JP7719638B2 - Solid oxide electrochemical cell and its use - Google Patents
Solid oxide electrochemical cell and its useInfo
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Description
本明細書は、固体酸化物形電気化学セル及びその利用等に関する。 This specification relates to solid oxide electrochemical cells and their uses.
固体酸化物形電気化学セルとしては、固体酸化物形電解セル(SOEC)及び固体酸化物形燃料電池(SOFC)がある。これらの電気化学セルの性能は、電極材料や電解質材料の特性だけでなく、電極と電解質との界面で形成されることがある抵抗層の影響を大きく受けることが知られている。多用されているYSZ電解質とLSCF((LaSr)(CoFe)O3-s)酸素極を用いたセルでは、電解質と酸素極との界面に高抵抗なSrZrO3が形成されることが指摘されている。このため、反応防止の目的で酸素極と電解質の界面にセリア系の中間層が導入されている(特許文献1)。 Solid oxide electrochemical cells include solid oxide electrolysis cells (SOECs) and solid oxide fuel cells (SOFCs). It is known that the performance of these electrochemical cells is significantly affected not only by the properties of the electrode and electrolyte materials, but also by the resistive layer that can form at the interface between the electrode and electrolyte. It has been pointed out that in cells using a commonly used YSZ electrolyte and an LSCF ((LaSr)(CoFe)O 3-s ) oxygen electrode, highly resistive SrZrO 3 is formed at the interface between the electrolyte and the oxygen electrode. For this reason, a ceria-based intermediate layer is introduced at the interface between the oxygen electrode and the electrolyte to prevent the reaction (Patent Document 1).
しかしながら、中間層を導入しても、中間層と電解質との界面にも、高抵抗なSrZrO3が形成されてしまっていた。したがって、電気化学セルにおいては依然として高抵抗層形成抑制が要請されている。 However, even if an intermediate layer is introduced, highly resistive SrZrO3 is formed at the interface between the intermediate layer and the electrolyte. Therefore, there is still a need to suppress the formation of a high-resistance layer in electrochemical cells.
本明細書は、酸素極と電解質との界面での高抵抗相の生成をさらに抑制できる技術を提供する。 This specification provides technology that can further suppress the formation of a high-resistance phase at the interface between the oxygen electrode and the electrolyte.
本発明者らは、セリア系中間相を配しても、依然としてSrZrO3が形成される原因について検討した。その結果、セル焼成などの加熱時に、酸素極からSrが中間相を拡散し、固体電解質であるYSZとの界面に到達し、Srが自身と反応性の高いZrと反応してSrZrO3を形成することを突き止めた。そこで、本発明者らは、Srに対する反応性がZrよりも高いTiに着目した。そして、予めTi基化合物を酸素極に存在させることにより、加熱時等にTiがSrをゲッタリングしてSrTiO3を形成できること、及び、これにより、YSZ界面でのSrZrO3の形成を抑制できるという知見を得た。本明細書は、これらの知見に基づき以下の手段を提供する。 The present inventors investigated the reason why SrZrO3 still forms even when a ceria-based interphase is present. As a result, they discovered that during heating, such as during cell firing, Sr diffuses from the oxygen electrode through the interphase, reaches the interface with the YSZ solid electrolyte, and reacts with Zr, which is highly reactive with Sr, to form SrZrO3 . Therefore, the present inventors focused on Ti, which has a higher reactivity with Sr than Zr. They discovered that by preliminarily adding a Ti-based compound to the oxygen electrode, Ti can getter Sr to form SrTiO3 during heating, etc., and thereby suppress the formation of SrZrO3 at the YSZ interface. Based on these findings, this specification provides the following means.
[1]固体酸化物形電気化学セルであって、
酸化チタンとストロンチウム含有複合酸化物とを含む酸素極と、
ジルコニウム酸化物を含む固体電解質と、
水素極と、
前記固体電解質と前記酸素極との間には、希土類添加酸化セリウムを含む中間層と、
を備える、セル。
[2]前記酸素極の前記ストロンチウム含有複合酸化物は、La1-xSrxCoyFe1-yO3-σ(0<x<1、0<y≦1であり、σは、電荷中性条件を満たすように定まる値である。)である、[1]に記載のセル。
[3]前記固体電解質の前記ジルコニウム酸化物は、希土類添加酸化ジルコニウムである、[1]又は[2]に記載のセル。
[4]前記中間層の希土類添加酸化セリウムは、ガドリニウム添加酸化セリウム、ランタン添加酸化セリウム、サマリウム添加酸化セリウム及びイットリウム添加酸化セリウムからなる群から選択される少なくとも1種である、[1]~[3]のいずれかに記載のセル。
[5]前記固体電解質の前記酸化ジルコニウムは、希土類添加酸化ジルコニウムであり、前記中間層の希土類添加セリウム酸化物は、ガドリニウム添加酸化セリウムである、[2]に記載のセル。
[6]前記酸素極は、前記ストロンチウム含有複合酸化物に対して前記チタン酸化物を前記ストロンチウム含有複合酸化物中のストロンチウムの熱拡散を抑制できる有効量含む、[1]~[5]のいずれかに記載のセル。
[7]前記酸素極の前記ストロンチウム含有複合酸化物は、La1-xSrxCoyFe1-yO3-σ(0<x<1、0<y≦1であり、σは、電荷中性条件を満たすように定まる値である。)であり、前記酸素極は、前記ストロンチウム含有複合酸化物に対して前記酸化チタンを8質量%以下含有する、[1]~[6]のいずれかに記載のセル。
[8][1]~[7]のいずれかに記載のセルを備える、固体酸化物形電気化学デバイス。
[9]固体酸化物形燃料電池及び/又は固体酸化物形電解セルである、[8]に記載の固体酸化物形電気化学デバイス。
[10]固体酸化物形電気化学セルの酸素極材料であって、
La1-xSrxCoyFe1-yO3-σ(0<x<1、0<y≦1であり、σは、電荷中性条件を満たすように定まる値である。)と、La1-xSrxCoyFe1-yO3-σに対して1質量%以上7質量%以下の酸化チタンと、を含有する、材料。
[11]多孔質焼結体である、[10]に記載の酸素極材料。
[12]固体酸化物形電気化学セルの製造方法であって、
酸化チタンとストロンチウム含有複合酸化物とを含む酸素極層、希土類添加酸化セリウムを含む中間層、ジルコニウム酸化物を含む固体電解質層及び水素極層を、この順序で備えるセルを取得する工程を備える、方法。
[1] A solid oxide electrochemical cell,
an oxygen electrode containing titanium oxide and a strontium-containing composite oxide;
a solid electrolyte containing zirconium oxide;
A hydrogen electrode,
an intermediate layer containing rare earth-doped cerium oxide between the solid electrolyte and the oxygen electrode;
A cell comprising:
[2] The cell according to [1], wherein the strontium-containing composite oxide of the oxygen electrode is La1 - xSrxCoyFe1 -yO3 - σ (0<x<1, 0<y≦1, and σ is a value determined so as to satisfy a charge neutrality condition).
[3] The cell according to [1] or [2], wherein the zirconium oxide of the solid electrolyte is rare earth-doped zirconium oxide.
[4] The cell according to any one of [1] to [3], wherein the rare earth-doped cerium oxide in the intermediate layer is at least one selected from the group consisting of gadolinium-doped cerium oxide, lanthanum-doped cerium oxide, samarium-doped cerium oxide, and yttrium-doped cerium oxide.
[5] The cell according to [2], wherein the zirconium oxide of the solid electrolyte is rare earth-doped zirconium oxide, and the rare earth-doped cerium oxide of the intermediate layer is gadolinium-doped cerium oxide.
[6] The cell according to any one of [1] to [5], wherein the oxygen electrode contains the titanium oxide in an amount effective to suppress thermal diffusion of strontium in the strontium-containing composite oxide relative to the strontium-containing composite oxide.
[7] The cell according to any one of [1] to [6], wherein the strontium-containing composite oxide of the oxygen electrode is La1 - xSrxCoyFe1 -yO3 - σ (0<x<1, 0<y≦1, and σ is a value determined so as to satisfy a charge neutrality condition), and the oxygen electrode contains 8 mass % or less of the titanium oxide relative to the strontium-containing composite oxide.
[8] A solid oxide electrochemical device comprising the cell according to any one of [1] to [7].
[9] The solid oxide electrochemical device according to [8], which is a solid oxide fuel cell and/or a solid oxide electrolysis cell.
[10] An oxygen electrode material for a solid oxide electrochemical cell,
A material containing La1 - xSrxCoyFe1 -yO3 - σ (0<x<1, 0<y≦1, and σ is a value determined so as to satisfy a charge neutrality condition), and titanium oxide in an amount of 1% by mass or more and 7% by mass or less relative to La1 - xSrxCoyFe1 -yO3 -σ .
[11] The oxygen electrode material according to [10], which is a porous sintered body.
[12] A method for manufacturing a solid oxide electrochemical cell, comprising:
A method comprising the step of obtaining a cell comprising, in this order, an oxygen electrode layer containing titanium oxide and a strontium-containing composite oxide, an intermediate layer containing rare earth-doped cerium oxide, a solid electrolyte layer containing zirconium oxide, and a hydrogen electrode layer.
本明細書の開示は、固体酸化物形電気化学セル及びその利用等に関する。 The disclosure of this specification relates to solid oxide electrochemical cells and their uses.
本明細書に開示される固体酸化物形電気化学セルは(以下、単にセルともいう。)は、酸素極と固体電解質との間にセリア系中間層を備えるとともに、酸素極は、酸化チタンと少なくともストロンチウムを含む複合酸化物とを含んでいる。このため、酸素極の焼成や、酸素極と中間層と固体電解質との一体焼成などの加熱時に、酸素極のストロンチウムは、酸化チタン由来のチタンにゲッタリングされて、SrTiO3などの酸化物を形成し、ストロンチウムとしての熱拡散が抑制される。この結果、酸素極から中間層を通過して固体電解質にまで熱拡散するストロンチウムも減少し、固体電解質と中間層との界面に高抵抗なSrZrO3の生成が抑制される。 The solid oxide electrochemical cell disclosed herein (hereinafter simply referred to as the cell) includes a ceria-based intermediate layer between an oxygen electrode and a solid electrolyte, and the oxygen electrode includes a composite oxide containing titanium oxide and at least strontium. Therefore, during heating, such as firing the oxygen electrode or co-firing the oxygen electrode, intermediate layer, and solid electrolyte, strontium in the oxygen electrode is gettered by titanium derived from the titanium oxide to form oxides such as SrTiO3 , thereby suppressing thermal diffusion of strontium. As a result, the amount of strontium that thermally diffuses from the oxygen electrode through the intermediate layer to the solid electrolyte is reduced, and the formation of highly resistive SrZrO3 at the interface between the solid electrolyte and the intermediate layer is suppressed.
高抵抗相の形成が抑制されることで、固体酸化物形電解セルとしても、固体酸化物形燃料電池セルとしても、効率的な電気化学反応が実現される。 By suppressing the formation of high-resistivity phases, efficient electrochemical reactions are achieved in both solid oxide electrolysis cells and solid oxide fuel cells.
また、本明細書に開示される固体酸化物形電気化学セルの酸素極材料によれば、中間層を備えていてもなお高抵抗相の形成の原因となるストロンチウムの熱拡散を抑制できる。このため、中間層と固体電解質との界面における高抵抗相の生成を抑制することができる。 Furthermore, the oxygen electrode material for solid oxide electrochemical cells disclosed in this specification can suppress the thermal diffusion of strontium, which causes the formation of a high-resistance phase even when an intermediate layer is provided. This makes it possible to suppress the formation of a high-resistance phase at the interface between the intermediate layer and the solid electrolyte.
また、本明細書に開示される固体酸化物形電気化学セルの製造方法によれば、酸化チタンとストロンチウム含有複合酸化物とを含む酸素極材料層を加熱する工程を含むため、当該加熱工程において、ストロンチウムは、チタンと反応してSrTiO3を生成する。このため、当該加熱工程において、また、その他の加熱時においても、ストロンチウムが熱拡散により中間層及び固体電解質側に移動することが抑制される。これにより、中間層と固体電解質層との界面における高抵抗相の形成を抑制できる。 Furthermore, the method for producing a solid oxide electrochemical cell disclosed in this specification includes a step of heating an oxygen electrode material layer containing titanium oxide and a strontium-containing composite oxide, and in this heating step, strontium reacts with titanium to produce SrTiO3 . Therefore, in this heating step and also during other heating steps, strontium is prevented from migrating to the intermediate layer and solid electrolyte due to thermal diffusion. This makes it possible to prevent the formation of a high-resistance phase at the interface between the intermediate layer and the solid electrolyte layer.
本明細書において固体酸化物形電気化学セルは、固体酸化物形電解セル(SOEC)及び固体酸化物形燃料電池(SOFC)を含んでいる。固体酸化物形電気化学セルは、SOECとSOFCとのリバーシブルであってもよい。本明細書において、酸素極とは、SOECにおいては、酸素が生成する電極を意味し、SOFCにおいては、酸素(空気)が供給される電極(空気極)を意味している。また、本明細書において、水素極とは、SOECにおいては、水(水蒸気)が供給されて水素が生成する電極であり、SOFCにおいては、水素が供給される電極(燃料極)を意味している。 In this specification, solid oxide electrochemical cells include solid oxide electrolysis cells (SOECs) and solid oxide fuel cells (SOFCs). Solid oxide electrochemical cells may be reversible between SOECs and SOFCs. In this specification, the term "oxygen electrode" refers to the electrode where oxygen is produced in SOECs, and the electrode (air electrode) to which oxygen (air) is supplied in SOFCs. Also, in this specification, the term "hydrogen electrode" refers to the electrode where water (water vapor) is supplied to produce hydrogen in SOECs, and the electrode (fuel electrode) to which hydrogen is supplied in SOFCs.
以下、本明細書において開示する固体酸化物形電気化学セル、固体酸化物形電気化学デバイス、固体酸化物形電気化学セルの酸素極材料、固体酸化物形電気化学セルの製造方法の実施形態について詳細に説明する。 The following describes in detail embodiments of the solid oxide electrochemical cell, solid oxide electrochemical device, oxygen electrode material for the solid oxide electrochemical cell, and method for manufacturing the solid oxide electrochemical cell disclosed in this specification.
(固体酸化物形電気化学セル)
固体酸化物形電気化学セルは、酸素極と、固体電解質と、水素極と、固体電解質と酸素極との間に配置される中間層と、を備えることができる。
(Solid oxide electrochemical cell)
The solid oxide electrochemical cell can include an oxygen electrode, a solid electrolyte, a hydrogen electrode, and an intermediate layer disposed between the solid electrolyte and the oxygen electrode.
(酸素極)
セルにおける酸素極は、酸化チタンとストロンチウム含有複合酸化物とを含んでいる。ストロンチウム含有複合酸化物としては、ストロンチウムを含有する複合酸化物であって、SOECやSOFCに用いられる公知の複合酸化物であればよい。かかる複合酸化物としては、例えば、一般式ABO3で示されるペロブスカイト型構造を有する化合物が挙げられる。なお、Aは、少なくともSrを含み、La,Caから選択される一種以上の元素であり、BはMn,Co,Fe,Niから選択される一種以上の元素である。より具体的には、La(ランタン)・Sr(ストロンチウム)・Co(コバルト)・Fe(鉄)を含む(La,Sr)(Co,Fe)O3系複合酸化物(以下、「LSCF」と記すことがある。)、La・Sr・Ca・Mnを含む(La,Sr,Ca)MnO3系複合酸化物(以下、「LSCM」と記すことがある。)、La・Sr・Coを含む(La,Sr)CoO3系複合酸化物(以下、「LSC」と記すことがある。)、La・Sr・Mnを含む(La,Sr)MnO3系複合酸化物(以下、「LSM」と記すことがある。)、Sr・Sm・Coを含む(Sr,Sm)CoO3系複合酸化物(以下、「SSC」と記すことがある。)を挙げることができる。これらは、一種又は二種以上を混合して用いることができる。
(oxygen electrode)
The oxygen electrode of the cell contains titanium oxide and a strontium-containing composite oxide. The strontium-containing composite oxide may be a composite oxide containing strontium and may be any known composite oxide used in SOECs and SOFCs. Examples of such composite oxides include compounds having a perovskite structure represented by the general formula ABO3 . A contains at least Sr and is one or more elements selected from La and Ca, and B is one or more elements selected from Mn, Co, Fe, and Ni. More specifically, examples include a (La,Sr)(Co,Fe) O3 -based composite oxide containing La (lanthanum), Sr (strontium), Co (cobalt), and Fe (iron) (hereinafter referred to as "LSCF"); a (La,Sr,Ca) MnO3 -based composite oxide containing La, Sr, Ca, and Mn (hereinafter referred to as "LSCM"); a (La,Sr) CoO3 -based composite oxide containing La, Sr, and Co (hereinafter referred to as "LSC"); a (La,Sr)MnO3- based composite oxide containing La, Sr, and Mn (hereinafter referred to as "LSM"); and a (Sr,Sm) CoO3 -based composite oxide containing Sr, Sm, and Co (hereinafter referred to as "SSC"). These can be used alone or in combination.
これらのなかでも、例えば、(La,Sr)(Co,Fe)O3系複合酸化物であり、より具体的には、La1-xSrxCoyFe1-yO3-σ(0<x<1、0<y≦1であり、σは、電荷中性条件を満たすように定まる値である。)を用いることができる。x及びyの値は、特に限定するものではないが、xは、例えば、0.2~0.8であり、また例えば、0.3~0.7であり、また例えば、0.4である。yは、例えば、0.05~0.65であり、また例えば、0.1~0.6であり、また例えば、0.2である。なお、σは、ペロブスカイト型構造の一部を置換する原子の種類等によって変動するが、展開的には、0≦σ<1である。 Among these, for example, (La,Sr)(Co,Fe) O3 -based composite oxides, more specifically, La1 - xSrxCoyFe1 -yO3-σ (0<x<1, 0 < y ≦1, and σ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition) can be used. The values of x and y are not particularly limited, but x is, for example, 0.2 to 0.8, or for example, 0.3 to 0.7, or for example, 0.4. y is, for example, 0.05 to 0.65, or for example, 0.1 to 0.6, or for example, 0.2. Note that σ varies depending on the type of atom substituting a part of the perovskite structure, but in general, 0≦σ<1.
酸素極は、酸化チタン(TiO2)を含んでいる。酸化チタンの含有量は特に限定するものではなく、用いるSr含有複合酸化物を固体酸化物形電気化学セルの作製時の焼成工程などの加熱時において、その熱拡散を抑制する範囲、すなわち、熱拡散を抑制するのに有効量含んでいれば足りる。酸化チタンの有効量は、Sr含有複合酸化物に酸化チタンを添加して、セリア系中間層を酸素極と固体電解質との間に備えたSOECやSOFCセルやその前駆体である積層体を作製して、Srの熱拡散を評価するか、SOECやSOFCの性能を評価することにより容易に決定することができる。 The oxygen electrode contains titanium oxide ( TiO2 ). There are no particular limitations on the content of titanium oxide, and it is sufficient that the titanium oxide content is within a range that suppresses the thermal diffusion of the Sr-containing composite oxide used during heating, such as in the firing step during the production of a solid oxide electrochemical cell, i.e., an amount effective for suppressing thermal diffusion. The effective amount of titanium oxide can be easily determined by adding titanium oxide to the Sr-containing composite oxide to produce an SOEC or SOFC cell or a laminate that is a precursor thereof, which has a ceria-based intermediate layer between the oxygen electrode and the solid electrolyte, and then evaluating the thermal diffusion of Sr or evaluating the performance of the SOEC or SOFC.
酸化チタンの含有量の上限は、例えば、Sr含有複合酸化物の全量に対して15質量%であり、また例えば、10質量%であり、また例えば、9質量%であり、また例えば、8質量%であり、また例えば、7質量%であり、また例えば、6質量%であり、また例えば、5質量%であり、また例えば、4質量%である。酸化チタンの含有量の下限は、例えば、前記全量に対して、0.1質量%であり、また例えば、0.2質量%であり、また例えば、0.4質量%であり、また例えば、0.5質量%であり、また例えば、0.6質量%であり、また例えば、0.7質量%であり、また例えば、0.8質量%であり、また例えば、1質量%であり、また例えば、1.2質量%であり、また例えば、1.4質量%であり、また例えば、1.6質量%であり、また例えば、1.8質量%であり、また例えば、2質量%である。酸化チタンの含有量の範囲は、上記した上限及び下限から任意の数値を選択して組み合わせて、用いるセル要素において好適な範囲を設定することができる。例えば、当該範囲は、0.5質量%以上8質量%以下であり、また例えば、1質量%以上7質量%以下であり、また例えば、2質量%以上6質量%以下などとすることができる。 The upper limit of the titanium oxide content is, for example, 15% by mass, 10% by mass, 9% by mass, 8% by mass, 7% by mass, 6% by mass, 5% by mass, or 4% by mass, based on the total amount of the Sr-containing composite oxide. The lower limit of the titanium oxide content is, for example, 0.1% by mass, 0.2% by mass, 0.4% by mass, 0.5% by mass, 0.6% by mass, 0.7% by mass, 0.8% by mass, 1% by mass, 1.2% by mass, 1.4% by mass, 1.6% by mass, 1.8% by mass, or 2% by mass, based on the total amount of the Sr-containing composite oxide. The range of titanium oxide content can be set to a suitable range for the cell element being used by selecting and combining any values from the upper and lower limits described above. For example, the range can be 0.5% by mass or more and 8% by mass or less, or 1% by mass or more and 7% by mass or less, or 2% by mass or more and 6% by mass or less, etc.
こうした酸素極材料は、公知の種々の方法で合成することができる。特に限定するものではないが、例えば、噴霧熱分解法で合成することもできる。噴霧熱分解法によれば、形状や粒径などの制御が可能であり、多孔質焼結体を形成するのに好適な粉体を得ることができる。特に限定するものではないが、酸素極材料の粉末の平均粒子径は、例えば、20μm以下であり、また例えば、0.01μm以上10μm以下であり、また例えば、0.05μm以上10μm以下であり、また例えば、0.1μm以上5μm以下である。なお、平均粒子径は、レーザ散乱・回折法に基づく粒度分布測定装置により測定された粒子径であって体積基準の粒度分布における積算値50%での粒径を意味している。 Such oxygen electrode materials can be synthesized by various known methods. For example, spray pyrolysis is a non-limiting example. Spray pyrolysis allows for control of shape and particle size, resulting in powder suitable for forming porous sintered bodies. For example, the average particle size of the oxygen electrode material powder is, for example, 20 μm or less, or, for example, 0.01 μm to 10 μm, or, for example, 0.05 μm to 10 μm, or, for example, 0.1 μm to 5 μm. The average particle size is measured using a particle size distribution analyzer based on laser scattering and diffraction, and refers to the particle size at 50% of the cumulative value in the volume-based particle size distribution.
酸素極は、こうした酸素極材料を混合し、必要に応じて、後述する固体電解質材料を含んでおり、さらに、焼結助剤や造孔材等を用いて成形、製膜又は積層し、その後焼成することで、独立して又はセルの一部として得ることができる。酸素極の厚みはセルの構造等に応じて適宜決定すればよく特に限定されないが、電解質支持型セル又は水素極支持型セルのとき、例えば、5μm以上200μm以下であり、また例えば20μm以上50μm以下である。また、酸素極支持型セルのとき、例えば、0.5mm以上2mm以下である。めた、メタルサポート型のとき、例えば、5μm以上200μm以下である。なお、酸素極の焼結のための焼成工程における加熱温度は、例えば、650℃以上1350℃以下であり、また例えば1000℃以上1250℃以下である。また、熱処理時間は、例えば、0.5時間以上24時間以下であり、また例えば1時間以上5時間以下である。その他、固体酸化物形電気化学セル用の積層体の製造方法は当業者に周知であるので説明を省略する。 The oxygen electrode can be obtained independently or as part of a cell by mixing these oxygen electrode materials and, if necessary, adding the solid electrolyte material described below. The mixture is molded, film-formed, or laminated using sintering aids and pore-forming agents, and then sintered. The thickness of the oxygen electrode can be determined appropriately depending on the cell structure, but is not particularly limited. For electrolyte-supported or hydrogen-electrode-supported cells, the thickness is, for example, 5 μm to 200 μm, or, for example, 20 μm to 50 μm. For oxygen-electrode-supported cells, the thickness is, for example, 0.5 mm to 2 mm. For metal-supported cells, the thickness is, for example, 5 μm to 200 μm. The heating temperature in the sintering process for sintering the oxygen electrode is, for example, 650°C to 1350°C, or, for example, 1000°C to 1250°C. The heat treatment time is, for example, 0.5 hours to 24 hours, or, for example, 1 hour to 5 hours. Other methods for manufacturing laminates for solid oxide electrochemical cells are well known to those skilled in the art, so further explanation will be omitted.
(固体電解質)
固体電解質は、ジルコニウム酸化物を含有している。ジルコニウム酸化物は、特に限定するものではないが、安定化又は部分安定化酸化ジルコニウムが挙げられる。酸化ジルコニウムの安定化のためにドープされる金属は、特に限定しないが、カルシウム(酸化カルシウム)、マグネシウム(酸化マグネシウム)のほか、希土類であるイットリウム(酸化イットリウム)、スカンジウム(酸化スカンジウム)などが挙げられる。ドープ量は特に限定するものではいが、ジルコニアに対して、金属酸化物として6モル%以上10モル%以下などとすることができる。
(solid electrolyte)
The solid electrolyte contains zirconium oxide. The zirconium oxide is not particularly limited, but examples thereof include stabilized or partially stabilized zirconium oxide. Metals doped to stabilize zirconium oxide are not particularly limited, but examples include calcium (calcium oxide), magnesium (magnesium oxide), and rare earth elements such as yttrium (yttrium oxide) and scandium (scandium oxide). The doping amount is not particularly limited, but can be 6 mol % to 10 mol % of the metal oxide relative to the zirconia.
固体電解質は、緻密質焼結体として提供される。ジルコニウム酸化物を成形、製膜、積層し、焼成して焼結させることにより得ることができる。固体電解質の厚みは、セルの構造等に応じて適宜決定すればよく特に限定されないが、固体電解質支持型セルのとき、例えば、0.1mm以上1mm以下である。また、酸素極支持型セル又は水素極支持型セルのとき、例えば、0.5μm以上100μm以下である。なお、固体電解質の焼結のための焼成工程における加熱温度及び時間は、例えば、700℃以上1500℃以下であり、また例えば1200℃以上1450℃以下である。また、熱処理時間は、例えば、0.5時間以上24時間以下であり、また例えば1時間以上6時間以下である。その他、固体酸化物形電気化学セル用の積層体の製造方法は当業者に周知であるので説明を省略する。 The solid electrolyte is provided as a dense sintered body. It can be obtained by molding, film-forming, and laminating zirconium oxide, followed by firing and sintering. The thickness of the solid electrolyte can be determined appropriately depending on the cell structure, etc., and is not particularly limited. For solid electrolyte-supported cells, the thickness is, for example, 0.1 mm to 1 mm. For oxygen electrode-supported cells or hydrogen electrode-supported cells, the thickness is, for example, 0.5 μm to 100 μm. The heating temperature and time in the firing process for sintering the solid electrolyte are, for example, 700°C to 1500°C, or, for example, 1200°C to 1450°C. The heat treatment time is, for example, 0.5 hours to 24 hours, or, for example, 1 hour to 6 hours. Other methods for manufacturing laminates for solid oxide electrochemical cells are well known to those skilled in the art, so further explanation is omitted.
(水素極)
水素極は、固体酸化物形電気化学セルの水素極材料として従来公知の材料を含んでいる。例えば、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、金(Au)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)その他の白金族元素、コバルト(Co)、ランタン(La)、ストロンチウム(Sr)、チタン(Ti)等からなる金属および/または金属元素のうちの1種類以上から構成される金属酸化物が挙げられる。これらは、一種又は二種以上を用いることもできる。なお、これらの触媒となる金属酸化物に加えて、固体電解質材料である、安定化又は部分安定化ジルコニア若しくは希土類添加セリアを混合して用いることができる。特に限定するものではないが、金属酸化物/固体電解質の質量比は、例えば、5/5~8/2などとすることができる。なお、金属酸化物は、SOEC及びSOFCとして運転時において、水素極において還元されて金属となる。
(hydrogen electrode)
The hydrogen electrode contains materials conventionally known as hydrogen electrode materials for solid oxide electrochemical cells. Examples include metal oxides composed of one or more metals and/or metal elements, such as nickel (Ni), copper (Cu), gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru) and other platinum group elements, cobalt (Co), lanthanum (La), strontium (Sr), and titanium (Ti). These may be used singly or in combination. In addition to these catalytic metal oxides, a solid electrolyte material, such as stabilized or partially stabilized zirconia or rare-earth-doped ceria, may be mixed. While not particularly limited, the mass ratio of metal oxide to solid electrolyte may be, for example, 5/5 to 8/2. During operation as an SOEC or SOFC, the metal oxide is reduced to a metal at the hydrogen electrode.
水素極は、多孔質焼結体として提供される。水素極は、こうした水素極材料を混合し、必要に応じて、焼結助剤や造孔材等を用いて成形、製膜又は積層し、その後焼成することで得ることができる。水素極の厚みはセルの構造等に応じて適宜決定すればよく特に限定されないが、耐久性、熱膨張率等から、固体電解質支持型セル又は酸素極支持型セルのとき、例えば、5μm以上200μm以下であり、また例えば、20μm以上50μm以下である。また、水素極支持型セルのとき、例えば、0.5mm以上2mm以下である。なお、水素極の焼結のための焼成工程における加熱温度及び時間は、固体電解質と同様であり、その他、固体酸化物形電気化学セル用の積層体の製造方法は当業者に周知であるので説明を省略する。 The hydrogen electrode is provided as a porous sintered body. The hydrogen electrode can be obtained by mixing these hydrogen electrode materials, molding, film-forming, or laminating them using sintering aids and pore-forming agents, as necessary, and then sintering. The thickness of the hydrogen electrode can be determined appropriately depending on the cell structure, etc., and is not particularly limited. However, in the case of a solid electrolyte-supported cell or an oxygen electrode-supported cell, the thickness is, for example, 5 μm to 200 μm, or, for example, 20 μm to 50 μm, taking into account durability, thermal expansion coefficient, etc. Furthermore, in the case of a hydrogen electrode-supported cell, the thickness is, for example, 0.5 mm to 2 mm. The heating temperature and time in the sintering process for sintering the hydrogen electrode are the same as those for the solid electrolyte. Furthermore, methods for manufacturing laminates for solid oxide electrochemical cells are well known to those skilled in the art, so further explanation is omitted.
セルは、中間層を、固体電解質と酸素極との間に備えることができる。固体電解質は、例えば、希土類添加酸化セリウムを含むことができる。希土類酸化セリウムとしては、特に限定するものではないが、ガドリニウム添加酸化セリウム(GDC)、ランタン添加酸化セリウム(LDC)、サマリウム添加酸化セリウム(SDC)及びイットリウム添加酸化セリウム(YDC)等が挙げられる。これらの酸化セリウムを1種又は2種以上組み合わせて用いることができる。 The cell may include an intermediate layer between the solid electrolyte and the oxygen electrode. The solid electrolyte may contain, for example, rare-earth-doped cerium oxide. Examples of rare-earth cerium oxides include, but are not limited to, gadolinium-doped cerium oxide (GDC), lanthanum-doped cerium oxide (LDC), samarium-doped cerium oxide (SDC), and yttrium-doped cerium oxide (YDC). These cerium oxides may be used alone or in combination.
中間層は、緻密質焼結体、若しくは多孔質の焼結体として提供される。中間層は、希土類酸化セリウムに、必要に応じて、焼結助剤を用いて成形し、あるいは、固体電解質に対して製膜又は積層し、その後焼成することで得ることができる。中間層の厚みはセルの構造等に応じて適宜決定すればよく特に限定されないが、耐久性、熱膨張率等から、例えば、100μm以下であり、また例えば、1μm以上50μm以下であり、また例えば、1μm以上30μm以下であり、また例えば1μm以上20μm以下である。なお、中間層の焼結のための焼成工程における加熱温度及び時間は、水素極等と同様であり、その他、固体酸化物形電気化学セル用の積層体の製造方法は当業者に周知であるので説明を省略する。 The intermediate layer is provided as a dense sintered body or a porous sintered body. The intermediate layer can be obtained by molding rare earth cerium oxide, optionally with a sintering aid, or by forming or laminating it on the solid electrolyte and then firing it. The thickness of the intermediate layer can be determined appropriately depending on the cell structure, etc., and is not particularly limited. However, taking into account durability, thermal expansion coefficient, etc., it is, for example, 100 μm or less, or, for example, 1 μm to 50 μm, or, for example, 1 μm to 30 μm, or, for example, 1 μm to 20 μm. The heating temperature and time in the firing process for sintering the intermediate layer are the same as those for the hydrogen electrode, etc., and other methods for manufacturing laminates for solid oxide electrochemical cells are well known to those skilled in the art, so further explanation is omitted.
セルの典型的な態様は、例えば、酸素極がLSCF、LSCM、LSC、LSM、SSCなどであり、固体電解質がYSZなどの希土類添加酸化ジルコニウムであり、中間層がGDCである。 A typical embodiment of the cell is, for example, an oxygen electrode such as LSCF, LSCM, LSC, LSM, or SSC, a solid electrolyte such as rare earth-doped zirconium oxide such as YSZ, and an intermediate layer such as GDC.
こうしたセルは、円筒型や平板型など意図するSOECやSOFCの形態に応じて種々の形態を採ることができる。通常、セルは、公知のセパレータを介して複数層積層された上で、さらに、各種ガス流路、集電体、冷却装置などが備えられて備えられてSOECやSOFCが構成される。 These cells can take various forms, such as cylindrical or flat, depending on the intended form of the SOEC or SOFC. Typically, cells are stacked in multiple layers with known separators between them, and then various gas flow paths, current collectors, cooling devices, etc. are added to form the SOEC or SOFC.
(固体酸化物形電気化学セルの酸素極材料)
本明細書によれば、固体酸化物形電気化学セルの酸素極材料として、酸化チタンとストロンチウム含有複合酸化物とを含んでいる材料が提供される。この酸素極材料は、より具体的には、La1-xSrxCoyFe1-yO3-σ(0<x<1、0<y≦1であり、σは、電荷中性条件を満たすように定まる値である。)などのペロブスカイト型Sr含有複合酸化物と酸化チタンとを含んでいる。さらに、この材料においては、例えば、LSCFなどのペロブスカイト型Sr含有複合酸化物に対して1質量%以上7質量%以下の酸化チタンを含有することができる。
(Oxygen electrode material for solid oxide electrochemical cells)
According to the present specification, a material containing titanium oxide and a strontium-containing composite oxide is provided as an oxygen electrode material for a solid oxide electrochemical cell. More specifically, this oxygen electrode material contains a perovskite-type Sr-containing composite oxide such as La1 - xSrxCoyFe1 -yO3 - σ (0<x<1, 0<y≦1, and σ is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition), and titanium oxide. Furthermore, this material can contain, for example, 1% by mass or more and 7% by mass or less of titanium oxide relative to the perovskite-type Sr-containing composite oxide such as LSCF.
酸素極材料は、酸化チタンとストロンチウム含有複合酸化物とを含む組成物であり、形態としては、これらの混合粉末の形態を採ることができる。また、酸素極材料は、こうした混合粉末を、固体電解質等にスクリーン印刷するためのスラリーの形態を採ることができる。スラリーは、適当な溶媒、焼結助剤、造孔材を含むことができる。さらに、酸素極材料は、薄膜や未焼結成形体の形態を採ることもできる。さらにまた、酸素極材料は、それ自体が、多孔質焼結体である形態を採ることもできる。 The oxygen electrode material is a composition containing titanium oxide and a strontium-containing composite oxide, and can take the form of a mixed powder of these. The oxygen electrode material can also take the form of a slurry for screen-printing this mixed powder onto a solid electrolyte or the like. The slurry can contain an appropriate solvent, sintering aid, and pore-forming material. Furthermore, the oxygen electrode material can also take the form of a thin film or an unsintered compact. Furthermore, the oxygen electrode material itself can take the form of a porous sintered body.
(固体酸化物形電気化学セルの製造方法)
本明細書によれば、酸化チタンとストロンチウム含有複合酸化物とを含む酸素極、希土類添加酸化セリウムを含む中間層、ジルコニウム酸化物を含む固体電解質及び水素極を、備えるセルを取得する工程を備える、方法が提供される。この方法においては、所定の組成を有する酸素極と、中間層と、を備えるセルを取得することで、この取得工程における1回又は2回以上の焼結等のための焼成工程において、Srの熱拡散による、固体電解質と中間層との間に高抵抗相の生成を抑制することができる。
(Method for manufacturing a solid oxide electrochemical cell)
According to the present specification, there is provided a method comprising the step of obtaining a cell including an oxygen electrode containing titanium oxide and a strontium-containing composite oxide, an intermediate layer containing rare-earth-doped cerium oxide, a solid electrolyte containing zirconium oxide, and a hydrogen electrode. In this method, by obtaining a cell including an oxygen electrode and an intermediate layer having a predetermined composition, it is possible to suppress the generation of a high-resistance phase between the solid electrolyte and the intermediate layer due to thermal diffusion of Sr during one or more firing steps such as sintering in this obtaining step.
酸素極、中間層、固体電解質及び水素極の積層する順序やそれぞれの層の準備については特に限定するものではなく、公知の固体電解質電気化学セルの製造方法に準じることでセルを取得することができる。 There are no particular limitations on the order in which the oxygen electrode, intermediate layer, solid electrolyte, and hydrogen electrode are stacked, or on the preparation of each layer, and the cell can be obtained using known methods for manufacturing solid electrolyte electrochemical cells.
なお、本明細書によれば、かかる1又は2以上のセルに対してセパレータを適用し、さらに、水素、酸素又は水蒸気のガス流路、電極や集電体を適用して、SOEC及びSOFC並びにこれらを含むシステムを製造する方法も提供される。なお、単体セルに対して、こうした要素を付与してSOECやSOFCとし、さらに、システムを構築することは、当業者であれば、適宜実施することができる。 This specification also provides a method for manufacturing an SOEC or SOFC, or a system including these, by applying a separator to one or more such cells, and further applying gas flow paths for hydrogen, oxygen, or water vapor, electrodes, and current collectors. Those skilled in the art can appropriately add these elements to a single cell to create an SOEC or SOFC, and then construct a system.
(固体酸化物形電気化学デバイス)
本明細書によれば、本明細書に開示される固体酸化物形電気化学セルを備える電気化学デバイスが提供される。セルは、少なくともセル作製時ないしはスタック作製時における加熱によるSrの熱拡散が抑制されて固体電解質と中間層との間の高抵抗相の生成が抑制されている。このため、デバイスは、電気化学デバイスとして効率的な作動が可能となっている。デバイスは、通常、2以上のセルを、セパレータを介して積層されたスタックを備えている。かかるデバイスとしては、SOECやSOFCが挙げられる。
(Solid oxide electrochemical device)
According to the present specification, there is provided an electrochemical device including the solid oxide electrochemical cell disclosed herein. The cell suppresses thermal diffusion of Sr due to heating at least during cell fabrication or stack fabrication, thereby suppressing the formation of a high-resistivity phase between the solid electrolyte and the intermediate layer. This enables the device to operate efficiently as an electrochemical device. The device typically includes a stack of two or more cells stacked with a separator interposed therebetween. Examples of such devices include SOECs and SOFCs.
以下、本明細書の開示をより具体的に説明するために具体例としての実施例を記載する。以下の実施例は、本明細書の開示を説明するためのものであって、その範囲を限定するものではない。 The following examples are provided as specific examples to more specifically explain the disclosure of this specification. The following examples are intended to illustrate the disclosure of this specification and are not intended to limit its scope.
(セル要素の原料粉末の準備)
酸素極及び水素極の原料粉末は以下の方法で合成した。中間層の原料粉末はGDC(Ce0.8Gd0.2)O2-x、(信越化学工業)、酸素極の他の原料粉末であるTiO2(和光純薬株式会社製)をそれぞれ準備した。
(Preparation of raw material powder for cell elements)
The raw material powders for the oxygen electrode and the hydrogen electrode were synthesized as follows: GDC( Ce0.8Gd0.2 )O2 -x (Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. ) was prepared as the raw material powder for the intermediate layer, and TiO2 (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was prepared as the other raw material powder for the oxygen electrode.
(酸素極及び水素極の原料粉末の合成)
酸素極及び水素極の原料粉末を噴霧熱分解法にて作製した。
(Synthesis of raw material powders for oxygen electrode and hydrogen electrode)
The raw material powders for the oxygen electrode and the hydrogen electrode were prepared by spray pyrolysis.
(酸素極原料粉末)
酸素極原料粉末として、(La0.6Sr0.4)(Co0.2Fe0.8)O3-xを噴霧熱分解法で合成した。硝酸ランタン六水和物、硝酸ストロンチウム、硝酸コバルト六水和物及び硝酸鉄九水和物を、ランタン、ストロンチウム、コバルト及び鉄が上記組成になるように、イオン交換水で用いて原料溶液を調製した。この原料溶液においては、全カチオンのモル数で0.4mol/lとした。この原料溶液を、以下の条件で噴霧熱分解法に供して、目的の原料粉末を得た。
(Oxygen electrode raw material powder)
The oxygen electrode raw material powder was synthesized by spray pyrolysis using ( La0.6Sr0.4 ) ( Co0.2Fe0.8 )O3 -x . A raw material solution was prepared using lanthanum nitrate hexahydrate, strontium nitrate, cobalt nitrate hexahydrate, and iron nitrate nonahydrate in ion-exchanged water so that the lanthanum, strontium, cobalt, and iron compositions were as described above. The total molar concentration of this raw material solution was 0.4 mol/L. This raw material solution was subjected to spray pyrolysis under the following conditions to obtain the target raw material powder.
<噴霧熱分解条件>
噴霧熱分解は、噴霧熱分解装置(オーエヌ総合電機株式会社製)を用いた。本装置は、塩化ビニル樹脂製の霧化器、アルミナ製の反応管(内径20mmφ、外径25mmφ、長さ1500mm)およびガラス製の捕集器から構成されている。また、反応管部分には4つの独立した加熱炉(カンタルヒーター)が具備されている。捕集器内にはメンブレンフィルター(142mmφ、孔径:0.45μm、オムニポアJHWP14225)をセットすることで合成した粒子を捕集するように構成されている。
<Spray pyrolysis conditions>
Spray pyrolysis was performed using a spray pyrolysis apparatus (manufactured by ON General Electric Co., Ltd.). This apparatus consists of a polyvinyl chloride resin atomizer, an alumina reaction tube (inner diameter 20 mmφ, outer diameter 25 mmφ, length 1500 mm), and a glass collector. The reaction tube is equipped with four independent heating furnaces (Kanthal heaters). A membrane filter (142 mmφ, pore size: 0.45 μm, Omnipore JHWP14225) is installed inside the collector to collect the synthesized particles.
噴霧熱分解合成条件は、反応管の温度は霧化器に近い側から200℃、400℃、800℃、1000℃とし、結露防止の目的で捕集器はマントルヒーターを用いて100℃に保温した。超音波霧化器水浴温度は30℃とし、溶液容器温度は27℃とした。合成中のキャリアガス流量は3.0L/minとした。なお、キャリアガスにはAirを用いた。 The spray pyrolysis synthesis conditions were as follows: the reaction tube temperatures, from the side closest to the atomizer, were 200°C, 400°C, 800°C, and 1000°C; to prevent condensation, the collector was kept at 100°C using a mantle heater. The ultrasonic atomizer water bath temperature was 30°C, and the solution container temperature was 27°C. The carrier gas flow rate during synthesis was 3.0 L/min. Air was used as the carrier gas.
(水素極原料粉末)
水素極原料粉末として、NiO-YSZ(ZrO2-8mol%Y2O3)(NiO:YSZ=6:4(質量比))を噴霧熱分解法で合成した。酢酸ニッケル四水和物、硝酸イットリウムn水和物、硝酸ジルコニウム二水和物を、ニッケル、イットリウム、ジルコニウムが上記組成になるように、イオン交換水で用いて原料溶液を調製した。この原料溶液においては、全カチオンのモル数で0.45mol/lとした。この原料溶液を、上記と同様の条件で噴霧熱分解法に供して、目的の原料粉末を得た。
(Hydrogen electrode raw material powder)
NiO-YSZ (ZrO2 - 8 mol % Y2O3 ) ( NiO:YSZ = 6:4 (mass ratio)) was synthesized as the hydrogen electrode raw material powder by spray pyrolysis. A raw material solution was prepared using nickel acetate tetrahydrate, yttrium nitrate n-hydrate, zirconium nitrate dihydrate, and ion-exchanged water to achieve the above composition of nickel, yttrium, and zirconium. The total molar concentration of this raw material solution was 0.45 mol/L. This raw material solution was subjected to spray pyrolysis under the same conditions as above to obtain the target raw material powder.
(固体酸化物形燃料電池の単セル用積層体の作製)
実施例1で準備した酸素極以外の原料粉末とポリエチレングリコール(重合度400)とを3:1の質量比で混合して、それぞれ水素極用スラリー及び中間層用スラリーとした。また、酸素極用スラリーは、(La0.6Sr0.4)(Co0.2Fe0.8)O3-xに対して、TiO2を0質量%、0.5質量%、1質量%、2質量%、5質量%及び10質量%となるように混合して、上記と同様にしてTiO2含有量の異なる複数のスラリーを調製した。
(Production of a laminate for a single cell of a solid oxide fuel cell)
The raw material powders other than the oxygen electrode prepared in Example 1 were mixed with polyethylene glycol (degree of polymerization 400) in a mass ratio of 3:1 to prepare a slurry for the hydrogen electrode and a slurry for the intermediate layer, respectively. For the oxygen electrode slurry, TiO2 was mixed with ( La0.6Sr0.4 ) ( Co0.2Fe0.8 )O3 -x so that the TiO2 contents were 0 mass%, 0.5 mass%, 1 mass%, 2 mass%, 5 mass%, and 10 mass%, and multiple slurries with different TiO2 contents were prepared in the same manner as above.
本実施例で作製した単セル用積層体の概略を図1に示す。単セルは、固体電解質のディスク(8YSZ(ZrO2-8mol%Y2O3)、直径14mm、厚み200μm、東ソー株式会社製)の一方の面に対して、中間層用のGDCスラリーを、焼成後に直径9mm、厚み5μmとなるようにスクリーン印刷し、他方の面に対して、水素極用スラリーを、焼成後に直径6mm、厚み20μmとなるようにスクリーン印刷した後、大気中1400℃で2時間焼成した。さらに、焼成後の中間層に対してさらに、酸素極用スラリーを、焼成後に直径6mm、厚み20μmとなるようにスクリーン印刷し、大気中、1150℃で2時間焼成した。こうして、酸素極用スラリーとしてTiO2の配合量(0.5質量%、1質量%、2質量%、5質量%及び10質量%と)が異なる5種のスラリーに由来する酸素極を備える6種の製造例1~5の積層体と、TiO2を含まない(0質量%)スラリーに由来する酸素極を備える比較製造例1の積層体と、を作製した。 The single cell laminate fabricated in this example is shown in Figure 1. The single cell was fabricated by screen -printing a GDC intermediate layer slurry onto one side of a solid electrolyte disk (8YSZ ( ZrO2-8 mol% Y2O3 ), diameter 14 mm, thickness 200 μm, manufactured by Tosoh Corporation) so that the resulting diameter would be 9 mm and the resulting thickness would be 5 μm after firing. A hydrogen electrode slurry was screen-printed onto the other side so that the resulting diameter would be 6 mm and the resulting thickness would be 20 μm after firing, followed by firing in air at 1400°C for 2 hours. Furthermore, a oxygen electrode slurry was screen-printed onto the fired intermediate layer so that the resulting diameter would be 6 mm and the resulting thickness would be 20 μm after firing, followed by firing in air at 1150°C for 2 hours. In this way, six laminates of Production Examples 1 to 5 were prepared, each having an oxygen electrode derived from five slurries with different TiO2 blending amounts (0.5 mass%, 1 mass%, 2 mass%, 5 mass%, and 10 mass%) as the oxygen electrode slurry, and a laminate of Comparative Production Example 1 was prepared, each having an oxygen electrode derived from a slurry that did not contain TiO2 (0 mass%).
(単セル断面の走査型電子顕微鏡(SEM)/エネルギー分散型蛍光X線分析装置(EDX)による分析)
実施例2で作製した各種積層体について、SEM(HITACHI SU8000)を用いて、加速電圧15kV及び観察倍率5,000倍~10,000倍にて積層方向における断面を観察するとともに、EDX(HORIBA X-max80)を用いて前記断面における元素(Sr、Co、Zr、Ti)の分布を分析した。結果を図2に示す。
(Scanning electron microscope (SEM)/energy dispersive X-ray fluorescence analysis (EDX) of a cross section of a single cell)
For each of the laminates prepared in Example 2, cross sections in the lamination direction were observed using an SEM (HITACHI SU8000) at an accelerating voltage of 15 kV and a magnification of 5,000 to 10,000 times, and the distribution of elements (Sr, Co, Zr, Ti) in the cross sections was analyzed using an EDX (HORIBA X-max80). The results are shown in Figure 2.
図2には、上段から比較製造例1、製造例3~5の順でSEM画像及びEDX像を示す。図2に示すように、TiO2の含有量が増大するにつれて、中間層(GDC)と固体電解質(YSZ)との界面におけるSr量が減少した。また、これに対して、Co及びZrは、TiO2の含有量に関わらず、本来属する層にそれぞれ保持されていた。また、Tiについては、TiO2の含有量の増大に伴って、酸素極(LCSF)に存在した。 Figure 2 shows SEM and EDX images of Comparative Production Example 1, followed by Production Examples 3 to 5 from the top. As shown in Figure 2, as the TiO2 content increased, the amount of Sr at the interface between the intermediate layer (GDC) and the solid electrolyte (YSZ) decreased. In contrast, Co and Zr were retained in their respective layers, regardless of the TiO2 content. Furthermore, Ti was present in the oxygen electrode (LCSF) as the TiO2 content increased.
以上のことから、酸素極(LSCF)においてTiO2を添加することにより、明らかに、固体電解質(YSZ)と中間層との間に存在するSrが減少すること、すなわち、SrZrO3が減少することがわかった。また、同一箇所からSr、Ti及びOが検出されていることから、酸素極(LSCF)においてSrとTiとが反応してSrTiO3が形成されていることが強く示唆された。 From the above, it was found that adding TiO2 to the oxygen electrode (LSCF) clearly reduces the amount of Sr present between the solid electrolyte (YSZ) and the intermediate layer, i.e., reduces SrZrO3 . Furthermore, the fact that Sr, Ti, and O were detected at the same location strongly suggests that Sr and Ti reacted to form SrTiO3 in the oxygen electrode (LSCF).
(積層体のSOFCモードでの発電特性の評価)
実施例2で作製した積層体を、SOFCの単セルとして用いて、作動温度700℃及び800℃で、酸素極側に空気を50 cm3/min、水素極側にH2-3%H2Oを50 cm3/min の条件で、ガスを供給して、最大出力密度を測定した。なお、本実施例においては、中間層を形成しないこと及び酸素極においてTiO2を、0質量%、0.1質量%、0.25質量%、0.5質量%及び1.0質量%の各濃度で含有すること以外は製造例と同様にして作製した比較製造例2~6についても、同様に最大出力密度を測定した。結果を図3~図4に示す。
(Evaluation of power generation characteristics of stack in SOFC mode)
The stack prepared in Example 2 was used as a single SOFC cell, and the maximum power density was measured at operating temperatures of 700°C and 800°C, with air supplied to the cathode side at 50 cm³ /min and H₂- 3 % H₂O supplied to the anode side at 50 cm³ /min. The maximum power density was also measured for Comparative Production Examples 2 to 6, which were prepared in the same manner as in Production Example 1, except that no intermediate layer was formed and the anode contained TiO₂ at concentrations of 0 mass%, 0.1 mass%, 0.25 mass%, 0.5 mass%, and 1.0 mass%. The results are shown in Figures 3 and 4.
図3には、作動温度700℃での結果を示す。図3(A)には、すべての製造例及び比較製造例を同じスケールで示し、図3(B)には、比較製造例2~6のみを拡大したスケールで示した。図3に示すように、TiO2を添加した製造例1~5のうち、製造例1~4では、TiO2を添加しない比較製造例1よりも最大出力密度が増大することがわかった。また、中間層を備えていないSOFCである比較製造例2~6では、最大出力密度が著しく低く、酸素極(LSCF)にTiO2を加えてもほとんど効果が得られないことがわかった。 Figure 3 shows the results at an operating temperature of 700°C. Figure 3(A) shows all Production Examples and Comparative Production Examples on the same scale, while Figure 3(B) shows only Comparative Production Examples 2 to 6 on an enlarged scale. As shown in Figure 3, among Production Examples 1 to 5 in which TiO2 was added, Production Examples 1 to 4 showed a higher maximum power density than Comparative Production Example 1, which did not contain TiO2 . Furthermore, Comparative Production Examples 2 to 6, which were SOFCs without an intermediate layer, showed significantly lower maximum power density, indicating that adding TiO2 to the oxygen electrode (LSCF) had almost no effect.
図4には、作動温度800℃での結果を示す。図4(A)には、すべての製造例及び比較製造例を同じスケールで示し、図4(B)には、比較製造例2~6のみを拡大したスケールで示した。図4に示すように、作動温度700℃の場合と同様、TiO2を添加した製造例1~5のうち、製造例1~4では、TiO2を添加しない比較製造例1よりも最大出力密度が増大することがわかった。また、中間層を備えていないSOFCである比較製造例2~6では、最大出力密度が著しく低く、酸素極(LSCF)にTiO2を加えてもほとんど効果が得られないことがわかった。 Figure 4 shows the results at an operating temperature of 800°C. Figure 4(A) shows all Production Examples and Comparative Production Examples on the same scale, while Figure 4(B) shows only Comparative Production Examples 2 to 6 on an enlarged scale. As shown in Figure 4, among Production Examples 1 to 5 in which TiO2 was added, Production Examples 1 to 4 showed a higher maximum power density than Comparative Production Example 1, which did not contain TiO2 , as in the case of an operating temperature of 700°C. Furthermore, Comparative Production Examples 2 to 6, which were SOFCs without an intermediate layer, showed significantly lower maximum power density, indicating that adding TiO2 to the oxygen electrode (LSCF) had almost no effect.
以上のことから、熱拡散するSrを含む複合酸化物からなる酸素極にTiO2を添加することで、固体電解質(YSZ)と中間層との間にSrZrO3の形成を抑制できること、及びそれによりSOFCモードにおける発電特性を向上させうることがわかった。 From the above, it was found that by adding TiO2 to an oxygen electrode made of a composite oxide containing thermally diffusible Sr, it is possible to suppress the formation of SrZrO3 between the solid electrolyte (YSZ) and the intermediate layer, and thereby improve the power generation characteristics in SOFC mode.
また、このことから、このセルを、SOECとして用いた場合においても、高抵抗相の形成を抑制して電解効率を向上させうることができることがわかった。 Furthermore, this shows that even when this cell is used as an SOEC, it is possible to suppress the formation of high-resistance phases and improve electrolysis efficiency.
Claims (13)
酸化チタンとストロンチウム含有複合酸化物とを含む酸素極と、
ジルコニウム酸化物を含む固体電解質と、
水素極と、
前記固体電解質と前記酸素極との間に配置される、希土類添加酸化セリウムを含む中間層と、
を備え、
前記酸素極は、前記酸化チタンを、前記酸素極において前記ストロンチウム含有複合酸化物のSrの熱拡散を抑制し高抵抗相の形成を抑制可能に備え、
前記ストロンチウム含有複合酸化物は、一般式ABO 3 で示されるペロブスカイト型構造を有する化合物(Aは、少なくともSrを含み、La及びCaから選択される一種以上の元素を表し、BはMn,Co,Fe及びNiから選択される一種以上の元素を表す。)であり、前記酸化チタンを前記ストロンチウム含有複合酸化物の全量に対して0.5質量%以上8質量%以下含有する、セル。 1. A solid oxide electrochemical cell comprising:
an oxygen electrode containing titanium oxide and a strontium-containing composite oxide;
a solid electrolyte containing zirconium oxide;
A hydrogen electrode,
an intermediate layer including rare earth-doped cerium oxide disposed between the solid electrolyte and the oxygen electrode;
Equipped with
the oxygen electrode includes the titanium oxide so as to suppress thermal diffusion of Sr in the strontium-containing composite oxide at the oxygen electrode and to suppress formation of a high-resistance phase;
The strontium-containing composite oxide is a compound having a perovskite structure represented by the general formula ABO3 ( A contains at least Sr and represents one or more elements selected from La and Ca, and B represents one or more elements selected from Mn, Co, Fe, and Ni), and the cell contains the titanium oxide in an amount of 0.5% by mass or more and 8% by mass or less with respect to the total amount of the strontium-containing composite oxide .
酸化チタンとストロンチウム含有複合酸化物とを含む酸素極と、ジルコニウム酸化物を含む固体電解質と、水素極と、前記固体電解質と前記酸素極との間に配置される、希土類添加酸化セリウムを含む中間層と、をこの順序で備える前記固体酸化物形電気化学セルを取得する工程を備え、
前記ストロンチウム含有複合酸化物は、一般式ABO 3 で示されるペロブスカイト型構造を有する化合物(Aは、少なくともSrを含み、La及びCaから選択される一種以上の元素を表し、BはMn,Co,Fe及びNiから選択される一種以上の元素を表す。)であり、
前記固体酸化物形電気化学セルを取得する工程は、前記ストロンチウム含有複合酸化物中のSrの前記固体電解質及び/又は前記中間層への熱拡散を抑制するように焼成することを含む、方法。 1. A method for manufacturing a solid oxide electrochemical cell, comprising:
obtaining the solid oxide electrochemical cell comprising, in this order: an oxygen electrode containing titanium oxide and a strontium-containing composite oxide; a solid electrolyte containing zirconium oxide; a hydrogen electrode; and an intermediate layer containing rare earth-doped cerium oxide and disposed between the solid electrolyte and the oxygen electrode;
The strontium-containing composite oxide is a compound having a perovskite structure represented by the general formula ABO3 ( A contains at least Sr and represents one or more elements selected from La and Ca, and B represents one or more elements selected from Mn, Co, Fe, and Ni),
The method, wherein the step of obtaining the solid oxide electrochemical cell includes firing the strontium-containing composite oxide so as to suppress thermal diffusion of Sr in the strontium-containing composite oxide into the solid electrolyte and/or the intermediate layer .
前記固体酸化物形電気化学セルは、酸化チタンとストロンチウム含有複合酸化物とを含む酸素極と、ジルコニウム酸化物を含む固体電解質と、水素極と、前記固体電解質と前記酸素極との間に配置される、希土類添加酸化セリウムを含む中間層と、をこの順序で備え、
前記ストロンチウム含有複合酸化物は、一般式ABO 3 で示されるペロブスカイト型構造を有する化合物(Aは、少なくともSrを含み、La及びCaから選択される一種以上の元素を表し、BはMn,Co,Fe及びNiから選択される一種以上の元素を表す。)であり、
前記中間層及び/又は前記固体電解質へのSrの熱拡散を抑制する、及び/又は、前記酸素極においてSrTiO 3 を形成するように焼成することを含む、方法。 1. A method for inhibiting the formation of a high-resistivity phase in a solid oxide electrochemical cell, comprising:
the solid oxide electrochemical cell comprises, in this order, an oxygen electrode containing titanium oxide and a strontium-containing composite oxide, a solid electrolyte containing zirconium oxide, a hydrogen electrode, and an intermediate layer containing rare earth-doped cerium oxide and disposed between the solid electrolyte and the oxygen electrode;
The strontium-containing composite oxide is a compound having a perovskite structure represented by the general formula ABO3 ( A contains at least Sr and represents one or more elements selected from La and Ca, and B represents one or more elements selected from Mn, Co, Fe, and Ni),
and/or sintering the cathode to inhibit thermal diffusion of Sr into the intermediate layer and/or the solid electrolyte and/or to form SrTiO3 in the cathode.
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003123773A (en) | 2001-10-16 | 2003-04-25 | Nissan Motor Co Ltd | Air electrode for solid oxide fuel cell and fuel cell using the same |
| JP2010027350A (en) | 2008-07-17 | 2010-02-04 | Honda Motor Co Ltd | Electrolyte-electrode assembly |
| JP2011181262A (en) | 2010-02-26 | 2011-09-15 | Kyocera Corp | Solid-oxide fuel cell |
| JP2016126984A (en) | 2015-01-08 | 2016-07-11 | 株式会社デンソー | Fuel battery single cell and method for manufacturing the same |
| JP2018166078A (en) | 2017-03-28 | 2018-10-25 | 株式会社デンソー | Cathode for solid oxide fuel cell, solid oxide fuel cell single cell, and solid oxide fuel cell |
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