JP6086686B2 - Solid oxide fuel cell and power generation method using the same - Google Patents

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Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池及びそれを用いた発電方法に関する。詳しくは燃料としてアンモニアを用いた固体酸化物形燃料電池及びそれを用いた発電方法に関するものである。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell and a power generation method using the same. Specifically, the present invention relates to a solid oxide fuel cell using ammonia as a fuel and a power generation method using the same.

固体酸化物形燃料電池(以下、「SOFC」という場合がある)用セルにおいては、空気極で酸素分子が電子を得て酸素イオンとなり、この酸素イオンが固体電解質を経由して燃料極へ移動し、水素と反応して電子を放出する。この電子は外部回路を経由して燃料極から空気極に流れるが、この過程で物理的な仕事が行われる。かかるSOFC用セルの動作の原動力となるのは、空気極と燃料極における酸素濃度の差である。この酸素濃度差と温度により、SOFC用セルの起電力は一義的に決まるものである。   In a cell for a solid oxide fuel cell (hereinafter sometimes referred to as “SOFC”), oxygen molecules get electrons and become oxygen ions at the air electrode, and these oxygen ions move to the fuel electrode via the solid electrolyte. It reacts with hydrogen and emits electrons. The electrons flow from the fuel electrode to the air electrode via an external circuit, and physical work is performed in this process. The driving force for the operation of the SOFC cell is the difference in oxygen concentration between the air electrode and the fuel electrode. The electromotive force of the SOFC cell is uniquely determined by this oxygen concentration difference and temperature.

一般的に固体酸化物形燃料電池の燃料極材料としては、酸化ニッケルとジルコニアの粉末を混合してなるニッケル−ジルコニアサーメットが、高い電極触媒活性と高い導電率を有することから用いられてきた。(なお、酸化ニッケルは燃料電池として作動するときは水素などの燃料によって還元され、金属ニッケルになっているが、ここでは酸化ニッケルと金属ニッケルを区別せずニッケルと称する。)該サーメットにおいて、酸化ニッケルとジルコニアの比率は、導電性、熱膨張率、電極反応活性などを考慮した上で最適化される。即ち、ニッケルは電極活性と電子導電性を有する物質であるが、その量が多過ぎるとイオン導電性が乏しくなり、熱膨張率が高くなる。一方、ジルコニアはイオン導電性を有し、ニッケル粉末を固定することにより反応場を維持するが、その量が多過ぎると電子導電率が不足し、緻密化し易くなる。よって、酸化ニッケルとジルコニアの混合比を工夫すれば、燃料電池セルの内部抵抗を減らし、その性能を高めることが可能になる。   Generally, a nickel-zirconia cermet obtained by mixing nickel oxide and zirconia powder has been used as a fuel electrode material of a solid oxide fuel cell because it has high electrocatalytic activity and high conductivity. (Nickel oxide is reduced by a fuel such as hydrogen to become metallic nickel when operating as a fuel cell. Here, nickel oxide and metallic nickel are referred to as nickel without distinction.) In the cermet, oxidation is performed. The ratio of nickel and zirconia is optimized in consideration of conductivity, coefficient of thermal expansion, electrode reaction activity, and the like. That is, nickel is a substance having electrode activity and electronic conductivity, but if the amount is too large, the ionic conductivity becomes poor and the coefficient of thermal expansion increases. On the other hand, zirconia has ionic conductivity, and maintains the reaction field by fixing nickel powder. However, if the amount is too large, the electronic conductivity is insufficient and densification tends to occur. Therefore, if the mixing ratio of nickel oxide and zirconia is devised, the internal resistance of the fuel cell can be reduced and its performance can be improved.

一方、アンモニアを燃料として用いた固体酸化物形燃料電池も提案されている。アンモニアを燃料とした場合には、燃料極において、アンモニアが分解して水素と窒素が生成し、前記酸素イオンが生成した水素と反応して電子を放出することになる。したがって、アンモニアを燃料とする場合には、燃料極にてアンモニアを効率的に分解する必要がある。そこで、燃料極材料の電極触媒としてニッケル、コバルト、鉄などを用い、かつ、アンモニア分解触媒としてモリブデン、タングステン、鉄、ルテニウム、コバルト、ニッケルなどを用いたものが提案されている(特許文献1)。   On the other hand, a solid oxide fuel cell using ammonia as a fuel has also been proposed. When ammonia is used as the fuel, ammonia is decomposed at the fuel electrode to generate hydrogen and nitrogen, and the oxygen ions are reacted with the generated hydrogen to release electrons. Therefore, when ammonia is used as fuel, it is necessary to efficiently decompose ammonia at the fuel electrode. Therefore, a catalyst using nickel, cobalt, iron or the like as an electrode catalyst for a fuel electrode material and molybdenum, tungsten, iron, ruthenium, cobalt, nickel or the like as an ammonia decomposition catalyst has been proposed (Patent Document 1). .

特開2011−204416号公報JP 2011-204416 A

しかし、燃料としてアンモニアを用いる燃料電池においては、一般に燃料極材料として使用されるニッケル−ジルコニアサーメットでは、燃料電池の起動や作動停止に伴う室温から作動温度までの昇温と作動温度から室温までの熱サイクルや、700〜1000℃等の作動温度で長時間曝されることによって、アンモニア改質触媒成分である酸化ニッケルの凝集が起こり、アンモニアの改質性能が低下することにより、起電力が時間とともに低下するおそれがあった。 However, in a fuel cell using ammonia as a fuel, in nickel-zirconia cermet generally used as a fuel electrode material, the temperature rise from the room temperature to the operation temperature and the operation temperature to the room temperature associated with the start and stop of the fuel cell are reduced. When exposed to a thermal cycle or at an operating temperature such as 700 to 1000 ° C. for a long time, agglomeration of nickel oxide as an ammonia reforming catalyst component occurs, and the reforming performance of ammonia is lowered, so that the electromotive force is time-consuming. There was a risk of lowering.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討の結果、燃料としてアンモニアを用いる燃料電池においては、燃料極材料として、ニッケル化合物とジルコニア粉末との混合物を仮焼後に粉砕して得られる酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末を用いることにより、燃料極として十分なアンモニア分解活性を持つとともに、良好な発電性能を持ち、しかも、高温に長時間曝されても酸化ニッケルの凝集が抑制され、高い耐久性能を示す固体酸化物形燃料電池が得られることを見出し、本発明を完成した。すなわち、第一発明は、少なくとも燃料極、空気極および固体電解質で構成される固体酸化物形燃料電池であって、該燃料極を形成する燃料極材料がニッケル化合物と第一ジルコニア粉末との混合物を500〜1200℃の範囲内の温度で仮焼後に粉砕して得られる平均粒子径が1〜10μmの範囲内の酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末および平均粒子径が0.1〜1μmの範囲内の第二ジルコニア粉末を含み、該ニッケル化合物が酸化ニッケル、水酸化ニッケル、炭酸ニッケル及び硝酸ニッケルからなる群から選ばれる少なくとも一種であるアンモニアを燃料とする固体酸化物形燃料電池である。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have obtained a mixture of a nickel compound and zirconia powder after calcining as a fuel electrode material in a fuel cell using ammonia as a fuel. By using nickel oxide-zirconia mixed powder, it has sufficient ammonia decomposition activity as a fuel electrode, has good power generation performance, and suppresses the aggregation of nickel oxide even when exposed to high temperature for a long time, and has high durability The inventors have found that a solid oxide fuel cell exhibiting performance can be obtained, and have completed the present invention. That is, the first invention is a solid oxide fuel cell comprising at least a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte, and the fuel electrode material forming the fuel electrode is a mixture of a nickel compound and a first zirconia powder. Of nickel oxide-zirconia mixed powder having an average particle size in the range of 1 to 10 μm and an average particle size in the range of 0.1 to 1 μm obtained by calcination after calcining at a temperature in the range of 500 to 1200 ° C. It is a solid oxide fuel cell that contains second zirconia powder, and in which the nickel compound is at least one selected from the group consisting of nickel oxide, nickel hydroxide, nickel carbonate, and nickel nitrate.

第二発明は、前記固体酸化物形燃料電池の燃料極にアンモニアを導入し、かつ、空気極に空気を導入する発電方法である。   The second invention is a power generation method in which ammonia is introduced into the fuel electrode of the solid oxide fuel cell and air is introduced into the air electrode.

本発明にかかる燃料極材料を用いることで、該燃料極材料より形成された燃料極においてアンモニア改質用触媒成分として用いる酸化ニッケルの凝集が抑制でき、燃料極のアンモニア改質反応効率が低下することを防ぐことができる。結果的に本発明が特定するアンモニアを燃料とする固体酸化物形燃料電池は、持続的に高い起電力を得ることができる。   By using the fuel electrode material according to the present invention, aggregation of nickel oxide used as an ammonia reforming catalyst component in the fuel electrode formed from the fuel electrode material can be suppressed, and the ammonia reforming reaction efficiency of the fuel electrode is reduced. Can be prevented. As a result, the solid oxide fuel cell using ammonia as the fuel specified by the present invention can continuously obtain a high electromotive force.

第一発明は、少なくとも燃料極、空気極および固体電解質で構成される固体酸化物形燃料電池であって、該燃料極を形成する燃料極材料がニッケル化合物と第一ジルコニア粉末との混合物を500〜1200℃の範囲内の温度で仮焼後に粉砕して得られる平均粒子径が1〜10μmの範囲内の酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末および平均粒子径が0.1〜1μmの範囲内の第二ジルコニア粉末を含み、該ニッケル化合物が酸化ニッケル、水酸化ニッケル、炭酸ニッケル及び硝酸ニッケルからなる群から選ばれる少なくとも一種であるアンモニアを燃料とする固体酸化物形燃料電池である。   The first invention is a solid oxide fuel cell comprising at least a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte, wherein the fuel electrode material forming the fuel electrode is a mixture of a nickel compound and a first zirconia powder. Nickel oxide-zirconia mixed powder having an average particle diameter in the range of 1 to 10 μm obtained by pulverization after calcination at a temperature in the range of ˜1200 ° C. and second in the range of the average particle diameter of 0.1 to 1 μm. A solid oxide fuel cell comprising zirconia powder and using as a fuel ammonia which is at least one selected from the group consisting of nickel oxide, nickel hydroxide, nickel carbonate and nickel nitrate.

(燃料極)
本発明に用いる燃料極材料は、ニッケル化合物と第一ジルコニア粉末との混合物を500〜1200℃の範囲内の温度で仮焼後に粉砕して得られる平均粒子径が1〜10μmの範囲内の酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末および平均粒子径が0.1〜1μmの範囲内の第二ジルコニア粉末を含むものであり、更に該ニッケル化合物は酸化ニッケル、水酸化ニッケル、炭酸ニッケル及び硝酸ニッケルからなる群から選ばれる少なくとも一種を用いるものである。
(Fuel electrode)
The fuel electrode material used in the present invention has an average particle diameter of 1 to 10 μm obtained by pulverizing a mixture of a nickel compound and first zirconia powder after calcining at a temperature in the range of 500 to 1200 ° C. A nickel-zirconia mixed powder and a second zirconia powder having an average particle size in the range of 0.1 to 1 μm, and the nickel compound is further selected from the group consisting of nickel oxide, nickel hydroxide, nickel carbonate and nickel nitrate. At least one selected is used.

前記燃料極材料は、酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末の割合が70〜95質量%の範囲内、第二ジルコニア粉末の割合が5〜30質量%の範囲内であり、該割合は好ましくは、酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末の割合が80〜90質量%の範囲内、第二ジルコニア粉末の割合が10〜20質量%の範囲内である。酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末の割合が70質量%未満では該燃料極材料より形成された燃料極のアンモニアの改質性能が低く、十分な発電性能も得られなくなる恐れがある。一方、第二ジルコニア粉末の割合が5質量%未満では、電解質との接着力が弱くなり、電解質と燃料極の間で剥離が生じるおそれがある。   The fuel electrode material has a ratio of the nickel oxide-zirconia mixed powder in the range of 70 to 95% by mass and a ratio of the second zirconia powder in the range of 5 to 30% by mass. The ratio is preferably nickel oxide. -The ratio of a zirconia mixed powder is in the range of 80 to 90 mass%, and the ratio of the second zirconia powder is in the range of 10 to 20 mass%. When the ratio of the nickel oxide-zirconia mixed powder is less than 70% by mass, the reforming performance of ammonia in the fuel electrode formed from the fuel electrode material is low, and sufficient power generation performance may not be obtained. On the other hand, when the ratio of the second zirconia powder is less than 5% by mass, the adhesive strength with the electrolyte is weakened, and there is a possibility that separation occurs between the electrolyte and the fuel electrode.

なお、必要によりアンモニア改質触媒成分を燃料極材料にさらに加えることができ、例えば、モリブデン、タングステン、鉄、ルテニウム、ロジウム、コバルトなどの金属および金属化合物が挙げられる。   If necessary, an ammonia reforming catalyst component can be further added to the fuel electrode material. Examples thereof include metals and metal compounds such as molybdenum, tungsten, iron, ruthenium, rhodium, and cobalt.

(酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末)
酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末は、ニッケル化合物と第一ジルコニア粉末との混合物を500〜1200℃の範囲内の温度で仮焼後に粉砕して得られる平均粒子径が1〜10μmの範囲内の混合粉末である。
(Nickel oxide-zirconia mixed powder)
The nickel oxide-zirconia mixed powder is a mixed powder having an average particle diameter in the range of 1 to 10 μm obtained by pulverizing a mixture of the nickel compound and the first zirconia powder at a temperature in the range of 500 to 1200 ° C. It is.

前記ニッケル化合物は酸化ニッケル、水酸化ニッケル、炭酸ニッケル及び硝酸ニッケルからなる群から選ばれる少なくとも一種である。前記ニッケル化合物は固体、水溶液に溶解した状態の何れの状態であっても用いることができるが、好ましくは粉末である。該ニッケル化合物が粉末の場合の平均粒子径は、0.3〜5μmの範囲内が好ましい。5μmを超えると、ジルコニア粉末と十分混合できない恐れがある。また、該ニッケル化合物の粉末の比表面積は、1.0〜10m/gの範囲内が、燃料極とした場合のアンモニア改質性能が高くなり好ましい。 The nickel compound is at least one selected from the group consisting of nickel oxide, nickel hydroxide, nickel carbonate and nickel nitrate. The nickel compound can be used in either a solid state or a state dissolved in an aqueous solution, but is preferably a powder. When the nickel compound is a powder, the average particle size is preferably in the range of 0.3 to 5 μm. If it exceeds 5 μm, it may not be sufficiently mixed with the zirconia powder. The specific surface area of the nickel compound powder is preferably in the range of 1.0 to 10 m 2 / g because the ammonia reforming performance when the fuel electrode is used becomes high.

本発明では、便宜上、前記酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末に用いるジルコニアを第一ジルコニア粉末、別途燃料極の構成要素として加えるジルコニア粉末を第二ジルコニア粉末として区別する。   In the present invention, for convenience, zirconia used for the nickel oxide-zirconia mixed powder is distinguished as first zirconia powder, and zirconia powder added as a component of the fuel electrode is distinguished as second zirconia powder.

第一ジルコニア粉末としては、3〜10モル%イットリア安定化ジルコニア、4〜12モル%スカンジア安定化ジルコニア、および3〜15モル%イッテルビア安定化ジルコニアからなる群より選択される少なくとも1種の粉末がイオン導電性に優れることから好適に使用できる。   The first zirconia powder includes at least one powder selected from the group consisting of 3 to 10 mol% yttria stabilized zirconia, 4 to 12 mol% scandia stabilized zirconia, and 3 to 15 mol% ytterbia stabilized zirconia. It can be suitably used because of its excellent ionic conductivity.

第一ジルコニア粉末の平均粒子径は、0.1〜1μmの範囲内であることが、ニッケル化合物と速やかに混合できるため好ましい。また、第一ジルコニア粉末の比表面積は、3.0〜30m/gの範囲内が、燃料極とした場合の酸化ニッケルの凝集をより抑制できることから好ましい。 The average particle size of the first zirconia powder is preferably in the range of 0.1 to 1 μm because it can be quickly mixed with the nickel compound. Further, the specific surface area of the first zirconia powder is preferably within a range of 3.0 to 30 m 2 / g because aggregation of nickel oxide when the fuel electrode is used can be further suppressed.

前記酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末において、両者成分の混合割合は適宜調整すればよいが、好ましくは酸化ニッケルとジルコニアの割合が酸化ニッケル/ジルコニアの質量比で40/60〜70/30の範囲内である。該割合が酸化ニッケル/ジルコニアの質量比で40/60未満では、得られた燃料極のアンモニア改質活性が不足し、電子導電性も不足するため、発電性能が十分でないおそれがある。一方、該割合が70/30を超えると得られた燃料極のイオン導電性が不足し、しかも、酸化ニッケルの凝集の抑制が不十分となり、耐久性が低下するおそれがある。両成分の混合割合は酸化ニッケル/ジルコニアの質量比で50/50〜65/35の範囲内がさらに好ましい。   In the nickel oxide-zirconia mixed powder, the mixing ratio of both components may be adjusted as appropriate, but preferably the ratio of nickel oxide and zirconia is within the range of 40/60 to 70/30 as the mass ratio of nickel oxide / zirconia. is there. When the ratio is less than 40/60 by mass ratio of nickel oxide / zirconia, the resulting fuel electrode has insufficient ammonia reforming activity and insufficient electronic conductivity, which may result in insufficient power generation performance. On the other hand, when the ratio exceeds 70/30, the ionic conductivity of the obtained fuel electrode is insufficient, and the suppression of the aggregation of nickel oxide becomes insufficient, and the durability may be lowered. The mixing ratio of both components is more preferably in the range of 50/50 to 65/35 in terms of mass ratio of nickel oxide / zirconia.

本発明の酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末における酸化ニッケルの平均結晶子径は1〜100nmの範囲内であることが好ましい。酸化ニッケルの平均結晶子径が該範囲内であれば、該混合粉末を使用した燃料極は、高いアンモニア改質活性と電子導電性を合わせもつことができる。該平均結晶子径は、1〜50nmの範囲内であることがさらに好ましく、1〜20nmの範囲内であることが最も好ましい。なお、本発明における酸化ニッケルの平均結晶子径は、X線回折法により測定した値からシェラー(Scherrer)式により各結晶子径を算出したNiOの(111)面と(200)面の値の平均値をいう。   The average crystallite diameter of nickel oxide in the nickel oxide-zirconia mixed powder of the present invention is preferably in the range of 1 to 100 nm. If the average crystallite diameter of nickel oxide is within this range, the fuel electrode using the mixed powder can have both high ammonia reforming activity and electronic conductivity. The average crystallite diameter is more preferably in the range of 1 to 50 nm, and most preferably in the range of 1 to 20 nm. In addition, the average crystallite diameter of nickel oxide in the present invention is the value of the (111) plane and the (200) plane of NiO in which the respective crystallite diameters are calculated from the values measured by the X-ray diffraction method using the Scherrer equation. Mean value.

(酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末の調製)
酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末を調製するには、先ず、前記のニッケル化合物と第一ジルコニア粉末とを混合する。該ニッケル化合物と第一ジルコニア粉末を混合する手段としては、水などの溶媒中で単に分散混合するだけも良いが、均一な混合物が得られるため湿式ボールミルを使用することが好ましい。また、らいかい機などを用いた機械的粉砕法による混合でも行うことができる。得られた混合物は、500〜1200℃の範囲内の温度で仮焼する。500℃未満では、前記ニッケル化合物の分解が不十分となり、酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末と第二ジルコニア粉末を混合する際におけるニッケル成分の移動がおこる恐れがある。一方、仮焼温度を1200℃以下とすることにより、過度の焼結を抑制し、得られた酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末中の酸化ニッケルの結晶子径を所定の範囲内にすることができ、アンモニア分解反応に必要な活性点を十分に維持することができる。また、電解質との接着性も保持できる。
(Preparation of nickel oxide-zirconia mixed powder)
To prepare the nickel oxide-zirconia mixed powder, first, the nickel compound and the first zirconia powder are mixed. As a means for mixing the nickel compound and the first zirconia powder, it may be simply dispersed and mixed in a solvent such as water, but it is preferable to use a wet ball mill because a uniform mixture can be obtained. It can also be performed by mixing by a mechanical pulverization method using a rough machine. The obtained mixture is calcined at a temperature in the range of 500 to 1200 ° C. If it is less than 500 degreeC, decomposition | disassembly of the said nickel compound will become inadequate and there exists a possibility that the movement of the nickel component may occur at the time of mixing nickel oxide-zirconia mixed powder and second zirconia powder. On the other hand, by setting the calcining temperature to 1200 ° C. or less, excessive sintering can be suppressed, and the crystallite diameter of nickel oxide in the obtained nickel oxide-zirconia mixed powder can be within a predetermined range, The active sites necessary for the ammonia decomposition reaction can be sufficiently maintained. Moreover, adhesiveness with an electrolyte can also be maintained.

前記仮焼の温度は、600〜1200℃の範囲内が好ましく、700〜1100℃の範囲内がさらに好ましい。   The calcining temperature is preferably in the range of 600 to 1200 ° C, more preferably in the range of 700 to 1100 ° C.

次いで、得られた仮焼物を粉砕し、平均粒子径が1〜10μmの酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末を得る。平均粒子径は、好ましくは1〜8μmの範囲内である。該平均粒子径が1μm未満では、高温で燃料電池を運転時に酸化ニッケルが凝集する恐れがあり、10μmを超えると本発明の燃料極ペーストの取り扱い性が低下する恐れがある。単に仮焼するのみでは、粒子径が数μmから数百μmのものまで存在するので、粉砕を行って平均粒子径を調整する。粉砕手段に特に限定はなく、常法を用いることができるが、遊星ボールミルを用いることが好ましい。   Subsequently, the obtained calcined product is pulverized to obtain a nickel oxide-zirconia mixed powder having an average particle size of 1 to 10 μm. The average particle size is preferably in the range of 1-8 μm. If the average particle size is less than 1 μm, nickel oxide may be aggregated during operation of the fuel cell at high temperatures, and if it exceeds 10 μm, the handleability of the fuel electrode paste of the present invention may be deteriorated. By simply calcination, the particle diameter ranges from several μm to several hundred μm, so the average particle diameter is adjusted by grinding. There is no particular limitation on the pulverizing means, and a conventional method can be used, but it is preferable to use a planetary ball mill.

上記混合物は、通常、1μm付近と数十μm付近に粒度ピークを有し、粉砕が進行するにつれて2つの粒度ピークの比率は変化し、平均粒子径(50体積%径)は小さくなっていく。よって、粉砕時には、適宜サンプルを採取して平均粒子径を測定し、所望の平均粒子径となったところで粉砕操作を中止すればよい。   The above mixture usually has particle size peaks in the vicinity of 1 μm and several tens of μm, and the ratio of the two particle size peaks changes as the pulverization proceeds, and the average particle size (50% by volume) decreases. Therefore, at the time of pulverization, an appropriate sample may be taken to measure the average particle diameter, and the pulverization operation may be stopped when the desired average particle diameter is reached.

(第二ジルコニア粉末)
本発明における第二ジルコニア粉末としては、第一ジルコニア粉末と同様のものが使用できる。例えば、3〜10モル%イットリア安定化ジルコニア、4〜12モル%スカンジア安定化ジルコニア、および3〜15モル%イッテルビア安定化ジルコニアからなる群より選択される少なくとも1種の粉末であり、粒径が0.1〜1μm、比表面積が3.0〜30m/g程度のものを好適に用いることができる。該粒子径は、好ましくは0.1〜0.8μmの範囲内である。該粒子径が0.1μm未満であれば、本発明の燃料極ペーストの取り扱い性が低下する恐れがあり、、1μmを超えると燃料極と固体電解質の接着性が低下する恐れがある。
(Second zirconia powder)
As the second zirconia powder in the present invention, the same as the first zirconia powder can be used. For example, at least one powder selected from the group consisting of 3 to 10 mol% yttria stabilized zirconia, 4 to 12 mol% scandia stabilized zirconia, and 3 to 15 mol% ytterbia stabilized zirconia, and having a particle size of The thing of 0.1-1 micrometer and a specific surface area of about 3.0-30 m < 2 > / g can be used conveniently. The particle diameter is preferably in the range of 0.1 to 0.8 μm. If the particle diameter is less than 0.1 μm, the handleability of the fuel electrode paste of the present invention may be lowered, and if it exceeds 1 μm, the adhesion between the fuel electrode and the solid electrolyte may be lowered.

(粒子径の測定)
本発明における粉末の平均粒子径(50体積%径)は、例えば堀場製作所製のレーザー回折式粒度分布測定装置「LA−920」を用い、蒸留水中に分散剤として0.2質量%のメタリン酸ナトリウムを添加した水溶液を分散媒とし、該分散媒の約100cm3中に各粒子を0.01〜0.5質量%添加し、3分間超音波処理して分散させた後の測定値である。なお、50体積%径とは、粒度分布の測定結果において、累積グラフにおける50体積%での粒径である。
(Measurement of particle diameter)
The average particle diameter (50 volume% diameter) of the powder in the present invention is 0.2 mass% metaphosphoric acid as a dispersant in distilled water using, for example, a laser diffraction particle size distribution analyzer “LA-920” manufactured by Horiba, Ltd. This is a measured value after using an aqueous solution to which sodium has been added as a dispersion medium, adding 0.01 to 0.5% by mass of each particle in about 100 cm 3 of the dispersion medium, and dispersing by sonication for 3 minutes. The 50 volume% diameter is the particle diameter at 50 volume% in the cumulative graph in the measurement result of the particle size distribution.

(固体酸化物形燃料電池)
本発明における固体酸化物形燃料電池は、少なくとも燃料極、空気極および固体電解質で構成され、固体電解質の一方の面に燃料極を配し、他方の面に空気極を配するものである。
(Solid oxide fuel cell)
The solid oxide fuel cell according to the present invention is composed of at least a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte, with a fuel electrode disposed on one surface of the solid electrolyte and an air electrode disposed on the other surface.

本発明における酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末は、燃料極中で酸化ニッケルが電池作動雰囲気下では還元されて金属ニッケルとなり、燃料として使用するアンモニアの分解反応および電極反応の反応場を形成する。該混合粉末は、仮焼により熱的に安定となっており、燃料極に耐久性能を付与する。また、該混合粉末は比較的高密度であるため、高い導電性を示す上に、粒子間には空隙も存在するため、ガスの拡散性にも優れるものである。   The nickel oxide-zirconia mixed powder in the present invention is reduced to nickel metal in the fuel electrode under a cell operating atmosphere to form metallic nickel, and forms a reaction field for decomposition reaction and electrode reaction of ammonia used as fuel. The mixed powder is thermally stable by calcination and imparts durability to the fuel electrode. In addition, since the mixed powder has a relatively high density, it exhibits high conductivity and also has excellent gas diffusibility because there are voids between the particles.

本発明における第二ジルコニア粉末は、前記ニッケル化合物−ジルコニア混合粉末同士、および固体電解質と燃料極との接着性を高め、また、高いイオン導電率を燃料極に付与する。加えて、ニッケルの凝集を抑制し、混合粉末との間の三相界面を維持することができる。したがって、本発明における燃料極では、従来のものよりもアンモニア分解活性に優れるとともに、電極反応場が大きく、また、酸化ニッケル粉末同士の凝集や気孔率の変化が抑制されている。その結果、本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、アンモニアを燃料とした場合に初期発電性能が高い上に、長時間発電しても燃料極の劣化が起こり難いという優れた特性を有する。なお、本発明では燃料極中のニッケル成分はすべて酸化ニッケルと表示しているが、実際の燃料電池作動中の燃料極中では酸化ニッケルは還元されて金属ニッケルになっていることは言うまでも無い。以下に、その製造方法を各部分の説明と共に説明する。   The second zirconia powder in the present invention improves the adhesion between the nickel compound-zirconia mixed powders and between the solid electrolyte and the fuel electrode, and imparts high ionic conductivity to the fuel electrode. In addition, aggregation of nickel can be suppressed and a three-phase interface with the mixed powder can be maintained. Therefore, in the fuel electrode in the present invention, the ammonia decomposition activity is superior to that of the conventional one, the electrode reaction field is large, and the aggregation of the nickel oxide powders and the change in the porosity are suppressed. As a result, the solid oxide fuel cell according to the present invention has excellent initial power generation performance when ammonia is used as fuel, and has excellent characteristics that the fuel electrode is hardly deteriorated even if power is generated for a long time. In the present invention, all nickel components in the fuel electrode are indicated as nickel oxide, but it goes without saying that the nickel oxide is reduced to metal nickel in the fuel electrode during actual fuel cell operation. No. Below, the manufacturing method is demonstrated with description of each part.

(燃料極の製造方法)
工程1として、酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末と第二ジルコニア粉末とを混合する。混合方法としては、常法を用いればよく、例えば、ニッケル化合物と第一ジルコニア粉末との混合手段と同様の手段を用いることができる。
(Fuel electrode manufacturing method)
In step 1, a nickel oxide-zirconia mixed powder and a second zirconia powder are mixed. As a mixing method, a conventional method may be used. For example, the same means as the mixing means of the nickel compound and the first zirconia powder can be used.

工程2として、混合した材料をペースト化する。具体的には、本発明の燃料極材料を、エチルセルロース、ポリエチレングリコール、ポリビニルブチラール樹脂などのバインダー;エタノール、トルエン、α−テルピネオール、カルビトールなどの溶剤;グリセリン、グリコール、フタル酸ジブチルなどの可塑剤、更には必要に応じて配合される分散剤、消泡剤、界面活性剤などと共に、例えばボールミル、3本ロールミルや遊星ミルなどを用いて適度な粘度のペーストとする。   In step 2, the mixed material is made into a paste. Specifically, the fuel electrode material of the present invention is made of a binder such as ethyl cellulose, polyethylene glycol or polyvinyl butyral resin; a solvent such as ethanol, toluene, α-terpineol or carbitol; a plasticizer such as glycerin, glycol or dibutyl phthalate. Further, a paste having an appropriate viscosity is obtained by using, for example, a ball mill, a three-roll mill or a planetary mill together with a dispersing agent, an antifoaming agent, a surfactant and the like which are blended as necessary.

前記のペーストの粘度は、コーティングやディッピングによって燃料極を形成する場合は、B型粘度計で1〜50mPa・s、より好ましくは2〜20mPa・sの範囲に調整するのがよい。スクリーン印刷により燃料極を形成する場合の好ましい粘度は、ブルックフィールズ粘度計で50,000〜2,000,000mPa・s、より好ましくは80,000〜1,000,000mPa・s、更に好ましくは100,000〜500,000mPa・sの範囲である。上記燃料極ペーストは、例えばバーコーター、スピンコーター、ディッピング装置などにより固体電解質上にコーティングし、或いはスクリーン印刷法などで薄膜状に製膜した後、40〜150℃の温度、例えば50℃、80℃、120℃の様な一定の温度、或いは順次連続的に昇温して加熱乾燥する。次いで、好適には1200〜1300℃で焼成し、燃料極を形成する。この際、1200℃以上であれば焼結が十分に進み、十分な導電率が得られる。一方、焼結温度を1300℃以下にすることにより、過度の焼結によるアンモニア分解活性や電極反応活性の低下を十分に抑制することができる。   When the fuel electrode is formed by coating or dipping, the viscosity of the paste is adjusted to 1 to 50 mPa · s, more preferably 2 to 20 mPa · s with a B-type viscometer. A preferable viscosity when the fuel electrode is formed by screen printing is 50,000 to 2,000,000 mPa · s, more preferably 80,000 to 1,000,000 mPa · s, more preferably 100 by Brookfield viscometer. , 000 to 500,000 mPa · s. The fuel electrode paste is coated on a solid electrolyte by a bar coater, a spin coater, a dipping device or the like, or formed into a thin film by a screen printing method or the like, and then a temperature of 40 to 150 ° C., for example, 50 ° C., 80 C. and 120.degree. C., or successively heated up and dried successively. Next, it is preferably fired at 1200 to 1300 ° C. to form a fuel electrode. At this time, if the temperature is 1200 ° C. or higher, the sintering proceeds sufficiently and sufficient electrical conductivity is obtained. On the other hand, by setting the sintering temperature to 1300 ° C. or lower, it is possible to sufficiently suppress a decrease in ammonia decomposition activity and electrode reaction activity due to excessive sintering.

燃料極層の厚みは、電解質自立膜型セルの場合は10〜300μm程度が適当であり、好ましくは15〜100μm、さらに好ましくは20〜50μmの範囲である。燃料極支持膜型セルの場合には0.3〜3mmが好適であり、さらに好ましくは0.5〜2.5mm、特に好ましくは1〜2mmの範囲である。   In the case of an electrolyte self-supporting membrane cell, the thickness of the fuel electrode layer is suitably about 10 to 300 μm, preferably 15 to 100 μm, more preferably 20 to 50 μm. In the case of a fuel electrode supporting membrane type cell, 0.3 to 3 mm is suitable, more preferably 0.5 to 2.5 mm, and particularly preferably 1 to 2 mm.

(固体電解質)
固体電解質は、公知のものを用いればよい。例えば、本発明に係る固体酸化物形燃料電池を使用する条件下において、酸素イオン導電率が高い種々の安定化ジルコニアからなるものを用いることができる。より具体的には、3〜15モル%のイットリア、スカンジア、セリア、或いはこれらの2種以上を添加することにより安定化したジルコニアを用いる。中でも、イオン導電率が高く、機械的特性に優れることから、4モル%以上のスカンジアを含有する安定化ジルコニアからなるものが好ましい。
(Solid electrolyte)
A known solid electrolyte may be used. For example, what consists of various stabilized zirconia with high oxygen ion conductivity can be used on the conditions which use the solid oxide fuel cell which concerns on this invention. More specifically, 3 to 15 mol% of yttria, scandia, ceria, or zirconia stabilized by adding two or more thereof is used. Among them, those made of stabilized zirconia containing 4 mol% or more of scandia are preferable because of high ionic conductivity and excellent mechanical properties.

固体電解質の厚さは、要求される導電率や強度に合わせて適宜調整することができ、例えば、4〜6モル%のスカンジアを含む安定化ジルコニアからなる支持基板は100μm以下とすることが好ましく、10モル%以上のスカンジアを含む安定化ジルコニアでは500μm以下が好ましく、さらに好ましくは300μm以下である。   The thickness of the solid electrolyte can be appropriately adjusted according to the required electrical conductivity and strength. For example, the supporting substrate made of stabilized zirconia containing 4 to 6 mol% scandia is preferably 100 μm or less. In the stabilized zirconia containing 10 mol% or more of scandia, the thickness is preferably 500 μm or less, more preferably 300 μm or less.

(空気極)
空気極としては、電子導電性とイオン導電性の両方を有し、酸化雰囲気下でも安定なペロブスカイト形酸化物からなるものが一般的に用いられる。具体的には、La0.8Sr0.2MnO、La0.6Sr0.4Co0.2FeO、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8等、ランタンの一部をストロンチウムで置換したランタンマンガナイトや、ランタンの一部をストロンチウムで置換したランタンフェライトやランタンコバルタイト等が、空気極材料として好ましい。また、空気極の酸素イオン導電性を高めるために、希土類などをドープしたセリアを適宜混合することもできる。
(Air electrode)
As the air electrode, one made of a perovskite oxide that has both electronic conductivity and ionic conductivity and is stable even in an oxidizing atmosphere is generally used. Specifically, La 0.8 Sr 0.2 MnO 3, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 FeO 3, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 , etc. As the air electrode material, lanthanum manganite in which a part of lanthanum is substituted with strontium, lanthanum ferrite or lanthanum cobaltite in which a part of lanthanum is substituted with strontium is preferable. In addition, in order to increase the oxygen ion conductivity of the air electrode, ceria doped with rare earth or the like can be appropriately mixed.

前記空気極材料は、上述した燃料極材料と同様に、空気極ペーストとした上で、固体電解質上へ空気極を形成するために使用することができる。この際、電解質と空気極との間に絶縁物質が生成するのを防ぐために、反応防止層を設けてもよい。かかる反応防止層は、一般的に、希土類ドープセリアにより形成する。反応防止層と空気極は、個別に焼成を行ってもよいし、或いは燃料極と同時に焼成してもよい。   The air electrode material can be used to form an air electrode on a solid electrolyte after being made into an air electrode paste in the same manner as the fuel electrode material described above. At this time, a reaction preventing layer may be provided in order to prevent the generation of an insulating material between the electrolyte and the air electrode. Such a reaction preventing layer is generally formed of rare earth doped ceria. The reaction preventing layer and the air electrode may be fired individually, or may be fired simultaneously with the fuel electrode.

(発電方法)
第二発明は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の燃料極にアンモニアを導入し、かつ、空気極に空気を導入することを特徴とする発電方法である。
(Power generation method)
The second invention is a power generation method characterized by introducing ammonia into the fuel electrode of the solid oxide fuel cell according to the present invention and introducing air into the air electrode.

燃料極に導入する燃料はアンモニアであり、アンモニアの濃度は100容量%であっても良いが、燃料極の反応に不活性なガスあるいは、水素と混合して使用することもできる。混合できる不活性なガスとしては、窒素、アルゴン、ヘリウムであり、その混合量は特に限定されないが、燃料極に導入するガスに対して1〜50容量%の範囲内が好ましい。また、水素を混合する場合のその混合量は特に限定されないが、燃料極に導入するガスに対して1〜90容量%の範囲内が好ましく、更に好ましくは5〜50容量%の範囲内である。   The fuel introduced into the fuel electrode is ammonia, and the concentration of ammonia may be 100% by volume, but it can also be used by mixing with a gas inert to the reaction of the fuel electrode or with hydrogen. The inert gas that can be mixed includes nitrogen, argon, and helium, and the mixing amount is not particularly limited, but is preferably in the range of 1 to 50% by volume with respect to the gas introduced into the fuel electrode. Further, the mixing amount when hydrogen is mixed is not particularly limited, but is preferably in the range of 1 to 90% by volume, more preferably in the range of 5 to 50% by volume with respect to the gas introduced into the fuel electrode. .

空気極に導入するガス、酸素を含むものであれば何れのものであっても良く、酸素、空気を用いることができるが、空気極の反応に不活性なガスであれば酸素等と混合し使用することもできる。   Any gas can be used as long as it contains oxygen and gas introduced into the air electrode. Oxygen and air can be used. However, if the gas is inert to the reaction of the air electrode, it can be mixed with oxygen or the like. It can also be used.

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例により制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。なお、以下では「安定化ジルコニア」を単に「SZ」と表す。また、X線回折測定には、X線回折装置(製品名「X’Pert Pro MPD」、スペクトリス株式会社製)を用いた。X線源には、CuKα(0.154nm)を用い、測定条件として、X線出力45kV、40mA、ステップサイズ0.017°、スキャンステップ時間100秒、測定温度25℃で測定した。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited by the following examples, but may be appropriately modified within a range that can meet the purpose described above and below. It is also possible to implement, and they are all included in the technical scope of the present invention. Hereinafter, “stabilized zirconia” is simply referred to as “SZ”. For X-ray diffraction measurement, an X-ray diffractometer (product name “X′Pert Pro MPD”, manufactured by Spectris Co., Ltd.) was used. CuKα (0.154 nm) was used as the X-ray source, and the measurement conditions were an X-ray output of 45 kV, 40 mA, a step size of 0.017 °, a scan step time of 100 seconds, and a measurement temperature of 25 ° C.

(実施例1)
(1) 酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末の製造
酸化ニッケル粉末(正同化学製、製品名:Green、平均粒子径:0.7μm)125質量部と、10モル%スカンジア1モル%セリア安定化ジルコニア粉末(以下、10Sc1CeSZ粉末と略す。)(第一稀元素製、平均粒子径:0.63μm)65質量部を1L容磁製ポットに入れ、5mmφジルコニアボールと10mmφジルコニアボールをメディアとし、50%エタノール水溶液を溶媒として、60回転/分で24時間湿式混合した。得られた混合粉末を乾燥し、1100℃で仮焼した。次いで、仮焼した混合粉末100質量部を250mL容アルミナ製ポットに入れ、20mmφジルコニアボール6個をメディアとして、240回転/分で10分間、遊星ミルにより乾式粉砕し、酸化ニッケル/ジルコニアの質量比66/34の酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末を得た。
Example 1
(1) Production of nickel oxide-zirconia mixed powder 125 parts by mass of nickel oxide powder (manufactured by Shodo Chemical Co., Ltd., product name: Green, average particle size: 0.7 μm), 10 mol% scandia 1 mol% ceria stabilized zirconia powder (Hereafter, abbreviated as 10Sc1CeSZ powder.) (Made by 1st rare element, average particle size: 0.63 μm) 65 parts by mass are put in a 1 L magnetic pot and 5 mmφ zirconia balls and 10 mmφ zirconia balls are used as media, and 50% ethanol. Wet mixing was performed for 24 hours at 60 rpm with the aqueous solution as a solvent. The obtained mixed powder was dried and calcined at 1100 ° C. Next, 100 parts by mass of the calcined mixed powder was put in a 250 mL alumina pot, and 6 20 mmφ zirconia balls were used as media to dry-grind with a planetary mill for 10 minutes at 240 rpm, and the mass ratio of nickel oxide / zirconia A 66/34 nickel oxide-zirconia mixed powder was obtained.

得られた酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末の粒度分布と平均粒子径を、レーザー回折式粒度分布測定装置(堀場製作所製、製品名:LA−920)で測定した。分散媒としては0.2質量%メタリン酸ナトリウム水溶液を用い、測定前には3分間超音波照射を行った。その結果、平均粒子径は7.0μmであった。さらに、X線回折法により測定した酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末中の酸化ニッケルの結晶子径は25nmであった。   The particle size distribution and average particle size of the obtained nickel oxide-zirconia mixed powder were measured with a laser diffraction particle size distribution measuring device (product name: LA-920, manufactured by Horiba, Ltd.). As a dispersion medium, 0.2 mass% sodium metaphosphate aqueous solution was used, and ultrasonic irradiation was performed for 3 minutes before the measurement. As a result, the average particle size was 7.0 μm. Furthermore, the crystallite diameter of nickel oxide in the nickel oxide-zirconia mixed powder measured by the X-ray diffraction method was 25 nm.

(2)燃料極材料および 燃料極ペーストの製造
前記酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末を90質量%と10Sc1CeSZ粉末(第一稀元素製、平均粒子径:0.63μm)10質量%を混合し、5mmφジルコニアボールと10mmφジルコニアボールをメディアとし、50%エタノール水溶液を溶媒として、60回転/分で24時間湿式混合した。これを乾燥し、燃料極材料を得た。該燃料極材料100質量部に対して、バインダーとしてエチルセルロースを3質量部、溶媒としてα−テルピネオールを40質量部加え、ロールミルを用いて混練し、燃料極ペーストとした。
(2) Production of Fuel Electrode Material and Fuel Electrode Paste 90% by mass of the nickel oxide-zirconia mixed powder and 10% by mass of 10Sc1CeSZ powder (manufactured by 1st rare element, average particle size: 0.63 μm) are mixed to obtain 5 mmφ zirconia. Wet mixing was performed for 24 hours at 60 rpm with a ball and 10 mmφ zirconia ball as media and 50% ethanol aqueous solution as a solvent. This was dried to obtain a fuel electrode material. To 100 parts by mass of the fuel electrode material, 3 parts by mass of ethyl cellulose as a binder and 40 parts by mass of α-terpineol as a solvent were added and kneaded using a roll mill to obtain a fuel electrode paste.

(3) 空気極ペーストの製造
La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8(セイミケミカル製、平均粒子径:0.5μm)に、バインダーとしてエチルセルロースを3質量%、溶媒としてα−テルピネオールを30質量%の割合で加え、ロールミルを用いて混練し、燃料極ペーストとした。
(3) Production of air electrode paste La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 (manufactured by Seimi Chemical, average particle size: 0.5 μm), 3% by weight of ethyl cellulose as a binder, solvent As a fuel electrode paste, α-terpineol was added at a rate of 30% by mass and kneaded using a roll mill.

(4)反応防止層ペーストの製造
20モル%ガドリアドープセリア(セイミケミカル製、平均粒子径:0.5μm)を、10%の水を含むグリセリンに加え、ロールミルを用いて混練し、反応防止層ペーストとした。
(4) Preparation of reaction prevention layer paste 20 mol% Gadria-doped ceria (manufactured by Seimi Chemical, average particle size: 0.5 μm) is added to glycerin containing 10% water and kneaded using a roll mill to prevent reaction. A layer paste was used.

(5)電解質支持膜型セルの製造
6モル%のスカンジアで安定化されたジルコニアのシート(30mmφ×厚さ100μm)の片面に、スクリーン印刷により、前記燃料極ペーストを10mmφの円の形状に塗布し、90℃で5時間乾燥した。次に、その反対側に、スクリーン印刷により、前記反応防止層ペーストを10mmφの円の形状に塗布し、同様に乾燥した。これを1300℃で5時間焼結した。続いて、反応防止層の上に前記空気極ペーストを10mmφの円の形状にスクリーン印刷し、90℃で5時間乾燥後、1000℃で3時間焼結することによって、燃料電池用の電解質支持膜型セルを得た。燃料極、空気極、反応防止層の各膜厚は、それぞれ約40μm、30μm、10μmであった。
(5) Manufacture of electrolyte support membrane type cell The above fuel electrode paste was applied in a 10 mmφ circle shape by screen printing on one side of a 6 mol% scandia stabilized zirconia sheet (30 mmφ × 100 μm thickness). And dried at 90 ° C. for 5 hours. Next, on the opposite side, the reaction preventing layer paste was applied in the shape of a circle of 10 mmφ by screen printing and dried in the same manner. This was sintered at 1300 ° C. for 5 hours. Subsequently, the air electrode paste is screen-printed in the shape of a circle of 10 mmφ on the reaction preventing layer, dried at 90 ° C. for 5 hours, and then sintered at 1000 ° C. for 3 hours. A mold cell was obtained. The film thicknesses of the fuel electrode, air electrode, and reaction preventing layer were about 40 μm, 30 μm, and 10 μm, respectively.

(実施例2)
(1) 酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末の製造
塩基性炭酸ニッケル(和光純薬製)196質量部と、10Sc1CeSZ粉末(第一稀元素製、平均粒子径:0.63μm)100質量部を1L容磁製ポットに入れ、5mmφジルコニアボールと10mmφジルコニアボールをメディアとし、50%エタノール水溶液を溶媒として、60回転/分で24時間湿式混合した。得られた混合粉末を乾燥し、600℃で仮焼した。次いで、実施例1と同様にして、酸化ニッケル/ジルコニアの質量比50/50の酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末を得た。
(Example 2)
(1) Manufacture of nickel oxide-zirconia mixed powder 196 parts by mass of basic nickel carbonate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) and 100 parts by mass of 10Sc1CeSZ powder (manufactured by Daiichi Rare Elements, average particle size: 0.63 μm) The mixture was placed in a pot and wet-mixed for 24 hours at 60 rpm with a 5 mmφ zirconia ball and a 10 mmφ zirconia ball as media and a 50% ethanol aqueous solution as a solvent. The obtained mixed powder was dried and calcined at 600 ° C. Next, in the same manner as in Example 1, a nickel oxide-zirconia mixed powder having a nickel oxide / zirconia mass ratio of 50/50 was obtained.

得られた混合粒子の粒度分布と平均粒子径を実施例1と同様にして測定し、平均粒子径は6.5μmであった。また、X線回折法により測定した混合粉末中の酸化ニッケルの結晶子径は18nmであった。   The particle size distribution and average particle size of the obtained mixed particles were measured in the same manner as in Example 1, and the average particle size was 6.5 μm. Further, the crystallite diameter of nickel oxide in the mixed powder measured by the X-ray diffraction method was 18 nm.

(2) 燃料極材料および燃料極ペーストの製造
前記酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末を95質量%と10Sc1CeSZ粉末(第一稀元素製、平均粒子径:0.63μm)5質量%を混合し、実施例1と同様にして、燃料極材料を得た。さらに、実施例1と同様にして燃料極ペーストとした。
(2) Manufacture of fuel electrode material and fuel electrode paste The nickel oxide-zirconia mixed powder was mixed with 95% by mass and 5% by mass of 10Sc1CeSZ powder (manufactured by 1st rare element, average particle size: 0.63 μm). In the same manner as in Example 1, a fuel electrode material was obtained. Further, a fuel electrode paste was prepared in the same manner as in Example 1.

(3)電解質支持膜型セルの製造
前記燃料極ペーストを使用した以外は、実施例1と同様にして、燃料電池用の電解質支持膜型セルを得た。
(3) Manufacture of electrolyte support membrane type cell An electrolyte support membrane type cell for a fuel cell was obtained in the same manner as in Example 1 except that the fuel electrode paste was used.

(比較例1)
(1)比較の 酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末の製造
塩基性炭酸ニッケル(和光純薬製)196質量部と、10Sc1CeSZ粉末(第一稀元素製、平均粒子径:0.63μm)100質量部を実施例2と同様にして、混合粉末を得て、1400℃で仮焼した。次いで、実施例と同様にして、酸化ニッケル/ジルコニアの質量比50/50の比較の酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末を得た。
(Comparative Example 1)
(1) Production of Comparative Nickel Oxide-Zirconia Mixed Powder 196 parts by mass of basic nickel carbonate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) and 100 parts by mass of 10Sc1CeSZ powder (manufactured by Daiichi Rare Elements, average particle size: 0.63 μm) In the same manner as in Example 2, a mixed powder was obtained and calcined at 1400 ° C. Next, in the same manner as in Examples, a comparative nickel oxide-zirconia mixed powder having a mass ratio of nickel oxide / zirconia of 50/50 was obtained.

得られた混合粒子の粒度分布と平均粒子径を実施例1と同様にして測定し、平均粒子径は17.5μmであった。また、X線回折法により測定した混合粉末中の酸化ニッケルの結晶子径は110nmであった。   The particle size distribution and average particle size of the obtained mixed particles were measured in the same manner as in Example 1, and the average particle size was 17.5 μm. Further, the crystallite diameter of nickel oxide in the mixed powder measured by the X-ray diffraction method was 110 nm.

(2)燃料極材料および燃料極ペーストの製造
前記酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末を95質量%と10Sc1CeSZ粉末(第一稀元素製、平均粒子径:0.63μm)5質量%を混合し、実施例1と同様にして、比較の燃料極材料を得た。さらに、実施例1と同様にして比較の燃料極ペーストとした。
(2) Manufacture of fuel electrode material and fuel electrode paste The nickel oxide-zirconia mixed powder was mixed with 95% by mass and 5% by mass of 10Sc1CeSZ powder (manufactured by 1st rare element, average particle size: 0.63 μm). In the same manner as in Example 1, a comparative fuel electrode material was obtained. Further, a comparative fuel electrode paste was prepared in the same manner as in Example 1.

(3)電解質支持膜型セルの製造
前記燃料極ペーストを使用した以外は、実施例1と同様にして、比較の燃料電池用の電解質支持膜型セルを得た。
(3) Manufacture of electrolyte support membrane type cell An electrolyte support membrane type cell for a comparative fuel cell was obtained in the same manner as in Example 1 except that the fuel electrode paste was used.

(比較例2)
(1)比較の燃料極材料および 燃料極ペーストの製造
酸化ニッケル粉末(正同化学製、製品名:Green、平均粒子径:0.7μm)50質量%と10Sc1CeSZ粉末(第一稀元素製、平均粒子径:0.63μm)50質量%を混合し、実施例1と同様にして、比較の燃料極材料を得た。さらに、実施例1と同様にして比較の燃料極ペーストとした。
(Comparative Example 2)
(1) Production of Comparative Fuel Electrode Material and Fuel Electrode Paste Nickel oxide powder (manufactured by Shodo Chemical, product name: Green, average particle size: 0.7 μm) 50% by mass and 10Sc1CeSZ powder (manufactured by 1st rare element, average) (Particle size: 0.63 μm) 50% by mass was mixed, and a comparative fuel electrode material was obtained in the same manner as in Example 1. Further, a comparative fuel electrode paste was prepared in the same manner as in Example 1.

(2)電解質支持膜型セルの製造
前記燃料極ペーストを使用した以外は、実施例1と同様にして、比較の燃料電池用の電解質支持膜型セルを得た。
(2) Manufacture of electrolyte support membrane type cell An electrolyte support membrane type cell for a comparative fuel cell was obtained in the same manner as in Example 1 except that the fuel electrode paste was used.

(試験例1)
前記実施例1、2および比較例1、2の電解質支持膜型セルについて、小型単セル発電試験装置を用いて発電試験を行い、出力密度を測定した。燃料極側ガスとしてはアンモニア(流量0.167L/min)を、空気極側ガスとしては空気(流量0.250L/min)を使用し、試験温度は800℃とした。測定に当たっては、電流測定器としてアドバンテスト社製の型番「TR6845」、電流電圧発生器としては高砂製作所社製の型番「GP016−20R」を使用した。発電試験開始時と400時間後の最大出力密度(W/cm)を求めた。結果を表1に示す。
(Test Example 1)
For the electrolyte support membrane cells of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, a power generation test was performed using a small single cell power generation test apparatus, and the output density was measured. Ammonia (flow rate 0.167 L / min) was used as the fuel electrode side gas, air (flow rate 0.250 L / min) was used as the air electrode side gas, and the test temperature was 800 ° C. In the measurement, a model number “TR6845” manufactured by Advantest Corporation was used as a current measuring instrument, and a model number “GP016-20R” manufactured by Takasago Seisakusho Co., Ltd. was used as a current voltage generator. The maximum power density (W / cm 2 ) at the start of the power generation test and after 400 hours was determined. The results are shown in Table 1.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池である実施例1および2では、燃料極材料として、ニッケル化合物とジルコニア粉末との混合物を所定の温度で仮焼後に粉砕して得られる酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末を用いることにより、燃料極として十分なアンモニア分解活性を持つとともに、良好な発電性能を持ち、しかも、高温に長時間曝されても酸化ニッケルの凝集が抑制され、耐久性に優れるものであった。一方、比較例1では、酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末の製造時に所定の温度より高い温度での仮焼を行ったため、酸化ニッケルの凝集が起こり、該混合粉末を使用した燃料極では、アンモニア分解活性に劣るものであり、該燃料極を有する固体酸化物燃料電池の発電特性が低いものであった。また、比較例2では、酸化ニッケル粉末をそのまま使用しているため、燃料極として初期のアンモニア分解活性には優れるものの、燃料極における酸化ニッケルの安定性が悪いために、該燃料極を有する固体酸化物燃料電池の耐久性が悪いものであった。   In Examples 1 and 2 which are solid oxide fuel cells according to the present invention, a nickel oxide-zirconia mixture obtained by pulverizing a mixture of a nickel compound and zirconia powder as a fuel electrode material after calcining at a predetermined temperature By using the powder, it has sufficient ammonia decomposition activity as a fuel electrode, has good power generation performance, and suppresses the aggregation of nickel oxide even when exposed to high temperatures for a long time, and has excellent durability. It was. On the other hand, in Comparative Example 1, since calcining was performed at a temperature higher than a predetermined temperature during the production of the nickel oxide-zirconia mixed powder, the nickel oxide agglomerates, and the fuel electrode using the mixed powder has ammonia decomposition activity. The solid oxide fuel cell having the fuel electrode had poor power generation characteristics. Further, in Comparative Example 2, since the nickel oxide powder is used as it is, the initial ammonia decomposition activity as the fuel electrode is excellent, but the stability of nickel oxide in the fuel electrode is poor, so the solid having the fuel electrode The durability of the oxide fuel cell was poor.

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本発明は、アンモニアを燃料として固体酸化物形燃料電池に用いることができ、更に本電池を用いて発電することができる。   In the present invention, ammonia can be used as a fuel in a solid oxide fuel cell, and further, electric power can be generated using this cell.

Claims (3)

少なくとも燃料極、空気極および固体電解質で構成される固体酸化物形燃料電池であって、該燃料極を形成する燃料極材料がニッケル化合物と第一ジルコニア粉末との混合物を500〜1100℃の範囲内の温度で仮焼後に粉砕して得られる平均粒子径が1〜10μmの範囲内の酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末および平均粒子径が0.1〜1μmの範囲内の第二ジルコニア粉末を含み、該酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末において、酸化ニッケルとジルコニアの割合が酸化ニッケル/ジルコニアの質量比で40/60〜70/30の範囲内であり、該混合粉末中の酸化ニッケルの平均結晶子径が1〜100nmの範囲内であり、該ニッケル化合物が酸化ニッケル、水酸化ニッケル、炭酸ニッケル及び硝酸ニッケルからなる群から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とするアンモニアを燃料とする固体酸化物形燃料電池。 A solid oxide fuel cell comprising at least a fuel electrode, an air electrode and a solid electrolyte, wherein the fuel electrode material is a mixture of a nickel compound and a first zirconia powder in the range of 500 to 1100 ° C. A nickel oxide-zirconia mixed powder having an average particle size in the range of 1 to 10 μm and a second zirconia powder having an average particle size in the range of 0.1 to 1 μm, obtained by pulverizing after calcination at an internal temperature, In the nickel oxide-zirconia mixed powder, the ratio of nickel oxide to zirconia is in the range of 40/60 to 70/30 by mass ratio of nickel oxide / zirconia, and the average crystallite diameter of nickel oxide in the mixed powder is in the range of 1 to 100 nm, selected from the group the nickel compound is nickel oxide, nickel hydroxide, nickel carbonate and nickel nitrate Solid oxide fuel cell using ammonia, characterized in that at least one the fuel. 前記燃料極材料において、酸化ニッケル−ジルコニア混合粉末の割合が70〜95質量%の範囲内、第二ジルコニア粉末の割合が5〜30質量%の範囲内である請求項に記載のアンモニアを燃料とする固体酸化物形燃料電池。 2. The ammonia according to claim 1 , wherein in the fuel electrode material, the ratio of the nickel oxide-zirconia mixed powder is in the range of 70 to 95 mass% and the ratio of the second zirconia powder is in the range of 5 to 30 mass%. Solid oxide fuel cell. 請求項1または2に記載の固体酸化物形燃料電池の燃料極にアンモニアを導入し、かつ、空気極に空気を導入することを特徴とする発電方法。 A power generation method, wherein ammonia is introduced into the fuel electrode of the solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2 , and air is introduced into the air electrode.
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