JP5243285B2 - Solid oxide fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、ペロブスカイト型の金属酸化物およびプラセオジムを添加したセリウム酸化物を含んで構成された空気極を用いる固体酸化物形燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell using an air electrode comprising a perovskite-type metal oxide and cerium oxide to which praseodymium is added.
優れた電解質材料であるジルコニア系酸素イオン伝導体を用いた固体酸化物形燃料電池に関心が高まりつつある。特に、エネルギーの有効利用という観点から、固体燃料電池はカルノー効率の制約を受けないために本質的に高いエネルギー変換効率を有し、さらに、良好な環境保全が期待されるなどの優れた特徴を持っている。 There is a growing interest in solid oxide fuel cells using zirconia-based oxygen ion conductors, which are excellent electrolyte materials. In particular, from the viewpoint of effective use of energy, solid fuel cells have essentially high energy conversion efficiency because they are not restricted by Carnot efficiency, and have excellent features such as good environmental conservation. have.
固体酸化物形燃料電池は、当初、動作温度が900〜1000℃と高く、全ての部材がセラミックで構成されていた。このため、セルスタックの製造コストの低減が容易ではなかった。ここで、動作温度を800℃以下まで低下させることができれば、インターコネクタに耐熱合金材料を用いることが可能となり、製造コストの低減が可能となる。しかしながら、動作温度の低下に伴い、空気極における電気化学的な抵抗、すなわち過電圧が、急激に増大して出力電圧の低下を招いてしまう。 The solid oxide fuel cell initially had a high operating temperature of 900 to 1000 ° C., and all members were made of ceramic. For this reason, it was not easy to reduce the manufacturing cost of the cell stack. Here, if the operating temperature can be lowered to 800 ° C. or less, a heat-resistant alloy material can be used for the interconnector, and the manufacturing cost can be reduced. However, as the operating temperature decreases, the electrochemical resistance at the air electrode, that is, the overvoltage, suddenly increases and the output voltage decreases.
このような動作温度の低下による空気極の問題を解消するために、La1-XSrXFe1-YCoYO3(LSFC:X=0.1〜0.3,Y=0.1〜0.6,X+Y<0.7)、La1-XSrXCoO3(X=0.1〜0.5)、LaNi1-XFeXO3(LNF:X=0.3〜0.8)などの、高い電極活性(電気化学反応の性能)を有するペロブスカイト型の金属酸化物(ペロブスカイト型酸化物)を用いる技術がある。これらの材料は、AサイトにLaおよびSrを含み、BサイトにNi,Co,およびFeを含むペロブスカイト型酸化物である。また、AサイトにLaおよびCaを含むものもある。これらの材料は、低温動作用の空気極に適している。 In order to solve the problem of the air electrode due to such a decrease in operating temperature, La 1-X Sr X Fe 1-Y Co Y O 3 (LSFC: X = 0.1 to 0.3, Y = 0.1 ~0.6, X + Y <0.7) , La 1-X Sr X CoO 3 (X = 0.1~0.5), LaNi 1-X Fe X O 3 (LNF: X = 0.3~0 There is a technique using a perovskite type metal oxide (perovskite type oxide) having high electrode activity (electrochemical reaction performance). These materials are perovskite oxides containing La and Sr at the A site and Ni, Co, and Fe at the B site. Some of the A sites contain La and Ca. These materials are suitable for an air electrode for low temperature operation.
しかしながら、空気極はジルコニアを含む電解質と接した状態で焼成することで製造されるため、電解質と接触している部分にLa2Zr2O7などの絶縁体が生成され、この生成物が、空気極における特性を低下させる原因の一つとなっている。この問題を防ぐために、空気極と電解質との間に、Ce0.9Gd0.1O2およびCe0.8Sm0.2O2などの、希土類を添加したセリウム酸化物(セリア化合物)からなるセリア層を設け、空気極側のペロブスカイト型酸化物と電解質側のジルコニアとの接触を断つ方法が検討されている(非特許文献1)。このように設けたセリア層は、酸素イオン伝導性が高く、ペロブスカイト型酸化物との間で絶縁体を生成するような反応が起こりにくくなる。 However, since the air electrode is manufactured by firing in contact with an electrolyte containing zirconia, an insulator such as La 2 Zr 2 O 7 is generated in a portion in contact with the electrolyte, and this product is This is one of the causes of deteriorating characteristics in the air electrode. In order to prevent this problem, a ceria layer made of a cerium oxide (ceria compound) added with rare earths such as Ce 0.9 Gd 0.1 O 2 and Ce 0.8 Sm 0.2 O 2 is provided between the air electrode and the electrolyte. A method of breaking the contact between the pole-side perovskite oxide and the electrolyte-side zirconia has been studied (Non-Patent Document 1). The ceria layer thus provided has high oxygen ion conductivity, and a reaction that generates an insulator with the perovskite oxide is less likely to occur.
また、上述した材料より構成された空気極による固体酸化物形燃料電池の低温特性を更に向上させるために、ペロブスカイト型酸化物の粒子とセリア化合物との混合体を、電解質付近に設ける方法が知られている(非特許文献2参照)。ペロブスカイト型酸化物の粉末(粉体)とセリア化合物の微粉末とが混合された状態に空気極を形成することで、電解質と空気極との接合部分に生じる電極活性な面積が増大し、電極の界面抵抗を低減させることができる。 In addition, in order to further improve the low-temperature characteristics of a solid oxide fuel cell using an air electrode composed of the above-mentioned materials, a method of providing a mixture of perovskite oxide particles and ceria compounds in the vicinity of an electrolyte is known. (See Non-Patent Document 2). By forming the air electrode in a state where the perovskite oxide powder (powder) and the fine powder of the ceria compound are mixed, the active area of the electrode generated at the junction between the electrolyte and the air electrode is increased, and the electrode It is possible to reduce the interface resistance.
セリア化合物は、上述したCo系およびFe系空気極材料との反応劣化が起こりにくいため、空気極に混合ずる材料として適している。この混合体よりなる空気極では、ペロブスカイト型酸化物の粒子がセリア化合物の粒子で覆われる配置となり、電解質を構成しているジルコニア系材料の部分とペロブスカイト型酸化物材料との直接の接触を抑制し、La2Zr2O7などの有害なジルコニアとの反応生成物の生成が抑制されるようになる。 The ceria compound is suitable as a material to be mixed with the air electrode because the reaction deterioration with the Co-based and Fe-based air electrode materials described above hardly occurs. In the air electrode composed of this mixture, the perovskite oxide particles are covered with ceria compound particles, and the direct contact between the perovskite oxide material and the zirconia material constituting the electrolyte is suppressed. In addition, formation of reaction products with harmful zirconia such as La 2 Zr 2 O 7 is suppressed.
加えて、上述したセリア化合物としてプラセオジム(Pr)が添加されたセリウム酸化物を用いることで、出力電圧が向上する可能性がある。 In addition, the output voltage may be improved by using cerium oxide to which praseodymium (Pr) is added as the above-described ceria compound.
しかしながら、Prを添加する場合、この添加量が5at%を超えて多くなると、熱膨張計数が非常に大きくなり、運転停止などに伴う温度変化により、セルに亀裂や剥離を起こす場合が発生するという問題がある。 However, when Pr is added, if the amount added exceeds 5 at%, the thermal expansion coefficient becomes very large, and the cell may be cracked or peeled off due to a temperature change caused by an operation stop or the like. There's a problem.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、空気極材料に5at%を超えてPrを添加しても、亀裂や剥離などの問題の発生が抑制できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and even if Pr is added to the air electrode material in excess of 5 at%, the occurrence of problems such as cracks and peeling can be suppressed. The purpose is to do.
本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、燃料極,電解質,および空気極を備える固体酸化物形燃料電池において、空気極が、電解質の側に配置されて(Ce1-yLny)1-x-zPrxMzO2(Ln=Sm,Gd,Y、M=Nb,Ta、0.05≦x≦1.0、0≦y≦0.5、x/20≦z≦x/5)を含む第1層と、この第1層に接して配置され、ペロブスカイト型の金属酸化物から構成された第2層とを備える。 Solid oxide fuel cell according to the present invention, a fuel electrode, an electrolyte, and the solid oxide fuel cell comprising an air electrode, air electrode, is disposed on the side of the electrolyte (Ce 1-y Ln y) 1 -xz Pr x M z O 2 (Ln = Sm, Gd, Y, M = Nb, Ta, 0.05 ≦ x ≦ 1.0, 0 ≦ y ≦ 0.5, x / 20 ≦ z ≦ x / 5 And a second layer that is disposed in contact with the first layer and is made of a perovskite-type metal oxide.
上記固体酸化物形燃料電池において、第1層は、(Ce1-yLny)1-x-zPrxMzO2に加えてペロブスカイト型の金属酸化物が混合されて構成されていてもよい。なお、電解質と空気極との間に配置されてプラセオジム以外の希土類が添加されたセリウム酸化物より構成された中間層を備えるようにしてもよい。 In the solid oxide fuel cell, the first layer may be constituted by mixed (Ce 1-y Ln y) 1-xz Pr x M z in addition to O 2 metal oxide having a perovskite . In addition, you may make it provide the intermediate | middle layer comprised from the cerium oxide which is arrange | positioned between electrolyte and an air electrode, and added rare earths other than praseodymium.
以上説明したように、本発明によれば、空気極に(Ce1-yLny)1-x-zPrxMzO2(Ln=Sm,Gd,Y、M=Nb,Ta、0.05≦x≦1.0、0≦y≦0.5、x/20≦z≦x/5)を用いるようにしたので、5at%を超えてPrを添加しても、亀裂や剥離などの問題の発生が抑制できるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, the air electrode (Ce 1-y Ln y) 1-xz Pr x M z O 2 (Ln = Sm, Gd, Y, M = Nb, Ta, 0.05 ≤ x ≤ 1.0, 0 ≤ y ≤ 0.5, x / 20 ≤ z ≤ x / 5), so even if Pr exceeds 5 at%, problems such as cracks and peeling It is possible to obtain an excellent effect that the generation of water can be suppressed.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[実施の形態1]
始めに、本発明の実施の形態1について図1を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態1における固体酸化物形燃料電池の構成例を模式的に示す断面図である。この固体酸化物燃料電池は、ジルコニア系の材料から構成された電解質101と、電解質101の一方の面に形成された燃料極102とを備える。また、本実施の形態の固体酸化物形燃料電池は、電解質101の他方に形成された空気極103を備え、空気極103を、電解質101の側の第1層103aと、電解質101とは反対側の第1層103aの上に形成される第2層103bとから構成している。また、本実施の形態では、電解質101と空気極103との間に配置され、Pr以外の希土類が添加されたセリウム酸化物より構成された中間層104を備える。
[Embodiment 1]
First, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of a solid oxide fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention. This solid oxide fuel cell includes an
本実施の形態において、まず、第1層103aは、(Ce1-yLny)1-x-zPrxMzO2から構成する。ここで、Lnは、サマリウム(Sm),ガドリニウム(Gd),およびイットリウム(Y)のいずれかであり、Mは、ニオブ(Nb)もしくはタンタル(Ta)であり、0.05≦x≦1.0、0≦y≦0.5、およびx/20≦z≦x/5である。
In this embodiment, first, the
次に、第2層103bは、LaNi0.6Fe0.4O3(LNF),La0.5Sr0.5CoO3(LSC),La0.8Sr0.2Fe0.8Co0.2O3(LSCF),La0.8Sr0.2FeO3(LSF),La0.8Sr0.2Mn(LSM),およびSm0.5Sr0.5CoO3(SSC)などのペロブスカイト型酸化物から構成する。このように、空気極103(第1層103a)にプラセオジム(Pr)を添加したセリウム酸化物を用いる場合、このセリウム酸化物にNbを添加して用いることで、Prを5at%を超えて添加しても、熱膨張計数を低減することが可能となる。
Next, the
なお、電解質101は、例えば、酸化スカンジウム(Sc2O3)および酸化アルミニウム(Al2O3)安定化ZrO2(SASZ),イットリア安定化ジルコニア(YSZ),スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)などのジルコニア材料の粉体(粉末)の焼結体から構成されていればよい。また、燃料極102は、例えば、ニッケル−イットリア安定化ジルコニアサーメット(Ni−YSZ),ニッケル−スカンジア安定化ジルコニア(Ni−ScSZ)などの、電解質101を構成する酸化物材料に金属ニッケルが混合された電子伝導性を有する金属−酸化物混合体(サーメット)の粉体の焼結体から構成されていればよい。
The
また、中間層104は、Ce0.9Gd0.1O2(GdDC)から構成する。中間層104は、例えば、GdDC(Ce0.9Gd0.1O2)の粉体の焼結体から構成されていればよい。このように中間層104を設けることで、電解質101を構成しているジルコニアと空気極103を構成しているLaやPrとの焼成時における反応を効率よく抑制することができ、固体酸化物形燃料電池(空気極/電解質)における界面抵抗をより抑制できるようになる。なお、なお、空気極103に中間層104を含めた全体で、空気極として機能するものと考えることもできる。
The
また、これらの各層は、よく知られているように、粉体もしくは混合粉体のスラリを作製し、ドクターブレード法による成形やスクリーン印刷法による塗布で、スラリの膜(層)を形成し、これを1000〜1200℃で焼成することで作製することができる。なお、都市ガスなどの炭化水素ガスを改質して得られた水素を含む燃料ガスが燃料極102に供給され、酸化剤ガスとしての酸素を含む空気が空気極103に供給されることで、発電動作が行われる。
In addition, as is well known, each of these layers produces a slurry of powder or mixed powder, and forms a slurry film (layer) by molding by a doctor blade method or application by a screen printing method, This can be produced by firing at 1000 to 1200 ° C. In addition, fuel gas containing hydrogen obtained by reforming hydrocarbon gas such as city gas is supplied to the
次に、実際に作製した固体酸化物形燃料電池の単セルにおける特性測定結果について、以下に説明する。 Next, the characteristic measurement result in the single cell of the actually produced solid oxide fuel cell will be described below.
[測定方法]
始めに、測定について説明する。後述するように各々作製した試料セルにおいて、電極性能の指標である界面抵抗を交流インピーダンス法で測定する。測定時は、開放電圧の条件で行い、空気極と燃料極との間に微小な交流信号を印加し、空気極と参照極(燃料極)との間の微小電位変化を測定し、この測定結果よりインピーダンスを求める(3端子交流インピーダンス法)。なお、測定において、電気炉で、各試料を800℃に加熱し、燃料極には加湿水素ガスを燃料ガスとして供給し、参照極および空気極には空気を供給した。また、開放起電力としては、800℃で1.13V以上の値が得られる。
[Measuring method]
First, measurement will be described. As will be described later, in each of the fabricated sample cells, the interfacial resistance, which is an index of electrode performance, is measured by an AC impedance method. At the time of measurement, it is performed under the condition of an open circuit voltage, a minute AC signal is applied between the air electrode and the fuel electrode, and a minute electric potential change between the air electrode and the reference electrode (fuel electrode) is measured. The impedance is obtained from the result (3-terminal AC impedance method). In the measurement, each sample was heated to 800 ° C. in an electric furnace, humidified hydrogen gas was supplied as a fuel gas to the fuel electrode, and air was supplied to the reference electrode and the air electrode. Moreover, as an open electromotive force, the value of 1.13V or more is obtained at 800 degreeC.
[セルの作製]
次に、試料となる固体酸化物形燃料電池セルの単セルの作製について説明する。まず、よく知られたドクターブレード法でシート状に成形して焼成したSc2O3,Al2O3添加ジルコニア(0.89ZrO2−0.10Sc2O3−0.01Al2O3:SASZ)からなる電解質基板を用意する。電解質基板は、厚さ0.2mmに形成する。次に、8mol%Y2O3が添加された平均粒径が約0.3μmのジルコニアの粉体(40wt%)に平均粒径が0.8μmのNiO粉体(60wt%)を混合した混合粉体のスラリを作製し、このスラリを上述した電解質基板の一方の面に、よく知られたスクリーン印刷法により塗布して燃料極塗布膜を形成する。加えて、この燃料極塗布膜の上に白金のメッシュよりなる集電体を配置し、これらを、1400℃・4時間の熱処理条件で、空気中で焼成し、上記混合粉体の焼結体からなる厚さ60μmの燃料極が形成された状態とする。
[Production of cell]
Next, production of a single cell of a solid oxide fuel cell serving as a sample will be described. First, well known Sc 2 O 3 obtained by firing molded into a sheet by a doctor blade method, Al 2 O 3 doped zirconia (0.89ZrO 2 -0.10Sc 2 O 3 -0.01Al 2 O 3: SASZ An electrolyte substrate is prepared. The electrolyte substrate is formed to a thickness of 0.2 mm. Next, a mixture of zirconia powder (40 wt%) with an average particle diameter of about 0.3 μm added with 8 mol% Y 2 O 3 and NiO powder (60 wt%) with an average particle diameter of 0.8 μm was mixed. A slurry of powder is prepared, and this slurry is applied to one surface of the above-described electrolyte substrate by a well-known screen printing method to form a fuel electrode coating film. In addition, a current collector made of platinum mesh is disposed on the fuel electrode coating film, and these are fired in air under a heat treatment condition of 1400 ° C. for 4 hours. It is assumed that a fuel electrode having a thickness of 60 μm is formed.
次に、平均粒径が0.2μmのGdDC粉体のスラリを作製し、このスラリを、上述した電解質基板の他方の面にスクリーン印刷法により塗布して中間層塗布膜を形成する。これを1200℃の熱処理条件で焼成し、膜厚4μmの中間層を形成する。これは、Pr以外の希土類が添加されたセリウム酸化物(GdDC)より構成された中間層となる。 Next, a slurry of GdDC powder having an average particle size of 0.2 μm is prepared, and this slurry is applied to the other surface of the above-described electrolyte substrate by a screen printing method to form an intermediate layer coating film. This is fired under heat treatment conditions of 1200 ° C. to form an intermediate layer having a thickness of 4 μm. This is an intermediate layer made of cerium oxide (GdDC) to which a rare earth other than Pr is added.
次に、平均粒径が0.2μmの(Ce1-yLny)1-x-zPrxMzO2粉体のスラリを作製し、このスラリを、上述した電解質基板の他方の面にスクリーン印刷法により塗布して乾燥し、第1層塗布膜を形成する。次いで、平均粒径が1.0μmのLaNi0.6Fe0.4O3(LNF)粉体のスラリを作製し、このスラリを上述した第1層塗布膜の上にスクリーン印刷法により塗布して乾燥し、第2層塗布膜が形成された状態とする。LNFの代わりに、LSC,LSCF,LSF,LSM,およびSSCのいずれかを用いてもよい。この後、第1層塗布膜および第2層塗布膜が形成された電解質基板を、1100℃・2時間の熱処理条件で焼成し、上記粉体の焼結体からなる空気極が形成された状態とする。空気極の上にPtペーストを塗布してこの上にPtメッシュ集電体をのせ、1000℃・2時間の熱処理条件で焼成する。 Then, the average particle diameter is 0.2μm in the (Ce 1-y Ln y) 1-xz Pr x M z O 2 to produce a powder slurry, screen the slurry, on the other surface of the electrolyte substrate as described above The first layer coating film is formed by applying and drying by a printing method. Next, a slurry of LaNi 0.6 Fe 0.4 O 3 (LNF) powder having an average particle diameter of 1.0 μm is prepared, and this slurry is applied on the first layer coating film by the screen printing method and dried. The second layer coating film is formed. Instead of LNF, any one of LSC, LSCF, LSF, LSM, and SSC may be used. Thereafter, the electrolyte substrate on which the first layer coating film and the second layer coating film are formed is baked under heat treatment conditions of 1100 ° C. for 2 hours, and an air electrode made of a sintered body of the powder is formed. And A Pt paste is applied on the air electrode, a Pt mesh current collector is placed on the Pt paste, and fired under heat treatment conditions of 1000 ° C. for 2 hours.
このようにして形成した単セルは、図2の斜視図に示すように、1辺30mmの正方形の板状に形成された電解質基板201の上に、直径10mmの円盤に形成された空気極202が配置された状態としている。図2において、電解質基板201の下に配置される燃料極は、図示せずに省略している。また、この単セルは、電解質基板201の周辺部に白金からなる参照極203を備え、これに接続した状態で前述した測定を行う。また、各試料は、試験前に、熱サイクル耐性試験とし、室温から800℃の間で、20℃/minの昇温および降温させる熱サイクルを10回行う。
As shown in the perspective view of FIG. 2, the unit cell formed in this way is formed on a disk having a diameter of 10 mm on an
[実施例1]
次に、実施例1として、試料となる固体酸化物形燃料電池セル(試料セル:#-1-1-0〜#-1-1-3,#-1-2-0〜#-1-2-3,#-1-3-0〜#-1-3-3,#-2-1-0〜#-2-1-3,#-2-2-0〜#-2-2-3,#-2-3-0〜#-2-3-3,#-3-1-0〜#-3-1-3,#-3-2-0〜#-3-2-3,#-3-3-0〜#-3-3-3)の作製について説明する。この試料セルは、上述した試料セルの空気極(第1層)作製に用いた(Ce1-yLny)1-x-zPrxMzO2をLn=Gdとし、M=Nbとしたものである(NbPrGdDC)。また、NbおよびPrの組成比を変化させたものである。組成比は、NbO5/2とPrO11/6とGdO3/2とCeO2との割合で示している。
[Example 1]
Next, as Example 1, sample solid oxide fuel cells (sample cells: # -1-1-0 to # -1-1-3, # -1-2-0 to # -1- 2-3, #-1-3-0 to # -1-3-3, #-2-1-0 to # -2-1-3, #-2-2-0 to # -2-2- 3, # -2-3-0 to # -2-3-3, # -3-1-0 to # -3-1-3, # -3-2-0 to # -3-2-3, Production of # -3-3-0 to # -3-3-3) will be described. What the sample cell, the air electrode of the above sample cell used in the (first layer) prepared (Ce 1-y Ln y) 1-xz Pr x M z O 2 and Ln = Gd, and the M = Nb (NbPrGdDC). Further, the composition ratio of Nb and Pr is changed. The composition ratio is shown as a ratio of NbO 5/2 , PrO 11/6 , GdO 3/2, and CeO 2 .
ここで、試料セル(#-1-1-0,#-1-2-0,#-1-3-0,#-2-1-0,#-2-2-0,#-2-3-0,#-3-1-0,#-3-2-0,#-3-3-0)は、Nbを添加せずに作製した比較試料である。実施例1の単セルは、電解質の側より、「GdDCからなる中間層/(Ce1-yGdy)1-x-zPrxNbzO2からなる第1層/LNFからなる第2層」の構成となっている。 Here, sample cells (# -1-1-0, #-1-2-0, #-1-3-0, #-2-1-0, #-2-2-0, #-2- 3-0, # -3-1-0, # -3-2-0, # -3-3-0) are comparative samples prepared without adding Nb. The unit cell of Example 1, from the side of the electrolyte, "intermediate layer / (Ce 1-y Gd y ) 1-xz Pr x Nb z O 2 consisting of a first layer / LNF composed of a second layer of GdDC" It becomes the composition of.
これらの試料セルにおいて前述した測定を行うと、以下の表−1−1,表−1−2,表−1−3,に示すように、比較試料セル(#-1-1-0,#-1-2-0,#-1-3-0,#-2-1-0,#-2-2-0,#-2-3-0,#-3-1-0,#-3-2-0,#-3-3-0)は、Prの添加量が少ない#-1-1-0,#-2-1-0,#-3-1-0を除き、かなり大きな界面抵抗値を示している。これは、上述した熱サイクル耐性試験により、空気極にクラックなどが生じたための劣化と考えられる。 When the above-described measurement is performed in these sample cells, as shown in Table 1-1, Table-1-2, and Table 1-3, the comparative sample cells (# -1-1-0, # -1-2-0, #-1-3-0, #-2-1-0, #-2-2-0, #-2-3-0, #-3-1-0, #-3 -2-0, #-3-3-0) is a fairly large interface except for # -1-1-0, #-2-1-0, #-3-1-0, where the amount of Pr added is small The resistance value is shown. This is considered to be a deterioration due to the occurrence of cracks or the like in the air electrode by the heat cycle resistance test described above.
上述した比較試料セルに対し、いずれの試料セル(#-1-1-1〜#-1-1-3,#-1-2-1〜#-1-2-3,#-1-3-1〜#-1-3-3,#-2-1-1〜#-2-1-3,#-2-2-1〜#-2-2-3,#-2-3-1〜#-2-3-3,#-3-1-1〜#-3-1-3,#-3-2-1〜#-3-2-3,#-3-3-1〜#-3-3-3)においても、界面抵抗が低く良好な結果が得られている。 Any sample cell (# -1-1-1 to # -1-1-3, # -1-2-1 to # -1-2-3, # -1-3) -1 to # -1-3-3, # -2-1-1 to # -2-1-3, # -2-2-1 to # -2-2-3, # -2-3-1 ~ # -2-3-3, #-3-1-1 ~ # -3-1-3, #-3-2-1 ~ # -3-2-3, #-3-3-1 ~ # Also in -3-3-3), good results have been obtained with low interface resistance.
[実施例2]
次に、実施例2として、試料となる固体酸化物形燃料電池セル(試料セル:#-4-1-0〜#-4-1-3,#-4-2-0〜#-4-2-3,#-4-3-0〜#-4-3-3,#-5-1-0〜#-5-1-3,#-5-2-0〜#-5-2-3,#-5-3-0〜#-5-3-3,#-6-1-0〜#-6-1-3,#-6-2-0〜#-6-2-3,#-6-3-0〜#-6-3-3)の作製について説明する。この試料セルは、上述した試料セルの空気極(第1層)作製に用いた(Ce1-yLny)1-x-zPrxMzO2をLn=Gdとし、M=Taとしたものである(TaPrGdDC)。また、TaおよびPrの組成比を変化させたものである。組成比は、TaO5/2とPrO11/6とGdO3/2とCeO2との割合で示している。
[Example 2]
Next, as Example 2, a solid oxide fuel cell as a sample (sample cells: # -4-1-0 to # -4-1-3, # -4-2-0 to # -4- 2-3, #-4-3-0 to # -4-3-3, #-5-1-0 to # -5-1-3, #-5-2-0 to # -5-2- 3, #-5-3-0 ~ # -5-3-3, #-6-1-0 ~ # -6-1-3, #-6-2-0 ~ # -6-2-3, Production of # -6-3-0 to # -6-3-3) will be described. What the sample cell, the air electrode of the above sample cell used in the (first layer) prepared (Ce 1-y Ln y) 1-xz Pr x M z O 2 and Ln = Gd, and the M = Ta (TaPrGdDC). Further, the composition ratio of Ta and Pr is changed. The composition ratio is shown by the ratio of TaO 5/2 , PrO 11/6 , GdO 3/2 and CeO 2 .
ここで、試料セル(#-4-1-0,#-4-2-0,#-4-3-0,#-5-1-0,#-5-2-0,#-5-3-0,#-6-1-0,#-6-2-0,#-6-3-0)は、Taを添加せずに作製した比較試料である。実施例2の単セルは、電解質の側より、「GdDCからなる中間層/(Ce1-yGdy)1-x-zPrxTazO2からなる第1層/LNFからなる第2層」の構成となっている。 Here, sample cells (# -4-1-0, #-4-2-0, #-4-3-0, #-5-1-0, #-5-2-0, #-5- 3-0, # -6-1-0, # -6-2-0, # -6-3-0) are comparative samples prepared without adding Ta. The single cell of Example 2, from the side of the electrolyte, "intermediate layer / (Ce 1-y Gd y ) 1-xz Pr x Ta z O 2 consisting of a first layer / LNF composed of a second layer of GdDC" It becomes the composition of.
これらの試料セルにおいて前述した測定を行うと、以下の表−2−1,表−2−2,表−2−3,に示すように、比較試料セル(#-4-1-0,#-4-2-0,#-4-3-0,#-5-1-0,#-5-2-0,#-5-3-0,#-6-1-0,#-6-2-0,#-6-3-0)は、Prの添加量が少ない#-4-1-0,#-5-1-0,#-6-1-0を除き、かなり大きな界面抵抗値を示している。これは、上述した熱サイクル耐性試験により、空気極にクラックなどが生じたための劣化と考えられる。 When the above-described measurement was performed in these sample cells, as shown in Table 2-1-1, Table 2-2, and Table 2-3-3, the comparative sample cells (# -4-1-0, # -4-2-0, #-4-3-0, #-5-1-0, #-5-2-0, #-5-3-0, #-6-1-0, #-6 -2-0, #-6-3-0) is a fairly large interface except for # -4-1-0, #-5-1-0, #-6-1-0 where the amount of Pr added is small The resistance value is shown. This is considered to be a deterioration due to the occurrence of cracks or the like in the air electrode by the heat cycle resistance test described above.
上述した比較試料セルに対し、いずれの試料セル(#-4-1-1〜#-4-1-3,#-4-2-1〜#-4-2-3,#-4-3-1〜#-4-3-3,#-5-1-1〜#-5-1-3,#-5-2-1〜#-5-2-3,#-5-3-1〜#-5-3-3,#-6-1-1〜#-6-1-3,#-6-2-1〜#-6-2-3,#-6-3-1〜#-6-3-3)においても、界面抵抗が低く良好な結果が得られている。 Any sample cell (# -4-1-1 to # -4-1-3, # -4-2-1 to # -4-2-3, # -4-3) -1 to # -4-3-3, # -5-1-1 to # -5-1-3, # -5-2-1 to # -5-2-3, # -5-3-1 ~ # -5-3-3, #-6-1-1 ~ # -6-1-3, #-6-2-1 ~ # -6-2-3, #-6-3-1 ~ # -6-3-3) also shows good results with low interface resistance.
[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2について図3を用いて説明する。図3は、本発明の実施の形態2における固体酸化物形燃料電池の構成例を模式的に示す断面図である。この固体酸化物燃料電池は、ジルコニア系の材料から構成された電解質101と、電解質101の一方の面に形成された燃料極102とを備える。これらは、前述した実施の形態1と同様である。また、本実施の形態の固体酸化物形燃料電池は、電解質101の他方に形成された空気極303を備え、空気極303を、電解質101の側の第1層303aと、電解質101とは反対側の第1層303aの上に形成される第2層303bとから構成している。また、本実施の形態では、電解質101と空気極303との間に配置され、Pr以外の希土類が添加されたセリウム酸化物より構成された中間層104を備える。
[Embodiment 2]
Next, Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of the solid oxide fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention. This solid oxide fuel cell includes an
本実施の形態において、まず、第1層303aは、(Ce1-yLny)1-x-zPrxMzO2およびLNFなどのペロブスカイト型酸化物から構成する。ここで、Lnは、Sm,Gd,およびYのいずれかであり、Mは、NbもしくはTaであり、0.05≦x≦1.0、0≦y≦0.5、およびx/20≦z≦x/5である。また、ペロブスカイト型酸化物は、LNFに限らず、LSC,LSCF,LSF,LSM,およびSSCのいずれかであればよい。また、第2層303bは、LNF,LSC,LSCF,LSF,LSM,およびSSCなどのペロブスカイト型酸化物から構成する。
In this embodiment, first, the
このように、空気極303(第1層303a)にプラセオジム(Pr)を添加したセリウム酸化物を用いる場合、このセリウム酸化物にNbを添加して用いることで、Prを5at%を超えて添加しても、熱膨張計数を低減することが可能となる。
Thus, when using the cerium oxide which added praseodymium (Pr) to the air electrode 303 (
これらの各層は、よく知られているように、粉体もしくは混合粉体のスラリを作製し、ドクターブレード法による成形やスクリーン印刷法による塗布で、スラリの膜(層)を形成し、これを1000〜1200℃で焼成することで作製することができる。なお、都市ガスなどの炭化水素ガスを改質して得られた水素を含む燃料ガスが燃料極102に供給され、酸化剤ガスとしての酸素を含む空気が空気極303に供給されることで、発電動作が行われる。
As is well known, each of these layers produces a slurry of powder or mixed powder, and forms a slurry film (layer) by molding by the doctor blade method or application by the screen printing method. It can produce by baking at 1000-1200 degreeC. A fuel gas containing hydrogen obtained by reforming a hydrocarbon gas such as city gas is supplied to the
次に、実際に作製した固体酸化物形燃料電池の単セルにおける特性測定結果について、以下に説明する。 Next, the characteristic measurement result in the single cell of the actually produced solid oxide fuel cell will be described below.
[測定方法]
まず、測定について説明する。後述するように各々作製した試料セルにおいて、電極性能の指標である界面抵抗を交流インピーダンス法で測定する。測定時は、開放電圧の条件で行い、空気極と燃料極との間に微小な交流信号を印加し、空気極と参照極(燃料極)との間の微小電位変化を測定し、この測定結果よりインピーダンスを求める(3端子交流インピーダンス法)。なお、測定において、電気炉で、各試料を800℃に加熱し、燃料極には加湿水素ガスを燃料ガスとして供給し、参照極および空気極には空気を供給した。また、開放起電力としては、800℃で1.13V以上の値が得られる。
[Measuring method]
First, the measurement will be described. As will be described later, in each of the fabricated sample cells, the interfacial resistance, which is an index of electrode performance, is measured by an AC impedance method. At the time of measurement, it is performed under the condition of an open circuit voltage, a minute AC signal is applied between the air electrode and the fuel electrode, and a minute electric potential change between the air electrode and the reference electrode (fuel electrode) is measured. The impedance is obtained from the result (3-terminal AC impedance method). In the measurement, each sample was heated to 800 ° C. in an electric furnace, humidified hydrogen gas was supplied as a fuel gas to the fuel electrode, and air was supplied to the reference electrode and the air electrode. Moreover, as an open electromotive force, the value of 1.13V or more is obtained at 800 degreeC.
[セルの作製]
次に、試料となる固体酸化物形燃料電池セルの単セルの作製について説明する。まず、よく知られたドクターブレード法でシート状に成形して焼成したSc2O3,Al2O3添加ジルコニア(0.89ZrO2−0.10Sc2O3−0.01Al2O3:SASZ)からなる電解質基板を用意する。電解質基板は、厚さ0.2mmに形成する。次に、8mol%Y2O3が添加された平均粒径が約0.3μmのジルコニアの粉体(40wt%)に平均粒径が0.8μmのNiO粉体(60wt%)を混合した混合粉体のスラリを作製し、このスラリを上述した電解質基板の一方の面に、よく知られたスクリーン印刷法により塗布して燃料極塗布膜を形成する。加えて、この燃料極塗布膜の上に白金のメッシュよりなる集電体を配置し、これらを、1400℃・4時間の熱処理条件で、空気中で焼成し、上記混合粉体の焼結体からなる厚さ60μmの燃料極が形成された状態とする。
[Production of cell]
Next, production of a single cell of a solid oxide fuel cell serving as a sample will be described. First, well known Sc 2 O 3 obtained by firing molded into a sheet by a doctor blade method, Al 2 O 3 doped zirconia (0.89ZrO 2 -0.10Sc 2 O 3 -0.01Al 2 O 3: SASZ An electrolyte substrate is prepared. The electrolyte substrate is formed to a thickness of 0.2 mm. Next, a mixture of zirconia powder (40 wt%) with an average particle diameter of about 0.3 μm added with 8 mol% Y 2 O 3 and NiO powder (60 wt%) with an average particle diameter of 0.8 μm was mixed. A slurry of powder is prepared, and this slurry is applied to one surface of the above-described electrolyte substrate by a well-known screen printing method to form a fuel electrode coating film. In addition, a current collector made of platinum mesh is disposed on the fuel electrode coating film, and these are fired in air under a heat treatment condition of 1400 ° C. for 4 hours. It is assumed that a fuel electrode having a thickness of 60 μm is formed.
次に、平均粒径が0.2μmのGdDC粉体のスラリを作製し、このスラリを、上述した電解質基板の他方の面にスクリーン印刷法により塗布して中間層塗布膜を形成する。これを1200℃の熱処理条件で焼成し、膜厚4μmの中間層を形成する。これは、Pr以外の希土類が添加されたセリウム酸化物(GdDC)より構成された中間層となる。 Next, a slurry of GdDC powder having an average particle size of 0.2 μm is prepared, and this slurry is applied to the other surface of the above-described electrolyte substrate by a screen printing method to form an intermediate layer coating film. This is fired under heat treatment conditions of 1200 ° C. to form an intermediate layer having a thickness of 4 μm. This is an intermediate layer made of cerium oxide (GdDC) to which a rare earth other than Pr is added.
次に、平均粒径が0.2μmの(Ce1-yLny)1-x-zPrxMzO2粉体と平均粒径が1.0μmのLNF粉体との混合粉体(混合比は、30wt%:70wt%〜70wt%:30wt%の程度が好ましい)のスラリを作製し、このスラリを、上述した電解質基板の他方の面にスクリーン印刷法により塗布して乾燥し、第1層塗布膜を形成する。LNFの代わりに、LSC,LSCF,LSF,LSM,およびSSCのいずれかを用いてもよい。 Then, the average particle diameter is 0.2μm (Ce 1-y Ln y ) 1-xz Pr x M z O 2 powder and mixed powder having an average particle size of the 1.0 .mu.m LNF powder (mixing ratio Is preferably 30 wt%: 70 wt% to 70 wt%: 30 wt%), and this slurry is applied to the other surface of the electrolyte substrate by the screen printing method and dried to form the first layer. A coating film is formed. Instead of LNF, any one of LSC, LSCF, LSF, LSM, and SSC may be used.
次いで、平均粒径が1.0μmのLNF粉体のスラリを作製し、このスラリを上述した第1層塗布膜の上にスクリーン印刷法により塗布して乾燥し、第2層塗布膜が形成された状態とする。LNFの代わりに、LSC,LSCF,LSF,LSM,およびSSCのいずれかを用いてもよい。この後、第1層塗布膜および第2層塗布膜が形成された電解質基板を、1100℃・2時間の熱処理条件で焼成し、上記粉体の焼結体からなる空気極が形成された状態とする。空気極の上にPtペーストを塗布してこの上にPtメッシュ集電体をのせ、1000℃・2時間の熱処理条件で焼成する。 Next, a slurry of LNF powder having an average particle diameter of 1.0 μm is prepared, and this slurry is applied on the first layer coating film by the screen printing method and dried to form a second layer coating film. State. Instead of LNF, any one of LSC, LSCF, LSF, LSM, and SSC may be used. Thereafter, the electrolyte substrate on which the first layer coating film and the second layer coating film are formed is baked under heat treatment conditions of 1100 ° C. for 2 hours, and an air electrode made of a sintered body of the powder is formed. And A Pt paste is applied on the air electrode, a Pt mesh current collector is placed on the Pt paste, and fired under heat treatment conditions of 1000 ° C. for 2 hours.
このようにして形成した単セルは、図2の斜視図に示すように、1辺30mmの正方形の板状に形成された電解質基板201の上に、直径10mmの円盤に形成された空気極202が配置された状態としている。図2において、電解質基板201の下に配置される燃料極は、図示せずに省略している。また、この単セルは、電解質基板201の周辺部に白金からなる参照極203を備え、これに接続した状態で前述した測定を行う。また、各試料は、試験前に、熱サイクル耐性試験とし、室温から800℃の間で、20℃/minの昇温および降温させる熱サイクルを10回行う。
As shown in the perspective view of FIG. 2, the unit cell formed in this way is formed on a disk having a diameter of 10 mm on an
[実施例3]
次に、実施例3として、試料となる固体酸化物形燃料電池セル(試料セル:#-7-1-0〜#-7-1-3,#-7-2-0〜#-7-2-3,#-7-3-0〜#-7-3-3,#-8-1-0〜#-8-1-3,#-8-2-0〜#-8-2-3,#-8-3-0〜#-8-3-3,#-9-1-0〜#-9-1-3,#-9-2-0〜#-9-2-3,#-9-3-0〜#-9-3-3)の作製について説明する。この試料セルは、上述した試料セルの空気極(第1層)作製に用いた(Ce1-yLny)1-x-zPrxMzO2をLn=Gdとし、M=Nbとしたものである(NbPrGdDC)。また、NbおよびPrの組成比を変化させたものである。組成比は、NbO5/2とPrO11/6とGdO3/2とCeO2との割合で示している。
[Example 3]
Next, as Example 3, a solid oxide fuel cell as a sample (sample cells: # -7-1-0 to # -7-1-3, # -7-2-0 to # -7- 2-3, #-7-3-0 to # -7-3-3, #-8-1-0 to # -8-1-3, #-8-2-0 to # -8-2- 3, #-8-3-0 ~ # -8-3-3, #-9-1-0 ~ # -9-1-3, #-9-2-0 ~ # -9-2-3, Production of # -9-3-0 to # -9-3-3) will be described. What the sample cell, the air electrode of the above sample cell used in the (first layer) prepared (Ce 1-y Ln y) 1-xz Pr x M z O 2 and Ln = Gd, and the M = Nb (NbPrGdDC). Further, the composition ratio of Nb and Pr is changed. The composition ratio is shown as a ratio of NbO 5/2 , PrO 11/6 , GdO 3/2, and CeO 2 .
ここで、試料セル(#-7-1-0,#-7-2-0,#-7-3-0,#-8-1-0,#-8-2-0,#-8-3-0,#-9-1-0,#-9-2-0,#-9-3-0)は、Nbを添加せずに作製した比較試料である。実施例3の単セルは、電解質の側より、「GdDCからなる中間層/(Ce1-yGdy)1-x-zPrxNbzO2およびLNFからなる第1層/LNFからなる第2層」の構成となっている。 Here, the sample cells (# -7-1-0, #-7-2-0, #-7-3-0, #-8-1-0, #-8-2-0, #-8- 3-0, # -9-1-0, # -9-2-0, # -9-3-0) are comparative samples prepared without adding Nb. The single cell of Example 3 is, from the electrolyte side, “an intermediate layer made of GdDC / (Ce 1-y Gd y ) 1-xz Pr x Nb z O 2 and second layer made of LNF / second made of LNF. It has a “layer” configuration.
これらの試料セルにおいて前述した測定を行うと、以下の表−3−1,表−3−2,表−3−3,に示すように、比較試料セル(#-7-1-0,#-7-2-0,#-7-3-0,#-8-1-0,#-8-2-0,#-8-3-0,#-9-1-0,#-9-2-0,#-9-3-0)は、Prの添加量が少ない#-7-1-0,#-8-1-0,#-9-1-0を除き、比較的大きな界面抵抗値を示している。これは、上述した熱サイクル耐性試験により、空気極にクラックなどが生じたための劣化と考えられる。 When the above-described measurement is performed in these sample cells, as shown in Tables 3-1 to 3-2 and Tables 3-3 below, comparative sample cells (# -7-1-0, # -7-2-0, #-7-3-0, #-8-1-0, #-8-2-0, #-8-3-0, #-9-1-0, #-9 -2-0, # -9-3-0) is relatively large except for # -7-1-0, # -8-1-0, # -9-1-0, where the amount of Pr added is small The interface resistance value is shown. This is considered to be a deterioration due to the occurrence of cracks or the like in the air electrode by the heat cycle resistance test described above.
上述した比較試料セルに対し、いずれの試料セル(#-7-1-1〜#-7-1-3,#-7-2-1〜#-7-2-3,#-7-3-1〜#-7-3-3,#-8-1-1〜#-8-1-3,#-8-2-1〜#-8-2-3,#-8-3-1〜#-8-3-3,#-9-1-1〜#-9-1-3,#-9-2-1〜#-9-2-3,#-9-3-1〜#-9-3-3)においても、界面抵抗が低く良好な結果が得られている。なお、表−3−1,表−3−2,表−3−3,において、NbPrGdDCとLNFとの混合比は、50wt%:50wt%である。 Any sample cell (# -7-1-1 to # -7-1-3, # -7-2-1 to # -7-2-3, # -7-3) -1 to # -7-3-3, # -8-1-1 to # -8-1-3, # -8-2-1 to # -8-2-3, # -8-3-1 ~ # -8-3-3, #-9-1-1 ~ # -9-1-3, #-9-2-1 ~ # -9-2-3, #-9-3-1 ~ # -9-3-3) shows good results with low interface resistance. In Table-3-1, Table-3-2, and Table-3-3, the mixing ratio of NbPrGdDC and LNF is 50 wt%: 50 wt%.
[実施例4]
次に、実施例4として、試料となる固体酸化物形燃料電池セル(試料セル:#-10-1-0〜#-10-1-3,#-10-2-0〜#-10-2-3,#-10-3-0〜#-10-3-3,#-11-1-0〜#-11-1-3,#-11-2-0〜#-11-2-3,#-11-3-0〜#-11-3-3,#-12-1-0〜#-12-1-3,#-12-2-0〜#-12-2-3,#-12-3-0〜#-12-3-3)の作製について説明する。この試料セルは、上述した試料セルの空気極(第1層)作製に用いた(Ce1-yLny)1-x-zPrxMzO2をLn=Gdとし、M=Taとしたものである(TaPrGdDC)。また、TaおよびPrの組成比を変化させたものである。組成比は、TaO5/2とPrO11/6とGdO3/2とCeO2との割合で示している。
[Example 4]
Next, as Example 4, a solid oxide fuel cell as a sample (sample cells: # -10-1-0 to # -10-1-3, # -10-2-0 to # -10- 2-3, #-10-3-0 to # -10-3-3, #-11-1-0 to # -11-1-3, #-11-2-0 to # -11-2- 3, #-11-3-0 to # -11-3-3, #-12-1-0 to # -12-1-3, #-12-2-0 to # -12-2-3, The production of # -12-3-0 to # -12-3-3) will be described. What the sample cell, the air electrode of the above sample cell used in the (first layer) prepared (Ce 1-y Ln y) 1-xz Pr x M z O 2 and Ln = Gd, and the M = Ta (TaPrGdDC). Further, the composition ratio of Ta and Pr is changed. The composition ratio is shown by the ratio of TaO 5/2 , PrO 11/6 , GdO 3/2 and CeO 2 .
ここで、試料セル(#-10-1-0,#-10-2-0,#-10-3-0,#-11-1-0,#-11-2-0,#-11-3-0,#-12-1-0,#-12-2-0,#-12-3-0)は、Taを添加せずに作製した比較試料である。実施例4の単セルは、電解質の側より、「GdDCからなる中間層/(Ce1-yGdy)1-x-zPrxTazO2およびLNFからなる第1層/LNFからなる第2層」の構成となっている。 Here, sample cells (# -10-1-0, #-10-2-0, #-10-3-0, #-11-1-0, #-11-2-0, #-11- 3-0, # -12-1-0, # -12-2-0, # -12-3-0) are comparative samples prepared without adding Ta. The unit cell of Example 4, from the side of the electrolyte, "intermediate layer / (Ce 1-y Gd y ) 1-xz Pr x Ta z O 2 and the second consisting of a first layer / LNF consisting LNF consisting GdDC It has a “layer” configuration.
これらの試料セルにおいて前述した測定を行うと、以下の表−4−1,表−4−2,表−4−3,に示すように、比較試料セル(#-10-1-0,#-10-2-0,#-10-3-0,#-11-1-0,#-11-2-0,#-11-3-0,#-12-1-0,#-12-2-0,#-12-3-0)は、Prの添加量が少ない#-10-1-0,#-11-1-0,#-12-1-0を除き、比較的大きな界面抵抗値を示している。これは、上述した熱サイクル耐性試験により、空気極にクラックなどが生じたための劣化と考えられる。 When the above-described measurements were performed on these sample cells, as shown in the following Table-4-1, Table-4-2, and Table-4-3, the comparative sample cells (# -10-1-0, # -10-2-0, #-10-3-0, #-11-1-0, #-11-2-0, #-11-3-0, #-12-1-0, #-12 -2-0, #-12-3-0) is relatively large except for # -10-1-0, #-11-1-0, #-12-1-0 where the amount of Pr added is small The interface resistance value is shown. This is considered to be a deterioration due to the occurrence of cracks or the like in the air electrode by the heat cycle resistance test described above.
上述した比較試料セルに対し、いずれの試料セル(#-10-1-1〜#-10-1-3,#-10-2-1〜#-10-2-3,#-10-3-1〜#-10-3-3,#-11-1-1〜#-11-1-3,#-11-2-1〜#-11-2-3,#-11-3-1〜#-11-3-3,#-12-1-1〜#-12-1-3,#-12-2-1〜#-12-2-3,#-12-3-1〜#-12-3-3)においても、界面抵抗が低く良好な結果が得られている。なお、表−4−1,表−4−2,表−4−3において、TaPrGdDCとLNFとの混合比は、50wt%:50wt%である。 Any sample cell (# -10-1-1 to # -10-1-3, # -10-2-1 to # -10-2-3, # -10-3) -1 to # -10-3-3, # -11-1-1 to # -11-1-3, # -11-2-1 to # -11-2-3, # -11-3-1 ~ # -11-3-3, #-12-1-1 ~ # -12-1-3, #-12-2-1 ~ # -12-2-3, #-12-3-1 ~ # -12-3-3) also shows good results with low interface resistance. In Table-4-1, Table-4-2, and Table-4-3, the mixing ratio of TaPrGdDC and LNF is 50 wt%: 50 wt%.
次に、前述した実施の形態1における他の実施例について説明する Next, another example in the first embodiment will be described.
[実施例5]
以下、実施例5として、試料となる固体酸化物形燃料電池セル(試料セル:#-13-1-0〜#-13-5-0,#-13-1-1〜#-13-5-1)の作製について説明する。これらの試料セルは、実施の形態1における第2層103bの材料を、LSC,SSC,LSCF,LSF,LSMに変更して作製したものである。また、また、NbおよびPrの組成比を変化させたものである。組成比は、NbO5/2とPrO11/6とGdO3/2との割合で示している。
[Example 5]
Hereinafter, as Example 5, a solid oxide fuel cell as a sample (sample cells: # -13-1-0 to # -13-5-0, # -13-1-1 to # -13-5 -1) will be described. These sample cells are manufactured by changing the material of the
ここで、試料セル(#-13-1-0〜#-13-5-0)は、Nbを添加せずに作製した比較試料である。実施例5の単セルは、電解質の側より、「GdDCからなる中間層/(Ce1-yGdy)1-x-zPrxNbzO2からなる第1層/LSC,SSC,LSCF,LSF,LSMのいずれかからなる第2層」の構成となっている。 Here, the sample cells (# -13-1-0 to # -13-5-0) are comparative samples prepared without adding Nb. The unit cell of Example 5, from the side of the electrolyte, "consisting GdDC intermediate layer / (Ce 1-y Gd y ) 1-xz Pr x Nb z O 2 consisting of the first layer / LSC, SSC, LSCF, LSF , LSM, or a second layer composed of LSM ”.
これらの試料セルにおいて前述した測定を行うと、以下の表−5−1に示すように、比較試料セル(#-13-1-0〜#-13-5-0)に比較して、試料セル(#-13-1-1〜#-13-5-1)は、界面抵抗が低く良好な結果が得られている。 When the measurement described above was performed in these sample cells, the sample was compared with the comparative sample cells (# -13-1-0 to # -13-5-0) as shown in Table-5-1 below. The cells (# -13-1-1 to # -13-5-1) have good results with low interface resistance.
[実施例6]
以下、実施例6として、試料となる固体酸化物形燃料電池セル(試料セル:#-14-1-0〜#-14-5-0,#-14-1-1〜#-14-5-1)の作製について説明する。これらの試料セルは、実施の形態1における第2層103bの材料を、LSC,SSC,LSCF,LSF,LSMに変更して作製したものである。また、また、TaおよびPrの組成比を変化させたものである。組成比は、TaO5/2とPrO11/6とGdO3/2との割合で示している。
[Example 6]
Hereinafter, as Example 6, solid oxide fuel cells (sample cells: # -14-1-0 to # -14-5-0, # -14-1-1 to # -14-5 as samples) -1) will be described. These sample cells are manufactured by changing the material of the
ここで、試料セル(#-14-1-0〜#-14-5-0)は、Taを添加せずに作製した比較試料である。実施例6の単セルは、電解質の側より、「GdDCからなる中間層/(Ce1-yGdy)1-x-zPrxTazO2からなる第1層/LSC,SSC,LSCF,LSF,LSMのいずれかからなる第2層」の構成となっている。 Here, the sample cells (# -14-1-0 to # -14-5-0) are comparative samples prepared without adding Ta. The unit cell of Example 6, from the side of the electrolyte, "consisting GdDC intermediate layer / (Ce 1-y Gd y ) 1-xz Pr x Ta z O 2 consisting of the first layer / LSC, SSC, LSCF, LSF , LSM, or a second layer composed of LSM ”.
これらの試料セルにおいて前述した測定を行うと、以下の表−6−1に示すように、比較試料セル(#-14-1-0〜#-14-5-0)に比較して、試料セル(#-14-1-1〜#-14-5-1)は、界面抵抗が低く良好な結果が得られている。 When the measurement described above was performed in these sample cells, as shown in Table-6-1 below, the sample was compared with the comparative sample cells (# -14-1-0 to # -14-5-0). The cells (# -14-1-1 to # -14-5-1) have good results with low interface resistance.
以上の実施例より、空気極にPrを添加する場合、空気極を(Ce1-yLny)1-x-zPrxMzO2(Ln=Sm,Gd,Y、M=Nb,Ta、0.05≦x≦1.0、0≦y≦0.5、x/20≦z≦x/5)から構成すれば、空気極の特性が向上することがわかる。前述したように、空気極にPrを添加したセリウム酸化物を用いた場合の熱膨張計数の増大は、温度上昇に伴い、酸化物(Prを添加したセリウム酸化物)中に酸素空孔が大量に作製され、相転移または酸素イオン空孔の会合の解離などが関与しているものと考えられる。従って、Pr,Ceイオンと価数やイオン半径が大きく異なる添加物により、熱膨張計数増大の抑制に効果的であるものと考えられる。また、添加物は、Prを添加したセリウム酸化物中に固溶しなければ効果が得られない。加えて、添加量が多すぎると、空気極におけるイオン伝導度が低下して空気極の特性を劣化させてしまう。ここで、NbおよびTaを検討したところ、上述した添加量の範囲で、固溶し、かつ効果が得られ、熱膨張計数の低減に有効であることが明らかになった。 From the above examples, the case of adding Pr to the air electrode, an air electrode (Ce 1-y Ln y) 1-xz Pr x M z O 2 (Ln = Sm, Gd, Y, M = Nb, Ta, 0.05 ≦ x ≦ 1.0, 0 ≦ y ≦ 0.5, x / 20 ≦ z ≦ x / 5), it can be seen that the characteristics of the air electrode are improved. As described above, when the cerium oxide with Pr added to the air electrode is used, the thermal expansion coefficient increases as the temperature rises, and there is a large amount of oxygen vacancies in the oxide (cerium oxide with Pr added). It is considered that a phase transition or dissociation of association of oxygen ion vacancies is involved. Therefore, it is considered that an additive having greatly different valence and ion radius from Pr and Ce ions is effective in suppressing increase in thermal expansion coefficient. Further, the effect cannot be obtained unless the additive is dissolved in the cerium oxide to which Pr is added. In addition, if the amount added is too large, the ionic conductivity in the air electrode is lowered and the characteristics of the air electrode are deteriorated. Here, when Nb and Ta were examined, it was found that they were dissolved in the range of the addition amount described above, and an effect was obtained, which was effective in reducing the thermal expansion coefficient.
ところで、上述では、電解質との間にPr以外の希土類が添加されたセリウム酸化物より構成された中間層104を設けるようにしたが、必要なものではない。ただし、中間層104を設けることで、空気極側のペロブスカイト型酸化物と電解質側のジルコニアとの接触を避け、電解質と接触している部分にLa2Zr2O7などの絶縁体が形成されることが抑制できるようになる。
In the above description, the
なお、上述した、粒径は、よく知られているレーザー回折散乱法による光強度分布パターンの測定から得られた平均粒子径である。例えば、堀場製作所株式会社製レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置LA−910を用いることで、粒径の測定が可能である。 In addition, the particle diameter mentioned above is an average particle diameter obtained from the measurement of the light intensity distribution pattern by the well-known laser diffraction scattering method. For example, the particle size can be measured by using a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device LA-910 manufactured by HORIBA, Ltd.
101…電解質、102…燃料極、103…空気極、103a…第1層、103b…第2層、104…中間層。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記空気極は、前記電解質の側に配置されて(Ce1-yLny)1-x-zPrxMzO2(Ln=Sm,Gd,Y、M=Nb,Ta、0.05≦x≦1.0、0≦y≦0.5、x/20≦z≦x/5)を含む第1層と、
この第1層に接して配置され、ペロブスカイト型の金属酸化物から構成された第2層とを備える
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 In a solid oxide fuel cell comprising a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode,
The air electrode, wherein disposed on the side of the electrolyte (Ce 1-y Ln y) 1-xz Pr x M z O 2 (Ln = Sm, Gd, Y, M = Nb, Ta, 0.05 ≦ x ≦ 1.0, 0 ≦ y ≦ 0.5, x / 20 ≦ z ≦ x / 5),
A solid oxide fuel cell comprising: a second layer made of a perovskite metal oxide, disposed in contact with the first layer.
前記第1層は、前記(Ce1-yLny)1-x-zPrxMzO2に加えてペロブスカイト型の金属酸化物が混合されて構成されている
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein
The first layer, wherein the (Ce 1-y Ln y) 1-xz Pr x M z in addition to O 2, wherein a metal oxide having a perovskite type is constituted by mixed solid oxide Fuel cell.
前記電解質と前記空気極との間に配置されてプラセオジム以外の希土類が添加されたセリウム酸化物より構成された中間層を備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2,
A solid oxide fuel cell comprising an intermediate layer made of cerium oxide, which is disposed between the electrolyte and the air electrode and to which a rare earth other than praseodymium is added.
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