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JP6317710B2 - Solid oxide electrochemical cell, method for producing solid oxide electrochemical cell, solid oxide fuel cell, and high-temperature steam electrolysis apparatus - Google Patents
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JP6317710B2 - Solid oxide electrochemical cell, method for producing solid oxide electrochemical cell, solid oxide fuel cell, and high-temperature steam electrolysis apparatus - Google Patents

Solid oxide electrochemical cell, method for producing solid oxide electrochemical cell, solid oxide fuel cell, and high-temperature steam electrolysis apparatus Download PDF

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Description

本発明は、固体酸化物形電気化学セル、固体酸化物形電気化学セルの製造方法、固体酸化物形燃料電池、及び高温水蒸気電気分解装置に関し、さらに詳しくは、固体電解質層内での短絡を抑制すると共に発電能力に優れた固体酸化物形電気化学セル、固体酸化物形電気化学セルの製造方法、並びに前記固体酸化物形電気化学セルを備えた固体酸化物形燃料電池及び高温水蒸気電気分解装置に関する。   The present invention relates to a solid oxide electrochemical cell, a method for producing a solid oxide electrochemical cell, a solid oxide fuel cell, and a high-temperature steam electrolysis apparatus, and more particularly, a short circuit in a solid electrolyte layer. Solid oxide electrochemical cell having excellent power generation capability while suppressing, method for producing solid oxide electrochemical cell, solid oxide fuel cell including the solid oxide electrochemical cell, and high-temperature steam electrolysis Relates to the device.

水素と酸素とを用いて発電することのできる固体酸化物形燃料電池、又は水を分解して水素と酸素とを発生させる高温水蒸気電気分解装置を構成する部材として、固体酸化物形電気化学セルが用いられる。固体酸化物形電気化学セルは、酸素極と固体電解質層と燃料極とを有する。固体電解質層は、高性能を目論んでペロブスカイト型酸化物からなることがある。燃料極は、触媒機能及び電子電導性等を得るために、Ni等の遷移元素を含有する。空気極は、触媒機能及び電子電導性等を得るために、Co、及びFe等の遷移元素を含有する。   Solid oxide electrochemical cell capable of generating power using hydrogen and oxygen, or a solid oxide electrochemical cell as a member of a high-temperature steam electrolysis apparatus that decomposes water to generate hydrogen and oxygen Is used. The solid oxide electrochemical cell has an oxygen electrode, a solid electrolyte layer, and a fuel electrode. The solid electrolyte layer may be made of a perovskite oxide for the purpose of high performance. The fuel electrode contains a transition element such as Ni in order to obtain a catalytic function and electronic conductivity. The air electrode contains transition elements such as Co and Fe in order to obtain a catalytic function and electronic conductivity.

固体酸化物形電気化学セルを作製する際には、固体電解質層の焼成前駆体と、燃料極の焼成前駆体とを、積層した後に焼成する方法が用いられることがある。焼成の過程において、燃料極の焼成前駆体に含有されるNi等が、固体電解質層の焼成前駆体へと拡散する。また、空気極は、燃料極と固体電解質層との同時焼成体の固体電解質層の表面に空気極の焼成前駆体を積層した後に焼成する方法が用いられることがある。空気極の焼成過程において、空気極の焼成前駆体に含有されるCo等が、固体電解質層の焼成前駆体へと拡散する。これらNi等とCo等とが固体電解質層へと深く拡散及び進入した場合、固体電解質層の燃料極から空気極までの電子伝導パスが形成され、空気極と燃料極との間における電気的な内部短絡が起こり、固体酸化物形電気化学セルの起電力低下や性能低下等を引き起こすことがある。特に、固体電解質層がGaを含むペロブスカイト型酸化物を有する場合、比較的高価なGaの使用量を減らすために、固体電解質層の厚さを薄くするように設計される。固体電解質層の厚さを薄くすればするほど、燃料極からのNi等の拡散と空気極からのCo等の拡散とによる前記短絡の問題が引き起こされやすくなるという問題がある。   When producing a solid oxide electrochemical cell, a method of firing after laminating a firing precursor of a solid electrolyte layer and a firing precursor of a fuel electrode may be used. In the firing process, Ni or the like contained in the fuel electrode firing precursor diffuses into the solid electrolyte layer firing precursor. The air electrode may be fired after the air electrode firing precursor is laminated on the surface of the solid electrolyte layer of the co-fired body of the fuel electrode and the solid electrolyte layer. In the air electrode firing process, Co or the like contained in the air electrode firing precursor diffuses into the solid electrolyte layer firing precursor. When these Ni and Co and the like diffuse and penetrate deeply into the solid electrolyte layer, an electron conduction path from the fuel electrode to the air electrode of the solid electrolyte layer is formed, and an electrical connection between the air electrode and the fuel electrode is formed. An internal short circuit may occur, which may cause a decrease in electromotive force or performance of the solid oxide electrochemical cell. In particular, when the solid electrolyte layer has a perovskite oxide containing Ga, the thickness of the solid electrolyte layer is designed to be reduced in order to reduce the amount of relatively expensive Ga used. As the thickness of the solid electrolyte layer is reduced, there is a problem that the problem of short circuit due to diffusion of Ni or the like from the fuel electrode and diffusion of Co or the like from the air electrode is more likely to occur.

従来、燃料極におけるNiが固体電解質層側へと拡散することを抑制する技術が知られている。例えば、特許文献1には、「前記燃料極は、Ni及びNiOの少なくとも一方を含み、前記固体電解質層は、La及びGaを少なくとも含むペロブスカイト型複合酸化物とMgOとを含み、前記固体電解質層において前記MgOは粒子状のMgO粒子となって前記一側面側に偏在することを特徴とする固体酸化物形燃料電池」(特許文献1の請求項1参照)が開示されている。特許文献1に開示された発明によると、固体電解質層の燃料極側に偏在するMgOとNiとが反応することにより、Niが固体電解質層におけるペロブスカイト型酸化物と反応することを抑制することができる。   Conventionally, a technique for suppressing diffusion of Ni in the fuel electrode toward the solid electrolyte layer is known. For example, Patent Document 1 states that “the fuel electrode includes at least one of Ni and NiO, the solid electrolyte layer includes a perovskite complex oxide including at least La and Ga, and MgO, and the solid electrolyte layer includes The solid oxide fuel cell is characterized in that the MgO becomes particulate MgO particles and is unevenly distributed on the one side surface side (see claim 1 of Patent Document 1). According to the invention disclosed in Patent Document 1, it is possible to prevent Ni from reacting with the perovskite oxide in the solid electrolyte layer by reacting MgO and Ni that are unevenly distributed on the fuel electrode side of the solid electrolyte layer. it can.

一方で、空気極の含有元素が固体電解質層側へと拡散することを抑制する技術が知られている。例えば、特許文献2には、「前記固体電解質と、前記アノード側電極又は前記カソード側電極の少なくともいずれか一方との間に、セリア系酸化物を含有する焼結体からなる中間層が介在し、前記中間層は、さらに、焼結助剤由来のAl、Ca、Co、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Znの群の少なくともいずれか1種を合計で0.5〜5mol%含有するとともに、厚みが0.5〜3μm、且つ相対密度が70〜100%であることを特徴とする電解質・電極接合体」(特許文献2の請求項1参照)が開示されている。特許文献2には、焼結助剤の存在下に比較的低温でセリア系酸化物を含有する中間層を焼成することにより中間層が緻密化され、それによってカソード側電極(空気極)と固体電解質との間での元素拡散が回避されることが開示されている(特許文献2の0028欄〜0040欄等)。   On the other hand, a technique for suppressing the element contained in the air electrode from diffusing toward the solid electrolyte layer is known. For example, Patent Document 2 states that “an intermediate layer made of a sintered body containing a ceria-based oxide is interposed between the solid electrolyte and at least one of the anode side electrode and the cathode side electrode. The intermediate layer further contains a total of 0.5 to 5 mol% of at least one member selected from the group consisting of Al, Ca, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, and Zn derived from a sintering aid. In addition, an “electrolyte / electrode assembly having a thickness of 0.5 to 3 μm and a relative density of 70 to 100%” (see claim 1 of Patent Document 2) is disclosed. In Patent Document 2, the intermediate layer is densified by firing an intermediate layer containing a ceria-based oxide at a relatively low temperature in the presence of a sintering aid, whereby the cathode side electrode (air electrode) and the solid layer are solidified. It is disclosed that element diffusion with the electrolyte is avoided (column 0028 to column 0040 of Patent Document 2, etc.).

特開2012−156007号公報JP 2012-156007 A 特開2008−258064号公報JP 2008-258064 A

特許文献1に開示された発明において、MgOは絶縁体であり、固体電解質層における電気特性を低下させるので、特許文献1に開示された固体酸化物形燃料電池は、発電性能が低下してしまうという問題がある。   In the invention disclosed in Patent Document 1, MgO is an insulator and reduces the electrical characteristics of the solid electrolyte layer. Therefore, the power generation performance of the solid oxide fuel cell disclosed in Patent Document 1 decreases. There is a problem.

また、特許文献2に開示された発明において、中間層を空気極と固体電解質層との間に設ける手段は、電気抵抗が増加する問題、並びに構造が複雑になり、コストが増加する等の問題がある。   Further, in the invention disclosed in Patent Document 2, the means for providing the intermediate layer between the air electrode and the solid electrolyte layer has a problem that the electrical resistance is increased, and that the structure is complicated and the cost is increased. There is.

本発明の課題は、固体電解質層内での短絡を抑制することにより、高い起電力を有すると共に発電能力に優れた固体酸化物形電気化学セルを提供することである。
本発明の別の課題は、固体電解質層内での短絡を抑制することにより、高い起電力を有すると共に発電能力に優れた固体酸化物形電気化学セルの製造方法を提供することである。
本発明のまた別の課題は、固体電解質層内での短絡を抑制することにより、高い起電力を有すると共に発電能力に優れた固体酸化物形燃料電池を提供することである。
本発明のさらに別の課題は、固体電解質層内での短絡を抑制することにより、水の分解能力に優れた高温水蒸気電気分解装置を提供することである。
An object of the present invention is to provide a solid oxide electrochemical cell having a high electromotive force and excellent power generation capability by suppressing a short circuit in the solid electrolyte layer.
Another object of the present invention is to provide a method for producing a solid oxide electrochemical cell having a high electromotive force and an excellent power generation capability by suppressing a short circuit in the solid electrolyte layer.
Another object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell having a high electromotive force and an excellent power generation capability by suppressing a short circuit in the solid electrolyte layer.
Still another object of the present invention is to provide a high-temperature steam electrolysis apparatus that is excellent in water decomposition capability by suppressing short-circuiting in the solid electrolyte layer.

前記課題を解決するための手段は、
(1)固体電解質層と、前記固体電解質層の一方の側に形成されてなる燃料極と、前記固体電解質層の他方の側に形成されてなる空気極とを有する固体酸化物形電気化学セルであって、
前記燃料極は、酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとを含有し、
前記空気極は、La 0.6 Sr 0.4 CoO 3−δ を含有し、
前記固体電解質層は、La 0.9 Sr 0.1 Ga Mg 3−δ (x:0.8〜0.95、y:0.05〜0.2)を含有し、自身の厚さが100μm以下であり、Gaを含有するペロブスカイト型酸化物aを有し、前記固体電解質層の切断面を電子線プローブマイクロアナライザーに付属の波長分散型X線分光器により点分析したときに、検出された全元素のうち原子番号1〜8の元素を除く元素の合計質量に対する、前記燃料極に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合が0.5質量%以下であり、かつ、前記空気極に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合が0.5質量%以下である第1領域を有し、前記固体電解質層の膜厚方向における前記第1領域の厚さが5μm以上であることを特徴とする固体酸化物形電気化学セルである。
Means for solving the problems are as follows:
(1) A solid oxide electrochemical cell having a solid electrolyte layer, a fuel electrode formed on one side of the solid electrolyte layer, and an air electrode formed on the other side of the solid electrolyte layer Because
The fuel electrode contains nickel oxide and yttria-stabilized zirconia ,
The air electrode contains La 0.6 Sr 0.4 CoO 3-δ ,
The solid electrolyte layer contains La 0.9 Sr 0.1 Ga x Mg y O 3-δ (x: 0.8 to 0.95, y: 0.05 to 0.2), and has its own thickness. Having a perovskite type oxide a containing Ga and having a perovskite type oxide a containing Ga, and by performing point analysis on the cut surface of the solid electrolyte layer with a wavelength dispersive X-ray spectrometer attached to an electron beam probe microanalyzer, The ratio of the total mass of transition elements of the same type as the transition elements contained in the fuel electrode to the total mass of the elements excluding the elements having atomic numbers 1 to 8 among all the detected elements is 0.5% by mass or less. And the 1st area | region whose ratio of the total mass of the transition element of the same kind as the transition element contained in the said air electrode is 0.5 mass% or less, and said 1st in the film thickness direction of the said solid electrolyte layer The thickness of the region is 5 μm or more A solid oxide electrochemical cell.

前記(1)の固体酸化物形電気化学セルの好ましい態様は、以下の通りである。
(2) 前記固体電解質層は、前記固体電解質層の切断面を電子線プローブマイクロアナライザーに付属の波長分散型X線分光器により点分析したときに、検出された全元素のうち原子番号1〜8の元素を除く元素の合計質量に対する、前記燃料極に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合が0.5質量%を超える第2領域を有し、前記固体電解質層の膜厚方向における前記第2領域の厚さが20μm以下であることを特徴とする前記(1)に記載の固体酸化物形電気化学セルである。
(3) 前記固体電解質層は、前記固体電解質層の切断面を電子線プローブマイクロアナライザーに付属の波長分散型X線分光器により点分析したときに、検出された全元素のうち原子番号1〜8の元素を除く元素の合計質量に対する、前記空気極に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合が0.5質量%を超える第3領域を有し、前記固体電解質層の膜厚方向における前記第3領域の厚さが20μm以下であることを特徴とする前記(1)又は(2)に記載の固体酸化物形電気化学セルである。
Preferred embodiments of the solid oxide electrochemical cell (1) are as follows.
(2) When the solid electrolyte layer is point-analyzed by a wavelength dispersive X-ray spectrometer attached to an electron beam probe microanalyzer, the solid electrolyte layer has atomic numbers 1 to The ratio of the total mass of transition elements of the same type as the transition elements contained in the fuel electrode to the total mass of elements excluding the 8 elements is a second region exceeding 0.5 mass%, and the solid electrolyte layer The solid oxide electrochemical cell according to (1), wherein the thickness of the second region in the film thickness direction is 20 μm or less .
(3) before SL solid electrolyte layer, the cut surfaces of the solid electrolyte layer when point analyzed by wavelength-dispersive X-ray spectrometer supplied with the electron probe microanalyzer, atomic number among the detected total elements 1 The solid electrolyte layer has a third region in which the ratio of the total mass of transition elements of the same type as the transition elements contained in the air electrode to the total mass of elements excluding ˜8 elements exceeds 0.5 mass%. The solid oxide electrochemical cell according to (1) or (2), wherein the thickness of the third region in the film thickness direction is 20 μm or less.

前記別の課題を解決するための手段は、
(4) 前記(1)〜(3)のいずれか一項に記載の固体酸化物形電気化学セルの製造方法であって、前記燃料極となる未焼成燃料極の表面に前記固体電解質層となる未焼成固体電解質層を形成し、1320℃以下の温度で焼成して同時焼成体を形成する工程を有することを特徴とする固体酸化物形電気化学セルの製造方法である。
Means for solving the another problem is as follows.
(4) The method for producing a solid oxide electrochemical cell according to any one of (1) to (3) , wherein the solid electrolyte layer is formed on a surface of an unfired fuel electrode serving as the fuel electrode. And forming a co-fired body by forming an unsintered solid electrolyte layer and firing at a temperature of 1320 ° C. or lower.

前記(4)の固体酸化物形電気化学セルの製造方法の好ましい態様は、
(5) 前記(1)〜(3)のいずれか一項に記載の固体酸化物形電気化学セルの製造方法であって、前記同時焼成体の表面に前記空気極となる未焼成空気極を形成し、1100℃以下の温度で焼成する工程を有することを特徴とする(4)に記載の固体酸化物形電気化学セルの製造方法。
A preferred embodiment of the method for producing a solid oxide electrochemical cell (4) is as follows:
(5) The method for producing a solid oxide electrochemical cell according to any one of (1) to (3) , wherein an unsintered air electrode serving as the air electrode is provided on a surface of the co-fired body. The method for producing a solid oxide electrochemical cell according to (4) , comprising a step of forming and firing at a temperature of 1100 ° C. or lower.

前記別の課題を解決するための手段は、
(6) 前記(1)〜(3)のいずれか一項に記載の固体酸化物形電気化学セルを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池である。
Means for solving the another problem is as follows.
(6) A solid oxide fuel cell comprising the solid oxide electrochemical cell according to any one of (1) to (3) .

前記別の課題を解決するための手段は、
(7)前記(1)〜前記(3)のいずれか一つに記載の固体酸化物形電気化学セルを有することを特徴とする高温水蒸気分解装置である。
Means for solving the another problem is as follows.
(7) A high-temperature steam decomposition apparatus comprising the solid oxide electrochemical cell according to any one of (1) to (3) .

(1)Gaを有するペロブスカイト型酸化物aは、酸化物イオンの伝導性が高い固体電解質材料である。一方で、前記固体電解質層は遷移元素の元素拡散性が高いため、固体電解質層の厚さが薄く、100μm以下である場合、焼成時に燃料極から拡散したNi等の遷移元素と空気極から拡散したCo等の遷移元素とにより、固体電解質層において燃料極から空気極までの電子伝導パスが形成され、固体電解質層内で短絡が起こる場合がある。しかしながら、この発明によると、ペロブスカイト型酸化物aを含む固体電解質層の厚さが100μm以下であっても、前記燃料極に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合が0.5質量%以下であり、かつ、前記空気極に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合が0.5質量%以下である第1領域を有し、固体電解質層の膜厚方向における第1領域の厚さが5μm以上であるので、電気的な短絡を抑制することができ、高い起電力を有すると共に発電能力に優れた固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。
(2)(La1−αSrα)(Ga1−βMgβ)O3−δ(0.05≦α<0.2、0.05≦β<0.2)は、Gaを含有するペロブスカイト型酸化物の中でも、特に酸化物イオンの伝導率が高い。また、βが小さくなるほど固体電解質中のMgOの偏析が少なくなる。MgOが固体電解質層中に偏析していると、MgOは燃料極及び空気極に含有される遷移元素と反応して固溶体を形成し易いため、燃料極及び空気極から固体電解質層へと遷移元素が拡散し易くなる。しかしながら、前述した一般式で示されるペロブスカイト型酸化物aは、βが0.2より小さいことからMgOの偏析が少ないので、燃料極及び空気極から固体電解質層への遷移元素の拡散がより一層抑制される。したがって、この発明によると、固体電解質層の厚さを薄く形成しつつ短絡を抑制することができ、また、固体電解質層における酸化物イオンの伝導性に優れ、その結果として高い起電力を有すると共に発電能力に優れた固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。
(3)この発明における固体電解質層は、燃料極に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合が0.5質量%を超える第2領域を有し、固体電解質層の膜厚方向における第2領域の厚さが20μm以下である。したがって、この発明によると、固体電解質層内での電気的な短絡をより一層抑制することができ、高い起電力及び発電能力に優れた固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。
(4)この発明によると、燃料極に含まれる遷移元素のうち、少なくとも1つがNiであるので、高い反応活性と電子伝導性を有する燃料極を備えた高性能な固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。
(5)この発明における固体電解質層は、空気極に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合が0.5質量%を超える第3領域を有し、固体電解質層の膜厚方向における第3領域の厚さが20μm以下である。したがって、この発明によると、固体電解質層内での電気的な短絡をより一層抑制することができ、高い起電力及び発電能力に優れた固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。
(6)この発明によると、空気極に含まれる遷移元素のうち、少なくとも1つがCoであるので、高い反応活性と酸化物イオン伝導性を有する空気極を備えた高性能な固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。
(7)前記(7)に記載の固体酸化物形電気化学セルの製造方法によると、燃料極となる未焼成燃料極の表面に固体電解質層となる未焼成固体電解質層を形成し、1320℃以下の温度で焼成して同時焼成体を形成するので、燃料極から固体電解質層へのNi等の遷移元素の拡散を低減することができ、それによって電気的な短絡を抑制することができ、高い起電力を有すると共に発電能力に優れた固体酸化物形電気化学セルを製造することができる。
(8)前記(8)に記載の固体酸化物形電気化学セルの製造方法によると、前記同時焼成体の表面に空気極となる未焼成空気極を形成し、1100℃以下の温度で焼成するので、空気極から固体電解質層へのCo等の遷移元素の拡散を低減することができ、それによって電気的な短絡を抑制することができ、高い起電力を有すると共に発電能力に優れた固体酸化物形電気化学セルを製造することができる。
(9)前記(9)に係る発明によると、電気的な短絡を起こし難く、高い起電力を有すると共に発電能力に優れた固体酸化物形燃料電池を提供することができる。

(10)前記(10)に係る発明によると、電気的な短絡を起こし難く、水の分解能力に優れた高温水蒸気電気分解装置を提供することができる。
(1) The perovskite oxide a containing Ga is a solid electrolyte material having high conductivity of oxide ions. On the other hand, since the solid electrolyte layer has a high element diffusibility of the transition element, when the thickness of the solid electrolyte layer is thin and 100 μm or less, it diffuses from the transition electrode such as Ni diffused from the fuel electrode and the air electrode during firing. The transition element such as Co may form an electron conduction path from the fuel electrode to the air electrode in the solid electrolyte layer, which may cause a short circuit in the solid electrolyte layer. However, according to the present invention, even when the thickness of the solid electrolyte layer containing the perovskite oxide a is 100 μm or less, the ratio of the total mass of transition elements of the same type as the transition elements contained in the fuel electrode is 0. The thickness of the solid electrolyte layer is 5% by mass or less and has a first region in which the ratio of the total mass of transition elements of the same type as the transition element contained in the air electrode is 0.5% by mass or less. Since the thickness of the first region in the direction is 5 μm or more, an electrical short circuit can be suppressed, and a solid oxide electrochemical cell having high electromotive force and excellent power generation capability can be provided. .
(2) (La1- [ alpha] Sr [ alpha] ) (Ga1- [ beta] Mg [ beta] ) O3- [ delta] (0.05 ≦ α <0.2, 0.05 ≦ β <0.2) contains Ga. Among the perovskite oxides, the conductivity of oxide ions is particularly high. Further, as β decreases, the segregation of MgO in the solid electrolyte decreases. When MgO is segregated in the solid electrolyte layer, MgO easily reacts with the transition element contained in the fuel electrode and the air electrode to form a solid solution. Therefore, the transition element from the fuel electrode and the air electrode to the solid electrolyte layer. Becomes easy to diffuse. However, since the perovskite oxide a represented by the general formula described above has a β smaller than 0.2, the segregation of MgO is small, so that the diffusion of transition elements from the fuel electrode and the air electrode to the solid electrolyte layer is further increased. It is suppressed. Therefore, according to the present invention, it is possible to suppress a short circuit while forming a thin thickness of the solid electrolyte layer, and it is excellent in oxide ion conductivity in the solid electrolyte layer, and as a result, has a high electromotive force. It is possible to provide a solid oxide electrochemical cell excellent in power generation capacity.
(3) The solid electrolyte layer in the present invention has a second region in which the ratio of the total mass of transition elements of the same type as the transition element contained in the fuel electrode exceeds 0.5% by mass, and the thickness of the solid electrolyte layer The thickness of the second region in the direction is 20 μm or less. Therefore, according to the present invention, an electrical short circuit in the solid electrolyte layer can be further suppressed, and a solid oxide electrochemical cell excellent in high electromotive force and power generation capability can be provided.
(4) According to the present invention, since at least one of the transition elements contained in the fuel electrode is Ni, a high-performance solid oxide electrochemical cell having a fuel electrode having high reaction activity and electronic conductivity Can be provided.
(5) The solid electrolyte layer in the present invention has a third region in which the ratio of the total mass of transition elements of the same type as the transition elements contained in the air electrode exceeds 0.5% by mass, and the thickness of the solid electrolyte layer The thickness of the third region in the direction is 20 μm or less. Therefore, according to the present invention, an electrical short circuit in the solid electrolyte layer can be further suppressed, and a solid oxide electrochemical cell excellent in high electromotive force and power generation capability can be provided.
(6) According to the present invention, since at least one of the transition elements contained in the air electrode is Co, a high-performance solid oxide electricity having an air electrode having high reaction activity and oxide ion conductivity. A chemical cell can be provided.
(7) According to the method for producing a solid oxide electrochemical cell described in (7) above, an unsintered solid electrolyte layer to be a solid electrolyte layer is formed on the surface of an unsintered fuel electrode to be a fuel electrode, Since the co-fired body is formed by firing at the following temperature, diffusion of transition elements such as Ni from the fuel electrode to the solid electrolyte layer can be reduced, thereby suppressing an electrical short circuit, A solid oxide electrochemical cell having a high electromotive force and excellent power generation capability can be produced.
(8) According to the method for producing a solid oxide electrochemical cell described in (8) above, an unsintered air electrode serving as an air electrode is formed on the surface of the co-fired body and fired at a temperature of 1100 ° C. or lower. Therefore, it is possible to reduce diffusion of transition elements such as Co from the air electrode to the solid electrolyte layer, thereby suppressing an electrical short circuit, and having a high electromotive force and excellent power generation capability. A physical electrochemical cell can be manufactured.
(9) According to the invention according to (9), it is possible to provide a solid oxide fuel cell that hardly causes an electrical short circuit, has a high electromotive force, and is excellent in power generation capability.

(10) According to the invention according to (10), it is possible to provide a high-temperature steam electrolysis apparatus that is less likely to cause an electrical short circuit and is excellent in water decomposition ability.

図1は、本発明に係る固体酸化物形電気化学セルの一例を示す円筒型の固体酸化物形電気化学セルの横断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a cylindrical solid oxide electrochemical cell showing an example of a solid oxide electrochemical cell according to the present invention. 図2は、本発明に係る固体酸化物形電気化学セルを備えた固体酸化物形燃料電池スタックの一例を示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing an example of a solid oxide fuel cell stack including a solid oxide electrochemical cell according to the present invention. 図3は、図2のA−A´断面概略図であり、固体酸化物形電気化学セルの軸線長手方向における略中央部において、固体酸化物形電気化学セルの軸線長手方向とは垂直方向に切断した際の固体酸化物形燃料電池スタックの断面概略図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 2, and is substantially perpendicular to the longitudinal axis direction of the solid oxide electrochemical cell at a substantially central portion in the longitudinal axis direction of the solid oxide electrochemical cell. It is the cross-sectional schematic of the solid oxide fuel cell stack at the time of cut | disconnecting. 図4は、図2に示す固体酸化物形燃料電池スタックのB−B´断面において、固体酸化物形電気化学セルを取り出して観察した際の断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of the solid oxide fuel cell stack shown in FIG. 2 taken along the line BB ′ and observed when the solid oxide electrochemical cell is taken out and observed. 図5は、図3に示す絶縁性多孔体の一例を示す斜視図である。FIG. 5 is a perspective view showing an example of the insulating porous body shown in FIG. 図6は、図2に示す固体酸化物形燃料電池スタックのB−B´断面図である。6 is a cross-sectional view of the solid oxide fuel cell stack shown in FIG. 2 taken along the line BB ′. 図7は、固体酸化物形電気化学セルの切断面において、第1領域及び第2領域の厚さの測定位置を示す断面説明図である。FIG. 7 is a cross-sectional explanatory view showing the measurement positions of the thicknesses of the first region and the second region on the cut surface of the solid oxide electrochemical cell.

固体酸化物形電気化学セル(以下、「単セル」と称することがある。)は、固体電解質層と、固体電解質層の一方の側に形成されてなる燃料極と、固体電解質層の他方の側に形成されてなる空気極と、を有する。   A solid oxide electrochemical cell (hereinafter sometimes referred to as “single cell”) includes a solid electrolyte layer, a fuel electrode formed on one side of the solid electrolyte layer, and the other of the solid electrolyte layer. And an air electrode formed on the side.

燃料極は、固体電解質層の空気極が形成されている面とは反対側の面に設けられる。燃料極は、酸化還元反応についての触媒機能、電子伝導性、ガス透過性、及び高温条件下における安定性等を有する材料によって形成されていればよい。燃料極は、Mn、Fe、Co、Ni、及びCuのうちの少なくとも1つの遷移元素を含有する。これらの中でもNi、及びCuが好ましく、Niがより好ましい。燃料極がNiを含有すると、高い反応活性と電子伝導性とを有する燃料極を備えた高性能な固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。燃料極は、前記遷移元素の他に、Sc、Y等の希土類元素のうちの少なくとも1種により安定化されたジルコニア等のZrO含有セラミック、及びCeO含有セラミック等のセラミックのうちの少なくとも1つを含有する。空気極は、前記遷移元素を金属として含有してもよいし、2種以上の合金として含有してもよいし、金属の酸化物又は複合酸化物として含有してもよい。また、燃料極は、前記遷移元素と前記セラミックとの混合物であるサーメットにより形成されてもよい。 The fuel electrode is provided on the surface of the solid electrolyte layer opposite to the surface on which the air electrode is formed. The fuel electrode may be formed of a material having a catalytic function for redox reaction, electron conductivity, gas permeability, stability under high temperature conditions, and the like. The fuel electrode contains at least one transition element of Mn, Fe, Co, Ni, and Cu. Among these, Ni and Cu are preferable, and Ni is more preferable. When the fuel electrode contains Ni, a high-performance solid oxide electrochemical cell having a fuel electrode having high reaction activity and electronic conductivity can be provided. The fuel electrode includes at least one of a ZrO 2 -containing ceramic such as zirconia stabilized by at least one kind of rare earth elements such as Sc and Y, and a ceramic such as CeO 2 -containing ceramic in addition to the transition element. Contains one. The air electrode may contain the transition element as a metal, may be contained as two or more kinds of alloys, or may be contained as a metal oxide or a composite oxide. The fuel electrode may be formed of a cermet that is a mixture of the transition element and the ceramic.

空気極は、固体電解質層の燃料極が形成されている面とは反対側の面に設けられる。空気極は、触媒機能、電子伝導性、酸化物イオン伝導性、ガス透過性、及び高温条件下における安定性等を有する材料によって形成されていればよい。空気極は、Mn、Fe、Co、Ni、及びCuのうちの少なくとも1つの遷移元素を含有する。これらの中でもMn、Fe、及びCoが好ましく、Fe、及びCoがより好ましい。空気極がCoを含有すると、高い反応活性と酸化物イオン伝導性とを有する空気極を備えた高性能な固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。空気極は、前記遷移元素を金属として含有してもよいし、2種以上の合金として含有してもよし、金属の酸化物又は複合酸化物として含有してもよい。空気極を形成する材料として、例えば、La1−xSrCoFe1−y3−δ(0<x<0.5、0<y<0.4)、La1−xSrMnO3−δ(0<x<0.3)、La1−xSrCoO3−δ(0<x<0.5)(以下、「LSC」と称されることがある。)、Sm1−xSrCoO3−δ(0<x<0.6)、Ba1−xLaCoO3−δ(0<x<0.6)等を挙げることができる。また、空気極には必要に応じてAg等のその他の材料が含有されてもよい。 The air electrode is provided on the surface opposite to the surface on which the fuel electrode of the solid electrolyte layer is formed. The air electrode may be formed of a material having a catalytic function, electronic conductivity, oxide ion conductivity, gas permeability, stability under high temperature conditions, and the like. The air electrode contains at least one transition element of Mn, Fe, Co, Ni, and Cu. Among these, Mn, Fe, and Co are preferable, and Fe and Co are more preferable. When the air electrode contains Co, a high-performance solid oxide electrochemical cell including the air electrode having high reaction activity and oxide ion conductivity can be provided. The air electrode may contain the transition element as a metal, may be contained as two or more kinds of alloys, or may be contained as a metal oxide or a composite oxide. As a material for forming the air electrode, for example, La 1-x Sr x Co y Fe 1-y O 3-δ (0 <x <0.5, 0 <y <0.4), La 1-x Sr x MnO 3-δ (0 <x <0.3), La 1-x Sr x CoO 3-δ (0 <x <0.5) (hereinafter sometimes referred to as “LSC”), Sm 1-x Sr x CoO 3-δ (0 <x <0.6), Ba 1-x La x CoO 3-δ (0 <x <0.6), and the like. Further, the air electrode may contain other materials such as Ag as required.

固体電解質層は、燃料極と空気極との間に設けられる。固体電解質層は、ペロブスカイト型の結晶構造を有し、少なくともGaを含有するペロブスカイト型酸化物aを含有する。ペロブスカイト型酸化物aは、酸化物イオン伝導性を有する固体電解質である。ペロブスカイト型酸化物aとしては、例えば、La及びGaを含有するペロブスカイト型酸化物等を挙げることができる。La及びGaを含有するペロブスカイト型酸化物aは、Laの一部及びGaの一部がCa、Sr、Mg等の別の元素で置換されているのが好ましい。ペロブスカイト型酸化物aに含まれるCa、Sr、Mgによる置換率は特に制限されないが、例えば、La及びGaがそれぞれA元素及びB元素により置換されている場合(A元素はCa及びSrのうちの少なくとも一つ、B元素はMg)、ペロブスカイト型の結晶構造におけるAサイトの原子数(Laの原子数とA元素の原子数との合計)を1としたときに、0.05以上0.2未満の原子数のLaがA元素に置換され、Bサイトの原子数(Gaの原子数とB元素の原子数との合計)を1としたときに、0.05以上0.2未満の原子数のGaがB元素に置換されているのが好ましい。ペロブスカイト型酸化物aの好適例は、以下の一般式(I)で示すことができる。
(La1−αSrα)(Ga1−βMgβ)O3−δ(0.05≦α<0.2、0.05≦β<0.2)・・・一般式(I)
The solid electrolyte layer is provided between the fuel electrode and the air electrode. The solid electrolyte layer has a perovskite type crystal structure and contains a perovskite type oxide a containing at least Ga. The perovskite oxide a is a solid electrolyte having oxide ion conductivity. Examples of the perovskite oxide a include a perovskite oxide containing La and Ga. In the perovskite oxide a containing La and Ga, a part of La and a part of Ga are preferably substituted with another element such as Ca, Sr, or Mg. Although the substitution rate by Ca, Sr, and Mg contained in the perovskite oxide a is not particularly limited, for example, when La and Ga are substituted by an A element and a B element, respectively (the A element is one of Ca and Sr When at least one element B is Mg) and the number of A-site atoms in the perovskite type crystal structure (the sum of the number of La atoms and the number of A element atoms) is 0.05 or more and 0.2 When La of less than the number of atoms is substituted with the A element and the number of atoms at the B site (the sum of the number of Ga atoms and the number of B element atoms) is 1, 0.05 or more and less than 0.2 atoms It is preferable that the number Ga is substituted with the B element. A preferred example of the perovskite oxide a can be represented by the following general formula (I).
(La 1−α Sr α ) (Ga 1−β Mg β ) O 3−δ (0.05 ≦ α <0.2, 0.05 ≦ β <0.2) General Formula (I)

一般式(I)で示されるペロブスカイト型酸化物aは、ペロブスカイト型酸化物aの中でも、特に酸化物イオンの伝導率が高いので、固体電解質層が一般式(I)で示されるペロブスカイト型酸化物aを含有すると、発電能力に優れた固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。
また、一般式(I)において、βが0.2より小さくなるほど固体電解質中のMgOの偏析が少なくなる。MgOが固体電解質層中に偏析していると、MgOは燃料極及び空気極に含有される遷移元素と反応して固溶体を形成し易いため、燃料極及び空気極から固体電解質層へと遷移元素が拡散し易くなる。しかしながら、一般式(I)で示されるペロブスカイト型酸化物aは、βが0.2より小さいことからMgOの偏析が少ないので、燃料極及び空気極から固体電解質層への遷移元素の拡散がより一層抑制される。したがって、固体電解質層が一般式(I)に示されるペロブスカイト型酸化物aにより形成されていると、固体電解質層の厚さを薄く形成しても短絡を抑制することができ、また、固体電解質層における酸化物イオンの伝導性に優れ、その結果として高い起電力を有すると共に発電能力に優れた固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。
The perovskite oxide a represented by the general formula (I) has a particularly high oxide ion conductivity among the perovskite oxides a, so that the solid electrolyte layer is represented by the general formula (I). When a is contained, a solid oxide electrochemical cell excellent in power generation capability can be provided.
In general formula (I), as β becomes smaller than 0.2, the segregation of MgO in the solid electrolyte decreases. When MgO is segregated in the solid electrolyte layer, MgO easily reacts with the transition element contained in the fuel electrode and the air electrode to form a solid solution. Therefore, the transition element from the fuel electrode and the air electrode to the solid electrolyte layer. Becomes easy to diffuse. However, the perovskite oxide a represented by the general formula (I) has less segregation of MgO because β is smaller than 0.2, so that the diffusion of transition elements from the fuel electrode and the air electrode to the solid electrolyte layer is further reduced. It is further suppressed. Therefore, when the solid electrolyte layer is formed of the perovskite oxide a represented by the general formula (I), a short circuit can be suppressed even if the thickness of the solid electrolyte layer is reduced, and the solid electrolyte As a result, it is possible to provide a solid oxide electrochemical cell that is excellent in conductivity of oxide ions in the layer and has high electromotive force and excellent power generation capacity.

固体電解質層がペロブスカイト型酸化物aを有することは、燃料極と固体電解質層と空気極との配列方向に切断したときの切断面において、X線回折装置(XRD)にて分析し、固体電解質層に含まれる物質の同定を行うことにより確認することができる。また、ペロブスカイト型酸化物aに含有される元素の原子数比は、固体電解質層の前記切断面における中央付近において、電子線プローブマイクロアナライザ(EPMA)に付属の波長分散型X線分光器(WDS)を用いて元素分析を行うことにより、求めることができる。   The fact that the solid electrolyte layer has the perovskite oxide a is analyzed by an X-ray diffractometer (XRD) on the cut surface when the fuel electrode, the solid electrolyte layer, and the air electrode are cut in the arrangement direction. It can be confirmed by identifying the substances contained in the layer. Further, the atomic ratio of the elements contained in the perovskite oxide a is determined by the wavelength dispersive X-ray spectrometer (WDS) attached to the electron probe microanalyzer (EPMA) near the center of the cut surface of the solid electrolyte layer. ) To perform elemental analysis.

固体電解質層の厚さは100μm以下である。固体電解質層の厚さが薄いほど内部抵抗が小さくなり、それによって発電能力に優れた固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。一方で、固体電解質層の厚さが薄過ぎると破損し易くなり、固体電解質層の内部で短絡が生じやすくなる。したがって、固体電解質層の厚さは20μm以上であるのが好ましい。ペロブスカイト型酸化物aを含む固体電解質層は、その厚さが薄く、100μm以下である場合、焼成時に燃料極から拡散したNi等の遷移元素と空気極から拡散したCo等の遷移元素とにより、固体電解質層において燃料極から空気極までの電子伝導パスが形成され、固体電解質層内で短絡が起こる場合がある。そのため、ペロブスカイト型酸化物aを含む固体電解質層を備えた固体酸化物形電気化学セルは、起電力並びに発電能力が低下する場合がある。しかしながら、この発明における固体電解質層は、その厚さが100μm以下と薄くても、後述するように第1領域の厚さが5μm以上であるので、電気的な短絡を抑制することができ、高い起電力を有すると共に発電能力に優れた固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。   The thickness of the solid electrolyte layer is 100 μm or less. The thinner the solid electrolyte layer, the lower the internal resistance, thereby providing a solid oxide electrochemical cell with excellent power generation capability. On the other hand, if the thickness of the solid electrolyte layer is too thin, the solid electrolyte layer is easily damaged, and a short circuit is likely to occur inside the solid electrolyte layer. Therefore, the thickness of the solid electrolyte layer is preferably 20 μm or more. When the solid electrolyte layer containing the perovskite oxide a is thin and has a thickness of 100 μm or less, a transition element such as Ni diffused from the fuel electrode during firing and a transition element such as Co diffused from the air electrode during firing, An electron conduction path from the fuel electrode to the air electrode is formed in the solid electrolyte layer, and a short circuit may occur in the solid electrolyte layer. Therefore, in the solid oxide electrochemical cell including the solid electrolyte layer containing the perovskite oxide a, the electromotive force and the power generation capacity may be reduced. However, even if the thickness of the solid electrolyte layer in the present invention is as thin as 100 μm or less, since the thickness of the first region is 5 μm or more as will be described later, an electrical short circuit can be suppressed, and the solid electrolyte layer is high. A solid oxide electrochemical cell having an electromotive force and excellent power generation capability can be provided.

固体電解質層は、自身の切断面を電子線プローブマイクロアナライザー(EPMA)に付属の波長分散型X線分光器(WDS)により点分析したときに、検出された全元素のうち原子番号1〜8の元素を除く元素の合計質量に対する、前記燃料極に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合が0.5質量%以下であり、かつ、前記空気極に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合が0.5質量%以下である第1領域を有し、固体電解質層の膜厚方向における第1領域の厚さが5μm以上である。すなわち、固体電解質層は、焼成時に燃料極及び空気極からこれらに含まれる遷移元素が固体電解質層に拡散したとしても、固体電解質層の中央部に、ほとんど遷移元素が拡散していない領域が存在し、その領域の厚さが5μm以上である。第1領域の厚さは大きいほど好ましいが、その上限値は固体電解質層の厚さである。固体電解質層は、第1領域の厚さが5μm以上であるので、固体電解質層内での短絡を抑制することができる。   When the solid electrolyte layer is point-analyzed by a wavelength dispersive X-ray spectrometer (WDS) attached to an electron beam probe microanalyzer (EPMA), the solid electrolyte layer has atomic numbers 1 to 8 among all detected elements. The ratio of the total mass of the transition element of the same type as the transition element contained in the fuel electrode to the total mass of the elements excluding the above elements is 0.5% by mass or less, and the transition element contained in the air electrode It has the 1st field where the ratio of the total mass of the transition element of the same kind is 0.5 mass% or less, and the thickness of the 1st field in the film thickness direction of a solid electrolyte layer is 5 micrometers or more. That is, in the solid electrolyte layer, even if the transition elements contained in the solid electrolyte layer diffuse from the fuel electrode and the air electrode during firing, there is a region where the transition element is hardly diffused in the central portion of the solid electrolyte layer. And the thickness of the area | region is 5 micrometers or more. Although the thickness of the first region is preferably as large as possible, the upper limit is the thickness of the solid electrolyte layer. Since the thickness of the first region of the solid electrolyte layer is 5 μm or more, a short circuit in the solid electrolyte layer can be suppressed.

固体電解質層は、自身の切断面をEPMAに付属のWDSにより点分析したときに、検出された全元素のうち原子番号1〜8の元素を除く元素の合計質量に対する、燃料極に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合Rfが0.5質量%を超える第2領域を有し、固体電解質層の膜厚方向における第2領域の厚さが20μm以下であるのが好ましい。すなわち、固体電解質層は、焼成時に燃料極から固体電解質層に遷移元素が拡散したとしても、遷移元素の拡散領域の厚さは、20μm以下であるのが好ましい。固体電解質層は、第2領域の厚さが20μm以下であると、固体電解質層内での電気的な短絡をより一層抑制することができる。また、遷移元素の拡散が進むほどペロブスカイト型酸化物aの酸化物イオン伝導率が低下する傾向にあるが、第2領域の厚さが20μm以下であると、酸化物イオン伝導率の低下を抑制することができ、より一層高い起電力を有すると共に発電能力に優れた固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。   When the solid electrolyte layer is point-analyzed by the WDS attached to EPMA, the solid electrolyte layer includes transitions included in the fuel electrode with respect to the total mass of elements other than the elements having atomic numbers 1 to 8 among all the detected elements. It is preferable that the ratio Rf of the total mass of transition elements of the same type as the element has a second region exceeding 0.5% by mass, and the thickness of the second region in the film thickness direction of the solid electrolyte layer is 20 μm or less. . That is, in the solid electrolyte layer, even if the transition element diffuses from the fuel electrode to the solid electrolyte layer during firing, the thickness of the diffusion region of the transition element is preferably 20 μm or less. When the thickness of the second region is 20 μm or less, the solid electrolyte layer can further suppress an electrical short circuit in the solid electrolyte layer. In addition, as the diffusion of the transition element proceeds, the oxide ion conductivity of the perovskite oxide a tends to decrease, but if the thickness of the second region is 20 μm or less, the decrease in oxide ion conductivity is suppressed. It is possible to provide a solid oxide electrochemical cell having a higher electromotive force and an excellent power generation capability.

固体電解質層は、自身の切断面をEPMAに付属のWDSにより点分析したときに、検出された全元素のうち原子番号1〜8の元素を除く元素の合計質量に対する、空気極に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合Raが0.5質量%を超える第3領域を有し、固体電解質層の膜厚方向における第3領域の厚さが20μm以下であるのが好ましい。すなわち、固体電解質層は、焼成時に空気極から固体電解質層に遷移元素が拡散したとしても、遷移元素の拡散領域の厚さは、20μm以下であるのが好ましい。固体電解質層は、第2領域の厚さが20μm以下であると、固体電解質層内での電気的な短絡をより一層抑制することができ、また、酸化物イオン伝導率の低下を抑制することができ、より一層高い起電力を有すると共に発電能力に優れた固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。   When the solid electrolyte layer is subjected to point analysis on its own cut surface by WDS attached to EPMA, the transition included in the air electrode with respect to the total mass of the elements excluding the elements having atomic numbers 1 to 8 among all the detected elements It is preferable that the ratio Ra of the total mass of transition elements of the same type as the element has a third region that exceeds 0.5% by mass, and the thickness of the third region in the film thickness direction of the solid electrolyte layer is 20 μm or less. . That is, in the solid electrolyte layer, even if the transition element diffuses from the air electrode to the solid electrolyte layer during firing, the thickness of the diffusion region of the transition element is preferably 20 μm or less. When the thickness of the second region is 20 μm or less, the solid electrolyte layer can further suppress an electrical short circuit in the solid electrolyte layer, and also suppress a decrease in oxide ion conductivity. Therefore, it is possible to provide a solid oxide electrochemical cell having a higher electromotive force and excellent power generation capability.

固体電解質層の厚さは、単セルを燃料極と固体電解質層と空気極とが配列されている方向に切断したときの切断面を研磨して研磨面を形成し、この研磨面において、図7に示すように、固体電解質層2と燃料極3との界面Fと、固体電解質層2と空気極4との界面Fとの距離dを電子顕微鏡等により測定することにより求めることができる。 The thickness of the solid electrolyte layer is determined by polishing the cut surface when the unit cell is cut in the direction in which the fuel electrode, the solid electrolyte layer, and the air electrode are arranged. as shown in 7, the interface F 1 between the solid electrolyte layer 2 and the fuel electrode 3, the distance d between the interface F 2 between the solid electrolyte layer 2 and the air electrode 4 be determined by measuring with an electron microscope or the like it can.

第2領域の厚さは、以下のようにして求めることができる。固体電解質層2の厚さを求めるときと同様にして研磨面を形成し、この研磨面において、燃料極3と固体電解質層2との界面Fから空気極4と固体電解質2との界面Fに向かって、界面Fに垂直な直線L上を一定間隔例えば1μm間隔で点分析を行う。燃料極3に含まれるNi等の遷移元素が固体電解質層に拡散した場合には、界面F上の分析点を始点として直線L上を界面Fに向かって点分析を進めるにしたがって、Ni等の遷移元素の合計質量の割合Rfが小さくなる。前記割合Rfが0.5質量%以下となる分析点に到達したとき、その分析点の前の分析点から界面F上の分析点までの距離を測定し、これを第2領域の厚さdとする。第3領域の厚さは、第2領域の厚さと同様にして、界面F上の分析点を始点として直線L上を界面Fに向かって点分析することにより求めることができる。第1領域の厚さdは、界面Fと界面Fとの距離dと、第2領域の厚さd及び第3領域の厚さdの合計との差(d−(d+d))により求めることができる。
なお、点分析は、EPMAに付属のWDSにより、加速電圧15kV、照射電流50nA、スポット径1μmで行う。また、EPMAのWDS分析では、軽元素の分析精度が低いので、検出された全元素のうち原子番号1〜8の元素を除いた元素の合計質量を基準として、Ni等の遷移元素の合計質量の割合Rf及びRaを算出する。
The thickness of the second region can be obtained as follows. A polished surface is formed in the same manner as when the thickness of the solid electrolyte layer 2 is obtained, and on this polished surface, an interface F 1 between the fuel electrode 3 and the solid electrolyte layer 2 to an interface F between the air electrode 4 and the solid electrolyte 2 is formed. 2 , point analysis is performed on the straight line L perpendicular to the interface F 1 at regular intervals, for example, 1 μm. When a transition element such as Ni contained in the fuel electrode 3 diffuses into the solid electrolyte layer, as the point analysis proceeds from the analysis point on the interface F 1 to the interface F 2 on the straight line L, Ni The ratio Rf of the total mass of transition elements such as is small. When the analysis point at which the ratio Rf is 0.5 mass% or less is reached, the distance from the analysis point before the analysis point to the analysis point on the interface F 1 is measured, and this is determined as the thickness of the second region. and d 2. Similarly to the thickness of the second region, the thickness of the third region can be obtained by performing point analysis on the straight line L toward the interface F 1 with the analysis point on the interface F 2 as a starting point. The thickness d 1 of the first region is the difference between the distance d between the interface F 1 and the interface F 2 and the sum of the thickness d 2 of the second region and the thickness d 3 of the third region (d− (d 2 + d 3 )).
The point analysis is performed with an acceleration voltage of 15 kV, an irradiation current of 50 nA, and a spot diameter of 1 μm using the WDS attached to the EPMA. In addition, since the analysis accuracy of light elements is low in the WDS analysis of EPMA, the total mass of transition elements such as Ni is based on the total mass of elements excluding the elements with atomic numbers 1 to 8 among all detected elements. The ratios Rf and Ra are calculated.

次に、図面を用いて、本発明に係る単セルの一例について説明する。   Next, an example of a single cell according to the present invention will be described with reference to the drawings.

図1に示すように、この実施形態の単セル1は筒状である。単セル1は、筒状体の軸線長手方向に垂直な平面で切断したときの断面形状が円形である。単セル1の断面形状において、半径方向における最も内側には、円筒形状の燃料極3が設けられる。燃料極3の前記半径方向における外側には、それぞれ同心円状に、円筒形状の固体電解質層2、及び円筒形状の空気極4がこの順に設けられる。単セル1において、燃料極3の外側面と固体電解質層2の内側面とが面接合し、固体電解質層2の外側面と空気極4の内側面とが面接合する。燃料極3は、単セル1におけるその他の層よりも、半径方向において肉厚の形状に形成され、単セル1を機械的に支持する支持体としての機能を有する。
なお、筒型の単セルの断面形状は、円形に制限されず、楕円形、多角形等であってもよい。また、本発明における単セルの形状は筒型には制限されず、平板型であってもよい。平板型の単セルは、板状の固体電解質層の一方の面に燃料極が設けられ、燃料極が設けられている面の反対側の面に空気極が設けられる。
As shown in FIG. 1, the single cell 1 of this embodiment is cylindrical. The unit cell 1 has a circular cross-sectional shape when cut by a plane perpendicular to the longitudinal direction of the axis of the cylindrical body. In the cross-sectional shape of the single cell 1, a cylindrical fuel electrode 3 is provided on the innermost side in the radial direction. On the outer side of the fuel electrode 3 in the radial direction, a cylindrical solid electrolyte layer 2 and a cylindrical air electrode 4 are provided in this order concentrically. In the unit cell 1, the outer surface of the fuel electrode 3 and the inner surface of the solid electrolyte layer 2 are surface bonded, and the outer surface of the solid electrolyte layer 2 and the inner surface of the air electrode 4 are surface bonded. The fuel electrode 3 is formed in a thicker shape in the radial direction than the other layers in the single cell 1 and has a function as a support that mechanically supports the single cell 1.
The cross-sectional shape of the cylindrical single cell is not limited to a circle, and may be an ellipse, a polygon, or the like. In addition, the shape of the single cell in the present invention is not limited to a cylindrical shape, and may be a flat plate shape. In the flat plate type single cell, a fuel electrode is provided on one surface of a plate-shaped solid electrolyte layer, and an air electrode is provided on the surface opposite to the surface on which the fuel electrode is provided.

次に、本発明に係る単セルの製造方法の一例について説明する。   Next, an example of a method for manufacturing a single cell according to the present invention will be described.

本発明に係る単セルの製造方法は、燃料極となる未焼成燃料極の表面に固体電解質層となる未焼成固体電解質層を形成し、1320℃以下の温度で焼成して同時焼成体を形成する工程と、同時焼成体の表面に空気極となる未焼成空気極を形成し、1100℃以下の温度で焼成する工程とを有する。   In the method for producing a single cell according to the present invention, an unsintered solid electrolyte layer to be a solid electrolyte layer is formed on the surface of an unsintered fuel electrode to be a fuel electrode and fired at a temperature of 1320 ° C. or less to form a co-fired body And a step of forming an unfired air electrode to be an air electrode on the surface of the co-fired body and firing at a temperature of 1100 ° C. or lower.

(1)未焼成燃料極の作製
酸化ニッケルと、ZrO含有セラミック等のセラミックとの混合粉末に、バインダー及び造孔材の粉末を加え、十分に混合した後に、水を添加することにより粘土状の混合物を得る。この粘土状の混合物を押出成形機に投入し、所定の形状に形成することにより、未焼成燃料極が得られる。
(1) Production of unsintered fuel electrode Clay-like by adding water after adding binder and pore former powder to a mixed powder of nickel oxide and ceramic such as ZrO 2 -containing ceramic. To obtain a mixture of The clay-like mixture is put into an extruder and formed into a predetermined shape, whereby an unfired fuel electrode is obtained.

(2)固体電解質層形成用スラリーの作製
ペロブスカイト型酸化物aの粉末、又は焼成によりペロブスカイト型酸化物aが形成されるよう配合された各種酸化物の粉末の混合物に、ポリビニルブチラール等に代表されるバインダー、分散剤、可塑剤、及び溶媒を混合し、固体電解質層形成用スラリーが得られる。
(2) Preparation of slurry for forming a solid electrolyte layer In a mixture of perovskite oxide a powder or various oxide powders blended so that perovskite oxide a is formed by firing, such as polyvinyl butyral The solid electrolyte layer forming slurry is obtained by mixing the binder, dispersant, plasticizer, and solvent.

(3)未焼成固体電解質層の作製
次に、前記未焼成燃料極の表面を必要に応じてマスキングした後に、固体電解質層形成用スラリーに未焼成燃料極を浸漬させ、ゆっくりと引き上げることにより、未焼成燃料極の表面に未焼成固体電解質層の被膜が形成された未焼成電解質成形体が得られる。
(3) Preparation of unsintered solid electrolyte layer Next, after masking the surface of the unsintered fuel electrode as necessary, the unsintered fuel electrode is immersed in the slurry for forming a solid electrolyte layer, and slowly pulled up, A green electrolyte molded body in which a film of the green solid electrolyte layer is formed on the surface of the green fuel electrode is obtained.

(4)同時焼成体の作製
その後、未焼成電解質成形体を、1320℃以下、好ましくは1300℃〜1320℃の条件下で、未焼成固体電解質層及び未焼成燃料極を同時焼成する。焼成後に、固体電解質層及び燃料極からなる同時焼成体が得られる。
(4) Production of co-fired body Thereafter, the unfired electrolyte molded body is simultaneously fired at 1320 ° C. or less, preferably 1300 ° C. to 1320 ° C., with the unfired solid electrolyte layer and the unfired fuel electrode. After firing, a co-fired body comprising a solid electrolyte layer and a fuel electrode is obtained.

未焼成電解質成形体を同時焼成する際に、未焼成燃料極に含有されるNi等の遷移元素が固体電解質層に向かって拡散する。しかしながら、この発明の単セルの製造方法では、未焼成電解質成形体を、1320℃以下という比較的低い温度で焼成して同時焼成体を形成しているので、遷移元素の拡散が抑制される。   When the unsintered electrolyte molded body is simultaneously fired, a transition element such as Ni contained in the unsintered fuel electrode diffuses toward the solid electrolyte layer. However, in the method for producing a single cell of the present invention, the unfired electrolyte molded body is fired at a relatively low temperature of 1320 ° C. or less to form a co-fired body, so that the diffusion of transition elements is suppressed.

また、ペロブスカイト型酸化物aの粉末が、前記一般式(I)に示されるペロブスカイト型酸化物である場合、又は焼成により一般式(I)に示されるペロブスカイト型酸化物aが形成されるように配合された各種酸化物の粉末の混合物である場合には、酸化物イオン伝導率が高くなるので、発電能力により一層優れた固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。また、一般式(I)におけるβは0.2より小さいので、焼成中に固体電解質層中にMgOが偏析し難く、MgOと固溶し易いNi等の遷移元素が固体電解質層に拡散することがより一層抑制される。   Further, when the perovskite oxide a powder is the perovskite oxide represented by the general formula (I), or the perovskite oxide a represented by the general formula (I) is formed by firing. In the case of a mixture of various oxide powders blended, the oxide ion conductivity is increased, so that a solid oxide electrochemical cell having a more excellent power generation capability can be provided. In addition, β in the general formula (I) is smaller than 0.2, so that MgO hardly segregates in the solid electrolyte layer during firing, and a transition element such as Ni that is easily dissolved in MgO diffuses into the solid electrolyte layer. Is further suppressed.

(5)空気極形成用スラリーの作製
LSC等の空気極を形成する材料に、必要に応じてAg等の他の粉末を混合し、バインダー、分散剤、可塑剤、及び溶媒を混合し、空気極形成用スラリーを作製する。
(5) Production of air electrode forming slurry Other materials such as Ag are mixed with the material forming the air electrode such as LSC, if necessary, and a binder, a dispersant, a plasticizer, and a solvent are mixed, and air is mixed. An electrode forming slurry is prepared.

(6)未焼成空気極の作製
前記同時焼成体の表面を必要に応じてマスキングした後に、この同時焼成体を前記空気極形成用スラリーに浸漬させ、その後ゆっくりと引き上げることにより、同時焼成体における固体電解質層の表面に未焼成空気極の被膜が形成された未焼成空気極成形体が得られる。
(6) Production of unsintered air electrode After the surface of the co-fired body is masked as necessary, the co-fired body is immersed in the slurry for forming the air electrode, and then slowly pulled up. A green air electrode molded body in which a film of the green air electrode is formed on the surface of the solid electrolyte layer is obtained.

(7)空気極の作製
その後、未焼成空気極成形体を、1100℃以下の条件下、好ましくは900℃〜1100℃の条件下で、未焼成空気極の被膜を焼き付けることにより、空気極が形成される。これにより、空気極、固体電解質層、及び燃料極を有する単セルが得られる。
(7) Production of air electrode Thereafter, the green air electrode molded body was baked with a film of the green air electrode under conditions of 1100 ° C. or lower, preferably 900 ° C. to 1100 ° C. It is formed. Thereby, the single cell which has an air electrode, a solid electrolyte layer, and a fuel electrode is obtained.

未焼成空気極成形体を焼成する際に、未焼成空気極に含有されるCo等の遷移元素が固体電解質層に向かって拡散する。しかしながら、この発明の単セルの製造方法では、未焼成空気極成形体を、1100℃以下という比較的低い温度で焼成して単セルを形成しているので、遷移元素の拡散が抑制される。   When the green air electrode compact is fired, a transition element such as Co contained in the green air electrode diffuses toward the solid electrolyte layer. However, in the method for producing a single cell of the present invention, since the unfired air electrode molded body is fired at a relatively low temperature of 1100 ° C. or lower to form a single cell, diffusion of transition elements is suppressed.

また、ペロブスカイト型酸化物aの粉末が、前記一般式(I)に示されるペロブスカイト型酸化物である場合、又は焼成により一般式(I)に示されるペロブスカイト型酸化物aが形成されるように配合された各種酸化物の粉末の混合物である場合には、酸化物イオン伝導率が高くなるので、発電能力により一層優れた固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。また、一般式(I)におけるβは0.2より小さいので、焼成中に固体電解質層中にMgOが偏析し難く、MgOと固溶し易いCo等の遷移元素が固体電解質層に拡散することがより一層抑制される。   Further, when the perovskite oxide a powder is the perovskite oxide represented by the general formula (I), or the perovskite oxide a represented by the general formula (I) is formed by firing. In the case of a mixture of various oxide powders blended, the oxide ion conductivity is increased, so that a solid oxide electrochemical cell having a more excellent power generation capability can be provided. In addition, β in the general formula (I) is smaller than 0.2, so that MgO is not easily segregated in the solid electrolyte layer during firing, and a transition element such as Co that is easily dissolved in MgO diffuses into the solid electrolyte layer. Is further suppressed.

前記単セルの製造方法によると、前述したように、燃料極及び空気極から固体電解質層への拡散を抑制することができるので、燃料極から空気極までの電子伝導パスの形成が抑制され、固体電解質層における第1領域の厚さが5μm以上である単セルを製造することができる。よって、短絡が抑制された単セルを製造することができる。また、前記単セルの製造方法において、ペロブスカイト型酸化物aの粉末として、一般式(I)に示されるペロブスカイト型酸化物を用いること等により、固体電解質層の酸化物イオン伝導率が向上され、また、燃料極及び空気極から固体電解質層への拡散をより一層抑制することにより電子伝導性の高い高伝導領域の形成が抑制された単セルを製造することができる。   According to the method for manufacturing the single cell, as described above, since diffusion from the fuel electrode and the air electrode to the solid electrolyte layer can be suppressed, formation of an electron conduction path from the fuel electrode to the air electrode is suppressed, A single cell in which the thickness of the first region in the solid electrolyte layer is 5 μm or more can be manufactured. Therefore, a single cell in which a short circuit is suppressed can be manufactured. Further, in the method for producing a single cell, the oxide ion conductivity of the solid electrolyte layer is improved by using the perovskite oxide represented by the general formula (I) as the powder of the perovskite oxide a, Further, by further suppressing the diffusion from the fuel electrode and the air electrode to the solid electrolyte layer, it is possible to manufacture a single cell in which the formation of a highly conductive region with high electron conductivity is suppressed.

次に、この発明の固体酸化物形燃料電池の一例について説明する。   Next, an example of the solid oxide fuel cell of the present invention will be described.

図2に示すように、この実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック31(以下、単に「燃料電池スタック」と称することがある。)は、直方体形状のブロックであり、この燃料電池スタック31では、多数の円筒形状の単セル1が軸方向に平行となるように配置される。例えば、図2では、単セル1が水平方向に3本、垂直方向に8本配置されている。図3に示すように、水平方向に並んだ3本の単セル1と絶縁性多孔体34と導電性集積用材料からなる導電性集積用材料層35の一部とによって、リアクターセル層状部43が形成される。また、単セル1の軸線方向の両側には、ガスのリークを防止するガスシール層33が形成される。   As shown in FIG. 2, the solid oxide fuel cell stack 31 (hereinafter sometimes simply referred to as “fuel cell stack”) of this embodiment is a rectangular parallelepiped block. A large number of cylindrical unit cells 1 are arranged so as to be parallel to the axial direction. For example, in FIG. 2, three single cells 1 are arranged in the horizontal direction and eight in the vertical direction. As shown in FIG. 3, the reactor cell layer portion 43 includes three unit cells 1 arranged in the horizontal direction, an insulating porous body 34, and a part of a conductive accumulation material layer 35 made of a conductive accumulation material. Is formed. In addition, gas seal layers 33 that prevent gas leakage are formed on both sides of the unit cell 1 in the axial direction.

図3に示されるように、前記リアクターセル層状部43は、図の上下方向に平行に複数形成される。図3のリアクターセル層状部43における単セル1は、その周囲に配置された導電性集積用材料層35により電気的に接続されるとともに一体化される。また、導電性集積用材料層35は、絶縁性多孔体層34を間に挟みながら、上下方向に複数配置される。   As shown in FIG. 3, a plurality of the reactor cell layer portions 43 are formed in parallel in the vertical direction of the figure. The single cells 1 in the reactor cell layer part 43 of FIG. 3 are electrically connected and integrated by a conductive accumulation material layer 35 disposed around the unit cell 1. Further, a plurality of conductive accumulation material layers 35 are arranged in the vertical direction with the insulating porous layer 34 interposed therebetween.

図2及び図3に示されるように、単セル1は、細径及び長尺の円筒型の部材であり、中心部において燃料ガスが流される燃料ガス導通孔39が形成される。単セル1の断面形状における大きさは、特に制限されず、例えば、0.5mm以上2.0mm以下の外径を有する円形であればよい。   As shown in FIGS. 2 and 3, the single cell 1 is a thin and long cylindrical member, and a fuel gas conduction hole 39 through which fuel gas flows is formed at the center. The size of the cross-sectional shape of the single cell 1 is not particularly limited, and may be a circle having an outer diameter of 0.5 mm or more and 2.0 mm or less, for example.

単セル1の一端部、例えば図4に示される単セル1の右側では、燃料極3が露出するまで固体電解質層2の一部が帯状に除去されている。この固体電解質層2が除去された部分には、燃料極3の露出部分を覆うように、金属シール層41が形成される。この金属シール層41は、ガスの流通を阻止するとともに燃料極3の集電用端子となる緻密な金属層であり、導電性シール材料によって帯状に形成される。   At one end of the unit cell 1, for example, on the right side of the unit cell 1 shown in FIG. 4, a part of the solid electrolyte layer 2 is removed in a strip shape until the fuel electrode 3 is exposed. A metal seal layer 41 is formed on the portion where the solid electrolyte layer 2 is removed so as to cover the exposed portion of the fuel electrode 3. The metal seal layer 41 is a dense metal layer that blocks gas flow and serves as a current collecting terminal of the fuel electrode 3 and is formed in a strip shape from a conductive seal material.

図5に示されるように、絶縁性多孔体34は、空気の流通が可能な板状の多孔質のセラミック部材である。この絶縁性多孔体34の上面には、単セル1が嵌め込まれる多数の配列溝25が平行に形成され、その下面には、他の絶縁性多孔体34の配列溝25に嵌り込んで位置決めする位置決め用凸部27が形成される。また、各配列溝25には、絶縁性多孔体の上下面を貫いて電気を導通するために、図6で示される電気接続パス42が設けられる連通孔32が形成される。なお、燃料電池スタック31の最上層の絶縁性多孔体34には配列溝25はなく、最下層の絶縁性多孔体34には位置決め用凸部27はない。   As shown in FIG. 5, the insulating porous body 34 is a plate-shaped porous ceramic member capable of air flow. On the upper surface of this insulating porous body 34, a large number of array grooves 25 into which the single cells 1 are fitted are formed in parallel, and on the lower surface thereof, they are fitted into the array grooves 25 of other insulating porous bodies 34 and positioned. A positioning convex portion 27 is formed. Each array groove 25 is formed with a communication hole 32 provided with the electrical connection path 42 shown in FIG. 6 in order to conduct electricity through the upper and lower surfaces of the insulating porous body. The uppermost insulating porous body 34 of the fuel cell stack 31 does not have the alignment groove 25, and the lowermost insulating porous body 34 does not have the positioning projection 27.

図2における矢印FGで示されるように、燃料電池スタック31を用いて固体酸化物形燃料電池の発電を行う際には、燃料ガス導通孔39の内部を、水素を含む燃料ガスが導通する。燃料ガス導通孔39において、燃料ガスは燃料極3と接触し、燃料ガス中の水素が固体電解質層から運ばれてくる酸化物イオンと反応し、水が発生する。また、図2における矢印AGで示されるように、燃料電池スタック31による発電時には、絶縁性多孔体34の外部から、単セル1の積層方向とは垂直な方向に、酸素を含む空気ガスが供給される。空気ガスは、絶縁性多孔体34、及び導電性集積用材料層35を透過して空気極4と接触する。空気極4において、酸素ガスに含まれる酸素分子から酸化物イオンが発生する。   As indicated by an arrow FG in FIG. 2, when power generation of the solid oxide fuel cell is performed using the fuel cell stack 31, a fuel gas containing hydrogen is conducted through the fuel gas conduction hole 39. In the fuel gas conduction hole 39, the fuel gas contacts the fuel electrode 3, and hydrogen in the fuel gas reacts with oxide ions carried from the solid electrolyte layer to generate water. Further, as indicated by an arrow AG in FIG. 2, during power generation by the fuel cell stack 31, air gas containing oxygen is supplied from the outside of the insulating porous body 34 in a direction perpendicular to the stacking direction of the single cells 1. Is done. The air gas passes through the insulating porous body 34 and the conductive accumulation material layer 35 and comes into contact with the air electrode 4. In the air electrode 4, oxide ions are generated from oxygen molecules contained in the oxygen gas.

図6に示されるように、燃料電池スタック31は、同図上側が負極であり、下側が正極となるように、リアクターセル層状部43が上下方向に組み付けられる。具体的に、単セル1は、絶縁性多孔体34の配列溝25の中に収容されるとともに、その周囲には導電性集積用材料層35が形成され、更に、導電性集積用材料層35は、絶縁性材料層40により図6における左右方向に分離されている。図6の左方向には、第1導電性集積用材料層35aが形成され、図6の右方向には、第2導電性集積用材料層35bが形成される。   As shown in FIG. 6, in the fuel cell stack 31, the reactor cell layer portion 43 is assembled in the vertical direction so that the upper side of the figure is a negative electrode and the lower side is a positive electrode. Specifically, the single cell 1 is accommodated in the array groove 25 of the insulating porous body 34, a conductive integration material layer 35 is formed around the single cell 1, and the conductive integration material layer 35 is further formed. Are separated in the left-right direction in FIG. 6 by the insulating material layer 40. A first conductive integration material layer 35a is formed in the left direction of FIG. 6, and a second conductive integration material layer 35b is formed in the right direction of FIG.

図6に示されるように、導電性集積用材料層35は、金属シール層41の周囲に配置されて、金属シール層41と他の絶縁性多孔体34の電気接続パス42とを電気的に接続している。図6の左側に配置された第1導電性集積用材料層35aは、空気極4の周囲に配置され、図6の単セル1の下方向において空気極4と他の絶縁性多孔体34における電気接続パス42とを電気的に接続している。図6における矢印で示されるように、それぞれの単セル1において燃料極3から空気極4へと電子が伝達され、さらに電気接続パス42を通って隣り合う単セル1へと電子が流れることになる。   As shown in FIG. 6, the conductive integration material layer 35 is disposed around the metal seal layer 41 to electrically connect the metal seal layer 41 and the electrical connection path 42 of the other insulating porous body 34. Connected. The first conductive accumulation material layer 35a disposed on the left side in FIG. 6 is disposed around the air electrode 4, and in the downward direction of the single cell 1 in FIG. 6, the air electrode 4 and the other insulating porous body 34. The electrical connection path 42 is electrically connected. As indicated by the arrows in FIG. 6, electrons are transmitted from the fuel electrode 3 to the air electrode 4 in each single cell 1, and further electrons flow to the adjacent single cell 1 through the electrical connection path 42. Become.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池として、前述の燃料電池スタック31を用いることができる。より具体的には、燃料電池スタック31の正極側と負極側には集電部材が設けられ、集電部材に接続された導線等を通して、外部へと電力が取り出される。また、複数の燃料電池スタック31を所定方向に配列することにより電気的に接続した固体酸化物形燃料電池モジュールを、本発明に係る固体酸化物形燃料電池として用いることもできる。   The above-described fuel cell stack 31 can be used as the solid oxide fuel cell according to the present invention. More specifically, a current collecting member is provided on the positive electrode side and the negative electrode side of the fuel cell stack 31, and electric power is taken out through a conducting wire or the like connected to the current collecting member. A solid oxide fuel cell module in which a plurality of fuel cell stacks 31 are electrically connected by arranging them in a predetermined direction can also be used as the solid oxide fuel cell according to the present invention.

前述したように、本発明の単セルは、Ni及びCo等の遷移元素の固体電解質層への拡散が抑制され、固体電解質層における第1領域の厚さが5μm以上あり、電子伝導性を有する領域の形成が抑制されている。したがって、前記単セルを有する燃料電池スタックによって発電を行う際に、空気極と燃料極との間における短絡の発生が抑制され、短絡による燃料電池スタックの起電力及び発電能力の低下が抑制される。   As described above, in the single cell of the present invention, diffusion of transition elements such as Ni and Co into the solid electrolyte layer is suppressed, and the thickness of the first region in the solid electrolyte layer is 5 μm or more, and has electronic conductivity. Formation of the region is suppressed. Therefore, when power generation is performed by the fuel cell stack having the single cell, occurrence of a short circuit between the air electrode and the fuel electrode is suppressed, and an electromotive force of the fuel cell stack and a decrease in power generation capacity due to the short circuit are suppressed. .

次に、燃料電池スタック31の製造方法の一例について説明する。   Next, an example of a method for manufacturing the fuel cell stack 31 will be described.

(1)絶縁性多孔体34の作製
例えば、酸化マグネシウム粉末と、セルロース系バインダーと、造孔材とを混ぜ、水を加えて混合して粘土状体を得る。この粘土状体を押出成形機に投入し、絶縁性多孔体34において配列溝や位置決め凸部27となる部分が形成されるようにシートを成形する。このシートを約1500℃の温度で焼成を行った後に、所定の寸法に切断し、連通孔を開けることによって、燃料電池スタック31を作製するのに適した形状の絶縁性多孔体34が形成される。
(1) Production of insulating porous body 34 For example, a magnesium oxide powder, a cellulose-based binder, and a pore former are mixed, and water is added and mixed to obtain a clay-like body. This clay-like body is put into an extrusion molding machine, and a sheet is formed so that the insulating porous body 34 is formed with portions that become the alignment grooves and the positioning convex portions 27. After firing this sheet at a temperature of about 1500 ° C., the insulating porous body 34 having a shape suitable for manufacturing the fuel cell stack 31 is formed by cutting the sheet into predetermined dimensions and opening the communication holes. The

(2)導電性集積用材料層成形用ペーストの作製
例えば、LSCF粉末、α−テルピネオール、及びアミン系分散剤を混合することにより導電性集積用材料層成形用ペーストが得られる。
(2) Production of conductive accumulation material layer molding paste For example, a conductive accumulation material layer molding paste is obtained by mixing LSCF powder, α-terpineol, and an amine-based dispersant.

(3)絶縁性材料層成形用ペーストの作製
例えば、酸化マグネシウム、α−テルピネオール、及びアミン系分散剤を混合することにより絶縁性材料層成形用ペーストが得られる。
(3) Production of insulating material layer forming paste For example, an insulating material layer forming paste is obtained by mixing magnesium oxide, α-terpineol, and an amine-based dispersant.

(4)燃料電池スタック31の組立
絶縁性多孔体34における所定の位置に、絶縁性材料層成形用ペーストを塗布する。次に、絶縁性材料層成形用ペーストの表面における所定の位置に、導電性材料層成形用ペーストを塗布する。さらに、絶縁性多孔体34の配列溝25に、単セル1を配置する。具体的には、単セル1には所定の位置に金属シール層41を設けておき、この金属シール層41の位置と絶縁性多孔体34における連通孔32の位置とが対応するように、単セル1を配置すればよい。単セル1が埋め込まれた絶縁性多孔体34同士を、多数積層することにより積層体が得られる。この積層体を、大気中において約1000℃で2時間焼成することにより、スタック体が得られる。
(4) Assembly of fuel cell stack 31 An insulating material layer forming paste is applied to a predetermined position in the insulating porous body 34. Next, the conductive material layer molding paste is applied to a predetermined position on the surface of the insulating material layer molding paste. Further, the single cell 1 is disposed in the array groove 25 of the insulating porous body 34. Specifically, the single cell 1 is provided with a metal seal layer 41 at a predetermined position, and the position of the metal seal layer 41 and the position of the communication hole 32 in the insulating porous body 34 correspond to each other. Cell 1 may be arranged. A laminated body is obtained by laminating many insulating porous bodies 34 in which the single cells 1 are embedded. The stack is obtained by firing the laminated body in the atmosphere at about 1000 ° C. for 2 hours.

(5)ガスシール層33の形成
例えば、軟化点が700℃であり、平均粒子径が4μmの硼珪酸系ガラス粉末に、ポリビニルブチラール、アミン系分散剤、及び可塑剤を適量添加し、エタノールとトルエンを溶媒としてスラリーが得られる。得られたスラリーを用いて、ドクターブレード法により厚さ約300μmのガラスシートを成形する。このガラスシートに、打ち抜き加工を行い、単セルが貫挿される多数の貫通孔が形成される。
(5) Formation of gas seal layer 33 For example, an appropriate amount of polyvinyl butyral, amine dispersant, and plasticizer is added to a borosilicate glass powder having a softening point of 700 ° C. and an average particle diameter of 4 μm. A slurry is obtained using toluene as a solvent. A glass sheet having a thickness of about 300 μm is formed by the doctor blade method using the obtained slurry. This glass sheet is punched to form a large number of through-holes through which single cells are inserted.

また、前記ガラス粉末と、所定量、例えばガラスに対して10体積%の前記マグネシア粉末とに、エチルセルロース、アミン系分散剤を適量添加し、ブチルカルビトールを溶媒としてペーストを作製する。このペーストを、前記ガラスシートの一方の平面に塗布し、ペースト層が形成される。このペースト層を備えたガラスシートを、ペースト層をスタック体側に向けながら、貫通孔に単セルを通して、スタック体の端面に接合させる。その後、このスタック体をガラスの軟化点よりも高い温度で約2時間程度加熱し、ペースト層を軟化させて、ガラスシートをスタック体に強固に接合させることにより、スタック体の端面にガスシール層が接合された燃料電池スタック31が得られる。   In addition, an appropriate amount of ethyl cellulose and an amine-based dispersant is added to the glass powder and a predetermined amount, for example, 10% by volume of the magnesia powder with respect to the glass, and a paste is prepared using butyl carbitol as a solvent. This paste is applied to one plane of the glass sheet to form a paste layer. The glass sheet provided with the paste layer is bonded to the end face of the stack body through a single cell through the through hole while the paste layer faces the stack body side. Thereafter, the stack body is heated at a temperature higher than the softening point of the glass for about 2 hours, the paste layer is softened, and the glass sheet is firmly bonded to the stack body. Can be obtained.

次に、この発明の高温水蒸気分解装置の一例について説明する。   Next, an example of the high temperature steam cracking apparatus of this invention is demonstrated.

本発明の固体酸化物形燃料電池において、電池の発電時とは逆方向に電流を通電可能な外部電源を、燃料電池の正極及び燃料電池の負極に接続することによって、高温水蒸気電気分解装置が得られ、それぞれ陽極及び陰極として機能する。高温水蒸気電気分解装置では、約900℃前後の高温条件下において、水蒸気を吹き込みながら外部電源によって燃料極及び空気極に通電することにより、水分子が分解される。具体的には、燃料極において水分子由来の水素ガスが取り出され、空気極において水分子由来の酸素ガスが取り出される。   In the solid oxide fuel cell of the present invention, by connecting an external power source capable of supplying a current in the opposite direction to the time of power generation of the cell to the positive electrode of the fuel cell and the negative electrode of the fuel cell, the high-temperature steam electrolysis apparatus Obtained and function as an anode and a cathode, respectively. In the high-temperature steam electrolysis apparatus, water molecules are decomposed by energizing the fuel electrode and the air electrode with an external power supply while blowing steam under a high temperature condition of about 900 ° C. Specifically, hydrogen gas derived from water molecules is extracted from the fuel electrode, and oxygen gas derived from water molecules is extracted from the air electrode.

本発明に係る高温水蒸気電気分解装置は、第1領域の厚さが5μm以上である固体電解質層を備えた単セルを有するので、水蒸気の分解中において短絡による高温水蒸気電気分解装置の水素製造ロス等が抑制されると共に、水蒸気の分解能に優れる。   Since the high-temperature steam electrolysis apparatus according to the present invention has a single cell including a solid electrolyte layer having a thickness of the first region of 5 μm or more, the hydrogen production loss of the high-temperature steam electrolysis apparatus due to a short circuit during steam decomposition Etc. are suppressed, and the resolution of water vapor is excellent.

(実施例1)
<試験体の作製>
酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニア(以下、「YSZ」と称することがある。)との混合粉末を、製造後の燃料極が還元された状態においてNi:YSZ=50:50(体積%)の比率となるように、酸化ニッケルとYSZとを秤量し、混合することにより作製した。この秤量した混合粉末に、セルロース系バインダーと、造孔材としてポリメタクリル酸メチル(PMMA)のビーズ粉末とを加え、十分に混合した後、水を添加して粘土体を得た。前記ビーズ粉末の添加量は、製造後の燃料極において、NiO及びYSZの体積に対し気孔の体積が60%となるように調節した。粘土体を、押出成形機に投入して、外径12.5mmの円筒状の未焼成燃料極を作製した。
Example 1
<Preparation of specimen>
A mixed powder of nickel oxide and yttria-stabilized zirconia (hereinafter sometimes referred to as “YSZ”) has a ratio of Ni: YSZ = 50: 50 (volume%) in a state where the fuel electrode after production is reduced. Thus, nickel oxide and YSZ were weighed and prepared by mixing. Cellulose binder and polymethyl methacrylate (PMMA) bead powder as a pore former were added to the weighed mixed powder and mixed well, and then water was added to obtain a clay body. The addition amount of the bead powder was adjusted so that the pore volume was 60% with respect to the volume of NiO and YSZ in the fuel electrode after production. The clay body was put into an extruder to produce a cylindrical unfired fuel electrode having an outer diameter of 12.5 mm.

一方、固体電解質層を形成するために、表1に示すペロブスカイト型酸化物aの粉末と、ポリビニルブチラールと、アミン系分散剤と、可塑剤とを、メチルエチルケトン及びエタノールを溶媒として混合し、固体電解質層形成用スラリーを作製した。   On the other hand, in order to form a solid electrolyte layer, a powder of perovskite oxide a shown in Table 1, polyvinyl butyral, an amine-based dispersant, a plasticizer, and a mixture of methyl ethyl ketone and ethanol as solvents are mixed. A slurry for layer formation was prepared.

前記未焼成燃料極を所定の長さに切断し、固体電解質層を形成しない位置にマスキングを行った後、固体電解質層形成用スラリーに浸漬し、ゆっくりと引き上げることにより、未焼成燃料極の表面に未焼成固体電解質層の被膜を形成した。その後、表1に示す1320℃〜1350℃の温度範囲の所定の温度にて、未焼成燃料極及び未焼成固体電解質層を同時焼成することにより、燃料極及び固体電解質層からなる同時焼成体を得た。   After cutting the unburned fuel electrode to a predetermined length and performing masking at a position where a solid electrolyte layer is not formed, the surface of the unburned fuel electrode is immersed in a slurry for forming a solid electrolyte layer and slowly pulled up. A film of an unfired solid electrolyte layer was formed. Thereafter, the co-fired body comprising the fuel electrode and the solid electrolyte layer is obtained by co-firing the unfired fuel electrode and the unfired solid electrolyte layer at a predetermined temperature in the temperature range of 1320 ° C. to 1350 ° C. shown in Table 1. Obtained.

次に、空気極を形成するために、La0.6Sr0.4CoO3−δ(以下、「LSC」と称することがある。)の粉末に、ポリビニルブチラールと、アミン系分散剤と、可塑剤とを、メチルエチルケトン及びエタノールを溶媒として混合し、空気極形成用スラリーを作製した。 Next, in order to form an air electrode, a powder of La 0.6 Sr 0.4 CoO 3-δ (hereinafter sometimes referred to as “LSC”) is added to polyvinyl butyral, an amine-based dispersant, The plasticizer was mixed with methyl ethyl ketone and ethanol as a solvent to prepare an air electrode forming slurry.

空気極を形成しない位置にマスキングを行った後、空気極形成用スラリーに浸漬し、ゆっくりと引き上げることにより、同時焼成体における固体電解質層の表面に未焼成空気極の被膜を形成した。その後、表1に示す1100℃〜1150℃の温度範囲の所定の温度にて、未焼成空気極の被膜を焼き付けることにより、燃料極、固体電解質層、及び空気極を有する単セルを得た。   After masking the position where the air electrode is not formed, the film was immersed in the air electrode forming slurry and slowly pulled up to form a film of the unfired air electrode on the surface of the solid electrolyte layer in the co-fired body. Then, the unit cell which has a fuel electrode, a solid electrolyte layer, and an air electrode was obtained by baking the film of a non-baking air electrode at the predetermined temperature of the temperature range of 1100 degreeC-1150 degreeC shown in Table 1. FIG.

得られた単セルの燃料極の露出部分に銀線を巻き付け、アノード端子を形成した。次に、単セルの空気極のみを白金網で覆い、白金網上に銀線を接続し、白金網上に集電用の導電性ペーストを塗布して電気炉で焼付け、カソード端子を形成し、発電評価形態の試験体を作製した。   A silver wire was wound around the exposed portion of the fuel electrode of the obtained single cell to form an anode terminal. Next, only the air electrode of a single cell is covered with a platinum mesh, a silver wire is connected on the platinum mesh, a conductive paste for current collection is applied on the platinum mesh and baked in an electric furnace to form a cathode terminal. Then, a power generation evaluation type test specimen was produced.

<試験体の起電力及び発電能力の測定>
作製した発電評価形態の試験体を、電気炉内に設置後、アノード端子とカソード端子を電圧計及びインピーダンス測定装置(solartron製SI1287、1255B)に接続した。次に、燃料極側に窒素ガス、空気極側に空気を連続して流した状態で、電気炉の炉内温度を700℃まで昇温した後、燃料極側の窒素ガスを水素ガスに切り替えて燃料極の還元処理を行った。還元処理後、炉内温度を500℃まで降温し、500℃における開回路起電力及び電流を50mA/cmで通電したときの発電出力を測定した。これらの結果を表1に示す。
開回路起電力及び発電出力を測定後、燃料極側に水素ガスを流した状態で、炉内温度を室温まで降温した。
<Measurement of electromotive force and power generation capacity of specimen>
The produced test specimen of the power generation evaluation form was installed in an electric furnace, and then the anode terminal and the cathode terminal were connected to a voltmeter and an impedance measuring device (SI1287, 1255B manufactured by solartron). Next, in a state where nitrogen gas is continuously supplied to the fuel electrode side and air is continuously supplied to the air electrode side, the temperature inside the electric furnace is raised to 700 ° C., and then the nitrogen gas on the fuel electrode side is switched to hydrogen gas. The fuel electrode was reduced. After the reduction treatment, the temperature in the furnace was lowered to 500 ° C., and the power generation output when an open circuit electromotive force and a current at 500 ° C. were applied at 50 mA / cm 2 was measured. These results are shown in Table 1.
After measuring the open circuit electromotive force and the power generation output, the furnace temperature was lowered to room temperature with hydrogen gas flowing in the fuel electrode side.

<ペロブスカイト型酸化物aの同定>
電気炉から取り出した試験体をエポキシ樹脂に埋めて、単セルの軸線に直交する方向に切断し、燃料極、固体電解質層、及び空気極が露出する切断面を形成した。この切断面に機械研磨を施した後、クロスポリッシャー加工にて平滑な面を形成した。得られた平滑面において、固体電解質層をX線回折装置(XRD)にて分析したところ、ペロブスカイト型酸化物aが同定された。
<Identification of perovskite oxide a>
The specimen taken out from the electric furnace was embedded in an epoxy resin and cut in a direction perpendicular to the axis of the single cell to form a cut surface from which the fuel electrode, the solid electrolyte layer, and the air electrode were exposed. After this machined surface was mechanically polished, a smooth surface was formed by cross polisher processing. When the solid electrolyte layer was analyzed with an X-ray diffractometer (XRD) on the obtained smooth surface, the perovskite oxide a was identified.

<固体電解質層、及び第1領域〜第3領域の厚さの測定>
前記平滑面にカーボン蒸着を施すことにより、元素分析をするための分析面を得た。元素分析には、波長分散型X線分光器(WDS)を搭載した電子プローブマイクロアナライザ(FE−EPMA)を使用し(日本電子株式会社製、JXA−8500F)、加速電圧15kV、照射電流50nAにて元素分析を行った。
試験番号3〜6の試験体について前記分析面における固体電解質層の中央付近において元素分析を行ったところ、原料として使用したペロブスカイト型酸化物aに含まれる元素の原子数比と、ほぼ同じであった。
<Measurement of thickness of solid electrolyte layer and first region to third region>
An analysis surface for elemental analysis was obtained by performing carbon deposition on the smooth surface. For elemental analysis, an electron probe microanalyzer (FE-EPMA) equipped with a wavelength dispersive X-ray spectrometer (WDS) is used (JXA-8500F, manufactured by JEOL Ltd.), acceleration voltage is 15 kV, irradiation current is 50 nA. Elemental analysis was performed.
When elemental analysis was performed on the specimens of test numbers 3 to 6 near the center of the solid electrolyte layer on the analysis surface, the atomic ratio of the elements contained in the perovskite oxide a used as a raw material was almost the same. It was.

燃料極から固体電解質層へのNiの拡散距離を示す第2領域の厚さdは、前述したように、燃料極と固体電解質層との界面Fから空気極と固体電解質層との界面Fに向かって、前記界面Fに垂直な直線L上を1μm間隔でWDSにより点分析を行った。Niの質量の割合Rfは、直線L上を界面Fから界面Fに向かって分析を進めるにつれて減少し、0.5質量%以下となる分析点に到達したとき、その分析点の前の分析点から界面F上の分析点までの距離を測定し、これを第2領域の厚さdとした。 The thickness d 2 of the second region indicating the diffusion distance of Ni from the fuel electrode to the solid electrolyte layer is, as described above, from the interface F 1 between the fuel electrode and the solid electrolyte layer to the interface between the air electrode and the solid electrolyte layer. Point analysis was performed by WDS on the straight line L perpendicular to the interface F 1 toward the F 2 at intervals of 1 μm. The mass ratio Rf of Ni decreases as the analysis proceeds on the straight line L from the interface F 1 toward the interface F 2 , and when the analysis point reaches 0.5% by mass or less, The distance from the analysis point to the analysis point on the interface F 1 was measured, and this was defined as the thickness d 2 of the second region.

空気極から固体電解質層へのCoの拡散距離を示す第3領域の厚さdは、第2領域の厚さdと同様にして界面F上の分析点から直線L上を界面Fに向かって点分析を行った。Coの質量の割合Raが0.5質量%以下となる分析点に到達したとき、その分析点の前の分析点から界面F上の分析点までの距離を測定し、これを第3領域の厚さdとした。
なお、前記割合Rf及びRaは、検出された全元素のうち原子番号1〜8の元素を除く元素の合計質量を基準にして算出した。
The thickness d 3 of the third region showing the diffusion distance of Co from the air electrode to the solid electrolyte layer, the interface on the straight line L from the analysis point on the interface F 2 in the same manner as the thickness d 2 of the second region F Point analysis was performed toward 1 . When the analysis point where the mass ratio Ra of Co is 0.5% by mass or less is reached, the distance from the analysis point before the analysis point to the analysis point on the interface F 2 is measured, and this is measured in the third region. of a thickness of d 3.
The ratios Rf and Ra were calculated based on the total mass of the elements excluding the elements having atomic numbers 1 to 8 among all the detected elements.

第1領域の厚さdは、界面Fと界面Fとの距離dと、第1領域の厚さd及び第2領域の厚さdの合計との差(d=d−(d+d))により求めた。これらの結果を表1に示す。 The thickness d 1 of the first region is the difference between the distance d between the interface F 1 and the interface F 2 and the sum of the thickness d 2 of the first region and the thickness d 3 of the second region (d 1 = d - it was determined by (d 2 + d 3)) . These results are shown in Table 1.

Figure 0006317710
Figure 0006317710

表1に示すように、本発明の範囲内にある試験番号1〜7の試験体は、通常要求される1.00V以上の開回路起電力が得られると共に、10mW/cm以上の発電出力が得られた。 As shown in Table 1, the test bodies of test numbers 1 to 7 within the scope of the present invention can obtain a normally required open circuit electromotive force of 1.00 V or higher and a power generation output of 10 mW / cm 2 or higher. was gotten.

一方、本発明の範囲外にある試験番号8の試験体は、開回路起電力が1.00Vより低く、また、発電出力も測定不能であった。試験番号8の試験体は、同時焼成温度が1320℃より高いため、燃料極からNiが拡散して第2領域の厚さが大きくなり、また、空気極焼成温度が1100℃より高いため、空気極からCoが拡散して第3領域の厚さが大きくなったことから、第1領域の厚さが0μmとなり、固体電解質層内で短絡が発生し、それによって開回路起電力が小さくなっていることが分かる。また、固体電解質層内での短絡の発生によって発電出力の測定が不能となっている。   On the other hand, the test body of test number 8 outside the scope of the present invention had an open circuit electromotive force lower than 1.00 V, and the power generation output could not be measured. Since the test body of test number 8 has a co-firing temperature higher than 1320 ° C., Ni diffuses from the fuel electrode and the thickness of the second region increases, and the air electrode firing temperature is higher than 1100 ° C. Since the thickness of the third region increased due to diffusion of Co from the pole, the thickness of the first region became 0 μm, and a short circuit occurred in the solid electrolyte layer, thereby reducing the open circuit electromotive force. I understand that. Further, the generation output cannot be measured due to the occurrence of a short circuit in the solid electrolyte layer.

また、本発明の範囲外にある試験番号9の試験体は、1.00V以上の開回路起電力が得られている一方で、発電出力が他の試験体に比べて小さかった。試験番号9の試験体は、試験番号8の試験体と同様に、第2領域及び第3領域の厚さが大きいが、それ以上に固体電解質層の厚さが大きいので、第1領域の厚さが5μm以上ある。そのため、固体電解質層内で短絡が発生せずに高い開回路起電力が得られている。一方、試験番号9の試験体は、固体電解質層の厚さが100μmより大きく、他の試験体に比べて抵抗が大きいこと、及び第2領域及び第3領域の厚さが大きく酸化物イオン伝導性が低下することから発電出力が小さくなっていることが分かる。   In addition, the test body of test number 9 outside the scope of the present invention had an open circuit electromotive force of 1.00 V or higher, while the power generation output was smaller than other test bodies. As for the test body of test number 9, the thickness of the second region and the third region is large as in the case of the test body of test number 8, but the thickness of the first region is larger because the thickness of the solid electrolyte layer is larger than that. Is 5 μm or more. Therefore, a high open circuit electromotive force is obtained without causing a short circuit in the solid electrolyte layer. On the other hand, the test body of test number 9 has a solid electrolyte layer thickness greater than 100 μm, a higher resistance than the other test bodies, and the second and third regions have a greater thickness and oxide ion conduction. It can be seen that the power generation output is reduced due to the decrease in performance.

試験番号1及び試験番号2の試験体は、固体電解質層を構成するペロブスカイト型酸化物aにおけるMgの原子数がGaとMgとの原子数の合計を1としたときに0.2であり、前記一般式(I)を満たしていない。熱処理条件下においてNi及びCoはMgOと固溶するため、Mgの含有率の大きい試験番号1及び試験番号2の試験体は、固体電解質層中にMgOが偏析し易く、Ni及びCoを引き寄せる力が大きくなる。そのため、第2領域及び第3領域それぞれの厚さが、前記一般式(I)を満たす試験番号3〜6に比べて大きいと考えられる。   In the test bodies of test number 1 and test number 2, the number of Mg atoms in the perovskite oxide a constituting the solid electrolyte layer is 0.2 when the total number of atoms of Ga and Mg is 1. The general formula (I) is not satisfied. Since Ni and Co are solid-dissolved with MgO under the heat treatment conditions, the specimens of Test No. 1 and Test No. 2 having a high Mg content tend to segregate MgO in the solid electrolyte layer and attract Ni and Co. Becomes larger. Therefore, it is considered that the thicknesses of the second region and the third region are larger than those of test numbers 3 to 6 that satisfy the general formula (I).

試験番号7の試験体は、固体電解質層を構成するペロブスカイト型酸化物aがMgを含有しないため、Ni及びCoを引き寄せる力が小さく、第2領域及び第3領域それぞれの厚さが小さい。一方で、ペロブスカイト型酸化物aがMgを含有しないため、酸化物イオン伝導性が低下し、その結果、発電出力が試験番号1〜6に比べて小さい。   In the test body of test number 7, since the perovskite oxide a constituting the solid electrolyte layer does not contain Mg, the force for attracting Ni and Co is small, and the thickness of each of the second region and the third region is small. On the other hand, since the perovskite oxide a does not contain Mg, the oxide ion conductivity is lowered, and as a result, the power generation output is smaller than those of test numbers 1 to 6.

試験番号3〜6の試験体は、固体電解質層を構成するペロブスカイト型酸化物aが前記一般式(I)を満たしているので、Ni及びCoの拡散が抑制され、第2領域及び第3領域それぞれの厚さが20μm以下である。したがって、試験番号3〜6の試験体は、短絡を抑制しつつ固体電解質層をより薄く形成することができ、高い開回路起電力と発電出力とを得ることができる。   In the test bodies of Test Nos. 3 to 6, since the perovskite oxide a constituting the solid electrolyte layer satisfies the general formula (I), the diffusion of Ni and Co is suppressed, and the second region and the third region Each thickness is 20 μm or less. Therefore, the test bodies of test numbers 3 to 6 can form a thin solid electrolyte layer while suppressing a short circuit, and can obtain high open circuit electromotive force and power generation output.

試験番号1と2とを比較すると、試験番号2に比べて試験番号1の同時焼成時の温度が低いことから、Niの拡散が抑制され、第2領域の厚さが小さくなっている。したがって、同時焼成時の温度の低い試験番号1の試験体は、短絡を抑制しつつ固体電解質層をより薄く形成することが可能であり、また、電子伝導性の高い高伝導領域の形成を抑制することができ、高い発電出力が得られる。   When test numbers 1 and 2 are compared, since the temperature at the time of simultaneous firing of test number 1 is lower than that of test number 2, the diffusion of Ni is suppressed and the thickness of the second region is reduced. Therefore, the test body of Test No. 1 having a low temperature at the time of co-firing can form a thin solid electrolyte layer while suppressing a short circuit, and also suppresses formation of a highly conductive region having high electron conductivity. And high power output can be obtained.

試験番号4と5とを比較すると、試験番号5に比べて試験番号4の空気極焼成時の温度が低いことから、Coの拡散が抑制され、第3領域の厚さが小さくなっている。したがって、空気極焼成時の温度の低い試験番号4の試験体は、短絡を抑制しつつ固体電解質層をより薄く形成することが可能であり、また、電子伝導性の高い高伝導領域の形成を抑制することができ、高い発電出力が得られる。   When test numbers 4 and 5 are compared, since the temperature at the time of firing the air electrode of test number 4 is lower than that of test number 5, the diffusion of Co is suppressed and the thickness of the third region is reduced. Therefore, the test body of test number 4 having a low temperature at the time of air electrode firing can form a solid electrolyte layer thinner while suppressing a short circuit, and can form a highly conductive region with high electron conductivity. It can be suppressed and high power generation output can be obtained.

1 単セル
2 固体電解質層
3 燃料極
4 空気極
25 配列溝
27 位置決め用凸部
31 固体酸化物形燃料電池スタック
32 連通孔
33 ガスシール層
34 絶縁性多孔体
35 導電性集積用材料層
35a 第1導電性集積用材料層
35b 第2導電性集積用材料層
39 燃料ガス導通孔
40 絶縁性材料層
41 金属シール層
42 電気接続パス
43 リアクターセル層状部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Single cell 2 Solid electrolyte layer 3 Fuel electrode 4 Air electrode 25 Arrangement groove 27 Positioning convex part 31 Solid oxide fuel cell stack 32 Communication hole 33 Gas seal layer 34 Insulating porous body 35 Conductive integration material layer 35a 1 conductive material layer 35b second conductive material layer 39 fuel gas conduction hole 40 insulating material layer 41 metal seal layer 42 electrical connection path 43 reactor cell layered portion

Claims (7)

固体電解質層と、前記固体電解質層の一方の側に形成されてなる燃料極と、前記固体電解質層の他方の側に形成されてなる空気極とを有する固体酸化物形電気化学セルであって、
前記燃料極は、酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとを含有し、
前記空気極は、La 0.6 Sr 0.4 CoO 3−δ を含有し、
前記固体電解質層は、La 0.9 Sr 0.1 Ga Mg 3−δ (x:0.8〜0.95、y:0.05〜0.2)を含有し、自身の厚さが100μm以下であり、Gaを含有するペロブスカイト型酸化物aを有し、前記固体電解質層の切断面を電子線プローブマイクロアナライザーに付属の波長分散型X線分光器により点分析したときに、検出された全元素のうち原子番号1〜8の元素を除く元素の合計質量に対する、前記燃料極に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合が0.5質量%以下であり、かつ、前記空気極に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合が0.5質量%以下である第1領域を有し、前記固体電解質層の膜厚方向における前記第1領域の厚さが5μm以上であることを特徴とする固体酸化物形電気化学セル。
A solid oxide electrochemical cell having a solid electrolyte layer, a fuel electrode formed on one side of the solid electrolyte layer, and an air electrode formed on the other side of the solid electrolyte layer, ,
The fuel electrode contains nickel oxide and yttria-stabilized zirconia ,
The air electrode contains La 0.6 Sr 0.4 CoO 3-δ ,
The solid electrolyte layer contains La 0.9 Sr 0.1 Ga x Mg y O 3-δ (x: 0.8 to 0.95, y: 0.05 to 0.2), and has its own thickness. Having a perovskite type oxide a containing Ga and having a perovskite type oxide a containing Ga, and by performing point analysis on the cut surface of the solid electrolyte layer with a wavelength dispersive X-ray spectrometer attached to an electron beam probe microanalyzer, The ratio of the total mass of transition elements of the same type as the transition elements contained in the fuel electrode to the total mass of the elements excluding the elements having atomic numbers 1 to 8 among all the detected elements is 0.5% by mass or less. And the 1st area | region whose ratio of the total mass of the transition element of the same kind as the transition element contained in the said air electrode is 0.5 mass% or less, and said 1st in the film thickness direction of the said solid electrolyte layer The thickness of the region is 5 μm or more The solid oxide electrochemical cell.
前記固体電解質層は、前記固体電解質層の切断面を電子線プローブマイクロアナライザーに付属の波長分散型X線分光器により点分析したときに、検出された全元素のうち原子番号1〜8の元素を除く元素の合計質量に対する、前記燃料極に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合が0.5質量%を超える第2領域を有し、前記固体電解質層の膜厚方向における前記第2領域の厚さが20μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形電気化学セル。   The solid electrolyte layer is an element having atomic numbers 1 to 8 among all the elements detected when the cut surface of the solid electrolyte layer is point-analyzed by a wavelength dispersive X-ray spectrometer attached to an electron beam probe microanalyzer. The ratio of the total mass of transition elements of the same type as the transition elements contained in the fuel electrode to the total mass of the elements excluding the second region exceeds 0.5% by mass, and the film thickness direction of the solid electrolyte layer 2. The solid oxide electrochemical cell according to claim 1, wherein the second region has a thickness of 20 μm or less. 前記固体電解質層は、前記固体電解質層の切断面を電子線プローブマイクロアナライザーに付属の波長分散型X線分光器により点分析したときに、検出された全元素のうち原子番号1〜8の元素を除く元素の合計質量に対する、前記空気極に含まれる遷移元素と同じ種類の遷移元素の合計質量の割合が0.5質量%を超える第3領域を有し、前記固体電解質層の膜厚方向における前記第3領域の厚さが20μm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の固体酸化物形電気化学セル。 The solid electrolyte layer is an element having atomic numbers 1 to 8 among all the elements detected when the cut surface of the solid electrolyte layer is point-analyzed by a wavelength dispersive X-ray spectrometer attached to an electron beam probe microanalyzer. The ratio of the total mass of transition elements of the same type as the transition element contained in the air electrode to the total mass of elements excluding the third region has a third region exceeding 0.5% by mass, and the film thickness direction of the solid electrolyte layer 3. The solid oxide electrochemical cell according to claim 1, wherein the third region has a thickness of 20 μm or less. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の固体酸化物形電気化学セルの製造方法であって、前記燃料極となる未焼成燃料極の表面に前記固体電解質層となる未焼成固体電解質層を形成し、1320℃以下の温度で焼成して同時焼成体を形成する工程を有することを特徴とする固体酸化物形電気化学セルの製造方法。 It is a manufacturing method of the solid oxide type electrochemical cell as described in any one of Claims 1-3 , Comprising: The unbaking solid electrolyte layer used as the said solid electrolyte layer on the surface of the unburned fuel electrode used as the said fuel electrode And a step of forming a co-fired body by firing at a temperature of 1320 ° C. or lower, and a method for producing a solid oxide electrochemical cell. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の固体酸化物形電気化学セルの製造方法であって、前記同時焼成体の表面に前記空気極となる未焼成空気極を形成し、1100℃以下の温度で焼成する工程を有することを特徴とする請求項4に記載の固体酸化物形電気化学セルの製造方法。 It is a manufacturing method of the solid oxide type electrochemical cell as described in any one of Claims 1-3, Comprising: The unbaking air electrode used as the said air electrode is formed in the surface of the said co-fired body, 1100 degrees C or less The method for producing a solid oxide electrochemical cell according to claim 4 , further comprising a step of firing at a temperature of 5 ° C. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の固体酸化物形電気化学セルを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 A solid oxide fuel cell comprising the solid oxide electrochemical cell according to claim 1 . 請求項1〜3のいずれか一項に記載の固体酸化物形電気化学セルを有することを特徴とする高温水蒸気分解装置。 A high-temperature steam decomposition apparatus comprising the solid oxide electrochemical cell according to any one of claims 1 to 3 .
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019036414A (en) * 2017-08-10 2019-03-07 Toto株式会社 Solid oxide fuel battery
WO2021040557A1 (en) * 2019-08-30 2021-03-04 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Electrochemical method of applying a double-layered electrically conductive protective coating to an interconnect

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7045244B2 (en) * 2002-06-10 2006-05-16 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Fuel cells utilizing non-porous nanofilm microchannel architecture
JP4383092B2 (en) * 2003-05-28 2009-12-16 京セラ株式会社 Electrochemical element
JP2006294517A (en) * 2005-04-13 2006-10-26 Kansai Electric Power Co Inc:The MANUFACTURING METHOD OF Ga BASED SOLID ELECTROLYTE MATERIAL
WO2011158490A1 (en) * 2010-06-16 2011-12-22 パナソニック株式会社 Piezoelectric film, inkjet head, method for forming image using inkjet head, angular velocity sensor, method for determining angular velocity using angular velocity sensor, piezoelectric power generating element, and power generation method using piezoelectric power generating element
JP2013008592A (en) * 2011-06-24 2013-01-10 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Solid oxide fuel cell
CN103348501B (en) * 2012-02-03 2016-08-31 松下知识产权经营株式会社 Piezoelectric film, inkjet head, image forming method using inkjet head, angular velocity sensor, method of measuring angular velocity using angular velocity sensor, piezoelectric power generating element, and power generation method using piezoelectric power generating element
JP2014067564A (en) * 2012-09-25 2014-04-17 Nippon Shokubai Co Ltd Solid oxide fuel battery, and power generation method by use thereof
EP2854210A1 (en) * 2013-09-27 2015-04-01 Toto Ltd. Solid oxide fuel cell stack

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12312697B2 (en) 2021-05-18 2025-05-27 Bloom Energy Corporation Electrolyzer system with steam generation and method of operating same

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