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JP5345865B2 - Method for producing air electrode for solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell - Google Patents
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Method for producing air electrode for solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell Download PDF

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Description

本発明は、プラセオジムおよびテルビウムのいずれかを含むようにした固体酸化物形燃料電池用空気極の製造方法およびこの製造方法により製造された空気極を備え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 method for manufacturing an air electrode for a solid oxide fuel cell containing either praseodymium or terbium, and a solid oxide fuel cell including an air electrode manufactured by the manufacturing method.

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-YCoY3(LSFC:X=0.1〜0.3,Y=0.1〜0.6,X+Y<0.7)、La1-XSrXCoO3(X=0.1〜0.5)、LaNi1-XFeX3(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La2Zr27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、Ce0.9Gd0.12およびCe0.8Sm0.22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、La2Zr27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)やテルビウム(Tb)が添加されたセリウム酸化物を用いることで、空気極の特性を向上させることが期待できる。   In addition, the use of cerium oxide to which praseodymium (Pr) or terbium (Tb) is added as the above-mentioned ceria compound can be expected to improve the characteristics of the air electrode.

A.Mai, et al. ,"Ferrite-based perovskites as cathode materials for anode-suported solid oxide fuel cells Part II influence of the CGO interlayer", Solid State Ionics 177, pp.2103-2107, 2006.A. Mai, et al., "Ferrite-based perovskites as cathode materials for anode-suported solid oxide fuel cells Part II influence of the CGO recycling", Solid State Ionics 177, pp.2103-2107, 2006. Y.Matsuzaki, et al. ,"Electrochemical properties of reduced-temperature SOFCs with mixed ionic-electronic conductors in electrodes and/or interlayers",Solid State Ionics 152-153, pp.463-468, 2002.Y. Matsuzaki, et al., "Electrochemical properties of reduced-temperature SOFCs with mixed ionic-electronic conductors in electrodes and / or ables", Solid State Ionics 152-153, pp.463-468, 2002.

しかしながら、Prなどを添加しておく場合、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。PrやTbがより多く添加されている状態とすることで、空気極の特性を向上させることが期待できるが、上述したように、添加量の増大により亀裂や剥離などの問題が発生するため、空気極の特性向上に制限がある。   However, when Pr or the like is added, if this addition amount 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 operation stop. There is a problem that occurs. It can be expected to improve the characteristics of the air electrode by adding more Pr and Tb, but as described above, problems such as cracking and peeling occur due to an increase in the addition amount. There is a limit to improving the characteristics of the air electrode.

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、亀裂や剥離などの問題の発生を抑制した状態で、空気極の特性が向上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-described problems, and an object of the present invention is to improve the characteristics of the air electrode while suppressing the occurrence of problems such as cracks and peeling. .

本発明に係る固体酸化物形燃料電池用空気極の製造方法は、金属酸化物を含む焼結体より構成された多孔質状態とした空気極を形成する状態とする第1工程と、プラセオジムおよびテルビウムのいずれかを含む2つ以上の金属元素を含む液体を空気極の多孔質の孔内に含浸する第2工程と、液体が含浸した空気極を加熱することで、液体に含まれている金属元素より構成された酸化物を空気極に導入する第3工程とを少なくとも備え、液体は、プラセオジムおよびテルビウムのいずれかに加えてセリウムを含み、液体に含まれる金属元素の総含有量を1とすると、プラセオジムおよびテルビウムのいずれかは0.02〜1.0の割合の範囲とし、加えて、液体は、サマリウム,ガドリニウム,およびイットリウムの中より選択された希土類元素0〜0.8の割合の範囲で含みかつ、プラセオジムおよびテルビウムのいずれかと希土類元素との合計は、0.05〜1.0の割合の範囲とする。 The method for producing an air electrode for a solid oxide fuel cell according to the present invention includes a first step of forming a porous air electrode composed of a sintered body containing a metal oxide, praseodymium, The second step of impregnating the porous pores of the air electrode with a liquid containing two or more metal elements including any of terbium, and the air electrode impregnated with the liquid is heated to contain the liquid . the oxide which is composed of metal elements comprising at least a third step of introducing the air electrode, the liquid comprises a cell potassium in addition to any of praseodymium and terbium, the total content of metal elements contained in the liquid When 1, or praseodymium and terbium in the range of ratio of 0.02 to 1.0, in addition, liquid, samarium, gadolinium, and the selected rare earth source from among yttrium Hints in the range of ratio of 0-0.8 and the sum of either the rare earth element praseodymium and terbium, the range of ratio of 0.05 to 1.0.

また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、上述した固体酸化物形燃料電池用空気極の製造方法により製造された空気極を備えるものである。   The solid oxide fuel cell according to the present invention includes an air electrode manufactured by the above-described method for manufacturing an air electrode for a solid oxide fuel cell.

以上説明したように、本発明によれば、金属酸化物を含む焼結体より構成された多孔質状態とした空気極に、プラセオジムおよびテルビウムのいずれかを含む2つ以上の金属元素を含む溶液を含浸させるようにしたので、亀裂や剥離などの問題の発生を抑制した状態で、空気極の特性が向上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, a solution containing two or more metal elements containing either praseodymium or terbium in a porous air electrode composed of a sintered body containing a metal oxide. As a result of impregnating the air electrode, the characteristics of the air electrode can be improved while suppressing the occurrence of problems such as cracks and peeling.

本発明の実施の形態における固体酸化物形燃料電池用空気極の製造方法を説明するための工程図である。It is process drawing for demonstrating the manufacturing method of the air electrode for solid oxide fuel cells in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における固体酸化物形燃料電池用空気極の製造方法を説明するための工程図である。It is process drawing for demonstrating the manufacturing method of the air electrode for solid oxide fuel cells in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における固体酸化物形燃料電池用空気極の製造方法を説明するための工程図である。It is process drawing for demonstrating the manufacturing method of the air electrode for solid oxide fuel cells in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における固体酸化物形燃料電池用空気極の製造方法を説明するための工程図である。It is process drawing for demonstrating the manufacturing method of the air electrode for solid oxide fuel cells in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における固体酸化物形燃料電池用空気極の製造方法を説明するための工程図である。It is process drawing for demonstrating the manufacturing method of the air electrode for solid oxide fuel cells in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における固体酸化物形燃料電池用空気極の製造方法を説明するための工程図である。It is process drawing for demonstrating the manufacturing method of the air electrode for solid oxide fuel cells in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における固体酸化物形燃料電池用空気極の製造方法を説明するための工程図である。It is process drawing for demonstrating the manufacturing method of the air electrode for solid oxide fuel cells in embodiment of this invention. 固体酸化物形燃料電池の構成を示す平面図および側面図である。It is the top view and side view which show the structure of a solid oxide fuel cell. 固体酸化物形燃料電池の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of a solid oxide fuel cell.

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について説明する。図1A〜図1Gは、本発明の実施の形態における固体酸化物形燃料電池用空気極の製造方法を説明するための工程図である。まず、図1Aに示すように、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Sc23,Al23添加ジルコニア(0.89ZrO2−0.10Sc23−0.01Al23:SASZ)からなる電解質基板101を用意する。電解質基板101は、厚さ0.2mmに形成する。
[Embodiment 1]
First, the first embodiment of the present invention will be described. 1A to 1G are process diagrams for explaining a method of manufacturing an air electrode for a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention. First, as shown in FIG. 1A, Sc 2 O 3 , Al 2 O 3 added zirconia (0.89ZrO 2 −0.10 Sc 2 O 3 −0) formed into a sheet by a well-known doctor blade method and fired. Electrolyte substrate 101 made of .01Al 2 O 3 : SASZ) is prepared. The electrolyte substrate 101 is formed to a thickness of 0.2 mm.

次に、8mol%Y23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101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102を形成する。加えて、この燃料極塗布膜102の上にPtペーストを塗布してこの上にPtのメッシュよりなる集電体(不図示)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、図1Bに示すように、上記混合粉体の焼結体からなる厚さ60μmの燃料極103が形成された状態とする。燃料極103は、上述した粉体の焼結体であり、各焼結体粒子の間に各々存在する複数の細孔を備えた多孔質状態に形成される。 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 101 by a well-known screen printing method to form a fuel electrode coating film 102. In addition, a Pt paste is applied onto the fuel electrode coating film 102, and a current collector (not shown) made of Pt mesh is disposed thereon, and these are subjected to heat treatment conditions of 1400 ° C. for 4 hours. As shown in FIG. 1B, the fuel electrode 103 having a thickness of 60 μm and made of a sintered body of the mixed powder is formed. The fuel electrode 103 is a sintered body of the powder described above, and is formed in a porous state having a plurality of pores present between the respective sintered body particles.

次に、平均粒径が0.2μmのCe0.90Gd0.102(GDC)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101の他方の面にスクリーン印刷法により塗布して第1層塗布膜を形成する。加えて、平均粒径が1.0μmのLaNi0.6Fe0.43(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。これらにより、図1Cに示すように、電解質基板101の他方の面に空気極塗布膜104が形成される。なお、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。 Next, a slurry of Ce 0.90 Gd 0.10 O 2 (GDC) powder having an average particle size of 0.2 μm is prepared, and this slurry is applied to the other surface of the electrolyte substrate 101 by the screen printing method. A one-layer coating film is formed. In addition, a slurry of LaNi 0.6 Fe 0.4 O 3 (LNF) powder having an average particle size 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. As a result, the air electrode coating film 104 is formed on the other surface of the electrolyte substrate 101 as shown in FIG. 1C. Note that any one of LSC, LSCF, LSF, LSM, and SSC may be used instead of LNF.

次に、空気極塗布膜104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(不図示)をのせ、これらを含む電解質基板101を、1150℃・2時間の熱処理条件で焼成し、図1Dに示すように、上記粉体の焼結体からなる空気極105が形成された状態とする。本実施の形態1にける空気極105は、電解質基板101の側に配置されたGDCからなる第1層と電解質基板101とは反対側の第1層の上に形成されたLNFからなる第2層とから構成されている。また、空気極105は、上述した粉体の焼結体であり、各焼結体粒子の間に各々存在する複数の細孔を備えた多孔質状態に形成される。これらのことにより、電解質基板101の一方の面に燃料極103が形成され、他方の面に空気極105が形成された単セルが得られた状態となる。   Next, a Pt paste is applied on the air electrode coating film 104, a Pt mesh current collector (not shown) is placed thereon, and the electrolyte substrate 101 including these is baked under heat treatment conditions of 1150 ° C. for 2 hours. Then, as shown in FIG. 1D, the air electrode 105 made of a sintered body of the powder is formed. The air electrode 105 according to the first embodiment is a second layer made of LNF formed on the first layer made of GDC disposed on the electrolyte substrate 101 side and the first layer opposite to the electrolyte substrate 101. It is composed of layers. The air electrode 105 is a powder sintered body described above, and is formed in a porous state having a plurality of pores present between the respective sintered body particles. As a result, a single cell in which the fuel electrode 103 is formed on one surface of the electrolyte substrate 101 and the air electrode 105 is formed on the other surface is obtained.

次に、図1Eに示すように、燃料極103以外の電解質基板101および燃料極103の露出面が、マスク層111に覆われた状態とする。これらを、減圧されて所定の圧力とされた容器の内部で、PrもしくはTbを含む溶液(含浸液)に浸漬する。例えば、Prに加えGdおよびCeを有機金属の化合物として溶解している溶液を用いればよい。また、これら金属(元素)の酸との化合物(塩)を溶解してある程度中和した水溶液を用いてもよい。また、上記金属の有機酸の溶液を用いるようにしてもよい。   Next, as shown in FIG. 1E, the exposed surface of the electrolyte substrate 101 other than the fuel electrode 103 and the fuel electrode 103 is covered with a mask layer 111. These are immersed in a solution (impregnating solution) containing Pr or Tb inside a container that is decompressed to a predetermined pressure. For example, a solution in which Gd and Ce are dissolved as an organometallic compound in addition to Pr may be used. Moreover, you may use the aqueous solution which melt | dissolved the compound (salt) with the acid of these metals (element) and neutralized to some extent. Moreover, you may make it use the solution of the said organic acid of a metal.

次に、容器の内部圧力を例えば大気圧に上昇させることで、図1Fに示すように、空気極105の多孔質状態の複数の細孔内に、上記溶液が含浸した空気極105aを形成する。なお、上述では、減圧により含浸させるようにしたが、これに限るものではない。空気極105が100μm程度に薄い場合、空気極105に上記溶液を滴下することで十分に含浸する。   Next, by increasing the internal pressure of the container to atmospheric pressure, for example, the air electrode 105a impregnated with the above solution is formed in the plurality of porous pores of the air electrode 105 as shown in FIG. 1F. . In the above description, the impregnation is performed under reduced pressure, but the present invention is not limited to this. When the air electrode 105 is as thin as about 100 μm, it is sufficiently impregnated by dropping the solution onto the air electrode 105.

以上のように上記溶液を含浸させた後、この単セル(空気極105a)を乾燥した後、乾燥した単セルに大気中で700℃・4時間の加熱処理を施す。これらのことにより、含浸した含浸液に含まれる上記角元素が酸化され、図1Gに示すように、多孔質の複数の細孔内に、Pr,Gd,およびCeを含む酸化物が導入(配置)され、界面抵抗値などが所望とする状態(値)とされた含浸空気極115が形成された状態が得られる。なお、加熱処理の温度は、800〜900℃の範囲であればよい。また、加熱処理の前に、マスク層111は除去しておいておくとよい。   After impregnating the solution as described above, this single cell (air electrode 105a) is dried, and then the dried single cell is subjected to heat treatment at 700 ° C. for 4 hours in the atmosphere. As a result, the corner elements contained in the impregnating liquid impregnated are oxidized, and an oxide containing Pr, Gd, and Ce is introduced (arranged) into a plurality of porous pores as shown in FIG. 1G. ) To obtain a state in which the impregnated air electrode 115 in which the interface resistance value and the like are in a desired state (value) is formed. In addition, the temperature of heat processing should just be the range of 800-900 degreeC. Further, the mask layer 111 is preferably removed before heat treatment.

以上のように製造することで、焼結体を形成した状態では含まれていないPr,Gd,およびCeを含む酸化物を、空気極の構成材料として含浸空気極115に導入することができる。このようにして得られた含浸空気極115を用いた固体酸化物形燃料電池によれば、より多くのPrやTbが添加されている状態としても、亀裂や剥離などの発生が抑制でき、空気極の特性をより向上させることができる。   By manufacturing as described above, an oxide containing Pr, Gd, and Ce that is not included in the state where the sintered body is formed can be introduced into the impregnated air electrode 115 as a constituent material of the air electrode. According to the solid oxide fuel cell using the impregnated air electrode 115 obtained in this way, even when more Pr and Tb are added, the occurrence of cracks and delamination can be suppressed. The characteristics of the pole can be further improved.

次に、上述した製造方法により作製した含浸空気極115の特性測定について説明する。以下では、上述した単セルを用いて固体酸化物形燃料電池を組み立て、組み立てた固体酸化物形燃料電池の測定について説明する。   Next, the characteristic measurement of the impregnated air electrode 115 produced by the manufacturing method described above will be described. Hereinafter, a solid oxide fuel cell is assembled using the single cell described above, and measurement of the assembled solid oxide fuel cell will be described.

まず、固体酸化物形燃料電池の構成について説明する。組み立てる固体酸化物形燃料電池は、図2Aに示すように、支持基板となる電解質基板202の一方に燃料極201が配置され、電解質基板202の他方に空気極203が配置され、また、電解質202の空気極側に参照電極204を備えた単セルを用いる。参照電極204は、空気極203と同様に形成されたものである。また、この単セルを用いて図2Bの断面図に示すような固体酸化物形燃料電池とする。図2Bに示す固体酸化物形燃料電池について説明すると、上記単セルの、燃料極201には白金メッシュよりなる集電体層211が設けられ、空気極203にも白金メッシュよりなる集電体層212が設けられている。   First, the configuration of the solid oxide fuel cell will be described. In the solid oxide fuel cell to be assembled, as shown in FIG. 2A, the fuel electrode 201 is disposed on one side of the electrolyte substrate 202 serving as a support substrate, the air electrode 203 is disposed on the other side of the electrolyte substrate 202, and the electrolyte 202 A single cell having a reference electrode 204 on the air electrode side is used. The reference electrode 204 is formed in the same manner as the air electrode 203. Further, a solid oxide fuel cell as shown in the cross-sectional view of FIG. The solid oxide fuel cell shown in FIG. 2B will be described. The single-cell fuel electrode 201 is provided with a current collector layer 211 made of platinum mesh, and the air electrode 203 is also made of a current collector layer made of platinum mesh. 212 is provided.

また、単セルの燃料極201の側には、電解質基板202の周縁部に、燃料ガス排気配管213が、リング214を介して固定され、燃料ガス排気配管213の内側に、燃料ガス供給配管215が配置されている。一方、単セルの空気極203の側には、電解質基板202の周縁部に、酸化剤ガス排気配管216がリング217を介して固定され、酸化剤ガス排気配管216の内側に、酸化剤ガス供給配管218が配置されている。リング214,リング217は、試験温度付近に軟化点を持つガラスから構成されたものである。   Further, a fuel gas exhaust pipe 213 is fixed to the periphery of the electrolyte substrate 202 on the side of the fuel electrode 201 of the single cell via a ring 214, and a fuel gas supply pipe 215 is provided inside the fuel gas exhaust pipe 213. Is arranged. On the other hand, on the air electrode 203 side of the single cell, an oxidant gas exhaust pipe 216 is fixed to the periphery of the electrolyte substrate 202 via a ring 217, and an oxidant gas supply is provided inside the oxidant gas exhaust pipe 216. A pipe 218 is arranged. The ring 214 and the ring 217 are made of glass having a softening point near the test temperature.

なお、参照電極204は、排気管216の外側の領域に配置されている。また、集電体層211には、白金よりなる端子線219が接続され、集電体層212には、白金よりなる端子線220が接続されている。また、参照電極204にも白金よりなる端子線221が接続されている。なお、上記構成の固体酸化物形燃料電池が、電気炉230の内部に配置されている。   Note that the reference electrode 204 is disposed in a region outside the exhaust pipe 216. In addition, a terminal wire 219 made of platinum is connected to the current collector layer 211, and a terminal wire 220 made of platinum is connected to the current collector layer 212. A terminal wire 221 made of platinum is also connected to the reference electrode 204. Note that the solid oxide fuel cell having the above-described configuration is disposed inside the electric furnace 230.

このように構成された固体酸化物形燃料電池において、燃料ガス供給配管215より燃料極201に対して燃料ガスを供給し、酸化剤ガス供給配管218より空気極203に対して酸化剤ガスを供給し、発電動作を行わせて試験を行う。なお、この発電動作は、電気炉230の中において、700℃に加熱された状態で行う。ここで、燃料ガスとしては、水蒸気が3vol%添加された水素(加湿H2)を用いる。一方、酸化剤ガスとしては、空気(酸素:窒素=1:4、体積比)を用いる。 In the solid oxide fuel cell configured as described above, the fuel gas is supplied from the fuel gas supply pipe 215 to the fuel electrode 201, and the oxidant gas is supplied from the oxidant gas supply pipe 218 to the air electrode 203. Then, test the power generation operation. This power generation operation is performed in the electric furnace 230 while being heated to 700 ° C. Here, hydrogen (humidified H 2 ) added with 3 vol% of water vapor is used as the fuel gas. On the other hand, air (oxygen: nitrogen = 1: 4, volume ratio) is used as the oxidant gas.

また、試験では、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、空気極と参照電極(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)。   In the test, the interfacial resistance, which is an index of electrode performance, is measured by the AC impedance method. At the time of measurement, it is performed under the condition of the open circuit voltage, a minute AC signal is applied between the air electrode and the fuel electrode, and the minute 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).

次に、本実施の形態における製造方法で作製した試料セル(#1-1-0〜#1-1-8,#1-2-4〜#1-2-6,#1-3-4〜#1-3-6,#1-4-1〜#1-4-8,#1-5-4〜#1-5-6,#1-6-4〜#1-6-6)の測定結果について説明する。試料セル#1-1-0は、含浸液を空気極に含浸させることなく作製した試料であり、参照試料セルとなる。   Next, sample cells (# 1-1-0 to # 1-1-8, # 1-2-4 to # 1-2-6, # 1-3-4) manufactured by the manufacturing method according to the present embodiment ~ # 1-3-6, # 1-4-1 ~ # 1-4-8, # 1-5-4 ~ # 1-5-6, # 1-6-4 ~ # 1-6-6) The measurement results will be described. Sample cell # 1-1-0 is a sample prepared without impregnating the impregnating liquid into the air electrode, and serves as a reference sample cell.

また、試料セル(#1-1-1〜#1-1-8)は、Pr,Gd,およびCeを含む含浸液を空気極に含浸させて作製したものである。また、試料セル(#1-2-4〜#1-2-6)は、Pr,Sm,およびCeを含む含浸液を空気極に含浸させて作製したものである。また、試料セル(#1-3-4〜#1-3-6)は、Pr,Y,およびCeを含む含浸液を空気極に含浸させて作製したものである。また、試料セル(#1-4-1〜#1-4-8)は、Tb,Gd,およびCeを含む含浸液を空気極に含浸させて作製したものである。また、試料セル(#1-5-4〜#1-5-6)は、Tb,Sm,およびCeを含む含浸液を空気極に含浸させて作製したものである。また、試料セル(#1-6-4〜#1-6-6)は、Tb,Y,およびCeを含む含浸液を空気極に含浸させて作製したものである。   The sample cells (# 1-1-1 to # 1-1-8) were produced by impregnating an air electrode with an impregnating solution containing Pr, Gd, and Ce. The sample cells (# 1-2-4 to # 1-2-6) were prepared by impregnating an air electrode with an impregnating solution containing Pr, Sm, and Ce. The sample cells (# 1-3-4 to # 1-3-6) were prepared by impregnating an air electrode with an impregnation solution containing Pr, Y, and Ce. The sample cells (# 1-4-1 to # 1-4-8) are produced by impregnating an air electrode with an impregnating liquid containing Tb, Gd, and Ce. The sample cells (# 1-5-4 to # 1-5-6) are produced by impregnating an air electrode with an impregnating liquid containing Tb, Sm, and Ce. The sample cells (# 1-6-4 to # 1-6-6) were prepared by impregnating an air electrode with an impregnating solution containing Tb, Y, and Ce.

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に示すように、比較試料セル(#1-1-0)に比較し、いずれの試料セル(#1-1-1〜#1-1-8,#1-2-4〜#1-2-6,#1-3-4〜#1-3-6,#1-4-1〜#1-4-8,#1-5-4〜#1-5-6,#1-6-4〜#1-6-6)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、表中の「含浸液中の金属組成」の欄で、例えば「Gd0.00」としているものは、含浸液にGdは含まれていないことを示している。   When the above-described measurement is performed in these sample cells, as shown in Table 1 below, any sample cell (# 1-1-1 to ##) is compared with the comparative sample cell (# 1-1-0). 1-1-8, # 1-2-4 to # 1-2-6, # 1-3-4 to # 1-3-6, # 1-4-1 to # 1-4-8, # 1 In -5-4 to # 1-5-6 and # 1-6-4 to # 1-6-6), good results were obtained with low interface resistance. In the table, “Gd0.00” in the column of “metal composition in the impregnating solution” indicates that the impregnating solution contains no Gd.

Figure 0005345865
Figure 0005345865

[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2について説明する。本実施の形態では、前述した実施の形態1における空気極の第1層を、GDCとLNFとの混合体から構成するようにしたものであり、他の構成は、実施の形態1と同様である。
[Embodiment 2]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the first layer of the air electrode in the first embodiment is configured from a mixture of GDC and LNF, and other configurations are the same as in the first embodiment. is there.

次に、本実施の形態における製造方法で作製した試料セル(#2-1-0〜#2-1-8,#2-2-4〜#2-2-6,#2-3-4〜#2-3-6,#2-4-1〜#2-4-8,#2-5-4〜#2-5-6,#2-6-4〜#2-6-6)の測定結果について説明する。試料セル#2-1-0は、含浸液を空気極に含浸させることなく作製した試料であり、参照試料セルとなる。   Next, sample cells (# 2-1-0 to # 2-1-8, # 2-2-4 to # 2-2-6, # 2-3-4) manufactured by the manufacturing method according to the present embodiment ~ # 2-3-6, # 2-4-1 ~ # 2-4-8, # 2-5-4 ~ # 2-5-6, # 2-6-4 ~ # 2-6-6) The measurement results will be described. Sample cell # 2-1-0 is a sample prepared without impregnating the impregnating liquid into the air electrode, and serves as a reference sample cell.

また、試料セル(#2-1-1〜#2-1-8)は、Pr,Gd,およびCeを含む含浸液を空気極に含浸させて作製したものである。また、試料セル(#2-2-4〜#2-2-6)は、Pr,Sm,およびCeを含む含浸液を空気極に含浸させて作製したものである。また、試料セル(#2-3-4〜#2-3-6)は、Pr,Y,およびCeを含む含浸液を空気極に含浸させて作製したものである。また、試料セル(#2-4-1〜#2-4-8)は、Tb,Gd,およびCeを含む含浸液を空気極に含浸させて作製したものである。また、試料セル(#2-5-4〜#2-5-6)は、Tb,Sm,およびCeを含む含浸液を空気極に含浸させて作製したものである。また、試料セル(#2-6-4〜#2-6-6)は、Tb,Y,およびCeを含む含浸液を空気極に含浸させて作製したものである。   The sample cells (# 2-1-1 to # 2-1-8) were produced by impregnating an air electrode with an impregnating solution containing Pr, Gd, and Ce. The sample cells (# 2-2-4 to # 2-2-6) were prepared by impregnating an air electrode with an impregnating solution containing Pr, Sm, and Ce. The sample cells (# 2-3-4 to # 2-3-6) were prepared by impregnating the air electrode with an impregnation liquid containing Pr, Y, and Ce. The sample cells (# 2-4-1 to # 2-4-8) were prepared by impregnating an air electrode with an impregnating solution containing Tb, Gd, and Ce. The sample cells (# 2-5-4 to # 2-5-6) are prepared by impregnating an air electrode with an impregnating solution containing Tb, Sm, and Ce. The sample cells (# 2-6-4 to # 2-6-6) were prepared by impregnating an air electrode with an impregnating solution containing Tb, Y, and Ce.

これらの試料セルにおいて前述した実施の形態1と同様の測定を行うと、以下の表−3に示すように、比較試料セル(#2-1-0)に比較し、いずれの試料セル(#2-1-1〜#2-1-8,#2-2-4〜#2-2-6,#2-3-4〜#2-3-6,#2-4-1〜#2-4-8,#2-5-4〜#2-5-6,#2-6-4〜#2-6-6)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、表中の「含浸液中の金属組成」の欄で、例えば「Gd0.00」としているものは、含浸液にGdは含まれていないことを示している。   When the same measurement as in the first embodiment is performed on these sample cells, as shown in Table 3 below, any sample cell (# 2-1-0) is compared with the comparative sample cell (# 2-1-0). 2-1-1 to # 2-1-8, # 2-2-4 to # 2-2-6, # 2-3-4 to # 2-3-6, # 2-4-1 to # 2 In -4-8, # 2-5-4 to # 2-5-6, and # 2-6-4 to # 2-6-6), good results were obtained with low interface resistance. In the table, “Gd0.00” in the column of “metal composition in the impregnating solution” indicates that the impregnating solution contains no Gd.

Figure 0005345865
Figure 0005345865

[実施の形態3]
次に、本発明の実施の形態3について説明する。本実施の形態では、前述した実施の形態1における空気極の第2層を、LNFに代えてLa0.8Sr0.2Fe0.8Co0.23(LSCF)から構成するようにしたものであり、他の構成は、実施の形態1と同様である。
[Embodiment 3]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the second layer of the air electrode in the first embodiment described above is made of La 0.8 Sr 0.2 Fe 0.8 Co 0.2 O 3 (LSCF) instead of LNF. The configuration is the same as in the first embodiment.

次に、本実施の形態における製造方法で作製した試料セル(#3-1-0〜#3-1-6)の測定結果について説明する。試料セル#3-1-0は、含浸液を空気極に含浸させることなく作製した試料であり、参照試料セルとなる。また、試料セル(#3-1-1〜#3-1-3)は、Pr,Gd,およびCeを含む含浸液を空気極に含浸させて作製したものである。また、試料セル(#3-1-4〜#3-1-6)は、Tb,Gd,およびCeを含む含浸液を空気極に含浸させて作製したものである。   Next, the measurement results of the sample cells (# 3-1-0 to # 3-1-6) manufactured by the manufacturing method according to the present embodiment will be described. Sample cell # 3-1-0 is a sample prepared without impregnating the impregnating liquid into the air electrode, and serves as a reference sample cell. The sample cells (# 3-1-1 to # 3-1-3) are prepared by impregnating an air electrode with an impregnating solution containing Pr, Gd, and Ce. The sample cells (# 3-1-4 to # 3-1-6) were prepared by impregnating an air electrode with an impregnating solution containing Tb, Gd, and Ce.

これらの試料セルにおいて前述した実施の形態1と同様の測定を行うと、以下の表−3に示すように、比較試料セル(#3-1-0)に比較し、いずれの試料セル(#3-1-1〜#3-1-6)においても、界面抵抗が低く良好な結果が得られている。   When the same measurement as in the first embodiment is performed on these sample cells, as shown in Table 3 below, any sample cell (# 3-1-0) is compared with the comparative sample cell (# 3-1-0). Also in 3-1-1 to # 3-1-6), the interface resistance is low and good results are obtained.

Figure 0005345865
Figure 0005345865

[実施の形態4]
次に、本発明の実施の形態4について説明する。本実施の形態では、前述した実施の形態1における空気極を、La0.8Sr0.2MnO3(LSM)から構成された1層構造としたものであり、他の構成は、実施の形態1と同様である。
[Embodiment 4]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the air electrode in the first embodiment described above has a single-layer structure composed of La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 (LSM), and other configurations are the same as in the first embodiment. It is.

次に、本実施の形態における製造方法で作製した試料セル(#3-2-0〜#3-2-6)の測定結果について説明する。試料セル#3-2-0は、含浸液を空気極に含浸させることなく作製した試料であり、参照試料セルとなる。また、試料セル(#3-2-1〜#3-2-3)は、Pr,Gd,およびCeを含む含浸液を空気極に含浸させて作製したものである。また、試料セル(#3-2-4〜#3-2-6)は、Tb,Gd,およびCeを含む含浸液を空気極に含浸させて作製したものである。   Next, measurement results of the sample cells (# 3-2-0 to # 3-2-6) manufactured by the manufacturing method according to the present embodiment will be described. Sample cell # 3-2-0 is a sample prepared without impregnating the impregnating liquid into the air electrode, and serves as a reference sample cell. The sample cells (# 3-2-1 to # 3-2-3) are produced by impregnating an air electrode with an impregnation liquid containing Pr, Gd, and Ce. The sample cells (# 3-2-4 to # 3-2-6) are prepared by impregnating an air electrode with an impregnating liquid containing Tb, Gd, and Ce.

これらの試料セルにおいて前述した実施の形態1と同様の測定を行うと、以下の表−4に示すように、比較試料セル(#3-2-0)に比較し、いずれの試料セル(#3-2-1〜#3-2-6)においても、界面抵抗が低く良好な結果が得られている。   When the same measurement as that of the first embodiment described above is performed in these sample cells, as shown in Table 4 below, any sample cell (# Also in 3-2-1 to # 3-2-6), good results have been obtained with low interface resistance.

Figure 0005345865
Figure 0005345865

[実施の形態5]
次に、本発明の実施の形態5について説明する。本実施の形態では、前述した実施の形態1における空気極の第2層を、LSCFとGDCとの混合体から構成するようにしたものであり、他の構成は、実施の形態1と同様である。
[Embodiment 5]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the second layer of the air electrode in the first embodiment described above is configured from a mixture of LSCF and GDC, and the other configurations are the same as those in the first embodiment. is there.

次に、本実施の形態における製造方法で作製した試料セル(#4-1-0〜#4-1-6)の測定結果について説明する。試料セル#4-1-0は、含浸液を空気極に含浸させることなく作製した試料であり、参照試料セルとなる。また、試料セル(#4-1-1〜#4-1-3)は、Pr,Gd,およびCeを含む含浸液を空気極に含浸させて作製したものである。また、試料セル(#4-1-4〜#4-1-6)は、Tb,Gd,およびCeを含む含浸液を空気極に含浸させて作製したものである。   Next, the measurement results of the sample cells (# 4-1-0 to # 4-1-6) manufactured by the manufacturing method according to the present embodiment will be described. Sample cell # 4-1-0 is a sample prepared without impregnating the impregnating solution into the air electrode, and serves as a reference sample cell. The sample cells (# 4-1-1 to # 4-1-3) are manufactured by impregnating an air electrode with an impregnating solution containing Pr, Gd, and Ce. The sample cells (# 4-1-4 to # 4-1-6) were produced by impregnating an air electrode with an impregnating solution containing Tb, Gd, and Ce.

これらの試料セルにおいて前述した実施の形態1と同様の測定を行うと、以下の表−5に示すように、比較試料セル(#4-1-0)に比較し、いずれの試料セル(#4-1-1〜#4-1-6)においても、界面抵抗が低く良好な結果が得られている。   When the same measurement as in the first embodiment is performed in these sample cells, as shown in Table 5 below, any sample cell (# 4-1-1 to # 4-1-6) also show good results with low interface resistance.

Figure 0005345865
Figure 0005345865

[実施の形態6]
次に、本発明の実施の形態6について説明する。本実施の形態では、前述した実施の形態1における空気極を、LSMとYSZから構成された1層構造としたものであり、他の構成は、実施の形態1と同様である。
[Embodiment 6]
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the air electrode in the first embodiment described above has a one-layer structure composed of LSM and YSZ, and other configurations are the same as those in the first embodiment.

次に、本実施の形態における製造方法で作製した試料セル(#5-2-0〜#5-2-6)の測定結果について説明する。試料セル#5-2-0は、含浸液を空気極に含浸させることなく作製した試料であり、参照試料セルとなる。また、試料セル(#5-2-1〜#5-2-3)は、Pr,Gd,およびCeを含む含浸液を空気極に含浸させて作製したものである。また、試料セル(#5-2-4〜#5-2-6)は、Tb,Gd,およびCeを含む含浸液を空気極に含浸させて作製したものである。なお、LSMとYSZの組成比は1:1である。   Next, the measurement results of the sample cells (# 5-2-0 to # 5-2-6) manufactured by the manufacturing method according to the present embodiment will be described. Sample cell # 5-2-0 is a sample prepared without impregnating the impregnating liquid into the air electrode, and serves as a reference sample cell. The sample cells (# 5-2-1 to # 5-2-3) were prepared by impregnating an air electrode with an impregnation liquid containing Pr, Gd, and Ce. The sample cells (# 5-2-4 to # 5-2-6) are prepared by impregnating an air electrode with an impregnating liquid containing Tb, Gd, and Ce. The composition ratio of LSM and YSZ is 1: 1.

これらの試料セルにおいて前述した実施の形態1と同様の測定を行うと、以下の表−6に示すように、比較試料セル(#5-2-0)に比較し、いずれの試料セル(#5-2-1〜#5-2-6)においても、界面抵抗が低く良好な結果が得られている。   When the same measurement as in the first embodiment is performed in these sample cells, as shown in Table 6 below, any sample cell (# 5-2-0) is compared with the comparative sample cell (# 5-2-0). Also in 5-2-1 to # 5-2-6), good results were obtained with low interface resistance.

Figure 0005345865
Figure 0005345865

以上のことより、含浸液に含まれるプラセオジムおよびテルビウムのいずれかと希土類元素とセリウムとの総含有量に対し、プラセオジムおよびテルビウムのいずれかは0.02〜1.0、希土類元素は0〜0.8、プラセオジムおよびテルビウムのいずれかと希土類元素との合計が0.05〜1.0の割合の範囲とすればよいことがわかる。なお、上述した実施の形態における含浸液の含浸により形成された空気極においても、上述した含浸液の各元素の組成比で構成されているものと考えられる。   From the above, with respect to the total content of either praseodymium or terbium and rare earth elements and cerium contained in the impregnating solution, either praseodymium or terbium is 0.02 to 1.0, and rare earth elements are 0 to 0.0. 8. It can be seen that the sum of either praseodymium or terbium and the rare earth element may be in the range of 0.05 to 1.0. Note that the air electrode formed by impregnation of the impregnating liquid in the above-described embodiment is also considered to be composed of the composition ratio of each element of the impregnating liquid described above.

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…電解質基板、102…燃料極塗布膜、103…燃料極、104…空気極塗布膜、105…空気極、105a…空気極、111…マスク層、115…含浸空気極。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Electrolyte substrate, 102 ... Fuel electrode coating film, 103 ... Fuel electrode, 104 ... Air electrode coating film, 105 ... Air electrode, 105a ... Air electrode, 111 ... Mask layer, 115 ... Impregnation air electrode.

Claims (2)

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の前記空気極の製造方法において、
金属酸化物を含む焼結体より構成された多孔質状態とした前記空気極を形成する状態とする第1工程と、
プラセオジムおよびテルビウムのいずれかを含む2つ以上の金属元素を含む液体を前記空気極の多孔質の孔内に含浸する第2工程と、
前記液体が含浸した前記空気極を加熱することで、前記液体に含まれている金属元素より構成された酸化物を前記空気極に導入する第3工程と
を少なくとも備え、
前記液体は、プラセオジムおよびテルビウムのいずれかに加えてセリウムを含み、
前記液体に含まれる金属元素の総含有量を1とすると、プラセオジムおよびテルビウムのいずれかは0.02〜1.0の割合の範囲とし、
加えて、前記液体は、サマリウム,ガドリニウム,およびイットリウムの中より選択された希土類元素0〜0.8の割合の範囲で含み
かつ、プラセオジムおよびテルビウムのいずれかと前記希土類元素との合計は、0.05〜1.0の割合の範囲とする
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用空気極の製造方法。
In the method for producing an air electrode of a solid oxide fuel cell comprising a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode,
A first step of forming the air electrode in a porous state composed of a sintered body containing a metal oxide;
A second step of impregnating the porous pores of the air electrode with a liquid containing two or more metal elements including either praseodymium and terbium;
And at least a third step of introducing an oxide composed of a metal element contained in the liquid into the air electrode by heating the air electrode impregnated with the liquid,
It said liquid includes a cell potassium in addition to any of praseodymium and terbium,
When the total content of metal elements contained in the liquid is 1 , either praseodymium or terbium is in the range of a ratio of 0.02 to 1.0 ,
In addition, the liquid includes a rare earth element selected from samarium, gadolinium, and yttrium in a range of 0 to 0.8;
And, wherein the one of praseodymium and terbium total of the rare earth elements, solid oxide fuel cell manufacturing method of the air electrode, characterized in that the range of proportions of 0.05 to 1.0.
請求項記載の固体酸化物形燃料電池用空気極の製造方法により製造された空気極を備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 Solid oxide fuel cell characterized by comprising a cathode manufactured by the method of claim 1 wherein the solid oxide fuel cell air electrode.
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