JP7194936B2 - Solid oxide fuel cell with mixed conductor layers - Google Patents

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Description

本発明は、2種以上の異なるイオン伝導性酸化物を積層した電解質層を有する固体酸化物燃料電池に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell having an electrolyte layer in which two or more different ion-conducting oxides are stacked.

近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池は高効率でクリーンな発電装置として注目されている。そのなかでも、酸化物イオンまたはプロトンを透過可能な固体酸化物を電解質として使用する固体酸化物型燃料電池(SOFC)は、他の燃料電池に比べて構造が簡素であって、電解質の損失や腐食の問題がない等の利点がある(例えば、非特許文献1)。 In recent years, fuel cells, which directly convert chemical energy of fuel into electrical energy, have attracted attention as highly efficient and clean power generation devices. Among them, a solid oxide fuel cell (SOFC), which uses a solid oxide permeable to oxide ions or protons as an electrolyte, has a simpler structure than other fuel cells, and suffers from electrolyte loss and There are advantages such as no corrosion problem (for example, Non-Patent Document 1).

一般に、SOFCは、イオン導電性の固体酸化物から成る固体電解質層を両側から空気極層(カソード)と燃料極層(アノード)で挟み込んだ積層構造を有する。酸化物イオン伝導性の電解質を用いたSOFCでは、空気極で酸素の還元反応によって生成された酸素イオンが電解質を通して燃料極に移動し、燃料極に供給された燃料ガス (H2、CO、CH4等)と反応することで水や二酸化炭素を生成し、この時、燃料極で電子が生成され、空気極で電子が消耗するので、2つの電極を互いに連結して電流を発生させることができる。SOFCにおいて固体電解質のイオン伝導抵抗は、出力特性を低下させる要因であるため、固体電解質の薄膜化による電解質抵抗の低減は高効率化に有効な手法である。また電解質の薄膜化は作動温度の低温化にも有効な手法である。 In general, SOFCs have a laminated structure in which a solid electrolyte layer made of an ionically conductive solid oxide is sandwiched from both sides by an air electrode layer (cathode) and a fuel electrode layer (anode). In an SOFC using an oxide-ion conductive electrolyte, oxygen ions generated by a reduction reaction of oxygen at the air electrode move to the fuel electrode through the electrolyte, and the fuel gas (H 2 , CO, CH 4 , etc.) to generate water and carbon dioxide. At this time, electrons are generated at the fuel electrode and electrons are consumed at the air electrode, so it is possible to generate an electric current by connecting the two electrodes can. In SOFCs, the ionic conduction resistance of the solid electrolyte is a factor that lowers the output characteristics, so reducing the electrolyte resistance by thinning the solid electrolyte is an effective technique for improving efficiency. Thinning the electrolyte is also an effective technique for lowering the operating temperature.

一方、固体電解質内部では可動イオン種のみならず、電子や正孔も移動することが可能であるため、固体電解質における電子や正孔の伝導度が高い場合、アノード、カソードで生成した電子・正孔が電解質を介して対極へ流れる漏れ電流(リーク電流)が生じ、外部へ取り出し可能な電流が小さくなり、その結果、効率が低下する。リーク電流による性能低下は、固体電解質の膜厚の低下に伴って顕著になることから、薄膜化に伴うリーク電流の増大を抑制可能な材料設計やセル設計が求められている。 On the other hand, not only mobile ion species but also electrons and holes can move inside the solid electrolyte. Leakage current (leakage current) occurs in which the pores flow to the counter electrode through the electrolyte, and the current that can be extracted to the outside is reduced, resulting in a decrease in efficiency. Since the deterioration in performance due to leakage current becomes more pronounced as the film thickness of the solid electrolyte decreases, there is a demand for material design and cell design that can suppress the increase in leakage current that accompanies thinning.

Y.Matsuzakiら、Sci.Rep.、5、12640、2015Y. Matsuzaki et al., Sci. Rep. , 5, 12640, 2015

本発明は、固体酸化物燃料電池(SOFC)における電解質の薄膜化によるイオン伝導抵抗を低減しつつ、薄膜化に伴うリーク電流の増大の抑制可能なセル構造を設計・構築することを課題とするものである。 An object of the present invention is to design and construct a cell structure that can suppress an increase in leakage current due to the thinning of the electrolyte while reducing the ionic conduction resistance due to the thinning of the electrolyte in a solid oxide fuel cell (SOFC). It is.

本発明者らは、上記課題を解決するべく鋭意検討を行った結果、電解質層に2種以上の異なるイオン伝導性の固体酸化物を積層した構造を採用することで、薄膜化によるリーク電流の増大を抑制可能なセルを構築できることを見出した。特に、電解質層に用いる固体酸化物としてバンド構造(バンドギャップ幅あるいはフェルミ準位)の異なる複数の材料を用いることで、高いホール伝導性を有する固体酸化物を用いた場合でも高い起電力が得られ、かつリーク電流を抑制できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that by adopting a structure in which two or more different ion-conductive solid oxides are laminated in the electrolyte layer, leakage current can be reduced by thinning. It was found that a cell capable of suppressing growth can be constructed. In particular, by using multiple materials with different band structures (bandgap width or Fermi level) as the solid oxides used in the electrolyte layer, high electromotive force can be obtained even when solid oxides with high hole conductivity are used. The present inventors have found that the leakage current can be suppressed, and have completed the present invention.

すなわち、本発明は、一態様において、
<1>2以上の固体酸化物層が積層してなる電解質層と、カソードと、アノードとを有する固体酸化物燃料電池であって、前記固体酸化物層がそれぞれ互いに異なるバンド構造を有する固体酸化物材料により形成されていることを特徴とする、固体酸化物燃料電池を提供するものである。
That is, in one aspect of the present invention,
<1> A solid oxide fuel cell having an electrolyte layer formed by stacking two or more solid oxide layers, a cathode, and an anode, wherein the solid oxide layers have band structures different from each other. A solid oxide fuel cell characterized in that it is formed of a material.

また、好ましい態様において、本発明は、
<2>前記固体酸化物材料が、それぞれ互いに異なるフェルミ準位を有する、上記<1>に記載の固体酸化物燃料電池;
<3>前記固体酸化物材料が、プロトン伝導性酸化物又は酸化物イオン伝導性酸化物である上記<1>又は<2>に記載の固体酸化物燃料電池;
<4>前記電解質層が、2以上の固体酸化物層がpn接合型、pp接合型、又はnn接合型で積層した構造を有する、上記<1>~<3>のいずれか1に記載の固体酸化物燃料電池;
<5>前記電解質層がpn接合型の積層構造であって、各固体酸化物層を形成する固体酸化物材料のフェルミ準位のエネルギーレベル差がそれぞれ0.3~5.0eVの範囲である、上記<4>に記載の固体酸化物燃料電池;
<6>前記電解質層がpp接合型の積層構造であって、各固体酸化物層を形成する固体酸化物材料の価電子帯のエネルギーレベル差がそれぞれ0.3~5.0eVの範囲である、上記<4>に記載の固体酸化物燃料電池;
<7>前記電解質層がnn接合型の積層構造であって、各固体酸化物層を形成する固体酸化物材料の伝導帯のエネルギーレベル差がそれぞれ0.3~5.0eVの範囲である、上記<4>に記載の固体酸化物燃料電池;及び
<8>前記固体酸化物材料が、希土類元素をドープしたペロブスカイト型酸化物、遷移金属元素をドープしたチタン系ペロブスカイト型酸化物、アルカリ土類金属をドープしたLaYb系酸化物、LaW系酸化物、LaCe系酸化物、YをドープしたZr系酸化物、希土類元素をドープしたCe系酸化物、La系ペロブスカイト型酸化物及びBa系ペロブスカイト型系酸化物よりなる群から選択される、上記<4>~<7>のいずれか1に記載の固体酸化物燃料電池
を提供するものである。
Also, in a preferred embodiment, the present invention provides
<2> The solid oxide fuel cell according to <1> above, wherein the solid oxide materials have Fermi levels different from each other;
<3> The solid oxide fuel cell according to <1> or <2> above, wherein the solid oxide material is a proton-conducting oxide or an oxide ion-conducting oxide;
<4> Any one of <1> to <3> above, wherein the electrolyte layer has a structure in which two or more solid oxide layers are stacked in a pn junction type, a pp junction type, or an nn junction type. solid oxide fuel cells;
<5> The electrolyte layer has a pn junction type laminated structure, and the energy level difference of the Fermi level of the solid oxide material forming each solid oxide layer is in the range of 0.3 to 5.0 eV. , the solid oxide fuel cell according to <4>above;
<6> The electrolyte layer has a pp junction type laminated structure, and the energy level difference of the valence band of the solid oxide material forming each solid oxide layer is in the range of 0.3 to 5.0 eV. , the solid oxide fuel cell according to <4>above;
<7> The electrolyte layer has an nn junction type laminated structure, and the energy level difference of the conduction band of the solid oxide material forming each solid oxide layer is in the range of 0.3 to 5.0 eV. The solid oxide fuel cell according to the above <4>; and <8> the solid oxide material is a rare earth element-doped perovskite oxide, a transition metal element-doped titanium-based perovskite oxide, or an alkaline earth element. Metal-doped LaYb-based oxides, LaW-based oxides, LaCe-based oxides, Y-doped Zr-based oxides, rare earth element-doped Ce-based oxides, La-based perovskite-type oxides, and Ba-based perovskite-type oxides Provided is a solid oxide fuel cell according to any one of <4> to <7> above, which is selected from the group consisting of oxides.

本発明によれば、電解質層に2種以上の異なるイオン伝導性の固体酸化物を積層した構造を採用することで、電解質層における各固体酸化物層の界面において、電子及び正孔の空乏層を掲載させることで、薄膜化によるリーク電流の増大を抑制することができる。また、かかる積層構造の電解質層を用いることにより、高いホール伝導性を有する固体酸化物を用いた場合でも高い起電力が得られるため、従来は単独の材料として電解質層として用いることが難しかった固体酸化物材料であっても、優れた電解質層として活用できるため、固体酸化物燃料電池の実用化に大きく寄与するものである。 According to the present invention, by adopting a structure in which two or more different ion-conducting solid oxides are laminated in the electrolyte layer, a depletion layer of electrons and holes is formed at the interface of each solid oxide layer in the electrolyte layer. can suppress an increase in leakage current due to thinning. In addition, by using an electrolyte layer having such a laminated structure, a high electromotive force can be obtained even when a solid oxide having high hole conductivity is used. Even an oxide material can be used as an excellent electrolyte layer, which greatly contributes to the practical use of solid oxide fuel cells.

図1は、本発明における固体酸化物材料層を接合した場合の電荷空乏層の形成を示すバンド構造の模式図である。図1(a)は、pn接合型の場合のバンド構造であり、図1(b)は、pp接合型の場合のバンド構造である。FIG. 1 is a schematic diagram of a band structure showing the formation of a charge depletion layer when solid oxide material layers are bonded according to the present invention. FIG. 1(a) shows the band structure for the pn junction type, and FIG. 1(b) shows the band structure for the pp junction type. 図2は、実施例で作成した本発明の固体酸化物燃料電池セルの概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram of the solid oxide fuel cell of the present invention produced in Examples. 図3は、本発明の固体酸化物燃料電池セルについての電流-電圧曲線及び電流-出力曲線である。FIG. 3 is current-voltage and current-power curves for a solid oxide fuel cell of the invention. 図4は、XPS測定結果から想定されるLWOとLYOのバンド構造を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing the band structures of LWO and LYO assumed from the XPS measurement results.

以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明の範囲はこれらの説明に拘束されることはなく、以下の例示以外についても、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜変更し実施することができる。 Preferred embodiments of the present invention are described below. The scope of the present invention is not restricted by these descriptions, and other than the following examples can be appropriately changed and implemented without impairing the gist of the present invention.

本発明の固体酸化物燃料電池は、2以上の固体酸化物層が積層してなる電解質層と、カソードと、アノードとを有し、前記固体酸化物層がそれぞれ互いに異なるバンド構造(バンドギャップ幅あるいはフェルミ準位)を有する固体酸化物材料により形成されていることを特徴とするものである。 The solid oxide fuel cell of the present invention has an electrolyte layer formed by stacking two or more solid oxide layers, a cathode, and an anode, and the solid oxide layers have different band structures (bandgap widths). or Fermi level) is formed of a solid oxide material.

本発明の固体酸化物燃料電池は、単セルにおいては、電解質層に、カソード(空気極)とアノード(燃料極)が相互に対向して接合されている。単セルとしては、平板型、円筒型等、種々の形状のものがありうる。また、各形状を有する単セルとして、電解質層 をもって支持体とするものの他、厚く形成した燃料極を支持体とするものがあり得る。 In the solid oxide fuel cell of the present invention, in a single cell, a cathode (air electrode) and an anode (fuel electrode) are bonded to an electrolyte layer so as to face each other. A single cell may have various shapes such as a flat plate type and a cylindrical type. Moreover, as the single cell having each shape, in addition to the one using the electrolyte layer as the support, the one using the thickly formed fuel electrode as the support can be used.

1.電解質層
上述のように、本発明の固体酸化物燃料電池は、電解質層が2種以上の異なるイオン伝導性の固体酸化物を積層した構造を有することを特徴とする。より詳細には、当該電解質層は2以上の固体酸化物層が積層してなる構造を有しており、そして、これら固体酸化物層を形成する固体酸化物材料は、それぞれ互いに異なるバンド構造(バンドギャップ幅あるいはフェルミ準位)を有することを特徴とするものである。
1. Electrolyte Layer As described above, the solid oxide fuel cell of the present invention is characterized in that the electrolyte layer has a structure in which two or more different ion-conducting solid oxides are laminated. More specifically, the electrolyte layer has a structure in which two or more solid oxide layers are laminated, and the solid oxide materials forming these solid oxide layers have different band structures ( It is characterized by having a bandgap width or Fermi level).

本明細書において、固体酸化物材料について「異なるバンド構造」或いは「バンド構造が異なる」とは、各固体酸化物材料が互いに異なるバンドギャップ幅を有すること、又は、互いに異なるフェルミ準位を有することの少なくともいずれか一方の状態であることを意味する。ここで、「異なるバンドギャップ幅が異なる」とは、価電子帯と伝導帯のエネルギー準位の差が異なることを意味する。通常、このように、互いに異なるバンドギャップ幅を有する固体酸化物材料は、互いにフェルミ準位が異なる。ただし、価電子帯と伝導帯のエネルギー準位は等しくても(すなわち、バンドギャップ幅が等しくても)、フェルミ準位が異なる固体酸化物材料もあり得るため、そのような場合も、本発明における「異なるバンド構造」或いは「バンド構造が異なる」場合に含まれるものとする。 In this specification, "different band structures" or "different band structures" for solid oxide materials means that each solid oxide material has a different bandgap width or a different Fermi level. means that it is in at least one of the states of Here, "different bandgap widths are different" means that the energy level difference between the valence band and the conduction band is different. Generally, solid oxide materials having different bandgap widths thus have different Fermi levels. However, even if the energy levels of the valence band and the conduction band are the same (that is, even if the bandgap width is the same), there may be solid oxide materials that have different Fermi levels. It shall be included in the case of "different band structure" or "different band structure" in .

図1は、本発明で用いるバンド構造が異なる固体酸化物材料層を接合した場合の電荷空乏層の形成を示すバンド構造の模式図である。図1に示すように、異なるフェルミ準位を有する材料を接合した界面では、キャリアとなる電子・正孔の授受が生じ、界面近傍にキャリア濃度が著しく減少した電荷空乏層が形成される。そして、空乏層の形成により、キャリア濃度の低さに由来して電子・正孔伝導度が減少し、リーク電流を抑制することができる。なお、図1(a)は、pn接合型の場合のバンド構造であり、図1(b)は、pp接合型の場合のバンド構造である。 FIG. 1 is a schematic diagram of a band structure showing the formation of a charge depletion layer when solid oxide material layers having different band structures used in the present invention are joined. As shown in FIG. 1, at the interface where materials with different Fermi levels are joined, transfer of electrons and holes as carriers occurs, and a charge depletion layer with a significantly reduced carrier concentration is formed near the interface. Then, the formation of the depletion layer reduces the electron/hole conductivity due to the low carrier concentration, thereby suppressing the leakage current. FIG. 1(a) shows the band structure for the pn junction type, and FIG. 1(b) shows the band structure for the pp junction type.

一般に、固体電解質材料は、電子・正孔の伝導型によってp型およびn型に分類されるが、本発明では、2以上の固体酸化物層が、pn接合型(図1(a))、pp接合型(図1(b))、nn接合型のいずれの組み合わせの積層構造においても適用可能である。電解質層の積層構造は2層のみでも、超格子構造のような多層構造としても良い。 In general, solid electrolyte materials are classified into p-type and n-type according to their electron/hole conductivity types. It can be applied to any combination of stacked structures of pp junction type (FIG. 1(b)) and nn junction type. The laminated structure of the electrolyte layer may be a two-layer structure or a multilayer structure such as a superlattice structure.

また、本発明では、互いに異なるバンド構造を有する固体酸化物材料の積層構造とした電解質層とすることで、ホール伝導性あるいは電子伝導性が高く従来は十分な起電力が得られないことが知られた材料を用いた場合であっても、2つ以上の固体酸化物層における最も低いホール伝導性を有する材料に由来する優れた起電力を得られる点も特徴とする。必ずしも理論に拘束されるものではないが、これは、各固体酸化物材料のバンドギャップ幅の差を適切な範囲内とすることで、各材料間の価電子帯や伝導帯が所定のエネルギーレベル差となり、それら材料が接合した界面では、ホール伝導(または電子伝導)のみが抑制されると考えられる。かかる発想は、イオン伝導性は高いがリーク電流も大きい、いわば電子輸送特性の悪い材料(低い起電力)を用いる場合であっても、イオン伝導性は低いが異なるバンド構造を有する材料を組み合わせた層(高い起電力)を積層して用いることで、性能の良い単一の層と同程度の性能に引き上げることができるというものであって、リーク電流を抑制するためのバリア層を設けるために複数の固体酸化物を用いる従来の発想とは根本的に異なるものである。 In addition, in the present invention, it is known that by forming an electrolyte layer having a laminated structure of solid oxide materials having different band structures, the hole conductivity or electron conductivity is high, and conventionally, sufficient electromotive force cannot be obtained. It is also characterized by obtaining superior electromotive force derived from the material with the lowest hole conductivity in the two or more solid oxide layers, even when using the materials with the lowest hole conductivity. Although not necessarily bound by theory, it is believed that by setting the difference in bandgap width of each solid oxide material within an appropriate range, the valence band and conduction band between the materials can be controlled to a predetermined energy level. As a result, it is thought that only hole conduction (or electron conduction) is suppressed at the interfaces where these materials are bonded. This idea is based on combining materials with low ionic conductivity but different band structures, even when using materials with high ionic conductivity but large leakage current, that is, materials with poor electron transport properties (low electromotive force). By stacking layers (high electromotive force), it is possible to raise the performance to the same level as a single layer with good performance. This is fundamentally different from the traditional concept of using multiple solid oxides.

このように、リーク電流を抑制しつつ、かつ高い起電力を得るという観点から、本発明の好ましい態様では、各固体酸化物材料のバンド構造の差を適切な範囲内とすることが好ましい。より具体的には、電解質層がpn接合型の積層構造である場合には、各固体酸化物層を形成する固体酸化物材料のフェルミ準位のエネルギーレベル差がそれぞれ0.3~5.0eVの範囲であることが好ましい。また、電解質層がpp接合型の積層構造である場合には、各固体酸化物層を形成する固体酸化物材料の価電子帯のエネルギーレベル差がそれぞれ0.3~5.0eVの範囲であることが好ましい。さらに、電解質層がnn接合型の積層構造であって、各固体酸化物層を形成する固体酸化物材料の伝導帯のエネルギーレベル差がそれぞれ0.3~5.0eVの範囲であることが好ましい。 From the viewpoint of obtaining a high electromotive force while suppressing the leak current, in a preferred embodiment of the present invention, the difference in the band structure of each solid oxide material is preferably within an appropriate range. More specifically, when the electrolyte layer has a pn junction type laminated structure, the energy level difference of the Fermi level of the solid oxide material forming each solid oxide layer is 0.3 to 5.0 eV. is preferably in the range of Further, when the electrolyte layer has a pp junction type laminated structure, the energy level difference of the valence band of the solid oxide material forming each solid oxide layer is in the range of 0.3 to 5.0 eV. is preferred. Furthermore, it is preferable that the electrolyte layer has an nn junction type laminated structure, and that the energy level difference of the conduction band of the solid oxide material forming each solid oxide layer is in the range of 0.3 to 5.0 eV. .

本発明における電解質層として用いられる固体酸化物材料は、プロトン伝導性酸化物又は酸化物イオン伝導性酸化物であることができる。好ましくは、プロトン伝導性酸化物が用いられる。電解質としてプロトン伝導性酸化物を用いた燃料電池(p-SOFC)は、酸化物イオン伝導性酸化物を用いた燃料電池よりも、高い発電効率と動作温度の低温化が得られる。 The solid oxide material used as the electrolyte layer in the present invention can be a proton-conducting oxide or an oxide ion-conducting oxide. Preferably, proton-conducting oxides are used. A fuel cell using a proton-conducting oxide as an electrolyte (p-SOFC) provides higher power generation efficiency and a lower operating temperature than a fuel cell using an oxide ion-conducting oxide.

本発明における電解質層として用いられる固体酸化物材料は、上述のように互いに異なるバンド構造を有するものであれば、その組み合わせは特に限定されないが、典型的には、希土類元素をドープしたペロブスカイト型酸化物、遷移金属元素をドープしたチタン系ペロブスカイト型酸化物、アルカリ土類金属をドープしたLaYb系酸化物、LaW系酸化物、LaCe系酸化物、YをドープしたZr系酸化物、希土類元素をドープしたCe系酸化物、La系ペロブスカイト型酸化物及びBa系ペロブスカイト型系酸化物よりなる群から選択される材料を用いることができる。したがって、各固体酸化物層はこれらの材料の組み合わせであることができる。また、場合によっては、これら固体酸化物材料の固溶体を用いることもできる。 The combination of the solid oxide materials used as the electrolyte layer in the present invention is not particularly limited as long as they have band structures different from each other as described above. transition metal element-doped titanium-based perovskite-type oxides, alkaline-earth metal-doped LaYb-based oxides, LaW-based oxides, LaCe-based oxides, Y-doped Zr-based oxides, rare-earth element-doped A material selected from the group consisting of Ce-based oxides, La-based perovskite-type oxides, and Ba-based perovskite-type oxides can be used. Each solid oxide layer can therefore be a combination of these materials. In some cases, solid solutions of these solid oxide materials can also be used.

p型及びn型のプロトン伝導性酸化物としては、以下の表に示す材料を具体例として挙げることができる。表中、xは、0≦x≦1であり、好ましくは、0.05≦x≦0.5である。yは、0≦y≦1であり、好ましくは、0.1≦y≦0.8である。また、
δは、酸素欠損量であり、典型的には、0.025≦δ≦0.5である。

Figure 0007194936000001
Specific examples of the p-type and n-type proton-conducting oxides include the materials shown in the table below. In the table, x is 0≤x≤1, preferably 0.05≤x≤0.5. y is 0≤y≤1, preferably 0.1≤y≤0.8. also,
δ is the amount of oxygen deficiency, typically 0.025≦δ≦0.5.
Figure 0007194936000001

また、p型及びn型の酸化物イオン伝導性酸化物としては、以下の表に示す材料を具体例として挙げることができる。表中、xは、0≦x≦1であり、好ましくは、0.05≦x≦0.5である。yは、0≦y≦1であり、好ましくは、0.1≦y≦0.8である。また、δは、酸素欠損量であり、典型的には、0.025≦δ≦0.5である。

Figure 0007194936000002
Specific examples of the p-type and n-type oxide ion-conducting oxides include the materials shown in the following table. In the table, x is 0≤x≤1, preferably 0.05≤x≤0.5. y is 0≤y≤1, preferably 0.1≤y≤0.8. δ is the amount of oxygen deficiency, typically 0.025≦δ≦0.5.
Figure 0007194936000002

電解質層がpn接合型の積層構造である場合、固体酸化物材料の好ましい組み合わせとしては、[La28-xW4+xO54+3x/2v2-3x/2とBaCe1-xNdxO3-δ]、[La28-xW4+xO54+3x/2v2-3x/2とLaYb1-xTixO3-δ]、[SrZr1-xYxO3-δとSrCe1-xYbxO3-δ]、[BaTi1-xYxO3-δとSrTi1O3-δ]などを挙げることができる。 When the electrolyte layer has a pn junction type laminated structure, a preferred combination of solid oxide materials is [La28 - xW4 + xO54 +3x/ 2v2-3x /2 and BaCe1 - xNd xO3 - δ], [La28 - xW4 + xO54 +3x/ 2v2-3x /2 and LaYb1 - xTixO3 ], [ SrZr1 - xYxO3 -[ delta ] and SrCe1 - xYbxO3- [ delta ]], [ BaTi1 - xYxO3- [delta] and SrTi1O3-[ delta ]].

電解質層がpp接合型の積層構造である場合、固体酸化物材料の好ましい組み合わせとしては、[La28-xW4+xO54+3x/2v2-3x/2とLaYbO3]、[La28-xW4+xO54+3x/2v2-3x/2とLa2+xCe2-xO7-δ]、[BaZr1-xYxO3-δとSrZr1-xYxO3-δ]、[BaZr1-xYxO3-δとLaYbO3]、[BaZr1-xYbxO3-δとLaYbO3]などを挙げることができる。 When the electrolyte layer has a pp junction type laminated structure, preferred combinations of solid oxide materials include [La28 - xW4 + xO54 +3x/ 2v2-3x /2 and LaYbO3 ], [ La28 -xW4 + xO54 +3x/ 2v2-3x/2 and La2 + xCe2 - xO7 ], [BaZr1 - xYxO3 and SrZr1- x Y x O 3-δ ], [BaZr 1-x Y x O 3-δ and LaYbO 3 ], and [BaZr 1-x Yb x O 3-δ and LaYbO 3 ].

電解質層がnn接合型の積層構造である場合、固体酸化物材料の好ましい組み合わせとしては、[La1-xSrxTiO3とSrTi1-xNbxO3-δ]、[Zr1-x-yYxNbyO2-δとSrTiO3]などを挙げることができる。 When the electrolyte layer has an nn junction type laminated structure, preferred combinations of solid oxide materials include [La 1-x Sr x TiO 3 and SrTi 1-x Nb x O 3-δ ], [Zr 1-xy Y x NbyO 2-δ and SrTiO 3 ].

本発明の固体酸化物燃料電池における電解質層の全体厚さは、一般的な固体酸化物燃料電池におけるものと同様であることができ、例えば、3~30μmであることができる。電解質層を構成する各固体酸化物層の個々の厚さは、典型的には、1~10μmの範囲であることができる。 The total thickness of the electrolyte layer in the solid oxide fuel cell of the present invention can be similar to that in typical solid oxide fuel cells, and can be, for example, 3-30 μm. The individual thickness of each solid oxide layer making up the electrolyte layer can typically range from 1 to 10 μm.

2.カソード及びアノード
本発明の固体酸化物燃料電池におけるカソード(空気極)として、当該技術分野において公知の電極材料を用いることができるが、典型的には、金属酸化物を含むことができる。具体的には、カソードは、ペロブスカイト(perovskite)型の結晶構造を有する金属酸化物粒子が用いられ、(Sm,Sr)CoO3、(La,Sr)MnO3、(La,Sr)CoO3、(La,Sr)(Fe,Co)O3、(La,Sr)(Fe,Co,Ni)O3、(Ba,Sr)(Fe,Co)O3などの金属酸化物粒子が挙げられ、前記金属酸化物は、単独または2種以上を混合して用いてもよい。また、カソードを形成する材料として、白金、ルテニウム、パラジウムなどの貴金属を含むことができる。さらに、カソードを形成する材料として、ストロンチウム、コバルト、鉄などがドープされたランタンマンガナイトが用いられる。例えば、カソードは、SrFe0.95Nb0.053-δ (SFN)、La0.8Sr0.2MnO3(LSM)、La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.23(LSCF)などが挙げられる。
2. Cathode and Anode As the cathode (air electrode) in the solid oxide fuel cell of the present invention, electrode materials known in the art can be used, but typically include metal oxides. Specifically, the cathode uses metal oxide particles having a perovskite crystal structure, such as (Sm,Sr)CoO 3 , (La,Sr)MnO 3 , (La,Sr)CoO 3 , (La, Sr) (Fe, Co) O 3 , (La, Sr) (Fe, Co, Ni) O 3 , (Ba, Sr) (Fe, Co) O 3 and other metal oxide particles, You may use the said metal oxide individually or in mixture of 2 or more types. Materials forming the cathode may also include noble metals such as platinum, ruthenium, and palladium. Furthermore, lanthanum manganite doped with strontium, cobalt, iron, or the like is used as a material for forming the cathode. For example, the cathode includes SrFe 0.95 Nb 0.05 O 3-δ (SFN), La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 (LSM), La 0.6 Sr 0.4 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 (LSCF), and the like.

本発明の固体酸化物燃料電池におけるアノード(燃料極)として、当該技術分野において公知の電極材料を用いることができるが、典型的には、金属触媒、またはそれら金属触媒と固体電解質とから形成される混合物を例示することができる。金属触媒としては、具体的には、Ni,Ni合金,Co,Ru,Pt,Pd,Nb合金,V合金などを例示することができる。これらは2種以上混合されていてもよい。一方、混合物を構成する固体電解質としては、安定化ジルコニア、セリア系固溶体等を採用することができる。混合物における金属触媒と固体電解質との比率(質量比)は、好ましくは、触媒:固体電解質=30:70~70:30の範囲内にあることができる。 As the anode (fuel electrode) in the solid oxide fuel cell of the present invention, electrode materials known in the art can be used, but typically metal catalysts, or those formed from metal catalysts and solid electrolytes. can be exemplified. Specific examples of metal catalysts include Ni, Ni alloys, Co, Ru, Pt, Pd, Nb alloys, and V alloys. Two or more of these may be mixed. On the other hand, a stabilized zirconia, a ceria-based solid solution, or the like can be used as the solid electrolyte constituting the mixture. The ratio (mass ratio) between the metal catalyst and the solid electrolyte in the mixture is preferably within the range of catalyst:solid electrolyte=30:70 to 70:30.

3.固体酸化物燃料電池の製造方法等
本発明の固体酸化物燃料電池の単セルは、例えば、以下のように製造することができる。プレス成形法やテープ成形法などによって、固体酸化物材料を平板状等、所望の形状に成形し、その組成に応じて最適な温度で焼結し、電解質層を形成する。次いで、この電解質層の一方の面に、アノード材料を含むスラリーを、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、ハケ塗り法、スプレー法、ディッピング法などにより塗布し、その組成に応じて最適な温度で焼結し、燃料極とする。同様にして、電解質層の他方の面に、上記カソード材料を含むスラリーを塗布して焼結し、空気極とする。
3. Method for Producing Solid Oxide Fuel Cell, etc. A single cell of the solid oxide fuel cell of the present invention can be produced, for example, as follows. The solid oxide material is molded into a desired shape such as a flat plate by a press molding method, a tape molding method, or the like, and sintered at an optimum temperature depending on the composition to form an electrolyte layer. Next, a slurry containing an anode material is applied to one surface of the electrolyte layer by a screen printing method, a doctor blade method, a brush coating method, a spray method, a dipping method, or the like, and baked at an optimum temperature according to its composition. to form a fuel electrode. Similarly, the slurry containing the cathode material is applied to the other surface of the electrolyte layer and sintered to form an air electrode.

単セルは、セパレータ(インターコネクタ)を介して複数を電気的に直列に接続して使用することができる。セパレータは、ガス流路が形成された導電性材料よりなる。セパレータを構成する材料としては、Cr鋼に代表されるステンレス鋼、あるいはCr系合金、Ni系合金等の耐熱金属材料を例示することができる。これらよりなる板状の材料に、プレス加工、エッチング加工等によってガス流路を形成し、セパレータとすることができる。単セルとセパレータを、適宜集電材を介在させながら、交互に積層することで、セルスタックを構築することができる。 A plurality of single cells can be used by electrically connecting them in series via separators (interconnectors). The separator is made of a conductive material in which gas channels are formed. Examples of the material constituting the separator include stainless steel such as Cr steel, and heat-resistant metal materials such as Cr-based alloys and Ni-based alloys. A plate-like material made of these materials can be used as a separator by forming gas flow paths by pressing, etching, or the like. A cell stack can be constructed by alternately stacking unit cells and separators with appropriate current collectors interposed therebetween.

本発明の固体酸化物燃料電池は、600~1000℃の温度で運転することができる。運転温度にまで昇温した状態で、セパレータのガス流路を介して、燃料極に燃料ガスを供給し、空気極に空気を供給する。燃料ガスとしては、水素、メタン、あるいはこれらを窒素等の不活性ガスで希釈したもの、都市ガス等を挙げることができる。 The solid oxide fuel cell of the present invention can operate at temperatures between 600 and 1000°C. After the temperature is raised to the operating temperature, fuel gas is supplied to the fuel electrode and air is supplied to the air electrode through the gas flow path of the separator. Examples of the fuel gas include hydrogen, methane, or those diluted with an inert gas such as nitrogen, or town gas.

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明の範囲は下記の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to examples below, but the scope of the present invention is not limited to the following examples.

1.使用した材料
アノード:NiO+Gd 10% doped CeO2 (1:1 wt.%, NiO+GDC10)
カソード:SrFe0.95Nb0.05O3-δ (SFN)
電解質:La28-xW4+xO54+3x/2v2-3x/2 (La/W=6.7、LWO67)、LaYbO3 (LYO)。
1. Materials Used Anode: NiO + Gd 10% doped CeO2 (1: 1 wt.%, NiO + GDC10)
Cathode: SrFe 0.95 Nb 0.05 O 3-δ (SFN)
Electrolyte: La28 - xW4 + xO54 +3x/ 2v2-3x /2 (La/W=6.7, LWO67), LaYbO3 (LYO).

2.セル作製方法
<基板(アノード支持体)の作製>
NiOとGd10%ドープCeO2(第一稀元素化学工業製)を重量比1:1で混合し、ZrO2ボールミルでエタノールとともに2時間混合した。混合後、エタノールを蒸発させた後にメッシュ径35 μmのふるいで分級した。分級後の粉末を錠剤成型機を用いて10mmΦのペレットに成型し、その後1200℃で1時間焼成した後にアノード支持体を得た。
焼成後のアノード支持体を鏡面研磨し(#2000)、超音波洗浄により表面の洗浄を行った。溶媒にはアセトンとエタノールを用い、交互に5分×2回ずつ行った。洗浄後の表面を、アセトンを染み込ませた綿棒で擦り洗浄した。
2. Cell production method <Production of substrate (anode support)>
NiO and Gd 10% doped CeO 2 (manufactured by Daiichi Kigenso Kagaku Kogyo Co., Ltd.) were mixed at a weight ratio of 1:1 and mixed with ethanol in a ZrO 2 ball mill for 2 hours. After mixing, ethanol was evaporated and the mixture was classified with a sieve having a mesh size of 35 μm. The classified powder was molded into pellets of 10 mmΦ using a tablet molding machine, and then fired at 1200°C for 1 hour to obtain an anode support.
The fired anode support was mirror-polished (#2000), and the surface was cleaned by ultrasonic cleaning. Acetone and ethanol were used as solvents, and the tests were performed alternately twice for 5 minutes each. The cleaned surface was scrubbed with a cotton swab impregnated with acetone.

<ターゲット(電解質ターゲット)の作製>
電解質粉末を錠剤成型機を用いて20mmΦのペレット状に成型し、試料に応じた温度で焼成することで電解質ターゲットを得た。ターゲットは表面を耐水研磨紙(#1200)で研磨した。
<Preparation of target (electrolyte target)>
Electrolyte targets were obtained by molding the electrolyte powder into pellets of 20 mmφ using a tablet molding machine and firing them at a temperature appropriate to the sample. The surface of the target was polished with waterproof abrasive paper (#1200).

<電解質膜の成膜>
電解質膜はPulsed Laser Deposition (PLD)法を用いて成膜した。成膜装置はパスカル社製のPLD装置を用いた。成膜条件は温度600℃、雰囲気は酸素(酸素分圧:1 Pa)とした。
<Formation of electrolyte membrane>
The electrolyte membrane was deposited using the Pulsed Laser Deposition (PLD) method. A PLD apparatus manufactured by Pascal was used as a film forming apparatus. The film formation conditions were a temperature of 600° C. and an atmosphere of oxygen (oxygen partial pressure: 1 Pa).

3.実験結果
図2に作製したセルの概念図を示す。アノード側にLYO、カソード側にLWOを積層させ、LWOとカソードの間に反応抑制層としてLYOを積層させた。
3. Experimental Results FIG. 2 shows a conceptual diagram of the fabricated cell. LYO was laminated on the anode side and LWO was laminated on the cathode side, and LYO was laminated as a reaction suppressing layer between the LWO and the cathode.

表1にLWOとLYOの輸送特性を示す(G. Kojo et al., Solid State Ionics, 306 (2017) 89-96)。尚、LYOの輸送特性は、類似の組成であるLa0.9Ca0.1YbO3-δの輸送特性に関する文献から導出した。プロトン伝導度はほぼ同程度の値だが、ホール伝導度についてはLWOの方が低い値を示す。

Figure 0007194936000003
Table 1 shows the transport properties of LWO and LYO (G. Kojo et al., Solid State Ionics, 306 (2017) 89-96). The transport properties of LYO were derived from the literature on the transport properties of La 0.9 Ca 0.1 YbO 3-δ of similar composition. The proton conductivity is almost the same value, but the hole conductivity of LWO is lower.
Figure 0007194936000003

上記作成したセルについて測定した結果得られた電流-電圧曲線及び電流-出力曲線を図3示す。測定はアノード側に3%加湿20%H2+Arガス、カソード側に3%加湿20%O2+Arガスを流して行った。800℃と600℃における起電力はそれぞれ0.82 Vと0.95 Vであった(表2)。電解質をLWO1層にした際の起電力は800℃と600℃でそれぞれ0.88 Vと0.94 Vであり、概ね一致する値を得た。

Figure 0007194936000004
FIG. 3 shows a current-voltage curve and a current-output curve obtained as a result of measuring the cell prepared above. The measurement was performed by flowing a 3% humidified 20% H 2 +Ar gas to the anode side and a 3% humidified 20% O 2 +Ar gas to the cathode side. The electromotive forces at 800°C and 600°C were 0.82 V and 0.95 V, respectively (Table 2). The electromotive forces when the LWO layer was used as the electrolyte were 0.88 V and 0.94 V at 800°C and 600°C, respectively, and the values were almost the same.
Figure 0007194936000004

上記セルにおいて電解質として使用したLWOとLYOの輸送特性(表1)を考慮すると、LWOの方がより低いホール伝導性を有するため、本来はLWOのみで作製したセルでより高い起電力を観測すると考えられる。しかし、得られた実験結果では、いわば性能が良い層(LWO)と悪い層(LYO)を組み合わせたセルが、性能が良い層のみのセルと同程度の起電力を示したことになる。これは、LWOとLYOの界面で新たな輸送特性制御機構が機能したものと考えられる。 Considering the transport properties of LWO and LYO used as electrolytes in the above cells (Table 1), we originally observed a higher electromotive force in cells made only with LWO because LWO has a lower hole conductivity. Conceivable. However, according to the experimental results obtained, the cell with the combination of the good layer (LWO) and the bad layer (LYO), so to speak, showed the same electromotive force as the cell with only the good layer. This is thought to be due to the functioning of a new transport property control mechanism at the interface between LWO and LYO.

図4に、XPS測定結果から想定されるLWOとLYOのバンド構造の関係を示す。LWOとLYOでは異なるバンド構造を持つ。そのため、両材料間の価電子帯が異なり、その二つの材料を接合させた界面ではいわゆるp-pジャンクションが形成され、ホールの伝導のみが抑制されると考えられる。 FIG. 4 shows the relationship between the LWO and LYO band structures assumed from the XPS measurement results. LWO and LYO have different band structures. Therefore, the valence bands between the two materials are different, and a so-called p-p junction is formed at the interface where the two materials are joined, and it is thought that only the conduction of holes is suppressed.

Claims (7)

2以上の固体酸化物層が積層してなる電解質層と、カソードと、アノードとを有する固体酸化物燃料電池であって、
前記固体酸化物層がそれぞれ互いに異なるフェルミ準位を有する固体酸化物材料により形成されており、
前記固体酸化物材料が、イオン伝導性及び電子伝導性を有するものであること
を特徴とする、固体酸化物燃料電池。
A solid oxide fuel cell having an electrolyte layer formed by stacking two or more solid oxide layers, a cathode, and an anode,
The solid oxide layers are formed of solid oxide materials having Fermi levels different from each other ,
A solid oxide fuel cell, wherein the solid oxide material has ionic conductivity and electronic conductivity .
前記固体酸化物材料が、プロトン伝導性酸化物又は酸化物イオン伝導性酸化物である、請求項1記載の固体酸化物燃料電池。 2. The solid oxide fuel cell of claim 1 , wherein said solid oxide material is a proton-conducting oxide or an oxide ion-conducting oxide. 前記電解質層が、2以上の固体酸化物層がpn接合型、pp接合型、又はnn接合型で積層した構造を有する、請求項1又は2に記載の固体酸化物燃料電池。 3. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein said electrolyte layer has a structure in which two or more solid oxide layers are stacked in a pn junction type, pp junction type, or nn junction type. 前記電解質層がpn接合型の積層構造であって、各固体酸化物層を形成する固体酸化物材料のフェルミ準位のエネルギーレベル差がそれぞれ0.3~5.0eVの範囲である、請求項3に記載の固体酸化物燃料電池。 The electrolyte layer has a pn junction type laminated structure, and the energy level difference of the Fermi level of the solid oxide material forming each solid oxide layer is in the range of 0.3 to 5.0 eV. 4. The solid oxide fuel cell according to 3 . 前記電解質層がpp接合型の積層構造であって、各固体酸化物層を形成する固体酸化物材料の価電子帯のエネルギーレベル差がそれぞれ0.3~5.0eVの範囲である、請求項3に記載の固体酸化物燃料電池。 3. The electrolyte layer has a pp junction type laminated structure, and the energy level difference of the valence band of the solid oxide material forming each solid oxide layer is in the range of 0.3 to 5.0 eV. 4. The solid oxide fuel cell according to 3 . 前記電解質層がnn接合型の積層構造であって、各固体酸化物層を形成する固体酸化物材料の伝導帯のエネルギーレベル差がそれぞれ0.3~5.0eVの範囲である、請求項3に記載の固体酸化物燃料電池。 4. The electrolyte layer has an nn junction type laminated structure, and the energy level difference of the conduction band of the solid oxide material forming each solid oxide layer is in the range of 0.3 to 5.0 eV. The solid oxide fuel cell according to . 前記固体酸化物材料が、希土類元素をドープしたペロブスカイト型酸化物、遷移金属元素をドープしたチタン系ペロブスカイト型酸化物、アルカリ土類金属をドープしたLaYb系酸化物、LaW系酸化物、LaCe系酸化物、YをドープしたZr系酸化物、希土類元素をドープしたCe系酸化物、La系ペロブスカイト型酸化物、及びBa系ペロブスカイト型系酸化物よりからなる群から選択される、請求項1~のいずれか1に記載の固体酸化物燃料電池。 The solid oxide material is a perovskite-type oxide doped with a rare earth element, a titanium-based perovskite-type oxide doped with a transition metal element, a LaYb-based oxide doped with an alkaline-earth metal, a LaW-based oxide, or a LaCe-based oxide. Zr-based oxide doped with Y, Ce-based oxide doped with a rare earth element, La-based perovskite oxide, and Ba - based perovskite oxide. The solid oxide fuel cell according to any one of 1.
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