JP5487042B2 - Solid oxide fuel cell, oxide-coated ceramic particles for solid oxide fuel cell, and method for producing solid oxide fuel cell - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、固体酸化物型燃料電池、固体酸化物型燃料電池用の酸化物被覆セラミック粒子、及び固体酸化物型燃料電池の製造方法に関する。 Embodiments described herein relate generally to a solid oxide fuel cell, oxide-coated ceramic particles for a solid oxide fuel cell, and a method for manufacturing a solid oxide fuel cell.
固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、その高い作動温度(700〜1000℃)に起因してセル内部に働く抵抗を小さくでき、高い発電効率と少ないCO2発生量を実現できる次世代のクリーンな発電システムとして期待されている。 A solid oxide fuel cell (SOFC) is a next-generation clean fuel cell that can reduce the resistance acting inside the cell due to its high operating temperature (700-1000 ° C), realizing high power generation efficiency and low CO 2 generation. It is expected as a powerful power generation system.
SOFCの燃料極は、一般に酸化物イオン導電性を有するセラミックス粒子と、触媒でありかつ電子導電性を有する金属粒子とのサーメットにより形成される。触媒である金属粒子には高温で高い触媒活性をもち、かつメタンなどの炭化水素系燃料に対して改質触媒としても有用なニッケル粒子が用いられる。酸化物イオン導電性粒子には、高温で高い酸化物イオン導電性を有するY2O3で安定化させたZrO2(YSZ)などを用いる。 The SOFC fuel electrode is generally formed by cermet of ceramic particles having oxide ion conductivity and metal particles which are a catalyst and have electronic conductivity. Nickel particles that have high catalytic activity at high temperatures and are useful as reforming catalysts for hydrocarbon fuels such as methane are used for the metal particles that are catalysts. For the oxide ion conductive particles, ZrO 2 (YSZ) stabilized with Y 2 O 3 having high oxide ion conductivity at a high temperature is used.
燃料極での電気化学反応は、燃料である水素ガス、触媒かつ電子導電体であるニッケル、及び酸化物イオン導電体の界面、すなわち三相界面にて起こる。したがって、この三相界面量を増やすことが燃料極性能を向上させる鍵となる。 The electrochemical reaction at the fuel electrode occurs at the interface of hydrogen gas as the fuel, nickel as the catalyst and electronic conductor, and oxide ion conductor, that is, a three-phase interface. Therefore, increasing the amount of the three-phase interface is the key to improving the fuel electrode performance.
酸化物イオン導電性のみをもつYSZに換えて酸化物イオン及び電子電導の両方を有する混合導電性粒子を用いるとこの三相界面が増加し、燃料極としての性能はさらに向上する。一方、触媒であるニッケル粒子は粒子サイズを小さくし数を増やすほど、すなわち触媒比表面積を大きくするほど三相界面(反応場)を増やすことができ、高い触媒活性が期待される。しかしながら、ニッケル粒子サイズを小さくすると、高温還元性雰囲気という使用環境の下では粒子の凝集・焼結が容易に起こってしまうという問題がある。 When mixed conductive particles having both oxide ions and electronic conductivity are used instead of YSZ having only oxide ion conductivity, this three-phase interface is increased, and the performance as a fuel electrode is further improved. On the other hand, the nickel particles as a catalyst can increase the three-phase interface (reaction field) as the particle size is reduced and the number is increased, that is, the catalyst specific surface area is increased, and high catalytic activity is expected. However, when the nickel particle size is reduced, there is a problem that the particles are easily aggregated and sintered under a use environment of a high temperature reducing atmosphere.
一方、近年ではさらなる高出力化が要求されている。 On the other hand, in recent years, higher output has been demanded.
本発明は、高出力化が可能な固体酸化物型燃料電池及びその製造方法を提供することを課題とする。 It is an object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell capable of increasing output and a method for manufacturing the same.
実施形態の固体酸化物型燃料電池は、酸素イオン導電性を有する固体電解質層と、前記固体電解質層の一方の主面側に形成され、第1の電子−イオン混合導電性の材料からなる多孔質焼結体、及びこの多孔質焼結体の表面の少なくとも一部に形成されてなるとともに、第2の電子−イオン混合導電性の材料及び酸素イオン導電性の材料の少なくとも一方からなり、金属粒子を分散担持してなる酸化物膜が被覆されてなるセラミック粒子を含む燃料極とを具える。また、前記固体電解質層の他方の主面側に形成された空気極を具える。 The solid oxide fuel cell of the embodiment includes a solid electrolyte layer having oxygen ion conductivity, and a porous electrode formed on one main surface side of the solid electrolyte layer and made of a first electron-ion mixed conductive material. Formed of at least one part of the surface of the porous sintered body and the porous sintered body and comprising at least one of a second electron-ion mixed conductive material and an oxygen ion conductive material, And a fuel electrode including ceramic particles coated with an oxide film in which particles are dispersed and supported. In addition, an air electrode formed on the other main surface side of the solid electrolyte layer is provided.
以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings.
(固体酸化物型燃料電池)
図1は、本実施形態における固体酸化物型燃料電池の概略構成を示す断面図であり、図2は、図1に示す固体酸化物型燃料電池の燃料極を拡大して示す断面図である。また、図3は、図2に示す燃料極の一部を拡大して示す図である。
(Solid oxide fuel cell)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a solid oxide fuel cell in the present embodiment, and FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a fuel electrode of the solid oxide fuel cell shown in FIG. . FIG. 3 is an enlarged view of a part of the fuel electrode shown in FIG.
図1に示す固体酸化物型燃料電池10は、酸素イオン導電性を呈する固体電解質層11と、この固体電解質層11の主面11A側に形成された燃料極12と、固体電解質層11の、主面11Aと相対する主面11B側に形成された空気極13とを有する。また、燃料国12及び空気極13それぞれの、固体電解質層11と反対側の主面12A及び13A側には、それぞれ集電層17及び18を介して集電体15及び16が形成されている。
A solid
なお、本実施形態において、集電層17及び18、並びに集電体15及び16は必須の構成要素ではないが、このような集電層及び集電体を設けることによって、固体酸化物型燃料電池10内で生成した電力を外部に効率良く取り出すことができる。
In this embodiment, the
固体電解質層11は、例えば安定化ジルコニアから構成することができる。この場合、安定化剤としては、Y2O3、Sc2O3、Yb2O3、Gd2O3、Nd2O3、CaO、MgOなどを挙げることができる。これらの安定化剤はジルコニア中に固溶させて使用する。また、安定化ジルコニアに代えて、LaSrGaMg酸化物、LaSrGaMgCo酸化物、LaSrGaMgCoFe酸化物、LaSrGaMgCoFe酸化物などのペロブスカイト型酸化物から構成することもできる。さらに、CeO2にSm2O3、Gd2O3、Y2O3、La2O3などを固溶させたセリア系電解質固溶体を用いることもできる。但し、固体電解質層11は、これらの材料に限定されるものではなく、これら以外の材料から構成してもかまわない。
The
なお、固体電解質層11の厚さは、目的に応じて任意に設定することができるが、例えば0.01mm〜0.5mmの範囲とすることができる。
In addition, although the thickness of the
一例として、厚さ0.01mmの8mol%Y2O3安定化ジルコニアを用いることができる。 As an example, 8 mol% Y 2 O 3 stabilized zirconia having a thickness of 0.01 mm can be used.
燃料極12は、図2及び図3に示すように、第1の電子−イオン混合導電性の材料からなる多孔質焼結体121と、その表面の少なくとも一部に形成されてなるセラミック粒子122とから構成されている。セラミック粒子122の表面には、金属粒子124が分散担持されてなる酸化物膜123が形成されている。セラミック粒子122において、金属粒子124は、セラミック粒子122と接触し、酸化物膜123から突出している。すなわち、図2及び図3に示す燃料極12では、多孔質焼結体121がその骨格をなし、その表面に付着形成されたセラミック粒子122の、酸化物膜123に分散担持された金属粒子124が触媒として機能する。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
多孔質焼結体121は、第1の電子−イオン混合導電性の材料から構成されている。具体的には、Sm2O3ドープCeO2,Gd2O3ドープCeO2,及びY2O3ドープCeO2からなる群より選ばれる少なくとも一種から構成することができる。この場合、多孔質焼結体121の表面が電子導電体及び酸化物イオン導電体の界面となるので、図1に示す固体酸化物型燃料電池10における水素ガス等の燃料ガス、電子導電体、及び酸化物イオン導電体の界面、すなわち三相界面の量が増大することとなる。したがって、燃料極12における電気化学反応が促進され、固体酸化物型燃料電池10の出力特性を向上させることができる。
The porous sintered
また、セラミック粒子122も、Y2O3、Sc2O3、およびYb2O3からなる群より選ばれる少なくとも一種の酸素イオン導電性のジルコニウム酸化物、及び/又はSm2O3ドープCeO2,Gd2O3ドープCeO2,及びY2O3ドープCeO2からなる群より選ばれる少なくとも一種の第2の電子−イオン混合導電性の材料から構成されている。この場合、セラミック粒子122の表面が酸化物イオン導電体及び/又は電子導電体の界面となるので、図1に示す固体酸化物型燃料電池10における水素ガス等の燃料ガス、電子導電体、及び酸化物イオン導電体の界面、すなわち三相界面の量が増大することとなる。したがって、燃料極12における電気化学反応が促進され、固体酸化物型燃料電池10の出力特性を向上させることができる。
The
セラミック粒子122はジルコニウム酸化物でもセリウム酸化物でも同様な効果があるが、製造時にセラミック粒子122が多孔質焼結体121の内部に取り込まれるような形になった場合には、粒子内部にも電子−イオン混合導電性のあるセリウム酸化物を用いる方がより好ましい。
The
さらに、金属粒子124は、数nm〜200nm程度の大きさであって、上述のようにセラミック粒子122表面の酸化物膜123に分散担持されている。すなわち、数nm〜200nm程度の微細な金属粒子124が、酸化物膜123に担持されて固定されているので、後に、金属粒子124に対する凝集・シンタリングが起こりにくく、粒子サイズも不均一になるという問題を生じることがない。すなわち、数nm〜200nmという微細な金属粒子124が安定して存在し、触媒として機能するようになるので、触媒の実質的な表面積の増大に伴って、燃料極12での電気化学反応が促進され、結果として、固体酸化物型燃料電池10の出力特性を向上させることができる。
Furthermore, the
なお、上述した大きさの金属粒子123を酸化物膜122から露出させることができるように、酸化物膜122の厚さは例えば数nm〜数十nmの範囲とすることが好ましい。
Note that the thickness of the
結果として、本実施形態における固体酸化物型燃料電池10においては、電子−イオン混合導電性の材料からなる多孔質焼結体121、セラミック粒子122及びその表面に形成されたセラミック粒子122の、酸化物膜123に分散担持された金属粒子124による電気化学反応の促進効果に伴って、従来に比し、十分に高い出力特性を得ることができる。
As a result, in the solid
セラミック粒子122(第2のセラミック粒子)の大きさは、例えば0.1μm〜1.0μmの範囲で、多孔質焼結体形成に用いる電子−イオン混合導電性粒子121(第1のセラミック粒子)より小さいことを特徴とする。基本構造はあくまでも電子−イオン混合導電体で構成される多孔質焼結体で、これにより確実に電子およびイオン電導のパスを形成する。 The size of the ceramic particles 122 (second ceramic particles) is, for example, in the range of 0.1 μm to 1.0 μm, and the electron-ion mixed conductive particles 121 (first ceramic particles) used for forming the porous sintered body. It is characterized by being smaller. The basic structure is a porous sintered body made up of an electron-ion mixed conductor to the last, thereby forming a path for electron and ion conduction reliably.
また、第2のセラミック粒子122の個数は、多孔質焼結体を形成するのに用いる第1のセラミック粒子121の数より多いものとする。そして、最終的に得られる電極中の気孔を除く焼結体部分のうち、第2のセラミック粒子が占める割合が1〜60体積%の範囲であることが好ましい。第2のセラミック粒子の占める割合は1体積%より小さい場合には、触媒である金属粒子124の量が少なすぎて十分な電気化学反応を起こすことができない。一方、第2のセラミックス粒子の占める割合が多孔質焼結体中60体積%より大きい場合には、第2のセラミック粒子122の表面に形成された酸化物膜123が抵抗となり、十分な酸素イオン及び電子の伝導ができなくなる可能性がある。
The number of second
また、セラミック粒子122における金属粒子124の分散密度は、例えば10個/μm2〜10,000個/μm2とする。これによって、金属粒子124の触媒効果をより効果的に発揮させることができる。
The dispersion density of the
金属粒子124は、電気化学反応において触媒として機能するニッケル、コバルト、鉄、及び銅などから構成することが好ましい。また、酸化物膜123は、以下に説明する製造方法等に起因して、アルミニウム酸化物、マグネシウム酸化物から構成することが好ましい。
The
また、図2から明らかなように、多孔質焼結体121は開気孔を有しているので、水素などの燃料ガスや生成ガスが、多孔質焼結体121、すなわち燃料極12内をスムーズに拡散することができる。したがって、燃料ガスを多孔質焼結体121の内部にまで供給することができ、三相界面を十分に増大させることができるとともに、多孔質焼結体121の内部に形成した金属粒子123とも接触させることができるようになる。結果として、燃料極12における電気化学反応をより促進させることができ、十分高い出力特性を得ることができる。
Further, as apparent from FIG. 2, the porous
なお、多孔質焼結体121の空孔率は、例えば30%〜70%であることが好ましい。空孔率が30%未満であると、上述した開気孔の生成割合が減少して、上述した作用効果を得ることが困難になる。一方、空孔率が70%を超えると、多孔質焼結体121の焼結密度が減少し、強度が低下してしまい、燃料極12に対する長期信頼性が低下することになる。すなわち、図1に示す固体酸化物型燃料電池10を長時間使用した場合において、燃料極12が破損してしまい、その長期信頼性を十分に保持することができない場合がある。
The porosity of the porous
また、多孔質焼結体121の結合部分は空隙などの欠陥がなく、強固に結合していることが好ましい。これによって、結合部分の欠陥による酸素イオンや電子の移動が妨げられることなく、上述した三相界面での電気化学反応に寄与することができるようになる。
Further, it is preferable that the bonded portion of the porous
燃料極12の厚さは、例えば5μm〜50μmとすることができる。ただし、電解質層を薄くし空気極を支持材とする場合にはこの限りではない。
The thickness of the
また、図2では特に図示しないものの、セラミック粒子122が付着形成されてなる多孔質焼結体121の表面に、電子−イオン混合導電性の材料からなる被覆層を設けてもよい。この場合、被覆層の表面全体が、上述した三相界面として機能するようになるので、被覆層の被覆割合によっては三相界面を増大することになり、燃料極12における電気化学反応、すなわち、固体酸化物型燃料電池10の出力特性を向上させることができるようになる。
Although not particularly shown in FIG. 2, a coating layer made of an electron-ion mixed conductive material may be provided on the surface of the porous
空気極13は、従前より電気化学セルの酸素極として用いられている任意の材料から構成することができるが、好ましくは、一般式Ln1−xAxBO3−δ(Ln=希土類元素;A=Sr、Ca、Ba;B=Cr、Mn、Fe、Co、Niのうち少なくとも1種)で表される複合酸化物を用いることができる。このような複合酸化物は酸素を効率よく解離すると同時に電子電導性を有している。したがって、以下に説明する燃料極12における触媒を介した酸素イオンと、水素ガスなどとの電気化学反応を促進することができ、固体酸化物型燃料電池10の高出力化に寄与することとなる。
The
なお、空気極13の厚さは、例えば5μm〜100μmとすることができる。ただし、電解質層を薄くし空気極を支持材とする場合にはこの限りではない。
In addition, the thickness of the
また、集電層17は、ニッケル、コバルト、鉄、銅、白金、金、銀などの金属材料と、これら金属材料と多孔質焼結体121を構成する電子−イオン混合導電性の材料との混合物から構成することができる。一方、集電層18に場合は白金、金、銀などの金属材料と、これら金属材料と多孔質焼結体121を構成する電子−イオン混合導電性の材料との混合物から構成することができる。なお、集電層17及び18は、燃料極12及び空気極13の、集電体15及び16に対する電気的接触をより確実なものとしてそれらの間の抵抗を低減し、生成した電力を集電体より効率的に外部に取り出すためのものである。
The
集電体15及び16は、通常の運転条件で酸化しないような材料から構成することが必要であり、例えば金、銀、白金などの貴金属の他、他の母材となる金属等を銀などでコーティングしたものを用いることができる。また、導電性を有するセラミック材料を用いることもできる。さらには、酸化被膜が導電性を有するようなクロム系合金も用いることができる。
The
(固体酸化物型燃料電池の製造方法)
次に、実施形態における固体酸化物型燃料電池の製造方法について説明する。なお、本実施形態では、図1〜図3に示す固体酸化物型燃料電池10に関連させて当該製造方法について説明する。
(Method for producing solid oxide fuel cell)
Next, a method for manufacturing the solid oxide fuel cell in the embodiment will be described. In the present embodiment, the manufacturing method will be described in relation to the solid
最初に、第1の電子−イオン混合導電性の材料からなる第1のセラミック粒子、並びに第2の電子−イオン混合導電性の材料及び酸素イオン導電性の材料の少なくとも一方からなり、金属酸化物が被覆されてなる第2のセラミック粒子を混合して、混合セラミック粒子を調整する。第1のセラミック粒子は、上記電子−イオン混合導電性の材料からなり、所定の大きさを有するセラミック粒子をそのまま用いることができる。 First, a first ceramic particle made of a first electron-ion mixed conductive material, and a metal oxide made of at least one of a second electron-ion mixed conductive material and an oxygen ion conductive material The second ceramic particles coated with are mixed to prepare mixed ceramic particles. The first ceramic particles are made of the electron-ion mixed conductive material, and ceramic particles having a predetermined size can be used as they are.
一方、第2のセラミック粒子は、以下のようにして作製することができる。電子−イオン混合導電性の材料及び/又は酸素イオン導電性の材料からなるセラミック粒子を準備した後、このセラミック粒子を、金属硝酸塩又は金属硫酸塩などに浸漬あるいは吸引ろ過することによって、セラミック粒子の表面に金属硝酸塩又は金属硫酸塩を被覆し、得られた被覆層をその分解温度以上にまで加熱することによって、金属硝酸塩又は金属硫酸塩から上記金属酸化物を得る。 On the other hand, the second ceramic particles can be produced as follows. After preparing ceramic particles composed of an electron-ion mixed conductive material and / or an oxygen ion conductive material, the ceramic particles are immersed in metal nitrate or metal sulfate or suction filtered to obtain ceramic particles. The metal oxide is obtained from the metal nitrate or the metal sulfate by coating the surface with the metal nitrate or the metal sulfate and heating the obtained coating layer to the decomposition temperature or higher.
なお、混合セラミック粒子における、第1のセラミック粒子は第2のセラミック粒子より粒子サイズにおいて大きく、かつ第2のセラミックス粒子の数は第1のセラミックス粒子の数より多くなるように混合するのが好ましい。結果として、燃料極中の気孔を除く多孔質焼結体部において、第2のセラミックス粒子の占める割合は1〜60体積%とすることが好ましい。 In the mixed ceramic particles, the first ceramic particles are preferably mixed so that the particle size is larger than the second ceramic particles, and the number of the second ceramic particles is larger than the number of the first ceramic particles. . As a result, in the porous sintered body portion excluding pores in the fuel electrode, the proportion of the second ceramic particles is preferably 1 to 60% by volume.
すなわち、第2のセラミック粒子の大きさを第1のセラミック粒子の大きさに比較して小さくすることにより、第1のセラミック粒子同士の接合が第2のセラミック粒子によって分断されるのを抑制することができるので、十分な酸素イオン及び電子の伝導ができなくなるという不利益を解消することができる。 That is, by reducing the size of the second ceramic particles as compared with the size of the first ceramic particles, the bonding between the first ceramic particles is prevented from being divided by the second ceramic particles. Therefore, the disadvantage that sufficient oxygen ions and electrons cannot be conducted can be eliminated.
また、第2のセラミック粒子の数を多くすることによって触媒作用による電気化学反応を促進させることができる。さらに電極内の多孔質焼結体中の第2のセラミック粒子の占める割合を1〜60体積%とすることで、電子−イオンの良好なパスを形成しつつ、触媒活性を高くすることができる。第2のセラミック粒子の占める割合が1体積%以下であると十分な反応活性が得られず、また60体積%より大きいと、第2のセラミック粒子の表面にある酸化物の膜が電子−イオン伝導の妨げとなって十分な活性が得られなくなる。 Moreover, the electrochemical reaction by a catalytic action can be promoted by increasing the number of second ceramic particles. Furthermore, by setting the proportion of the second ceramic particles in the porous sintered body in the electrode to 1 to 60% by volume, the catalytic activity can be increased while forming a good electron-ion path. . If the proportion of the second ceramic particles is 1% by volume or less, sufficient reaction activity cannot be obtained, and if it is more than 60% by volume, the oxide film on the surface of the second ceramic particles becomes an electron-ion. Sufficient activity cannot be obtained due to hindering conduction.
次いで、固体電解質層11の主面11A上に、混合セラミック粒子を積層配置する。このような積層配置は、例えば混合セラミック粒子をペースト化し、得られたペーストをスクリーン印刷することによって行うことができる。なお、一回のスクリーン印刷で所定の厚さにセラミック粒子を積層配置できない場合は、上述したスクリーン印刷を複数回実施してもよい。なお、このようなスクリーン印刷に代えて、シート成形、塗布、ディッピングなどの方法で代用することができる。
Next, mixed ceramic particles are laminated on the
なお、上記ペースト中には、後の焼結を経て多孔質焼結体121を形成する場合に、その空孔率が例えば上述した好ましい範囲の空孔率となるように、スチレン粒子などの有機物系の粒子を所定量含有させることができる。
In the paste, when the porous
次いで、上述のように塗布したペーストを焼結して、図2に示すような、燃料極12の骨格をなす多孔質焼結体121を形成する。なお、多孔質焼結体121を上述したSm2O3ドープCeO2などの電子−イオン混合導電性の材料(セラミック粒子)から構成する場合は、例えば焼結温度を1200℃〜1400℃の範囲で行う。また、焼結雰囲気は大気中とすることができる。
Next, the paste applied as described above is sintered to form a porous
次いで、第2のセラミック粒子を被覆する上記金属酸化物に対して還元処理を行い、金属酸化物中に含まれる金属を粒子状に析出させ、析出した金属粒子124を分散担持してなり、燃料極12の酸化物膜123を形成する。
Next, the metal oxide covering the second ceramic particles is subjected to a reduction treatment, the metal contained in the metal oxide is precipitated in particles, and the deposited
以上のような操作を経ることによって、図2に示すような、多孔質焼結体121の表面の少なくとも一部に、金属粒子124を分散担持させた酸化物膜123が形成されたセラミック粒子が付着形成されてなる、目的とする燃料極12を形成することができる。
Through the above operation, the ceramic particles in which the
なお、本実施形態において、第2のセラミック粒子を形成する際に使用する金属硝酸塩は、後の還元処理を経ることにより、酸化物膜123に分散担持されてなる金属粒子124となる、好ましくはニッケル、コバルト、鉄、及び銅からなる群より選ばれる少なくとも一種の金属を含む第1の金属硝酸塩と、同じく後の還元処理を経ることにより、酸化物膜123自体を構成する、好ましくはアルミニウム及びマグネシウムの少なくとも一方を含む第2の金属硝酸塩とを含むことが好ましい。すなわち、上記金属硝酸塩は、第1の金属硝酸塩と第2の金属硝酸塩とからなる複合金属硝酸塩であることが好ましい。
In the present embodiment, the metal nitrate used when forming the second ceramic particles becomes the
この場合、第2のセラミック粒子の表面に形成される金属酸化物は、上記複合金属硝酸塩が熱分解されてなる複合金属酸化物となるが、この複合金属酸化物は、上記第1の金属硝酸塩に由来する還元されやすい金属、すなわちニッケル、コバルト、鉄、及び/又は銅を含む第1の金属酸化物と、上記第2の金属硝酸塩に由来する還元されにくい金属、すなわちアルミニウム及び/又はマグネシウムを含む第2の金属酸化物とを含むようになる。したがって、このような複合金属酸化物を得、これに対して還元処理を施すことによって、第1の金属酸化物は容易に還元されて金属粒子124を構成する粒子が析出する一方、第2の金属酸化物は還元されずに酸化物膜123として残留するようになる。
In this case, the metal oxide formed on the surface of the second ceramic particles becomes a composite metal oxide obtained by thermally decomposing the composite metal nitrate, and the composite metal oxide is formed of the first metal nitrate. A first metal oxide containing a metal that is easily reduced, i.e., nickel, cobalt, iron, and / or copper, and a metal that is not easily reduced, i.e., aluminum and / or magnesium, derived from the second metal nitrate. And a second metal oxide. Therefore, by obtaining such a composite metal oxide and subjecting it to a reduction treatment, the first metal oxide is easily reduced and the particles constituting the
したがって、上記態様によれば、還元処理によって金属粒子124が分散担持されてなる酸化物膜123をセラミック粒子122上に簡易に形成することができる。
Therefore, according to the above aspect, the
なお、上記同様に、金属硫酸塩も、後の還元処理を経ることにより、酸化物膜123に分散担持されてなる金属粒子124となる、好ましくはニッケル、コバルト、鉄、及び銅からなる群より選ばれる少なくとも一種の金属を含む第1の金属硫酸塩と、同じく後の還元処理を経ることにより、酸化物膜123自体を構成する、好ましくはアルミニウム及びマグネシウムの少なくとも一方を含む第2の金属硫酸塩とを含むことが好ましい。この場合も、上述したような作用効果に基づいて、還元処理によって金属粒子124が分散担持されてなる酸化物膜123を簡易に形成することができる。
Similarly to the above, the metal sulfate also becomes the
次いで、固体電解質11の主面11B上に定法、例えば空気極を構成するセラミック粒子を含んだペーストを作製し、このペーストをスクリーン印刷することによって空気極13を形成することができる。
Next, the
次いで、必要に応じて集電層17及び18を定法により形成し、集電体15及び16を定法により形成する。
Next, if necessary, current collecting layers 17 and 18 are formed by a conventional method, and
なお、上記還元処理は、固体酸化物型燃料電池10の製造の段階で予め行うこともできるが、固体酸化物型燃料電池10を実際に駆動させる際に、燃料ガスとして用いる水素ガスによって後処理的に行うことができる。
The reduction treatment can be performed in advance at the stage of manufacturing the solid
本実施の形態について実施例によってさらに詳細に説明する。
本実施例では一例として特定の粒径の粉末を用いているが、これらに限定されるものではない。
This embodiment will be described in more detail with reference to examples.
In this embodiment, powder having a specific particle size is used as an example, but the present invention is not limited to this.
(実施例1)
最初に、硝酸ニッケル(Ni(NO3)2・6H2O)と硝酸アルミニウム(Al(NO3)3・9H2O)とをモル比1:2になるように混合溶解し、水を加えて1.0モル/lの複合硝酸塩の水溶液を調整した。次いで、平均粒径0.15μmのSDC粉末(Sm0.2Ce0.8O2)3gを、この複合硝酸塩の水溶液に浸漬したのち、吸引ろ過を行った。乾燥後、500℃で30分熱処理を行い、硝酸塩を熱分解して金属酸化物が被覆されてなるセラミック粒子(酸化物被覆セラミック粒子)を作製した。
Example 1
First, nickel nitrate (Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O) and aluminum nitrate (Al (NO 3 ) 3 · 9H 2 O) are mixed and dissolved at a molar ratio of 1: 2, and water is added. An aqueous solution of 1.0 mol / l complex nitrate was prepared. Next, 3 g of SDC powder (Sm 0.2 Ce 0.8 O 2 ) having an average particle size of 0.15 μm was immersed in the aqueous solution of the composite nitrate, and then suction filtration was performed. After drying, heat treatment was carried out at 500 ° C. for 30 minutes, and the nitrate was thermally decomposed to produce ceramic particles coated with metal oxide (oxide-coated ceramic particles).
次いで、上述のようにして得た酸化物被覆セラミック粒子の0.15gと、平均粒径1.4μmのSDC粒子の3.0g(個数比で30:1、酸化物被覆粒子の電極焼結体中にしめる酸化物被覆粒子の割合:4体積%に相当)とを混合し、水を分散媒として混練、ペースト化した後、YSZ固体電解質板(φ18mm、厚さ0.5mm)上にスクリーン印刷した。大気中、1300℃で2時間焼成することにより、SDC粒子が焼結してなる多孔質焼結体の表面に、酸化物被覆セラミック粒子が付着形成されてなる燃料極を得た。 Next, 0.15 g of the oxide-coated ceramic particles obtained as described above and 3.0 g of SDC particles having an average particle diameter of 1.4 μm (30: 1 in number ratio, electrode-sintered body of oxide-coated particles) The ratio of the oxide-coated particles to be contained is equivalent to 4% by volume), kneaded using water as a dispersion medium and pasted, and then screen-printed on a YSZ solid electrolyte plate (φ18 mm, thickness 0.5 mm) . By firing in the atmosphere at 1300 ° C. for 2 hours, a fuel electrode was obtained in which oxide-coated ceramic particles were adhered and formed on the surface of a porous sintered body obtained by sintering SDC particles.
次いで、燃料極の表面に集電層をスクリーン印刷し焼き付けたのち、対極にφ6mmで白金ペーストをスクリーン印刷し、大気中、960℃で30分間焼成して空気極とし、固体酸化物型燃料電池のセルを得た。 Next, after the current collector layer is screen-printed and baked on the surface of the fuel electrode, a platinum paste is screen-printed with a diameter of 6 mm on the counter electrode and baked in the atmosphere at 960 ° C. for 30 minutes to form an air electrode. Cell.
(実施例2)
酸化物被覆セラミック粒子(平均粒径0.15μm)と被覆の無いSDC粒子(平均粒径1.4μm)の混合比を0.4g:2.0gにした以外はすべて実施例と同様に作製して固体酸化物型燃料電池のセルを得た(個数比で160:1、電極の焼結体中に占める酸化物被覆粒子の割合:16体積%に相当)。
(Example 2)
Except that the mixing ratio of oxide-coated ceramic particles (average particle size 0.15 μm) and uncoated SDC particles (average particle size 1.4 μm) was 0.4 g: 2.0 g, all were prepared in the same manner as in the examples. Thus, a solid oxide fuel cell was obtained (number ratio of 160: 1, corresponding to the ratio of oxide-coated particles in the sintered body of the electrode: 16% by volume).
(実施例3)
酸化物被覆セラミック粒子(平均粒径0.5μm)と被覆の無いSDC粒子(平均粒径1.4μm)の混合比を個数比で30:1、電極の焼結体中に占める酸化物被覆粒子の割合が58体積%に相当にした以外はすべて実施例1と同様に作製して固体酸化物型燃料電池のセルを得た。
(Example 3)
Mixing ratio of oxide-coated ceramic particles (average particle size 0.5 μm) and uncoated SDC particles (average particle size 1.4 μm) in a number ratio of 30: 1, oxide-coated particles in the electrode sintered body A solid oxide fuel cell was obtained in the same manner as in Example 1 except that the ratio of was equivalent to 58% by volume.
(実施例4)
実施例2で得た混合粉末に硝酸サマリウム(Sm(NO3)3・6H2O)と硝酸セリウム(Ce(NO3)3・6H2O)をモル比1:4で混合した混合硝酸塩水溶液を、混合セラミック粉末2gに対して0.45cc加え、プラスチックボールとともに混練機にて混練した。このペーストをYSZ固体電解質板(φ18mm、厚さ0.5mm)上にスクリーン印刷した後、大気中、1300℃で2時間焼成することにより、SDC粒子が焼結してなる多孔質焼結体の表面に、酸化物被覆セラミック粒子が付着形成されてなる燃料極を得た。
(Example 4)
A mixed nitrate aqueous solution in which samarium nitrate (Sm (NO 3 ) 3 .6H 2 O) and cerium nitrate (Ce (NO 3 ) 3 .6H 2 O) were mixed at a molar ratio of 1: 4 to the mixed powder obtained in Example 2 Was added to 2 g of the mixed ceramic powder and kneaded with a plastic ball in a kneader. The paste was screen-printed on a YSZ solid electrolyte plate (φ18 mm, thickness 0.5 mm) and then fired in air at 1300 ° C. for 2 hours to sinter SDC particles. A fuel electrode having oxide-coated ceramic particles deposited on the surface was obtained.
次いで、実施例1と同様に、燃料極の表面に集電層をスクリーン印刷し焼き付けたのち、対極にφ6mmで白金ペーストをスクリーン印刷し、大気中、960℃で30分間焼成して空気極とし、固体酸化物型燃料電池のセルを得た。 Next, after the current collector layer was screen-printed and baked on the surface of the fuel electrode in the same manner as in Example 1, platinum paste was screen-printed with a diameter of 6 mm on the counter electrode, and baked in the atmosphere at 960 ° C. for 30 minutes to form an air electrode A solid oxide fuel cell was obtained.
(比較例1)
酸化物被覆セラミック粒子(平均粒径0.25μm)と被覆の無いSDC粒子(平均粒径1.4μm)の混合比を個数比で2:1、電極の焼結体中に占める酸化物被覆粒子の割合が0.3体積%に相当するように調整した以外はすべて実施例1と同様に作製して固体酸化物型燃料電池のセルを得た。
(Comparative Example 1)
Mixing ratio of oxide-coated ceramic particles (average particle size of 0.25 μm) and uncoated SDC particles (average particle size of 1.4 μm) in a 2: 1 ratio by number, oxide-coated particles occupying in the sintered body of the electrode A solid oxide fuel cell was obtained in the same manner as in Example 1 except that the ratio was adjusted so as to correspond to 0.3% by volume.
(比較例2)
酸化物被覆セラミック粒子(平均粒径0.25μm)と被覆の無いSDC粒子(平均粒径1.4μm)の混合比を個数比で1:500、電極の焼結体中に占める酸化物被覆粒子の割合が74体積%に相当するように調整した以外はすべて実施例1と同様に作製して固体酸化物型燃料電池のセルを得た。
(Comparative Example 2)
Mixing ratio of oxide-coated ceramic particles (average particle diameter of 0.25 μm) and uncoated SDC particles (average particle diameter of 1.4 μm) in the number ratio of 1: 500, oxide-coated particles occupying in the sintered body of the electrode A solid oxide fuel cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the ratio was adjusted so as to correspond to 74% by volume.
(比較例3)
酸化物被覆したセラミック粒子に平均粒径1.4μmのSDC粒子を、被覆の無いセラミック粒子に0.5μmのSDC粒子を用いた以外はすべて実施例1と同様に作製し、固体酸化物型燃料電池のセルを得た。
(Comparative Example 3)
A solid oxide fuel was prepared in the same manner as in Example 1 except that SDC particles having an average particle size of 1.4 μm were used for the oxide-coated ceramic particles and 0.5 μm SDC particles were used for the uncoated ceramic particles. A battery cell was obtained.
実施例1及び2において、酸化物被覆セラミック粒子の膜部分のEDX組成分析を行った結果、ニッケルとアルミニウムにより構成される酸化物であることがわかった。この実験とは別に複合硝酸塩を1300℃で焼結して得られた粉末をX線回折分析するとNiAl2O4が検出された(図4参照)。ニッケルとアルミニウムは基材であるSDC中にほとんど固溶しないため、形成された複合酸化物の膜はスピネル型酸化物であるNiAl2O4であると考えられる。 In Examples 1 and 2, the EDX composition analysis of the film portion of the oxide-coated ceramic particles revealed that the oxide was composed of nickel and aluminum. In addition to this experiment, NiAl 2 O 4 was detected by X-ray diffraction analysis of the powder obtained by sintering the composite nitrate at 1300 ° C. (see FIG. 4). Since nickel and aluminum hardly dissolve in the SDC as the base material, the formed complex oxide film is considered to be NiAl 2 O 4 which is a spinel type oxide.
図5は、実施例2で作製した燃料極の構造組織の写真であるが、多孔質焼結体の表面に、数10nmサイズのニッケル微粒子が孤立・分散したセラミック粒子が存在しているのがわかる。また、EDX分析の結果、ニッケル粒子を支えている層が極薄いアルミニウム酸化物の層であることも明らかになった。 FIG. 5 is a photograph of the structural structure of the fuel electrode produced in Example 2. Ceramic particles in which nickel fine particles having a size of several tens of nm are isolated and dispersed exist on the surface of the porous sintered body. Recognize. As a result of EDX analysis, it was also found that the layer supporting the nickel particles was an extremely thin aluminum oxide layer.
なお、実施例1〜4、および比較例1〜3のセル発電試験における最大出力密度を表1にまとめて示す。運転条件は、30℃で加湿したH2を50mL/minで、酸素極に100mL/minのドライ空気を導入し、900℃で実施した。 In addition, the maximum output density in the cell power generation test of Examples 1-4 and Comparative Examples 1-3 is put together in Table 1, and is shown. The operating conditions were H 2 humidified at 30 ° C. at 50 mL / min, and 100 mL / min of dry air was introduced into the oxygen electrode at 900 ° C.
また、検出された燃料極のオーム抵抗は、実施例1〜4、および比較例1においてほぼゼロであった。実施例1および2では大きなSDC粒子による焼結のネットワークが形成されるとともに、大きな粒子間に適度な空間が形成され、水素の拡散および生成ガスである水蒸気の拡散がスムーズに行われたものと考えられる。これに対し、比較例1では、燃料極中に存在する触媒Ni量が極端に少なく、反応活性自体が小さかったものと考えられる。比較例2及び3ではSDCによる多孔質焼結体のネットワークが部分的に途切れ、被覆酸化物による電子およびイオンの移動が妨げられた可能性がある。 Further, the detected ohmic resistance of the fuel electrode was almost zero in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1. In Examples 1 and 2, a sintering network formed by large SDC particles was formed, an appropriate space was formed between the large particles, and hydrogen was diffused and water vapor as a product gas was smoothly diffused. Conceivable. On the other hand, in Comparative Example 1, it is considered that the amount of catalyst Ni present in the fuel electrode was extremely small and the reaction activity itself was small. In Comparative Examples 2 and 3, there is a possibility that the network of the porous sintered body by SDC is partially interrupted and the movement of electrons and ions by the coating oxide is hindered.
表1から明らかなように、実施例における固体酸化物型燃料電池のセルは、比較例で得た固体酸化物型燃料電池のセルに比較して高い出力性能を有することが分かる。 As can be seen from Table 1, the cells of the solid oxide fuel cells in the examples have higher output performance than the cells of the solid oxide fuel cells obtained in the comparative examples.
以上説明した実施形態によれば、高出力化が可能な固体酸化物型燃料電池及びその製造方法を提供することができる。 According to the embodiment described above, it is possible to provide a solid oxide fuel cell capable of increasing output and a method for manufacturing the same.
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として掲示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 As mentioned above, although several embodiment of this invention was described, these embodiment was posted as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10 固体酸化物型燃料電池
11 固体電解質層
12 燃料極
121 多孔質焼結体
122 セラミック粒子
123 酸化物膜
124 金属粒子
13 空気極
15,16 集電体
17,18 集電層
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記固体電解質層の一方の主面側に形成され、第1の電子−イオン混合導電性の材料からなる多孔質焼結体、及びこの多孔質焼結体の表面の少なくとも一部に形成されてなるとともに、第2の電子−イオン混合導電性の材料及び酸素イオン導電性の材料の少なくとも一方からなり、金属粒子を分散担持してなる酸化物膜が被覆されてなるセラミック粒子を含む燃料極と、
前記固体電解質層の他方の主面側に形成された空気極と、
を具えることを特徴とする、固体酸化物型燃料電池。 A solid electrolyte layer having oxygen ion conductivity;
A porous sintered body formed on one main surface side of the solid electrolyte layer and made of a first electron-ion mixed conductive material, and formed on at least a part of the surface of the porous sintered body. And a fuel electrode comprising ceramic particles made of at least one of a second electron-ion mixed conductive material and an oxygen ion conductive material and coated with an oxide film in which metal particles are dispersedly supported. ,
An air electrode formed on the other main surface side of the solid electrolyte layer;
A solid oxide fuel cell comprising:
酸素イオン導電性を有する固体電解質層の一方の主面上に、前記混合セラミック粒子を積層配置した後、前記混合セラミック粒子を加熱して、前記第1の電子−イオン混合導電性の材料からなり、燃料極を構成する多孔質焼結体を形成するとともに、前記多孔質焼結体の表面の少なくとも一部において前記第2のセラミック粒子を付着させる工程と、
前記金属酸化物に対して還元処理を行い、前記金属酸化物中に含まれる金属を粒子状に析出させる工程と、
前記固体電解質層の他方の主面側に空気極を形成する工程と、
を具えることを特徴とする、固体酸化物型燃料電池の製造方法。 A first ceramic particle made of a first electron-ion mixed conductive material, and at least one of a second electron-ion mixed conductive material and an oxygen ion conductive material; A mixed ceramic particle having an average particle size larger than the average particle size of the second ceramic particles and a larger number of the second ceramic particles coated with the metal oxide than the number of the first ceramic particles. Adjusting the process,
The mixed ceramic particles are laminated on one main surface of the solid electrolyte layer having oxygen ion conductivity, and then the mixed ceramic particles are heated to be made of the first electron-ion mixed conductive material. Forming a porous sintered body constituting the fuel electrode, and attaching the second ceramic particles on at least a part of the surface of the porous sintered body;
Reducing the metal oxide and precipitating the metal contained in the metal oxide into particles;
Forming an air electrode on the other main surface side of the solid electrolyte layer;
A method for producing a solid oxide fuel cell, comprising:
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