化物の粉末(粉体)とセリア化合物の微粉末とが混合された状態に空気極を形成することで、電解質と空気極との接合部分に生じる電極活性な面積が増大し、電極の界面抵抗を低減させることができる。また、セリア化合物は、ペロブスカイト型酸化物よりなる空気極材料との反応劣化も起こりにくいため、空気極に混合する材料として適している。 On the other hand, a mixture of perovskite oxide particles and cerium oxide (ceria compound) particles added with rare earth such as Gd 0.1 Ce 0.9 O 2 and Sm 0.2 Ce 0.8 O 2 is provided in the vicinity of the electrolyte. Thus, there is a technique for solving the above problem in the air electrode (see Non-Patent Document 4). By forming the air electrode in a state where the perovskite oxide powder (powder) and the fine powder of the ceria compound are mixed, the active area of the electrode generated at the junction between the electrolyte and the air electrode is increased, and the electrode It is possible to reduce the interface resistance. In addition, the ceria compound is suitable as a material to be mixed with the air electrode because the reaction deterioration with the air electrode material made of a perovskite oxide hardly occurs.

本実施の形態における空気極203では、電解質101の側に、ペロブスカイト型酸化物に加えてセリウム酸化物を含んだ第2層203bを備えるようにしたので、第2層203bにおいては、ペロブスカイト型酸化物の粒子がセリア化合物の粒子で覆われる配置となり、電解質101を構成しているジルコニア系材料の部分とペロブスカイト型酸化物材料との直接の接触を抑制し、抵抗性の高いLa2Zr27などの生成が抑制されるようになる。 In the air electrode 203 in the present embodiment, the second layer 203b containing cerium oxide in addition to the perovskite oxide is provided on the electrolyte 101 side. Therefore, the second layer 203b has a perovskite oxidation. The particles of the product are covered with ceria compound particles, and the direct contact between the zirconia-based material portion constituting the electrolyte 101 and the perovskite oxide material is suppressed, and La 2 Zr 2 O having high resistance is provided. Generation of 7 etc. will be suppressed.

なお、上述した実施の形態においても、固体酸化物形燃料電池の基本的な構成(単セル)を説明している。実際には、よく知られているように、複数の単セルがインターコネクタを介して積層された状態で用いられ、各単セルにおいて、都市ガスなどの炭化水素ガスを改質して得られた水素を含む燃料ガスが燃料極102の側に供給され、酸化剤ガスとしての酸素を含む空気が空気極203の側に供給されることで、発電動作が行われる。   In the embodiment described above, the basic configuration (single cell) of the solid oxide fuel cell is described. Actually, as is well known, a plurality of single cells are used in a state of being stacked via an interconnector, and obtained by reforming hydrocarbon gas such as city gas in each single cell. A fuel gas containing hydrogen is supplied to the fuel electrode 102 side, and air containing oxygen as an oxidant gas is supplied to the air electrode 203 side, whereby a power generation operation is performed.

次に、実際に作製した固体酸化物形燃料電池の単セルにおける特性測定結果について、以下に説明する。   Next, the characteristic measurement result in the single cell of the actually produced solid oxide fuel cell will be described below.

[実施例2]
始めに、試料となる固体酸化物形燃料電池セル(単セル)の作製について説明する。まず、よく知られたドクターブレード法でシート状に成形して焼成したSc23,Al23添加ジルコニア(0.89ZrO2−0.10Sc23−0.01Al23:SASZ)からなる電解質基板を用意する。電解質基板は、厚さ0.2mmに形成する。次に、10mol%Y23が添加された平均粒径が約0.6μmのジルコニアの粉末(40wt%)に平均粒径が0.2μmのNiO粉末(60wt%)を混合した混合粉末のスラリを作製し、このスラリを上述した電解質基板の一方の面に、よく知られたスクリーン印刷法により塗布して燃料極塗布膜を形成する。加えて、この燃料極塗布膜の上に白金のメッシュよりなる集電体を配置し、これらを、1300℃・8時間の熱処理条件で、空気中で焼成し、上記混合粉末の焼結体からなる厚さ60μmの燃料極が形成された状態とする。
[Example 2]
First, production of a solid oxide fuel cell (single cell) as a sample will be described. First, well known Sc 2 O 3 obtained by firing molded into a sheet by a doctor blade method, Al 2 O 3 doped zirconia (0.89ZrO 2 -0.10Sc 2 O 3 -0.01Al 2 O 3: SASZ An electrolyte substrate is prepared. The electrolyte substrate is formed to a thickness of 0.2 mm. Next, a mixed powder in which NiO powder (60 wt%) having an average particle diameter of 0.2 μm is mixed with zirconia powder (40 wt%) having an average particle diameter of about 0.6 μm to which 10 mol% Y 2 O 3 has been added. A slurry is prepared, and this slurry is applied to one surface of the above-described electrolyte substrate by a well-known screen printing method to form a fuel electrode coating film. In addition, a current collector made of platinum mesh is disposed on the fuel electrode coating film, and these are fired in air under a heat treatment condition of 1300 ° C. for 8 hours. A fuel electrode having a thickness of 60 μm is formed.

次に、前述同様の空気極となる材料とセリア化合物としてのGd0.2Ce0.82(GDC)との混合粉末のスラリを作製し、このスラリを、上述した電解質基板の他方の面にスクリーン印刷法により塗布して空気極の第2層塗布膜を形成する。加えて、第2層塗布膜の上に、空気極の材料の粉末が分散したスラリを厚く塗布し、第1層塗布膜が形成された状態とする。加えて、この第1層塗布膜の上に白金のメッシュよりなる集電体を配置し、これらを、1100℃・2時間の熱処理条件で焼成し、上記粉末の焼結体からなる厚さ3μmの第2層および厚さ60μmの第1層からなる空気極が形成された状態とする。 Next, a slurry of a mixed powder of the same material as the above-described air electrode and Gd 0.2 Ce 0.8 O 2 (GDC) as a ceria compound is prepared, and this slurry is screen-printed on the other surface of the above-described electrolyte substrate. The second layer coating film of the air electrode is formed by coating by the method. In addition, the slurry in which the powder of the air electrode material is dispersed is thickly applied on the second layer coating film, so that the first layer coating film is formed. In addition, a current collector made of platinum mesh is placed on the first layer coating film, and these are fired under heat treatment conditions of 1100 ° C. for 2 hours, and the thickness of the powder sintered body is 3 μm. It is assumed that an air electrode composed of the second layer and the first layer having a thickness of 60 μm is formed.

このようにして形成した単セルは、図3の斜視図に示すように、1辺30mmの正方形の板状に形成された電解質基板301の上に、直径10mmの円盤に形成された空気極302が配置された状態とされている。なお、図3において、電解質基板301の下に配置される燃料極は、図示せずに省略している。また、この単セルは、電解質基板301の周辺部に白金からなる参照極303を備え、これに接続した状態で前述した[測定方法1]の測定を行う。   As shown in the perspective view of FIG. 3, the unit cell formed in this way is formed on a disk having a diameter of 10 mm on an electrolyte substrate 301 formed in a square plate shape with a side of 30 mm. Has been placed. In FIG. 3, the fuel electrode disposed below the electrolyte substrate 301 is omitted from illustration. In addition, this single cell includes the reference electrode 303 made of platinum around the electrolyte substrate 301, and performs the measurement of [Measuring method 1] described above while being connected to the reference electrode 303.

この実施例2では、参照試料となる固体酸化物形燃料電池セル(#2-0-0〜#2-0-3)は、空気極材料としてLa0.8Sr0.2MnO3を用い、試料となる固体酸化物形燃料電池セル(#2-1-1〜#2-1-4)は、空気極材料としてLaNi0.3Co0.3Mn0.43を用い、試料となる固体酸化物形燃料電池セル(#2-2-1〜#2-2-4)は、空気極材料としてLaCu0.3Co0.3Mn0.43を用いる。また、以下の表2に示すように、各々において、空気極材料とセリア化合物との混合比は、9:1,8:2,6:4,および4:6とする。 In Example 2, solid oxide fuel cells (# 2-0-0 to # 2-0-3) serving as reference samples use La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 as an air electrode material, and serve as samples. The solid oxide fuel cells (# 2-1-1 to # 2-1-4) use LaNi 0.3 Co 0.3 Mn 0.4 O 3 as the air electrode material, and the sample is a solid oxide fuel cell ( # 2-2-1 to # 2-2-4) use LaCu 0.3 Co 0.3 Mn 0.4 O 3 as the air electrode material. As shown in Table 2 below, the mixing ratio of the air electrode material and the ceria compound is 9: 1, 8: 2, 6: 4, and 4: 6, respectively.

Figure 0005296516
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表2に示すように、いずれにおいても、初期の界面抵抗が低くなっている。これは、セルの作製段階において、空気極と電解質との間におけるLa2Zr27などの抵抗性の高い物質の形成が、抑制されていることを示しているものと考えられる。また、本実施例においても、試料セル(#2-1-1〜#2-1-4および#2-2-1〜#2-2-4)においては、通電時間が長いほど、界面抵抗がより低下する傾向が得られている。 As shown in Table 2, in both cases, the initial interface resistance is low. This is considered to indicate that formation of a highly resistant substance such as La 2 Zr 2 O 7 between the air electrode and the electrolyte is suppressed in the cell production stage. Also in this example, in the sample cells (# 2-1-1 to # 2-1-4 and # 2-2-1 to # 2-2-4), the longer the energization time, the higher the interface resistance. There is a tendency to decrease.

[実施例3]
次に、他の実施例について説明する。上述した実施例1および実施例2では、いわゆる電解質支持型の単セルを作製し、空気極と参照極との間で測定を行うようにしたが、以下では、燃料極支持型の単セルを作製した場合について説明する。
[Example 3]
Next, another embodiment will be described. In Example 1 and Example 2 described above, a so-called electrolyte-supported single cell was produced and measurement was performed between the air electrode and the reference electrode. The case where it is produced will be described.

[測定方法2]
まず、測定は、燃料極と空気極との間に5mV程度の交流電圧が印加されるように微小な交流信号(電流)を印加(流)し、これに対して空気極と燃料極との間に現れる微小な電位変化をインピーダンス測定器で測定し、この測定結果よりインピーダンスを求める。なお、この測定においても、燃料極には室温(23℃程度)とした加湿水素ガスを燃料ガスとして供給し、空気極には酸素を供給する。
[Measurement method 2]
First, measurement is performed by applying (flowing) a minute AC signal (current) so that an AC voltage of about 5 mV is applied between the fuel electrode and the air electrode. A small potential change appearing between them is measured with an impedance measuring instrument, and the impedance is obtained from the measurement result. In this measurement, humidified hydrogen gas at room temperature (about 23 ° C.) is supplied as fuel gas to the fuel electrode, and oxygen is supplied to the air electrode.

[セルの作製2]
次に、比較試料となる固体酸化物形燃料電池セル(比較試料セル:#3-0-0)を例にとり、単セルの作製について説明する。まず、ドクターブレード法でシート状の成形した燃料極材料からなる燃料極シートに、ドクターブレード法でシート状に成形したSASZからなる電解質シートを貼り合わせ、これらを1300℃の加熱条件で焼成し、燃料極支持型のハーフセルを作製する。
[Cell production 2]
Next, taking a solid oxide fuel cell (comparative sample cell: # 3-0-0) as a comparative sample as an example, production of a single cell will be described. First, an electrolyte sheet made of SASZ formed into a sheet shape by a doctor blade method is bonded to a fuel electrode sheet made of a fuel electrode material formed into a sheet shape by a doctor blade method, and these are fired under heating conditions of 1300 ° C., A fuel electrode-supported half cell is manufactured.

次に、平均粒径が1.0μmのLa0.8Sr0.2MnO3(LSM)粉末をエチレングリコールに分散させたスラリを作製し、このスラリを、上述したハーフセルの電解質層上にスクリーン印刷法により塗布して空気極塗布膜を形成する。加えて、この空気極塗布膜の上に白金のメッシュよりなる集電体を配置し、これら空気極塗布膜が形成された電解質基板を、1100℃・2時間の熱処理条件で焼成し、上記粉末の焼結体からなる厚さ60μmの空気極が形成された状態とする。 Next, a slurry in which La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 (LSM) powder having an average particle diameter of 1.0 μm is dispersed in ethylene glycol is prepared, and this slurry is applied on the above-described half-cell electrolyte layer by a screen printing method. Thus, an air electrode coating film is formed. In addition, a current collector made of platinum mesh is disposed on the air electrode coating film, and the electrolyte substrate on which the air electrode coating film is formed is fired under heat treatment conditions of 1100 ° C. for 2 hours, An air electrode having a thickness of 60 μm made of the sintered body is formed.

このようにして形成した単セルは、図4の断面図に示すように、燃料極基板401の上に、固体電解質402が積層され、固体電解質402の上に空気極403が形成された状態とされている。また、単セルには、燃料極基板401および空気極403に、上述した測定を行うための電流を印加する電流線411,431が接続され、電位変化を測定するための電圧線412,432が接続されている。なお、図4では、集電体は省略して図示していない。電力線および電圧線は、集電体を介して接続されている。   As shown in the cross-sectional view of FIG. 4, the unit cell thus formed has a state in which a solid electrolyte 402 is laminated on a fuel electrode substrate 401 and an air electrode 403 is formed on the solid electrolyte 402. Has been. In addition, current lines 411 and 431 for applying the current for performing the above-described measurement are connected to the fuel electrode substrate 401 and the air electrode 403, and the voltage lines 412 and 432 for measuring the potential change are connected to the single cell. It is connected. In FIG. 4, the current collector is omitted and not shown. The power line and the voltage line are connected via a current collector.

次に、実施例3における試料となる固体酸化物形燃料電池セル(試料セル:#3-1-1〜#3-1-3,#3-2-1〜#3-2-3)の作成について説明する。この試料セルは、上述した比較試料セルの空気極に用いたLSMの代わりに、以下の表3に示すように、LaNi(1-x-y)CoxMny3の粉末(#3-1-1〜#3-1-3)およびLaCu(1-x-y)CoxMny3の粉末(#3-2-1〜#3-2-3)を用い、この他は比較試料セル(#3-0-0)と同様に作製する。なお、表3には、LaNi(1-x-y)CoxMny3においては、CoおよびMnの組成を変化させ、各試料セル(#3-1-1〜#3-1-3)としている。同様に、LaCu(1-x-y)CoxMny3においても、CoおよびMnの組成を変化させ、各試料セル(#3-2-1〜#3-2-3)としている。 Next, the solid oxide fuel cells (sample cells: # 3-1-1 to # 3-1-3, # 3-2-1 to # 3-2-3) which are samples in Example 3 The creation will be described. The sample cell in place of the LSM used in the air electrode of the comparative sample cell as described above, as shown in Table 3 below, LaNi (1-xy) powder Co x Mn y O 3 (# 3-1- 1 # 3-1-3) and LACU (using 1-xy) powder Co x Mn y O 3 (# 3-2-1~ # 3-2-3), the other comparative sample cell (# Prepare in the same manner as 3-0-0). In Table 3, in the LaNi (1-xy) Co x Mn y O 3, by changing the composition of Co and Mn, as the sample cell (# 3-1-1~ # 3-1-3) Yes. Similarly, in LaCu (1-xy) Co x Mn y O 3, by changing the composition of Co and Mn, are each sample cell (# 3-2-1~ # 3-2-3).

Figure 0005296516
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表3に示す各試料セルにおいて前述した測定を行うと、試料セル(#3-1-1〜#3-1-3および#3-2-1〜#3-2-3)においては、比較試料セル(#3-0-0)に比較して、同程度の界面抵抗もしくは界面抵抗が低く良好な結果が得られている。加えて、より長く動作(通電)させると、比較試料セル(#3-0-0)に比較して、界面抵抗がより低くなる傾向が得られている。なお、表3に示す試料セルにおいては、空気極の材料としてのLaE(1-y-x)CoxMny3(Eは銅またはニッケル)において、0<xかつx+y≦0.8の範囲となっている。 When the measurement described above is performed in each sample cell shown in Table 3, the sample cells (# 3-1-1 to # 3-1-3 and # 3-2-1 to # 3-2-3) are compared. Compared to the sample cell (# 3-0-0), the interfacial resistance or interfacial resistance is comparable and good results are obtained. In addition, when operated (energized) longer, the interface resistance tends to be lower than that of the comparative sample cell (# 3-0-0). In the sample cell shown in Table 3, in LaE as the material of the air electrode (1-yx) Co x Mn y O 3 (E copper or nickel), 0 <a range of x and x + y ≦ 0.8 It has become.

ところで、スタック構造とする固体酸化物燃料電池では、空気極はインターコネクタと接した状態で用いられる。このため、発電動作を長期に継続すると、耐熱合金からなるインターコネクタに含まれている酸化クロムと、空気極に含まれているストロンチウム(Sr)との反応生成物が形成されるようになり、固体酸化物形燃料電池(空気極)の性能低下を引き起こすという問題がある(非特許文献1,2参照)。この問題は、空気極にSrを含む材料を用いているために起こるものであり、Srを含まない材料から空気極を構成すれば、解消される。しかしながら一般には、Srを含まない材料(ペロブスカイト型酸化物)は電気伝導特性が著しく低く、これから空気極を構成すると、Srを含んで構成される空気極に比較して大きく性能が低下するとされている(非特許文献3参照)。   By the way, in the solid oxide fuel cell having a stack structure, the air electrode is used in contact with the interconnector. For this reason, when the power generation operation is continued for a long time, a reaction product of chromium oxide contained in the interconnector made of a heat-resistant alloy and strontium (Sr) contained in the air electrode comes to be formed. There exists a problem of causing the performance fall of a solid oxide fuel cell (air electrode) (refer nonpatent literatures 1 and 2). This problem occurs because a material containing Sr is used for the air electrode. If the air electrode is made of a material not containing Sr, the problem can be solved. In general, however, materials that do not contain Sr (perovskite oxide) have extremely low electrical conduction characteristics, and if an air electrode is formed from this, the performance will be greatly reduced compared to an air electrode that contains Sr. (See Non-Patent Document 3).

これに対し、前述した、本発明における実施の形態1および実施の形態2では、空気極がストロンチウム(Sr)を含んでいないので、耐熱合金からなるインターコネクタに含まれている酸化クロムとSrとの反応生成物が形成されることが無くなり、経時的な使用による固体酸化物形燃料電池(空気極)の劣化を抑制することができる。   On the other hand, in Embodiment 1 and Embodiment 2 of the present invention described above, since the air electrode does not contain strontium (Sr), chromium oxide and Sr contained in the interconnector made of a heat-resistant alloy. No reaction product is formed, and deterioration of the solid oxide fuel cell (air electrode) due to use over time can be suppressed.

[実施例4]
以下、インターコネクタとの接続に関し、実際に作製した固体酸化物形燃料電池の単セルにおける特性測定結果について、以下に説明する。
[Example 4]
Hereinafter, the characteristic measurement result in the single cell of the solid oxide fuel cell actually produced regarding the connection with the interconnector will be described below.

この実施例4における参照試料セル(#4-0-0)および試料セル(#4-1-1〜#4-1-3,#4-2-1〜#4-2-3)は、燃料極,電解質,および空気極を構成する材料および作製に関して、以下の表4に示すように、前述した実施例3と同様である。この実施例4では、空気極塗布膜の上に鉄クロム系耐熱合金(ZMG232)のメッシュよりなる集電体を配置し、これら空気極塗布膜が形成された電解質基板を焼成する。従って、実施例4においては、空気極に、耐熱合金からなるインターコネクタが接している状態に、等しい構成となっている。なお、表4に示すように、本実施例においては、通電を1000時間した後の界面抵抗を測定している。   The reference sample cell (# 4-0-0) and sample cell (# 4-1-1 to # 4-1-3, # 4-2-1 to # 4-2-3) in Example 4 are As shown in Table 4 below, the materials and fabrications that make up the fuel electrode, electrolyte, and air electrode are the same as in Example 3 described above. In Example 4, a current collector made of an iron-chromium heat-resistant alloy (ZMG232) mesh is disposed on the air electrode coating film, and the electrolyte substrate on which the air electrode coating film is formed is fired. Therefore, in Example 4, it is the structure equivalent to the state which the interconnector which consists of a heat-resistant alloy is contacting the air electrode. As shown in Table 4, in this example, the interface resistance after 1000 hours of energization is measured.

Figure 0005296516
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表4に示すように、通電1000時間では、比較試料セル(#4-0-0)においては界面抵抗が上昇しているが、試料セル(#4-1-1〜#4-1-3,#4-2-1〜#4-2-3)では、界面抵抗が低下している。これらのことから、本実施の形態における固体酸化物形燃料電池では、空気極にSrが含まれていないので、耐熱合金からなる集電体との間において、酸化クロムとSrとの反応生成物の形成が抑制されているものと考えられる。なお、表4に示す試料セルにおいても、空気極の材料としてのLaE(1-y-x)CoxMny3(Eは銅またはニッケル)において、0<xかつx+y≦0.8の範囲となっている。 As shown in Table 4, the interfacial resistance increased in the comparative sample cell (# 4-0-0) at 1000 hours energization, but the sample cells (# 4-1-1 to # 4-1-3) , # 4-2-1 to # 4-2-3), the interface resistance is lowered. For these reasons, in the solid oxide fuel cell according to the present embodiment, since the air electrode does not contain Sr, a reaction product of chromium oxide and Sr with the current collector made of a heat-resistant alloy. It is thought that the formation of is suppressed. Also in the sample cell shown in Table 4, in LaE as the material of the air electrode (1-yx) Co x Mn y O 3 (E copper or nickel), 0 <a range of x and x + y ≦ 0.8 It has become.

[実施例5]
次に、空気極材料を構成している希土類について検討する。上述した実施例では、空気極材料を構成する希土類としてLaの場合を示したが、以下では、Laを他の希土類に置き換えて作製した単セルについて説明する。
[Example 5]
Next, the rare earth constituting the air electrode material will be examined. In the above-described embodiments, the case where La is used as the rare earth constituting the air electrode material has been described. However, a single cell manufactured by replacing La with another rare earth will be described below.

本実施例5では、以下の表5に示すように、希土類としてLaの他に、Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,およびこれらを組み合わせた空気極材料の粉末を用いて前述同様に空気極を作製する。なお、LnE(1-y-x)CoxMny3(Lnは希土類、Eは銅またはニッケル)において、一般にAサイトと呼ばれるLnの位置の希土類を、Pr,Nd,Sm,Eu,Gdなどに変化させている。集電体は、白金メッシュより構成している。また、作製したセルは、前述した実施例3,4と同様の燃料極支持型の単セルである。また、本実施例5では、[測定方法2]の条件で測定する。 In Example 5, as shown in Table 5 below, in addition to La as a rare earth, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, and a powder of an air electrode material in combination of these, the air electrode is used in the same manner as described above. Is made. Incidentally, LnE (1-yx) Co x Mn y O 3 (Ln is a rare earth, E is copper or nickel) in general rare earth position Ln called A-site, Pr, Nd, Sm, Eu, etc. Gd It is changing. The current collector is composed of a platinum mesh. The produced cell is a fuel cell-supported single cell similar to those in Examples 3 and 4 described above. In Example 5, the measurement is performed under the conditions of [Measurement Method 2].

Figure 0005296516
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表5に示すように、いずれの希土類を用いても、前述した実施例3の場合と同様の結果を示している。また、いずれの希土類を用いた試料セルにおいても、LSMを用いた参照試料セルに比較し、通電を72時間した後の界面抵抗は、より低下している。これらの結果より、空気極は、希土類,遷移金属,コバルト,およびマンガンを備えるペロブスカイト型構造の金属酸化物から構成され、遷移金属は、銅およびニッケルから選択されたものであればよいものと考えられる。   As shown in Table 5, regardless of which rare earth is used, the same results as in Example 3 are shown. Further, in any sample cell using rare earth, the interface resistance after 72 hours of energization is lower than that in the reference sample cell using LSM. From these results, it is considered that the air electrode is composed of a metal oxide having a perovskite structure including rare earth, transition metal, cobalt, and manganese, and the transition metal may be selected from copper and nickel. It is done.

[実施の形態3]
次に、本発明の実施の形態3について説明する。図5は、本発明の実施の形態3における固体酸化物形燃料電池の一部構成例を模式的に示す断面図である。この固体酸化物燃料電池は、ジルコニア系の材料から構成された電解質501と、電解質501の一方の面に形成された燃料極502とを備える。また、本実施の形態の固体酸化物形燃料電池は、電解質501の他方に形成され、希土類、遷移金属E、コバルト(Co)、およびマンガン(Mn)を備えるペロブスカイト型構造の金属酸化物(ペロブスカイト型酸化物)から構成された空気極503を備える。
[Embodiment 3]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a partial configuration example of the solid oxide fuel cell according to Embodiment 3 of the present invention. This solid oxide fuel cell includes an electrolyte 501 made of a zirconia-based material and a fuel electrode 502 formed on one surface of the electrolyte 501. Further, the solid oxide fuel cell of the present embodiment is a metal oxide (perovskite) formed on the other side of the electrolyte 501 and having a rare earth, transition metal E, cobalt (Co), and manganese (Mn). An air electrode 503 made of a type oxide).

上記遷移金属は、銅またはニッケルである。また、希土類は、ランタン(La),プラセオジム(Pr),ネオジム(Nd),サマリウム(Sm),ユウロピウム(Eu),およびガドリニウム(Gd)の少なくとも1つであり、例えば、これらの2つが含まれていてもよい。例えば、空気極503は、上記ペロブスカイト型酸化物の焼成体(多孔質焼結体)から構成されている。   The transition metal is copper or nickel. The rare earth is at least one of lanthanum (La), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), and gadolinium (Gd). For example, these two are included. It may be. For example, the air electrode 503 is composed of a sintered body (porous sintered body) of the perovskite oxide.

ここで、本実施の形態では、上記ペロブスカイト型酸化物を、LnE1/3Co1/3Mn1/33(Lnは希土類、Eは銅またはニッケル)で示されるものとしたところに特徴がある。なお、LnE1/3Co1/3Mn1/33における各元素の原子数は、化学量論組成から多少ずれた値の範囲も含むものである。 Here, the present embodiment is characterized in that the perovskite oxide is represented by LnE 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 3 (Ln is rare earth, E is copper or nickel). There is. In addition, the number of atoms of each element in LnE 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 3 includes a range of values slightly deviating from the stoichiometric composition.

なお、電解質501は、例えば、酸化スカンジウム(Sc23)および酸化アルミニウム(Al23)安定化ZrO2(SASZ),イットリア安定化ジルコニア(YSZ),スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ),サマリア安定化ジルコニア(SSZ)などのジルコニア材料の粉体の焼結体から構成されていればよい。また、燃料極502は、例えば、ニッケル−イットリア安定化ジルコニアサーメット(Ni−YSZ),ニッケルアルミナ添加スカンジア安定化ジルコニア(Ni−SASZ)などの、電解質501を構成する酸化物材料に金属ニッケルが混合された電子伝導性を有する金属−酸化物混合体(サーメット)の粉体の焼成体(多孔質焼結体)から構成されていればよい。 The electrolyte 501 includes, for example, scandium oxide (Sc 2 O 3 ) and aluminum oxide (Al 2 O 3 ) stabilized ZrO 2 (SASZ), yttria stabilized zirconia (YSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), and Samaria. What is necessary is just to be comprised from the sintered compact of the powder of zirconia materials, such as stabilized zirconia (SSZ). The fuel electrode 502 is made of, for example, nickel-yttria stabilized zirconia cermet (Ni-YSZ), nickel alumina-added scandia stabilized zirconia (Ni-SASZ), etc. mixed with metallic nickel in an oxide material constituting the electrolyte 501. What is necessary is just to be comprised from the sintered body (porous sintered body) of the powder of the metal-oxide mixture (cermet) which was made electronic conductivity.

また、これらの各層は、よく知られているように、粉体もしくは混合粉体のスラリを作製し、ドクターブレード法による成形やスクリーン印刷法による塗布でシートを形成し、これを1000〜1200℃で焼成することで作製することができる。   In addition, as is well known, each of these layers is a slurry of powder or mixed powder, and a sheet is formed by molding by a doctor blade method or application by a screen printing method. It can produce by baking with.

このように構成した本実施の形態の固体酸化物形燃料電池によれば、希土類,NiもしくはCu,Co,およびMnよりなるペロブスカイト型酸化物で空気極503を構成したので、LSMなどのSrよりなるペロブスカイト型酸化物を用いた場合に比較し、800℃程度の低温な動作温度における空気極特性の向上が図れ、さらなる出力電圧の向上が得られるようになる。加えて、本実施の形態によれば、空気極を構成するペロブスカイト型酸化物をLnE1/3Co1/3Mn1/33(Lnは希土類、Eは銅またはニッケル)から構成し、Mn,Co,元素Eの構成比を概ね1:1:1としたので、後述するように、上記ペロブスカイト型酸化物の結晶全体を安定化させ、耐久性に優れたものにすることができる。 According to the solid oxide fuel cell of the present embodiment configured as described above, the air electrode 503 is composed of a perovskite oxide made of rare earth, Ni or Cu, Co, and Mn. Compared with the case where the perovskite type oxide is used, the air electrode characteristics can be improved at a low operating temperature of about 800 ° C., and the output voltage can be further improved. In addition, according to the present embodiment, the perovskite oxide constituting the air electrode is composed of LnE 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 3 (Ln is rare earth, E is copper or nickel), Since the composition ratio of Mn, Co, and element E is approximately 1: 1: 1, the entire crystal of the perovskite oxide can be stabilized and excellent in durability, as will be described later.

なお、上述した実施の形態では、固体酸化物形燃料電池の基本的な構成(単セル)を説明している。実際には、よく知られているように、複数の単セルがインターコネクタを介して積層された状態で用いられ、各単セルにおいて、都市ガスなどの炭化水素ガスを改質して得られた水素を含む燃料ガスが燃料極502の側に供給され、酸化剤ガスとしての酸素を含む空気が空気極503の側に供給されることで、発電動作が行われる。   In the above-described embodiment, the basic configuration (single cell) of the solid oxide fuel cell is described. Actually, as is well known, a plurality of single cells are used in a state of being stacked via an interconnector, and obtained by reforming hydrocarbon gas such as city gas in each single cell. A fuel gas containing hydrogen is supplied to the fuel electrode 502 side, and air containing oxygen as an oxidant gas is supplied to the air electrode 503 side, whereby a power generation operation is performed.

次に、空気極503をLnE1/3Co1/3Mn1/33(Lnは希土類、Eは銅またはニッケル)から構成したことについて、より詳細に説明する。組成式AMO3で示されるペロブスカイト型構造の酸化物において、Mを構成するコバルト,マンガン,および元素E(銅またはニッケル)の構成比を、概ね1:1:1とすることにより、結晶全体が安定化し、空気極の耐久性を向上させることができる。 Next, the fact that the air electrode 503 is made of LnE 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 3 (Ln is rare earth, E is copper or nickel) will be described in more detail. In the oxide having the perovskite structure represented by the composition formula AMO 3 , the composition ratio of cobalt, manganese, and element E (copper or nickel) constituting M is approximately 1: 1: 1. It is possible to stabilize and improve the durability of the air electrode.

この理由について、以下に説明する。まず、LnE1/3Co1/3Mn1/33(Lnは希土類、Eは銅またはニッケル)としたペロブスカイト型酸化物においては、図6Aの平面図に示すように、Co,Mn,および元素Eの遷移金属が同一平面において等価に存在している遷移金属層601を備える。加えて、このペロブスカイト型酸化物は、図6Bの模式的な断面図に示すように、遷移金属層601が、希土類(Ln)と酸素からなる層602と交互に1層ずつ存在して積層された状態となっている。 The reason for this will be described below. First, in the perovskite type oxide made of LnE 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 3 (Ln is rare earth, E is copper or nickel), as shown in the plan view of FIG. 6A, Co, Mn, And the transition metal layer 601 in which the transition metal of the element E exists equivalently in the same plane. In addition, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 6B, this perovskite type oxide is laminated in such a manner that transition metal layers 601 alternately exist with layers 602 made of rare earth (Ln) and oxygen. It is in the state.

または、LnE1/3Co1/3Mn1/33(Lnは希土類、Eは銅またはニッケル)としたペロブスカイト型酸化物においては、図7Aの平面図に示すような、Mnが同一平面に独立して存在しているMn層701,Coが同一平面に独立して存在しているCo層702,および元素Eが同一平面に独立して存在している元素E層703を備える。加えて、図7Bの模式的な断面図に示すように、Mn層701,Co層702,および元素E層703が、希土類(Ln)と酸素からなる層704を挟んで、1層おきに独立層として存在して積層された状態となっている。 Alternatively, in the perovskite oxide made of LnE 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 3 (Ln is rare earth, E is copper or nickel), Mn is in the same plane as shown in the plan view of FIG. 7A. In addition, an Mn layer 701, Co layer 702, in which Co exists independently in the same plane, and an element E layer 703, in which element E exists independently in the same plane, are provided. In addition, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 7B, the Mn layer 701, the Co layer 702, and the element E layer 703 are independent every other layer with the layer 704 made of rare earth (Ln) and oxygen interposed therebetween. It exists as a layer and is in a laminated state.

上述したように構成されている本実施の形態における空気極を構成するペロブスカイト型酸化物では、まず、遷移金属層601においてCo,Mn,および元素Eの遷移金属の各々の元素の効果が等しく現れる。また、Mn層701,Co層702,および元素E層703においては、各々の元素の効果が周期的に現れるようになる。これらのことが、前述したように、結晶全体を安定化させ、耐久性を向上させることができる理由として考えられる。   In the perovskite oxide constituting the air electrode in the present embodiment configured as described above, first, the effects of the respective elements of Co, Mn, and the transition metal of element E appear equally in the transition metal layer 601. . In addition, in the Mn layer 701, the Co layer 702, and the element E layer 703, the effect of each element appears periodically. As described above, these are considered as reasons why the entire crystal can be stabilized and the durability can be improved.

以上のことより、LnE1/3Co1/3Mn1/33(Lnは希土類、Eは銅またはニッケル)とすること、言い換えると、Co,Mn,および元素Eの構成比を可能な範囲で1:1:1に近くすることが望ましい。これらの構成比が1:1:1より外れると、元素の過剰や欠乏が発生することになり、図6A,図6B,図7A,および図7Bに示したような、安定な配置とはならず、結晶全体を安定化させ、耐久性を向上させることができなくなるものと考えられる。 From the above, LnE 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 3 (Ln is rare earth, E is copper or nickel), in other words, the composition ratio of Co, Mn, and element E is possible. It is desirable to be close to 1: 1: 1 in the range. If these constituent ratios deviate from 1: 1: 1, excess or deficiency of elements occurs, and the stable arrangement as shown in FIGS. 6A, 6B, 7A, and 7B is not possible. Therefore, it is considered that the entire crystal cannot be stabilized and durability cannot be improved.

また、図6Aに示す各遷移元素の配置の場合、Mn同士,Co同士,元素E同士の距離は、隣り合う元素間の距離の31/2となって規則的に配列し、いわゆる超格子構造が形成される。この規則性が顕著な場合、X線回折測定もしくは中性子線回折測定において、特徴的なピークが観察され得る。例えば、六方晶を有するペロブスカイト型酸化物において、a軸長が0.55nm,c軸長が1.32nmであるとき、線源に銅Kα線(波長0.154nm)を用いると、全てのX線回折ピークは、(101)面の2θ=19.8°のピークよりも高角度側にあり、2θが19°より低角度側にはピークを持たない。 In the case of the arrangement of the transition elements shown in FIG. 6A, the distances between Mn, Co, and element E are regularly arranged as 3 1/2 of the distance between adjacent elements. A structure is formed. When this regularity is remarkable, a characteristic peak can be observed in the X-ray diffraction measurement or the neutron diffraction measurement. For example, in a perovskite oxide having a hexagonal crystal, when the a-axis length is 0.55 nm and the c-axis length is 1.32 nm, all the X The line diffraction peak is on the higher angle side than the peak at 2θ = 19.8 ° on the (101) plane, and 2θ has no peak on the lower angle side than 19 °.

これに対して、前述したような超格子構造の場合、(1/2 1/2 0)面のピークが2θ=18.6°に現れることが予測される。しかしながら、原子散乱因子が互いに近いCo,Mn,元素Eでは、区別がつきにくく、上述したピークの検出が容易ではない。一方、中性子線回折においては、Co,Mn,元素Eの区別が可能であるため、上述した超格子構造のピーク検出は、X線回折に比べると容易である。   On the other hand, in the case of the superlattice structure as described above, it is predicted that the peak of the (1/2 1/2 0) plane appears at 2θ = 18.6 °. However, Co, Mn, and element E, whose atomic scattering factors are close to each other, are difficult to distinguish and the above-described peak detection is not easy. On the other hand, in neutron diffraction, it is possible to distinguish between Co, Mn, and element E, so that the peak detection of the superlattice structure described above is easier than in X-ray diffraction.

また、LnE1/3Co1/3Mn1/33のLn(希土類)を、La,Pr,Nd,Sm,Eu,およびGdの中より選択された1つ以上とすることで、空気極を安定化させることができる。これは、例えば、ルテチウムのようなイオン半径が小さい希土類元素の場合、酸素−酸素間の距離が短くなり、ペロブスカイト型構造が不安定になるためと考えられる。 In addition, by setting Ln (rare earth) of LnE 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 3 to one or more selected from La, Pr, Nd, Sm, Eu, and Gd, air The pole can be stabilized. This is considered to be because, for example, in the case of a rare earth element having a small ion radius such as lutetium, the distance between oxygen and oxygen becomes short, and the perovskite structure becomes unstable.

次に、実際に作製した固体酸化物形燃料電池の単セルにおける特性測定結果について、以下に説明する。   Next, the characteristic measurement result in the single cell of the actually produced solid oxide fuel cell will be described below.

[セルの作製3]
まず、比較試料となる固体酸化物形燃料電池セル(比較試料セル:#6-0-0)を例にとり、単セルの作製について説明する。まず、よく知られたドクターブレード法でシート状に成形して焼成したSc23・Al23添加ジルコニア(0.89ZrO2−0.10Sc23−0.01Al23:SASZ)からなる電解質基板を用意する。電解質基板は、厚さ0.2mmに形成する。次に、10mol%Y23が添加された平均粒径が約0.6μmのジルコニアの粉末(40wt%)に、平均粒径が0.2μmのNiO粉末(60wt%)を混合した混合粉末のスラリを作製し、このスラリを上述した電解質基板の一方の面に、スクリーン印刷法により塗布して燃料極塗布膜を形成する。加えて、この燃料極塗布膜の上に白金のメッシュよりなる集電体を配置し、これらを、1300℃・8時間の熱処理条件で、空気中で焼成し、上記混合粉末の焼結体からなる厚さ60μmの燃料極が形成された状態とする。
[Cell preparation 3]
First, taking a solid oxide fuel cell (comparative sample cell: # 6-0-0) as a comparative sample as an example, production of a single cell will be described. First, Sc 2 O 3 · Al 2 O 3 added zirconia (0.89ZrO 2 -0.10Sc 2 O 3 -0.01Al 2 O 3 : SASZ) formed into a sheet by the well-known doctor blade method and fired An electrolyte substrate is prepared. The electrolyte substrate is formed to a thickness of 0.2 mm. Next, mixed powder obtained by mixing zirconia powder (40 wt%) having an average particle diameter of about 0.6 μm to which 10 mol% Y 2 O 3 has been added with NiO powder (60 wt%) having an average particle diameter of 0.2 μm. Then, this slurry is applied to one surface of the above-described electrolyte substrate by a screen printing method to form a fuel electrode coating film. In addition, a current collector made of platinum mesh is disposed on the fuel electrode coating film, and these are fired in air under a heat treatment condition of 1300 ° C. for 8 hours. A fuel electrode having a thickness of 60 μm is formed.

次に、平均粒径が1.0μmのLa0.8Sr0.2MnO3(LSM)粉末のスラリを作製し、このスラリを、上述した電解質基板の他方の面にスクリーン印刷法により塗布して空気極塗布膜を形成する。加えて、この空気極塗布膜の上に白金のメッシュよりなる集電体を配置し、これら空気極塗布膜が形成された電解質基板を、1100℃・2時間の熱処理条件で焼成し、上記粉末の焼結体からなる厚さ60μmの空気極が形成された状態とする。 Next, a slurry of La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 (LSM) powder having an average particle size of 1.0 μm is prepared, and this slurry is applied to the other surface of the electrolyte substrate by the screen printing method and applied with an air electrode. A film is formed. In addition, a current collector made of platinum mesh is disposed on the air electrode coating film, and the electrolyte substrate on which the air electrode coating film is formed is fired under heat treatment conditions of 1100 ° C. for 2 hours, An air electrode having a thickness of 60 μm made of the sintered body is formed.

このようにして形成した単セルは、前述した実施の形態1と同様であり、図3の斜視図に示すように、1辺30mmの正方形の板状に形成された電解質基板301の上に、直径10mmの円盤に形成された空気極302が配置された状態とされている。なお、図3において、電解質基板301の下に配置される燃料極および集電体は、図示せずに省略している。また、この単セルは、電解質基板301の周辺部に白金からなる参照極303を備え、これに接続した状態で前述した[測定方法1]による測定を行う。   The single cell formed in this way is the same as that of the first embodiment described above, and as shown in the perspective view of FIG. 3, on the electrolyte substrate 301 formed in a square plate shape with a side of 30 mm, An air electrode 302 formed on a disk having a diameter of 10 mm is arranged. In FIG. 3, the fuel electrode and the current collector disposed below the electrolyte substrate 301 are not shown and are omitted. In addition, this single cell includes a reference electrode 303 made of platinum around the electrolyte substrate 301, and performs the measurement according to [Measuring method 1] described above while being connected thereto.

[実施例6]
次に、実施例6として、試料となる固体酸化物形燃料電池セル(試料セル:#6-1-0〜#6-1-2,#6-2-0〜#6-2-2)の作成について説明する。この試料セルは、上述した比較試料セルの空気極に用いたLSMの代わりに、以下の表6に示すように、LnNi1/3Co1/3Mn1/33の粉末(#6-1-0〜#6-1-2)およびLnCu1/3Co1/3Mn1/33の粉末(#6-2-1〜#6-2-8)を用い、この他は比較試料セルと同様に作製する。なお、表6には、LnNi1/3Co1/3Mn1/33においては、Ni,Co,Mnの組成比を概ね1:1:1としてLnの種類を変更して各試料セル(#6-1-0〜#6-1-2)としている。同様に、LnCu1/3Co1/3Mn1/33においては、Cu,Co,Mnの組成比を概ね1:1:1としてLnの種類を変更して各試料セル(#6-2-0〜#6-2-2)としている。
[Example 6]
Next, as Example 6, a solid oxide fuel cell serving as a sample (sample cells: # 6-1-0 to # 6-1-2, # 6-2-0 to # 6-2-2) The creation of will be described. In this sample cell, as shown in Table 6 below, LnNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 3 powder (# 6- 1-0 to # 6-1-2) and LnCu 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 3 powders (# 6-2-1 to # 6-2-8) were used. It is produced in the same manner as the sample cell. In Table 6, in LnNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 3 , the composition ratio of Ni, Co, and Mn is set to about 1: 1: 1, and the type of Ln is changed to change each sample cell. (# 6-1-0 to # 6-1-2). Similarly, in LnCu 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 3 , the composition ratio of Cu, Co, and Mn is approximately 1: 1: 1, and the type of Ln is changed to change each sample cell (# 6- 2-0 to # 6-2-2).

Figure 0005296516
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表6に示す各試料セルにおいて前述した測定を行うと、試料セル(#6-1-0〜#6-1-2および#6-2-0〜#6-2-2)においてはいずれも、比較試料セル(#6-0-0)に比較して、同程度の界面抵抗もしくは界面抵抗が低く良好な結果が得られている。また、1000時間後に、界面抵抗がより低くなる傾向が得られている。   When the measurement described above is performed in each sample cell shown in Table 6, all of the sample cells (# 6-1-0 to # 6-1-2 and # 6-2-0 to # 6-2-2) Compared with the comparative sample cell (# 6-0-0), the interfacial resistance or the interfacial resistance is about the same, and good results are obtained. Moreover, the tendency for interface resistance to become lower is obtained after 1000 hours.

表6に示す結果を検討すると、比較試料セルおよびいずれの試料セルにおいても、通電時間が長いほど、界面抵抗の低下が見られるが、これは、セルを作製した時点(初期)において空気極と電解質との間に形成されるLa2Zr27などの抵抗の高い物質が、通電時間の経過とともに減少するためと考えられる。また、異なる試料セルにおける初期特性の差は、例えば、NiおよびCuの組成比による化合物全体の中における酸素の化学量論的な組成の平衡の差に、対応しているものと考えられる。表6の結果より、空気極の材料をLnE1/3Co1/3Mn1/33(Eは銅またはニッケル)とする(Mn,Co,元素Eの組成比を概ね1:1:1とする)ことで、表6と同様の結果が得られるものと考えられる。 Examining the results shown in Table 6, in the comparative sample cell and any of the sample cells, the longer the energization time, the lower the interfacial resistance. It is considered that a substance having high resistance such as La 2 Zr 2 O 7 formed between the electrolyte and the electrolyte decreases with the passage of current. In addition, it is considered that the difference in initial characteristics between different sample cells corresponds to, for example, the difference in the stoichiometric equilibrium of oxygen in the whole compound due to the composition ratio of Ni and Cu. From the results of Table 6, the material of the air electrode is LnE 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 3 (E is copper or nickel) (Mn, Co, composition ratio of element E is approximately 1: 1: 1), it is considered that the same result as in Table 6 is obtained.

[実施の形態4]
次に、本発明の実施の形態4について図8を用いて説明する。図8は、本発明の実施の形態4における固体酸化物形燃料電池の一部構成例を模式的に示す断面図である。この固体酸化物燃料電池は、電解質801と、電解質801の一方の面に形成された燃料極802と、電解質801の他方に形成された空気極803とを備える。本実施の形態では、空気極203が、実施の形態3の空気極503と同様にLnE1/3Co1/3Mn1/33(Lnは希土類、Eは銅またはニッケル)のペロブスカイト型酸化物から構成された第1層803aと、電解質801の側に配置されて上記ペロブスカイト型酸化物に加えてセリウム酸化物を含んだ第2層803bとから構成されているようにする。
[Embodiment 4]
Next, Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a partial configuration example of the solid oxide fuel cell according to Embodiment 4 of the present invention. This solid oxide fuel cell includes an electrolyte 801, a fuel electrode 802 formed on one surface of the electrolyte 801, and an air electrode 803 formed on the other side of the electrolyte 801. In this embodiment, the air electrode 203 is a perovskite type of LnE 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 3 (Ln is a rare earth, E is copper or nickel) in the same manner as the air electrode 503 of the third embodiment. The first layer 803a is made of an oxide, and the second layer 803b is arranged on the electrolyte 801 side and contains cerium oxide in addition to the perovskite oxide.

本実施の形態における空気極803では、電解質801の側に,第2層803bを備えるようにしたので、第2層803bにおいては、ペロブスカイト型酸化物の粒子がセリア化合物の粒子で覆われる配置となり、電解質801を構成しているジルコニア系材料の部分とペロブスカイト型酸化物材料との直接の接触を抑制し、La2Zr27などの抵抗性の高い物質の生成が抑制されるようになる。 In the air electrode 803 in this embodiment, the second layer 803b is provided on the electrolyte 801 side. Therefore, in the second layer 803b, the perovskite oxide particles are covered with ceria compound particles. In addition, the direct contact between the zirconia-based material portion constituting the electrolyte 801 and the perovskite oxide material is suppressed, and the production of highly resistive substances such as La 2 Zr 2 O 7 is suppressed. .

なお、上述した実施の形態においても、固体酸化物形燃料電池の基本的な構成(単セル)を説明している。実際には、よく知られているように、複数の単セルがインターコネクタを介して積層された状態で用いられ、各単セルにおいて、都市ガスなどの炭化水素ガスを改質して得られた水素を含む燃料ガスが燃料極802の側に供給され、酸化剤ガスとしての酸素を含む空気が空気極803の側に供給されることで、発電動作が行われる。   In the embodiment described above, the basic configuration (single cell) of the solid oxide fuel cell is described. Actually, as is well known, a plurality of single cells are used in a state of being stacked via an interconnector, and obtained by reforming hydrocarbon gas such as city gas in each single cell. A fuel gas containing hydrogen is supplied to the fuel electrode 802 side, and air containing oxygen as an oxidant gas is supplied to the air electrode 803 side, whereby a power generation operation is performed.

次に、実際に作製した固体酸化物形燃料電池の単セルにおける特性測定結果について、以下に説明する。   Next, the characteristic measurement result in the single cell of the actually produced solid oxide fuel cell will be described below.

[実施例7]
始めに、試料となる固体酸化物形燃料電池セル(単セル)の作製について説明する。まず、よく知られたドクターブレード法でシート状に成形して焼成したSc23,Al23添加ジルコニア(0.89ZrO2−0.10Sc23−0.01Al23:SASZ)からなる電解質基板を用意する。電解質基板は、厚さ0.2mmに形成する。次に、10mol%Y23が添加された平均粒径が約0.6μmのジルコニアの粉末(40wt%)に平均粒径が0.2μmのNiO粉末(60wt%)を混合した混合粉末のスラリを作製し、このスラリを上述した電解質基板の一方の面に、よく知られたスクリーン印刷法により塗布して燃料極塗布膜を形成する。加えて、この燃料極塗布膜の上に白金のメッシュよりなる集電体を配置し、これらを、1300℃・8時間の熱処理条件で、空気中で焼成し、上記混合粉末の焼結体からなる厚さ60μmの燃料極が形成された状態とする。
[Example 7]
First, production of a solid oxide fuel cell (single cell) as a sample will be described. First, well known Sc 2 O 3 obtained by firing molded into a sheet by a doctor blade method, Al 2 O 3 doped zirconia (0.89ZrO 2 -0.10Sc 2 O 3 -0.01Al 2 O 3: SASZ An electrolyte substrate is prepared. The electrolyte substrate is formed to a thickness of 0.2 mm. Next, a mixed powder in which NiO powder (60 wt%) having an average particle diameter of 0.2 μm is mixed with zirconia powder (40 wt%) having an average particle diameter of about 0.6 μm to which 10 mol% Y 2 O 3 has been added. A slurry is prepared, and this slurry is applied to one surface of the above-described electrolyte substrate by a well-known screen printing method to form a fuel electrode coating film. In addition, a current collector made of platinum mesh is disposed on the fuel electrode coating film, and these are fired in air under a heat treatment condition of 1300 ° C. for 8 hours. A fuel electrode having a thickness of 60 μm is formed.

次に、前述した実施例6と同様の空気極となる材料とセリア化合物としてのGd0.2Ce0.82(GDC)とを、6:4の重量比で混合して混合粉末のスラリを作製し、このスラリを、上述した電解質基板の他方の面にスクリーン印刷法により塗布して空気極の第2層塗布膜を形成する。加えて、第2層塗布膜の上に、空気極の材料の粉末が分散したスラリを厚く塗布し、第1層塗布膜が形成された状態とする。加えて、この第1層塗布膜の上に白金のメッシュよりなる集電体を配置し、これらを、1100℃・2時間の熱処理条件で焼成し、上記粉末の焼結体からなる厚さ3μmの第2層および厚さ60μmの第1層からなる空気極が形成された状態とする。 Next, an air electrode material similar to that of Example 6 described above and Gd 0.2 Ce 0.8 O 2 (GDC) as a ceria compound are mixed at a weight ratio of 6: 4 to prepare a mixed powder slurry. Then, this slurry is applied to the other surface of the above-described electrolyte substrate by a screen printing method to form a second layer coating film of the air electrode. In addition, the slurry in which the powder of the air electrode material is dispersed is thickly applied on the second layer coating film, so that the first layer coating film is formed. In addition, a current collector made of platinum mesh is placed on the first layer coating film, and these are fired under heat treatment conditions of 1100 ° C. for 2 hours, and the thickness of the powder sintered body is 3 μm. It is assumed that an air electrode composed of the second layer and the first layer having a thickness of 60 μm is formed.

このようにして形成した単セルは、前述した実施の形態2と同様であり、図3の斜視図に示すように、1辺30mmの正方形の板状に形成された電解質基板301の上に、直径10mmの円盤に形成された空気極302を配置した状態としている。また、この単セルは、電解質基板301の周辺部に白金からなる参照極303を備え、これに接続した状態で前述した[測定方法1]の測定を行う。   The single cell formed in this way is the same as that of the second embodiment described above, and as shown in the perspective view of FIG. 3, on the electrolyte substrate 301 formed in a square plate shape with a side of 30 mm, An air electrode 302 formed on a disk having a diameter of 10 mm is arranged. In addition, this single cell includes the reference electrode 303 made of platinum around the electrolyte substrate 301, and performs the measurement of [Measuring method 1] described above while being connected to the reference electrode 303.

この実施例7では、参照試料となる固体酸化物形燃料電池セル(#7-0-0)は、空気極材料としてLa0.8Sr0.2MnO3を用い、試料となる固体酸化物形燃料電池セル(#7-1-0〜#7-1-2)は、空気極材料としてLaNi1/3Co1/3Mn1/33を用い、試料となる固体酸化物形燃料電池セル(#7-2-0〜#7-2-2)は、空気極材料としてLaCu1/3Co1/3Mn1/33を用いる。 In Example 7, a solid oxide fuel cell (# 7-0-0) serving as a reference sample uses La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 as an air electrode material, and serves as a sample. (# 7-1-0 to # 7-1-2) uses LaNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 3 as an air electrode material, and a solid oxide fuel cell (# 7-2-0 to # 7-2-2) use LaCu 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 3 as the air electrode material.

Figure 0005296516
Figure 0005296516

表7に示すように、いずれにおいても、初期の界面抵抗が低くなっている。これは、セルの作製段階において、空気極と電解質との間におけるLa2Zr27などの抵抗性の高い物質の形成が、抑制されていることを示しているものと考えられる。また、本実施例においても、試料セル(#7-1-0〜#7-1-2および#7-2-0〜#7-2-2)においては、通電時間が長いほど、界面抵抗が顕著に低下する傾向が得られている。また、表7の結果より、空気極の材料をLnE1/3Co1/3Mn1/33(Eは銅またはニッケル)とする(Mn,Co,元素Eの組成比を概ね1:1:1とする)ことで、表7と同様の結果が得られるものと考えられる。 As shown in Table 7, in both cases, the initial interface resistance is low. This is considered to indicate that formation of a highly resistant substance such as La 2 Zr 2 O 7 between the air electrode and the electrolyte is suppressed in the cell production stage. Also in this example, in the sample cells (# 7-1-0 to # 7-1-2 and # 7-2-0 to # 7-2-2), the longer the energization time, the higher the interface resistance. There is a tendency to decrease significantly. Further, from the results of Table 7, the material of the air electrode is LnE 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 3 (E is copper or nickel) (Mn, Co, element E composition ratio is approximately 1: It is considered that the same result as in Table 7 can be obtained.

なお、上述した、粒径は、よく知られているレーザー回折散乱法による光強度分布パターンの測定から得られた平均粒子径である。例えば、堀場製作所株式会社製レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置LA−910を用いることで、粒径の測定が可能である。   In addition, the particle diameter mentioned above is an average particle diameter obtained from the measurement of the light intensity distribution pattern by the well-known laser diffraction scattering method. For example, the particle size can be measured by using a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device LA-910 manufactured by HORIBA, Ltd.

以上に説明したように、本発明によれば、耐熱合金から構成された集電体を用いた場合でも、長時間の使用においても、空気極の特性劣化が抑制されるようになる。また、Srを用いずに空気極を構成しているが、本発明におけるペロブスカイト型酸化物を用いることで、所望とする電極特性が長い時間にわたって得られるようになる。このように、本発明は、高い信頼性および高い効率を必要とする固体酸化物形燃料電池に好適である。   As described above, according to the present invention, even when a current collector made of a heat-resistant alloy is used, deterioration of the characteristics of the air electrode can be suppressed even when used for a long time. Further, although the air electrode is configured without using Sr, desired electrode characteristics can be obtained over a long time by using the perovskite oxide in the present invention. Thus, the present invention is suitable for a solid oxide fuel cell that requires high reliability and high efficiency.

本発明の実施の形態1における固体酸化物形燃料電池の構成例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structural example of the solid oxide fuel cell in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2における固体酸化物形燃料電池の構成例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structural example of the solid oxide fuel cell in Embodiment 2 of this invention. 試料セルの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of a sample cell. 試料セルの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of a sample cell. 本発明の実施の形態3における固体酸化物形燃料電池の一部構成例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the partial structural example of the solid oxide form fuel cell in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3における空気極503を構成するペロブスカイト型酸化物の一部構成を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the partial structure of the perovskite type | mold oxide which comprises the air electrode 503 in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3における空気極503を構成するペロブスカイト型酸化物の一部構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the partial structure of the perovskite type | mold oxide which comprises the air electrode 503 in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3における空気極503を構成するペロブスカイト型酸化物の他の一部構成を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the other partial structure of the perovskite type oxide which comprises the air electrode 503 in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3における空気極503を構成するペロブスカイト型酸化物の他の一部構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the other partial structure of the perovskite type oxide which comprises the air electrode 503 in Embodiment 3 of this invention. 図8は、本発明の実施の形態4における固体酸化物形燃料電池の一部構成例を模式的に示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a partial configuration example of the solid oxide fuel cell according to Embodiment 4 of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

101…電解質、102…燃料極、103,203…空気極。   101 ... electrolyte, 102 ... fuel electrode, 103, 203 ... air electrode.

Claims (4)

燃料極,電解質,及び空気極を備える固体酸化物形燃料電池において、
前記空気極は、
希土類,遷移金属,コバルト,およびマンガンを備えるペロブスカイト型構造の金属酸化物から構成され、
前記遷移金属は、銅およびニッケルから選択されたものであり、
前記金属酸化物は、LnE (1-y-x) Co x Mn y 3 (Lnは希土類、Eは銅またはニッケル、0.6≦x+y≦0.8、x≦y)である
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
In a solid oxide fuel cell comprising a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode,
The air electrode is
Consists of metal oxides of perovskite structure with rare earths, transition metals, cobalt and manganese,
The transition metal state, and are not selected from copper and nickel,
The metal oxide is characterized by LnE (1-yx) Co x Mn y O 3 ( the Ln rare earth, E is copper or nickel, 0.6 ≦ x + y ≦ 0.8 , x ≦ y) is Solid oxide fuel cell.
請求項記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記金属酸化物は、LnE1/3Co1/3Mn1/33(Lnは希土類、Eは銅またはニッケル)であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to claim 1 , wherein
2. The solid oxide fuel cell according to claim 1 , wherein the metal oxide is LnE 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 3 (Ln is a rare earth, E is copper or nickel).
請求項1または2記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記希土類は、ランタン,プラセオジム,ネオジム,サマリウム,ユウロピウム,およびガドリニウムの少なくとも1つである
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2 ,
The solid oxide fuel cell, wherein the rare earth is at least one of lanthanum, praseodymium, neodymium, samarium, europium, and gadolinium.
請求項1〜のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記空気極は、前記電解質側に配置されるセリウム酸化物を含む層を備える
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3 ,
The air electrode includes a layer containing cerium oxide disposed on the electrolyte side. A solid oxide fuel cell, wherein:
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