JPH1021935A - Solid electrolyte fuel cell - Google Patents

Solid electrolyte fuel cell

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Publication number
JPH1021935A
JPH1021935A JP8194125A JP19412596A JPH1021935A JP H1021935 A JPH1021935 A JP H1021935A JP 8194125 A JP8194125 A JP 8194125A JP 19412596 A JP19412596 A JP 19412596A JP H1021935 A JPH1021935 A JP H1021935A
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JP
Japan
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air electrode
mixed layer
fuel cell
solid electrolyte
conductivity
Prior art date
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Application number
JP8194125A
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Japanese (ja)
Inventor
Akira Ueno
晃 上野
Masanobu Aizawa
正信 相沢
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Toto Ltd
Original Assignee
Toto Ltd
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Filing date
Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid electrolyte fuel cell where the structure of an air electrode and a solid electrolytic film is improved and the cell output density and the yield at manufacture are improved. SOLUTION: In a solid electrolyte fuel cell, an air electrode, mixed layer, and solid electrolytic film are laminated in this order as follows. The air electrode is 28-40% in porosity, and 5-11μm in cavity diameter, and 70S/cm or over in conductivity, and 1.0-12.0m<2> /hr.atm in gas generation coefficient, and 2.5kgf/mm<2> or over in strength, and the mixed layer is 5-20% in porosity, and 0.5-3.0μm in gas cavity diameter, and 10S/cm<2> or over in surface conductivity, and the total thickness of the air electrode and the mixed layer is 1.0-3.0mm, and the thickness of the mixed layer is 0.5-5.0% of that total thickness.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、空気極と固体電解
質膜の構造に特徴を有する固体電解質型燃料電池に関す
る。特に、自己支持型(空気極が支持体を兼ねる)とし
て適当な空気極を有し、高い発電性能を有する固体電解
質型燃料電池に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid oxide fuel cell characterized by the structure of an air electrode and a solid electrolyte membrane. In particular, the present invention relates to a solid oxide fuel cell having a suitable air electrode as a self-supporting type (the air electrode also serves as a support) and having high power generation performance.

【0002】[0002]

【従来の技術】円筒型セルタイプの固体電解質型燃料電
池(以下T−SOFCとも言う)の空気極を例にとって
従来技術を説明する。T−SOFCは、特公平1−59
705等に開示されている固体電解質型燃料電池(以下
SOFCとも言う)の一タイプである。T−SOFC
は、多孔質支持管−空気極−固体電解質−燃料電極−イ
ンターコネクターで構成される円筒型セルを有する。空
気極側に酸素(空気)を流し、燃料電極側にガス燃料
(H2 、CO等)を流してやると、このセル内でO2-
オンが移動して化学的燃焼が起り、空気極と燃料電極の
間に電位が生じ発電が行われる。なお、空気極が支持管
を兼用する形式のものもある。T−SOFCの実証試験
は、1993年段階で25kw級のもの(セル有効長50
cm、セル数1152本) までが進行中である。
2. Description of the Related Art The prior art will be described by taking an air electrode of a cylindrical cell type solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as T-SOFC) as an example. T-SOFC is 1-59
705 is a type of solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as SOFC). T-SOFC
Has a cylindrical cell composed of a porous support tube, an air electrode, a solid electrolyte, a fuel electrode, and an interconnector. When oxygen (air) is flown to the air electrode side and gaseous fuel (H 2 , CO, etc.) is flown to the fuel electrode side, O 2− ions move in this cell, causing chemical combustion, and An electric potential is generated between the fuel electrodes to generate power. There is also a type in which the air electrode also serves as the support tube. The demonstration test of the T-SOFC was a 25 kw class (effective cell length 50
cm, 1152 cells).

【0003】現状の代表的なT−SOFCの構成材料、
厚さ及び製造方法は以下のとおりである(Proc. of the
3rd Int. Symp. on SOFC, 1993 )。 支持管:ZrO2 (CaO)、厚さ1.2mm、押し出し 空気極:La(Sr)MnO3 、厚さ1.4mm、スラリ
ーコート 固体電解質:ZrO2 (Y23 )、厚さ40μm 、E
VD インターコネクター:LaCr(Mg)O3 、厚さ40
μm 、EVD 燃料電極:Ni−ZrO2 (Y23 )、厚さ100μ
m 、スラリーコート−EVD
[0003] At present, typical constituent materials of T-SOFC,
The thickness and manufacturing method are as follows (Proc. Of the
3rd Int. Symp. On SOFC, 1993). Support tube: ZrO 2 (CaO), thickness 1.2 mm, extrusion Air electrode: La (Sr) MnO 3 , thickness 1.4 mm, slurry coat Solid electrolyte: ZrO 2 (Y 2 O 3 ), thickness 40 μm E
VD interconnector: LaCr (Mg) O 3 , thickness 40
μm, EVD fuel electrode: Ni—ZrO 2 (Y 2 O 3 ), thickness 100 μm
m, slurry coat-EVD

【0004】T−SOFCの空気極(自己支持型)用材
料に必要とされる特性は以下の諸特性である。 1000℃(SOFC作動温度)、酸化性雰囲気下
で化学的に安定であること。 通気性があること。 導電性(電子導電性)があること。 イオン解離触媒作用が高いこと。 固体電解質の本命材料と見られているZrO2 との
相性が良いこと(熱膨張率が似てる、反応性が無い)。 薄い(例えば0.3〜3.0mm)パイプに成形しう
ること。 ある程度強度が高いこと。 経済的である。
[0004] The characteristics required for the material for the air electrode (self-supporting type) of the T-SOFC are as follows. 1000 ° C (SOFC operating temperature), must be chemically stable in an oxidizing atmosphere. Be breathable. Conductivity (electronic conductivity). High ion dissociation catalytic action. Good compatibility with ZrO 2 , which is considered to be the preferred material for solid electrolytes (similar thermal expansion coefficient, no reactivity). It can be formed into a thin (for example, 0.3 to 3.0 mm) pipe. High strength to some extent. It is economical.

【0005】このような特性をできるだけ満足するもの
として、特公平7−48378には、“SOFC空気極
として、第一層と第二層とからなり、第一層の気孔率が
25〜57%、気孔径が2.5〜12μm 、比抵抗が
0.22Ω・cm以下であり、第二層の気孔率が8〜24
%、気孔径が0.2〜3μm 、空気極の厚さに対する第
二層の空気極の厚さの比が2〜28%であり、空気極の
厚さが0.7〜3.0mmであり、空気極の材質がマンガ
ン酸ランタン、マンガン酸カルシウム、ニッケル酸ラン
タン、コバルト酸ランタン、クロム酸ランタンからなる
群より選ばれたペロブスカイト構造体を採用すること”
を提案している。
To satisfy such characteristics as much as possible, Japanese Patent Publication No. 7-48378 discloses a "SOFC air electrode comprising a first layer and a second layer having a porosity of 25 to 57%. The pore size is 2.5 to 12 μm, the specific resistance is 0.22 Ω · cm or less, and the porosity of the second layer is 8 to 24.
%, The pore diameter is 0.2 to 3 μm, the ratio of the thickness of the air electrode of the second layer to the thickness of the air electrode is 2 to 28%, and the thickness of the air electrode is 0.7 to 3.0 mm. There should be a perovskite structure in which the cathode material is selected from the group consisting of lanthanum manganate, calcium manganate, lanthanum nickelate, lanthanum cobaltate, and lanthanum chromate. "
Has been proposed.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記特性値範
囲のうち、気孔率を40%以上にすると強度が著しく低
下しセルの信頼性が低減し、気孔率を28%以下、気孔
径を5.0μm 以下にするとガス透過性が著しく低下し
セル性能が低下することが、本発明者らの検討により明
らかになった。
However, when the porosity is set to 40% or more in the above characteristic value range, the strength is remarkably reduced, the reliability of the cell is reduced, the porosity is 28% or less, and the pore diameter is 5% or less. The present inventors have found that a gas permeability of not more than 0.0 μm significantly lowers the cell performance.

【0007】本発明は、空気極と固体電解質膜の構造が
改良された、セル出力密度及び製造時の歩留りの向上し
た固体電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell having an improved structure of an air electrode and a solid electrolyte membrane, improved cell output density and improved production yield.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明では以下の着眼点
から課題の解決を図った。 空気極(セル支持構造を兼ねうる)の気孔率、気孔
径、強度及びガス透過係数について、通気性と強度のバ
ランスを取るために、それぞれ最適な範囲を究明した。 空気極と固体電解質膜間の境界層である混合層につ
いては、その要求される電気抵抗特性を、導電率ではな
く、界面導電率で規定した。また、空気極、固体電解質
及び空気(酸化剤)の三相界面の存在密度を確保しつ
つ、かつ空気の流動抵抗を少なくする観点から、その気
孔径と通気性との関係を究明した。
SUMMARY OF THE INVENTION In the present invention, the problems have been solved from the following viewpoints. For the porosity, pore diameter, strength, and gas permeability coefficient of the air electrode (which can also serve as a cell support structure), optimal ranges were determined in order to balance air permeability and strength. Regarding the mixed layer, which is a boundary layer between the air electrode and the solid electrolyte membrane, the required electric resistance characteristics are defined not by the conductivity but by the interface conductivity. In addition, the relationship between the pore diameter and the air permeability was investigated from the viewpoint of ensuring the existing density of the three-phase interface between the air electrode, the solid electrolyte, and the air (oxidizing agent) and reducing the flow resistance of the air.

【0009】すなわち、本発明の固体電解質型燃料電池
は、空気極、空気極材料と固体電解質の混合物からなる
混合層、並びに、固体電解質膜がこの順に積層させてい
る層構造を有する固体電解質型燃料電池であって: 上
記空気極の導電率が70S/cm以上であることを特徴とす
る。空気極の導電率が70S/cm以上とされるのは、セル
の最大出力密度0.1W/cm2 以上を確保するためであ
る。
That is, the solid electrolyte fuel cell of the present invention comprises a solid electrolyte fuel cell having a layer structure in which an air electrode, a mixture layer of an air electrode material and a solid electrolyte, and a solid electrolyte membrane are laminated in this order. A fuel cell, wherein the air electrode has a conductivity of 70 S / cm or more. The reason why the conductivity of the air electrode is set to 70 S / cm or more is to secure the maximum output density of the cell of 0.1 W / cm 2 or more.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】本発明の固体電解質型燃料電池に
おいては、セル出力密度確保のために、上記混合層の界
面導電率が10S/cm2 以上であることが好ましい。ま
た、セル出力密度確保のために、空気極のガス透過係数
が1.0〜12.0m2/hr・atm であることが好ましい。
また、空気極の強度が2.5kgf/mm2 以上であることが
好ましい。自己支持体としての強度を確保するためであ
る。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In the solid oxide fuel cell of the present invention, the interface conductivity of the mixed layer is preferably 10 S / cm 2 or more in order to secure the cell output density. Further, in order to secure the cell output density, the gas permeability coefficient of the air electrode is preferably 1.0 to 12.0 m 2 / hr · atm.
The strength of the air electrode is preferably 2.5 kgf / mm 2 or more. This is for securing the strength as a self-supporting body.

【0011】本発明の固体電解質型燃料電池において
は、空気極の気孔率が28〜40%であることが好まし
い。気孔率が28%未満では、ガス透過係数が低下する
ため、一定のセル性能(0.1W/cm2 以上)が確保しに
くくなるからであり、気孔率が40%越えでは導電率が
低下して同じくセル性能が確保しにくくなるからであ
る。
In the solid oxide fuel cell of the present invention, the porosity of the air electrode is preferably 28 to 40%. If the porosity is less than 28%, the gas permeability coefficient decreases, and it is difficult to secure a certain cell performance (0.1 W / cm 2 or more). If the porosity exceeds 40%, the conductivity decreases. This also makes it difficult to secure cell performance.

【0012】本発明の固体電解質型燃料電池において
は、空気極の気孔径が5〜11μm であることが好まし
い。気孔径が5μm 未満では、ガス透過係数が低下する
ため、一定のセル性能(0.1W/cm2 以上)が確保しに
くくなるからであり、気孔径が11μm 越えでは、強度
が2.5kgf/mm2 未満となり、自己支持体(空気極自体
がセルの強度部材の役割を果たす)としては不適となる
(例えば、セル製作工程中の破損確率が高くなる)から
である。
In the solid oxide fuel cell according to the present invention, the pore diameter of the air electrode is preferably 5 to 11 μm. If the pore diameter is less than 5 μm, the gas permeability coefficient decreases, and it is difficult to secure a constant cell performance (0.1 W / cm 2 or more). If the pore diameter exceeds 11 μm, the strength becomes 2.5 kgf / cm 2. This is because it is less than mm 2 and becomes unsuitable as a self-supporting body (the air electrode itself plays the role of a strength member of the cell) (for example, the probability of breakage during the cell manufacturing process increases).

【0013】本発明の固体電解質型燃料電池において
は、混合層の気孔率が5〜20%、気孔径が0.5〜
3.0μm であることが好ましい。気孔率が5%未満で
は、三相界面近傍のガス拡散に起因する抵抗が増加する
こととなり、気孔率が20%越えでは三相界面が減少し
界面導電率が低下することとなるからである。また、混
合層の気孔径が0.5〜3.0μm とされるのは、セル
の最大出力密度を確保するためであり、気孔径が0.5
μm 未満では、ガス拡散に起因する抵抗が増加すること
となり、気孔径が3.0μm を越えると三相界面が減少
し、界面導電率が低下することとなるからである。
In the solid oxide fuel cell according to the present invention, the mixed layer has a porosity of 5 to 20% and a pore diameter of 0.5 to 0.5%.
It is preferably 3.0 μm. If the porosity is less than 5%, the resistance due to gas diffusion near the three-phase interface increases, and if the porosity exceeds 20%, the three-phase interface decreases and the interface conductivity decreases. . The reason why the pore diameter of the mixed layer is 0.5 to 3.0 μm is to secure the maximum output density of the cell.
If it is less than μm, the resistance due to gas diffusion will increase, and if the pore diameter exceeds 3.0 μm, the three-phase interface will decrease and the interface conductivity will decrease.

【0014】本発明の固体電解質型燃料電池において
は、空気極と混合層の合計厚さが1.0〜3.0mmであ
り: 該混合層の厚さが該合計厚さの0.5〜5.0%
であることが好ましい。空気極と混合層の合計厚さが
1.0mm未満では、空気極中の円周方向の抵抗が増加す
るためセル性能を確保しにくく、3.0mm越えではガス
透過性が低下して過電圧が高くなるためセル性能を確保
しにくいためである。また、混合層の厚さが該合計厚さ
の0.5%未満では、三相界面が減少し界面導電率が低
下するためセル性能を確保しにくく、5.0%越えでは
ガス透過性が低下して過電圧が高くなるためセル性能を
確保しにくいためである。
In the solid oxide fuel cell according to the present invention, the total thickness of the air electrode and the mixed layer is 1.0 to 3.0 mm. 5.0%
It is preferred that When the total thickness of the air electrode and the mixed layer is less than 1.0 mm, the resistance in the circumferential direction in the air electrode increases, so that it is difficult to secure the cell performance. This is because it is difficult to secure the cell performance because of the increase. When the thickness of the mixed layer is less than 0.5% of the total thickness, the three-phase interface is reduced and the interface conductivity is reduced, so that it is difficult to secure the cell performance. This is because it is difficult to secure cell performance because the voltage is lowered and the overvoltage is increased.

【0015】本発明の固体電解質型燃料電池において
は、セルの最大出力密度0.1W/cm2以上を達成するた
めのひとつの基準となる条件は:空気極は、気孔率が2
8〜40%であり、気孔径が5〜11μm であり、導電
率が70S/cm以上であり、ガス透過係数が1.0〜1
2.0m2/hr・atm であり、混合層は、気孔率が5〜20
%であり、気孔径が0.5〜3.0μm であり、界面導
電率が10S/cm2 以上であり;空気極と混合層の合計厚
さが1.0〜3.0mmであり;混合層の厚さが該合計厚
さの0.5〜5.0%である。
In the solid oxide fuel cell of the present invention, one criterion for achieving the maximum output density of the cell of 0.1 W / cm 2 or more is as follows: the air electrode has a porosity of 2;
8 to 40%, a pore diameter of 5 to 11 μm, a conductivity of 70 S / cm or more, and a gas permeability coefficient of 1.0 to 1
2.0 m 2 / hr · atm, and the mixed layer has a porosity of 5 to 20.
%, The pore diameter is 0.5 to 3.0 μm, the interface conductivity is 10 S / cm 2 or more; the total thickness of the air electrode and the mixed layer is 1.0 to 3.0 mm; The thickness of the layer is between 0.5 and 5.0% of the total thickness.

【0016】本発明の固体電解質型燃料電池において
は、セルの最大出力密度0.2W/cm2以上を達成するた
めのひとつの基準となる条件は:空気極は、気孔率が3
0〜39%であり、気孔径が6〜10μm であり、導電
率が75S/cm以上であり、ガス透過係数が3.5〜1
1.5m2/hr・atm であり、混合層は、気孔率が6〜18
%であり、気孔径が0.7〜2.7μm であり、界面導
電率が15S/cm2 以上であり;空気極と混合層の合計厚
さが1.2〜2.8mmであり;混合層の厚さが該合計厚
さの1.0〜4.5%である。
In the solid oxide fuel cell of the present invention, one criterion for achieving the maximum output density of the cell of 0.2 W / cm 2 or more is as follows: The air electrode has a porosity of 3;
0 to 39%, a pore diameter of 6 to 10 μm, an electric conductivity of 75 S / cm or more, and a gas permeability coefficient of 3.5 to 1
1.5 m 2 / hr · atm, and the mixed layer has a porosity of 6-18.
%, The pore size is 0.7 to 2.7 μm, the interface conductivity is 15 S / cm 2 or more; the total thickness of the air electrode and the mixed layer is 1.2 to 2.8 mm; The thickness of the layer is between 1.0 and 4.5% of the total thickness.

【0017】本発明の固体電解質型燃料電池において
は、セルの最大出力密度0.3W/cm2以上を達成するた
めのひとつの基準となる条件は:空気極は、気孔率が3
2〜38%であり、気孔径が6.5〜9.5μm であ
り、導電率が80S/cm以上であり、ガス透過係数が5.
0〜11.0m2/hr・atm であり、混合層は、気孔率が7
〜17%であり、気孔径が1.0〜2.2μm であり、
界面導電率が20S/cm2 以上であり;空気極と混合層の
合計厚さが1.3〜2.6mmであり;混合層の厚さが該
合計厚さの1.2〜3.5%である。
In the solid oxide fuel cell of the present invention, one criterion for achieving the maximum output density of the cell of 0.3 W / cm 2 or more is as follows: the air electrode has a porosity of 3;
2 to 38%, a pore size of 6.5 to 9.5 μm, an electric conductivity of 80 S / cm or more, and a gas permeability coefficient of 5.
0 to 11.0 m 2 / hr · atm, and the mixed layer has a porosity of 7
1717%, the pore size is 1.0-2.2 μm,
The interface conductivity is 20 S / cm 2 or more; the total thickness of the air electrode and the mixed layer is 1.3 to 2.6 mm; and the thickness of the mixed layer is 1.2 to 3.5 of the total thickness. %.

【0018】本発明の固体電解質型燃料電池において
は、セルの最大出力密度0.4W/cm2以上を達成するた
めのひとつの基準となる条件は:空気極は、気孔率が3
3〜37%であり、気孔径が7.0〜9.0μm であ
り、導電率が90S/cm以上であり、ガス透過係数が6〜
10m2/hr・atm であり、混合層は、気孔率が8〜15%
であり、気孔径が1.2〜1.8μm であり、界面導電
率が40S/cm2 以上であり;空気極と混合層の合計厚さ
が1.5〜2.2mmであり;混合層の厚さが該合計厚さ
の1.4〜2.5%である。
In the solid oxide fuel cell of the present invention, one criterion for achieving a maximum output density of the cell of 0.4 W / cm 2 or more is as follows: the air electrode has a porosity of 3;
3 to 37%, a pore size of 7.0 to 9.0 μm, a conductivity of 90 S / cm or more, and a gas permeability coefficient of 6 to
10 m 2 / hr · atm, and the mixed layer has a porosity of 8 to 15%.
The pore diameter is 1.2 to 1.8 μm, the interface conductivity is 40 S / cm 2 or more; the total thickness of the air electrode and the mixed layer is 1.5 to 2.2 mm; Is 1.4 to 2.5% of the total thickness.

【0019】本発明においては、上記混合層が、空気極
組成と固体電解質組成の混合水溶液から共沈法により作
製した粉体の焼結層であることが好ましい。一般に共沈
粉は組成と組織が均一で、気相−空気極物質−固体電解
質の三相界面の分布が適正にできる、空気極と固体電解
質膜との間のセル抵抗を大幅に低減できる場合が多い。
In the present invention, the mixed layer is preferably a sintered layer of powder produced by a coprecipitation method from a mixed aqueous solution of the air electrode composition and the solid electrolyte composition. In general, when the coprecipitated powder has a uniform composition and structure, the distribution of the three-phase interface between the gas phase, the air electrode material, and the solid electrolyte can be properly adjusted, and the cell resistance between the air electrode and the solid electrolyte membrane can be significantly reduced. There are many.

【0020】本発明においては、上記空気極がストロン
チウムドープランタンマンガナイト(LSM)又はカル
シウムドープマンガナイト(LCM)からなり、上記固
体電解質膜がイットリア安定化ジルコニア(YSZ)か
らなり、上記混合層が両者の混合物からなる固体電解質
型燃料電池とすることができる。ここで、本発明の導電
性セラミックスは、(La1-x Srxz MnO3
0.22≦x≦0.28、0.96≦z<1.0の組成
を有することが好ましい。さらに、x、zの範囲は、よ
り好ましくは、0.24≦x≦0.26、0.97≦z
≦0.99である。この範囲で、前述の要求特性がいず
れも良好だからである。(La1-x Caxz MnO3
の場合は、0.1≦x≦0.5、0.96≦z<1.0
の組成を有することが好ましい。さらに、x、zの範囲
は、より好ましくは、0.2≦x≦0.4、0.97≦
z≦0.99である。この範囲で、前述の要求特性がい
ずれも良好だからである。一方、YSZのY23 の含
有率は、8〜12mol%が好ましい。
In the present invention, the air electrode is made of strontium dolantan manganite (LSM) or calcium-doped manganite (LCM), the solid electrolyte membrane is made of yttria-stabilized zirconia (YSZ), and the mixed layer is made of A solid oxide fuel cell comprising a mixture of both can be obtained. Here, the conductive ceramic of the present invention includes (La 1-x Sr x ) z MnO 3 ,
It is preferable to have a composition of 0.22 ≦ x ≦ 0.28 and 0.96 ≦ z <1.0. Further, the range of x, z is more preferably 0.24 ≦ x ≦ 0.26, 0.97 ≦ z
≤ 0.99. This is because the above-mentioned required characteristics are all good in this range. (La 1-x Ca x ) z MnO 3
In the case of 0.1 ≦ x ≦ 0.5, 0.96 ≦ z <1.0
It is preferable to have the following composition. Further, the range of x, z is more preferably 0.2 ≦ x ≦ 0.4, 0.97 ≦
z ≦ 0.99. This is because the above-mentioned required characteristics are all good in this range. On the other hand, the content of YSZ of Y 2 O 3 is preferably 8~12mol%.

【0021】[0021]

【実施例】試験の概要 以下の4種類の試験を行い、空気極周りの構造について
最適の特性値範囲を解明した。 (1)空気極のガス透過係数、導電率と発電性能の関
係:発電性能を上げるためには、ガス透過係数及び導電
率の双方共に高いことが望ましい。しかし、両者は基本
的には相反する特性であるので、両者のバランスをとる
ことが必要となる。本試験では、両者のバランスの良い
範囲を究明した。
EXAMPLES Overview of Tests The following four types of tests were performed to clarify the optimum characteristic value range for the structure around the air electrode. (1) Relationship between gas permeability coefficient and conductivity of air electrode and power generation performance: In order to improve power generation performance, it is desirable that both gas permeability coefficient and conductivity are high. However, both have basically contradictory characteristics, so it is necessary to balance them. In this test, a range in which both were well balanced was determined.

【0022】具体的には、ガス透過係数が0.5〜1
5.0m2/hr・atm 、導電率が40〜120S/cmの範囲の
SOFC空気極(支持体兼)を押し出し成形法で成形、
焼成することで作製した。ガス透過性、導電率の制御は
原料粉の粒径と、焼成温度を変化させることで行った。
空気極支持体上にインターコネクターをスラリーコート
法で製膜、焼成し、共沈法による粉体を用いて混合層を
スラリーコート法で製膜した後YSZ膜をスラリーコー
ト法で製膜、焼成した。さらに燃料極をスラリーコート
法で製膜、焼成して評価用セルを作製し、発電評価を行
った。効率の良い運転をするためには少なくとも最大出
力密度が0.1W/cm2 以上であることが望ましい。ガス
透過係数が1.0m2/hr・atm 未満、12m2/hr・atm より
も大きい場合、導電率が70S/cm未満の場合に最大出力
密度が0.1W/cm2 未満となった。
Specifically, the gas permeability coefficient is 0.5 to 1
5.0 m 2 / hr · atm, SOFC air electrode (conductivity support) with conductivity in the range of 40 to 120 S / cm is formed by extrusion molding method.
It was produced by firing. The control of gas permeability and conductivity was performed by changing the particle size of the raw material powder and the firing temperature.
An interconnector is formed on an air electrode support by a slurry coating method, baked, and a mixed layer is formed by a slurry coating method using powder by a coprecipitation method, and then a YSZ film is formed by a slurry coating method and fired. did. Further, the fuel electrode was formed into a film by the slurry coating method and fired to prepare an evaluation cell, and the power generation was evaluated. For efficient operation, it is desirable that the maximum output density is at least 0.1 W / cm 2 or more. Gas permeability coefficient is less than 1.0m 2 / hr · atm, greater than 12m 2 / hr · atm, conductivity maximum power density of less than 70S / cm is less than 0.1 W / cm 2.

【0023】(2)空気極の強度と製造工程中のセル破
損確率(逆歩留り)との関係:空気極自己支持型のセル
においては、空気極がセルの形態を維持する構造体とし
ての役割を果す。そして、セルの製造工程(固体電解質
膜や燃料電極等の焼成工程)中において、この構造体と
しての空気極に最大のロードがかかる。その際空気極の
強度が弱いと、セルが破損(クラック、折れ)が生じ
る。ここでは、後述するテストセルを合計300本、空
気極強度0.2〜3.2kgf/mm2 の範囲で製造試験を行
った。その結果、上述のとおり、空気極(支持体)の強
度が2.5kgf/mm2 以上であると、セル作製工程中の破
損確率を5%以下に抑えることができることが判明し
た。
(2) The relationship between the strength of the cathode and the probability of cell breakage (reverse yield) during the manufacturing process: In a cathode self-supporting cell, the cathode functions as a structure for maintaining the cell shape To fulfill. Then, during the manufacturing process of the cell (the process of firing the solid electrolyte membrane, the fuel electrode, etc.), the maximum load is applied to the air electrode as this structure. At that time, if the strength of the air electrode is weak, the cell is damaged (cracked or broken). Here, a production test was performed with a total of 300 test cells to be described later and an air electrode strength of 0.2 to 3.2 kgf / mm 2 . As a result, as described above, it was found that when the strength of the air electrode (support) is 2.5 kgf / mm 2 or more, the probability of breakage during the cell manufacturing process can be suppressed to 5% or less.

【0024】(3)空気極の気孔率、気孔径とガス透過
係数、導電率及び強度の関係:これらの間には、一般に
以下の関係がある。 気孔径大→気孔率大、ガス透過係数大、強度小 気孔率大→ガス透過係数大、導電率小、強度小 したがって、ガス透過係数と導電率及び強度を適当な範
囲に入れるためには、空気極の気孔径及び気孔率をある
範囲にコントロールする必要がある。ここでは、平均気
孔径3.5〜13.5μm 、気孔率24〜45%の範囲
で試験を行った。その結果、導電率が70S/cm以上であ
るために、気孔率は40%以下である必要があることが
判明した。ガス透過係数が1.0m2/hr・atm 以上である
ために、気孔率は28%以上、気孔径は5μm 以上ある
ことが必要であることが判明した。支持体強度が2.5
kgf/mm2 以上であるために気孔径は11μm 以下である
必要があることが判明した。
(3) Relationship between porosity and pore diameter of the air electrode, gas permeability coefficient, conductivity and strength: These generally have the following relationships. Large porosity → large porosity, large gas permeability coefficient, small strength Large porosity → large gas permeability coefficient, small conductivity, small strength Therefore, in order to put the gas permeability coefficient, conductivity and strength in appropriate ranges, It is necessary to control the pore diameter and porosity of the cathode in a certain range. Here, the test was performed in the range of an average pore diameter of 3.5 to 13.5 μm and a porosity of 24 to 45%. As a result, it was found that the porosity needs to be 40% or less because the conductivity is 70 S / cm or more. Since the gas permeability coefficient was 1.0 m 2 / hr · atm or more, it was found that the porosity needs to be 28% or more and the pore diameter needs to be 5 μm or more. Support strength is 2.5
It has been found that the pore diameter needs to be 11 μm or less in order to be kgf / mm 2 or more.

【0025】(4)混合層とセル発電性能との関係:以
下の試験セルを作製し、その発電性能を測定した。 (A)混合層のないセル (B)混合層が空気極と同組成であるが、構造(結晶、
空孔)が微細(原料粉末粒径3μm )なセル (C)混合層が、空気極(LSM)とYSZとの固相混
合粉を原料として製膜されているセル(仮焼温度1,3
50℃) (D)混合層が、空気極(LSM)とYSZとの固相混
合粉を原料として製膜されているセル(仮焼温度900
℃) (E)混合層が、空気極(LSM)とYSZとの共沈粉
を原料として製膜されているセル その結果、最大出力密度が0.1W/cm2 以上であるため
に、界面導電率が10S/cm以上、混合層の気孔率が5〜
20%、気孔径が0.5〜3.0μm の範囲であること
が必要であることが判明した。
(4) Relationship between mixed layer and cell power generation performance: The following test cells were prepared and their power generation performance was measured. (A) Cell without mixed layer (B) The mixed layer has the same composition as the air electrode, but the structure (crystal,
(C) A cell in which a mixed layer is formed using a solid phase mixed powder of an air electrode (LSM) and YSZ as a raw material (calcination temperatures 1, 3).
(D) A cell in which the mixed layer is formed from a solid phase mixed powder of an air electrode (LSM) and YSZ (calcination temperature 900
(C) (E) A cell in which the mixed layer is formed using a coprecipitated powder of the air electrode (LSM) and YSZ as a raw material. As a result, since the maximum output density is 0.1 W / cm 2 or more, the interface The conductivity is 10 S / cm or more, and the porosity of the mixed layer is 5 to 5.
It has been found that the pore size needs to be 20% and the pore size must be in the range of 0.5 to 3.0 μm.

【0026】試験セルの作製方法及び試験方法 (1)空気極原料粉:液相混合法により作製した(La
0.75Sr0.250.99MnO3 粉(以下単にLSM粉とい
う)を以下の6種の平均粒径に粉砕・分級した。それら
を以下の比率で混合した。 粗粉:5μm 、10μm 、20μm 、30μm 、40μ
m 微粉:0.5μm 微粉添加量:0、5、10wt% 混合層関係及び空気極(支持体)強度関係の試験では、
空気極粗粉は20μmのもののみを用いた。
Test cell preparation method and test method (1) Air electrode raw material powder: prepared by a liquid phase mixing method (La
0.75 Sr 0.25 ) 0.99 MnO 3 powder (hereinafter simply referred to as LSM powder) was pulverized and classified into the following six average particle sizes. They were mixed in the following ratio. Coarse powder: 5 μm, 10 μm, 20 μm, 30 μm, 40 μ
m Fine powder: 0.5 μm Fine powder addition amount: 0, 5, 10 wt% In the test of the relation of the mixed layer and the strength of the air electrode (support),
Only 20 μm of the air electrode coarse powder was used.

【0027】(2)押し出し用コンパウンド作製:上記
LSM粉100重量部(以下同じ)に有機バインダ10
部、グリセリン3部、水10部を添加・混練して押し出
し用コンパウンドを得た。 (3)押し出し成形:押し出し圧力30kgf/cm2 で上記
コンパウンドを押し出しグリーンパイプを得た。 (4)乾燥・脱脂:熱風循環乾燥機中にグリーンパイプ
を置いて、一回目40℃×24hr、二回目175℃×2
4hrで乾燥・脱脂を行った。
(2) Preparation of a compound for extrusion: 100 parts by weight of the above LSM powder (the same applies hereinafter) and an organic binder 10
, 3 parts of glycerin and 10 parts of water were added and kneaded to obtain a compound for extrusion. (3) Extrusion molding: The above compound was extruded at an extrusion pressure of 30 kgf / cm 2 to obtain a green pipe. (4) Drying / degreasing: Place a green pipe in a hot air circulating drier, first time 40 ° C x 24 hours, second time 175 ° C x 2
Drying and degreasing were performed for 4 hours.

【0028】(5)空気極焼成:ガス炉(酸化雰囲気、
酸素分圧2×10-3atm )を用いて、乾燥・脱脂後のグ
リーンパイプを焼成した。焼成条件は、空気極特性関係
の試験では1,350〜1,450℃×10hr、混合層
特性関係の試験では1,450℃×10hr、空気極強度
の試験では1,250〜1,450℃×10hrとした。
なお、焼成中は、試料(セル)の周囲をマッフルで密閉
状態となるように棚組みした。これは、焼成中にMn成
分の飛散を防止するためである。このような密閉焼成を
行わなかった場合、空気極(支持体)の強度が50〜7
0%に低下する。このような試料をSEM/EDXで観
察すると、試料表面のMn成分が理論値の60%程度に
低下していることが判明した。
(5) Air electrode firing: gas furnace (oxidizing atmosphere,
The dried and degreased green pipe was fired using an oxygen partial pressure of 2 × 10 −3 atm). The firing conditions are 1,350 to 1,450 ° C. × 10 hours in the test on the characteristics of the air electrode, 1,450 ° C. × 10 hours in the test on the characteristics of the mixed layer, and 1,250 to 1,450 ° C. in the test on the strength of the air electrode. X 10 hours.
During firing, shelves were assembled so that the periphery of the sample (cell) was sealed with a muffle. This is to prevent the Mn component from scattering during firing. When such closed firing is not performed, the strength of the air electrode (support) is 50 to 7
0%. Observation of such a sample by SEM / EDX revealed that the Mn component on the sample surface was reduced to about 60% of the theoretical value.

【0029】(6)空気極焼成後寸法:空気極特性関
係、及び、混合層特性関係の試験では、空気極パイプの
寸法は、焼成後の段階で外径16mm×厚さ1.7mm×長
さ200mmのものを用いた。空気極強度試験についての
みは、外径20mm×厚さ3.0mm×長さ200mmのもの
を用いた。いずれも一端封止形状とした。なお、後者を
大径・厚肉にしたのは、3点曲げ試験用のテストピース
巾4.0mm×厚さ2.5mm、長さ40mmを切り出す必要
があったからである。
(6) Dimensions after calcining the cathode: In the tests for the relationship between the characteristics of the cathode and the characteristics of the mixed layer, the dimensions of the cathode pipe were 16 mm in outer diameter × 1.7 mm in thickness × length in the stage after calcination. Those having a length of 200 mm were used. For the air electrode strength test only, one having an outer diameter of 20 mm, a thickness of 3.0 mm and a length of 200 mm was used. In each case, one end was sealed. The reason why the latter was made larger in diameter and thicker was that it was necessary to cut out a test piece for a three-point bending test having a width of 4.0 mm × a thickness of 2.5 mm and a length of 40 mm.

【0030】(7)空気極ガス透過性評価:上記寸法の
空気極(支持体)パイプに、N2 ガスの0.1kgf/cm2
差圧をかけガス透過量を測定した。 (8)空気極導電率評価:上記空気極パイプ(長さ50
mm)を切り出して、その導電率を、大気雰囲気、1,0
00℃で、4端子法により測定した。 (9)空気極強度評価:上記テストピースを用いて、室
温で(但し、大気中1,000℃でも強度は低下しな
い)3点曲げ試験を行った。
(7) Evaluation of air electrode gas permeability: 0.1 kgf / cm 2 of N 2 gas was applied to the air electrode (support) pipe of the above dimensions.
The gas permeation amount was measured by applying a differential pressure. (8) Electrode conductivity evaluation: The above-mentioned air electrode pipe (length 50
mm) is cut out and its conductivity is set to 1,0
It was measured at 00 ° C. by a four-terminal method. (9) Evaluation of air electrode strength: A three-point bending test was performed at room temperature (however, the strength did not decrease even at 1,000 ° C in the atmosphere) using the test piece.

【0031】(10)インターコネクター製膜:上記空
気極パイプ外周に、巾7.0mm×長さ50mm×厚さ50
μm (軸方向、直線状)のインターコネクター膜をスラ
リーコートにより製膜した。用いた材料は、La0.75
0.25CrO3 で、焼成温度は1,400℃×2hrとし
た。
(10) Interconnector film formation: 7.0 mm wide × 50 mm long × 50 thick on the outer periphery of the air electrode pipe.
A μm (axial, linear) interconnector film was formed by slurry coating. The material used was La 0.75 C
a 0.25 CrO 3 , and the firing temperature was 1,400 ° C. × 2 hours.

【0032】(11)混合層製膜:以下のように
(B)、(C)、(D)、(E)のタイプ(上述)につ
いて、混合層を製膜した。なお、空気極特性及び強度関
係試験においては、以下のDタイプ(共沈粉)のみを用
いた。混合層製膜時には、インターコネクター上にはマ
スキングをしておいた。 (B)空気極と同じ組成の粒径3μm のLSM粉100
部に、有機バインダー(エチルセルロース)4.4部、
エチルアルコールを367部、α−テルピネオールを1
21部、ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステルを
3.8部、ソルビタンセスキオレートを3.8部混合
し、製膜用スラリーを得た。これをディップ法により空
気極上にコートし、1,500℃、5hrで焼成した。
(11) Mixed layer film formation: Mixed layer films were formed for the types (B), (C), (D) and (E) (described above) as follows. In the air electrode characteristics and strength-related tests, only the following D type (coprecipitated powder) was used. At the time of mixed layer film formation, masking was performed on the interconnector. (B) LSM powder 100 having the same composition as the air electrode and having a particle size of 3 μm
In parts, 4.4 parts of an organic binder (ethyl cellulose),
367 parts of ethyl alcohol and 1 part of α-terpineol
21 parts, 3.8 parts of polyoxyethylene alkyl phosphate, and 3.8 parts of sorbitan sesquiolate were mixed to obtain a slurry for film formation. This was coated on the air electrode by a dipping method and fired at 1,500 ° C. for 5 hours.

【0033】(C)、(D)粒径0.5μm のLSM粉
及び粒径0.3μm の8mol%YSZ粉をボールミルを用
いて固相混合して原料粉末を得た。この原料粉末を用い
て、その後は(B)と同様に製膜した。 (E)8mol%YSZとLSM(同上組成)との共沈粉
(酸化物換算重量混合比50:50)を、特願平7−2
73739号(本願と同一出願人)に記載したのと同様
の方法で作製した。この共沈粉を用いて、その後は
(B)と同様に製膜した。
(C) and (D) The LSM powder having a particle size of 0.5 μm and the 8 mol% YSZ powder having a particle size of 0.3 μm were mixed in a solid phase using a ball mill to obtain a raw material powder. Using this raw material powder, a film was formed in the same manner as in (B). (E) Co-precipitated powder (weight ratio of 50:50 in terms of oxide) of 8 mol% YSZ and LSM (same composition as described above)
No. 73739 (the same applicant as the present application). Thereafter, a film was formed using this coprecipitated powder in the same manner as in (B).

【0034】(12)固体電解質膜製膜:粒径0.3μ
m の8mol%YSZ100部に、有機バインダー(エチル
セルロース)4.4部、表面活性剤3.8部、エチルア
ルコール367部、α−テルピネオール121部、ソル
ビタンセスキオレート3.8部を混合してスラリーを得
た。このスラリーを、ディップ法により混合層又は空気
極上にコートし、1,500℃、5hrで焼成した。焼成
後の固体電解質膜の厚さは20μm であった。
(12) Solid electrolyte membrane formation: particle size 0.3 μm
A mixture of 4.4 parts of an organic binder (ethyl cellulose), 3.8 parts of a surfactant, 367 parts of ethyl alcohol, 121 parts of α-terpineol, and 3.8 parts of sorbitan sesquiolate was mixed with 100 parts of 8 mol% YSZ of m. Obtained. This slurry was coated on the mixed layer or the air electrode by a dipping method, and fired at 1,500 ° C. for 5 hours. The thickness of the fired solid electrolyte membrane was 20 μm.

【0035】燃料電極製膜:共沈法により得たNiO/
YSZ粉(Ni還元後重量比60:40)100部に有
機溶媒(エタノール、キシレン)250部、有機バイン
ダー(エチルセルロース)10部、表面活性剤(消泡
剤)3部、解膠剤3部を混合してスラリーを得た。この
スラリーを、ディップ法により固体電解質膜上にコート
し、1,400℃、2hrで焼成した。焼成後の燃料電極
の厚さは100μm であった。次に、3%H2 、97%
2 雰囲気、1,000℃で燃料電極を還元処理した。
Fuel electrode membrane: NiO /
100 parts of YSZ powder (weight ratio after reducing Ni: 60:40) is mixed with 250 parts of an organic solvent (ethanol, xylene), 10 parts of an organic binder (ethyl cellulose), 3 parts of a surfactant (antifoaming agent), and 3 parts of a deflocculant. Mix to obtain a slurry. This slurry was coated on a solid electrolyte membrane by a dipping method and fired at 1,400 ° C. for 2 hours. The thickness of the fuel electrode after firing was 100 μm. Next, 3% H 2 , 97%
The fuel electrode was reduced at 1,000 ° C. in a N 2 atmosphere.

【0036】発電性能評価:上述のようにして作製した
セル(空気極外径13mmのもの)を用いて、酸化剤とし
て空気、燃料としてH2 +11%H2 Oを使用し、燃料
利用率80%で発電性能評価運転を行って最大出力密度
を測定した。
Power generation performance evaluation: Using the cell prepared as described above (having an air electrode outer diameter of 13 mm), air was used as an oxidizing agent, H 2 + 11% H 2 O was used as a fuel, and a fuel utilization rate was 80%. %, The maximum power density was measured by performing a power generation performance evaluation operation.

【0037】試験結果 (1)空気極ガス透過係数と最大出力密度との関係:図
1は、空気極のガス透過係数と最大出力密度との関係を
示すグラフである。ガス透過係数が低い段階では、ガス
透過係数が増えるにつれて最大出力密度が上がる。しか
し、ガス透過係数ほぼ8m2/hr・atm 以上では空気極の導
電率が下がる影響で、最大出力密度は低下する。ガス透
過係数0.5〜14m2/hr・atm の範囲で調べたところ、
最大出力密度が0.1W/cm2 であるためには、ガス透過
係数が1〜12m2/hr・atm の範囲が適当であった。特に
最大出力密度が高い(ほぼ0.4W/cm2 以上)のは、ガ
ス透過係数6〜10m2/hr・atm の範囲であった。
Test Results (1) Relationship between air electrode gas permeability coefficient and maximum output density: FIG. 1 is a graph showing the relationship between the air electrode gas permeability coefficient and the maximum output density. At a stage where the gas permeability coefficient is low, the maximum power density increases as the gas permeability coefficient increases. However, when the gas permeability coefficient is approximately 8 m 2 / hr · atm or more, the maximum output density is reduced due to the effect of lowering the conductivity of the air electrode. When the gas permeability coefficient was examined in the range of 0.5 to 14 m 2 / hr · atm,
In order for the maximum output density to be 0.1 W / cm 2 , a gas permeability coefficient in the range of 1 to 12 m 2 / hr · atm was appropriate. Particularly, the maximum output density was high (approximately 0.4 W / cm 2 or more) in the gas permeability coefficient range of 6 to 10 m 2 / hr · atm.

【0038】(2)空気極導電率と最大出力密度との関
係:図2は、空気極の導電率と最大出力密度との関係を
示すグラフである。導電率は、高いほうが最大出力密度
が大となるが、一方、導電率の高いものはガス透過係数
が低くなるため、導電率100S/cm以上は、最大出力密
度が落ちている。導電率55〜110S/cmの範囲で調べ
たところ、最大出力密度が0.1W/cm2 であるために
は、導電率が70S/cm以上の範囲が適当であった。特に
最大出力密度が高い(ほぼ0.4W/cm2 以上)のは、導
電率90〜110S/cmの範囲であった。
(2) Relationship between air electrode conductivity and maximum output density: FIG. 2 is a graph showing the relationship between air electrode conductivity and maximum output density. The higher the electrical conductivity, the higher the maximum output density. On the other hand, the higher the electrical conductivity, the lower the gas permeability coefficient. Therefore, the maximum output density decreases when the electrical conductivity is 100 S / cm or more. When the conductivity was examined in the range of 55 to 110 S / cm, it was found that the conductivity was more than 70 S / cm in order for the maximum output density to be 0.1 W / cm 2 . Particularly, the maximum output density was high (approximately 0.4 W / cm 2 or more) in the conductivity range of 90 to 110 S / cm.

【0039】(3)空気極(支持体)強度とセル作製工
程破損確率との関係:図3は、空気極(支持体)強度と
セル作製工程破損確率との関係を示すグラフである。破
損確率は空気極強度と明確な逆相関を有する。空気極強
度2.5kgf/mm2 以上で、破損確率を5%以下とするこ
とができた。
(3) Relationship between the strength of the air electrode (support) and the probability of breakage in the cell manufacturing process: FIG. 3 is a graph showing the relationship between the strength of the air electrode (support) and the probability of breakage in the cell manufacturing process. The failure probability has a clear inverse correlation with the cathode intensity. When the air electrode strength was 2.5 kgf / mm 2 or more, the probability of breakage could be reduced to 5% or less.

【0040】(4)空気極の気孔率とガス透過係数との
関係:図4は、空気極の気孔率とガス透過係数との関係
を示すグラフである。ガス透過係数は、気孔率が高くな
るに従いほぼ直線的に高くなる。ガス透過係数を1〜1
2m2/hr・atm とするためには、気孔率を28〜40%と
する必要がある。ガス透過係数6〜10m2/hr・atm とす
るためには、気孔率を33〜37%とする必要がある。
(4) Relationship between porosity of air electrode and gas permeability coefficient: FIG. 4 is a graph showing the relationship between porosity of the air electrode and gas permeability coefficient. The gas permeability coefficient increases almost linearly as the porosity increases. Gas permeability coefficient of 1-1
In order to obtain 2 m 2 / hr · atm, the porosity needs to be 28 to 40%. In order to achieve a gas permeability coefficient of 6 to 10 m 2 / hr · atm, the porosity needs to be 33 to 37%.

【0041】(5)空気極の気孔径とガス透過係数との
関係:図5は、空気極の気孔径とガス透過係数との関係
を示すグラフである。ガス透過係数は、気孔径が高くな
るに従いほぼ直線的に高くなる。ガス透過係数を1〜1
2m2/hr・atm とするためには、気孔径を5〜11μm と
する必要がある。ガス透過係数6〜10m2/hr・atm とす
るためには、気孔径を7〜9μm とする必要がある。
(5) Relationship between pore diameter of air electrode and gas permeability coefficient: FIG. 5 is a graph showing the relationship between pore diameter of the air electrode and gas permeability coefficient. The gas permeability coefficient increases almost linearly as the pore diameter increases. Gas permeability coefficient of 1-1
In order to make it 2 m 2 / hr · atm, the pore diameter needs to be 5 to 11 μm. In order to achieve a gas permeability coefficient of 6 to 10 m 2 / hr · atm, the pore diameter needs to be 7 to 9 μm.

【0042】(6)空気極の気孔率と導電率との関係:
図6は、空気極の気孔率と導電率との関係を示すグラフ
である。導電率は、通常気孔率と逆の相関関係を有する
が、これが図6にも明確に表れている。導電率を70S/
cm以上とするためには、気孔率を40%以下としなけれ
ばならない。導電率を90〜110S/cmとするために
は、気孔率を32〜37%としなければならない。
(6) Relationship between porosity and conductivity of air electrode:
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the porosity of the air electrode and the conductivity. The conductivity usually has an inverse correlation with the porosity, which is clearly shown in FIG. Conductivity 70S /
In order to attain cm or more, the porosity must be 40% or less. In order to make the conductivity 90 to 110 S / cm, the porosity must be 32 to 37%.

【0043】(7)空気極の気孔径と強度との関係:図
7は、空気極の気孔径と強度との関係を示すグラフであ
る。気孔径が大きくなるにしたがって強度が直線的に低
下する。強度2.5kgf/mm2 以上であるためには気孔径
は11μm 以下でなければならない。
(7) Relationship between pore diameter and strength of air electrode: FIG. 7 is a graph showing the relationship between pore diameter and strength of the air electrode. The strength decreases linearly as the pore diameter increases. In order for the strength to be 2.5 kgf / mm 2 or more, the pore diameter must be 11 μm or less.

【0044】(8)混合層の気孔率と最大出力密度との
関係:図8は、混合層の気孔率と最大出力密度との関係
を示すグラフである。最大出力密度は、混合層の気孔率
が低い段階では、気孔率が増えるにつれて最大出力密度
が上がる。しかし、気孔率ほぼ10%以上では、混合層
の界面導電率が下がる影響で、最大出力密度は低下す
る。最大出力密度0.1W/cm2 以上であるためには、気
孔率は5〜20%でなければならない。最大出力密度
0.4W/cm2 以上であるためには、気孔率は、8〜15
%でなければならない。
(8) Relationship between porosity of mixed layer and maximum output density: FIG. 8 is a graph showing the relationship between porosity of the mixed layer and maximum output density. When the porosity of the mixed layer is low, the maximum power density increases as the porosity increases. However, when the porosity is approximately 10% or more, the maximum output density decreases due to the effect of lowering the interface conductivity of the mixed layer. In order to have a maximum power density of 0.1 W / cm 2 or more, the porosity must be 5 to 20%. In order to achieve a maximum power density of 0.4 W / cm 2 or more, the porosity should be 8-15.
%Must.

【0045】(9)混合層の気孔径と最大出力密度との
関係:図9は、混合層の気孔径と最大出力密度との関係
を示すグラフである。最大出力密度は、混合層の気孔径
が低い段階では、気孔径が増えるにつれて最大出力密度
が上がる。しかし、気孔径ほぼ1.2μm 以上では、混
合層の界面導電率が下がる影響で、最大出力密度は低下
する。最大出力密度0.1W/cm2 以上であるためには、
気孔径は0.5〜3.0μm でなければならない。最大
出力密度0.4W/cm2 以上であるためには、気孔径は、
1.2〜1.8μm でなければならない。
(9) Relationship between pore diameter of mixed layer and maximum output density: FIG. 9 is a graph showing the relationship between pore diameter of the mixed layer and maximum output density. As for the maximum output density, at the stage where the pore diameter of the mixed layer is low, the maximum output density increases as the pore diameter increases. However, when the pore diameter is approximately 1.2 μm or more, the maximum output density decreases due to the effect of lowering the interface conductivity of the mixed layer. In order to have a maximum output density of 0.1 W / cm 2 or more,
The pore size must be between 0.5 and 3.0 μm. In order to have a maximum output density of 0.4 W / cm 2 or more, the pore size is
It must be between 1.2 and 1.8 μm.

【0046】(10)混合層の界面導電率と最大出力密
度との関係:図10は、混合層の界面導電率と最大出力
密度との関係を示すグラフである。最大出力密度は、界
面導電率が高くなるにつれて上がる。最大出力密度0.
1W/cm2 以上であるためには、界面導電率は10S/cm2
以上でなければならない。最大出力密度0.4以上であ
るためには、界面導電率は、40S/cm2 でなければなら
ない。なお、グラフ中の黒点で示すデータは、左から右
に向かって、上記試験セルA〜Eのものである。
(10) Relationship between interface conductivity of mixed layer and maximum output density: FIG. 10 is a graph showing a relationship between interface conductivity of the mixed layer and maximum output density. The maximum power density increases as the interfacial conductivity increases. Maximum power density 0.
To be 1 W / cm 2 or more, the interface conductivity is 10 S / cm 2
Must be at least. In order to have a maximum power density of 0.4 or more, the interface conductivity must be 40 S / cm 2 . The data indicated by the black dots in the graph are from the test cells A to E from left to right.

【0047】(11)空気極の厚みと最大出力密度との
関係:図11は、空気極の厚み(混合層厚み含む)と最
大出力密度との関係を示すグラフである。空気極が薄す
ぎると電気抵抗(電気がセルの円周を伝わる際の)が高
くなって最大出力密度は下がり、空気極が厚すぎるとガ
ス透過性が下がって最大出力密度は下がる。したがっ
て、空気極の厚さには最適な範囲がある。図11にも、
これが明確に表れている。最大出力密度0.1W/cm2
上であるためには、空気極厚みが1.0〜3.0μm で
なければならない。最大出力密度0.4W/cm2 以上であ
るためには、空気極厚みが1.5〜2.2μm でなけれ
ばならない。
(11) Relationship between air electrode thickness and maximum output density: FIG. 11 is a graph showing the relationship between the air electrode thickness (including the thickness of the mixed layer) and the maximum output density. If the cathode is too thin, the electrical resistance (when electricity travels along the circumference of the cell) will increase and the maximum power density will decrease, while if the cathode is too thick, the gas permeability will decrease and the maximum power density will decrease. Therefore, there is an optimum range for the thickness of the cathode. In FIG.
This is clearly shown. In order for the maximum output density to be 0.1 W / cm 2 or more, the thickness of the air electrode must be 1.0 to 3.0 μm. In order for the maximum output density to be 0.4 W / cm 2 or more, the thickness of the air electrode must be 1.5 to 2.2 μm.

【0048】(12)混合層の厚み割合と最大出力密度
との関係:図12は、混合層の厚み割合と最大出力密度
との関係を示すグラフである。混合層が薄すぎると界面
導電率が高くなって最大出力密度は下がり、混合層が厚
すぎるとガス透過性が下がって最大出力密度は下がる。
したがって、混合層の厚さには最適な範囲がある。図1
2にも、これが明確に表れている。最大出力密度0.1
W/cm2 以上であるためには、混合層の厚みの割合(空気
極及び混合層の厚みに対する)が0.5〜5.0%でな
ければならない。最大出力密度0.4W/cm2以上である
ためには、混合層の厚みの割合が1.4〜2.5%でな
ければならない。
(12) Relationship between mixed layer thickness ratio and maximum output density: FIG. 12 is a graph showing the relationship between the mixed layer thickness ratio and the maximum output density. If the mixed layer is too thin, the interface conductivity increases and the maximum output density decreases. If the mixed layer is too thick, the gas permeability decreases and the maximum output density decreases.
Therefore, there is an optimal range for the thickness of the mixed layer. FIG.
This is clearly shown in FIG. Maximum power density 0.1
In order to be W / cm 2 or more, the ratio of the thickness of the mixed layer (based on the thickness of the air electrode and the mixed layer) must be 0.5 to 5.0%. In order for the maximum output density to be 0.4 W / cm 2 or more, the ratio of the thickness of the mixed layer must be 1.4 to 2.5%.

【0049】[0049]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、セル出力密度及び製造時の歩留りの向上した固体電
解質型燃料電池を提供することができる。
As is apparent from the above description, the present invention can provide a solid oxide fuel cell having improved cell output density and improved production yield.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】空気極のガス透過係数と最大出力密度との関係
を示すグラフである。
FIG. 1 is a graph showing a relationship between a gas permeability coefficient of an air electrode and a maximum output density.

【図2】空気極の導電率と最大出力密度との関係を示す
グラフである。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the conductivity of the air electrode and the maximum output density.

【図3】空気極(支持体)強度とセル作製工程破損確率
との関係を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the strength of an air electrode (support) and the probability of breakage in a cell manufacturing process.

【図4】空気極の気孔率とガス透過係数との関係を示す
グラフである。
FIG. 4 is a graph showing a relationship between a porosity of an air electrode and a gas permeability coefficient.

【図5】空気極の気孔径とガス透過係数との関係を示す
グラフである。
FIG. 5 is a graph showing a relationship between a pore diameter of an air electrode and a gas permeability coefficient.

【図6】空気極の気孔率と導電率との関係を示すグラフ
である。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the porosity of the air electrode and the conductivity.

【図7】空気極の気孔径と強度との関係を示すグラフで
ある。
FIG. 7 is a graph showing a relationship between a pore diameter of an air electrode and strength.

【図8】混合層の気孔率と最大出力密度との関係を示す
グラフである。
FIG. 8 is a graph showing a relationship between a porosity of a mixed layer and a maximum output density.

【図9】混合層の気孔径と最大出力密度との関係を示す
グラフである。
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the pore diameter of the mixed layer and the maximum output density.

【図10】混合層の界面導電率と最大出力密度との関係
を示すグラフである。
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the interface conductivity of the mixed layer and the maximum output density.

【図11】空気極の厚みと最大出力密度との関係を示す
グラフである。
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the thickness of the air electrode and the maximum output density.

【図12】混合層の厚み割合と最大出力密度との関係を
示すグラフである。
FIG. 12 is a graph showing a relationship between a thickness ratio of a mixed layer and a maximum output density.

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 空気極、空気極材料と固体電解質の混合
物からなる混合層、並びに、固体電解質膜がこの順に積
層させている層構造を有する固体電解質型燃料電池であ
って:上記空気極の導電率が70S/cm以上であることを
特徴とする固体電解質型燃料電池。
1. A solid electrolyte fuel cell having an air electrode, a mixed layer comprising a mixture of an air electrode material and a solid electrolyte, and a layered structure in which solid electrolyte membranes are laminated in this order. A solid oxide fuel cell having a conductivity of 70 S / cm or more.
【請求項2】 上記混合層の界面導電率が10S/cm2
上である請求項1記載の固体電解質型燃料電池。
2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the mixed layer has an interface conductivity of 10 S / cm 2 or more.
【請求項3】 上記空気極のガス透過係数が1.0〜1
2.0m2/hr・atm であり、強度が2.5kgf/mm2 以上で
ある請求項1又は2記載の固体電解質型燃料電池。
3. The gas permeability coefficient of the air electrode is 1.0-1.
Was 2.0m 2 / hr · atm, the solid electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2, wherein strength of 2.5 kgf / mm 2 or more.
【請求項4】 上記空気極の気孔率が28〜40%であ
る請求項3記載の固体電解質型燃料電池。
4. The solid oxide fuel cell according to claim 3, wherein the air electrode has a porosity of 28 to 40%.
【請求項5】 上記空気極の気孔径が5〜11μm であ
る請求項3記載の固体電解質型燃料電池。
5. The solid oxide fuel cell according to claim 3, wherein the air electrode has a pore diameter of 5 to 11 μm.
【請求項6】 上記混合層の気孔率が5〜20%、気孔
径が0.5〜3.0μm である請求項1又は2記載の固
体電解質型燃料電池。
6. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the mixed layer has a porosity of 5 to 20% and a pore size of 0.5 to 3.0 μm.
【請求項7】 上記空気極と混合層の合計厚さが1.0
〜3.0mmであり:該混合層の厚さが該合計厚さの0.
5〜5.0%である請求項1〜6いずれか1項記載の固
体電解質型燃料電池。
7. A total thickness of the air electrode and the mixed layer is 1.0.
33.0 mm: the thickness of the mixed layer is 0.3 mm of the total thickness.
The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the content is 5 to 5.0%.
【請求項8】 空気極、空気極材料と固体電解質の混合
物からなる混合層、並びに、固体電解質膜がこの順に積
層させている層構造を有する固体電解質型燃料電池であ
って:空気極は、気孔率が28〜40%であり、 気孔径が5〜11μm であり、 導電率が70S/cm以上であり、 ガス透過係数が1.0〜12.0m2/hr・atm であり、 混合層は、気孔率が5〜20%であり、 気孔径が0.5〜3.0μm であり、 界面導電率が10S/cm2 以上であり;空気極と混合層の
合計厚さが1.0〜3.0mmであり;混合層の厚さが該
合計厚さの0.5〜5.0%であることを特徴とする固
体電解質型燃料電池。
8. A solid electrolyte fuel cell having an air electrode, a mixed layer made of a mixture of an air electrode material and a solid electrolyte, and a layered structure in which solid electrolyte membranes are laminated in this order: The porosity is 28 to 40%, the pore size is 5 to 11 μm, the conductivity is 70 S / cm or more, the gas permeability coefficient is 1.0 to 12.0 m 2 / hr · atm, and the mixed layer Has a porosity of 5 to 20%, a pore diameter of 0.5 to 3.0 μm, an interface conductivity of 10 S / cm 2 or more; and a total thickness of the air electrode and the mixed layer of 1.0 to 1.0 S / cm 2. A solid oxide fuel cell, wherein the thickness of the mixed layer is 0.5 to 5.0% of the total thickness.
【請求項9】 上記混合層が、空気極組成と固体電解質
組成の混合水溶液から共沈法により作製した粉体の焼結
層である請求項1〜8いずれか1項記載の固体電解質型
燃料電池。
9. The solid electrolyte fuel according to claim 1, wherein the mixed layer is a sintered layer of powder produced by a coprecipitation method from a mixed aqueous solution of an air electrode composition and a solid electrolyte composition. battery.
【請求項10】 上記空気極がストロンチウムドープラ
ンタンマンガナイト(LSM)又はカルシウムドープラ
ンタンマンガナイト(LCM)からなり、上記固体電解
質膜がイットリア安定化ジルコニア(YSZ)からな
り、上記混合層が両者の混合物からなる請求項1〜9い
ずれか1項記載の固体電解質型燃料電池。
10. The air electrode is made of strontium dolantan manganite (LSM) or calcium dolantan manganite (LCM), the solid electrolyte membrane is made of yttria-stabilized zirconia (YSZ), and the mixed layer is made of both. The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 9, comprising a mixture.
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