JP5637652B2 - ELECTROCHEMICAL CELL AND ITS MANUFACTURING METHOD AND OPERATION METHOD - Google Patents
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Description
本発明は、水蒸気を電気分解する反応および水蒸気を排出する電池反応などの電気化学反応を起こさせる電気化学セル、および、その運転方法に関する。 The present invention relates to an electrochemical cell that causes an electrochemical reaction such as a reaction for electrolyzing water vapor and a battery reaction for discharging water vapor, and an operation method thereof.
新エネルギーのひとつとして、水素が挙げられる。この水素の利用分野として、水素と酸素を電気化学的に反応させることにより、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池が注目されている。燃料電池は高いエネルギー利用効率を有し、大規模分散電源、家庭用電源、移動用電源として開発が進められている。 One new energy is hydrogen. As a field of utilization of hydrogen, a fuel cell that converts chemical energy into electric energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen has attracted attention. Fuel cells have high energy use efficiency and are being developed as large-scale distributed power sources, household power sources, and mobile power sources.
燃料電池は、温度域や使用する材料・燃料の種類に応じて、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、などに分けられる。このうち、固体酸化物の電解質を使用して電気化学反応により電気エネルギーを得る固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、効率などの観点で注目されている。 Fuel cells are classified into a solid polymer type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, a solid oxide type, and the like depending on the temperature range and the type of material and fuel used. Among these, a solid oxide fuel cell (SOFC) that uses a solid oxide electrolyte to obtain electric energy through an electrochemical reaction has attracted attention in terms of efficiency and the like.
また、水の電気分解反応で水素を製造することができる。このような水素製造の方法のうち、高温で水蒸気の状態で電気分解する高温水蒸気電解法では、その動作原理はSOFCの逆反応である。このため、高温水蒸気電解法による電気分解に、SOFCと同様に固体酸化物の電解質を用いた電気分解セルを用いることができる。 Further, hydrogen can be produced by electrolysis of water. Among such hydrogen production methods, in the high temperature steam electrolysis method in which electrolysis is performed in a steam state at a high temperature, the operation principle is a reverse reaction of SOFC. For this reason, the electrolysis cell using the electrolyte of a solid oxide can be used for the electrolysis by a high temperature steam electrolysis method similarly to SOFC.
燃料電池あるいは電気分解セルは、一般的に、電解質と電極とから構成され、電気化学セルと呼ばれる。固体酸化物の電解質は酸素イオン導電性を有することを特徴とし、一般に緻密な安定化ジルコニアの成形体を用いている。安定化ジルコニアとしては、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)や、スカンジア安定化ジルコニア(ScYZ)などが用いられる。また、電解質材料として、安定化ジルコニアと比較して酸素イオン導電性が良好なペロブスカイト型酸化物やセリア系固溶体を用いる場合がある。セリア系固溶体としては、サマリアを添加したセリア(SDC)や、ガドリニアを添加したセリア(GDC)などが用いられる。 A fuel cell or an electrolysis cell is generally composed of an electrolyte and an electrode, and is called an electrochemical cell. The solid oxide electrolyte is characterized by having oxygen ion conductivity, and generally a dense molded body of stabilized zirconia is used. Examples of the stabilized zirconia include yttria stabilized zirconia (YSZ) and scandia stabilized zirconia (ScYZ). Further, as the electrolyte material, a perovskite oxide or a ceria-based solid solution having better oxygen ion conductivity than stabilized zirconia may be used. As the ceria-based solid solution, ceria (SDC) to which samaria is added, ceria (GDC) to which gadolinia is added, or the like is used.
電極は、SOFCを例にとると、空気極と燃料極に分けられる。空気極では、空気中の酸素が電子(e−)を取り込み、電気化学反応によって酸素イオンが生成され、電解質へと移動する。燃料極では、燃料ガスであるH2と、電解質を移動してきた酸素イオンとが電気化学的に反応し、H2Oと電子(e−)が生成される。 Taking the SOFC as an example, the electrode is divided into an air electrode and a fuel electrode. At the air electrode, oxygen in the air takes in electrons (e − ), oxygen ions are generated by an electrochemical reaction, and move to the electrolyte. At the fuel electrode, H 2 that is the fuel gas and oxygen ions that have moved through the electrolyte react electrochemically to generate H 2 O and electrons (e − ).
空気極には、一般的に、ペロブスカイト型酸化物や、これらの一部サイトを置換した酸化物が用いられる。このような酸化物としては、LaSrMn酸化物(LSM)、LaSrCo酸化物(LSC)、LaSrCoFe酸化物(LSCF)、LaSrFe酸化物(LSF)などがある。また、空気極には、たとえば、LSM−YSZ、LSM−ScSZ、LSC−SDC、LSC−GDCなどの電解質に用いる固体酸化物との混合体を用いる場合もある。 In general, a perovskite oxide or an oxide in which some of these sites are substituted is used for the air electrode. Examples of such oxides include LaSrMn oxide (LSM), LaSrCo oxide (LSC), LaSrCoFe oxide (LSCF), and LaSrFe oxide (LSF). Moreover, a mixture with solid oxide used for electrolytes, such as LSM-YSZ, LSM-ScSZ, LSC-SDC, LSC-GDC, may be used for an air electrode, for example.
燃料極には、一般的に、金属と固体酸化物の混合焼結体(サーメット)が用いられる。このようなサーメットとしては、たとえば、Ni−YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、Ni−ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)などがある。また、燃料極に、Ni、Co、Fe、Ni−Fe、Ni−Mg、Ptなどの金属単体や、これらの金属の混合体あるいは合金などを用いる場合もある。 Generally, a mixed sintered body (cermet) of a metal and a solid oxide is used for the fuel electrode. Examples of such cermets include Ni—YSZ (yttria stabilized zirconia) and Ni—ScSZ (scandia stabilized zirconia). In some cases, a single metal such as Ni, Co, Fe, Ni—Fe, Ni—Mg, or Pt, or a mixture or alloy of these metals may be used for the fuel electrode.
燃料極では、一般に、Niなどの金属成分が触媒成分となり、反応が促進される。特性を向上させるには、Niなどの触媒成分の反応面積を増やすことが必要である。Niなどの触媒成分の量を増やすことや、触媒成分を高分散させることなどにより、触媒成分の反応面積を増やすことができる。また、特許文献1には、Niなどの触媒成分の粒子径などを小さくして比表面積を増大させる方法が記載されている。
燃料極では、一般に、Niなどの金属成分が触媒成分となり、反応が促進される。しかし、Niなどの触媒成分は、SOFCの動作温度程度の高温では、凝集が生じやすい。 In the fuel electrode, generally, a metal component such as Ni serves as a catalyst component, and the reaction is promoted. However, a catalyst component such as Ni is likely to agglomerate at a temperature as high as the operating temperature of SOFC .
そこで、本発明は、電気化学セルの燃料極の触媒成分の分散状態を実現できるようにすることを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to realize a dispersed state of a catalyst component of a fuel electrode of an electrochemical cell.
上述の目的を達成するため、本発明は、電気化学セルにおいて、酸素イオン導電性を持つ固体酸化物と第1の触媒成分とからなるサーメットと第2の触媒成分であるNiを含むNiAl2O4で表されるスピネルとが混合し焼成によって物理的に結合してなる燃料極と、酸素イオン導電性と電子導電性とを備えた空気極と、前記空気極と前記燃料極とで挟まれるように設けられて酸素イオン導電性を持つ固体酸化物を含有する電解質と、を有し、前記燃料極を還元雰囲気中に所定の時間保持することによって、前記スピネルの表面上には前記第2の触媒成分であるNiが数nmないし数十nm程度の大きさで高分散析出しており、前記サーメットと前記スピネルとの混合比は、スピネルの割合が0wt%を超えかつ10wt%以内であることを特徴とする。 In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides an electrochemical cell comprising NiAl 2 O containing cermet comprising a solid oxide having oxygen ion conductivity and a first catalyst component and Ni being the second catalyst component. 4 is sandwiched between a fuel electrode formed by mixing and physically bonding by spinel represented by 4 , an air electrode having oxygen ion conductivity and electronic conductivity, and the air electrode and the fuel electrode. It provided so as to have an electrolyte containing a solid oxide having oxygen ion conductivity, and, by holding a predetermined time the fuel electrode in a reducing atmosphere, on the surface of the spinel first pre Symbol Ni, which is the catalyst component of No. 2, is highly dispersed and precipitated with a size of several nanometers to several tens of nanometers. The mixing ratio of the cermet and the spinel is such that the spinel ratio exceeds 0 wt% and is within 10 wt%. Arco The features.
また、本発明は、電気化学セルの製造方法において、酸素イオン導電性を持つ固体酸化物と第1の触媒成分とからなるサーメットと第2の触媒成分であるNiを含むNiAl2O4で表されるスピネルとが混合し焼成によって物理的に結合してなる燃料極を形成する工程と、酸素イオン導電性と電子導電性とを備えた空気極を形成する工程と、前記空気極と前記燃料極とで挟まれるように設けられて酸素イオン導電性を持つ固体酸化物を含有する電解質を形成する工程と、前記燃料極を還元雰囲気中に所定の時間保持する還元工程と、を有し、前記スピネルの表面上には、前記第2の触媒成分であるNiが数nmないし数十nm程度の大きさで高分散析出しており、前記サーメットと前記スピネルとの混合比は、スピネルの割合が0wt%を超えかつ10wt%以内であることを特徴とする。 The present invention also provides a method for producing an electrochemical cell, tables in NiAl 2 O 4 containing a solid oxide having oxygen ion conductivity and a cermet and a second catalyst component comprising a first catalyst component Ni And a step of forming a fuel electrode formed by mixing and being physically combined by firing, a step of forming an air electrode having oxygen ion conductivity and electronic conductivity, the air electrode and the fuel A step of forming an electrolyte containing a solid oxide having oxygen ion conductivity provided so as to be sandwiched between electrodes, and a reduction step of holding the fuel electrode in a reducing atmosphere for a predetermined time, On the surface of the spinel, Ni as the second catalyst component is highly dispersed and precipitated with a size of several nanometers to several tens of nanometers, and the mixing ratio of the cermet and the spinel is the ratio of the spinel. Is 0wt% Beyond wherein the and is within 10 wt%.
また、本発明は、酸素イオン導電性を持つ固体酸化物と第1の触媒成分とからなるサーメットと第2の触媒成分であるNiを含むNiAl2O4で表されるスピネルとが混合し焼成によって物理的に結合してなる燃料極と、イオン導電性と電子導電性とを備えた空気極と、前記空気極と前記燃料極とで挟まれるように設けられて酸素イオン導電性を持つ固体酸化物を含有する電解質とを備える電気化学セルの運転方法において、前記燃料極を還元雰囲気中に所定の時間保持する還元工程と、前記還元工程の後に、電気化学反応を起こさせる工程と、を有し、前記スピネルの表面上には、前記第2の触媒成分であるNiが数nmないし数十nm程度の大きさで高分散析出しており、前記サーメットと前記スピネルとの混合比は、スピネルの割合が0wt%を超えかつ10wt%以内であることを特徴とする。 Further, the present invention includes a spinel represented by NiAl 2 O 4 containing a solid oxide having oxygen ion conductivity and a cermet and a second catalyst component comprising a first catalyst component Ni is mixed calcined A solid electrode having oxygen ion conductivity provided to be sandwiched between the air electrode and the fuel electrode, a fuel electrode physically coupled by the air electrode, an air electrode having ion conductivity and electronic conductivity In an operation method of an electrochemical cell comprising an electrolyte containing an oxide, a reduction step of holding the fuel electrode in a reducing atmosphere for a predetermined time, and a step of causing an electrochemical reaction after the reduction step. On the surface of the spinel, Ni as the second catalyst component is highly dispersed and precipitated with a size of several nanometers to several tens of nanometers, and the mixing ratio of the cermet and the spinel is: Spinel Discount There is characterized in that within exceeded and 10 wt% of 0 wt%.
本発明によれば、電気化学セルの燃料極の触媒成分の分散状態を実現できる。 According to the present invention, a dispersed state of the catalyst component of the fuel electrode of the electrochemical cell can be realized .
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。 An embodiment of a solid oxide fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or similar structure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
[第1の実施の形態]
図2は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第1の実施の形態における単セルの断面図である。
[First Embodiment]
FIG. 2 is a cross-sectional view of a single cell in the first embodiment of the solid oxide fuel cell according to the present invention.
固体酸化物形燃料電池の単セル10は、電解質11、燃料極12および空気極13を有している。電解質11は、燃料極12と空気極13とを、これらに挟まれるように支持している。電解質11は、酸素イオン導電性を持つ固体酸化物である。燃料極12および空気極13は、いずれも酸素イオン導電性および電子導電性を備えている。なお、燃料極12および空気極13のいずれかの電極を支持体としてもよい。固体酸化物形燃料電池は、たとえば複数の単セル10を電気的に直列に接続して、1つの単セル10よりも高い起電力を得るように形成されている。 A single cell 10 of a solid oxide fuel cell includes an electrolyte 11, a fuel electrode 12, and an air electrode 13. The electrolyte 11 supports the fuel electrode 12 and the air electrode 13 so as to be sandwiched between them. The electrolyte 11 is a solid oxide having oxygen ion conductivity. Both the fuel electrode 12 and the air electrode 13 have oxygen ion conductivity and electronic conductivity. Note that any one of the fuel electrode 12 and the air electrode 13 may be used as a support. The solid oxide fuel cell is formed, for example, so as to obtain a higher electromotive force than that of a single cell 10 by electrically connecting a plurality of single cells 10 in series.
電解質11は、安定化ジルコニアなどの酸素イオン導電性を有する材料で形成されている。安定化ジルコニアとは、たとえばY2O3、Sc2O3、Yb2O3、Gd2O3、Nd2O3、CaO、MgOなどを安定化剤としてジルコニア(ZrO2)に添加したものである。 The electrolyte 11 is formed of a material having oxygen ion conductivity such as stabilized zirconia. Stabilized zirconia is, for example, Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Nd 2 O 3 , CaO, MgO or the like added to zirconia (ZrO 2 ) as a stabilizer. It is.
また、ペロブスカイト型酸化物で電解質11を形成してもよい。このペロブスカイト型酸化物としては、たとえば、LaSrGaMg酸化物、LaSrGaMgCo酸化物、LaSrGaMgCoFe酸化物などが挙げられる。 Further, the electrolyte 11 may be formed of a perovskite oxide. Examples of the perovskite oxide include LaSrGaMg oxide, LaSrGaMgCo oxide, LaSrGaMgCoFe oxide, and the like.
セリア系電解質固溶体で電解質11を形成してもよい。セリア系電解質固溶体としては、Sm2O3をセリア(CeO2)に添加したもの(SDC)、Gd2O3をセリアに添加したもの(GDC)、Y2O3をセリアに添加したもの(YDC)、La2O3をセリアに添加したもの(LDC)、CaOをセリアに添加したもの(CDC)などを用いることができる。なお、これら以外の物質を電解質11に用いてもよい。 The electrolyte 11 may be formed of a ceria-based electrolyte solid solution. As the ceria-based electrolyte solid solution, Sm 2 O 3 added to ceria (CeO 2 ) (SDC), Gd 2 O 3 added to ceria (GDC), Y 2 O 3 added to ceria ( YDC), La 2 O 3 added to ceria (LDC), CaO added to ceria (CDC), and the like can be used. Note that substances other than these may be used for the electrolyte 11.
空気極13は、たとえば、酸素イオン導電性と電子導電性を有する材料で形成される。このような材料としては、たとえば、LaSrMn酸化物(LSM)、LaSrCo酸化物(LSC)、LaSrCoFe酸化物(LSCF)、LaSrFe酸化物(LSF)、LaSrMnCo酸化物(LSMC)、LaSrMnCr酸化物(LSMC)、LaCoMn酸化物(LCM)、LaSrCu酸化物(LSC)、LaSrFeNi酸化物(LSFN)、LaNiFe酸化物(LNF)、LaBaCo酸化物(LBC)、LaNiCo酸化物(LNC)、LaSrAlFe酸化物(LSAF)、LaSrCoNiCu酸化物(LSCNC)、LaSrFeNiCu酸化物(LSFNC)、LaNi酸化物(LN)、GdSrCo酸化物(GSC)、GdSrMn酸化物(GSM)、PrCaMn酸化物(PCaM)、PrSrMn酸化物(PSM)、PrBaCo酸化物(PBC)、SmSrCo酸化物(SSC)、NdSmCo酸化物(NSC)、BiSrCaCu酸化物(BSCC)、BaLaFeCo酸化物(BLFC)、BaSrFeCo酸化物(BSFC)、YSrFeCo酸化物(YLFC)、YCuCoFe酸化物(YCCF)、YBaCu酸化物(YBC)、などが挙げられる。 The air electrode 13 is formed of, for example, a material having oxygen ion conductivity and electronic conductivity. Examples of such a material include LaSrMn oxide (LSM), LaSrCo oxide (LSC), LaSrCoFe oxide (LSCF), LaSrFe oxide (LSF), LaSrMnCo oxide (LSMC), LaSrMnCr oxide (LSMC). LaCoMn oxide (LCM), LaSrCu oxide (LSC), LaSrFeNi oxide (LSFN), LaNiFe oxide (LNF), LaBaCo oxide (LBC), LaNiCo oxide (LNC), LaSrAlFe oxide (LSAF), LaSrCoNiCu oxide (LSCNC), LaSrFeNiCu oxide (LSFNC), LaNi oxide (LN), GdSrCo oxide (GSC), GdSrMn oxide (GSM), PrCaMn oxide (PCaM), PrSrMn (PSM), PrBaCo oxide (PBC), SmSrCo oxide (SSC), NdSmCo oxide (NSC), BiSrCaCu oxide (BSCC), BaLaFeCo oxide (BLFC), BaSrFeCo oxide (BSFC), YSrFeCo oxide (YLFC), YCuCoFe oxide (YCCF), YBaCu oxide (YBC), and the like.
また、空気極13には、電解質11にも用いることができる酸素イオン導電性を有する材料との混合物を用いてもよい。たとえば、LSM−YSZ、LSCF−SDC、LSCF−GDC、LSCF−YDC、LSCF−LDC、LSCF−CDC、LSM−ScSZ、LSM−SDC、LSM−GDCなどで空気極13を形成することができる。また、これらに、たとえば、Pt、Ru、Au、Ag、Pdなどの触媒成分を添加したものでもかまわない。 The air electrode 13 may be a mixture with a material having oxygen ion conductivity that can also be used for the electrolyte 11. For example, the air electrode 13 can be formed of LSM-YSZ, LSCF-SDC, LSCF-GDC, LSCF-YDC, LSCF-LDC, LSCF-CDC, LSM-ScSZ, LSM-SDC, LSM-GDC, or the like. Further, for example, a catalyst component such as Pt, Ru, Au, Ag, or Pd may be added thereto.
図1は、本実施の形態における燃料極の模式図である。 FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel electrode in the present embodiment.
燃料極12は、サーメット14とスピネル15との混合体である。燃料極12に用いるサーメット14は、酸素イオン導電性を持つ固体酸化物と触媒作用を持つ金属との複合材料である。燃料極12は、たとえばサーメット14中に金属を含有しているため、電子導電性も有している。なお、図1では、すべてのサーメット14およびスピネル15の粒子の大きさを同じに表現しているが、実際には、サーメット14およびスピネル15の粒子の大きさはすべて異なっていてもよい。 The fuel electrode 12 is a mixture of the cermet 14 and the spinel 15. The cermet 14 used for the fuel electrode 12 is a composite material of a solid oxide having oxygen ion conductivity and a metal having a catalytic action. The fuel electrode 12 also has electronic conductivity because the cermet 14 contains a metal, for example. In FIG. 1, the particle sizes of all cermets 14 and spinels 15 are expressed in the same manner, but in practice, the particle sizes of cermets 14 and spinels 15 may all be different.
サーメット14を構成する酸素イオン導電性を持つ固体酸化物としては、たとえば安定化ジルコニアを用いる。この安定化ジルコニアとしては、たとえばY2O3、Sc2O3、Yb2O3、Gd2O3、Nd2O3、CaO、MgOなどを安定化剤として添加した安定化ジルコニアが挙げられる。 As the solid oxide having oxygen ion conductivity constituting the cermet 14, for example, stabilized zirconia is used. Examples of the stabilized zirconia include stabilized zirconia in which Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Nd 2 O 3 , CaO, MgO or the like is added as a stabilizer. .
また、ペロブスカイト型酸化物を、サーメット14を構成する酸素イオン導電性を持つ固体酸化物に用いてもよい。このペロブスカイト型酸化物としては、たとえば、LaSrGaMg酸化物、LaSrGaMgCo酸化物、LaSrGaMgCoFe酸化物などが挙げられる。 Further, a perovskite oxide may be used as a solid oxide having oxygen ion conductivity that constitutes the cermet 14. Examples of the perovskite oxide include LaSrGaMg oxide, LaSrGaMgCo oxide, LaSrGaMgCoFe oxide, and the like.
セリア(CeO2)系電解質固溶体を、サーメット14を構成する酸素イオン導電性を持つ固体酸化物に用いてもよい。このセリア系電解質固溶体としては、Sm2O3、Gd2O3、Y2O3、La2O3などが挙げられる。これら以外の電解質を用いてもよい。 A ceria (CeO 2 ) -based electrolyte solid solution may be used as a solid oxide having oxygen ion conductivity constituting the cermet 14. Examples of the ceria-based electrolyte solid solution include Sm 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , La 2 O 3 and the like. You may use electrolytes other than these.
燃料極12のサーメット14には、電解質11と同じ固体酸化物を用いてもよいし、異なる固体酸化物を用いてもよい。燃料極12のサーメット14に電解質11と同じ固体酸化物を用いた場合には、燃料極12の熱膨張率などの物性が電解質11と近くなるという利点がある。 For the cermet 14 of the fuel electrode 12, the same solid oxide as the electrolyte 11 may be used, or a different solid oxide may be used. When the same solid oxide as the electrolyte 11 is used for the cermet 14 of the fuel electrode 12, there is an advantage that physical properties such as a thermal expansion coefficient of the fuel electrode 12 are close to those of the electrolyte 11.
サーメット14に混合される触媒作用を持つ金属とは、たとえばNiである。したがって、燃料極12に用いるサーメットとは、たとえば、Ni−YSZ、Ni−ScSZ、Ni−SDC、Ni−GDC、Ni−YDC、などである。また、これらに、たとえば、Fe、Co、Cu、Mg、Al、Pt、Ru、Auなどの金属や、これらの合金を添加したものでもよい。 The metal having a catalytic action mixed with the cermet 14 is, for example, Ni. Therefore, the cermet used for the fuel electrode 12 is, for example, Ni—YSZ, Ni—ScSZ, Ni—SDC, Ni—GDC, Ni—YDC, or the like. In addition, for example, metals such as Fe, Co, Cu, Mg, Al, Pt, Ru, Au, or alloys thereof may be added to these.
燃料極12に用いるスピネル15は、等軸晶系酸化物であり、一般式AB2O4で表される。ここで、Aは触媒成分、Bは特定されない元素、Oは酸素を表す。Aで表されるサイト(原子の位置)には、Co、Cu、Fe2+、Ge、Mg、Mn2+、Ni、Ti、Zn、などが配位し、Bで表されるサイトには、Al、Cr3+、Fe2+、Fe3+、Mg、Mn3+、Ti、V3+、などが配位する。また、Aサイトに上記のような各成分を単独で用いてもよいし、一部を別成分に置換してもよい。Bサイトにおいても同様で、上記のような各成分を単独で用いてもよいし、一部を別成分に置換してもよい。 The spinel 15 used for the fuel electrode 12 is an equiaxed crystal oxide and is represented by the general formula AB 2 O 4 . Here, A represents a catalyst component, B represents an unspecified element, and O represents oxygen. Co, Cu, Fe 2+ , Ge, Mg, Mn 2+ , Ni, Ti, Zn, and the like are coordinated at the site (atomic position) represented by A, and Al is represented at the site represented by B. , Cr 3+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Mg, Mn 3+ , Ti, V 3+ , and the like are coordinated. In addition, each component as described above may be used alone at the A site, or a part thereof may be replaced with another component. The same applies to the B site, and each of the above components may be used alone or a part thereof may be substituted with another component.
このような単セル10を積層したSOFCを用いて発電を行う場合、燃料極12にはメタンなどの炭化水素を供給し、空気極13には酸素を含む空気を供給する。燃料極12に供給された炭化水素は、燃料極12中のNiなどを改質触媒として、改質反応を起こす。この燃料極12での内部改質によって水素が生成され、電池反応に用いられる。 When power generation is performed using an SOFC in which such single cells 10 are stacked, a hydrocarbon such as methane is supplied to the fuel electrode 12 and air containing oxygen is supplied to the air electrode 13. The hydrocarbons supplied to the fuel electrode 12 cause a reforming reaction using Ni or the like in the fuel electrode 12 as a reforming catalyst. Hydrogen is generated by internal reforming at the fuel electrode 12 and used for the cell reaction.
燃料極12および空気極13はいずれも、できるだけ内部に炭化水素あるいは酸素が入り込める方が反応に用いられる気体が多くなる。このため、燃料極12および空気極13は、多孔質体であることが好ましい。 In both the fuel electrode 12 and the air electrode 13, the amount of gas used for the reaction increases when hydrocarbons or oxygen enters inside as much as possible. For this reason, it is preferable that the fuel electrode 12 and the air electrode 13 are porous bodies.
サーメットを製造する際には、材料を混合した後に焼結させるため、燃料極12に用いるサーメットの触媒作用を持つ金属成分の少なくとも一部は酸化している。酸化したままでは、触媒作用を持つ成分がその機能を発揮しない。そこで、酸化した成分を還元する必要がある。 When the cermet is manufactured, since the materials are mixed and then sintered, at least a part of the metal component having the catalytic action of the cermet used for the fuel electrode 12 is oxidized. If oxidized, the component having catalytic action does not perform its function. Therefore, it is necessary to reduce the oxidized component.
SOFCの動作時には、燃料極12の内部では水素が生成されているため、還元雰囲気となる。また、SOFCの動作時には燃料極12は高温になる。このため、燃料極12に用いられているサーメットを構成する触媒成分で製造時に酸化されていたものの多くは還元されて、その機能を発揮するようになる。 During the operation of the SOFC, hydrogen is generated inside the fuel electrode 12, so that a reducing atmosphere is created. Further, the fuel electrode 12 becomes high temperature during the operation of the SOFC. For this reason, many of the catalyst components constituting the cermet used in the fuel electrode 12 that have been oxidized at the time of manufacture are reduced to exhibit their functions.
また、SOFCの動作前に、燃料極12に還元処理を施してもよい。たとえば、燃料極12に、H2を含むガスを供給しながら、1000℃で10分間保持することにより燃料極12に還元処理を施す。この場合、雰囲気には、酸化性ガスが共存しないことが好ましい。還元処理の際の燃料極12の温度が700℃以下では、還元反応の速度が遅く実用的でない。また、SOFCの動作温度の最高は1000℃程度であり、還元処理時にもこの温度を超えないほうがよい。このため、還元温度は700℃〜1000℃の範囲が望ましい。 Further, reduction processing may be performed on the fuel electrode 12 before the operation of the SOFC. For example, while supplying a gas containing H 2 to the fuel electrode 12, the fuel electrode 12 is reduced for 10 minutes by holding at 1000 ° C. for 10 minutes. In this case, it is preferable that the oxidizing gas does not coexist in the atmosphere. If the temperature of the fuel electrode 12 during the reduction treatment is 700 ° C. or lower, the rate of the reduction reaction is slow and not practical. Moreover, the maximum operating temperature of SOFC is about 1000 ° C., and it is better not to exceed this temperature during the reduction process. For this reason, the reduction temperature is desirably in the range of 700 ° C to 1000 ° C.
燃料極12に還元処理を施すことによって、AB2O4で表せる等軸晶系酸化物のAサイトの物質が、この等軸晶系酸化物の表面上に、数nm〜数十nm程度の大きさで析出する。 By subjecting the fuel electrode 12 to a reduction treatment, the A-site substance of the equiaxed oxide that can be expressed by AB 2 O 4 is about several nanometers to several tens of nanometers on the surface of the equiaxed oxide. Precipitate in size.
図3は、NiAl2O4で形成した電極に還元処理を施した状態でのNi分散状況を示す顕微鏡写真である。 FIG. 3 is a photomicrograph showing the state of Ni dispersion in a state where an electrode formed of NiAl 2 O 4 is subjected to a reduction treatment.
図3は、AB2O4で表せる等軸晶系酸化物として、NiAl2O4を用いた電極について、還元処理を実施した状態のNi分散状況について示しており、Niが、NiAl2O4粒子の表面上に、数nm〜数十nm程度の大きさで高分散析出している。この場合、NiAl2O4のNi全てが表面に析出するわけではなく、その一部(数%〜10%程度)のみが表面に析出する。表面に析出したNiが反応に関与することになる。このNiは基材となるNiAl2O4から直接析出しているため、高温になっても凝集が生じない。 FIG. 3 shows the state of Ni dispersion in a state where reduction treatment is performed on an electrode using NiAl 2 O 4 as an equiaxed oxide that can be expressed by AB 2 O 4 , where Ni is NiAl 2 O 4. On the surface of the particles, highly dispersed precipitates having a size of several nanometers to several tens of nanometers. In this case, not all Ni of NiAl 2 O 4 is deposited on the surface, but only a part (approximately several to 10%) is deposited on the surface. Ni deposited on the surface is involved in the reaction. Since this Ni is directly deposited from NiAl 2 O 4 as a base material, no aggregation occurs even at high temperatures .
炭化水素などを燃料として用いた内部改質は、燃料極12に直接炭化水素などを含有する燃料を導入し、燃料極12で改質し、H2やCOなどを生成させる。このH2を用いて発電が行われる。Niサーメットだけの燃料極12では、炭素析出などによる性能低下が生じる可能性が大きい。一方、本実施の形態の燃料極12では、従来から改質触媒として実績のあるNiをアルミナに担持させたNi/Al2O3触媒と同等の性能をNiAl2O4が担うことができる。 In internal reforming using hydrocarbons or the like as fuel, a fuel containing hydrocarbons or the like is directly introduced into the fuel electrode 12 and reformed at the fuel electrode 12 to generate H 2 or CO. Electric power is generated using this H 2 . In the fuel electrode 12 having only Ni cermet, there is a high possibility that the performance is deteriorated due to carbon deposition or the like. On the other hand, the fuel electrode 12 of the present embodiment, as possible out to play conventionally equivalent to the reforming catalyst Ni / Al 2 O 3 and the supported on alumina Ni proven as a catalyst performance is NiAl 2 O 4 .
図4および図5は、本実施の形態における電極特性の試験結果を示すグラフである。 4 and 5 are graphs showing the test results of the electrode characteristics in the present embodiment.
図4に示した試験は、サーメットとしてNi−SDCを用い、このサーメットをNiAl2O4で表されるスピネルとの混合体を燃料極12に用いた場合について行ったものである。また、比較のため、Ni−SDCのみを用いた燃料極の試験結果も併せて示した。ここで、サーメット中のNiとSDCの混合比はいずれも同一とした。サーメット中のNiとSDCの混合比(重量比)は、Ni:SDC=70:30である。また、サーメットとスピネルの混合比(重量比)は、Ni−SDC:NiAl2O4=90:10である。 The test shown in FIG. 4 was conducted when Ni-SDC was used as the cermet, and this cermet was used for the fuel electrode 12 as a mixture with spinel represented by NiAl 2 O 4 . For comparison, a test result of a fuel electrode using only Ni-SDC is also shown. Here, the mixing ratio of Ni and SDC in the cermet was the same. The mixing ratio (weight ratio) of Ni and SDC in the cermet is Ni: SDC = 70: 30. The mixing ratio (weight ratio) between cermet and spinel is Ni-SDC: NiAl 2 O 4 = 90: 10.
図5に示した試験は、図4に示した試験と同じく、Ni−SDCとNiAl2O4で表されるスピネルとの混合体を燃料極12に用いた場合について行ったものである。ここでは、NiAl2O4の混合比を10%、20%、30%に変化させた場合の結果をあわせて示している。サーメット中のNiとSDCの混合比(重量比)は、Ni:SDC=70:30である。 Similar to the test shown in FIG. 4, the test shown in FIG. 5 was performed when a mixture of Ni-SDC and spinel represented by NiAl 2 O 4 was used for the fuel electrode 12. Here, the results when the mixing ratio of NiAl 2 O 4 is changed to 10%, 20%, and 30% are also shown. The mixing ratio (weight ratio) of Ni and SDC in the cermet is Ni: SDC = 70: 30.
図4および図5の縦軸は、電気抵抗分(IR)を除いた触媒活性に起因する過電圧を示す。図4および図5の横軸は、電流密度である。 The vertical axis in FIGS. 4 and 5 represents the overvoltage resulting from the catalytic activity excluding the electrical resistance (IR). The horizontal axis in FIGS. 4 and 5 is the current density.
図4からわかるように、電極特性はほぼ同等の特性が得られた。一般に、Niサーメット材料は、反応に関与するNi量の増大により、特性が向上する。 As can be seen from FIG. 4, almost the same electrode characteristics were obtained. In general, characteristics of Ni cermet materials are improved by increasing the amount of Ni involved in the reaction.
Ni−SDCサーメットに含まれるNiの量は、電極全体の重量の70%×90%=63%である。Ni−SDCサーメット中のすべてのNiが還元されているとすると、電極全体の63wt%にあたるNiは反応に寄与する。 The amount of Ni contained in the Ni-SDC cermet is 70% × 90% = 63% of the weight of the entire electrode. Assuming that all the Ni in the Ni-SDC cermet is reduced, Ni corresponding to 63 wt% of the entire electrode contributes to the reaction.
また、NiAl2O4で表されるスピネルからのNiの析出量は、数%であり、最大でも10%程度であると考えられる。つまり、電極全体の重量の、最大でも10%×10%=1%にあたるNiは反応に寄与すると考えられる。 Further, the amount of Ni precipitated from the spinel represented by NiAl 2 O 4 is several percent, and is considered to be about 10% at the maximum. That is, it is considered that Ni corresponding to 10% × 10% = 1% of the total weight of the electrode contributes to the reaction.
したがって、この混合電極の反応に寄与するNiは、電極全体の重量の高々64%程度である。一方、Ni−SDCのみを用いた電極の場合には、電極全体の重量の70%のNiが反応に寄与しているはずである。つまり、本実施の形態のように、サーメットとスピネルの混合電極を用いることにより、反応に寄与するNiの量が小さいにも関わらず、同等の特性が得られることから、Niの高分散化により電極特性が向上することがわかる。 Therefore, Ni contributing to the reaction of this mixed electrode is at most about 64% of the weight of the entire electrode. On the other hand, in the case of an electrode using only Ni-SDC, 70% of the total weight of the electrode should contribute to the reaction. That is, as in this embodiment, by using a mixed electrode of cermet and spinel, the equivalent characteristics can be obtained despite the small amount of Ni contributing to the reaction. It can be seen that the electrode characteristics are improved.
また、図4および図5より、サーメットとスピネルとの混合比は、スピネルの割合が、10wt%以下が好ましい。 Further, from FIG. 4 and FIG. 5, the mixing ratio of the cermet and the spinel, the proportion of spinel, 1 0 wt% or less favorable preferable.
[第2の実施の形態]
図6は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第2の実施の形態における燃料極の模式図である。
[Second Embodiment]
FIG. 6 is a schematic diagram of the fuel electrode in the second embodiment of the solid oxide fuel cell according to the present invention.
本実施の形態の電気化学セルは、第1の実施の形態と、燃料極12が異なっている。本実施の形体では、燃料極12に高スピネル領域16が形成されている。高スピネル領域16は、電解質11からの距離が小さい領域よりも、スピネル15の含有率が高い領域である。 The electrochemical cell of the present embodiment is different from the first embodiment in the fuel electrode 12. In the present embodiment, a high spinel region 16 is formed in the fuel electrode 12. The high spinel region 16 is a region having a higher spinel 15 content than a region where the distance from the electrolyte 11 is small.
たとえば燃料極12は、サーメット14としてNi−SDCを用い、スピネル15としてNiAl2O4を用いて形成されている。電解質11と燃料極12との界面近傍ではNiAl2O4の含有率を小さくし、燃料極12の表面近傍ではNiAl2O4の含有率を高める。 For example, the fuel electrode 12 is formed using Ni-SDC as the cermet 14 and NiAl 2 O 4 as the spinel 15. The NiAl 2 O 4 content is reduced in the vicinity of the interface between the electrolyte 11 and the fuel electrode 12, and the NiAl 2 O 4 content is increased in the vicinity of the surface of the fuel electrode 12.
このような燃料極12にメタン(CH4)を供給して内部改質を生じさせて発電を行う場合、燃料極12の表面近傍の高スピネル領域16ではCH4からH2およびCOへの改質が促進される。また、炭素の析出が抑制され、性能を維持しながら発電できる。 When power is generated by supplying methane (CH 4 ) to the fuel electrode 12 to cause internal reforming, the CH 4 is changed to H 2 and CO in the high spinel region 16 near the surface of the fuel electrode 12. Quality is promoted. In addition, carbon deposition is suppressed, and power can be generated while maintaining performance.
また、本実施の形態では、燃料極12はスピネル15の含有率が高い領域と低い領域とに区分けできるが、燃料極12中のスピネル15の含有率を電解質11の界面から連続的に高めてもよい。 In the present embodiment, the fuel electrode 12 can be divided into a region where the spinel 15 content is high and a region where the spinel 15 content is low, but the content of the spinel 15 in the fuel electrode 12 is continuously increased from the interface of the electrolyte 11. Also good.
[第3の実施の形態]
図7は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第3の実施の形態における燃料極の模式図である。
[Third Embodiment]
FIG. 7 is a schematic view of the fuel electrode in the third embodiment of the solid oxide fuel cell according to the present invention.
本実施の形態において、燃料極12は、表面に電子導電性を持つ物質がコーティングされた粒子状の表面電子導電体17を含有している。 In the present embodiment, the fuel electrode 12 contains a particulate surface electronic conductor 17 whose surface is coated with a substance having electronic conductivity.
図8は、本実施の形態における表面電子導電体の断面図である。 FIG. 8 is a cross-sectional view of the surface electron conductor in the present embodiment.
この表面電子導電体17は、基材71の表面に電子導電性を持つ物質72をコーティングしたものである。基材71の材質は、耐熱性および安定性が高いものが好ましい。電子導電性を持つ物質72とは、たとえば、Ni、Fe、Co、Mg、Ti、Cu、Al、Pt、Au、Ag、Pd、Ruなどの金属である。また、電子導電性を持つ物質72として、これらの混合物、合金などを用いてもよい。 The surface electronic conductor 17 is obtained by coating the surface of a base 71 with a substance 72 having electronic conductivity. The material of the base material 71 is preferably a material having high heat resistance and stability. The substance 72 having electronic conductivity is, for example, a metal such as Ni, Fe, Co, Mg, Ti, Cu, Al, Pt, Au, Ag, Pd, and Ru. Further, as the substance 72 having electronic conductivity, a mixture or alloy thereof may be used.
また、基材71としては、サーメット14の固体酸化物と同様の物質を用いることがより好ましい。たとえば、サーメット14がNi−YSZであれば、基材71としてYSZを用いるとよい。これにより、電極活性成分との親和性が向上し、また、熱膨張係数差を小さくすることが可能となり、セルの機械的劣化や特性低下を低減することができる。 Moreover, as the base material 71, it is more preferable to use the same material as the solid oxide of the cermet 14. For example, if the cermet 14 is Ni—YSZ, YSZ may be used as the base material 71. Thereby, the affinity with the electrode active component is improved, the difference in thermal expansion coefficient can be reduced, and the mechanical deterioration and characteristic deterioration of the cell can be reduced.
電子導電性を持つ物質72は、たとえば、メッキ方法、PVD法、CVD法、電気泳動法、スラリーコーティング法、スパッタリング法、プラズマスプレー法、イオンプレーティング法、フレームスプレー法、プラズマジェットトーチ法、EVD法、などで基材71の表面へコーティングすることができる。また、基材71の表面に電子導電性を持つ物質72の層を複数形成してもよい。 The material 72 having electronic conductivity may be, for example, a plating method, PVD method, CVD method, electrophoresis method, slurry coating method, sputtering method, plasma spray method, ion plating method, flame spray method, plasma jet torch method, EVD. The surface of the base material 71 can be coated by a method. In addition, a plurality of layers of the substance 72 having electronic conductivity may be formed on the surface of the base material 71.
電子導電性を持つ物質72としては、サーメット14の触媒成分と同様の物質を用いることがより好ましい。たとえば、サーメット14がNi−YSZであれば、電子導電性を有する物質72としてNiを用いるとよい。 As the substance 72 having electronic conductivity, it is more preferable to use the same substance as the catalyst component of the cermet 14. For example, if the cermet 14 is Ni—YSZ, Ni may be used as the substance 72 having electronic conductivity.
図9は、基材の表面に電子導電性を持つ物質がコーティングされた粒子の顕微鏡写真である。 FIG. 9 is a photomicrograph of particles in which the surface of the substrate is coated with a substance having electronic conductivity.
図9に見られる表面電子導電体17は、基材71として、YSZ粒子を用い、その表面に、電子導電性を持つ物質72であるAgをコーティングしたものである。直径15μm程度のYSZ粒子の表面に、1μm程度のAg層がコーティングされている。本実施の形態の燃料極12は、このような表面電子導電体17を含有している。 The surface electronic conductor 17 shown in FIG. 9 is obtained by using YSZ particles as the base material 71 and coating the surface thereof with Ag, which is a substance 72 having electronic conductivity. The surface of YSZ particles having a diameter of about 15 μm is coated with an Ag layer of about 1 μm. The fuel electrode 12 of the present embodiment contains such a surface electron conductor 17.
NiAl2O4をはじめとする、スピネル15は、一般的には、電気抵抗が高い。このため、たとえばNi−SDCとNiAl2O4の混合電極の場合、NiAl2O4の混合比が大きすぎると、電極の電気抵抗が大きくなる。そこで、本実施の形態のように電子導電性を有する物質72を混合することによって、燃料極12の内部での電子導電の経路が増加し、電気抵抗が低下する。 The spinel 15 including NiAl 2 O 4 generally has a high electric resistance. For this reason, for example, in the case of a mixed electrode of Ni-SDC and NiAl 2 O 4 , if the mixing ratio of NiAl 2 O 4 is too large, the electrical resistance of the electrode increases. Therefore, by mixing the substance 72 having electronic conductivity as in the present embodiment, the path of electronic conduction within the fuel electrode 12 is increased, and the electrical resistance is lowered.
[第4の実施の形態]
図10は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第4の実施の形態における燃料極の模式図である。
[Fourth Embodiment]
FIG. 10 is a schematic diagram of the fuel electrode in the fourth embodiment of the solid oxide fuel cell according to the present invention.
本実施の形態の固体高分子形燃料電池の燃料極12では、第3の実施の形態における粒子状の表面電子導電体17(図7参照)の代わりに、繊維状の表面電子導電体18を含有している。この繊維状の表面電子導電体18は、細長い基材71の表面に電子導電性を持つ物質72をコーティングしたものである。 In the fuel electrode 12 of the polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment, a fibrous surface electronic conductor 18 is used instead of the particulate surface electronic conductor 17 (see FIG. 7) in the third embodiment. Contains. The fibrous surface electronic conductor 18 is obtained by coating the surface of an elongated base 71 with a substance 72 having electronic conductivity.
繊維状の表面電子導電体18は、たとえばYSZで形成された細長い繊維状の基材71の表面に、たとえばAgなどの電子導電性を持つ物質72をコーティングして形成される。この繊維状の表面電子導電体18の横断面形状は、第3の実施の形態における粒子状の表面電子導電体18の断面形状とほぼ同様である。 The fibrous surface electronic conductor 18 is formed by coating the surface of an elongated fibrous base material 71 made of, for example, YSZ, with a substance 72 having electronic conductivity such as Ag. The cross-sectional shape of the fibrous surface electronic conductor 18 is substantially the same as the cross-sectional shape of the particulate surface electronic conductor 18 in the third embodiment.
このような繊維状の表面電子導電体18であっても、燃料極12に含有させることにより、燃料極12の内部での電子導電の経路が増加するため、電気的抵抗が低下する。つまり、少なくとも表面に電子導電性を持つ物質がコーティングされていれば、第3の実施の形態のように粒子状であっても、本実施の形態のように繊維状であっても、あるいは他の形状であっても、電子導電の経路は増加し、燃料極12の電気抵抗が低下する。 Even if such a fibrous surface electronic conductor 18 is contained in the fuel electrode 12, the path of electronic conduction inside the fuel electrode 12 is increased, so that the electrical resistance is lowered. That is, as long as at least the surface is coated with a substance having electronic conductivity, it may be particulate like the third embodiment, fibrous like the present embodiment, or other Even in this shape, the electron conduction path increases and the electric resistance of the fuel electrode 12 decreases.
[第5の実施の形態]
図11は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第5の実施の形態における燃料極の模式図である。
[Fifth Embodiment]
FIG. 11 is a schematic diagram of the fuel electrode in the fifth embodiment of the solid oxide fuel cell according to the present invention.
本実施の形態の燃料極12では、電解質11との界面に対して反対側の面に導電性を有する物質19が集電層20を形成している。この導電性を有する物質19はたとえば粒状であり、その集電層20は気体が通過可能に形成されている。 In the fuel electrode 12 of the present embodiment, a material 19 having conductivity forms a current collecting layer 20 on the surface opposite to the interface with the electrolyte 11. The conductive material 19 is, for example, granular, and the current collecting layer 20 is formed so that gas can pass therethrough.
固体酸化物形燃料電池などの電気化学セルを動作させる際には、燃料極12および空気極13のそれぞれの電極の表面に、集電体を設けて集電する。電極と集電体との接触は非常に重要である。電極と集電体との接触が不十分だと、抵抗(集電抵抗)が増大し、セルの性能が低下する。 When an electrochemical cell such as a solid oxide fuel cell is operated, a current collector is provided on the surface of each of the fuel electrode 12 and the air electrode 13 to collect current. The contact between the electrode and the current collector is very important. If the contact between the electrode and the current collector is insufficient, the resistance (current collection resistance) increases and the performance of the cell decreases.
本実施の形態の燃料極12では、電解質11との界面に対して反対側の面に導電性を有する物質19で集電層20が形成されているため、導電性を有する物質19が集電体と広い領域で接触することとなる。このため、集電抵抗を小さくすることができ、単セル10の性能が向上する。 In the fuel electrode 12 of the present embodiment, since the current collecting layer 20 is formed of the conductive material 19 on the surface opposite to the interface with the electrolyte 11, the conductive material 19 is collected by the current collector 19. It will come into contact with the body in a wide area. For this reason, current collection resistance can be made small and the performance of the single cell 10 improves.
また、このような電解質11との界面に対して反対側の面に導電性を有する物質19で形成した集電層20は、空気極13にも設けてもよい。これにより、空気極13での集電抵抗も小さくすることができる。 Further, the current collecting layer 20 formed of the conductive material 19 on the surface opposite to the interface with the electrolyte 11 may also be provided on the air electrode 13. Thereby, the current collection resistance in the air electrode 13 can also be made small.
[第6の実施の形態]
図12は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第6の実施の形態における斜視図である。
[Sixth Embodiment]
FIG. 12 is a perspective view of a solid oxide fuel cell according to a sixth embodiment of the present invention.
本実施の形態の単セル10において、燃料極12の電解質11との界面に対して反対側の面には、導電性を有する物質19がメッシュ状の層を形成している。このような燃料極12を用いると、集電体と広い領域で接触することとなる。このため、集電抵抗を小さくすることができ、単セル10の性能が向上する。また、メッシュ状とすることで、導電性を有する物質19の使用量も削減できる。 In the unit cell 10 of the present embodiment, a conductive material 19 forms a mesh layer on the surface of the fuel electrode 12 opposite to the interface with the electrolyte 11. If such a fuel electrode 12 is used, it will contact with a collector in a wide area | region. For this reason, current collection resistance can be made small and the performance of the single cell 10 improves. Further, by using a mesh shape, the amount of the conductive material 19 used can be reduced.
[他の実施の形態]
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。上述の各実施の形態では、固体酸化物形燃料電池(SOFC)を例として説明したが、電解質を通過する酸素イオンを介して電気化学反応を起こさせる電気化学セルであればどのようなものにも適用できる。たとえば、高温で水蒸気を電気分解して水素製造を行う高温水蒸気電解法などに用いる電気分解セルにも適用可能である。あるいは、二酸化酸素を分解する電気化学セルにも適用可能である。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。
[Other embodiments]
The above-described embodiments are merely examples, and the present invention is not limited to these. In each of the above-described embodiments, the solid oxide fuel cell (SOFC) has been described as an example. However, any electrochemical cell that causes an electrochemical reaction through oxygen ions passing through the electrolyte can be used. Is also applicable. For example, the present invention can also be applied to an electrolysis cell used in a high temperature steam electrolysis method in which water is electrolyzed at a high temperature to produce hydrogen. Or it is applicable also to the electrochemical cell which decomposes | disassembles oxygen dioxide. Moreover, it can also implement combining the characteristic of each embodiment.
10…単セル、11…電解質、12…燃料極、13…空気極、14…サーメット、15…スピネル、16…高スピネル領域、17…表面電子導電体、18…表面電子導電体、71…基材、20…集電層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Single cell, 11 ... Electrolyte, 12 ... Fuel electrode, 13 ... Air electrode, 14 ... Cermet, 15 ... Spinel, 16 ... High spinel area | region, 17 ... Surface electron conductor, 18 ... Surface electron conductor, 71 ... Group 20, current collecting layer
Claims (6)
酸素イオン導電性と電子導電性とを備えた空気極と、
前記空気極と前記燃料極とで挟まれるように設けられて酸素イオン導電性を持つ固体酸化物を含有する電解質と、
を有し、
前記燃料極を還元雰囲気中に所定の時間保持することによって、前記スピネルの表面上には前記第2の触媒成分であるNiが数nmないし数十nm程度の大きさで高分散析出しており、
前記サーメットと前記スピネルとの混合比は、スピネルの割合が0wt%を超えかつ10wt%以内であることを特徴とする電気化学セル。 A cermet composed of a solid oxide having oxygen ion conductivity and a first catalyst component and a spinel represented by NiAl 2 O 4 containing Ni as a second catalyst component are mixed and physically bonded by firing. A fuel electrode,
An air electrode with oxygen ion conductivity and electronic conductivity;
An electrolyte containing a solid oxide having oxygen ion conductivity provided to be sandwiched between the air electrode and the fuel electrode;
Have
Wherein by a fuel electrode for a predetermined time in the reducing atmosphere, the on the surface of the spinel was highly dispersed and precipitated in the size of Ni is about several nm to several tens nm is prior Symbol second catalyst component And
The electrochemical cell according to claim 1, wherein the mixing ratio of the cermet and the spinel is such that the proportion of the spinel exceeds 0 wt% and is within 10 wt%.
酸素イオン導電性と電子導電性とを備えた空気極を形成する工程と、
前記空気極と前記燃料極とで挟まれるように設けられて酸素イオン導電性を持つ固体酸化物を含有する電解質を形成する工程と、
前記燃料極を還元雰囲気中に所定の時間保持する還元工程と、
を有し、
前記スピネルの表面上には、前記第2の触媒成分であるNiが数nmないし数十nm程度の大きさで高分散析出しており、
前記サーメットと前記スピネルとの混合比は、スピネルの割合が0wt%を超えかつ10wt%以内であることを特徴とする電気化学セルの製造方法。 A cermet composed of a solid oxide having oxygen ion conductivity and a first catalyst component and a spinel represented by NiAl 2 O 4 containing Ni as a second catalyst component are mixed and physically bonded by firing. Forming a fuel electrode comprising:
Forming an air electrode with oxygen ion conductivity and electronic conductivity;
Forming an electrolyte containing a solid oxide having oxygen ion conductivity provided to be sandwiched between the air electrode and the fuel electrode;
A reduction step of holding the fuel electrode in a reducing atmosphere for a predetermined time;
Have
On the surface of the spinel, Ni that is the second catalyst component is highly dispersed and precipitated with a size of several nanometers to several tens of nanometers,
The mixing ratio of the cermet and the spinel is such that the proportion of the spinel exceeds 0 wt% and is within 10 wt%.
前記燃料極を還元雰囲気中に所定の時間保持する還元工程と、
前記還元工程の後に、電気化学反応を起こさせる工程と、
を有し、
前記スピネルの表面上には、前記第2の触媒成分であるNiが数nmないし数十nm程度の大きさで高分散析出しており、
前記サーメットと前記スピネルとの混合比は、スピネルの割合が0wt%を超えかつ10wt%以内であることを特徴とする電気化学セルの運転方法。 A cermet composed of a solid oxide having oxygen ion conductivity and a first catalyst component and a spinel represented by NiAl 2 O 4 containing Ni as a second catalyst component are mixed and physically bonded by firing. A fuel electrode, an air electrode having ionic conductivity and electronic conductivity, and an electrolyte containing a solid oxide having oxygen ion conductivity provided to be sandwiched between the air electrode and the fuel electrode In an operation method of an electrochemical cell comprising:
A reduction step of holding the fuel electrode in a reducing atmosphere for a predetermined time;
A step of causing an electrochemical reaction after the reduction step;
Have
On the surface of the spinel, Ni that is the second catalyst component is highly dispersed and precipitated with a size of several nanometers to several tens of nanometers,
The method of operating an electrochemical cell, wherein a mixing ratio of the cermet and the spinel is such that the proportion of the spinel exceeds 0 wt% and is within 10 wt%.
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