JP5655032B2 - Solid oxide fuel cell and cathode forming material of the fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池のカソード(空気極)形成に用いられる材料、および該材料を用いて構築された固体酸化物形燃料電池に関する。 The present invention relates to a material used for forming a cathode (air electrode) of a solid oxide fuel cell, and a solid oxide fuel cell constructed using the material.
固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC;以下、単に「SOFC」ということもある。)は、種々のタイプの燃料電池の中でも発電効率が高く多様な燃料の使用が可能なため、環境負荷の少ない次世代の発電装置として開発が進められている。
かかるSOFC(単セル)は、典型的には酸素イオン伝導体(例えば酸素イオン伝導性のセラミック体)から成る緻密な固体電解質の一方の面に多孔質構造のカソード(空気極)が形成され、他方の面に多孔質構造のアノード(燃料極)が形成された構成である。使用時にはカソードが形成された側の固体電解質の表面には酸素(O2)含有ガス(典型的には空気)が、アノードが形成された側の固体電解質の表面には燃料ガス(典型的には水素(H2))がそれぞれ供給される。該ガスが供給されたSOFCに電流を印加すると、先ずカソードにおいて酸素が酸化され、酸素イオンとなる。そして、該酸素イオンが(固体電解質を介して)アノードに到達し、燃料ガスと反応して電子を放出することによって発電が行われる。
A solid oxide fuel cell (SOFC; hereinafter simply referred to as “SOFC”) has high power generation efficiency among various types of fuel cells and can use various fuels. Development is progressing as a next-generation power generator with low environmental impact.
Such a SOFC (single cell) typically has a porous cathode (air electrode) formed on one surface of a dense solid electrolyte made of an oxygen ion conductor (for example, an oxygen ion conductive ceramic body). In this configuration, a porous anode (fuel electrode) is formed on the other surface. In use, an oxygen (O 2 ) -containing gas (typically air) is present on the surface of the solid electrolyte on the side where the cathode is formed, and a fuel gas (typically on the surface of the solid electrolyte on the side where the anode is formed). Are each supplied with hydrogen (H 2 )). When an electric current is applied to the SOFC supplied with the gas, oxygen is first oxidized at the cathode to become oxygen ions. Then, the oxygen ions reach the anode (via the solid electrolyte), react with the fuel gas, and emit electrons to generate electricity.
上記SOFCの発電は、高い発電性能を実現するために例えば800℃〜1200℃程度の高温環境下において行われることが一般的である。しかし、かかる温度環境下では構成材料が劣化し易いため、SOFCの耐久性には課題があった。また、起動や停止に長時間を要すること、高温環境下で使用し得る材料が限定されるために製造コストが高くなりがちであること、等の実用化に向けた課題もあった。 The SOFC power generation is generally performed in a high temperature environment of about 800 ° C. to 1200 ° C. in order to achieve high power generation performance. However, since the constituent materials are likely to deteriorate under such a temperature environment, there has been a problem with the durability of the SOFC. In addition, there are also problems for practical use such as a long time for starting and stopping, and a limitation of materials that can be used in a high temperature environment, which tends to increase the manufacturing cost.
そこで近年、耐久性向上、低コスト化、使用用途拡大等の観点から、SOFCの作動温度をより低く、例えば500℃〜800℃(以下、「中低温」という。)とするための研究が進められている。しかし、作動温度を低くするとそれに伴って固体電解質の抵抗が高くなるため、発電性能が低下してしまう。
かかる問題に対処するための従来技術として、例えば特許文献1には、アノードの構造(気孔率)を制御することで該アノードにおける反応効率を向上させ、SOFCの発電性能を高め得ることが開示されている。また、特許文献2には、アノードを構成する材料(粒子)の平均粒径を制御することで該アノードにおける反応効率を向上させ、SOFCの発電性能を高め得ることが開示されている。
Therefore, in recent years, research for lowering the operating temperature of SOFC, for example, from 500 ° C. to 800 ° C. (hereinafter referred to as “medium temperature”) has been promoted from the viewpoints of improving durability, reducing costs, and expanding use applications. It has been. However, when the operating temperature is lowered, the resistance of the solid electrolyte is increased accordingly, and the power generation performance is lowered.
As a conventional technique for dealing with such a problem, for example, Patent Document 1 discloses that by controlling the anode structure (porosity), the reaction efficiency in the anode can be improved and the power generation performance of the SOFC can be improved. ing. Patent Document 2 discloses that the reaction efficiency in the anode can be improved and the power generation performance of SOFC can be improved by controlling the average particle diameter of the material (particles) constituting the anode.
ところで、中低温においても高い反応性(触媒能力)を発揮し得るカソード材料としては、例えば一般式:(LaSr)(CoFe)O3(以下、「LSCF」という。)で示される、いわゆる電子−酸素イオン混合伝導体が知られている。しかし、該LSCFは他のカソード材料に比べて熱膨張が大きいことから、熱衝撃(例えば、停止時の温度(典型的には常温)と使用時の温度域(例えば500℃〜800℃)との間で、昇温と降温とを繰り返すこと)に対する耐久性の向上が求められている。またLSCFは他のカソード材料に比べて還元膨張も大きいため、例えば燃料ガスがリークしてカソード側に混入した際に、クラック等の不具合が発生し得る。かかる場合には発電性能が低下したり或いは発電自体が行われなくなったりする虞がある。そこで、LSCFをカソード用材料として使用する際には、セリア(CeO2)にガドリニア(Gd2O3)をドープした、一般式:CeGdO2(Gadolinium doped Ceria;以下、「GDC」という。)で表される材料を混合し用いることも検討されている。しかし、GDCは高価であり実用化や低コスト化の観点から使用量を極力低減することが好ましい。 By the way, as a cathode material capable of exhibiting high reactivity (catalytic ability) even at medium and low temperatures, for example, a so-called electron − represented by a general formula: (LaSr) (CoFe) O 3 (hereinafter referred to as “LSCF”) is used. Oxygen ion mixed conductors are known. However, since the LSCF has a larger thermal expansion than other cathode materials, the thermal shock (for example, the temperature at the time of stopping (typically normal temperature) and the temperature range during use (for example, 500 ° C. to 800 ° C.) Therefore, there is a demand for improvement in durability against repeated heating and cooling. In addition, since LSCF has a large reductive expansion compared to other cathode materials, for example, when fuel gas leaks and enters the cathode side, defects such as cracks may occur. In such a case, there is a possibility that the power generation performance is lowered or the power generation itself is not performed. Therefore, when LSCF is used as a cathode material, ceria (CeO 2 ) is doped with gadolinia (Gd 2 O 3 ), and the general formula is CeGdO 2 (Gadolinium doped Ceria; hereinafter referred to as “GDC”). Mixing and using the expressed materials is also under consideration. However, GDC is expensive, and it is preferable to reduce the amount of use as much as possible from the viewpoint of practical use and cost reduction.
本発明は、かかる課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、耐久性に優れ、かつ中低温領域における電極性能を向上し得るSOFCのカソード形成用材料を提供することである。また、本発明は、他の側面として、上記材料を用いて形成したカソードを備えるSOFCを提供する。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide an SOFC cathode-forming material that is excellent in durability and can improve electrode performance in a medium-low temperature range. Moreover, this invention provides SOFC provided with the cathode formed using the said material as another side surface.
上記目的を実現するべく、本発明によって、固体酸化物形燃料電池のカソード形成用材料が提供される。かかる材料は、一般式:(La1−xSrx)(CoyFe1−y)O3−δ(ただし、xは0.1≦x≦0.5を満たす実数であり、yは0.1≦y≦0.5を満たす実数であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)で示されるペロブスカイト型の酸化物粒子(LSCF)と、一般式:(La1−xSrx)(TiyFe1−y)O3−δ(ただし、xは0.1≦x≦0.5を満たす実数であり、yは0.1≦y≦0.5を満たす実数であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)で示されるペロブスカイト型の酸化物粒子(以下、「LSTF」という。)とが、メカノケミカル処理により複合化された複合粒子を主体とする。ここで、上記メカノケミカル処理は、上記一般式(1)で示される酸化物と上記一般式(2)で示される酸化物とを混合した場合に比べて、電子伝導性の向上が実現されるよう行われる。 In order to achieve the above object, the present invention provides a material for forming a cathode of a solid oxide fuel cell. Such a material is represented by the general formula: (La 1-x Sr x ) (Co y Fe 1-y ) O 3-δ (where x is a real number satisfying 0.1 ≦ x ≦ 0.5, and y is 0 0.1 ≦ y ≦ 0.5, and δ is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition), and perovskite-type oxide particles (LSCF) represented by the general formula: (La 1 −x Sr x ) (Ti y Fe 1−y ) O 3−δ (where x is a real number that satisfies 0.1 ≦ x ≦ 0.5, and y satisfies 0.1 ≦ y ≦ 0.5. This is a real number, and δ is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition.) Perovskite-type oxide particles (hereinafter referred to as “LSTF”), which are combined by mechanochemical treatment. Mainly composed of particles. Here, the mechanochemical treatment improves the electron conductivity as compared with the case where the oxide represented by the general formula (1) and the oxide represented by the general formula (2) are mixed. Done.
上記構成のカソード用材料は、LSCFを単独で用いた場合に比べて熱膨張や還元膨張が抑えられているため、曝される環境が変化した場合(例えば、SOFCの起動・停止に伴う温度変化や、ガス雰囲気が還元雰囲気に変化した場合等)にも膨張や収縮が小さく、耐久性に優れる。また、LSCFとLSTFとは化学的安定性が高いため、上記複合粒子は長期間変質することなく安定して使用することができる。さらに、該材料はメカノケミカル処理により電子伝導性や酸素イオン伝導性が向上しているため、中低温領域(凡そ500℃〜800℃)においてもカソードとして優れた電極性能を発揮し得る。したがって、上記構成のカソード用材料を用いることでSOFCの発電性能や信頼性を向上させることができる。 The cathode material having the above configuration has suppressed thermal expansion and reductive expansion as compared with the case where LSCF is used alone, so that the exposed environment changes (for example, temperature change accompanying start / stop of SOFC) Also, when the gas atmosphere is changed to a reducing atmosphere, etc., the expansion and contraction are small, and the durability is excellent. In addition, since LSCF and LSTF have high chemical stability, the composite particles can be used stably without deterioration for a long time. Furthermore, since the material has improved electron conductivity and oxygen ion conductivity by mechanochemical treatment, it can exhibit excellent electrode performance as a cathode even in a medium to low temperature region (approximately 500 ° C. to 800 ° C.). Therefore, the power generation performance and reliability of the SOFC can be improved by using the cathode material having the above structure.
ここで開示される材料の好ましい一態様では、上記複合粒子は、上記一般式(2)で示される酸化物からなるコア部と、該コア部表面の少なくとも一部に形成されている上記一般式(1)で示される酸化物からなる被覆部と、から構成される。
上記態様の粒子は、還元膨張の少ないLSTFをコア部とするため、温度やガス雰囲気等の環境変化に伴う膨張・収縮がより一層抑制されている。また、LSCFを表面近く(被覆部)に配置することで酸素含有ガスとの接触面積を広く確保することができ、より高い触媒性能を発揮し得る。このため、本願発明の効果をより発揮することができる。
In a preferred embodiment of the material disclosed herein, the composite particle includes a core part formed of an oxide represented by the general formula (2) and the general formula formed on at least a part of the surface of the core part. And a covering portion made of an oxide represented by (1).
Since the particles of the above aspect use LSTF with little reductive expansion as a core part, expansion and contraction due to environmental changes such as temperature and gas atmosphere are further suppressed. Further, by arranging the LSCF near the surface (coating portion), a wide contact area with the oxygen-containing gas can be secured, and higher catalytic performance can be exhibited. For this reason, the effect of this invention can be exhibited more.
ここで開示される材料の好ましい一態様では、上記複合粒子は、一般式(1)で示される酸化物(LSCF)と上記一般式(2)で示される酸化物(LSTF)との質量比率が、LSCF:LSTF=80:20〜30:70である。
上記の質量比率を満たす材料は、より一層優れた電極性能を発揮し得る。したがって、本発明の効果をより高いレベルで発揮することができる。
In a preferred embodiment of the material disclosed herein, the composite particle has a mass ratio of the oxide represented by the general formula (1) (LSCF) and the oxide represented by the general formula (2) (LSTF). LSCF: LSTF = 80: 20 to 30:70.
A material that satisfies the above-described mass ratio can exhibit even better electrode performance. Therefore, the effect of the present invention can be exhibited at a higher level.
ここで開示される材料の好ましい一態様では、上記複合粒子は、熱機械分析により測定される熱膨張係数(線膨張)が13×10−6/K以上15×10−6/K以下であり、還元膨張率(線膨張)が1%以下である。
カソード形成用材料の熱膨張係数を上記範囲とすることで、他のSOFC構成材料(例えば、固体電解質や発電システムを構成する部材)との熱膨張係数(熱膨張率)の差異を小さく抑えることができる。また、該材料の還元膨張率を1%以下とすることで、酸素分圧の低い還元雰囲気下(例えば水素ガスが1質量%以上の雰囲気下)においても還元膨張を低く抑えることができる。したがって、上記カソード形成用材料は温度や雰囲気等の環境変化に伴う膨張や収縮が少なく、長期的な信頼性や耐久性に優れたものであり得る。
In a preferred embodiment of the material disclosed herein, the composite particles have a thermal expansion coefficient (linear expansion) measured by thermomechanical analysis of 13 × 10 −6 / K or more and 15 × 10 −6 / K or less. The reduction expansion coefficient (linear expansion) is 1% or less.
By setting the thermal expansion coefficient of the cathode forming material within the above range, the difference in thermal expansion coefficient (thermal expansion coefficient) with other SOFC constituent materials (for example, members constituting a solid electrolyte or a power generation system) can be kept small. Can do. In addition, by setting the reductive expansion coefficient of the material to 1% or less, the reductive expansion can be kept low even in a reducing atmosphere having a low oxygen partial pressure (for example, in an atmosphere containing 1% by mass or more of hydrogen gas). Therefore, the cathode forming material is less prone to expansion and contraction due to environmental changes such as temperature and atmosphere, and can be excellent in long-term reliability and durability.
ここで開示される材料の好ましい一態様では、上記複合粒子が少なくとも1種の溶媒に分散され、ペースト状(スラリー状、インク状を含む。以下同様。)に調製されていることが挙げられる。
ここで開示される材料は、SOFCのカソード(電極)を形成するために用いられる。かかる際には、該材料を1種以上の溶媒に分散(もしくは溶解)させペースト状に調製したものを用いることで、均質なカソードを安定して効率よく作製することができる。
In a preferred embodiment of the material disclosed herein, the composite particles are dispersed in at least one solvent and prepared in a paste form (including a slurry form and an ink form; the same applies hereinafter).
The materials disclosed herein are used to form the SOFC cathode (electrode). In such a case, a homogeneous cathode can be stably and efficiently produced by using a paste prepared by dispersing (or dissolving) the material in one or more solvents.
また本発明により、アノードと固体電解質とカソードとを備えた固体酸化物形燃料電池が提供される。そして、上記カソードは、ここで開示される複合粒子を主体として形成されている。
上記カソードを備えたSOFCは、高い発電性能(例えば、動作温度700℃における最大電力密度が0.4W/cm2以上)を発揮し得る。また、ここで開示されるカソードは環境変化に伴う膨張や収縮(例えば、熱膨張や還元膨張)が抑制されているため、かかるカソードを備えたSOFCは信頼性や耐久性に優れ、長期に渡り安定して使用することができる。すなわち、ここで開示されるSOFCは、発電性能と耐久性とを高いレベルで両立し得る。
The present invention also provides a solid oxide fuel cell comprising an anode, a solid electrolyte, and a cathode. The cathode is formed mainly of the composite particles disclosed herein.
An SOFC including the cathode can exhibit high power generation performance (for example, the maximum power density at an operating temperature of 700 ° C. is 0.4 W / cm 2 or more). In addition, since the cathode disclosed herein has suppressed expansion and contraction (for example, thermal expansion and reduction expansion) due to environmental changes, SOFCs equipped with such a cathode are excellent in reliability and durability and have a long-term life. It can be used stably. That is, the SOFC disclosed herein can achieve both power generation performance and durability at a high level.
ここで開示されるSOFCの好ましい一態様は、上記カソードと上記固体電解質と上記アノードとが層状に積層され形成されており、該積層構造における上記カソードの厚みが10μm以上100μm以下である。
ここで開示されるカソードは他のSOFC構成材料(例えば、固体電解質や発電システムを構成する部材)と熱膨張係数が近いため、温度変化等に伴う不具合(例えば、カソードにおけるクラックの発生)が生じ難い。また、還元膨張率も小さく抑えられているため、還元雰囲気下においても不具合(例えば、カソードの反り返り)が生じ難い。このため、かかるSOFCでは該電極の厚みが比較的厚い場合でも、優れた発電性能を長期間にわたり安定的に発揮することができる。
In a preferred aspect of the SOFC disclosed herein, the cathode, the solid electrolyte, and the anode are laminated in layers, and the thickness of the cathode in the laminated structure is 10 μm or more and 100 μm or less.
Since the cathode disclosed here has a thermal expansion coefficient close to that of other SOFC constituent materials (for example, members constituting a solid electrolyte or a power generation system), problems associated with temperature changes (for example, generation of cracks in the cathode) occur. hard. In addition, since the reduction expansion coefficient is kept small, it is difficult for defects (for example, cathode warping) to occur even in a reducing atmosphere. For this reason, in such SOFC, even when the thickness of the electrode is relatively thick, excellent power generation performance can be stably exhibited over a long period of time.
ここで開示されるSOFCの好ましい一態様は、上記カソードは、上記固体電解質上に反応抑止層を設けることなく直接的に形成されている。
一般的に、カソード形成用材料としてLSCFを用いる場合には、該カソードと固体電解質(典型的には、ジルコニア系酸化物)との反応を抑止するため、これらの間に反応抑止層を形成する必要がある。しかし、ここで開示されるカソードはLSTFを含むため、かかる反応性が低減されたものであり得る。このため、固体電解質上に直接形成することができ、効率的である。また、SOFCの構造が簡素化されることで、好ましくは該SOFCの内部抵抗をも低減し得る。このため、ここで開示されるSOFCは発電性能と生産性とを高いレベルで両立することができる。
In a preferred aspect of the SOFC disclosed herein, the cathode is formed directly without providing a reaction inhibiting layer on the solid electrolyte.
In general, when LSCF is used as a cathode forming material, a reaction inhibiting layer is formed between the cathode and a solid electrolyte (typically zirconia oxide) in order to inhibit the reaction between them. There is a need. However, since the cathode disclosed herein includes LSTF, such reactivity may be reduced. For this reason, it can be formed directly on the solid electrolyte and is efficient. In addition, since the structure of the SOFC is simplified, the internal resistance of the SOFC can be preferably reduced. For this reason, the SOFC disclosed herein can achieve both power generation performance and productivity at a high level.
さらに本発明により、固体酸化物形燃料電池のカソード形成用材料の製造方法が提供される。ここで提供される製造方法は、一般式:(La1−xSrx)(CoyFe1−y)O3−δ(ただし、xは0.1≦x≦0.5を満たす実数であり、yは0.1≦y≦0.5を満たす実数であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)で示されるペロブスカイト型の酸化物粒子(LSCF)と、一般式:(La1−xSrx)(TiyFe1−y)O3−δ(ただし、xは0.1≦x≦0.5を満たす実数であり、yは0.1≦y≦0.5を満たす実数であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)で示されるペロブスカイト型の酸化物粒子(LSTF)と、を用意すること;上記LSCFと上記LSTFとをメカノケミカル処理によって複合化し、複合粒子を得ること、ここで、上記メカノケミカル処理は、上記一般式(1)で示される酸化物と上記一般式(2)で示される酸化物とを混合した場合に比べて、電子伝導性の向上が実現されるよう行う;上記複合粒子を用いて、カソード形成用材料を調製すること;を包含する。
かかる製造方法によれば、高い電極性能と優れた耐久性とを有するカソード形成用材料を好適に製造することができる。
Furthermore, the present invention provides a method for producing a cathode forming material for a solid oxide fuel cell. The manufacturing method provided here has a general formula: (La 1-x Sr x ) (Co y Fe 1-y ) O 3-δ (where x is a real number satisfying 0.1 ≦ x ≦ 0.5). Y is a real number satisfying 0.1 ≦ y ≦ 0.5, and δ is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition.), And perovskite-type oxide particles (LSCF) Formula: (La 1-x Sr x ) (Ti y Fe 1-y ) O 3-δ (where x is a real number satisfying 0.1 ≦ x ≦ 0.5, and y is 0.1 ≦ y ≦ A perovskite type oxide particle (LSTF) represented by the following formula: a real number satisfying 0.5, and δ is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition; the complexed by mechanochemical treatment, to obtain composite particles, wherein the Mekanokemi The cal treatment is performed so that an improvement in electronic conductivity is realized as compared with the case where the oxide represented by the general formula (1) and the oxide represented by the general formula (2) are mixed ; Using the particles to prepare a cathode forming material.
According to this manufacturing method, a cathode forming material having high electrode performance and excellent durability can be preferably manufactured.
ここで開示される製造方法の好ましい一態様では、上記メカノケミカル処理は、窒素吸着法により測定される該処理の後の比表面積B(m2/g)と該処理前の比表面積A(m2/g)との関係が、10≦(A−B)/A≦40となるように行う。すなわち、メカノケミカル処理は、該処理によって上記酸化物の比表面積が10%以上40%以下の割合で減少するように行う。
上記範囲を満たすようにメカノケミカル処理を行うことで、より一層電子伝導性や酸素イオン伝導性に優れたカソード形成用材料を得ることができる。したがって、本発明の効果をより高いレベルで発揮することができる。
In a preferred embodiment of the production method disclosed herein, the mechanochemical treatment is performed by a specific surface area B (m 2 / g) after the treatment and a specific surface area A (m before the treatment) measured by a nitrogen adsorption method. 2 / g), so that 10 ≦ (AB) / A ≦ 40. That is, the mechanochemical treatment is performed such that the specific surface area of the oxide is reduced by 10% or more and 40% or less by the treatment.
By performing a mechanochemical treatment so as to satisfy the above range, a cathode forming material having further excellent electron conductivity and oxygen ion conductivity can be obtained. Therefore, the effect of the present invention can be exhibited at a higher level.
ここで開示される製造方法の好ましい一態様では、上記酸化物粒子の用意は、上記一般式(1)で示される酸化物と、上記一般式(2)で示される酸化物との質量比率が、(1):(2)=80:20〜30:70となるよう用意する。
上記質量比でLSCFとLSTFとを混合することで、高い電極性能と耐久性とをより高いレベルで両立することができる。
In a preferred embodiment of the production method disclosed herein, the preparation of the oxide particles is performed by a mass ratio of the oxide represented by the general formula (1) and the oxide represented by the general formula (2). , (1) :( 2) = 80: 20 to 30:70.
By mixing LSCF and LSTF at the above mass ratio, both high electrode performance and durability can be achieved at a higher level.
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外(例えば、発電システムの構成や製造方法等)の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. It should be noted that matters other than the matters specifically mentioned in the present specification (for example, the configuration and manufacturing method of the power generation system) and the matters necessary for the implementation of the present invention are those of ordinary skill in the art based on the prior art in this field. It can be grasped as a design matter. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.
本明細書において「メカノケミカル処理」とは、被処理物(ここでは、LSCFとLSTF)に圧縮力、剪断力、摩擦力等の機械的エネルギーを加えることによって、被処理物同士を物理的(機械的)に結合(複合化)させ、被処理物の比表面積を10%以上(好ましくは15%以上、例えば15%以上30%以下)減少させる処理をいう。また、本明細書において「複合粒子」とは、かかるメカノケミカル処理により複合化された粒子状の物質をいう。 In this specification, “mechanochemical treatment” means that physical materials are treated by applying mechanical energy such as compressive force, shearing force, frictional force, etc. to the objects to be treated (here, LSCF and LSTF). It is a treatment in which the specific surface area of the object to be processed is reduced by 10% or more (preferably 15% or more, for example, 15% or more and 30% or less). Further, in this specification, “composite particles” refers to particulate substances that are combined by such mechanochemical treatment.
本明細書において「比表面積」とは、窒素ガスによる定容量式吸着法に基づく比表面積測定によって測定された値を、BET法(例えばBET1点法)で解析した表面積(BET比表面積)をいう。本明細書において「平均粒径」とは、一般的なレーザー回折・光散乱法に基づく粒度分布測定により測定した体積基準の粒度分布において、微粒子側からの累積50%に相当する粒径(D50粒径、メジアン径ともいう。)をいう。本明細書において「平均細孔径」とは、一般的な水銀圧入法測定に基づいて得られる値をいう。また、本明細書において「気孔率」とは、上記水銀圧入法の測定によって得られる気孔容積(Vb(cm3))を、見かけの体積(Va(cm3))で除して、100を掛けることにより、算出した値(Vb/Va×100(%))を意味する。 In the present specification, the “specific surface area” refers to a surface area (BET specific surface area) obtained by analyzing a value measured by specific surface area measurement based on a constant capacity adsorption method using nitrogen gas by a BET method (for example, the BET one-point method). . In the present specification, the “average particle diameter” means a particle diameter corresponding to 50% cumulative from the fine particle side in a volume-based particle size distribution measured by particle size distribution measurement based on a general laser diffraction / light scattering method (D 50 particle diameter, also called median diameter). In the present specification, the “average pore diameter” refers to a value obtained based on a general mercury intrusion measurement. Further, in this specification, the “porosity” is obtained by dividing the pore volume (Vb (cm 3 )) obtained by the measurement of the mercury intrusion method by the apparent volume (Va (cm 3 )). By multiplying, it means the calculated value (Vb / Va × 100 (%)).
ここで開示される固体酸化物形燃料電池のカソード形成用材料は、一般式:(La1−xSrx)(CoyFe1−y)O3−δで示されるペロブスカイト型の酸化物粒子(LSCF)と、一般式:(La1−xSrx)(TiyFe1−y)O3−δで示されるペロブスカイト型の酸化物粒子(LSTF)と、がメカノケミカル処理によって複合化された複合粒子(以下、LSCFとLSTFとが複合化された粒子を、単に「複合粒子」ということもある。)を主体とすることにより特徴づけられる。
なお、複合粒子となっているか否かは、例えば一般的な走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)−エネルギー分散型X線分光法(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy:EDX)の手法を用いて確認することができる。より具体的には、後述する実施例に示す通り、SEM観察により得られる観察画像とEDX分析により得られる各元素の分布状態を基に判断することができる。
Cathode forming material of the solid oxide fuel cell disclosed herein has the general formula: (La 1-x Sr x ) (Co y Fe 1-y) oxide particles of perovskite type represented by O 3-[delta] (LSCF) and perovskite oxide particles (LSTF) represented by the general formula: (La 1-x Sr x ) (Ti y Fe 1-y ) O 3-δ are combined by mechanochemical treatment. It is characterized by mainly comprising composite particles (hereinafter, particles in which LSCF and LSTF are combined may be simply referred to as “composite particles”).
Whether the particles are composite particles or not is determined by using, for example, a general scanning electron microscope (SEM) -energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) method. Can be confirmed. More specifically, as shown in the examples described later, the determination can be made based on the observation image obtained by SEM observation and the distribution state of each element obtained by EDX analysis.
上記一般式における「x」は、ペロブスカイト型酸化物において「La元素」が「Sr元素」によって置換された割合を示す値である。このxは、ペロブスカイト型構造を崩すことなく、該構造を維持し得る限りにおいて0.1≦x≦0.5(好ましくは0.1≦x≦0.4)の範囲内であれば、いずれの実数をとってもよい。
また、上記一般式における「y」は、ペロブスカイト型酸化物における「Fe元素」と「Co元素(LSCFの場合)もしくはTi元素(LSTFの場合)」との組成比を定める値である。このyは、0.1≦y≦0.5の範囲内であればいずれの実数をとってもよい。
In the above general formula, “x” is a value indicating the ratio of “La element” to “Sr element” in the perovskite oxide. This x is within the range of 0.1 ≦ x ≦ 0.5 (preferably 0.1 ≦ x ≦ 0.4) as long as the structure can be maintained without destroying the perovskite structure. The real number may be taken.
Further, “y” in the above general formula is a value that determines the composition ratio between “Fe element” and “Co element (in the case of LSCF) or Ti element (in the case of LSTF)” in the perovskite oxide. This y may take any real number within the range of 0.1 ≦ y ≦ 0.5.
上記一般式における「δ」は、電荷中性条件を満たすように定まる値である。すなわち、ペロブスカイト型酸化物における酸素原子数は3以下(典型的には3未満)であり得る。かかるδの値は、ペロブスカイト型構造の一部を置換する原子(例えば式中の「Sr元素」や「(LSCFの)Co元素もしくは(LSTFの)Ti元素」の一部)の種類、置換割合及びその他の条件に応じて、上記一般式における電荷中性条件を満たすように定められる。このδは、典型的には1を超えない正の数(0≦δ<1)である。
なお、上述のとおりδ値(すなわち、酸素原子数)はペロブスカイト型酸化物を構成する他の元素等の条件により変化し得るものであるため、正確に表示することは困難である。したがって、便宜上δを省略して記載する場合もあり得る。即ち、上記一般式中の(3−δ)は、本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではない。
“Δ” in the above general formula is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition. That is, the number of oxygen atoms in the perovskite oxide can be 3 or less (typically less than 3). The value of δ is the type and substitution ratio of atoms (for example, “Sr element”, “(LSCF) Co element or (LSTF) Ti element)” in part of the perovskite structure. Depending on other conditions, the charge neutrality condition in the above general formula is satisfied. This δ is typically a positive number not exceeding 1 (0 ≦ δ <1).
As described above, since the δ value (that is, the number of oxygen atoms) can be changed depending on the conditions of other elements constituting the perovskite oxide, it is difficult to display accurately. Therefore, δ may be omitted for convenience. That is, (3-δ) in the above general formula is not intended to limit the technical scope of the present invention.
LSCFは、いわゆる電子−酸素イオン混合伝導体であり、他のペロブスカイト型酸化物に比べて、高い電極性能(発電性能)を有している。このため比較的低い温度領域(例えば、500℃〜800℃)においても優れた性能を発揮することができる。しかし該LSCFは熱膨張や還元膨張が大きいため、SOFCの電極材料(カソード形成用材料)として単独で用いた場合には、曝される環境の変化によって不具合(例えば、電極の反りやクラックの発生)を生じる虞がある。一方、LSTFは発電性能がLSCFに比べてやや劣るものの、電子−酸素イオン混合伝導体であり、且つ熱膨張や還元膨張が低いという特徴を有する。ここで開示されるカソード用材料は、両者を混合して用いることで、比較的低い温度領域(例えば500℃〜800℃)においても優れた電極性能を発揮し得、且つ温度やガス雰囲気等の環境変化に伴う膨張・収縮が抑制され高い耐久性を有している。さらにLSCFとLSTFは反応性が低いため、上記複合粒子は長期間変質することなく安定して使用することができる。 LSCF is a so-called electron-oxygen ion mixed conductor and has higher electrode performance (power generation performance) than other perovskite oxides. Therefore, excellent performance can be exhibited even in a relatively low temperature range (for example, 500 ° C. to 800 ° C.). However, since the LSCF has a large thermal expansion and reduction expansion, when it is used alone as an SOFC electrode material (cathode forming material), defects (for example, electrode warpage or cracking) occur due to changes in the environment exposed to it. ) May occur. On the other hand, although LSTF is slightly inferior in power generation performance to LSCF, it is an electron-oxygen ion mixed conductor and has low heat expansion and reduction expansion. The cathode material disclosed herein can exhibit excellent electrode performance even in a relatively low temperature range (for example, 500 ° C. to 800 ° C.) by mixing the two, and the temperature, gas atmosphere, etc. Expansion and contraction due to environmental changes are suppressed and it has high durability. Furthermore, since LSCF and LSTF have low reactivity, the composite particles can be used stably without deteriorating for a long time.
さらに、ここで開示されるカソード形成用材料は、LSCFとLSTFとがメカノケミカル処理された複合粒子を主体とする。該複合粒子は、メカノケミカル処理によってLSCFとLSTFとが物理的に結合(複合化)されているため、より一層電子伝導性や酸素イオン伝導性に優れる。このため、該材料は中低温領域においても優れた電極性能を発揮し得る。 Furthermore, the cathode forming material disclosed here is mainly composed of composite particles obtained by mechanochemical treatment of LSCF and LSTF. Since the LSCF and the LSTF are physically combined (composited) by mechanochemical treatment, the composite particles are further excellent in electron conductivity and oxygen ion conductivity. For this reason, this material can exhibit the electrode performance which was excellent also in the medium-low temperature range.
好ましい一態様では、上記複合粒子は、LSTFからなるコア部と該コア部の表面の少なくとも一部に形成されたLSCFからなる被覆部とから構成される。換言すれば、上記複合粒子は、コアとなるLSTF粒子の表面上に、(典型的には該LSTFより粒径の小さな)LSCF粒子が分散・固定化(複合化)された形態の粒子であることが好ましい。熱膨張や還元膨張がより小さいLSTFをコア部とすることで、温度やガス雰囲気等の環境変化に伴う膨張・収縮がより一層抑制され得る。また、LSCFを複合粒子の表面近傍領域に配置することで、電極性能の高いLSCFと酸素含有ガスとの接触面積を広く確保することができ、高い触媒性能を発揮し得る。したがって、本発明の効果をより高いレベルで発揮することができる。ここで、上記「被覆部」はコア部を形成するLSTF粒子表面の少なくとも一部がLSCFに覆われていればよく、必ずしもコア部の全表面が被覆されていることは要しない。例えば、コア部の表面の10%以上(典型的には30%以上、好ましくは50%以上、より好ましくは70%以上)が被覆されていることが好ましく、実質的にコア部の全表面(典型的には90%以上、例えば95%以上)が被覆されたいわゆるコアシェル粒子の形態であることがより好ましい。なお、コアシェル粒子となっているか否かは、上記SEM−EDXの手法を用いて確認することができる。
複合粒子全体に占める上記形態の粒子の割合は、例えば10%以上(典型的には30%以上、例えば50%以上、好ましくは70%以上)であることが好ましく、実質的に100%であることがより好ましい。
In a preferred embodiment, the composite particle includes a core portion made of LSTF and a coating portion made of LSCF formed on at least a part of the surface of the core portion. In other words, the composite particle is a particle in a form in which LSCF particles (typically smaller in particle size than the LSTF) are dispersed and immobilized (composited) on the surface of the core LSTF particles. It is preferable. By using the LSTF with smaller thermal expansion and reductive expansion as the core, expansion / contraction associated with environmental changes such as temperature and gas atmosphere can be further suppressed. Further, by disposing LSCF in the vicinity of the surface of the composite particle, a wide contact area between the LSCF having high electrode performance and the oxygen-containing gas can be secured, and high catalytic performance can be exhibited. Therefore, the effect of the present invention can be exhibited at a higher level. Here, the above-mentioned “coating part” is sufficient if at least a part of the surface of the LSTF particles forming the core part is covered with the LSCF, and it is not always necessary to cover the entire surface of the core part. For example, it is preferable that 10% or more (typically 30% or more, preferably 50% or more, more preferably 70% or more) of the surface of the core part is coated, and substantially the entire surface of the core part ( More preferably, it is in the form of so-called core-shell particles coated with 90% or more, for example, 95% or more). In addition, it can be confirmed using the said SEM-EDX method whether it is a core-shell particle.
The proportion of the particles in the above-mentioned form in the total composite particles is preferably 10% or more (typically 30% or more, for example 50% or more, preferably 70% or more), and is substantially 100%. It is more preferable.
上記態様の複合粒子を構成するLSCFとLSTFとの平均粒径は、典型的にはLSCF<LSTFである。コア部を構成するLSTFの平均粒径は、例えば0.1μm〜10μm(典型的には0.5μm〜5μm、好ましくは1μm〜3μm)とすることができる。また、被覆部を構成するLSCFの平均粒径は、例えば1μm未満(典型的には、0.001μm〜1μm、好ましくは0.01μm〜0.5μm、より好ましくは0.1±0.05μm)とすることできる。上記範囲を満たす場合、本発明の効果をさらに高いレベルで発揮することができる。 The average particle size of LSCF and LSTF constituting the composite particle of the above aspect is typically LSCF <LSTF. The average particle diameter of the LSTF constituting the core portion can be, for example, 0.1 μm to 10 μm (typically 0.5 μm to 5 μm, preferably 1 μm to 3 μm). Moreover, the average particle diameter of LSCF which comprises a coating | coated part is less than 1 micrometer, for example (typically 0.001 micrometer-1 micrometer, Preferably 0.01 micrometer-0.5 micrometer, More preferably, 0.1 +/- 0.05 micrometer) It can be. When the above range is satisfied, the effect of the present invention can be exhibited at a higher level.
複合粒子におけるLSCFとLSTFとの質量比率は特に限定されないが、例えばLSCF:LSTF=80:20〜30:70であることが好ましい。上記の質量比率を満たす材料は、本発明の効果をより高いレベルで発揮することができる。 Although the mass ratio of LSCF and LSTF in the composite particles is not particularly limited, for example, LSCF: LSTF = 80: 20 to 30:70 is preferable. A material satisfying the above mass ratio can exhibit the effects of the present invention at a higher level.
ここで開示されるカソード形成用材料としては、他のSOFC構成材料(例えば、固体電解質や発電システムを構成する部材)と近接した熱膨張係数(線膨張)を有するものが好ましい。より具体的には、SOFC構成材料の熱膨張係数は9×10−6/K〜18×10−6/Kであり得、例えば固体電解質材料の熱膨張係数は概ね10×10−6/K〜13×10−6/Kであり得る。かかる場合、該カソード形成用材料の熱膨張係数は、典型的には10×10−6/K〜16×10−6/Kとすることができ、例えば13×10−6/K〜15×10−6/Kであり、後述する実施例では14×10−6/K〜15×10−6/K、具体的には14.5×10−6/K〜15×10−6/Kとすることができる。上記熱膨張係数を満たすカソードは、熱衝撃に強く、すなわち停止時の温度(典型的には常温)と使用時の温度域(例えば500℃〜800℃)との間で昇温と降温とを繰り返しても、温度変化に伴う不具合(例えばクラックの発生)が生じ難い。このため、かかるカソードを用いたSOFCでは、長期間にわたり安定した発電性能を発揮することができる。
なお、熱膨張係数は、例えば示差膨張方式を用いた熱機械分析装置(Thermo Mechanical Analysis:TMA)により、室温(25℃)〜500℃以上(例えば、500℃、600℃、700℃、800℃、1000℃)の温度範囲にて測定した値(線膨張)の算術平均値を採用することができる。具体的な測定条件は、後述する実施例に述べる。
The cathode forming material disclosed herein preferably has a thermal expansion coefficient (linear expansion) close to other SOFC constituent materials (for example, members constituting a solid electrolyte or a power generation system). More specifically, the thermal expansion coefficient of the SOFC component materials can be a 9 × 10 -6 / K~18 × 10 -6 / K, for example, a solid thermal expansion coefficient of the electrolyte material generally 10 × 10 -6 / K It can be ˜13 × 10 −6 / K. In such a case, the thermal expansion coefficient of the cathode forming material can typically be a 10 × 10 -6 / K~16 × 10 -6 / K, for example, 13 × 10 -6 / K~15 × was 10 -6 / K, 14 × 10 -6 / K~15 × 10 -6 / K in the examples described below, in particular 14.5 × 10 -6 / K~15 × 10 -6 / K It can be. A cathode satisfying the above thermal expansion coefficient is resistant to thermal shock, that is, the temperature rises and falls between a temperature during stopping (typically normal temperature) and a temperature range during use (for example, 500 ° C. to 800 ° C.). Even if it repeats, it is hard to produce the malfunction (for example, generation | occurrence | production of a crack) accompanying a temperature change. For this reason, an SOFC using such a cathode can exhibit stable power generation performance over a long period of time.
The thermal expansion coefficient is, for example, from room temperature (25 ° C.) to 500 ° C. or higher (for example, 500 ° C., 600 ° C., 700 ° C., 800 ° C.) using a thermomechanical analyzer (TMA) using a differential expansion method. An arithmetic average value of values (linear expansion) measured in a temperature range of 1000 ° C. can be employed. Specific measurement conditions will be described in Examples described later.
また、ここで開示されるカソード形成用材料としては、還元膨張率(%)が抑えられていることが好ましい。還元膨張率とは、還元雰囲気下で加熱したときの寸法(長さ)変化により、還元耐久性(すなわち還元雰囲気における熱膨張率)の目安を定量的に示す指標である。かかる還元膨張率の値が大きい場合は、例えばアノード側に流れる燃料ガスがリークしてカソード側に混入した際、カソードに反りやクラック等の不具合が生じる虞がある。このため、還元膨張率(%)は、例えば1.0未満、好ましくは0.8以下、より好ましくは0.7以下とすることができる。上記還元膨張率を満たすカソードは耐久性が高く、長期間にわたって安定した発電性能を発揮することができる。
なお、本明細書において「還元雰囲気」とは酸素分圧が低い状態、例えば、水素、一酸化炭素、一酸化窒素等の還元性を有するガスが、0.1質量%以上(典型的には1%以上、例えば4%以上)含まれる雰囲気をいう。また、本明細書において「還元膨張率(%)」は、5質量%の還元性ガスを含む窒素雰囲気下における熱膨張率をEred(%)とし、空気雰囲気下における熱膨張率をEair(%)としたとき、下記の式(3)によって与えられる値を示す。
[{(1+Ered/100)−(1+Eair/100)}/(1+Eair/100)]×100 (3)
Moreover, as a cathode forming material disclosed here, it is preferable that the reduction expansion coefficient (%) is suppressed. The reduction expansion coefficient is an index that quantitatively indicates a measure of reduction durability (that is, thermal expansion coefficient in a reducing atmosphere) based on a change in dimension (length) when heated in a reducing atmosphere. When the value of the reductive expansion coefficient is large, for example, when the fuel gas flowing on the anode side leaks and enters the cathode side, there is a possibility that problems such as warpage and cracks occur in the cathode. For this reason, the reduction expansion rate (%) can be, for example, less than 1.0, preferably 0.8 or less, and more preferably 0.7 or less. A cathode that satisfies the above reduction expansion coefficient has high durability and can exhibit stable power generation performance over a long period of time.
Note that in this specification, the “reducing atmosphere” means a state where the oxygen partial pressure is low, for example, a gas having reducibility such as hydrogen, carbon monoxide, and nitrogen monoxide is 0.1% by mass or more (typically 1% or more, for example, 4% or more). Further, in this specification, “reduction expansion coefficient (%)” is E red (%) in a nitrogen atmosphere containing 5% by mass of reducing gas, and the thermal expansion coefficient in an air atmosphere is E air. (%) Represents a value given by the following formula (3).
[{(1 + E red / 100) − (1 + E air / 100)} / (1 + E air / 100)] × 100 (3)
ここで開示されるカソード形成用材料には、必要に応じて上記複合粒子以外の成分を適宜添加することができる。任意で添加し得る他の成分としては、例えばバインダ、増粘剤、分散剤、造孔材等が挙げられるが、これらに限定されず、例えばカソード形成に用いられる従来公知のものから適宜選択して添加することができる。バインダとしては、例えばセルロースまたはその誘導体が挙げられる。より具体的には、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、カルボキシエチルセルロース、カルボキシエチルメチルセルロース、セルロース、エチルセルロース、メチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、ブチラールおよびこれらの塩が挙げられる。
カソード形成用材料に占める任意の添加成分の割合は、特に限定されないが、例えば20質量%以下(典型的には0.1質量%〜20質量%、1質量%〜10質量%)とすることが好ましい。
Components other than the composite particles can be appropriately added to the cathode forming material disclosed herein as necessary. Examples of other components that can be optionally added include, but are not limited to, binders, thickeners, dispersants, pore formers, and the like, and are appropriately selected from conventionally known materials used for cathode formation, for example. Can be added. Examples of the binder include cellulose or a derivative thereof. More specifically, hydroxymethylcellulose, hydroxyethylcellulose, hydroxypropylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, carboxymethylcellulose, carboxyethylcellulose, carboxyethylmethylcellulose, cellulose, ethylcellulose, methylcellulose, ethylhydroxyethylcellulose, butyral and salts thereof can be mentioned.
The ratio of the optional additive component in the cathode forming material is not particularly limited, but is, for example, 20% by mass or less (typically 0.1% by mass to 20% by mass, 1% by mass to 10% by mass). Is preferred.
ここで開示されるカソード形成用材料の形態は特に限定されず、例えば、粉末(粒子)状であっても、該粒子と任意の溶媒とを含むペースト状であっても、該ペーストを乾燥(もしくは焼成)した固体状であってもよい。なかでも、ここで開示される材料を1種以上の任意の溶媒に分散(もしくは溶解)させ、ペースト状に調製したものを好ましく用いることができる。ペースト状のものを用いることで、均質なカソードを安定して効率よく作製することができる。 The form of the material for forming a cathode disclosed herein is not particularly limited. For example, even if the material is a powder (particle) or a paste containing the particle and an arbitrary solvent, the paste is dried ( Alternatively, it may be a solid state fired. Among them, a material prepared by dispersing (or dissolving) the material disclosed herein in one or more arbitrary solvents and preparing it in a paste form can be preferably used. By using a paste-like material, a homogeneous cathode can be produced stably and efficiently.
溶媒としては、上記複合粒子を好適に分散(または溶解)し得るもののうち、一種または二種以上を特に限定することなく用いることができる。かかる溶媒は有機溶剤と無機系溶媒とに大別される。有機溶剤としては、例えば、アルコール系溶剤、エーテル系溶剤、エステル系溶剤、ケトン系溶剤、環状エーテル系溶剤、芳香族炭化水素系溶剤または他の有機溶剤が挙げられる。とりわけ、ターピネオール、イソブチルアルコール、エチレングリコール、オクタノール、ブチルカルビトール、ブチルセロソルブ(2−ブトキシエタノール)、ブチルジグリコールアセテート、イソボルニルアセテート等が好適に用いられる。また、無機系溶媒としては、水または水を主体とする混合溶媒であることが好ましい。該混合溶媒を構成する水以外の溶媒としては、水と均一に混合し得る有機溶剤(低級アルコール、低級ケトン等)の一種または二種以上を適宜選択して用いることができる。
ペースト全体に占める溶媒の割合は、特に限定されないが、例えば5質量%〜35質量%(好ましくは、10質量%〜30質量%)とすることができる。
As the solvent, one or two or more of those capable of suitably dispersing (or dissolving) the composite particles can be used without any particular limitation. Such solvents are roughly classified into organic solvents and inorganic solvents. Examples of the organic solvent include alcohol solvents, ether solvents, ester solvents, ketone solvents, cyclic ether solvents, aromatic hydrocarbon solvents, and other organic solvents. In particular, terpineol, isobutyl alcohol, ethylene glycol, octanol, butyl carbitol, butyl cellosolve (2-butoxyethanol), butyl diglycol acetate, isobornyl acetate and the like are preferably used. In addition, the inorganic solvent is preferably water or a mixed solvent mainly composed of water. As the solvent other than water constituting the mixed solvent, one or more organic solvents (lower alcohol, lower ketone, etc.) that can be uniformly mixed with water can be appropriately selected and used.
The ratio of the solvent in the entire paste is not particularly limited, but can be, for example, 5% by mass to 35% by mass (preferably 10% by mass to 30% by mass).
また、本明細書において、上述したカソード形成材料を好適に製造する方法が提供される。ここで提供される製造方法は、LSCFとLSTFとを用意すること(用意工程);上記LSCFと上記LSTFとをメカノケミカル処理によって複合化し、複合粒子を得ること(複合化工程);上記複合粒子を用いて、カソード形成用材料を調製すること(調製工程);を包含する。かかる製造方法によれば、高い電極性能と優れた耐久性とを有するカソード形成用材料を好適に製造することができる。
以下、順に説明する。
Moreover, in this specification, the method of manufacturing suitably the cathode formation material mentioned above is provided. The manufacturing method provided here prepares LSCF and LSTF (preparation step); composites the LSCF and LSTF by mechanochemical treatment to obtain composite particles (composite step); To prepare a cathode forming material (preparation step). According to this manufacturing method, a cathode forming material having high electrode performance and excellent durability can be preferably manufactured.
Hereinafter, it demonstrates in order.
<用意工程>
ここで開示される製造方法では、先ずLSCFとLSTFとを用意する。これらは、購入したものを用いてもよく、また例えば原料物質から従来公知の手法を用いて作製することもできる。
ここで用意する該酸化物の性状は特に限定されないが、例えばLSCFの平均粒径は2μm未満(典型的には0.001μm〜2μm、例えば0.01μm〜1μm、好ましくは0.01μm〜0.5μm、より好ましくは0.01μm〜0.2μm)とすることができる。また、LSTFの平均粒径は0.1μm〜20μm(好ましくは0.5μm〜10μm、より好ましくは1μm〜3μm)とすることできる。後述する複合化工程の前に、あらかじめ酸化物の粒径を上記範囲内に調製しておくことで、メカノケミカル処理後の複合粒子の形態を好適に調節することができ、本願の効果をより高いレベルで発揮し得る。なお、かかる粒径の調製は、従来公知の粉砕処理や、篩いがけ、分級等によって行うことができる。
<Preparation process>
In the manufacturing method disclosed herein, first, LSCF and LSTF are prepared. Those purchased may be used, and for example, they can be produced from a raw material using a conventionally known method.
Although the properties of the oxide prepared here are not particularly limited, for example, the average particle size of LSCF is less than 2 μm (typically 0.001 μm to 2 μm, such as 0.01 μm to 1 μm, preferably 0.01 μm to 0.001 μm). 5 μm, more preferably 0.01 μm to 0.2 μm). The average particle size of the LSTF can be 0.1 μm to 20 μm (preferably 0.5 μm to 10 μm, more preferably 1 μm to 3 μm). By preparing the particle size of the oxide within the above range in advance before the compositing step described later, the form of the composite particles after mechanochemical treatment can be suitably adjusted, and the effects of the present application can be further improved. Can be demonstrated at a high level. The particle size can be adjusted by a conventionally known pulverization process, sieving, classification or the like.
ここで好ましい一態様としては、LSCFとLSTFとの質量比率が、LSCF:LSTF=80:20〜30:70となるよう用意する。上記質量比でLSCFとLSTFとを用いることで、高い電極性能と耐久性とをより高いレベルで両立することができる。 Here, as a preferable aspect, a mass ratio of LSCF and LSTF is prepared so that LSCF: LSTF = 80: 20 to 30:70. By using LSCF and LSTF at the above mass ratio, both high electrode performance and durability can be achieved at a higher level.
<複合化工程>
ここで開示される製造方法では、次に、所定の配合比で量りとったLSCFとLSTFを(必要に応じてそれ以外の添加物とともに)適当な混合機に投入し、メカノケミカル処理を行う。これによりLSCFとLSTFとを複合化し、複合粒子を得ることができる。なお、メカノケミカル処理には、従来用いられる粉砕・混合装置のうち一種または二種以上を特に限定なく用いることができる。例えば、ジェットミル、プラネタリーミキサー、ホモジナイザー、ディスパー等の非媒体型の粉砕混合機(粉砕媒体が不要なもの)や、ボールミル、ビーズミル等の媒体型粉砕混合機(粉砕媒体を必要とするもの)を適宜用いることができ、非媒体型の粉砕混合機を用いることが好ましい。非媒体型の粉砕混合機を用いることで上記複合化処理を好適に行うことができ、且つ媒体との接触によるコンタミネーション(異物混入)を低減し得る。より好ましくは、乾式の非媒体型粉砕混合機を用いる。乾式混合することにより、必要以上に粒子が解砕されることを抑制し得る。また、原料物質たるLSCFとLSTFおよび/または目的物たる複合粒子の意図しない変質や変化等を防止することができる。かかる粉砕機の粉砕処理条件(例えば、粉砕強度や粉砕時間)を適宜調節することで、所望の形態(粒径、形状)の複合粒子を得ることができる。
より具体的には、例えばホソカワミクロン株式会社製の「NOB−MINI」を用いてメカノケミカル処理を行う場合、出力:0.1kW〜5kW(典型的には0.5kW〜3kW、例えば1kW〜3kW)で1分間〜30分間(典型的には3分間〜20分間、例えば5分間〜15分間)とすることで、該処理後の面積を10%以上(典型的には10%〜40%、好ましくは15%〜30%)低減することができ、所望の複合化粒子を好適に得ることができる。
<Composite process>
In the production method disclosed herein, next, LSCF and LSTF weighed at a predetermined blending ratio (along with other additives as necessary) are put into a suitable mixer to perform mechanochemical treatment. Thereby, LSCF and LSTF can be compounded and composite particles can be obtained. In the mechanochemical treatment, one kind or two or more kinds of conventionally used grinding / mixing apparatuses can be used without any particular limitation. For example, non-medium type pulverizing and mixing machines such as jet mills, planetary mixers, homogenizers, and dispersers (one that does not require pulverizing media), and medium type pulverizing mixers such as ball mills and bead mills (one that requires pulverizing media) It is preferable to use a non-medium type pulverizing mixer. By using a non-medium type pulverizing mixer, the above-described compounding treatment can be suitably performed, and contamination (foreign matter contamination) due to contact with the medium can be reduced. More preferably, a dry non-medium type pulverizing mixer is used. By dry mixing, the particles can be prevented from being crushed more than necessary. Further, unintended alteration or change of the LSCF and LSTF as the raw materials and / or the composite particles as the object can be prevented. By appropriately adjusting the pulverization processing conditions (for example, pulverization strength and pulverization time) of the pulverizer, composite particles having a desired form (particle size, shape) can be obtained.
More specifically, for example, when performing mechanochemical treatment using “NOB-MINI” manufactured by Hosokawa Micron Corporation, output: 0.1 kW to 5 kW (typically 0.5 kW to 3 kW, for example, 1 kW to 3 kW) 1 to 30 minutes (typically 3 to 20 minutes, for example 5 to 15 minutes), the area after the treatment is 10% or more (typically 10% to 40%, preferably Can be reduced by 15% to 30%), and desired composite particles can be suitably obtained.
かかるメカノケミカル処理では、LSCFとLSTFとが複合化されることにより、得られた複合粒子の比表面積は該処理前のものと比較して減少している。該処理によって減少する比表面積は10%以上であって、典型的には10%以上50%以下、例えば10%以上40%以下、好ましくは15%以上35%以下、より好ましくは15%以上30%以下である。すなわち、メカノケミカル処理後の比表面積B(m2/g)と該処理前の比表面積A(m2/g)との関係は、10≦(A−B)/Aであり、典型的には10≦(A−B)/A≦50、例えば10≦(A−B)/A≦40、例えば10<(A−B)/A<40、好ましくは15≦(A−B)/A≦35、より好ましくは15≦(A−B)/A≦30となるように行うことが好ましい。メカノケミカル処理を過剰にやりすぎると粒子が解砕されすぎて、反応性(触媒能力)の低下や粒子間の抵抗増大を招く虞がある。上記範囲を満たすようにメカノケミカル処理を行うことで、粒子間の接触抵抗が低減され、電子伝導性や酸素イオン伝導性により一層優れたカソード形成用材料を得ることができる。 In such mechanochemical treatment, LSCF and LSTF are complexed, so that the specific surface area of the obtained composite particles is reduced as compared with that before the treatment. The specific surface area reduced by the treatment is 10% or more, typically 10% or more and 50% or less, such as 10% or more and 40% or less, preferably 15% or more and 35% or less, more preferably 15% or more and 30%. % Or less. That is, the relationship between the specific surface area B (m 2 / g) after the mechanochemical treatment and the specific surface area A (m 2 / g) before the treatment is 10 ≦ (AB) / A, typically 10 ≦ (A−B) / A ≦ 50, for example, 10 ≦ (A−B) / A ≦ 40, for example, 10 <(A−B) / A <40, preferably 15 ≦ (A−B) / A ≦ 35, more preferably 15 ≦ (A−B) / A ≦ 30. If the mechanochemical treatment is excessively performed, the particles are excessively crushed, which may cause a decrease in reactivity (catalytic ability) and an increase in resistance between particles. By performing the mechanochemical treatment so as to satisfy the above range, the contact resistance between particles is reduced, and a cathode forming material that is more excellent in electron conductivity and oxygen ion conductivity can be obtained.
<調製工程>
そして、上記複合粒子を用いて、カソード形成用材料を調製する。該材料の形態は、上述したような粉末状、ペースト状、固体状等であり得、例えば該材料と上述した任意の添加成分(例えばバインダや分散剤)とを1種以上の溶媒(例えばターピネオール)中で混合したペースト状の組成物であることが好ましい。ペーストの調製には、ボールミル、ミキサー、ディスパー、ニーダ等の従来公知の種々の攪拌・混合装置を適宜用いることができる。また、使用し得る溶媒の種類や混合比等は既に上述したものと同一であり得る。例えば、上記粉末状の複合粒子とその他の添加剤とを50rpm〜300rpmの攪拌速度で、0.5時間〜1時間混練することによって、粉末状の複合粒子が好適に分散したペースト状のカソード形成用材料を得ることができる。
<Preparation process>
Then, a cathode forming material is prepared using the composite particles. The form of the material may be in the form of powder, paste, solid or the like as described above. For example, the material and any of the above-described optional components (for example, binder or dispersant) are combined with one or more solvents (for example, terpineol). It is preferable that it is a paste-like composition mixed in. For the preparation of the paste, various conventionally known stirring / mixing devices such as a ball mill, a mixer, a disper, and a kneader can be appropriately used. Moreover, the kind of solvent which can be used, a mixing ratio, etc. may be the same as what was already mentioned above. For example, the powdery composite particles and other additives are kneaded at a stirring speed of 50 rpm to 300 rpm for 0.5 hour to 1 hour to form a paste-like cathode in which the powdery composite particles are suitably dispersed. Materials can be obtained.
また、本発明により、アノードと固体電解質とカソードとを備えた固体酸化物形燃料電池(SOFC)が提供される。そして、上記カソードはここで開示される複合粒子を主体として形成されている。上記カソードを備えたSOFCは、高い発電性能を発揮し得る。また、環境変化に伴うカソードの膨張・収縮(例えば、熱膨張や還元膨張)が抑えられているため、かかるSOFCは信頼性や耐久性に優れ、長期に渡り安定的に使用することができる。 The present invention also provides a solid oxide fuel cell (SOFC) comprising an anode, a solid electrolyte, and a cathode. The cathode is formed mainly of the composite particles disclosed herein. The SOFC provided with the cathode can exhibit high power generation performance. Further, since the cathode expansion / contraction (for example, thermal expansion or reductive expansion) due to environmental changes is suppressed, such SOFC is excellent in reliability and durability and can be used stably over a long period of time.
ここで開示されるSOFCは種々の構造、例えば従来公知の平型(Planar)、多角形型、円筒型(Tubular)あるいは円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒型(Flat Tubular)等とすることができ、形状やサイズは特に限定されない。例えば平型は、電力密度が高く、円筒型に比べて安価であるという特徴を有する。また、円筒型はガスの流量を一定に保ち易く、より安定的な発電が可能であるという特徴を有する。このため、用途等に応じて適宜好ましい形状およびサイズを選択することが好ましい。また、平型のSOFCとしては、電解質を厚くした電解質支持型(Electrolyte-Supported Cell:ESC)、アノードを厚くしたアノード支持型(Anode-Supported Cell:ASC)、カソードを厚くしたカソード支持型(Cathode-Supported Cell:CSC)等が挙げられる。その他、アノードの下に多孔質な金属シートを入れた、メタルサポートセル(Metal-Supported Cell:MSC)とすることもできる。 The SOFC disclosed herein has various structures, such as a conventionally known flat type (Planar), polygonal type, cylindrical type (Tubular), or a flat cylindrical type (Flat Tubular) in which the peripheral side surface of the cylinder is vertically crushed. The shape and size are not particularly limited. For example, the flat type has a feature that it has a high power density and is cheaper than the cylindrical type. In addition, the cylindrical type has a feature that it is easy to keep the gas flow rate constant and more stable power generation is possible. For this reason, it is preferable to select a preferable shape and size as appropriate according to the application. The flat SOFC includes an electrolyte-supported cell (ESC) with a thicker electrolyte, an anode-supported cell (ASC) with a thicker anode, and a cathode-supported (Cathode) with a thicker cathode. -Supported Cell: CSC). In addition, a metal-supported cell (MSC) in which a porous metal sheet is placed under the anode can be used.
一例として、図1を参照しながら説明する。図1は、ここで開示されるSOFC50を備えた発電システムの断面構成を模式的に示した図である。ここに示す構成のSOFC50はアノード支持型のSOFCであり、支持体(基材)となるシート状のアノード(燃料極)10と、アノード10の少なくとも一部の表面上に形成された(膜状の)固体電解質20と、固体電解質20の表面上に形成されたシート状のカソード(空気極)30とが積層された構造を有している。そして、アノード10の端部12と、燃料ガス(典型的にはH2(水素))を供給するガス管60の接合面とが接続部材40によって接合され、気体が流出および/または流入しないように封止されている。また、カソード30は外気に露出した構造を有している。かかる発電システムに電流を印加すると、カソード30において酸素含有ガス(典型的には空気)中の酸素原子が酸素イオンとなる。該酸素イオンは、カソード30から固体電解質20を介してアノード10に到達し、アノード10に供給される。そして、燃料ガス中の水素(H2)と反応して電子を放出することによって発電が行われる。
以下、SOFCの構成要素について順に説明する。
An example will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a cross-sectional configuration of a power generation system including the SOFC 50 disclosed herein. The SOFC 50 having the structure shown here is an anode-supported SOFC, and is formed on a sheet-like anode (fuel electrode) 10 serving as a support (base material) and at least a part of the surface of the anode 10 (film-like). The solid electrolyte 20 and a sheet-like cathode (air electrode) 30 formed on the surface of the solid electrolyte 20 are laminated. The end 12 of the anode 10 and the joining surface of the gas pipe 60 that supplies fuel gas (typically H 2 (hydrogen)) are joined by the connecting member 40 so that the gas does not flow out and / or flow in. Is sealed. The cathode 30 has a structure exposed to the outside air. When a current is applied to such a power generation system, oxygen atoms in the oxygen-containing gas (typically air) become oxygen ions at the cathode 30. The oxygen ions reach the anode 10 from the cathode 30 through the solid electrolyte 20 and are supplied to the anode 10. Then, electricity is generated by reacting with hydrogen (H 2 ) in the fuel gas and releasing electrons.
Hereinafter, the components of the SOFC will be described in order.
ここで開示されるSOFC50を構成するアノード(燃料極)10はガスを透過し得る多孔質構造を有している。アノード10の気孔率は、例えば10体積%〜50体積%、好ましくは20体積%〜40体積%とすることができる。また、平均細孔径は、例えば10μm以下、好ましくは0.1μm〜5μmとすることができる。かかる範囲を満たす場合、高い機械的強度と優れたガス透過性(即ち、十分なガス接触面積の確保)とを高いレベルで両立させることができる。なお、アノードの形状はSOFCに供給される燃料ガスに接触できるように構成されていればよく、上述したSOFCの形状に応じて適宜選択し得る。図1に示す構成のSOFC50では、シート状のアノード10がSOFC50の支持体として比較的厚めに形成されている。上記支持体としてのアノード10の厚みは、典型的には0.1mm〜10mm程度であり、好ましくは0.5mm〜5mm程度であるが、かかる厚みに限定されるものではない。また、例えば多孔質構造(多孔率)の異なる2層以上を積層した構造とすることもできる。この場合、固体電解質20から離れた層の多孔度をより高くすることで、ガスの分散を均一にすることができる。 The anode (fuel electrode) 10 constituting the SOFC 50 disclosed herein has a porous structure that can permeate gas. The porosity of the anode 10 can be, for example, 10 volume% to 50 volume%, preferably 20 volume% to 40 volume%. The average pore diameter can be, for example, 10 μm or less, preferably 0.1 μm to 5 μm. When satisfying such a range, high mechanical strength and excellent gas permeability (that is, securing a sufficient gas contact area) can be achieved at a high level. Note that the shape of the anode only needs to be configured so as to be in contact with the fuel gas supplied to the SOFC, and can be appropriately selected according to the shape of the SOFC described above. In the SOFC 50 having the configuration shown in FIG. 1, the sheet-like anode 10 is formed relatively thick as a support for the SOFC 50. The thickness of the anode 10 as the support is typically about 0.1 mm to 10 mm, and preferably about 0.5 mm to 5 mm, but is not limited to this thickness. Further, for example, a structure in which two or more layers having different porous structures (porosities) are laminated may be used. In this case, it is possible to make the gas distribution uniform by increasing the porosity of the layer away from the solid electrolyte 20.
アノード10を構成する材料としては、例えば1種以上の金属もしくは金属の酸化物が挙げられる。より具体的には、チタン(Ti)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ストロンチウム(Sr)、ジルコニウム(Zr)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、ランタン(La)、金(Au)等の金属、もしくは、酸化コバルト(CoO、Co2O3、Co3O4)、酸化ニッケル(NiO、Ni2O3、Ni3O4)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化ルテニウム(RuO2)等の金属酸化物が挙げられる。なかでもニッケルは他の金属に比べて安価であり、且つ高い活性を示すことから、特に好適な金属種である。また、これらの金属や金属酸化物と、他の材料とを混合した複合物を用いることもできる。より具体的には、上記アノード構成材料(金属や金属酸化物)と、後述する固体電解質20の構成材料とを任意の割合で混合した複合物を用いることができる。好適例として、例えばニッケルと安定化ジルコニア(例えば、イットリア安定化ジルコニア(Yttria stabilized zirconia:YSZ)、カルシア安定化ジルコニア(Calcia stabilized zirconia:CSZ)、スカンジア安定化ジルコニア(Scandia stabilized zirconia:ScSZ)等)とのサーメットが挙げられる。固体電解質の構成材料と混合することで、熱膨張の整合がとれ、耐久性に優れたSOFCを構築し得る。また、ニッケル粒子間の焼結をも防止し得るため好ましい。上記金属と固体電解質構成材料との混合比率(質量比)は、特に限定するものではないが、例えば90:10〜40:60(より好ましくは、凡そ80:20〜45:55)とすることができる。 Examples of the material constituting the anode 10 include one or more metals or metal oxides. More specifically, titanium (Ti), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), strontium (Sr), zirconium (Zr), ruthenium (Ru), palladium (Pd) , Osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), lanthanum (La), gold (Au), or other metals, or cobalt oxide (CoO, Co 2 O 3 , Co 3 O 4 ), nickel oxide ( Examples thereof include metal oxides such as NiO, Ni 2 O 3 , Ni 3 O 4 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), and ruthenium oxide (RuO 2 ). Among these, nickel is a particularly preferred metal species because it is cheaper than other metals and exhibits high activity. Moreover, the composite material which mixed these metals and metal oxides, and another material can also be used. More specifically, a composite in which the anode constituent material (metal or metal oxide) and a constituent material of the solid electrolyte 20 described later are mixed at an arbitrary ratio can be used. Preferred examples include nickel and stabilized zirconia (for example, Yttria stabilized zirconia (YSZ), calcia stabilized zirconia (CSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), etc.). And cermet. By mixing with the constituent material of the solid electrolyte, the thermal expansion is matched and an SOFC having excellent durability can be constructed. Moreover, since sintering between nickel particles can also be prevented, it is preferable. The mixing ratio (mass ratio) of the metal and the solid electrolyte constituent material is not particularly limited, but is, for example, 90:10 to 40:60 (more preferably about 80:20 to 45:55). Can do.
ここで開示されるSOFC50を構成する固体電解質20は緻密構造を有している。かかる固体電解質20はアノード10の上に積層されており、アノード10の形状に応じてその形状を適宜変更することができる。また、固体電解質20の厚み(膜厚)は、典型的には5μm〜100μm程度であり、好ましくは10μm〜30μm程度であるが、かかる厚みに限定されるものではない。 The solid electrolyte 20 constituting the SOFC 50 disclosed herein has a dense structure. The solid electrolyte 20 is laminated on the anode 10, and the shape thereof can be appropriately changed according to the shape of the anode 10. The thickness (film thickness) of the solid electrolyte 20 is typically about 5 μm to 100 μm, and preferably about 10 μm to 30 μm, but is not limited to this thickness.
固体電解質20を構成する材料としては、高い酸素イオン伝導性を有する化合物が好ましい。例えば、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、カルシウム(Ca)、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、ガリウム(Ga)、ストロンチウム(Sr)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、バリウム(Ba)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、サマリウム(Sm)、ガドリニウム(Gd)、タングステン(W)、ビスマス(Bi)等から選択される元素を含む酸化物が挙げられる。より具体的には、イットリア(Y2O3)、カルシア(CaO)、スカンジア(Sc2O3)、マグネシア(MgO)、イッテルビア(Yb2O3)、エルビア(Er2O3)等の安定化剤で結晶構造を安定化させたジルコニア(ZrO2);イットリア(Y2O3)、ガドリニア(Gd2O3)、サマリア(Sm2O3)等のドープ剤をドープしたセリア(CeO2);等が、好適例として挙げられる。とりわけ、イットリウム(Y)の酸化物(例えば、イットリア(Y2O3))を固溶させたイットリア安定化ジルコニア(YSZ)、スカンジウム(Sc)の酸化物(例えばスカンジア(Sc2O3))を固溶させたスカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)は、中低温においても比較的高い酸素イオン伝導性を示すため、好ましく用いることができる。 As a material constituting the solid electrolyte 20, a compound having high oxygen ion conductivity is preferable. For example, magnesium (Mg), aluminum (Al), calcium (Ca), scandium (Sc), titanium (Ti), gallium (Ga), strontium (Sr), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb) ), Barium (Ba), lanthanum (La), cerium (Ce), samarium (Sm), gadolinium (Gd), tungsten (W), an oxide containing an element selected from bismuth (Bi), and the like. More specifically, the stability of yttria (Y 2 O 3 ), calcia (CaO), scandia (Sc 2 O 3 ), magnesia (MgO), ytterbia (Yb 2 O 3 ), erbia (Er 2 O 3 ), etc. Ceria (CeO 2 ) doped with a dopant such as zirconia (ZrO 2 ), yttria (Y 2 O 3 ), gadolinia (Gd 2 O 3 ), samaria (Sm 2 O 3 ), whose crystal structure is stabilized with an agent. ); And the like are preferable examples. In particular, yttria-stabilized zirconia (YSZ) in which an oxide of yttrium (Y) (for example, yttria (Y 2 O 3 )) is dissolved, oxide of scandium (Sc) (for example, scandia (Sc 2 O 3 )) Scandia-stabilized zirconia (ScSZ) in which is dissolved can be preferably used because it exhibits relatively high oxygen ion conductivity even at medium and low temperatures.
ここで開示されるSOFCを構成するカソード(空気極)30は、アノード10と同様にガスを透過し得る多孔質構造を有している。カソード30の気孔率は、例えば10体積%〜30体積%、好ましくは15体積%〜25体積%とすることができる。また、平均細孔径は、例えば10μm以下、好ましくは0.1μm〜5μmとすることができる。かかるカソード30は、上記固体電解質20の上に積層されており、固体電解質20の形状に応じてその形状を適宜変更することができる。また、カソード30の厚み(膜厚)は、典型的には1μm〜200μm程度であり、好ましくは5μm〜100μm程度、より好ましくは10μm〜100μmであるが、かかる厚みに限定されるものではない。 The cathode (air electrode) 30 that constitutes the SOFC disclosed herein has a porous structure that allows gas to permeate in the same manner as the anode 10. The porosity of the cathode 30 can be, for example, 10 volume% to 30 volume%, preferably 15 volume% to 25 volume%. The average pore diameter can be, for example, 10 μm or less, preferably 0.1 μm to 5 μm. The cathode 30 is laminated on the solid electrolyte 20, and the shape can be appropriately changed according to the shape of the solid electrolyte 20. The thickness (film thickness) of the cathode 30 is typically about 1 μm to 200 μm, preferably about 5 μm to 100 μm, more preferably 10 μm to 100 μm, but is not limited to this thickness.
ここで開示されるSOFCの好ましい一態様としては、カソード30は、固体電解質20上に反応抑止層を設けることなく直接的に形成されている。一般的に、カソード形成用材料としてLSCFを用いる場合には、該カソードと固体電解質(典型的には、ジルコニア系酸化物)との反応を抑止するため、これらの間に反応抑止層を形成する必要がある。しかし、ここで開示されるカソードはLSTFを含むためにかかる反応性が低減されたものであり得る。このため、固体電解質20の上に直接形成することができ、SOFCの構造をより簡素化し得る。したがって、生産性に優れ、且つ好ましくはSOFCの内部抵抗をも低減することができる。なお、カソードを構成する材料としては既に上述したカソード形成用材料を用いることができる。 As a preferred embodiment of the SOFC disclosed herein, the cathode 30 is formed directly on the solid electrolyte 20 without providing a reaction inhibiting layer. In general, when LSCF is used as a cathode forming material, a reaction inhibiting layer is formed between the cathode and a solid electrolyte (typically zirconia oxide) in order to inhibit the reaction between them. There is a need. However, the cathode disclosed herein can include such LSTFs to reduce such reactivity. For this reason, it can form directly on the solid electrolyte 20, and the structure of SOFC can be simplified more. Therefore, it is excellent in productivity, and preferably the internal resistance of SOFC can be reduced. As the material constituting the cathode, the above-mentioned cathode forming material can be used.
また、本明細書において、SOFCを好適に製造する方法が提供される。ここで開示される製造方法は、多孔質構造のアノードと、酸素イオン伝導体からなる固体電解質と、多孔質構造のカソードとからなる積層構造を有した固体酸化物形燃料電池を製造する方法である。そして、上記カソードは、ここで開示されるカソード形成用材料により構成されていることを特徴とする。 Moreover, in this specification, the method of manufacturing SOFC suitably is provided. The manufacturing method disclosed here is a method of manufacturing a solid oxide fuel cell having a laminated structure including a porous structure anode, a solid electrolyte composed of an oxygen ion conductor, and a porous structure cathode. is there. And the said cathode is comprised by the material for cathode formation disclosed here, It is characterized by the above-mentioned.
かかる製造方法は、上記アノードと、上記アノード上に形成された固体電解質とからなるアノード−固体電解質積層体を用意すること、上記積層体の固体電解質側の表面に、ここで開示されるカソード形成用材料(典型的には、複合粒子)を付与すること、上記材料が付与された上記積層体を焼成することによって上記カソードを形成すること、を包含する。ここで開示される製造方法では、カソードと他の構成材料(例えば、固体電解質や発電システムを構成する部材)との熱膨張係数(熱膨張率)の差異が小さく抑えられているため、熱膨張に起因する不具合(例えばクラックの発生)が生じ難い。また、カソード用材料と電解質との反応性が低いため、反応抑止層を設ける必要がない。したがって、ここで開示される製造方法によれば、高耐久性でありながら、高い発電性能を発揮し得るSOFCを簡便に製造することができる。
具体的な製造方法を、図2を用いて詳細に説明する。
Such a manufacturing method includes preparing an anode-solid electrolyte laminate comprising the anode and a solid electrolyte formed on the anode, and forming a cathode disclosed herein on the surface of the laminate on the solid electrolyte side. Application material (typically, composite particles) and firing the laminate to which the material is applied to form the cathode. In the manufacturing method disclosed here, the difference in thermal expansion coefficient (thermal expansion coefficient) between the cathode and other constituent materials (for example, members constituting the solid electrolyte and the power generation system) is suppressed to be small. Inconveniences (for example, generation of cracks) due to Further, since the reactivity between the cathode material and the electrolyte is low, there is no need to provide a reaction inhibiting layer. Therefore, according to the manufacturing method disclosed herein, it is possible to easily manufacture an SOFC that can exhibit high power generation performance while having high durability.
A specific manufacturing method will be described in detail with reference to FIG.
<アノード−固体電解質積層体の用意>
ここで「アノード−固体電解質積層体」とは、アノードと固体電解質とが積層した状態を示すものであり、該アノード−固体電解質積層体を用意する方法について特に制限はない。したがって、SOFCの製造方法において従来公知のアノードおよび固体電解質の作製方法を用いることができる。
例えば、図2(a)に示すように、まず、支持基材(支持体)として多孔質構造のアノード10を形成する。ここでは、8族〜10族の金属元素の材料(例えばニッケル材料)と安定化ジルコニア(例えばYSZ)とを混合し、サーメット材料を調製する。次に、上記サーメット材料と、バインダ(例えばメタクリル酸エステル系ポリマー)と、分散剤(例えばソルビタントリオレエート)と、造孔材(例えばカーボン)とを、溶媒(例えばキシレン)に分散させて、ペースト状のアノード形成用材料を調製する。そして、調製したアノード形成用材料を適当な成形方法(例えばシート成形)で成形し、成形体を焼成することによってシート状のアノード10を形成することができる。上記成形体の焼成は、例えば1200℃〜1500℃の温度で1時間〜5時間加熱することにより行うことができる。なお、アノード形成用材料の焼成は、後述の固体電解質用材料の焼成と同時に行ってもよい。
<Preparation of anode-solid electrolyte laminate>
Here, the “anode-solid electrolyte laminate” indicates a state where the anode and the solid electrolyte are laminated, and there is no particular limitation on the method for preparing the anode-solid electrolyte laminate. Therefore, conventionally known anode and solid electrolyte production methods can be used in the SOFC production method.
For example, as shown in FIG. 2A, first, an anode 10 having a porous structure is formed as a support substrate (support). Here, a cermet material is prepared by mixing a group 8-10 metal element material (for example, nickel material) and a stabilized zirconia (for example, YSZ). Next, the cermet material, a binder (for example, a methacrylic ester polymer), a dispersant (for example, sorbitan trioleate), and a pore former (for example, carbon) are dispersed in a solvent (for example, xylene), and a paste is obtained. An anode forming material is prepared. The prepared anode forming material is molded by an appropriate molding method (for example, sheet molding), and the molded body is fired to form the sheet-like anode 10. The molded body can be fired, for example, by heating at a temperature of 1200 ° C. to 1500 ° C. for 1 hour to 5 hours. The firing of the anode forming material may be performed simultaneously with the firing of the solid electrolyte material described later.
そして、図2(b)に示すように、アノード10上に固体電解質20を形成する。ここでは、上述した固体電解質20の原料(例えばYSZ)をバインダ(例えばメタクリル酸エステル系ポリマー)と分散剤(例えばソルビタントリオレエート)とともに溶媒(例えばキシレン)に分散させて、ペースト状の固体電解質用材料を調製する。次に、調製した固体電解質用材料をアノード10(もしくはアノード形成用材料の成形体)上に任意の手法(例えば印刷成形)で付与し、固体電解質用材料の成形体を形成する。そして固体電解質用材料を付与した成形体を乾燥させた後に、大気雰囲気下で焼成する。このときの焼成温度は凡そ1200℃〜1400℃とすることができ、焼成時間は凡そ1時間〜5時間とすることができる。かかる焼成によってアノード10の上に膜状の固体電解質20が形成され、アノード10と、該アノード10上に形成された固体電解質20からなる、アノード−固体電解質積層体110を得ることができる。 Then, as shown in FIG. 2 (b), the solid electrolyte 20 is formed on the anode 10. Here, the raw material (for example, YSZ) of the above-described solid electrolyte 20 is dispersed in a solvent (for example, xylene) together with a binder (for example, methacrylic ester-based polymer) and a dispersant (for example, sorbitan trioleate), and used for a paste-like solid electrolyte. Prepare the material. Next, the prepared solid electrolyte material is applied to the anode 10 (or a molded body of the anode forming material) by an arbitrary method (for example, printing molding) to form a molded body of the solid electrolyte material. And after drying the molded object which provided the material for solid electrolytes, it bakes in an atmospheric condition. The firing temperature at this time can be about 1200 to 1400 ° C., and the firing time can be about 1 to 5 hours. By such firing, a membrane-like solid electrolyte 20 is formed on the anode 10, and an anode-solid electrolyte laminate 110 including the anode 10 and the solid electrolyte 20 formed on the anode 10 can be obtained.
<カソードの形成>
次に、図2(c)に示すように、アノード−固体電解質積層体110の固体電解質20側の表面に上述のカソード形成用材料を付与する。この際、均質な電極を安定して作製するために、構成材料を1種以上の溶媒に分散(もしくは溶解)させ、調製したものを好ましく用いることができる。そして任意の手法(例えば塗布)を用いて、該ペースト状の複合粒子を固体電解質20上に付与する。塗布方法としては、ドクターブレード法、ディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法、スプレー法等を用いることができる。そして、カソード形成用材料が付与された積層体を焼成する。焼成方法は特に限定されないが、例えば、700℃〜900℃(好ましくは750℃〜850℃)の温度で焼成することができる。これによりカソード30が形成され、アノード10と固体電解質20とカソード30とが積層されたSOFC50を得ることができる。
<Formation of cathode>
Next, as shown in FIG. 2C, the above-described cathode forming material is applied to the surface of the anode-solid electrolyte laminate 110 on the solid electrolyte 20 side. At this time, in order to stably produce a homogeneous electrode, a material prepared by dispersing (or dissolving) a constituent material in one or more solvents can be preferably used. Then, the paste-like composite particles are applied onto the solid electrolyte 20 using any method (for example, application). As a coating method, a doctor blade method, a dipping method, a screen printing method, a roll coating method, a spray method, or the like can be used. And the laminated body to which the material for cathode formation was provided is baked. Although a baking method is not specifically limited, For example, it can bake at the temperature of 700 to 900 degreeC (preferably 750 to 850 degreeC). Thereby, the cathode 30 is formed, and the SOFC 50 in which the anode 10, the solid electrolyte 20, and the cathode 30 are laminated can be obtained.
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。本実施例では、カソード形成用材料の異なる8種類の固体酸化物形燃料電池(SOFC)を作製し、その特性および発電性能を評価した。なお、以下で説明する実施例は、本発明を限定することを意図したものではない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples. In this example, eight types of solid oxide fuel cells (SOFC) having different cathode forming materials were produced, and their characteristics and power generation performance were evaluated. Note that the examples described below are not intended to limit the present invention.
〔カソード形成用材料の調製〕
<比較例1>
平均粒径0.2μmのLSCF酸化物(ここでは、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3−δを用いた。)粒子と、平均粒径1.0μmのLSTF酸化物(ここでは、La0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3−δを用いた。)粒子とを、LSCF:LSTF=70:30の質量比率で秤量し乳鉢を用いて混合分散することで、カソード形成用材料(比較例1)を得た。
[Preparation of cathode forming material]
<Comparative Example 1>
LSCF oxide particles having an average particle diameter of 0.2 μm (here, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3-δ ) and LSTF having an average particle diameter of 1.0 μm Oxide particles (here, La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.3 Fe 0.7 O 3-δ were used) were weighed at a mass ratio of LSCF: LSTF = 70: 30, and a mortar was prepared. A cathode forming material (Comparative Example 1) was obtained by using and mixing and dispersing.
<実施例1>
上記比較例1において、乳鉢混合に替えてホソカワミクロン株式会社製の「NOB−MINI」を用い0.5kWの条件で10分間メカノケミカル処理(乾式混合)を行うことで、カソード形成用材料(実施例1)を得た。
<Example 1>
In Comparative Example 1 described above, the cathode forming material (Example) was obtained by performing mechanochemical treatment (dry mixing) for 10 minutes under the condition of 0.5 kW using “NOB-MINI” manufactured by Hosokawa Micron Corporation instead of mortar mixing. 1) was obtained.
<実施例2>
上記メカノケミカル処理を1.0kWの条件で10分間行ったこと以外は実施例1と同様に、カソード形成用材料(実施例2)を得た。
<Example 2>
A cathode forming material (Example 2) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the mechanochemical treatment was performed for 10 minutes under the condition of 1.0 kW.
<実施例3>
上記メカノケミカル処理を3.0kWの条件で10分間行ったこと以外は実施例1と同様に、カソード形成用材料(実施例3)を得た。
<Example 3>
A cathode forming material (Example 3) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the mechanochemical treatment was performed for 10 minutes under the condition of 3.0 kW.
<実施例4>
上記メカノケミカル処理を3.0kWの条件で20分間行ったこと以外は実施例1と同様に、カソード形成用材料(実施例4)を得た。
<Example 4>
A cathode forming material (Example 4) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the mechanochemical treatment was performed for 20 minutes under the condition of 3.0 kW.
<比較例2>
LSCF酸化物のみを用いた場合(すなわちLSTF酸化物を用いなかった場合)を、カソード形成用材料(比較例2)とした。
<Comparative example 2>
The case where only the LSCF oxide was used (that is, the case where the LSTF oxide was not used) was used as the cathode forming material (Comparative Example 2).
<比較例3>
LSTF酸化物に換えてGDCを用い、且つLSCF酸化物とGDCとの質量比率がLSCF:GDC=50:50となるよう乾式混合したこと以外は比較例1と同様に、カソード形成用材料(比較例3)を得た。
<Comparative Example 3>
Cathode forming material (comparison) as in Comparative Example 1 except that GDC was used instead of LSTF oxide and dry mixing was performed so that the mass ratio of LSCF oxide to GDC was LSCF: GDC = 50: 50. Example 3) was obtained.
<比較例4>
上記LSCF酸化物とGDCとの質量比率がLSCF:GDC=40:60となるよう乾式混合したこと以外は比較例3と同様に、カソード形成用材料(比較例4)を得た。
上記粒子の条件を表1に纏める。
<Comparative Example 4>
A cathode forming material (Comparative Example 4) was obtained in the same manner as Comparative Example 3 except that the dry mixing was performed so that the mass ratio of the LSCF oxide to GDC was LSCF: GDC = 40: 60.
The particle conditions are summarized in Table 1.
〔比表面積の測定〕
得られたカソード形成用材料の比表面積を下記条件で測定した。作製に用いた材料および乾式混合の条件と共に、結果を表1に示す。なお、表1においてメカノケミカル処理条件の欄の「−」は、メカノケミカル処理を行わなかったことを示している。
測定装置;日本ベル株式会社製、自動比表面積/細孔分布測定装置「BELSORP(商標)−18PLUS」
測定方法;定容量式吸着法
吸着ガス;窒素
解析方法;BET1点法
[Measurement of specific surface area]
The specific surface area of the obtained cathode forming material was measured under the following conditions. The results are shown in Table 1 together with the materials used for production and the dry mixing conditions. In Table 1, “−” in the column of mechanochemical treatment conditions indicates that no mechanochemical treatment was performed.
Measuring device: Nippon Bell Co., Ltd., automatic specific surface area / pore distribution measuring device “BELSORP ™ -18PLUS”
Measurement method; Constant volume adsorption method Adsorption gas; Nitrogen Analysis method; BET one-point method
表1に示すように、メカノケミカル処理において出力を高くおよび/または処理時間を長くするほど該処理後の比表面積は減少する傾向にあった。これは、メカノケミカル処理によってLSCFとLSTFとの複合化が進んだことを示している。 As shown in Table 1, the specific surface area after the treatment tended to decrease as the output was increased and / or the treatment time was increased in the mechanochemical treatment. This indicates that LSCF and LSTF have been combined by mechanochemical treatment.
〔電子顕微鏡観察〕
また、上記得られたカソード形成用材料の性状を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した。代表的な結果として、比較例1および実施例2の観察結果をそれぞれ図3および図8に示す。図3は比較例1に係る粒子、すなわちメカノケミカル処理を施していない混合粒子のSEM観察写真である。図8は実施例2に係る粒子、すなわちメカノケミカル処理を施した複合粒子のSEM観察写真である。また、かかる制限視野内においてエネルギー分散型X線分光分析(EDX)を行い、コバルト(Co)とチタン(Ti)の分布状態をマッピングした。得られた結果を、図4(比較例1におけるCo(Kα)の分布)、図5(比較例1におけるTi(Kα)の分布)、図9(実施例2におけるCo(Kα)の分布)、図10(実施例2におけるTi(Kα)の分布)にそれぞれ示す。
[Electron microscope observation]
The properties of the obtained cathode forming material were observed with a scanning electron microscope (SEM). As representative results, the observation results of Comparative Example 1 and Example 2 are shown in FIGS. 3 and 8, respectively. FIG. 3 is an SEM observation photograph of particles according to Comparative Example 1, that is, mixed particles not subjected to mechanochemical treatment. FIG. 8 is a SEM observation photograph of particles according to Example 2, that is, composite particles subjected to mechanochemical treatment. In addition, energy dispersive X-ray spectroscopic analysis (EDX) was performed within the limited visual field, and the distribution states of cobalt (Co) and titanium (Ti) were mapped. The obtained results are shown in FIG. 4 (Co (Kα) distribution in Comparative Example 1), FIG. 5 (Ti (Kα) distribution in Comparative Example 1), and FIG. 9 (Co (Kα) distribution in Example 2). FIG. 10 (distribution of Ti (Kα) in Example 2), respectively.
SEM−EDXのマッピング結果より、比較例1に係る図4および図5では、局所的にCoやTiの存在比率が高い箇所が認められた。すなわち、比較例1ではLSCFやLSTFが部分的に凝集し、均一に分散されていないことがわかった。一方、実施例2に係る図9および図10では、比較例1に比べCoやTiがより均一に分散していた。したがって、上記メカノケミカル処理によって、機械的な複合化のみならず均一分散の効果をも得られることが示された。 From the mapping result of SEM-EDX, in FIG. 4 and FIG. That is, in Comparative Example 1, it was found that LSCF and LSTF were partially aggregated and not uniformly dispersed. On the other hand, in FIGS. 9 and 10 according to Example 2, Co and Ti were more uniformly dispersed as compared with Comparative Example 1. Therefore, it was shown that the mechanochemical treatment can obtain not only a mechanical combination but also a uniform dispersion effect.
さらに、図3および図8に破線で表した部分を拡大したSEM写真を図6(比較例1)および図11(実施例2)に示す。その結果、比較例1(図6)に比べて実施例2(図11)ではサブミクロンオーダー(例えば0.1μm程度)の小さな粒子が多数存在しており、この小さな粒子が0.5μm〜1μm程度のより大きな粒子に結合(複合化)している状態が認められた。
そこで、上記観察された粒子の種類を明らかにすべく、図6(S1〜S6)および図11(S7〜S11)に示した地点において、EDXの手法を用いてそれぞれ定性分析を行った。結果を図7(比較例1)および図12(実施例2)のチャートに示す。また表2に各元素の定量分析結果を示す。
図7および表2の結果より、比較例1ではLSTFとLSCFとがそれぞれ独立した状態で混在していることが示された。一方、図11および表2の結果より、実施例2では0.5μm〜1μm程度のLSTF粒子をコアとし、該コア部の表面にサブミクロンオーダーのLSCFが多数付着(物理的に結合)した被覆部が形成された構造となっていることが示された。
Furthermore, the SEM photograph which expanded the part shown with the broken line in FIG.3 and FIG.8 is shown in FIG. 6 (comparative example 1) and FIG. 11 (Example 2). As a result, compared to Comparative Example 1 (FIG. 6), in Example 2 (FIG. 11), there are many small particles of submicron order (for example, about 0.1 μm), and these small particles are 0.5 μm to 1 μm. A state of being bound (complexed) to larger particles was observed.
Therefore, in order to clarify the types of the observed particles, qualitative analysis was performed using the EDX method at the points shown in FIG. 6 (S1 to S6) and FIG. 11 (S7 to S11). The results are shown in the charts of FIG. 7 (Comparative Example 1) and FIG. 12 (Example 2). Table 2 shows the results of quantitative analysis of each element.
7 and Table 2 show that in Comparative Example 1, LSTF and LSCF are mixed in an independent state. On the other hand, from the results shown in FIG. 11 and Table 2, in Example 2, the LSTF particles of about 0.5 μm to 1 μm were used as the core, and a large number of submicron LSCFs adhered (physically bonded) to the surface of the core part. It was shown that the structure was formed with parts.
〔熱的特性評価〕
さらに、上記得られた8種類のカソード形成用材料について、下記条件で熱機械分析(Thermo Mechanical Analysis:TMA)を行い、熱膨張係数および還元膨張率を測定した。表3の該当欄に、測定温度域における算術平均値を示す。
測定装置;株式会社リガク製、型式「CN8098F1」
測定方法;示差膨張方式
測定温度範囲;室温(25℃)〜1000℃、昇温速度;5℃/分
測定雰囲気;大気中(熱膨張係数測定時)、水素4%+窒素96%の雰囲気中(還元膨張率測定時)
(Thermal characteristics evaluation)
Further, the eight types of cathode forming materials obtained above were subjected to thermomechanical analysis (TMA) under the following conditions to measure the thermal expansion coefficient and the reduction expansion coefficient. In the corresponding column of Table 3, the arithmetic average value in the measurement temperature range is shown.
Measuring device: Model “CN8098F1” manufactured by Rigaku Corporation
Measurement method; differential expansion method Measurement temperature range: room temperature (25 ° C.) to 1000 ° C., rate of temperature increase: 5 ° C./min (When measuring reduction expansion coefficient)
表3に示す通り、LSCFのみで構成される比較例2のカソード形成用材料は熱膨張係数が最も高かった。このため熱衝撃等の温度変化に対する耐久性が低いと考えられる。また、LSCFとGDCとを混在させた比較例3,4では、比較例2に比べ熱膨張係数は抑えられていたが、還元膨張率は1%超と大きい値を示した。このため、かかる材料でカソードを形成した場合、還元雰囲気下において該カソードの剥離や構造破壊が生じる虞がある。これに比べて、本発明に係る実施例1〜4のカソード形成用材料では還元膨張率が0.7%と小さく、さらに熱膨張係数もSOFCのセルに使用される典型的な材料の熱膨張係数(10〜13(×10−6/K))と近い値を示していた。以上の結果より、ここで開示されるカソード形成用材料は環境変化に伴う変質が少なく、信頼性や耐久性に優れたものであり得ることが示された。 As shown in Table 3, the cathode forming material of Comparative Example 2 composed only of LSCF had the highest thermal expansion coefficient. For this reason, it is considered that the durability against temperature changes such as thermal shock is low. Further, in Comparative Examples 3 and 4 in which LSCF and GDC were mixed, the thermal expansion coefficient was suppressed as compared with Comparative Example 2, but the reductive expansion coefficient showed a large value exceeding 1%. For this reason, when the cathode is formed of such a material, the cathode may be peeled off or the structure may be broken in a reducing atmosphere. In comparison with this, the cathode forming materials of Examples 1 to 4 according to the present invention have a small reduction expansion coefficient of 0.7%, and the thermal expansion coefficient of a typical material used for SOFC cells is also low. The value was close to the coefficient (10-13 (× 10 −6 / K)). From the above results, it has been shown that the cathode forming material disclosed here has little deterioration due to environmental changes and can be excellent in reliability and durability.
〔SOFCの構築〕
上記8種類のカソード形成用の複合粒子を用いて、以下の手順でSOFCを構築した。
具体的には、先ず平均粒径1μmのイットリア安定化ジルコニア(YSZ)粉末と、平均粒径3μmの酸化ニッケル(NiO)粉末とをYSZ:NiO=40:60の質量比率で混ぜ合わせ、さらに造孔材としてのカーボンを添加し混合粉末を得た。該混合粉末と、バインダ(メタクリル酸エステル系ポリマー)と、分散剤(ソルビタントリオレエート)とを、溶媒(キシレン)中で混練することにより、ペースト状のアノード形成用材料を調製した。該アノード形成用材料をドクターブレード法によってシート成形し、φ20mm、厚み1mm程度のアノード成形体を作製した。
次に、平均粒径1μmのイットリア安定化ジルコニア(YSZ)粉末と、バインダ(メタクリル酸エステル系ポリマー)と、分散剤(ソルビタントリオレエート)とを、溶媒(キシレン)中で混練することにより、ペースト状の固体電解質用材料を調製した。上記アノード成形体上に該固体電解質用材料をスクリーン印刷し、φ20mm、厚み10μmの固体電解質を形成した。そして、上記積層した2層からなる成形体を乾燥させた後に、1400℃の温度で3時間焼成することにより、アノード−固体電解質積層体を得た。
[Construction of SOFC]
Using the above 8 types of composite particles for cathode formation, SOFC was constructed in the following procedure.
Specifically, first, yttria-stabilized zirconia (YSZ) powder having an average particle diameter of 1 μm and nickel oxide (NiO) powder having an average particle diameter of 3 μm are mixed at a mass ratio of YSZ: NiO = 40: 60, and further manufactured. Carbon as a pore material was added to obtain a mixed powder. The mixed powder, a binder (methacrylic ester polymer), and a dispersant (sorbitan trioleate) were kneaded in a solvent (xylene) to prepare a paste-like anode forming material. The anode forming material was formed into a sheet by a doctor blade method to prepare an anode molded body having a diameter of about 20 mm and a thickness of about 1 mm.
Next, a yttria-stabilized zirconia (YSZ) powder having an average particle diameter of 1 μm, a binder (methacrylic acid ester polymer), and a dispersant (sorbitan trioleate) are kneaded in a solvent (xylene) to obtain a paste. A solid electrolyte material was prepared. The solid electrolyte material was screen-printed on the anode molded body to form a solid electrolyte having a diameter of 20 mm and a thickness of 10 μm. And after drying the molded object which consists of the said laminated | stacked 2 layer, the anode-solid electrolyte laminated body was obtained by baking at the temperature of 1400 degreeC for 3 hours.
そして、上記作製した複合粒子と、バインダ(エチルセルロース)とを、溶媒(ターピネオール)中に添加し、ロールミルで0.5時間混練して、ペースト状の複合粒子を得た。該ペースト状の複合粒子を、上記固体電解質層上にスクリーン成形して、φ16mmのカソード用成形体を固体電解質層の上に形成した。なお、このときのカソード用成形体の厚みは、凡そ10μm〜50μmだった。そして、積層した2層からなる成形体を、800℃の温度で、1時間焼成することによってカソードを形成した。これによって、アノード、固体電解質、カソードの順に積層したアノード支持型のSOFCを得た。なお、表3の該当欄に示す通り、カソードの気孔率はいずれも15体積%〜20体積%の範囲内であり、機械的強度とガス透過の観点から好適な値であった。 Then, the composite particles produced above and a binder (ethyl cellulose) were added to a solvent (terpineol) and kneaded for 0.5 hour by a roll mill to obtain paste-like composite particles. The paste-like composite particles were screen-molded on the solid electrolyte layer to form a φ16 mm cathode molded body on the solid electrolyte layer. In addition, the thickness of the molded object for cathodes at this time was about 10 micrometers-50 micrometers. And the cathode was formed by baking the molded object which consists of the laminated | stacked two layers at the temperature of 800 degreeC for 1 hour. As a result, an anode-supported SOFC in which the anode, the solid electrolyte, and the cathode were laminated in this order was obtained. In addition, as shown in the corresponding column of Table 3, the porosity of the cathode was in the range of 15% by volume to 20% by volume, and was a suitable value from the viewpoint of mechanical strength and gas permeation.
〔発電試験〕
上記作製したSOFCについて、温度500℃〜800℃で動作させ、発電特性評価を行った。「発電性能」の代表値として、温度700℃における最大電力密度(W/cm2)の値を表3の該当欄に示す。
[Power generation test]
The produced SOFC was operated at a temperature of 500 ° C. to 800 ° C., and power generation characteristics were evaluated. As a representative value of “power generation performance”, the value of the maximum power density (W / cm 2 ) at a temperature of 700 ° C. is shown in the corresponding column of Table 3.
表3に示すように、LSCFのみで構成される比較例2のカソード形成用材料で最も高い電力密度を示した。また、LSCFとLSTFとを70:30の割合で単純に混合した比較例1のカソード形成用材料では、最大電力密度が比較例2の凡そ半分にまで低下した。一方、比較例1にメカノケミカル処理を施した実施例1〜4では比較例1に比べて発電性能が上昇し、700℃において最大出力が0.4W/cm2以上(好ましくは0.45W/cm2以上)を示した。これは、LSCFとLSTFとをメカノケミカル処理することによって、粒子同士を複合化し得、電子や酸素イオンの電導パスが増加したためと考えられる。すなわち、比表面積が10%以上40%以下(好ましくは15%以上30%以下)の割合で減少するようにメカノケミカル処理を行うことで、より一層電子伝導性や酸素イオン伝導性に優れたカソード形成用材料とし得ることが示された。 As shown in Table 3, the highest power density was shown with the cathode forming material of Comparative Example 2 composed only of LSCF. In the cathode forming material of Comparative Example 1 in which LSCF and LSTF were simply mixed at a ratio of 70:30, the maximum power density was reduced to about half that of Comparative Example 2. On the other hand, in Examples 1 to 4 in which mechanochemical treatment was applied to Comparative Example 1, the power generation performance was higher than that of Comparative Example 1, and the maximum output at 700 ° C. was 0.4 W / cm 2 or more (preferably 0.45 W / cm 2 or more). This is presumably because the particles can be combined by mechanochemical treatment of LSCF and LSTF, and the conduction path of electrons and oxygen ions is increased. That is, by performing mechanochemical treatment so that the specific surface area decreases at a rate of 10% to 40% (preferably 15% to 30%), the cathode is further excellent in electron conductivity and oxygen ion conductivity. It has been shown that it can be a forming material.
〔電子顕微鏡観察〕
また、上記発電試験後のSOFCを解体し、アノードの表面(成形体の表面)を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察し、電極表面の状態を確認した。すると、熱膨張係数が15×10−6/Kよりも高かった比較例2および3では、カソード電極表面にクラックの発生が認められた。したがって、本例においては、熱膨張係数を15×10−6/K以下とするのが好ましい。
[Electron microscope observation]
Moreover, the SOFC after the power generation test was disassembled, and the surface of the anode (the surface of the molded body) was observed with a scanning electron microscope (SEM) to confirm the state of the electrode surface. Then, in Comparative Examples 2 and 3 in which the thermal expansion coefficient was higher than 15 × 10 −6 / K, occurrence of cracks was observed on the cathode electrode surface. Therefore, in this example, it is preferable that the thermal expansion coefficient is 15 × 10 −6 / K or less.
以上の結果より、本発明のカソード形成用材料を用いることにより、熱膨張および還元膨張が抑制され、且つ優れた電極性能を有するカソードを形成し得ることが示された。また、該カソードを用いたSOFCでは、中低温領域における発電性能(電力密度)と耐久性とを高いレベルで両立し得ることが示された。 From the above results, it was shown that by using the cathode forming material of the present invention, a thermal expansion and a reduction expansion can be suppressed and a cathode having excellent electrode performance can be formed. In addition, it was shown that SOFCs using the cathode can achieve both power generation performance (power density) and durability at a high level in a low temperature range.
本発明の材料によると、優れた電極性能を有し、且つ耐久性の向上したSOFCのカソードを形成することができる。このため、本発明は、高性能なSOFC(もしくは発電システム)の構築に貢献することができる。かかる材料を用いることで、中低温領域においても高い発電性能を発揮し得るSOFCを構築することができる。さらに、ここで開示されるカソードは固体電解質上に直接形成することができるため作業が簡便であり、好ましくは電池特性を向上(例えば抵抗の低減等)することができる。 According to the material of the present invention, an SOFC cathode having excellent electrode performance and improved durability can be formed. Therefore, the present invention can contribute to the construction of a high-performance SOFC (or power generation system). By using such a material, it is possible to construct an SOFC that can exhibit high power generation performance even in a medium / low temperature region. Furthermore, since the cathode disclosed herein can be directly formed on a solid electrolyte, the operation is simple, and preferably battery characteristics can be improved (for example, resistance can be reduced).
10 アノード(燃料極)
20 固体電解質
30 カソード(空気極)
40 接合部材
50 SOFC
60 ガス管
110 アノード−固体電解質積層体
10 Anode (fuel electrode)
20 Solid electrolyte 30 Cathode (Air electrode)
40 Joining member 50 SOFC
60 Gas Pipe 110 Anode-Solid Electrolyte Laminate
Claims (11)
以下の一般式(1):
(La1−xSrx)(CoyFe1−y)O3−δ (1)
(ただし、xは0.1≦x≦0.5を満たす実数であり、yは0.1≦y≦0.5を満たす実数であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)
で示されるペロブスカイト型の酸化物粒子と、
以下の一般式(2):
(La1−xSrx)(TiyFe1−y)O3−δ (2)
(ただし、xは0.1≦x≦0.5を満たす実数であり、yは0.1≦y≦0.5を満たす実数であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)
で示されるペロブスカイト型の酸化物粒子と、
が、メカノケミカル処理により複合化された複合粒子を主体とし、
前記メカノケミカル処理は、前記一般式(1)で示される酸化物と前記一般式(2)で示される酸化物とを混合した場合に比べて、電子伝導性の向上が実現されるよう行われる、固体酸化物形燃料電池のカソード形成用材料。 A material for forming a cathode of a solid oxide fuel cell;
The following general formula (1):
(La 1-x Sr x) (Co y Fe 1-y) O 3-δ (1)
(Where x is a real number satisfying 0.1 ≦ x ≦ 0.5, y is a real number satisfying 0.1 ≦ y ≦ 0.5, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition. is there.)
Perovskite-type oxide particles represented by
The following general formula (2):
(La 1-x Sr x) (Ti y Fe 1-y) O 3-δ (2)
(Where x is a real number satisfying 0.1 ≦ x ≦ 0.5, y is a real number satisfying 0.1 ≦ y ≦ 0.5, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition. is there.)
Perovskite-type oxide particles represented by
Is mainly composed of composite particles composited by mechanochemical treatment ,
The mechanochemical treatment is performed so that an improvement in electronic conductivity is realized as compared with the case where the oxide represented by the general formula (1) and the oxide represented by the general formula (2) are mixed. A material for forming a cathode of a solid oxide fuel cell.
前記カソードは、請求項1から5のいずれか一項に記載の複合粒子を主体として形成されている、固体酸化物形燃料電池。 A solid oxide fuel cell comprising an anode, a solid electrolyte and a cathode,
The solid oxide fuel cell, wherein the cathode is formed mainly of the composite particles according to any one of claims 1 to 5.
該積層構造における前記カソードの厚みが10μm以上100μm以下である、請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池。 The cathode, the solid electrolyte, and the anode are formed in a layered manner,
The solid oxide fuel cell according to claim 6, wherein the thickness of the cathode in the laminated structure is 10 μm or more and 100 μm or less.
以下の一般式(1):
(La1−xSrx)(CoyFe1−y)O3−δ (1)
(ただし、xは0.1≦x≦0.5を満たす実数であり、yは0.1≦y≦0.5を満たす実数であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)
で示されるペロブスカイト型の酸化物粒子と、
以下の一般式(2):
(La1−xSrx)(TiyFe1−y)O3−δ (2)
(ただし、xは0.1≦x≦0.5を満たす実数であり、yは0.1≦y≦0.5を満たす実数であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)
で示されるペロブスカイト型の酸化物粒子と、
を用意すること、
前記一般式(1)で示される酸化物と前記一般式(2)で示される酸化物とをメカノケミカル処理によって複合化し、複合粒子を得ること、ここで、前記メカノケミカル処理は、前記一般式(1)で示される酸化物と前記一般式(2)で示される酸化物とを混合した場合に比べて、電子伝導性の向上が実現されるよう行う、
前記複合粒子を用いて、カソード形成用材料を調製すること、
を包含する、固体酸化物形燃料電池のカソード形成用材料の製造方法。 A method for producing a cathode forming material for a solid oxide fuel cell;
The following general formula (1):
(La 1-x Sr x) (Co y Fe 1-y) O 3-δ (1)
(Where x is a real number satisfying 0.1 ≦ x ≦ 0.5, y is a real number satisfying 0.1 ≦ y ≦ 0.5, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition. is there.)
Perovskite-type oxide particles represented by
The following general formula (2):
(La 1-x Sr x) (Ti y Fe 1-y) O 3-δ (2)
(Where x is a real number satisfying 0.1 ≦ x ≦ 0.5, y is a real number satisfying 0.1 ≦ y ≦ 0.5, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition. is there.)
Perovskite-type oxide particles represented by
Preparing
The oxide represented by the general formula (1) and the oxide represented by the general formula (2) are composited by mechanochemical treatment to obtain composite particles , wherein the mechanochemical treatment is performed by the general formula Compared with the case where the oxide represented by (1) and the oxide represented by the general formula (2) are mixed, an improvement in electronic conductivity is achieved.
Preparing a cathode-forming material using the composite particles;
A method for producing a material for forming a cathode of a solid oxide fuel cell.
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