JP5320497B1 - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池セルの出力低下を抑制可能な燃料電池セルを提供する。
【解決手段】燃料極11は、遷移金属及び酸素イオン絶縁性物質を含有する燃料極集電層111と、燃料極活性層112と、を有する。還元状態の燃料極集電層111において、遷移金属の粒子と酸素イオン絶縁性物質の粒子との接合長さの平均値は、0.4μm以上1.8μm以下である。
【選択図】図2
A fuel battery cell capable of suppressing a decrease in output of the fuel battery cell is provided.
A fuel electrode includes a fuel electrode current collecting layer containing a transition metal and an oxygen ion insulating material, and a fuel electrode active layer. In the fuel electrode current collecting layer 111 in the reduced state, the average value of the junction length between the transition metal particles and the oxygen ion insulating material particles is 0.4 μm or more and 1.8 μm or less.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、固体酸化物型の燃料電池セルに関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell.

固体酸化物型の燃料電池セルは、一般的に、燃料極と、空気極と、燃料極および空気極の間に配置される固体電解質層と、を備える。   A solid oxide fuel cell generally includes a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte layer disposed between the fuel electrode and the air electrode.

ここで、遷移金属(例えば、Niなど)及び酸素イオン伝導性を有さない物質(例えば、YやCaZrO3(CZO)など)を含む支持体と、遷移金属及び酸素イオン伝導性を有する物質(例えば、YSZなど)を含む燃料極活性層と、によって燃料極を構成する手法が知られている(特許文献1参照)。支持体は、燃料極集電層として機能する。 Here, a support containing a transition metal (for example, Ni) and a substance having no oxygen ion conductivity (for example, Y 2 O 3 or CaZrO 3 (CZO)), a transition metal and oxygen ion conductivity A method of forming a fuel electrode with a fuel electrode active layer containing a substance (for example, YSZ) is known (see Patent Document 1). The support functions as an anode current collecting layer.

特開2004−234970号公報JP 2004-234970 A

しかしながら、特許文献1に記載の燃料電池セルでは、長期間連続運転すると、燃料極集電層の導電率が低下してしまうことによって、燃料電池セルの出力が低下するという問題がある。   However, the fuel cell described in Patent Document 1 has a problem that, when operated continuously for a long period of time, the output of the fuel cell decreases because the conductivity of the anode current collecting layer decreases.

本発明者らは、鋭意検討した結果、上述の問題が生じるのは、燃料極集電層が還元された場合において、遷移金属の粒子と酸素イオン伝導性を有さない物質の粒子との結合が不十分であることに起因するという知見を得た。すなわち、両者の結合が不十分であるため、燃料電池セルの運転中にNi粒子の形態変化が生じることによって、Ni粒子どうしの結合が切断されてしまう。その結果、燃料極集電層の導電率が低下してしまう。   As a result of intensive studies, the present inventors have found that the above-described problem occurs when the anode current collecting layer is reduced and the bonding between the transition metal particles and the particles having no oxygen ion conductivity. We obtained the knowledge that it is caused by insufficientness. That is, since the coupling between the two is insufficient, the Ni particle morphological change occurs during the operation of the fuel cell, so that the coupling between the Ni particles is broken. As a result, the conductivity of the anode current collecting layer is lowered.

本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、燃料電池セルの出力低下を抑制可能な燃料電池セルを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described situation, and an object thereof is to provide a fuel cell that can suppress a decrease in the output of the fuel cell.

本発明に係る燃料電池セルは、遷移金属及び酸素イオン絶縁性物質を含有する燃料極集電層と、燃料極集電層上に形成される燃料極活性層と、を有する燃料極と、空気極と、燃料極活性層および空気極の間に配置される固体電解質層と、を備える。還元状態の燃料極集電層において、遷移金属の粒子と酸素イオン絶縁性物質の粒子との接合長さの平均値は、0.4μm以上1.8μm以下である。   A fuel cell according to the present invention includes a fuel electrode having an anode current collecting layer containing a transition metal and an oxygen ion insulating material, an anode active layer formed on the anode current collecting layer, and an air And a solid electrolyte layer disposed between the anode active layer and the air electrode. In the fuel electrode current collecting layer in the reduced state, the average value of the junction length between the transition metal particles and the oxygen ion insulating material particles is 0.4 μm or more and 1.8 μm or less.

本発明によれば、燃料電池セルの出力低下を抑制可能な燃料電池セルを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel battery cell which can suppress the output fall of a fuel battery cell can be provided.

燃料電池セルの構成を示す断面図Sectional view showing the configuration of the fuel cell 燃料極集電層の断面のSEM画像SEM image of cross section of anode current collecting layer 図2に示すSEM画像の解析結果を示す図The figure which shows the analysis result of the SEM image shown in FIG. 遷移金属と酸素イオン絶縁性物質との接合長さの分布を示す分布グラフDistribution graph showing the distribution of junction length between transition metal and oxygen ion insulating material

次に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なっている場合がある。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, the drawings are schematic, and the ratio of each dimension may be different from the actual one. Accordingly, specific dimensions and the like should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

以下の実施形態では、固体酸化物型の燃料電池セル(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)の一例として、いわゆる縦縞型の燃料電池セルについて説明する。   In the following embodiments, a so-called vertical stripe fuel cell will be described as an example of a solid oxide fuel cell (SOFC).

《燃料電池セル10の構成》
燃料電池セル(以下、「セル」と略称する。)10の構成について、図面を参照しながら説明する。図1は、セル10の構成を示す断面図である。
<< Configuration of Fuel Cell 10 >>
The configuration of the fuel cell (hereinafter abbreviated as “cell”) 10 will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the cell 10.

セル10は、セラミックス材料によって構成される薄板体である。セル10の厚みは、例えば300μm〜3mmであり、セル10の直径は、例えば5mm〜50mmである。複数のセル10をインターコネクタで直列に接続することによって、燃料電池が形成される。   The cell 10 is a thin plate body made of a ceramic material. The thickness of the cell 10 is, for example, 300 μm to 3 mm, and the diameter of the cell 10 is, for example, 5 mm to 50 mm. A fuel cell is formed by connecting a plurality of cells 10 in series with an interconnector.

セル10は、燃料極11、固体電解質層12、バリア層13および空気極14を備える。   The cell 10 includes a fuel electrode 11, a solid electrolyte layer 12, a barrier layer 13, and an air electrode 14.

1.燃料極11の構成
燃料極11は、セル10のアノードとして機能する。燃料極11は、図1に示すように、燃料極集電層111と燃料極活性層112とによって構成される。なお、本実施形態では、周知の還元処理(例えば、800℃の水素雰囲気においてNiOをNiに還元する処理)が施された状態の燃料極11が想定されている。
1. Configuration of Fuel Electrode 11 The fuel electrode 11 functions as an anode of the cell 10. As shown in FIG. 1, the fuel electrode 11 includes a fuel electrode current collecting layer 111 and a fuel electrode active layer 112. In the present embodiment, it is assumed that the fuel electrode 11 has been subjected to a known reduction process (for example, a process of reducing NiO to Ni in a hydrogen atmosphere at 800 ° C.).

1−1.燃料極集電層111
燃料極集電層111は、多孔質の板状焼成体である。燃料極集電層111の厚みは、0.2mm〜5.0mmとすることができる。燃料極集電層111の厚みは、基板として機能する場合などには、セル10の各構成部材のうちで最も大きくてもよい。上述の還元処理が施された燃料極集電層111の750℃における導電率は、500〜1500S/cm程度である。
1-1. Fuel electrode current collecting layer 111
The anode current collecting layer 111 is a porous plate-like fired body. The thickness of the anode current collecting layer 111 can be set to 0.2 mm to 5.0 mm. The thickness of the anode current collecting layer 111 may be the largest among the constituent members of the cell 10 when it functions as a substrate. The conductivity at 750 ° C. of the anode current collecting layer 111 subjected to the above reduction treatment is about 500 to 1500 S / cm.

燃料極集電層111は、遷移金属と酸素イオン伝導性を有さない物質(以下、「酸素イオン絶縁性物質」という。)を含有する。上述の還元処理が施された燃料極集電層111において、酸素イオン絶縁性物質の体積比率は35体積%〜70体積%とすることができる。換言すれば、還元処理が施された燃料極集電層111において、遷移金属の体積比率は30体積%〜65体積%とすることができる。なお、酸素イオン絶縁性物質の体積比率とは、酸素イオン絶縁性物質自体の体積比率を意味しており、酸素イオン絶縁性物質内の気孔の体積が除外されたものである。   The anode current collecting layer 111 contains a transition metal and a substance having no oxygen ion conductivity (hereinafter referred to as “oxygen ion insulating substance”). In the anode current collecting layer 111 subjected to the reduction treatment described above, the volume ratio of the oxygen ion insulating material can be 35% by volume to 70% by volume. In other words, in the anode current collecting layer 111 subjected to the reduction treatment, the volume ratio of the transition metal can be set to 30% by volume to 65% by volume. Note that the volume ratio of the oxygen ion insulating substance means the volume ratio of the oxygen ion insulating substance itself, and excludes the volume of pores in the oxygen ion insulating substance.

燃料極集電層111は、遷移金属として、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)或いは銅(Cu)などを含有する。燃料極集電層111は、遷移金属として主にNiを含有していることが好ましい。燃料極集電層111は、遷移金属の酸化物を含有していてもよい。遷移金属の酸化物としては、NiO、Fe23、FeO或いはCuOなどが挙げられる。 The anode current collecting layer 111 contains nickel (Ni), iron (Fe), copper (Cu), or the like as a transition metal. The anode current collecting layer 111 preferably contains mainly Ni as a transition metal. The anode current collecting layer 111 may contain an oxide of a transition metal. Examples of the transition metal oxide include NiO, Fe 2 O 3 , FeO, and CuO.

また、燃料極集電層111は、酸素イオン絶縁性物質として、酸化イットリウム(Y)やカルシウムジルコネート(CaZrO)などを含有する。なお、本実施形態において「酸素イオン伝導性を有さない」とは、700℃〜800℃における酸素イオン伝導率が1.0×10−4S/cm以下であることを意味する。 The anode current collecting layer 111 contains yttrium oxide (Y 2 O 3 ), calcium zirconate (CaZrO 3 ), or the like as an oxygen ion insulating material. In the present embodiment, “not having oxygen ion conductivity” means that the oxygen ion conductivity at 700 ° C. to 800 ° C. is 1.0 × 10 −4 S / cm or less.

ここで、燃料極集電層111は、200ppm以下のケイ素(Si)と、50ppm以下のリン(P)と、100ppm以下のクロム(Cr)と、100ppm以下のホウ素(B)と、100ppm以下の硫黄(S)と、を含有することが好ましい。特に、燃料極集電層111は、100ppm以下のSiと、30ppm以下のPと、50ppm以下のCrと、50ppm以下のBと、30ppm以下のSと、を含有することがより好ましい。また、燃料極集電層111において、Si、P、Cr、B及びSそれぞれの含有率は、少なくとも1ppm以上であることがより好ましい。   Here, the anode current collecting layer 111 is composed of 200 ppm or less of silicon (Si), 50 ppm or less of phosphorus (P), 100 ppm or less of chromium (Cr), 100 ppm or less of boron (B), and 100 ppm or less of It is preferable to contain sulfur (S). In particular, the anode current collecting layer 111 preferably contains 100 ppm or less of Si, 30 ppm or less of P, 50 ppm or less of Cr, 50 ppm or less of B, and 30 ppm or less of S. In the anode current collecting layer 111, the content of each of Si, P, Cr, B, and S is more preferably at least 1 ppm or more.

なお、燃料極集電層111の内部微構造については後述する。   The internal microstructure of the anode current collecting layer 111 will be described later.

1−2.燃料極活性層112
燃料極活性層112は、燃料極集電層111および固体電解質層12の間に配置される。燃料極活性層112は、多孔質の板状焼成体である。燃料極活性層112の厚みは5.0μm〜30μmとすることができる。
1-2. Fuel electrode active layer 112
The anode active layer 112 is disposed between the anode current collecting layer 111 and the solid electrolyte layer 12. The anode active layer 112 is a porous plate-like fired body. The thickness of the anode active layer 112 can be 5.0 μm to 30 μm.

燃料極活性層112は、遷移金属と酸素イオン伝導性を有する物質(以下、「酸素イオン伝導性物質」という。)を含有する。上述の還元処理が施された燃料極活性層112において、酸素イオン伝導性物質の体積比率は35体積%〜70体積%とすることができる。換言すれば、還元処理が施された燃料極活性層112において、遷移金属の体積比率は30体積%〜65体積%とすることができる。なお、酸素イオン伝導性物質の体積比率とは、酸素イオン伝導性物質自体の体積比率を意味しており、酸素イオン伝導性物質内の気孔の体積が除外されたものである。   The anode active layer 112 contains a transition metal and a substance having oxygen ion conductivity (hereinafter referred to as “oxygen ion conductive substance”). In the fuel electrode active layer 112 that has been subjected to the reduction treatment described above, the volume ratio of the oxygen ion conductive material can be 35% by volume to 70% by volume. In other words, in the anode active layer 112 that has been subjected to the reduction treatment, the volume ratio of the transition metal can be 30% to 65% by volume. Note that the volume ratio of the oxygen ion conductive material means the volume ratio of the oxygen ion conductive material itself, and excludes the volume of pores in the oxygen ion conductive material.

燃料極活性層112は、遷移金属として、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)或いは銅(Cu)などが挙げられる。燃料極活性層112は、遷移金属の酸化物を含有していてもよい。   In the anode active layer 112, examples of the transition metal include nickel (Ni), iron (Fe), and copper (Cu). The anode active layer 112 may contain a transition metal oxide.

また、燃料極活性層112は、酸素イオン伝導性物質として、イットリア安定化ジルコニア(8YSZ、10YSZなど)やスカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)などのジルコニア系材料や、ガドリニウムドープセリア(GDC:(Ce,Gd)O)やサマリウムドープセリア(SDC:(Ce, Sm)O2)などのセリア系材料などを含有する。なお、本実施形態において「酸素イオン伝導性を有する」とは、700℃〜800℃における酸素イオン伝導率が5.0×10−3S/cm以上であることを意味する。 In addition, the anode active layer 112 includes, as an oxygen ion conductive substance, zirconia-based materials such as yttria stabilized zirconia (8YSZ, 10YSZ, etc.) and scandia stabilized zirconia (ScSZ), gadolinium doped ceria (GDC: (Ce, Cd-based materials such as Gd) O 2 ) and samarium-doped ceria (SDC: (Ce, Sm) O 2 ). In the present embodiment, “having oxygen ion conductivity” means that the oxygen ion conductivity at 700 ° C. to 800 ° C. is 5.0 × 10 −3 S / cm or more.

2.固体電解質層12の構成
固体電解質層12は、燃料極11とバリア層13との間に配置される。固体電解質層12は、空気極14で生成される酸素イオンを透過させる機能を有する。固体電解質層12は、ジルコニウム(Zr)を含む。固体電解質層12は、Zrをジルコニア(ZrO2)として含んでもよい。固体電解質層12は、ZrO2を主成分として含んでいてもよい。
2. Configuration of Solid Electrolyte Layer 12 The solid electrolyte layer 12 is disposed between the fuel electrode 11 and the barrier layer 13. The solid electrolyte layer 12 has a function of transmitting oxygen ions generated at the air electrode 14. The solid electrolyte layer 12 contains zirconium (Zr). The solid electrolyte layer 12 may contain Zr as zirconia (ZrO 2 ). The solid electrolyte layer 12 may contain ZrO 2 as a main component.

また、固体電解質層12は、ZrO2の他に、Y23及び/又はSc23等の添加剤を含んでいてもよい。これらの添加剤は、安定化剤として機能する。固体電解質層12において、安定化剤のZrO2に対するmol組成比(安定化剤:ZrO2)は、3:97〜20:80程度であればよい。すなわち、固体電解質層12の材料としては、例えば、3YSZ、8YSZ及び10YSZなどのイットリア安定化ジルコニアやScSZなどのジルコニア系材料を挙げることができる。固体電解質層12の厚みは、3μm〜30μmとすることができる。 The solid electrolyte layer 12 may contain additives such as Y 2 O 3 and / or Sc 2 O 3 in addition to ZrO 2 . These additives function as stabilizers. In the solid electrolyte layer 12, mol compositional ratio of ZrO 2 stabilizer (stabilizer: ZrO 2) is 3: 97 to 20: may be about 80. That is, examples of the material for the solid electrolyte layer 12 include yttria-stabilized zirconia such as 3YSZ, 8YSZ, and 10YSZ, and zirconia-based materials such as ScSZ. The thickness of the solid electrolyte layer 12 can be 3 μm to 30 μm.

3.バリア層13の構成
バリア層13は、固体電解質層12および空気極14の間に配置される。バリア層13は、固体電解質層12および空気極14の間に高抵抗層が形成されることを抑制する機能を有する。
3. Configuration of Barrier Layer 13 The barrier layer 13 is disposed between the solid electrolyte layer 12 and the air electrode 14. The barrier layer 13 has a function of suppressing the formation of a high resistance layer between the solid electrolyte layer 12 and the air electrode 14.

バリア層13の材料としては、セリア(CeO)及びCeOに固溶した希土類金属酸化物を含むセリア系材料が挙げられる。具体的に、セリア系材料としては、GDCやSDC等が挙げられる。バリア層13の厚みは、3μm〜20μmとすることができる。 Examples of the material of the barrier layer 13 include ceria (CeO 2 ) and a ceria-based material containing a rare earth metal oxide dissolved in CeO 2 . Specifically, examples of the ceria-based material include GDC and SDC. The thickness of the barrier layer 13 can be 3 μm to 20 μm.

4.空気極14の構成
空気極14は、バリア層13上に配置される。空気極14は、セル10のカソードとして機能する。空気極14は、例えば、ランタン含有ペロブスカイト型複合酸化物を主成分として含有してもよい。ランタン含有ペロブスカイト型複合酸化物としては、LSCF(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)、ランタンマンガナイト、ランタンコバルタイト、ランタンフェライトが挙げられる。また、ランタン含有ペロブスカイト型複合酸化物には、ストロンチウム、カルシウム、クロム、コバルト、鉄、ニッケル、アルミニウムなどがドープされていてもよい。空気極14の厚みは、10μm〜100μmとすることができる。
4). Configuration of Air Electrode 14 The air electrode 14 is disposed on the barrier layer 13. The air electrode 14 functions as a cathode of the cell 10. The air electrode 14 may contain, for example, a lanthanum-containing perovskite complex oxide as a main component. Examples of the lanthanum-containing perovskite complex oxide include LSCF (lanthanum strontium cobalt ferrite), lanthanum manganite, lanthanum cobaltite, and lanthanum ferrite. The lanthanum-containing perovskite complex oxide may be doped with strontium, calcium, chromium, cobalt, iron, nickel, aluminum, or the like. The thickness of the air electrode 14 can be 10 μm to 100 μm.

《燃料極集電層111の微構造》
以下において、図2〜図4を参照しながら、燃料極集電層111の微構造について説明する。本実施形態では、上述の通り、燃料極11が還元された状態が想定されている。なお、以下の説明において、Niは遷移金属の一例であり、Yは酸素イオン絶縁性物質の一例である。従って、以下の説明において、Niを他の遷移金属(FeやCuなど)に置き換えてよいし、Yを他の酸素イオン絶縁性物質(CaZrOなど)に置き換えてもよい。
<< Fine structure of anode current collecting layer 111 >>
In the following, the microstructure of the anode current collecting layer 111 will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, as described above, a state in which the fuel electrode 11 is reduced is assumed. In the following description, Ni is an example of a transition metal, and Y 2 O 3 is an example of an oxygen ion insulating material. Therefore, in the following description, Ni may be replaced with other transition metals (Fe, Cu, etc.), and Y 2 O 3 may be replaced with other oxygen ion insulating substances (CaZrO 3, etc.).

1.SEM画像
図2は、インレンズ二次電子検出器を用いたFE−SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope:電界放射型走査型電子顕微鏡)によって倍率3000倍に拡大された燃料極集電層111の断面SEM画像である。図2では、Ni−Yによって構成された燃料極集電層111の断面が示されており、燃料極集電層111の断面は、精密機械研磨後に株式会社日立ハイテクノロジーズのIM4000によってイオンミリング加工処理が施されている。
1. SEM image FIG. 2 is a cross-sectional view of the fuel electrode current collecting layer 111 magnified by 3000 times by an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) using an in-lens secondary electron detector. It is a SEM image. FIG. 2 shows a cross section of the anode current collecting layer 111 made of Ni—Y 2 O 3. The anode current collecting layer 111 is cross-sectioned by IM4000 of Hitachi High-Technologies Corporation after precision mechanical polishing. Ion milling processing is applied.

また、図2は、加速電圧:1kV、ワーキングディスタンス:2mmに設定されたZeiss社(ドイツ)製のFE−SEM(型式:ULTRA55)によって得られたSEM画像である。図2に示される1視野のサイズは、縦7μm×横34μmである。   FIG. 2 is an SEM image obtained by an FE-SEM (model: ULTRA55) manufactured by Zeiss (Germany) set at an acceleration voltage of 1 kV and a working distance of 2 mm. The size of one visual field shown in FIG. 2 is 7 μm long × 34 μm wide.

図2に示されるSEM画像では、明暗差によってNi(遷移金属の一例)の粒子とY(酸素イオン絶縁性物質の一例)の粒子と気孔とが個別に表示されている。図2では、Ni粒子が“白色”、Y粒子が“灰色”、気孔が“黒色”で表示されている。ただし、図2では、気孔の輪郭の一部が白飛びしたように表示されている。 In the SEM image shown in FIG. 2, particles of Ni (an example of a transition metal), particles of Y 2 O 3 (an example of an oxygen ion insulating material), and pores are individually displayed depending on the difference in brightness. In FIG. 2, Ni particles are displayed as “white”, Y 2 O 3 particles as “gray”, and pores as “black”. However, in FIG. 2, a part of the outline of the pore is displayed as if it is whiteout.

なお、Ni粒子、Y粒子、気孔を判別する手法は、SEM画像における明暗差を用いるものには限られない。例えば、同一視野においてSEM−EDSにより元素マッピングを取得した後、予め得ていたインレンズ二次電子検出器を用いたFE−SEM像(インレンズ像とアウトレンズ像を含む)と照らし合わせて、SEM画像中の各粒子を同定することによって、Ni粒子、Y粒子、気孔を3値化することもできる。この際、各粒子の同定は、アウトレンズ像上の低輝度領域を気孔と判定した後に、インレンズ像上の気孔以外の領域における高輝度領域をNi粒子と判定し、低輝度領域をY粒子と判定することで簡便に行うことができる。 In addition, the method of discriminating Ni particles, Y 2 O 3 particles, and pores is not limited to using the light / dark difference in the SEM image. For example, after obtaining element mapping by SEM-EDS in the same field of view, in comparison with a previously obtained FE-SEM image (including in-lens image and out-lens image) using an in-lens secondary electron detector, By identifying each particle in the SEM image, the Ni particles, the Y 2 O 3 particles, and the pores can be ternarized. At this time, each particle is identified by determining the low luminance region on the out-lens image as a pore, then determining the high luminance region in the region other than the pore on the in-lens image as a Ni particle, and setting the low luminance region as Y 2. O 3 can be easily performed by determining the particle.

2.SEM画像の解析
図3は、図2に示すSEM画像をMVTec社(ドイツ)製の画像解析ソフトHALCONによって画像解析した結果を示す図である。図3では、Ni粒子とY粒子との接合線と、Ni粒子と気孔との境界線(以下、「第1境界線」という。)と、さらに、Y粒子と気孔との境界線(以下、「第2境界線」という。)とが実線で強調して示されている。図3に示すように、燃料極集電層111の内部では、Ni粒子とY粒子とが互いに接合されている。また、Ni粒子と気孔とが複数個所で隣接し、Y粒子と気孔とが複数個所で隣接している。
2. Analysis of SEM Image FIG. 3 is a diagram showing a result of image analysis of the SEM image shown in FIG. 2 using image analysis software HALCON manufactured by MVTec (Germany). In FIG. 3, a joining line between Ni particles and Y 2 O 3 particles, a boundary line between Ni particles and pores (hereinafter referred to as “first boundary line”), Y 2 O 3 particles and pores, The boundary line (hereinafter referred to as “second boundary line”) is highlighted with a solid line. As shown in FIG. 3, Ni particles and Y 2 O 3 particles are bonded to each other inside the anode current collecting layer 111. In addition, Ni particles and pores are adjacent at a plurality of locations, and Y 2 O 3 particles and pores are adjacent at a plurality of locations.

3.Ni粒子とY粒子との接合長さの平均値
図4は、Ni粒子とY粒子との接合長さの分布を示す分布グラフである。この分布グラフは、図3に示す1視野の画像を解析結果に基づいて作成されている。ただし、本実施形態では、後述する接合長さの平均値の算出、および、接合長さの平均値の標準偏差の算出において、上述の画像解析ソフトによって認識された0.2μm以下の接合箇所のデータは使用されていない。これは、さらに高倍率での観察結果によれば、上述の画像解析ソフトで認識された0.2μm以下の接合箇所の存在自体が不確かであり、出力性能や燃料極の劣化を支配する因子として考慮しないほうが良いと判断されるためである。
3. Average value of junction length between Ni particles and Y 2 O 3 particles FIG. 4 is a distribution graph showing a distribution of junction lengths between Ni particles and Y 2 O 3 particles. This distribution graph is created based on the analysis result of the image of one field of view shown in FIG. However, in the present embodiment, in the calculation of the average value of the bonding length, which will be described later, and the calculation of the standard deviation of the average value of the bonding length, the bonding portion of 0.2 μm or less recognized by the above-described image analysis software is used. Data is not used. According to the observation result at a higher magnification, the existence itself of the joint portion of 0.2 μm or less recognized by the above-described image analysis software is uncertain, and as a factor governing output performance and deterioration of the fuel electrode. This is because it is judged that it is better not to consider.

ここで、Ni粒子とY粒子との接合長さの平均値(以下、「接合長さの平均値」という。)は、0.4μm以上1.8μm以下であることが好ましい。接合長さの平均値は、Ni粒子とY粒子との接合長さの和を接合箇所数で除した値であり、図4に示す例では、0.59μmである。接合長さの平均値は、1つの視野又は複数の視野における解析結果から算出されてもよい。 Here, the average value of the junction length between the Ni particles and the Y 2 O 3 particles (hereinafter referred to as “average value of the junction length”) is preferably 0.4 μm or more and 1.8 μm or less. The average value of the junction length is a value obtained by dividing the sum of the junction lengths of the Ni particles and the Y 2 O 3 particles by the number of junctions, and is 0.59 μm in the example shown in FIG. The average value of the joining length may be calculated from the analysis result in one visual field or a plurality of visual fields.

このような接合長さの平均値は、Ni粒子とY粒子とのネック太さを示す指標である。すなわち、接合長さの平均値を所定範囲内に制御することによって、Ni粒子とY粒子との間に必要十分な太さのネックを形成することができる。従って、セル10の運転中において、Ni粒子の形態変化が生じることが抑えられるため、Ni粒子どうしの結合が切断されることを抑制できる。その結果、燃料極集電層111の導電率の低下が抑えられることによって、セル10の出力が低下することを抑制できる。 Such an average value of the joining length is an index indicating the neck thickness between the Ni particles and the Y 2 O 3 particles. That is, a neck having a necessary and sufficient thickness can be formed between the Ni particles and the Y 2 O 3 particles by controlling the average value of the joining length within a predetermined range. Therefore, it is possible to prevent the Ni particles from being changed in shape during the operation of the cell 10, so that the bond between the Ni particles can be prevented from being broken. As a result, it is possible to suppress a decrease in the output of the cell 10 by suppressing a decrease in the conductivity of the anode current collecting layer 111.

接合長さの平均値を調整するには、例えば、NiO原料粉末とY原料粉末との粒度分布を制御することが有効である。また、接合長さの平均値は、造孔材の平均粒径及び添加量や焼成条件によっても微調整されうる。以下に、接合長さの平均値を上述の0.4μm以上1.8μm以下の範囲に制御するための作製条件の一例を示す。 In order to adjust the average value of the joining length, for example, it is effective to control the particle size distribution of the NiO raw material powder and the Y 2 O 3 raw material powder. Further, the average value of the joining length can be finely adjusted by the average particle diameter and the addition amount of the pore former and the firing conditions. Hereinafter, an example of manufacturing conditions for controlling the average value of the junction length in the above-described range of 0.4 μm to 1.8 μm is shown.

・NiO原料粉末の平均粒径を0.3μm以上2.8μm以下とするとともに、粒径0.1μm以下の微細粒子を分級処理により除去すること
・Y原料粉末の平均粒径を0.7μm以上5.5μm以下とするとともに、粒径0.2μm以下の微細粒子を分級処理により除去すること
・造孔材の平均粒径を0.8μm以上15μm以下とすること
・造孔材の添加量をセラミックス原料(NiO+Y)に対して、25体積%以下とすること
・共焼成温度を1350℃以上1500℃以下とし、処理時間を1時間以上20時間以下とすること
4.平均値以上の接合長さを有する接合個所の割合
Ni粒子とY粒子との全接合箇所のうち平均値以上の接合長さを有する接合箇所の割合(以下、「平均値以上の接合箇所割合」という。)は、22.2%以上51.2%以下であることが好ましい。図4に示す分布グラフでは、平均値以上の接合箇所割合は、全頻度に対する平均値0.59μm以上の頻度の和の割合に対応しており、32.1%である。平均値以上の接合箇所割合は、Ni粒子の形態変化のしにくさを示す指標である。すなわち、平均値以上の接合箇所割合を所定範囲内に制御することによって、Ni粒子の形態変化がより抑制され、燃料極集電層111の導電率の低下をより抑えることができる。
-The average particle size of the NiO raw material powder is 0.3 to 2.8 µm and fine particles having a particle size of 0.1 µm or less are removed by classification treatment. · The average particle size of the Y 2 O 3 raw material powder is 0. 0.7 μm or more and 5.5 μm or less and removing fine particles having a particle size of 0.2 μm or less by classification treatment ・ The average particle size of the pore former should be 0.8 μm or more and 15 μm or less. 3. Addition amount is 25% by volume or less with respect to the ceramic raw material (NiO + Y 2 O 3 ). • The co-firing temperature is 1350 ° C. or more and 1500 ° C. or less, and the treatment time is 1 hour or more and 20 hours or less. Percentage of joints having a joint length greater than the average value Ratio of joints having a joint length greater than the average value among all joints of Ni particles and Y 2 O 3 particles (hereinafter referred to as “joint over average value”) It is preferable that it is 22.2% or more and 51.2% or less. In the distribution graph shown in FIG. 4, the joint location ratio equal to or higher than the average value corresponds to the ratio of the sum of the average frequency equal to or higher than 0.59 μm with respect to the total frequency, and is 32.1%. The joint portion ratio equal to or higher than the average value is an index indicating the difficulty of changing the shape of the Ni particles. That is, by controlling the joint portion ratio equal to or higher than the average value within a predetermined range, the change in the shape of the Ni particles is further suppressed, and the decrease in the conductivity of the anode current collecting layer 111 can be further suppressed.

平均値以上の接合箇所割合を調整するには、接合長さの平均値の調整と同様に、NiO原料粉末とY原料粉末との粒度分布を制御することが有効である。また、平均値以上の接合箇所割合は、材料の混合方法や焼成条件によっても微調整されうる。以下に、平均値以上の接合箇所割合を22.2%以上51.2%以下の範囲に制御するための作製条件の一例を示す。 In order to adjust the proportion of the joints that are equal to or greater than the average value, it is effective to control the particle size distribution of the NiO raw material powder and the Y 2 O 3 raw material powder as in the adjustment of the average value of the joint length. Moreover, the ratio of the joint location more than the average value can be finely adjusted depending on the material mixing method and firing conditions. Below, an example of the production conditions for controlling the joint location ratio of the average value or more to the range of 22.2% or more and 51.2% or less is shown.

・NiO原料粉末及びY原料粉末の平均粒径を0.4μm〜4.0μmとするとともに、粒径0.2μm以下の微細粒子と10μm以上の粗大粒子を分級処理により除去すること
・NiO原料粉末及びY原料粉末(印刷法で形成される場合は印刷ペースト)を均一混合すること
・NiO原料粉末及びY原料粉末を含む印刷ペーストを作製する場合には、適切な分散剤を添加した分散性の良いスラリーを作製した後、十分なポットミル混合とトリロールミル混合によりスラリーを均一混合すること
・焼成温度を1400℃以上1450℃以下とし、処理時間を5時間以上10時間以下とすること
5.接合長さのバラツキ
任意に取得される10視野(倍率3000倍)のSEM画像において、遷移金属粒子と酸素イオン絶縁性物質粒子との接合長さの平均値の標準偏差は、0.52以下であることが好ましい。
The average particle size of the NiO raw material powder and the Y 2 O 3 raw material powder is set to 0.4 μm to 4.0 μm, and fine particles having a particle size of 0.2 μm or less and coarse particles of 10 μm or more are removed by classification treatment. Mix NiO raw material powder and Y 2 O 3 raw material powder (printing paste when formed by printing method) uniformly ・ Appropriate when making printing paste containing NiO raw material powder and Y 2 O 3 raw material powder After preparing a slurry with good dispersibility to which a suitable dispersant is added, the slurry is uniformly mixed by sufficient pot mill mixing and triroll mill mixing. The firing temperature is 1400 ° C. or higher and 1450 ° C. or lower, and the treatment time is 5 hours or longer 10 4. Less than time Variation in bonding length In an SEM image of 10 fields of view (3000 times magnification) arbitrarily acquired, the standard deviation of the average value of the bonding length between the transition metal particles and the oxygen ion insulating material particles is 0.52 or less. Preferably there is.

接合長さの平均値の標準偏差は、燃料極集電層111内における遷移金属粒子と酸素イオン絶縁性物質粒子とのネック太さのバラツキを示す指標である。すなわち、接合長さの平均値の標準偏差を小さくすることによって、局所的にもNi粒子の形態変化が生じにくくなるため、燃料極集電層111の導電率を均一にすることができる。そのため、セル10の出力の低下をより抑制することができる。   The standard deviation of the average value of the junction length is an index indicating the variation in the neck thickness between the transition metal particles and the oxygen ion insulating material particles in the anode current collecting layer 111. That is, by reducing the standard deviation of the average value of the junction length, the Ni particles are less likely to change in shape locally, so that the conductivity of the anode current collecting layer 111 can be made uniform. Therefore, a decrease in the output of the cell 10 can be further suppressed.

平均値の標準偏差は、平均値以上の接合箇所割合の調整と同様に、原料粉末の平均粒径、燃料極活性層を形成する材料の混合条件、或いは焼成条件を制御することによって調整可能である。さらに、平均値の標準偏差は、混合プロセスにおける不純物の混入を制御することによっても調整可能である。このような不純物の混入を制御することで、共焼成時の組織制御性の向上及び再現性の確保が実現され、NiO粒子とY粒子の焼結進行の均一性を向上させることができる。具体的には、Si、B、Cr、P、Sなどの混入を約200ppm以下に制御することが好ましい。 The standard deviation of the average value can be adjusted by controlling the average particle diameter of the raw material powder, the mixing condition of the material forming the fuel electrode active layer, or the firing condition, in the same manner as the adjustment of the ratio of the joining points above the average value. is there. Furthermore, the standard deviation of the average value can be adjusted by controlling the mixing of impurities in the mixing process. By controlling the mixing of such impurities, it is possible to improve the structure controllability and ensure reproducibility during co-firing, and to improve the uniformity of the sintering progress of NiO particles and Y 2 O 3 particles. it can. Specifically, it is preferable to control the mixing of Si, B, Cr, P, S, etc. to about 200 ppm or less.

6.気孔率
燃料極集電層111は、複数の気孔を有する。燃料極集電層111における気孔率は、20%以上50%以下であることが好ましい。気孔率とは、燃料極集電層111の断面における全気孔の面積占有率、又は、燃料極集電層111の単位体積に対する気孔の体積占有率である。
6). Porosity The anode current collecting layer 111 has a plurality of pores. The porosity of the anode current collecting layer 111 is preferably 20% or more and 50% or less. The porosity is an area occupancy ratio of all pores in the cross section of the anode current collecting layer 111 or a volume occupying ratio of pores with respect to a unit volume of the anode current collecting layer 111.

燃料極集電層111における気孔率は、燃料極集電層111を作製する際に添加される造孔剤の添加量や粒径を調整することによって制御可能である。   The porosity in the anode current collecting layer 111 can be controlled by adjusting the amount of added pore forming agent and the particle size added when the anode current collecting layer 111 is produced.

7.孤立Ni粒子の割合
燃料極集電層111におけるNi粒子の詳細について説明する。インレンズ二次電子検出器を用いたFE−SEM画像では、各Ni粒子の導電性の差異を画像コントラストとして出力することができる。導電性の高い、つまり周囲のNi粒子との電気的接続が確かな連続性の高い粒子は明るく表示され、導電性の低い、つまり周囲のNi粒子との電気的接続が不確かな粒子は暗く表示されることが知られている(「Solid State lonics 178(2008)1984」参照)。
7). The ratio of the isolated Ni particles The details of the Ni particles in the anode current collecting layer 111 will be described. In the FE-SEM image using the in-lens secondary electron detector, the difference in conductivity of each Ni particle can be output as the image contrast. Particles with high electrical conductivity, that is, high continuity with reliable electrical connection with surrounding Ni particles are displayed brightly, and particles with low electrical conductivity, that is, electrical connection with surrounding Ni particles are dark (See "Solid State lonics 178 (2008) 1984").

また、インレンズ二次電子検出器を用いたFE−SEM画像から得られたNi粒子の明暗がNi粒子の連続性有無、すなわち導電性の差異を表していることを確認することが有効である。Ni粒子の連続性有無の確認には、所定の電圧が印加されたカンチレバーによって断面をスキャンすることによって、同一視野における原子間力顕微鏡(AFM)を用いたNi粒子個々の抵抗を評価する手法を用いることができる。具体的には、まず、電流の大きさに基づいて、Ni粒子によって構成される領域を導通のある領域と導通のない領域に分類する。次に、分析結果から、導通のある領域を「連続Ni粒子」と判定し、導通のない領域を「孤立Ni粒子」と判定する。連続Ni粒子とは、隣り合う少なくとも1つのNi粒子と繋がっているNi粒子であり、孤立Ni粒子とは、隣り合うNi粒子と繋がらずに単独で存在するNi粒子である。   It is also effective to confirm that the brightness of the Ni particles obtained from the FE-SEM image using the in-lens secondary electron detector represents the continuity of the Ni particles, that is, the difference in conductivity. . In order to confirm the continuity of Ni particles, a method of evaluating the resistance of each Ni particle using an atomic force microscope (AFM) in the same field of view by scanning the cross section with a cantilever to which a predetermined voltage is applied. Can be used. Specifically, first, based on the magnitude of the current, the region constituted by the Ni particles is classified into a region having conduction and a region having no conduction. Next, based on the analysis result, a region with continuity is determined as “continuous Ni particles”, and a region without continuity is determined as “isolated Ni particles”. The continuous Ni particles are Ni particles connected to at least one adjacent Ni particle, and the isolated Ni particles are Ni particles that exist independently without being connected to adjacent Ni particles.

ここで、1視野に存在するNiの全占有面積のうち孤立Ni粒子の占有面積の割合(以下、「孤立Ni粒子割合」という。)は、25%以下であることが好ましい。孤立Ni粒子割合は、燃料極集電層111の導電性の指標である。すなわち、孤立Ni粒子割合が少ないほど還元処理の前後における燃料極集電層111の導電率の変化を抑制することができる。   Here, the ratio of the occupied area of isolated Ni particles out of the total occupied area of Ni existing in one field of view (hereinafter referred to as “isolated Ni particle ratio”) is preferably 25% or less. The isolated Ni particle ratio is an index of conductivity of the anode current collecting layer 111. That is, the smaller the ratio of isolated Ni particles, the more the change in the conductivity of the anode current collecting layer 111 before and after the reduction process can be suppressed.

このような孤立Ni粒子割合は、例えば、燃料極11用のスラリー内に混入されるNiO粉末の粉体特性(粒径、比表面積)を調整することで制御可能である。また、孤立Ni粒子割合の調整は、焼成時間及び焼成温度の調整、或いは、造孔材の粒径や添加量を調整することによっても制御可能である。   Such a ratio of isolated Ni particles can be controlled, for example, by adjusting the powder characteristics (particle diameter, specific surface area) of NiO powder mixed in the slurry for the fuel electrode 11. The adjustment of the isolated Ni particle ratio can also be controlled by adjusting the firing time and the firing temperature, or by adjusting the particle size and the amount of the pore former.

特に、NiO粒子の活性度の高い材料を用いることが重要である。比表面積の高いNiO原料を用いることで、焼成時に他のNiOやYとの接合性が向上し、還元処理後においても孤立Ni粒子割合を下げることができる。具体的には、5m/g〜20m/gの比表面積を有するNiO粒子を原料として用いることが好ましい。ただし、高比表面積の原料を用いる場合にはスラリー調整時に有効な分散剤(例えば、ビックケミージャパン株式会社製の湿潤分散剤「DISPERBYK(R)-180」など)を添加する必要がある。分散性の低いスラリーにおいては、高比表面積粒子は凝集体となり、むしろ焼結性が阻害されてしまう結果、孤立Ni粒子割合が向上してしまうためである。焼成温度は1400℃以上1450℃以下が好ましく、処理時間は5時間以上10時間以下が好ましい。 In particular, it is important to use a material having high activity of NiO particles. By using a NiO raw material having a high specific surface area, bondability with other NiO or Y 2 O 3 is improved during firing, and the ratio of isolated Ni particles can be reduced even after reduction treatment. Specifically, it is preferable to use NiO particles having a specific surface area of 5 m 2 / g to 20 m 2 / g as a raw material. However, when a raw material having a high specific surface area is used, it is necessary to add an effective dispersant (for example, a wet dispersant “DISPERBYK (R) -180” manufactured by Big Chemie Japan Co., Ltd. ) during slurry adjustment. This is because, in a slurry with low dispersibility, the high specific surface area particles become aggregates, and rather the sinterability is hindered, resulting in an increase in the ratio of isolated Ni particles. The firing temperature is preferably from 1400 ° C. to 1450 ° C., and the treatment time is preferably from 5 hours to 10 hours.

なお、連続Ni粒子と孤立Ni粒子とは、SEM画像を画像解析ソフトによって解析する際に、Ni粒子の明暗を詳細に検出することによっても判定可能である。例えば、図2では一律に“白色”として分類した領域のうち明るい領域を「連続Ni粒子」と判定し、暗い領域を「孤立Ni粒子」と判定すればよい。   Note that continuous Ni particles and isolated Ni particles can also be determined by detecting in detail the brightness and darkness of Ni particles when an SEM image is analyzed by image analysis software. For example, in FIG. 2, among the areas uniformly classified as “white”, a bright area may be determined as “continuous Ni particles” and a dark area may be determined as “isolated Ni particles”.

また、連続Ni粒子と孤立Ni粒子との判定に係る上述した種々の手法では、セル10のサンプルを厚さ方向(積層方向)に沿って機械加工により実際に切断して得られた断面が利用される。従って、断面近傍に分布していたNi粒子のうち切断前には連続Ni粒子であったが切断後に孤立Ni粒子に変わったもの(或いは、その逆のもの)が存在し得ると考えられる。しかしながら、断面近傍に分布していたNi粒子のうち切断前後で連続Ni粒子から孤立Ni粒子(或いは、その逆)に変わったものの割合は非常に小さいと考えられる。従って、セル10のサンプルを機械加工により切断して得られた断面に基づいて算出される孤立Ni粒子割合は、セル10のサンプルを切断する前の真の孤立Ni粒子割合とほぼ一致するものと考えられる。   Further, in the above-described various methods relating to determination of continuous Ni particles and isolated Ni particles, a cross section obtained by actually cutting the sample of the cell 10 by machining along the thickness direction (stacking direction) is used. Is done. Therefore, it is considered that among the Ni particles distributed in the vicinity of the cross section, there may exist those that were continuous Ni particles before cutting but changed to isolated Ni particles after cutting (or vice versa). However, the proportion of Ni particles distributed in the vicinity of the cross section that changed from continuous Ni particles to isolated Ni particles (or vice versa) before and after cutting is considered to be very small. Therefore, the isolated Ni particle ratio calculated based on the cross section obtained by cutting the sample of the cell 10 by machining is substantially the same as the true isolated Ni particle ratio before the sample of the cell 10 is cut. Conceivable.

≪セル10の製造方法≫
次に、セル10の製造方法の一例について説明する。ただし、以下に述べる材料、粒径、温度、及び塗布方法等の各種条件は、適宜変更することができる。以下、「成形体」とは、焼成前の状態を指すものとする。
<< Manufacturing Method of Cell 10 >>
Next, an example of a method for manufacturing the cell 10 will be described. However, various conditions such as the material, particle size, temperature, and coating method described below can be changed as appropriate. Hereinafter, the “molded body” refers to a state before firing.

まず、遷移金属の酸化物原料(例えば、NiO)と酸素イオン絶縁性物質の原料(例えば、Y)と造孔剤(例えばPMMA(ポリメタクリル酸メチル樹脂))とを混合する。この際、遷移金属の酸化物原料及び酸素イオン絶縁性物質の原料の粒度分布を調整することによって、還元後の燃料極集電層111における遷移金属の粒子と酸素イオン絶縁性物質の粒子との接合長さの平均値が0.4μm以上1.8μm以下となるよう制御する。 First, a transition metal oxide raw material (for example, NiO), an oxygen ion insulating material (for example, Y 2 O 3 ), and a pore former (for example, PMMA (polymethyl methacrylate resin)) are mixed. At this time, by adjusting the particle size distribution of the transition metal oxide raw material and the oxygen ion insulating substance raw material, the transition metal particles and the oxygen ion insulating substance particles in the anode current collecting layer 111 after the reduction are reduced. Control is made so that the average value of the junction length is 0.4 μm or more and 1.8 μm or less.

次に、遷移金属の酸化物原料と酸素イオン絶縁性物質の原料と造孔剤の混合物にバインダーとしてポリビニルアルコール(PVA)を添加してスラリーを作製する。   Next, a slurry is prepared by adding polyvinyl alcohol (PVA) as a binder to a mixture of a transition metal oxide raw material, an oxygen ion insulating material raw material, and a pore former.

次に、このスラリーをスプレードライヤーで乾燥・造粒することによって燃料極集電層用粉末を得る。   Next, this slurry is dried and granulated with a spray dryer to obtain a fuel electrode current collecting layer powder.

次に、金型プレス成形法で燃料極集電層用粉末を成形することによって、燃料極集電層111の成形体を形成する。   Next, the anode current collector layer 111 is formed by molding the anode current collector layer powder by a die press molding method.

次に、遷移金属の酸化物原料(例えば、NiO)と酸素イオン伝導性物質の原料(例えば、8YSZ)と造孔剤(例えばPMMA)とを混合する。   Next, a transition metal oxide material (for example, NiO), an oxygen ion conductive material (for example, 8YSZ), and a pore former (for example, PMMA) are mixed.

次に、遷移金属の酸化物原料と酸素イオン伝導性物質の原料と造孔剤との混合物にバインダーとしてPVAを添加してスラリーを作製する。   Next, a slurry is prepared by adding PVA as a binder to a mixture of a transition metal oxide raw material, an oxygen ion conductive material, and a pore former.

次に、このスラリーを印刷法で燃料極集電層111の成形体上に印刷することによって、燃料極活性層112の成形体を形成する。以上によって、燃料極11の成形体が形成される。   Next, this slurry is printed on the molded body of the anode current collecting layer 111 by a printing method to form a molded body of the anode active layer 112. Thus, a molded body of the fuel electrode 11 is formed.

次に、8YSZ粉末に水とバインダーの混合物をボールミルで24時間混合することで作製されるスラリーを燃料極11の成形体上に塗布/乾燥することによって、固体電解質層12の成形体を形成する。ただし、塗布法に代えてテープ積層法や印刷法等を用いてもよい。   Next, a molded body of the solid electrolyte layer 12 is formed by applying / drying a slurry prepared by mixing a mixture of water and a binder to 8YSZ powder with a ball mill for 24 hours on the molded body of the fuel electrode 11. . However, a tape lamination method or a printing method may be used instead of the coating method.

次に、GDC粉末に水とバインダーの混合物をボールミルで24時間混合することで作製されるスラリーを固体電解質層12の成形体上に塗布/乾燥することによって、バリア層13の成形体を形成する。ただし、塗布法に代えてテープ積層法や印刷法等を用いてもよい。   Next, a molded body of the barrier layer 13 is formed by applying / drying a slurry prepared by mixing a mixture of water and a binder to the GDC powder with a ball mill for 24 hours on the molded body of the solid electrolyte layer 12. . However, a tape lamination method or a printing method may be used instead of the coating method.

以上より、燃料極11、固体電解質層12およびバリア層13それぞれの成形体が順次積層された積層体が形成される。   From the above, a laminate in which the molded bodies of the fuel electrode 11, the solid electrolyte layer 12, and the barrier layer 13 are sequentially laminated is formed.

次に、積層体を1300〜1600℃で2〜20時間共焼結することによって、燃料極集電層111と燃料極活性層112によって構成される燃料極11、緻密な固体電解質層12および緻密なバリア層13の共焼成体を形成する。   Next, the laminated body is co-sintered at 1300 to 1600 ° C. for 2 to 20 hours, so that the fuel electrode 11 constituted by the fuel electrode current collecting layer 111 and the fuel electrode active layer 112, the dense solid electrolyte layer 12 and the dense electrode. A co-fired body of the barrier layer 13 is formed.

次に、LSCF粉末に水とバインダーの混合物をボールミルで24時間混合することによってスラリーを作製する。次に、スラリーを共焼成体のバリア層13上に塗布および乾燥した後に、電気炉(酸素含有雰囲気、1000℃)で1時間焼成することによって、バリア層13上に多孔質の空気極14を形成する。   Next, a slurry is prepared by mixing a mixture of water and a binder with LSCF powder in a ball mill for 24 hours. Next, after applying the slurry onto the co-fired barrier layer 13 and drying, the porous air electrode 14 is formed on the barrier layer 13 by firing in an electric furnace (oxygen-containing atmosphere, 1000 ° C.) for 1 hour. Form.

≪他の実施形態≫
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。
<< Other Embodiments >>
The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications or changes can be made without departing from the scope of the present invention.

(A)上記実施形態において、セル10は、燃料極11、固体電解質層12、バリア層13および空気極14を備えることとしたが、これに限られるものではない。セル10は、燃料極11、固体電解質層12、バリア層13および空気極14を備えていればよく、燃料極11と固体電解質層12との間やバリア層13と空気極14との間には、他の層が介挿されていてもよい。例えば、セル10は、バリア層13と空気極14との間に、多孔質バリア層を備えていてもよい。   (A) In the above embodiment, the cell 10 includes the fuel electrode 11, the solid electrolyte layer 12, the barrier layer 13, and the air electrode 14. However, the present invention is not limited to this. The cell 10 only needs to include the fuel electrode 11, the solid electrolyte layer 12, the barrier layer 13, and the air electrode 14, and between the fuel electrode 11 and the solid electrolyte layer 12 and between the barrier layer 13 and the air electrode 14. Other layers may be inserted. For example, the cell 10 may include a porous barrier layer between the barrier layer 13 and the air electrode 14.

(B)上記実施形態では、固体酸化物型の燃料電池セルの一例として、いわゆる縦縞型の燃料電池セル10について説明したが、これに限られるものではない。燃料電池セルは、横縞型、燃料極支持型、平板形、或いは円筒形などであってもよい。また、セル10の断面は、楕円形状などであってもよい。   (B) Although the so-called vertical stripe fuel cell 10 has been described as an example of the solid oxide fuel cell in the above embodiment, the present invention is not limited to this. The fuel cell may be a horizontal stripe type, a fuel electrode support type, a flat plate type, or a cylindrical type. The cross section of the cell 10 may be elliptical.

以下において本発明に係るセルの実施例について説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。   Examples of the cell according to the present invention will be described below. However, the present invention is not limited to the examples described below.

[サンプルNo.1〜No.21の作製]
以下のようにして、燃料極集電層を支持基板とする燃料極支持型セルのサンプルNo.1〜No.21を作製した。
[Production of Sample No. 1 to No. 21]
Samples No. 1 to No. 21 of the fuel electrode supporting cell using the fuel electrode current collecting layer as a supporting substrate were produced as follows.

まず、金型プレス成形法で厚み500μmの燃料極集電層(NiO:Y23 or CZO=45:55(Ni体積%換算))を成形し、その上に厚み20μmの燃料極活性層(NiO:8YSZ=40:60(Ni体積%換算))を印刷法で形成した。 First, a fuel electrode current collecting layer (NiO: Y 2 O 3 or CZO = 45: 55 (Ni volume% conversion)) having a thickness of 500 μm is formed by a die press molding method, and a fuel electrode active layer having a thickness of 20 μm is formed thereon. (NiO: 8YSZ = 40: 60 (Ni volume% conversion)) was formed by a printing method.

この際、燃料極集電層の形成工程において、Y23又はCZOの粒度分布及びNiO粉末の粉体特性(粒径、比表面積)を調整することによって、表1に示すように、燃料極集電層における遷移金属の粒子と酸素イオン絶縁性物質の粒子との接合長さの平均値、平均値以上の接合箇所割合、接合長さの平均値の標準偏差および孤立Ni粒子割合を調整した。さらに、造孔剤の添加量及び粒径を調整することによって、表1に示すように、燃料極集電層における気孔率を調整した。 At this time, in the formation process of the anode current collecting layer, by adjusting the particle size distribution of Y 2 O 3 or CZO and the powder characteristics (particle size, specific surface area) of the NiO powder, as shown in Table 1, Adjust the average value of the junction length between transition metal particles and oxygen ion insulating substance particles in the pole current collector layer, the proportion of junctions above the average value, the standard deviation of the average junction length, and the ratio of isolated Ni particles. did. Furthermore, as shown in Table 1, the porosity in the anode current collecting layer was adjusted by adjusting the addition amount and particle size of the pore forming agent.

次に、燃料極活性層上に厚み5μmの8YSZ電解質と厚み5μmのGDCハ゛リア膜とを順次形成して積層体を作製した。   Next, an 8YSZ electrolyte having a thickness of 5 μm and a GDC barrier film having a thickness of 5 μm were sequentially formed on the fuel electrode active layer to prepare a laminate.

次に、積層体を1400℃で2時間共焼結することによって共焼成体を得た。その後、厚み30μmのLSCF空気極を1000℃で2時間焼き付けることによって、燃料極支持型コインセル(φ15mm)のサンプルNo.1〜No.21を作製した。   Next, the laminate was co-sintered at 1400 ° C. for 2 hours to obtain a co-fired body. Thereafter, a LSCF air electrode having a thickness of 30 μm was baked at 1000 ° C. for 2 hours, thereby preparing samples No. 1 to No. 21 of fuel electrode supported coin cells (φ15 mm).

[燃料極集電層の断面の観察]
サンプルNo.1〜No.21について、燃料極集電層の断面を観察した。
[Observation of cross section of anode current collecting layer]
For samples No. 1 to No. 21, the cross section of the anode current collecting layer was observed.

具体的には、まず、各サンプルの燃料極集電層を精密機械研磨した後に、株式会社日立ハイテクノロジーズのIM4000によってイオンミリング加工処理を施した。   Specifically, first, the anode current collecting layer of each sample was subjected to precision mechanical polishing, and then subjected to ion milling processing using IM4000 of Hitachi High-Technologies Corporation.

次に、インレンズ二次電子検出器を用いたFE−SEMによって倍率3000倍に拡大された燃料極集電層の断面のSEM画像を取得した(図2参照)。   Next, an SEM image of a cross section of the anode current collecting layer enlarged by 3000 times was obtained by FE-SEM using an in-lens secondary electron detector (see FIG. 2).

次に、図2に示す断面写真をMVTec社(ドイツ)製画像解析ソフトHALCONで解析することによって、Ni粒子と酸素イオン伝導性物質との接合線を検出した(図3参照)。   Next, the cross-sectional photograph shown in FIG. 2 was analyzed with image analysis software HALCON manufactured by MVTec (Germany), thereby detecting a bonding line between the Ni particles and the oxygen ion conductive material (see FIG. 3).

次に、画像解析ソフトの解析結果を用いて、1視野のSEM画像における接合長さの平均値、平均値以上の接合箇所割合及び孤立Ni粒子割合を算出した。また、画像解析ソフトの解析結果を用いて、任意の10視野のSEM画像において、接合長さの平均値の標準偏差を算出した。算出結果は、表1および表2に示す通りであった。   Next, using the analysis result of the image analysis software, the average value of the junction length in the SEM image of one field of view, the proportion of the joint portion above the average value, and the proportion of isolated Ni particles were calculated. In addition, using the analysis result of the image analysis software, the standard deviation of the average value of the joining length was calculated in SEM images of arbitrary 10 fields of view. The calculation results were as shown in Tables 1 and 2.

[導電率の変化率の測定]
サンプルNo.1〜No.21について、燃料極側に窒素ガス、空気極側に空気を供給しながら750℃まで昇温し、750℃に達した時点で燃料極に水素ガスを供給しながら還元処理を3時間行った。この後、サンプルNo.1〜No.21について、1000時間当たりにおける燃料極集電層の導電率の変化率(すなわち、低下割合)を測定した。表1では、導電率の変化率が20%以下である場合を○と評価し、導電率の変化率が10%以下である場合を◎と評価した。
[Measurement of change rate of conductivity]
Samples No. 1 to No. 21 were heated to 750 ° C. while supplying nitrogen gas to the fuel electrode side and air to the air electrode side, and reduced while supplying hydrogen gas to the fuel electrode when the temperature reached 750 ° C. The treatment was performed for 3 hours. Thereafter, with respect to Samples No. 1 to No. 21, the change rate (that is, the decrease rate) of the conductivity of the anode current collecting layer per 1000 hours was measured. In Table 1, the case where the rate of change in conductivity was 20% or less was evaluated as ◯, and the case where the rate of change in conductivity was 10% or less was evaluated as ◎.

表1に示される通り、接合長さの平均値は、0.4μm以上1.8μm以下が好ましいことが判った。これは、接合長さの平均値が0.4μm以上であることで、遷移金属粒子と酸素イオン絶縁性物質とのネック太さを十分確保できるとともに、1.8μm以下であることで、Ni粒子の表面において他のNi粒子と接合する面積の割合が担保され、Ni粒子どうしの連続性を維持できたためである。   As shown in Table 1, it was found that the average value of the joining length is preferably 0.4 μm or more and 1.8 μm or less. This is because when the average value of the junction length is 0.4 μm or more, a sufficient neck thickness between the transition metal particles and the oxygen ion insulating material can be secured, and when the average value is 1.8 μm or less, the Ni particles This is because the ratio of the area to be bonded to other Ni particles on the surface of the surface was secured, and the continuity of the Ni particles could be maintained.

また、このような効果は、遷移金属粒子と酸素イオン絶縁性物質とのネック太さを十分確保することによって得られるものであり、酸素イオン絶縁性物質の種類に因らないことがわかった。さらに、遷移金属としてNi以外にFeやCuが含まれる場合であっても、同様の効果を得られることがわかった。   Further, it has been found that such an effect can be obtained by ensuring a sufficient neck thickness between the transition metal particles and the oxygen ion insulating material, and does not depend on the type of the oxygen ion insulating material. Furthermore, it has been found that the same effect can be obtained even when Fe and Cu are included as transition metals in addition to Ni.

また、表1に示されるように、平均値以上の接合箇所割合を22.2%以上51.2%以下とすることによって、導電率の変化をより抑えられることが分かった。   Moreover, as Table 1 showed, it turned out that the change of electrical conductivity can be suppressed more by making the joint location ratio more than an average value into 22.2% or more and 51.2% or less.

また、表1に示されるように、孤立Ni粒子割合を25%以下とすることによって、導電率の変化をより抑えられることが分かった。   Further, as shown in Table 1, it was found that the change in conductivity can be further suppressed by setting the isolated Ni particle ratio to 25% or less.

また、表1に示されるように、接合長さの平均値の標準偏差を0.52以下とすることによって、導電率の変化をより抑えられることが分かった。   Further, as shown in Table 1, it was found that the change in conductivity can be further suppressed by setting the standard deviation of the average value of the junction length to 0.52 or less.

[耐久性試験]
燃料極集電層における混合物(Si、P、Cr、B、S)の濃度と劣化率との関係を調べるために、燃料極集電層の導電率の変化率を抑えることができた上記サンプルNo.4を基準として、表2に示すように燃料極集電層における混合物の混合量を調整することによって、サンプルNo.4-1〜4-5を作製した。なお、混合物は、燃料極集電層の原料中に予め混合されてもよいし、製造の過程で混合されてもよい。
[Durability test]
In order to investigate the relationship between the concentration of the mixture (Si, P, Cr, B, S) in the anode current collecting layer and the deterioration rate, the above-mentioned sample was able to suppress the rate of change in conductivity of the anode current collecting layer Samples Nos. 4-1 to 4-5 were prepared by adjusting the mixing amount of the mixture in the anode current collecting layer as shown in Table 2 on the basis of No. 4. The mixture may be mixed in advance in the raw material for the anode current collecting layer, or may be mixed in the course of production.

サンプルNo.4-1〜4-5について、料極側に窒素ガス、空気極側に空気を供給しながら750℃まで昇温し、750℃に達した時点で燃料極に水素ガスを供給しながら還元処理を3時間行った。この後、各サンプルについて、1000時間当たりの電圧降下率を劣化率として測定した。なお、出力密度には、温度が750℃で定格電流密度0.2A/cmでの値を使用した。 Regarding Sample Nos. 4-1 to 4-5, the temperature was raised to 750 ° C. while supplying nitrogen gas to the electrode side and air to the air electrode side, and hydrogen gas was supplied to the fuel electrode when the temperature reached 750 ° C. The reduction treatment was performed for 3 hours. Thereafter, the voltage drop rate per 1000 hours was measured as the deterioration rate for each sample. As the output density, a value at a temperature of 750 ° C. and a rated current density of 0.2 A / cm 2 was used.

表2に示すように、200ppm以下のSiと、50ppm以下のPと、100ppm以下のCrと、100ppm以下のBと、100ppm以下のSとを燃料極集電層が含有することによって、燃料極の劣化率を改善できることが確認された。   As shown in Table 2, the anode current collecting layer contains Si of 200 ppm or less, P of 50 ppm or less, Cr of 100 ppm or less, B of 100 ppm or less, and S of 100 ppm or less. It was confirmed that the deterioration rate of can be improved.

また、表2に示すように、100ppm以下のSiと、30ppm以下のPと、50ppm以下のCrと、50ppm以下のBと、30ppm以下のSとを燃料極集電層が含有することによって、さらに燃料極の劣化率を改善できることが確認された。これは、微量のSi、P、Cr、B及びSを混合することによって、燃料極集電層の導電率の変化を抑制できたためである。なお、Si、P、Cr、B及びSそれぞれを少なくとも1ppm以上混合することが好ましいことは、実験的にも確認されている。   Further, as shown in Table 2, the anode current collecting layer contains Si of 100 ppm or less, P of 30 ppm or less, Cr of 50 ppm or less, B of 50 ppm or less, and S of 30 ppm or less. Furthermore, it was confirmed that the deterioration rate of the fuel electrode can be improved. This is because the change in conductivity of the anode current collecting layer can be suppressed by mixing a small amount of Si, P, Cr, B, and S. It has been experimentally confirmed that it is preferable to mix at least 1 ppm of Si, P, Cr, B, and S.

10 燃料電池セル
11 燃料極
111 燃料極集電層
112 燃料極活性層
12 固体電解質層
13 バリア層
14 空気極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell 11 Fuel electrode 111 Fuel electrode current collection layer 112 Fuel electrode active layer 12 Solid electrolyte layer 13 Barrier layer 14 Air electrode

Claims (9)

遷移金属及び酸素イオン絶縁性物質を含有する燃料極集電層と、前記燃料極集電層上に形成される燃料極活性層と、を有する燃料極と、
空気極と、
前記燃料極活性層および前記空気極の間に配置される固体電解質層と、
を備え、
還元状態の前記燃料極集電層において、前記遷移金属の粒子と前記酸素イオン絶縁性物質の粒子との接合長さの平均値は、0.4μm以上1.8μm以下である、
燃料電池セル。
A fuel electrode having a fuel electrode current collecting layer containing a transition metal and an oxygen ion insulating material; and a fuel electrode active layer formed on the fuel electrode current collecting layer;
The air electrode,
A solid electrolyte layer disposed between the fuel electrode active layer and the air electrode;
With
In the fuel electrode current collecting layer in a reduced state, the average value of the junction length between the transition metal particles and the oxygen ion insulating substance particles is 0.4 μm or more and 1.8 μm or less.
Fuel cell.
前記燃料極集電層において、ケイ素の含有量は、200ppm以下であり、リンの含有量は、50ppm以下であり、クロムの含有量は、100ppm以下であり、ホウ素の含有量は、100ppm以下であり、硫黄の含有量は、100ppm以下である、
請求項1に記載の燃料電池セル。
In the anode current collecting layer, the content of silicon is 200 ppm or less, the content of phosphorus is 50 ppm or less, the content of chromium is 100 ppm or less, and the content of boron is 100 ppm or less. Yes, the sulfur content is 100 ppm or less,
The fuel battery cell according to claim 1.
前記燃料極におけるケイ素、リン、クロム、ホウ素及び硫黄それぞれの含有量は、1ppm以上である、
請求項1又は2に記載の燃料電池セル。
The content of each of silicon, phosphorus, chromium, boron and sulfur in the fuel electrode is 1 ppm or more.
The fuel battery cell according to claim 1 or 2.
インレンズ二次電子検出器を用いたFE−SEMによって前記燃料極集電層の断面の1視野を観察した場合、前記遷移金属の粒子と前記酸素イオン絶縁性物質の粒子との全接合箇所のうち前記接合長さの平均値以上の接合長さを有する接合箇所の割合は、22.2%以上51.2%以下である、
請求項1乃至3のいずれかに記載の燃料電池セル。
When one field of view of the cross section of the anode current collecting layer is observed by FE-SEM using an in-lens secondary electron detector, all the junctions between the transition metal particles and the oxygen ion insulating material particles are observed. Of these, the proportion of the joints having a joint length equal to or greater than the average value of the joint lengths is 22.2% or more and 51.2% or less.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 3.
インレンズ二次電子検出器を用いたFE−SEMによって前記燃料極集電層の断面の1視野を観察した場合、前記遷移金属の全占有面積のうち隣り合う遷移金属の粒子と繋がらずに単独で存在する遷移金属の占有面積の割合は、25%以下である、
請求項1乃至4のいずれかに記載の燃料電池セル。
When one field of view of the cross section of the anode current collecting layer is observed by FE-SEM using an in-lens secondary electron detector, it is not connected to the adjacent transition metal particles out of the total occupied area of the transition metal. The ratio of the area occupied by the transition metal present in is 25% or less,
The fuel cell according to any one of claims 1 to 4.
インレンズ二次電子検出器を用いたFE−SEMによって前記燃料極集電層の断面の任意の10視野を観察した場合、前記10視野における前記接合長さの平均値の標準偏差は0.52以下である、
請求項1乃至5のいずれかに記載の燃料電池セル。
When arbitrary 10 visual fields of the cross section of the anode current collecting layer are observed by FE-SEM using an in-lens secondary electron detector, the standard deviation of the average value of the junction length in the 10 visual fields is 0.52. Is
The fuel cell according to any one of claims 1 to 5.
インレンズ二次電子検出器を用いたFE−SEMによって前記燃料極集電層の断面の1視野を観察した場合、気孔が占める割合は、20%以上50%以下である、
請求項1乃至6のいずれかに記載の燃料電池セル。
When one field of view of the cross section of the anode current collecting layer is observed by FE-SEM using an in-lens secondary electron detector, the proportion of pores is 20% or more and 50% or less.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 6.
前記酸素イオン絶縁性物質は、希土類酸化物またはジルコニウム複合酸化物である、
請求項1乃至7のいずれかに記載の燃料電池セル。
The oxygen ion insulating material is a rare earth oxide or a zirconium composite oxide.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 7.
前記遷移金属は、ニッケルである、
請求項1乃至8のいずれかに記載の燃料電池セル。
The transition metal is nickel;
The fuel cell according to any one of claims 1 to 8.
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