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JP7650404B2 - Electrochemical Cell - Google Patents
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Description

本発明は、電気化学セルに関するものである。 The present invention relates to an electrochemical cell.

電気化学セルの一例としてアノード支持型の燃料電池が知られている(例えば、特許文献1参照)。アノード支持型の燃料電池は、支持層と、支持層上に配置される水素極と、酸素極と、水素極及び酸素極の間に配置される電解質とを備える。An anode-supported fuel cell is known as an example of an electrochemical cell (see, for example, Patent Document 1). An anode-supported fuel cell includes a support layer, a hydrogen electrode disposed on the support layer, an oxygen electrode, and an electrolyte disposed between the hydrogen electrode and the oxygen electrode.

支持層は、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)とNi(ニッケル)とによって構成することができ、水素極は、希土類元素が添加されたセリア系酸化物とNiとによって構成することができる。水素極及び支持層それぞれが含むNiは、酸化雰囲気においてNiOの形態で存在する。The support layer can be composed of YSZ (yttria-stabilized zirconia) and Ni (nickel), and the hydrogen electrode can be composed of a ceria-based oxide with rare earth elements added and Ni. The Ni contained in the hydrogen electrode and the support layer exists in the form of NiO in an oxidizing atmosphere.

特開2017-123231号公報JP 2017-123231 A

支持層及び水素極が還元雰囲気に曝されると、支持層及び水素極に含まれるNiOは還元されてNiとなるため、支持層及び水素極それぞれに体積変化が生じる。加えて、水素極中のセリア(CeO)は還元雰囲気における膨張量が大きいのに対して、支持層中のジルコニア(ZrO)は還元雰囲気における膨張量が相対的に小さいため、還元雰囲気では水素極と支持層の間に膨張量差が生じる。この状況下で起動及び停止が繰り返されると、水素極内に蓄積される応力によってクラックが生じてしまう。 When the support layer and the hydrogen electrode are exposed to a reducing atmosphere, the NiO contained in the support layer and the hydrogen electrode is reduced to Ni, causing a volume change in each of the support layer and the hydrogen electrode. In addition, the ceria (CeO 2 ) in the hydrogen electrode expands greatly in a reducing atmosphere, whereas the zirconia (ZrO 2 ) in the support layer expands relatively little in a reducing atmosphere, so that a difference in the amount of expansion occurs between the hydrogen electrode and the support layer in a reducing atmosphere. When start-up and stop are repeated under this condition, the stress accumulated in the hydrogen electrode causes cracks.

本発明の課題は、水素極のクラックを抑制可能な電気化学セルを提供することである。 The object of the present invention is to provide an electrochemical cell capable of suppressing cracks in the hydrogen electrode.

本発明に係る電気化学セルは、支持層と、支持層上に配置される中間層と、中間層上に配置される水素極と、酸素極と、水素極及び酸素極の間に配置される電解質とを備える。支持層は、イットリア安定化ジルコニアと、ニッケルとによって構成される。水素極は、希土類元素が添加されたセリア系酸化物と、ニッケルとによって構成される。中間層は、イットリア安定化ジルコニア及び希土類元素が添加されたセリア系酸化物の固溶体と、ニッケルとによって構成される。The electrochemical cell according to the present invention comprises a support layer, an intermediate layer disposed on the support layer, a hydrogen electrode disposed on the intermediate layer, an oxygen electrode, and an electrolyte disposed between the hydrogen electrode and the oxygen electrode. The support layer is composed of yttria-stabilized zirconia and nickel. The hydrogen electrode is composed of a ceria-based oxide having a rare earth element added thereto, and nickel. The intermediate layer is composed of a solid solution of yttria-stabilized zirconia and a ceria-based oxide having a rare earth element added thereto, and nickel.

本発明によれば、水素極のクラックを抑制可能な電気化学セルを提供することができる。 According to the present invention, an electrochemical cell can be provided that can suppress cracks in the hydrogen electrode.

図1は、燃料電池セルの断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a fuel cell.

(燃料電池セル10)
燃料電池セル10は、いわゆるアノード支持型の燃料電池セルである。燃料電池セル10は、支持層11、中間層12、水素極13、電解質14、反応防止層15、及び酸素極16を備える。
(Fuel cell 10)
The fuel cell 10 is a so-called anode-supported type fuel cell, and includes a support layer 11, an intermediate layer 12, a hydrogen electrode 13, an electrolyte 14, a reaction prevention layer 15, and an oxygen electrode 16.

[支持層11]
支持層11は、中間層12を支持する。支持層11の形状は特に限られないが、例えば板状、中空板状、円筒状などに形成することができる。
[Support layer 11]
The support layer 11 supports the intermediate layer 12. The shape of the support layer 11 is not particularly limited, and it can be formed into, for example, a plate shape, a hollow plate shape, a cylinder shape, or the like.

支持層11は、電子伝導性を有する多孔質材料によって構成される。具体的には、支持層11は、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)とNi(ニッケル)とを含む。YSZとしては、3mol%以上10mol%以下のY(イットリア)で安定化されたZrO(ジルコニア)を用いることができる。Niは、燃料ガスが供給された還元雰囲気では金属Niとなり、燃料ガスが供給されない酸化雰囲気ではNiOとなる。 The support layer 11 is made of a porous material having electronic conductivity. Specifically, the support layer 11 contains YSZ (yttria-stabilized zirconia) and Ni (nickel). As the YSZ, ZrO 2 (zirconia) stabilized with 3 mol % to 10 mol % of Y 2 O 3 (yttria) can be used. Ni becomes metallic Ni in a reducing atmosphere where a fuel gas is supplied, and becomes NiO in an oxidizing atmosphere where no fuel gas is supplied.

支持層11におけるYSZの含有率は、25mol%以上55mol%以下とすることができる。支持層11におけるNiの含有率は、NiO換算で45mol%以上75mol%以下とすることができる。The YSZ content in the support layer 11 can be 25 mol% or more and 55 mol% or less. The Ni content in the support layer 11 can be 45 mol% or more and 75 mol% or less in terms of NiO.

支持層11におけるYSZ及びNiそれぞれの含有率は、原子濃度プロファイルによるライン分析、すなわちEPMA(Electron Probe Micro Analyzer)を用いた元素マッピングによって得られる。具体的には、厚み方向に沿った断面において、EPMAを用いて厚み方向にライン分析を行うことにより、各元素の濃度分布データが取得される。なお、EPMAは、EDS(Energy Dispersive x-ray Spectroscopy)を含む概念である。The respective contents of YSZ and Ni in the support layer 11 are obtained by line analysis using atomic concentration profiles, i.e., element mapping using an EPMA (Electron Probe Micro Analyzer). Specifically, concentration distribution data for each element is obtained by performing line analysis in the thickness direction using an EPMA on a cross section along the thickness direction. Note that EPMA is a concept that includes EDS (Energy Dispersive x-ray Spectroscopy).

支持層11の気孔率は、例えば、10%以上50%以下とすることができる。本明細書において、気孔率とは、SEM(走査電子顕微鏡)を用いた断面観察における固相と気相の総面積に対する気相の面積の割合である。支持層11の厚さは、例えば、50μm以上1mm以下とすることができる。The porosity of the support layer 11 can be, for example, 10% or more and 50% or less. In this specification, the porosity is the ratio of the area of the gas phase to the total area of the solid phase and the gas phase in cross-sectional observation using a SEM (scanning electron microscope). The thickness of the support layer 11 can be, for example, 50 μm or more and 1 mm or less.

[中間層12]
中間層12は、支持層11上に配置される。中間層12は、支持層11と水素極13の間に配置される。
[Intermediate layer 12]
The intermediate layer 12 is disposed on the support layer 11. The intermediate layer 12 is disposed between the support layer 11 and the hydrogen electrode 13.

中間層12は、電子伝導性及びイオン伝導性を有する多孔質材料によって構成される。具体的には、中間層12は、YSZ及び希土類元素が添加されたセリア系酸化物の固溶体とNiとを含む。固溶体とは、YSZ及び希土類元素が添加されたセリア系酸化物が互いに溶け合って、全体が均一の固相となっているものをいう。The intermediate layer 12 is composed of a porous material having electronic and ionic conductivity. Specifically, the intermediate layer 12 contains a solid solution of YSZ and a ceria-based oxide to which a rare earth element has been added, and Ni. The solid solution refers to a state in which YSZ and a ceria-based oxide to which a rare earth element has been added are dissolved together to form a uniform solid phase.

ここで、支持層11及び水素極13が還元雰囲気に曝されると、支持層11及び水素極13に含まれるNiOは還元されてNiとなるため、支持層11及び水素極13それぞれに体積変化が生じる。加えて、水素極13中のCeOは還元雰囲気における膨張量が大きいのに対して、支持層11中のZrOは還元雰囲気における膨張量が相対的に小さいため、還元雰囲気では水素極13と支持層11の間に膨張量差が生じる。この状況下で燃料電池セル10の起動及び停止が繰り返されると、水素極13内に蓄積される応力によってクラックが生じやすい。 When the support layer 11 and the hydrogen electrode 13 are exposed to a reducing atmosphere, the NiO contained in the support layer 11 and the hydrogen electrode 13 is reduced to Ni, causing a change in volume in each of the support layer 11 and the hydrogen electrode 13. In addition, while the CeO2 in the hydrogen electrode 13 expands greatly in a reducing atmosphere, the ZrO2 in the support layer 11 expands relatively little in a reducing atmosphere, causing a difference in the amount of expansion between the hydrogen electrode 13 and the support layer 11 in a reducing atmosphere. If the fuel cell 10 is repeatedly started and stopped under this circumstance, cracks are likely to occur due to the stress accumulated in the hydrogen electrode 13.

そこで、本実施形態に係る中間層12は、支持層11の構成材料であるYSZと、後述する水素極13の構成材料である希土類元素が添加されたセリア系酸化物との両方を含有している。この中間層12が水素極13と支持層11の間の膨張量差を緩衝させる緩衝層として機能することによって、支持層11と水素極13が直接接続される場合に比べて水素極13内に応力が蓄積されることを抑制できる。よって、水素極13にクラックが生じることを抑制できる。Therefore, the intermediate layer 12 according to this embodiment contains both YSZ, which is the constituent material of the support layer 11, and a ceria-based oxide with added rare earth elements, which is the constituent material of the hydrogen electrode 13 described below. This intermediate layer 12 functions as a buffer layer that buffers the difference in the amount of expansion between the hydrogen electrode 13 and the support layer 11, thereby making it possible to suppress the accumulation of stress in the hydrogen electrode 13 compared to when the support layer 11 and the hydrogen electrode 13 are directly connected. This makes it possible to suppress the occurrence of cracks in the hydrogen electrode 13.

中間層12は、支持層11と水素極13の間において、YSZ及び希土類元素が添加されたセリア系酸化物の固溶体が存在する領域である。希土類元素が添加されたセリア系酸化物としては、例えば、ガドリニウムドープセリア(GDC)、サマリウムドープセリア(SDC)、イットリウムドープセリア(YDC)などが挙げられるが、これらには限られない。GDCとしては、5mol%以上20mol%以下のGd(ガドリニウム)の酸化物がドープされたCeO(セリア)を用いることができる。Niは、燃料ガスが供給された還元雰囲気では金属Niとなり、燃料ガスが供給されない酸化雰囲気ではNiOとなる。 The intermediate layer 12 is a region between the support layer 11 and the hydrogen electrode 13, in which a solid solution of YSZ and a ceria-based oxide to which a rare earth element is added exists. Examples of ceria-based oxides to which a rare earth element is added include, but are not limited to, gadolinium-doped ceria (GDC), samarium-doped ceria (SDC), and yttrium-doped ceria (YDC). CeO 2 (ceria) doped with 5 mol % to 20 mol % of Gd (gadolinium) oxide can be used as GDC. Ni becomes metallic Ni in a reducing atmosphere to which a fuel gas is supplied, and becomes NiO in an oxidizing atmosphere to which no fuel gas is supplied.

中間層12におけるYSZの含有率は、15mol%以上35mol%以下とすることができる。中間層12における希土類元素が添加されたセリア系酸化物の含有率は、15mol%以上35mol%以下とすることができる。中間層12におけるNiの含有率は、NiO換算で35mol%以上65mol%以下とすることができる。支持層11におけるYSZ、希土類元素が添加されたセリア系酸化物及びNiそれぞれの含有率は、上述した原子濃度プロファイルによるライン分析によって得られる。The YSZ content in the intermediate layer 12 can be 15 mol% or more and 35 mol% or less. The ceria-based oxide to which a rare earth element has been added in the intermediate layer 12 can be 15 mol% or more and 35 mol% or less. The Ni content in the intermediate layer 12 can be 35 mol% or more and 65 mol% or less in terms of NiO. The respective contents of YSZ, ceria-based oxide to which a rare earth element has been added, and Ni in the support layer 11 are obtained by line analysis using the above-mentioned atomic concentration profile.

中間層12の厚さは、例えば1μm以上50μm以下とすることができる。中間層12の厚さは、20μm以下であることが好ましい。これによって、中間層12内のイオン伝導パスが切れてしまうことを抑制できるため、燃料電池セル10の初期性能が低くなることを抑制できる。また、中間層12の厚さは、3μm以上であることが好ましい。これによって、水素極13にクラックが生じることをより抑制することができる。よって、中間層12の厚さを3μm以上20μm以下とすることによって、燃料電池セル10の初期性能の確保とクラックの更なる抑制とを両立させることができる。The thickness of the intermediate layer 12 can be, for example, 1 μm or more and 50 μm or less. The thickness of the intermediate layer 12 is preferably 20 μm or less. This can prevent the ion conduction path in the intermediate layer 12 from being broken, and therefore can prevent the initial performance of the fuel cell 10 from being reduced. The thickness of the intermediate layer 12 is preferably 3 μm or more. This can further prevent cracks from occurring in the hydrogen electrode 13. Therefore, by setting the thickness of the intermediate layer 12 to 3 μm or more and 20 μm or less, it is possible to ensure the initial performance of the fuel cell 10 and further prevent cracks from occurring at the same time.

なお、中間層12の厚さは、厚み方向に沿った中間層12の断面をFE-SEMを用いて1000倍で観察し、観察画像内から無作為に選択した5箇所における中間層12の厚みを算術平均することによって取得される。厚み方向とは、電解質14の水素極側表面に垂直な方向である。The thickness of the intermediate layer 12 is obtained by observing a cross section of the intermediate layer 12 along the thickness direction at 1000x magnification using an FE-SEM, and calculating the arithmetic average of the thicknesses of the intermediate layer 12 at five points randomly selected from the observed image. The thickness direction is the direction perpendicular to the hydrogen electrode side surface of the electrolyte 14.

中間層12の気孔率は、例えば、10%以上50%以下とすることができる。The porosity of the intermediate layer 12 can be, for example, greater than or equal to 10% and less than or equal to 50%.

[水素極13]
水素極13は、中間層12上に配置される。水素極13は、中間層12と電解質14の間に配置される。水素極13には、支持層11及び中間層12を介して燃料ガスが供給される。水素極13では、次の式(1)で表される電極反応が起こる。
[Hydrogen electrode 13]
The hydrogen electrode 13 is disposed on the intermediate layer 12. The hydrogen electrode 13 is disposed between the intermediate layer 12 and the electrolyte 14. A fuel gas is supplied to the hydrogen electrode 13 via the support layer 11 and the intermediate layer 12. In the hydrogen electrode 13, an electrode reaction represented by the following formula (1) occurs.

+O2-→HO+2e …(1) H2 + O2-H2O +2e -... (1)

水素極13は、電子伝導性及びイオン伝導性を有する多孔質材料によって構成される。具体的には、水素極13は、希土類元素が添加されたセリア系酸化物とNiとを含む。希土類元素が添加されたセリア系酸化物としては、例えば、GDC、SDC、YDCなどが挙げられるが、これらには限られない。GDCとしては、5mol%以上20mol%以下のGd(ガドリニウム)の酸化物がドープされたCeO(セリア)を用いることができる。水素極13に含まれる希土類元素が添加されたセリア系酸化物は、中間層12に含まれる希土類元素が添加されたセリア系酸化物と同種であってもよいし異種であってもよい。Niは、燃料ガスが供給された還元雰囲気では金属Niとなり、燃料ガスが供給されない酸化雰囲気ではNiOとなる。このように、Niの還元及び酸化に応じて水素極13は収縮及び膨張するが、上述の通り水素極13の体積変化が中間層12において吸収されることによって、水素極13にクラックが生じることが抑制される。 The hydrogen electrode 13 is made of a porous material having electronic conductivity and ionic conductivity. Specifically, the hydrogen electrode 13 includes a ceria-based oxide to which a rare earth element is added and Ni. Examples of the ceria-based oxide to which a rare earth element is added include, but are not limited to, GDC, SDC, and YDC. CeO 2 (ceria) doped with 5 mol % to 20 mol % of an oxide of Gd (gadolinium) can be used as GDC. The ceria-based oxide to which a rare earth element is added contained in the hydrogen electrode 13 may be the same type as or different from the ceria-based oxide to which a rare earth element is added contained in the intermediate layer 12. Ni becomes metallic Ni in a reducing atmosphere to which a fuel gas is supplied, and becomes NiO in an oxidizing atmosphere to which no fuel gas is supplied. In this way, the hydrogen electrode 13 contracts and expands in response to the reduction and oxidation of Ni. However, as described above, the volume change of the hydrogen electrode 13 is absorbed by the intermediate layer 12, thereby preventing cracks from occurring in the hydrogen electrode 13.

水素極13における希土類元素が添加されたセリア系酸化物の含有率は、35mol%以上65mol%以下とすることができる。水素極13におけるNiの含有率は、NiO換算で35mol%以上65mol%以下とすることができる。水素極13における希土類元素が添加されたセリア系酸化物及びNiそれぞれの含有率は、上述した原子濃度プロファイルによるライン分析によって得られる。The content of the ceria-based oxide to which a rare earth element has been added in the hydrogen electrode 13 can be 35 mol% or more and 65 mol% or less. The content of Ni in the hydrogen electrode 13 can be 35 mol% or more and 65 mol% or less in terms of NiO. The respective contents of the ceria-based oxide to which a rare earth element has been added and Ni in the hydrogen electrode 13 are obtained by line analysis using the atomic concentration profile described above.

水素極13の気孔率は、例えば、10%以上50%以下とすることができる。水素極13の厚さは、例えば、5μm以上0.1mm以下とすることができる。The porosity of the hydrogen electrode 13 can be, for example, 10% or more and 50% or less. The thickness of the hydrogen electrode 13 can be, for example, 5 μm or more and 0.1 mm or less.

[電解質14]
電解質14は、水素極13上に配置される。電解質14は、水素極13と酸素極16の間に配置される。本実施形態では、燃料電池セル10が反応防止層15を備えているため、電解質14は、水素極13と反応防止層15によって挟まれている。
[Electrolyte 14]
The electrolyte 14 is disposed on the hydrogen electrode 13. The electrolyte 14 is disposed between the hydrogen electrode 13 and the oxygen electrode 16. In this embodiment, since the fuel cell 10 is provided with a reaction prevention layer 15, the electrolyte 14 is sandwiched between the hydrogen electrode 13 and the reaction prevention layer 15.

電解質14は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密質材料によって構成される。電解質14は、例えば、Y、CeO、Sc、Ybなどで安定化されたZrOや、Y、Sm、GdなどがドープされたCeOによって構成することができる。或いは、電解質14は、ランタンガレート、又は、ランタンガレートのランタン又はガリウムの一部がストロンチウム、カルシウム、バリウム、マグネシウム、アルミニウム、インジウム、コバルト、鉄、ニッケル、銅などで置換されたランタンガレート型ペロブスカイト構造酸化物によって構成することができる。電解質14は、1種の電解質材料によって構成されてもよいし、2種以上の電解質材料によって構成されてもよい。 The electrolyte 14 is made of a dense material having ion conductivity but no electronic conductivity. The electrolyte 14 can be made of, for example, ZrO 2 stabilized with Y 2 O 3 , CeO 2 , Sc 2 O 3 , Yb 2 O 3 , or CeO 2 doped with Y 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Gd 2 O 3 , or the like. Alternatively, the electrolyte 14 can be made of lanthanum gallate, or a lanthanum gallate-type perovskite structure oxide in which a portion of the lanthanum or gallium of the lanthanum gallate is replaced with strontium, calcium, barium, magnesium, aluminum, indium, cobalt, iron, nickel, copper, or the like. The electrolyte 14 may be made of one type of electrolyte material, or may be made of two or more types of electrolyte materials.

電解質14の気孔率は、例えば、0%以上7%以下とすることができる。電解質14の厚さは、例えば、3μm以上50μm以下とすることができる。なお、電解質14は、単層構造であってもよいし、多層構造であってもよい。The porosity of the electrolyte 14 can be, for example, 0% or more and 7% or less. The thickness of the electrolyte 14 can be, for example, 3 μm or more and 50 μm or less. The electrolyte 14 may have a single layer structure or a multilayer structure.

[反応防止層15]
反応防止層15は、電解質14上に配置される。反応防止層15は、電解質14と酸素極16の間に配置される。反応防止層15は、電解質14の構成材料と酸素極16の構成材料とが反応して電気抵抗の大きい反応層が形成されることを抑制するために設けられている。
[Reaction prevention layer 15]
The reaction prevention layer 15 is disposed on the electrolyte 14. The reaction prevention layer 15 is disposed between the electrolyte 14 and the oxygen electrode 16. The reaction prevention layer 15 is provided to prevent a reaction between the constituent material of the electrolyte 14 and the constituent material of the oxygen electrode 16, resulting in the formation of a reaction layer with high electrical resistance.

反応防止層15は、イオン伝導性材料によって構成される。反応防止層15は、例えばGd、Sm及びY等の希土類元素の酸化物等がドープされたセリアによって構成することができる。The reaction prevention layer 15 is made of an ion-conductive material. The reaction prevention layer 15 can be made of ceria doped with oxides of rare earth elements such as Gd, Sm, and Y.

反応防止層15の気孔率は、例えば、0.1%以上50%以下とすることができる。反応防止層15の厚さは、例えば、1μm以上50μm以下とすることができる。The porosity of the reaction prevention layer 15 can be, for example, 0.1% or more and 50% or less. The thickness of the reaction prevention layer 15 can be, for example, 1 μm or more and 50 μm or less.

[酸素極16]
酸素極16は、反応防止層15上に配置される。酸素極16には、酸素を含むガス(例えば、空気)が供給される。酸素極16では、次の式(2)で表される電極反応が起こる。
[Oxygen electrode 16]
The oxygen electrode 16 is disposed on the reaction prevention layer 15. A gas containing oxygen (e.g., air) is supplied to the oxygen electrode 16. In the oxygen electrode 16, an electrode reaction represented by the following formula (2) occurs.

(1/2)・O+2e→O2- …(2) (1/2)・O 2 +2e →O 2 − …(2)

酸素極16は、電子伝導性を有する多孔質材料によって構成される。酸素極16は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)、LSF=(La,Sr)FeO(ランタンストロンチウムフェライト)、LNF=La(Ni,Fe)O(ランタンニッケルフェライト)、LSC=(La,Sr)CoO(ランタンストロンチウムコバルタイト)等によって構成することができる。 The oxygen electrode 16 is made of a porous material having electronic conductivity, and can be made of, for example, LSCF=(La,Sr)(Co,Fe) O3 (lanthanum strontium cobalt ferrite), LSF=(La,Sr) FeO3 (lanthanum strontium ferrite), LNF=La(Ni,Fe) O3 (lanthanum nickel ferrite), LSC=(La,Sr) CoO3 (lanthanum strontium cobaltite), or the like.

酸素極16の気孔率は、例えば、10%以上50%以下とすることができる。酸素極16の厚さは、例えば、10μm以上100μm以下とすることができる。The porosity of the oxygen electrode 16 can be, for example, 10% or more and 50% or less. The thickness of the oxygen electrode 16 can be, for example, 10 μm or more and 100 μm or less.

(実施形態の変形例)
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
(Modification of the embodiment)
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these, and various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention.

[変形例1]
上記実施形態では、燃料電池の一例として、いわゆるアノード支持型の燃料電池セルについて説明したが、電気化学セルはこれに限られない。本発明は、電解質層の両側に水素極と酸素極とが配置された電気化学セルに適用可能である。
[Modification 1]
In the above embodiment, a so-called anode-supported fuel cell has been described as an example of a fuel cell, but the electrochemical cell is not limited to this. The present invention is applicable to an electrochemical cell in which a hydrogen electrode and an oxygen electrode are disposed on either side of an electrolyte layer.

電気化学セルとは、電気エネルギーを化学エネルギーに変えるため、全体的な酸化還元反応から起電力が生じるように一対の電極が配置された素子と、化学エネルギーを電気エネルギーに変えるための素子との総称である。 An electrochemical cell is a general term for an element in which a pair of electrodes are arranged so that an electromotive force is generated from an overall oxidation-reduction reaction in order to convert electrical energy into chemical energy, and an element for converting chemical energy into electrical energy.

電気化学セルとしては、アノード支持型の燃料電池セルのほか、横縞型の燃料電池セル、縦縞型の燃料電池セル、平板型の燃料電池セル、筒型の燃料電池セル、更に、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う電解セルなどが挙げられる。また、上記実施形態では、O2-(酸素イオン)をキャリアとしたが、OH(水酸化物イオン)やプロトンをキャリアとしてもよい。 Examples of electrochemical cells include anode-supported fuel cells, horizontally striped fuel cells, vertically striped fuel cells, flat plate fuel cells, cylindrical fuel cells, and electrolysis cells that generate hydrogen by utilizing the electrolysis reaction of water. In the above embodiment, O 2− (oxygen ion) is used as the carrier, but OH (hydroxide ion) or protons may also be used as the carrier.

[変形例2]
上記実施形態において、燃料電池セル10は、反応防止層15を備えることとしたが、反応防止層15を備えていなくてもよい。
[Modification 2]
In the above embodiment, the fuel cell 10 is provided with the reaction prevention layer 15 , but the reaction prevention layer 15 may not be provided.

以下において本発明に係る電解セルの実施例について説明するが、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。 Below, we will explain examples of the electrolytic cell according to the present invention, but the present invention is not limited to the examples described below.

(実施例1~7の作製)
以下のようにして、実施例1~7に係る電解セルを作製した。
(Preparation of Examples 1 to 7)
The electrolytic cells according to Examples 1 to 7 were prepared as follows.

まず、YSZ粉末、NiO粉末、バインダ、造孔剤、可塑剤、分散媒及び溶剤を混合した支持層用スラリーをシート成形することによって、支持層成形体を作製した。First, a support layer molded body was produced by sheet molding a support layer slurry made by mixing YSZ powder, NiO powder, binder, pore-forming agent, plasticizer, dispersion medium and solvent.

次に、YSZ粉末、GDC粉末、NiO粉末、バインダ、造孔剤、可塑剤、分散媒及び溶剤を混合することによって調製した中間層用ペーストを支持層成形体上に印刷することによって、中間層成形体を形成した。この際、中間層用ペーストの印刷厚みを変更することによって、表1に示すように、実施例1~7それぞれの中間層の厚みを調整した。Next, an intermediate layer paste prepared by mixing YSZ powder, GDC powder, NiO powder, binder, pore former, plasticizer, dispersion medium, and solvent was printed on the support layer body to form an intermediate layer body. At this time, the thickness of the intermediate layer was adjusted for each of Examples 1 to 7 by changing the printing thickness of the intermediate layer paste, as shown in Table 1.

次に、GDC粉末、NiO粉末、バインダ、造孔剤、可塑剤、分散媒及び溶剤を混合することによって調製した水素極用ペーストを中間層成形体上に印刷することによって、水素極成形体を形成した。Next, a hydrogen electrode paste prepared by mixing GDC powder, NiO powder, binder, pore-forming agent, plasticizer, dispersion medium and solvent was printed onto the intermediate layer compact to form a hydrogen electrode compact.

次に、YSZ粉末、バインダ、可塑剤、分散媒及び溶剤を混合することによって調製した電解質用ペーストを水素極成形体上に印刷することによって、電解質成形体を形成した。Next, an electrolyte paste prepared by mixing YSZ powder, binder, plasticizer, dispersion medium and solvent was printed onto the hydrogen electrode compact to form an electrolyte compact.

次に、GDC粉末、バインダ、及び溶剤を混合することによって調製した反応防止層用ペーストを電解質成形体上に印刷することによって、反応防止層成形体を形成した。Next, a reaction prevention layer paste prepared by mixing GDC powder, a binder, and a solvent was printed onto the electrolyte molded body to form a reaction prevention layer molded body.

支持層成形体、中間層成形体、水素極成形体、電解質成形体及び反応防止層成形体の積層体を焼成(1300℃、5時間)することによって、支持層、中間層、水素極、電解質及び反応防止層からなる焼成体を作製した。A laminate of a support layer molded body, an intermediate layer molded body, a hydrogen electrode molded body, an electrolyte molded body and a reaction prevention layer molded body was fired (1300°C, 5 hours) to produce a fired body consisting of a support layer, an intermediate layer, a hydrogen electrode, an electrolyte and a reaction prevention layer.

LSCF粉末、バインダ及び溶剤を混合することによって調製した酸素極用ペーストを反応防止層上に印刷することによって、酸素極成形体を形成した。An oxygen electrode paste prepared by mixing LSCF powder, binder and solvent was printed onto the reaction prevention layer to form an oxygen electrode body.

次に、酸素極成形体を焼成(1050℃、2時間)することによって、実施例1~7に係る電解セルを得た。Next, the oxygen electrode molded body was sintered (1050°C, 2 hours) to obtain the electrolytic cells of Examples 1 to 7.

(比較例1の作製)
中間層を形成しなかったこと以外は上記実施例1~7と同じ工程により比較例1に係る電解セルを作製した。
(Preparation of Comparative Example 1)
An electrolytic cell according to Comparative Example 1 was produced by the same steps as those of Examples 1 to 7, except that no intermediate layer was formed.

(熱サイクル試験)
実施例1~7及び比較例1に係る電解セルにおいて、1回目の熱サイクル試験を実施した。具体的には、水素極にArガス及び水素ガス(Arガスに対して4%)を供給しながら、常温から750℃まで2時間で昇温させた後に750℃から常温まで4時間で降温させる工程を1サイクルとして10回繰り返した。
(Thermal cycle test)
A first thermal cycle test was carried out on the electrolytic cells according to Examples 1 to 7 and Comparative Example 1. Specifically, while supplying Ar gas and hydrogen gas (4% relative to Ar gas) to the hydrogen electrode, one cycle was repeated 10 times, in which the temperature was increased from room temperature to 750° C. in 2 hours and then decreased from 750° C. to room temperature in 4 hours.

その後、水素極の断面をFE-SEM(電界放出形走査電子顕微鏡)で観察してクラックの有無を確認した。 The cross section of the hydrogen electrode was then observed using a FE-SEM (field emission scanning electron microscope) to check for the presence or absence of cracks.

続いて、実施例1~7及び比較例1に係る電解セルにおいて、2回目の熱サイクル試験を実施した。具体的には、水素極にArガス及び水素ガス(Arガスに対して4%)を供給しながら、常温から850℃まで2時間で昇温させた後に850℃から常温まで4時間で降温させる工程を1サイクルとして10回繰り返した。 Next, a second thermal cycle test was conducted on the electrolytic cells according to Examples 1 to 7 and Comparative Example 1. Specifically, while supplying Ar gas and hydrogen gas (4% relative to Ar gas) to the hydrogen electrode, one cycle was repeated 10 times, in which the temperature was increased from room temperature to 850°C in 2 hours and then decreased from 850°C to room temperature in 4 hours.

その後、水素極の断面をFE-SEMで観察してクラックの有無を確認した。 Then, the cross section of the hydrogen electrode was observed using FE-SEM to check for the presence or absence of cracks.

表1では、1回目の熱サイクル試験でクラックが発生したものを「×」、2回目の熱サイクル試験で初めてクラックが発生したものを「〇」、2回目の熱サイクル試験でクラックが発生しなかったものを「◎」と評価した。In Table 1, samples that developed cracks in the first thermal cycle test were rated as "X", samples that developed cracks for the first time in the second thermal cycle test were rated as "O", and samples that did not develop cracks in the second thermal cycle test were rated as "◎".

(初期性能評価試験)
実施例1~7及び比較例1に係る電解セルにおいて、初期性能評価試験を実施した。具体的には、水素極に水蒸気及び水素ガスの混合ガス(混合比は50:50)を供給するとともに酸素極に空気を供給しながら0.5A/cmの電流値を掃引した際の電解電圧を測定した。
(Initial performance evaluation test)
An initial performance evaluation test was carried out on the electrolytic cells according to Examples 1 to 7 and Comparative Example 1. Specifically, the electrolytic voltage was measured when a mixed gas of water vapor and hydrogen gas (mixing ratio 50:50) was supplied to the hydrogen electrode and air was supplied to the oxygen electrode while sweeping a current value of 0.5 A/ cm2 .

そして、比較例1の電解電圧に対する実施例1~7の電解電圧の増大率を算出した。表1では、電解電圧の増大率が1%未満であったものを「〇」と評価し、電解電圧の増大率が1%以上であったものを「△」と評価した。

Figure 0007650404000001
Then, the increase rate of the electrolysis voltage of Examples 1 to 7 was calculated relative to the electrolysis voltage of Comparative Example 1. In Table 1, the increase rate of the electrolysis voltage of less than 1% was evaluated as "good", and the increase rate of the electrolysis voltage of 1% or more was evaluated as "good".
Figure 0007650404000001

表1に示すように、支持層と水素極の間に中間層を設けた実施例1~7では、水素極にクラックが発生することを抑制できた。このような結果が得られたのは、支持層の構成材料であるYSZと水素極の構成材料である希土類元素が添加されたセリア系酸化物との両方を中間層が含有していることによって、熱サイクルにおける水素極と支持層の膨張量差を中間層において緩衝させることができたためである。As shown in Table 1, in Examples 1 to 7 in which an intermediate layer was provided between the support layer and the hydrogen electrode, the occurrence of cracks in the hydrogen electrode was suppressed. This result was obtained because the intermediate layer contained both YSZ, which is the constituent material of the support layer, and ceria-based oxide with added rare earth elements, which is the constituent material of the hydrogen electrode, and thus the intermediate layer was able to buffer the difference in the amount of expansion between the hydrogen electrode and the support layer during the thermal cycle.

また、中間層の厚さを20μm以下とした実施例1~6では、実施例7に比べて初期性能が低くなることを抑制できた。このような結果が得られたのは、中間層内のイオン伝導パスが切れてしまうことを抑制できたためである。 In addition, in Examples 1 to 6, in which the thickness of the intermediate layer was set to 20 μm or less, it was possible to prevent the initial performance from decreasing compared to Example 7. This result was obtained because it was possible to prevent the ion conduction path in the intermediate layer from being broken.

さらに、中間層の厚さを3μm以上とした実施例2~7では、実施例1に比べて、水素極にクラックが発生することを更に抑制できた。 Furthermore, in Examples 2 to 7, in which the thickness of the intermediate layer was 3 μm or more, the occurrence of cracks in the hydrogen electrode was further suppressed compared to Example 1.

10 燃料電池セル
11 支持層
12 中間層
13 水素極
14 電解質
15 反応防止層
16 酸素極
10 Fuel cell 11 Support layer 12 Intermediate layer 13 Hydrogen electrode 14 Electrolyte 15 Reaction prevention layer 16 Oxygen electrode

Claims (1)

電子伝導性を有する支持層と、
前記支持層上に配置される中間層と、
前記中間層上に配置される水素極と、
酸素極と、
前記水素極及び前記酸素極の間に配置される電解質と、
を備え、
前記支持層は、イットリア安定化ジルコニアと、ニッケルと含み、
前記水素極は、希土類元素が添加されたセリア系酸化物と、ニッケルとを含み、
前記中間層は、イットリア安定化ジルコニア及び希土類元素が添加されたセリア系酸化物の固溶体と、ニッケルとを含
前記中間層の厚みは、3μm以上20μm以下である、
電気化学セル。
A supporting layer having electronic conductivity;
an intermediate layer disposed on the support layer;
a hydrogen electrode disposed on the intermediate layer;
An oxygen electrode;
an electrolyte disposed between the hydrogen electrode and the oxygen electrode;
Equipped with
The support layer comprises yttria-stabilized zirconia and nickel;
The hydrogen electrode contains a ceria-based oxide to which a rare earth element is added and nickel,
the intermediate layer contains nickel and a solid solution of yttria-stabilized zirconia and a ceria-based oxide to which a rare earth element is added;
The thickness of the intermediate layer is 3 μm or more and 20 μm or less.
Electrochemical cell.
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