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JP2005235548A - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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JP2005235548A
JP2005235548A JP2004042611A JP2004042611A JP2005235548A JP 2005235548 A JP2005235548 A JP 2005235548A JP 2004042611 A JP2004042611 A JP 2004042611A JP 2004042611 A JP2004042611 A JP 2004042611A JP 2005235548 A JP2005235548 A JP 2005235548A
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Japan
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electrode layer
fuel electrode
coarse
power generation
solid oxide
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JP2004042611A
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Japanese (ja)
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Kazunori Adachi
和則 足立
Kiichi Komada
紀一 駒田
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Kansai Electric Power Co Inc
Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Kansai Electric Power Co Inc
Mitsubishi Materials Corp
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Abstract


【課題】 長時間運転時の電極剥離を防止し、安定した発電特性を維持できる固体酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】 固体電解質層3の両面に燃料極層と空気極層を配置した発電セルを備える固体酸化物形燃料電池において、前記燃料極層の前記固体電解質層3との界面にNiとサマリウム添加セリアの混合体10による第1燃料極層4aを形成する。この第1燃料極層4aには、前記混合体10の平均粒径より径の大きい粗大SDC11が含有されている。この粗大SDC11によるアンカー効果で燃料極層の耐剥離性が向上し、長時間運転においても優れた耐久性が得られるようになり、安定した発電性能を維持できる。
【選択図】 図2

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide fuel cell capable of preventing electrode peeling during long-time operation and maintaining stable power generation characteristics.
SOLUTION: In a solid oxide fuel cell including a power generation cell in which a fuel electrode layer and an air electrode layer are arranged on both surfaces of a solid electrolyte layer 3, Ni and samarium are formed at an interface between the fuel electrode layer and the solid electrolyte layer 3. The first fuel electrode layer 4a is formed by the mixture 10 of the added ceria. The first fuel electrode layer 4 a contains coarse SDC 11 having a diameter larger than the average particle diameter of the mixture 10. The anchor effect of the coarse SDC 11 improves the peel resistance of the fuel electrode layer, and excellent durability can be obtained even for a long time operation, so that stable power generation performance can be maintained.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配して構成した発電セルを備える固体酸化物形燃料電池に関し、特に、発電セルの耐久性と発電性能の向上を図った電極構造に関するものである。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell including a power generation cell configured by disposing a fuel electrode layer and an air electrode layer on both surfaces of a solid electrolyte layer, and in particular, aims to improve durability and power generation performance of the power generation cell. The present invention relates to an electrode structure.

固体酸化物形燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。現在、この固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、および平板積層型の3種類が提案されており、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質を空気極と燃料極との間に挟んだ積層構造を有する。この積層体から成る発電セルとセパレータを交互に積層することにより所定出力の燃料電池スタックが構成できる。   Solid oxide fuel cells are being developed as third-generation fuel cells for power generation. At present, three types of solid oxide fuel cells have been proposed: a cylindrical type, a monolith type, and a flat plate type, all of which have a solid electrolyte composed of an oxide ion conductor between an air electrode and a fuel electrode. It has a laminated structure sandwiched between. A fuel cell stack having a predetermined output can be configured by alternately laminating power generation cells and separators made of this laminate.

発電セルには、空気極側に酸化剤ガスとしての酸素(空気)が、燃料極側に燃料ガス(H2 、CO、CH4 等)が供給される。空気極と燃料極は、ガスが固体電解質との界面に到達することができるように、いずれも多孔質とされている。空気極側に供給された酸素は、空気極内の気孔を通って固体電解質との界面近傍に到達し、この部分で空気極から電子を受け取って酸化物イオン(O2-)にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極の方向に向かって固体電解質内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物(H2 O、CO2 等)を生じ、燃料極に電子を放出する。 The power generation cell is supplied with oxygen (air) as an oxidant gas on the air electrode side and fuel gas (H 2 , CO, CH 4, etc.) on the fuel electrode side. The air electrode and the fuel electrode are both porous so that the gas can reach the interface with the solid electrolyte. Oxygen supplied to the air electrode passes through pores in the air electrode and reaches the vicinity of the interface with the solid electrolyte, and receives electrons from the air electrode and is ionized to oxide ions (O 2− ). . The oxide ions diffusely move in the solid electrolyte toward the fuel electrode. Oxide ions that have reached the vicinity of the interface with the fuel electrode react with the fuel gas at this portion to generate reaction products (H 2 O, CO 2, etc.), and emit electrons to the fuel electrode.

燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極: 1/2 O2 + 2e- → O2-
燃料極: H2 + O2- → H2 O+2e-
全体 : H2 + 1/2 O2 → H2
The electrode reaction when hydrogen is used as the fuel is as follows.
Air electrode: 1/2 O 2 + 2e → O 2−
Fuel electrode: H 2 + O 2− → H 2 O + 2e
Overall: H 2 +1/2 O 2 → H 2 O

図3は、従来の固体酸化物形燃料電池における発電セル1の内部構造を示しており、図中、符号2は空気極層、符号3は固体電解質層、符号4は燃料極層である。このように、従来では固体電解質層3上に単層で成る電極層2、4を形成した構造の発電セル1が一般的である。尚、各電極層の形成は、ドクターブレード法、スクリーン印刷法、カーテンコート法、スピンコート法等、公知の様々な方法で行われている。   FIG. 3 shows the internal structure of the power generation cell 1 in a conventional solid oxide fuel cell. In the figure, reference numeral 2 denotes an air electrode layer, reference numeral 3 denotes a solid electrolyte layer, and reference numeral 4 denotes a fuel electrode layer. As described above, the power generation cell 1 having a structure in which the electrode layers 2 and 4 made of a single layer are formed on the solid electrolyte layer 3 is generally used. Each electrode layer is formed by various known methods such as a doctor blade method, a screen printing method, a curtain coating method, and a spin coating method.

ところで、上記電極構造の発電セル1では、長時間運転時の熱サイクルにおける固体電解質層3と各電極層(特に燃料極層)の剥離現象や、Niの固体電解質層3への拡散による発電特性の低下が問題となっていた。この燃料極層4の剥離は、燃料極層4に含まれるNi等の金属が酸化物の状態で固体電解質層に焼き付けられ、発電時の還元で収縮するためと考えられている。   By the way, in the power generation cell 1 having the above electrode structure, the power generation characteristics due to the separation phenomenon of the solid electrolyte layer 3 and each electrode layer (especially the fuel electrode layer) in the thermal cycle during long-time operation and the diffusion of Ni into the solid electrolyte layer 3. The problem was a decline. The separation of the fuel electrode layer 4 is considered to be due to the metal such as Ni contained in the fuel electrode layer 4 being baked on the solid electrolyte layer in an oxide state and contracted by reduction during power generation.

近年、このような発電セルの耐久性や発電特性に係わる問題を解決する技術として、例えば、特許文献1〜3が開示されている。
特開平8−213028号公報 特開2003−17073号公報 特開2001−351646号公報
In recent years, for example, Patent Documents 1 to 3 have been disclosed as techniques for solving problems related to durability and power generation characteristics of such power generation cells.
JP-A-8-213028 JP 2003-17073 A JP 2001-351646 A

しかしながら、これら開示技術は電極剥離やNiの凝集・焼結を防止するには必ずしも十分なものではなかった。   However, these disclosed techniques are not always sufficient to prevent electrode peeling and Ni aggregation / sintering.

そこで、本発明は、このような発電セルの耐久性や発電特性の問題に鑑み、長時間運転時の熱サイクルによる電極剥離を防止して安定した発電特性を維持できる好適な電極構造を有する発電セルを備えた固体酸化物形燃料電池を提供することを目的としている。   Therefore, in view of such problems of durability and power generation characteristics of the power generation cell, the present invention has a suitable electrode structure capable of maintaining stable power generation characteristics by preventing electrode peeling due to thermal cycles during long-time operation. It aims at providing the solid oxide fuel cell provided with the cell.

すなわち、請求項1に記載の本発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配置した発電セルを備える固体酸化物形燃料電池において、前記燃料極層は、前記固体電解質層との界面に金属粒子とセラミック粒子の混合体による第1燃料極層を有し、当該第1燃料極層に前記混合体の平均粒径より径の大きい粗大セラミック粒子が含有されていることを特徴としている。   That is, the present invention according to claim 1 is a solid oxide fuel cell including a power generation cell in which a fuel electrode layer and an air electrode layer are arranged on both sides of a solid electrolyte layer, wherein the fuel electrode layer is the solid electrolyte layer. A first fuel electrode layer made of a mixture of metal particles and ceramic particles at the interface between the first fuel electrode layer and the first fuel electrode layer containing coarse ceramic particles having a diameter larger than the average particle diameter of the mixture. It is a feature.

また、請求項2に記載の本発明は、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記粗大セラミック粒子の粒径を1〜30μmとすると共に、当該粗大セラミック粒子を含む前記第1燃料極層の総体積の内、粗大セラミック粒子の占める割合を1〜50vol%としたことを特徴としている。   The present invention according to claim 2 is the solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the coarse ceramic particles have a particle size of 1 to 30 μm and the coarse ceramic particles include the first ceramic particles. The proportion of coarse ceramic particles in the total volume of the fuel electrode layer is 1 to 50 vol%.

請求項1、2に記載の構成は、例えば、少量のNiとSDCの混合体(例えば、Ni:10vol%、SDC:90vol%)による厚さ1μm程度の極薄い第1燃料極層を形成すると共に、粗大SDC粒子を散布によりこの第1燃料極層にランダムに配置して焼き付けたものであり、粗大SDC粒子によるアンカー効果で燃料極層の耐剥離性が向上し、長時間運転においても安定した発電性能が得られるようになる。尚、第1燃料極層の上には、好適配合組成の電極材料(例えば、Ni:60vol%とSDC:40vol%の混合体)による第2燃料極層が形成されている。   The configuration described in claims 1 and 2 forms an extremely thin first fuel electrode layer having a thickness of about 1 μm by a small amount of a mixture of Ni and SDC (for example, Ni: 10 vol%, SDC: 90 vol%). At the same time, coarse SDC particles are randomly placed and baked on the first fuel electrode layer by spraying. The anchor effect of the coarse SDC particles improves the peeling resistance of the fuel electrode layer and is stable even during long-time operation. Power generation performance can be obtained. A second fuel electrode layer is formed on the first fuel electrode layer using an electrode material having a suitable composition (for example, a mixture of Ni: 60 vol% and SDC: 40 vol%).

ここで、粗大SDC粒子の粒径を1〜30μmとしたのは、粒径が1μm未満では十分なアンカー効果が得れず、長時間運転において燃料極層の剥離が生じるためであり、粒径が30μm以上では燃料極層における過電圧が大きくなり、発電性能が低下するためである。
また、粗大セラミック粒子を含む第1燃料極層の総体積の内、粗大セラミック粒子の占める割合を1〜50vol%としたのは、1vol%未満では十分なアンカー効果が得られず、長時間運転において燃料極層の剥離が生じるためであり、50vol%以上では燃料極層の過電圧が大きくなり、発電性能が低下するためである。
Here, the reason why the particle size of the coarse SDC particles is set to 1 to 30 μm is that when the particle size is less than 1 μm, a sufficient anchor effect cannot be obtained, and the fuel electrode layer is peeled off during a long time operation. This is because when the thickness is 30 μm or more, the overvoltage in the fuel electrode layer becomes large, and the power generation performance decreases.
Also, the ratio of the coarse ceramic particles in the total volume of the first fuel electrode layer containing the coarse ceramic particles is set to 1 to 50 vol%. If the proportion is less than 1 vol%, a sufficient anchor effect cannot be obtained, and the operation is performed for a long time. This is because the fuel electrode layer is peeled off at 50 vol% or more, and the overvoltage of the fuel electrode layer increases and power generation performance decreases.

また、請求項3に記載の本発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配置した発電セルを備える固体酸化物形燃料電池において、前記燃料極層は、前記固体電解質層との界面に金属粒子とセラミック粒子の混合体による第1燃料極層を有し、当該第1燃料極層に前記混合体の平均粒径より投影面積の大きい粗大セラミックが整列状態でドット状に塗布されていることを特徴としている。   The invention according to claim 3 is a solid oxide fuel cell comprising a power generation cell in which a fuel electrode layer and an air electrode layer are arranged on both sides of a solid electrolyte layer, wherein the fuel electrode layer is the solid electrolyte layer. A first fuel electrode layer made of a mixture of metal particles and ceramic particles at the interface with a coarse ceramic having a projected area larger than the average particle diameter of the mixture in the form of dots in an aligned state. It is characterized by being applied.

また、請求項4に記載の本発明は、請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記粗大セラミックドットの投影面積を0.04cm2 以下とすると共に、当該粗大セラミックドットの個数を100個以下/cm2 としたことを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, in the solid oxide fuel cell according to the third aspect, the projected area of the coarse ceramic dots is 0.04 cm 2 or less, and the number of coarse ceramic dots is It is characterized by being 100 or less / cm 2 .

請求項3、4に記載の構成は、例えば、少量のNiとSDCの混合体(例えば、Ni:10vol%、SDC:90vol%)で厚さ1μm程度の極薄い電極層を形成すると共に、その表面に粗大SDCのスラリーをスクリーン印刷等にて層状に塗布して焼き付けたもので、粗大SDCは整列した状態でドット状に形成されている。この粗大SDCドットによるアンカー効果で燃料極層の耐剥離性が向上し、長時間発電においても安定した発電性能が得られるようになる。尚、第1燃料極層の上には、上記同様の好適配合組成の電極材料にて第2燃料極層が形成されている。   The configurations according to claims 3 and 4 form an extremely thin electrode layer having a thickness of about 1 μm with a small amount of a mixture of Ni and SDC (for example, Ni: 10 vol%, SDC: 90 vol%), and Coarse SDC slurry is applied to the surface in a layered manner by screen printing or the like, and baked. The coarse SDC is formed in a dot shape in an aligned state. The anchor effect of the coarse SDC dots improves the peel resistance of the fuel electrode layer, and stable power generation performance can be obtained even during long-time power generation. A second fuel electrode layer is formed on the first fuel electrode layer with an electrode material having the same preferred composition as described above.

ここで、粗大SDCドットの投影面積を0.04cm2 (2mm×2mm角のスクリーンパターン穴に相当)以下としたのは、投影面積が0.04cm2 より大きいと、燃料極層における過電圧が大きくなり、発電性能が低下するためである。
また、粗大SDCドットの個数を100個以下/cm2 としたのは、1cm2 当たりの粗大SDCドットの個数が100個より多くなると、燃料極層における過電圧が大きくなり、発電性能が低下するためである。
Here, the projected area of coarse SDC dots is set to 0.04 cm 2 (corresponding to a screen pattern hole of 2 mm × 2 mm square) or less because if the projected area is larger than 0.04 cm 2 , the overvoltage in the fuel electrode layer is large. This is because the power generation performance is reduced.
The number of coarse SDC dots is set to 100 or less / cm 2 because when the number of coarse SDC dots per 1 cm 2 is more than 100, the overvoltage in the fuel electrode layer increases and the power generation performance decreases. It is.

また、請求項5に記載の本発明は、請求項1から請求項4までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記金属粒子とセラミック粒子の混合体における金属粒子の混合率を20vol%未満としたことを特徴としている。   The present invention according to claim 5 is the solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the mixing ratio of the metal particles in the mixture of the metal particles and the ceramic particles is determined. It is characterized by being less than 20 vol%.

また、請求項6に記載の本発明は、請求項1から請求項5までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記第1燃料極層のセラミック粒子は、一般式:Ce1-x x2(式中、BはSm、Gd、Y、Caの1種または2種以上を添加)のセリアであることを特徴としている。 The present invention according to claim 6 is the solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the ceramic particles of the first fuel electrode layer have a general formula: Ce 1 It is characterized by being a ceria of -x B x O 2 (wherein B is one or more of Sm, Gd, Y and Ca added).

また、請求項7に記載の本発明は、請求項1から請求項6までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記第1燃料極層が、Niとサマリウム添加セリア(SDC)の混合体で成ることを特徴としている。   Further, according to a seventh aspect of the present invention, in the solid oxide fuel cell according to any one of the first to sixth aspects, the first fuel electrode layer includes Ni and samarium-added ceria (SDC). It is characterized by comprising a mixture of

請求項5〜7に記載の構成では、固体電解質層との界面に位置する第1燃料極層において、Ni等の金属粒子の混合量を少なくすることで、Niの固体電解質層への拡散量を減少することができ、これにより、耐剥離性、発電特性のより一層の向上が図れる。   In the structure of Claims 5-7, in the 1st fuel electrode layer located in the interface with a solid electrolyte layer, the diffusion amount to the solid electrolyte layer of Ni is reduced by reducing the mixing amount of metal particles, such as Ni. Thus, the peel resistance and power generation characteristics can be further improved.

以上説明したように、本発明によれば、燃料極層と固体電解質層との界面に粗大セラミックを含むNi等の金属粒子とセラミック粒子の混合体による薄い第1燃料極層を形成したので、粗大セラミックによるアンカー効果で電極層の耐剥離性が向上し、発電セルは長時間運転においても優れた耐久性を有し、安定した発電性能が得られるようになる。   As described above, according to the present invention, the thin first fuel electrode layer is formed at the interface between the fuel electrode layer and the solid electrolyte layer by a mixture of metal particles such as Ni containing coarse ceramic and ceramic particles. The peeling effect of the electrode layer is improved by the anchor effect of the coarse ceramic, and the power generation cell has excellent durability even during long-time operation, and stable power generation performance can be obtained.

加えて、第1燃料極層におけるNiの混合量を少なくすることにより、運転時に生じるNiの固体電解質層への拡散現象を抑制することができ、これにより、耐剥離性、発電特性のより一層の向上が図れるようになる。   In addition, by reducing the amount of Ni mixed in the first fuel electrode layer, it is possible to suppress the diffusion phenomenon of Ni to the solid electrolyte layer that occurs during operation, thereby further improving peeling resistance and power generation characteristics. Can be improved.

以下、図1、図2に基づいて本発明の実施形態を説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

図1は本発明に係る発電セルの内部構造を示している。 図1に示すように、発電セル1は、固体電解質層3とその両面に配した燃料極層4と空気極層2とで構成されており、これら各電極層2、4は所定の電極材料粉体より造粒された混合粒子のスラリーを公知のドクターブレード法やスクリーン印刷等により固体電解質層の両面に塗布・積層し、1000℃以上の高温雰囲気中で焼成することにより形成される。   FIG. 1 shows the internal structure of a power generation cell according to the present invention. As shown in FIG. 1, the power generation cell 1 is composed of a solid electrolyte layer 3, a fuel electrode layer 4 and an air electrode layer 2 disposed on both surfaces thereof, and each of these electrode layers 2, 4 has a predetermined electrode material. It is formed by applying and laminating a slurry of mixed particles granulated from powder onto both surfaces of a solid electrolyte layer by a known doctor blade method or screen printing and firing in a high temperature atmosphere of 1000 ° C. or higher.

固体電解質層3は、酸化物イオンの移動媒体であると同時に、燃料ガスと空気を直接接触させないための隔壁としても機能するため、ガス不透過性の緻密な構造となっている。この固体電解質層3は、酸化物イオン伝導性が高く、空気極側の酸化性雰囲気から燃料極側の還元性雰囲気までの条件下で化学的に安定で、且つ、熱衝撃に強い材料から構成する必要があり、一般的にはイットリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)が使用されている。
本実施形態では、このYSZを凌ぐ導電性を示す酸化物イオン伝導性材料として、ペロブスカイト型結晶構造のランタンガレート系材料(LaGaO3 )を用い、厚さ約200μm程度の電解質層を形成している。この材料は、低温でも高い導電性を示すので従来の1000℃前後より運転温度を低くした固体酸化物形燃料電池の実現に好適である。
Since the solid electrolyte layer 3 is a moving medium for oxide ions and also functions as a partition for preventing direct contact between the fuel gas and air, the solid electrolyte layer 3 has a dense structure that is impermeable to gas. This solid electrolyte layer 3 is made of a material that has high oxide ion conductivity, is chemically stable under conditions from an oxidizing atmosphere on the air electrode side to a reducing atmosphere on the fuel electrode side, and is resistant to thermal shock. Generally, stabilized zirconia (YSZ) added with yttria is used.
In this embodiment, a lanthanum gallate material (LaGaO 3 ) having a perovskite crystal structure is used as the oxide ion conductive material exhibiting conductivity exceeding YSZ, and an electrolyte layer having a thickness of about 200 μm is formed. . Since this material exhibits high conductivity even at a low temperature, it is suitable for realizing a solid oxide fuel cell having a lower operating temperature than the conventional temperature of about 1000 ° C.

空気極層2(カソード)および燃料極層4(アノード)は何れも電子伝導性の高い材料から構成する必要がある。空気極層2につては、700℃前後の高温の酸化性雰囲気中で化学的に安定でなければならないため、金属は不適当であり、電子伝導性を持つペロブスカイト型酸化物材料、具体的にはLaMnO3 もしくはLaCoO3 、または、これらのLaの一部をSr、Ca等で置換した固溶体、さらに、SmCoO3 、またはSmの一部をSr、Ca等で置換した固溶体が使用されている。 Both the air electrode layer 2 (cathode) and the fuel electrode layer 4 (anode) must be made of a material having high electron conductivity. Since the air electrode layer 2 must be chemically stable in a high-temperature oxidizing atmosphere of around 700 ° C., the metal is inappropriate and a perovskite oxide material having electron conductivity, specifically, Are LaMnO 3 or LaCoO 3 , or a solid solution in which a part of these La is substituted with Sr, Ca or the like, and further a solid solution in which SmCoO 3 or a part of Sm is substituted with Sr, Ca or the like.

一方、燃料極層4は、電極材料として配合組成がNi(或いは、Co、Cu)とセリア系セラミックとしてCe1-x Smx2(SDC:サマリウム添加セリア)の混合体を用い、NiとSDCの配合組成比により、第1燃料極層4aと第2燃料極層4bの2層構造と成されている。Ni/SDCの混合体の粒径は約1μm程度以下である。 On the other hand, the fuel electrode layer 4, the mixing composition Ni (or, Co, Cu) as the electrode material Ce 1-x and a ceria-based ceramic Sm x O 2: using a mixture of (SDC samarium doped ceria), and Ni A two-layer structure of a first fuel electrode layer 4a and a second fuel electrode layer 4b is formed according to the composition ratio of SDC. The particle size of the Ni / SDC mixture is about 1 μm or less.

本実施形態では、固体電解質層3との界面近傍の第1燃料極層4aでは、Ni(10vol%)/SDC(90vol%)の配合組成比を持つ厚さ約1μm程度の極薄い第1燃料極層4aを形成し、その上にNi(60vol%)/SDC(40vol%)の配合組成比を持つ厚さ約30μm程度の第2燃料極層4bを形成した。そして、第1燃料極層4aには、上記したNi/SDCの混合体と共に、この混合体の平均粒径より径の大きい粗大SDC粒子が含有されている。
尚、セラミック材として上記したSDC等のセリア系セラミック材料の他、ジルコニア系材料やランタンガレート系材料が使用できる。
In the present embodiment, the first fuel electrode layer 4a in the vicinity of the interface with the solid electrolyte layer 3 has a very thin first fuel having a composition ratio of Ni (10 vol%) / SDC (90 vol%) and a thickness of about 1 μm. The electrode layer 4a was formed, and the second fuel electrode layer 4b having a thickness of about 30 μm and a composition ratio of Ni (60 vol%) / SDC (40 vol%) was formed thereon. The first fuel electrode layer 4a contains the above-described Ni / SDC mixture and coarse SDC particles having a diameter larger than the average particle diameter of the mixture.
In addition to the ceria-based ceramic material such as SDC described above, a zirconia-based material or a lanthanum gallate-based material can be used as the ceramic material.

図2(a)に示す電極構造は、散布により上記したNi/SDCの混合体10に粗大SDC粒子11をランダムに配置して焼き付けたものである。本実施形態では、粗大SDC粒子11の粒径を1〜30μmに設定し、且つ、粗大SDC粒子11を含む第1燃料極層4aの総体積の内、この粗大SDC粒子11が占める割合を1〜50vol%に設定している。
粗大SDC粒子11の粒径およびその量を上記範囲内に規定することにより、固体電解質層3に対し、粗大SDC粒子11による十分なアンカー効果が得られるため、燃料極層4の耐剥離性が向上し、長時間運転時の熱サイクルにおいても、発電セル1は優れた耐久性と安定した発電性能を有するようになる。
The electrode structure shown in FIG. 2A is obtained by randomly arranging and baking coarse SDC particles 11 on the above-described Ni / SDC mixture 10 by spraying. In the present embodiment, the particle diameter of the coarse SDC particles 11 is set to 1 to 30 μm, and the ratio of the coarse SDC particles 11 to the total volume of the first fuel electrode layer 4a including the coarse SDC particles 11 is 1 It is set to ˜50 vol%.
By defining the particle size of the coarse SDC particles 11 and the amount thereof within the above range, a sufficient anchoring effect by the coarse SDC particles 11 can be obtained with respect to the solid electrolyte layer 3. Thus, the power generation cell 1 has excellent durability and stable power generation performance even in a heat cycle during long-time operation.

加えて、第1燃料極層4aのように、固体電解質層3の界面近傍におけるNiの混合量を少なくすることで運転時にNiが固体電解質層3へ拡散する現象を抑制することができ、発電セル1の発電特性が改善される。   In addition, the phenomenon of Ni diffusing into the solid electrolyte layer 3 during operation can be suppressed by reducing the amount of Ni mixed in the vicinity of the interface of the solid electrolyte layer 3 as in the first fuel electrode layer 4a. The power generation characteristics of the cell 1 are improved.

また、第1燃料極層4aと第2燃料極層4bにおいて、電極材料であるNi/SDCの混合体に積層方向の組成傾斜を持たせることも可能であり、例えば、第1燃料極層4aにおいては、Niの配合組成比を1vol%以上20vol%未満とし、第2燃料極においては、Niの配合組成比を20〜70%とすると良い。   In addition, in the first fuel electrode layer 4a and the second fuel electrode layer 4b, the Ni / SDC mixture as the electrode material can be given a composition gradient in the stacking direction. For example, the first fuel electrode layer 4a In this case, the composition ratio of Ni is preferably 1 vol% or more and less than 20 vol%, and the composition ratio of Ni is preferably 20 to 70% in the second fuel electrode.

次に、図2(b)に示す電極構造は、上記したNi/SDCの混合体10の層に粗大SDC11を含有するスラリーを、例えば、スクリーン印刷等にて層状に塗布・積層して焼き付けたもので、粗大SDCは第1燃料極層4aの表面全体に整列状態でドット状に形成される。   Next, in the electrode structure shown in FIG. 2B, the slurry containing coarse SDC 11 was applied to the Ni / SDC mixture 10 layer in the above-described manner in a layered manner by, for example, screen printing, and baked. Therefore, the coarse SDC is formed in a dot shape in an aligned state over the entire surface of the first fuel electrode layer 4a.

本実施形態では、この粗大SDCドット11の投影面積を0.04cm2 (2mm×2mm角のスクリーンパターン穴に相当)以下に設定し、且つ、粗大SDCドット11の個数を100個以内/cm2 とに設定している。
このように、粗大SDCドット11の投影面積および個数を上記範囲内に規定することにより、この粗大SDCドット11によるアンカー効果で燃料極層4の耐剥離性が向上し、長時間発電において発電性能の安定化が図れるようになる。また、粗大SDCドット11を第1燃料極層4a上に均一に整列させることにより、焼結時の電極層と電解質層間の残留応力が緩和されて、発電セル1の反りや曲がりが少なくなるというメリットを有する。
In the present embodiment, setting the projected area of the coarse SDC dots 11 (corresponding to the screen pattern holes of 2mm × 2mm square) 0.04 cm 2 below, and within 100 the number of coarse SDC dots 11 / cm 2 It is set to.
In this way, by defining the projected area and the number of coarse SDC dots 11 within the above range, the peeling resistance of the fuel electrode layer 4 is improved by the anchor effect of the coarse SDC dots 11, and the power generation performance in long-time power generation. Can be stabilized. Further, by arranging the coarse SDC dots 11 uniformly on the first fuel electrode layer 4a, the residual stress between the electrode layer and the electrolyte layer during the sintering is relaxed, and the warping and bending of the power generation cell 1 are reduced. Has merit.

本発明が適用された発電セルの内部構造を示す図。The figure which shows the internal structure of the electric power generation cell to which this invention was applied. 第1燃料極層の内部構造を示す図。The figure which shows the internal structure of a 1st fuel electrode layer. 従来の発電セルの内部構造を示す図。The figure which shows the internal structure of the conventional power generation cell.

符号の説明Explanation of symbols

1 発電セル
2 空気極層
3 固体電解質層
4 燃料極層
4a 第1燃料極層
10 混合体
11 粗大セラミック(粗大SDC粒子、粗大SDCドット)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power generation cell 2 Air electrode layer 3 Solid electrolyte layer 4 Fuel electrode layer 4a 1st fuel electrode layer 10 Mixture 11 Coarse ceramic (coarse SDC particle, coarse SDC dot)

Claims (7)

固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配置した発電セルを備える固体酸化物形燃料電池において、
前記燃料極層は、前記固体電解質層との界面に金属粒子とセラミック粒子の混合体による第1燃料極層を有し、当該第1燃料極層に前記混合体の平均粒径より径の大きい粗大セラミック粒子が含有されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
In a solid oxide fuel cell comprising a power generation cell in which a fuel electrode layer and an air electrode layer are arranged on both sides of a solid electrolyte layer,
The fuel electrode layer has a first fuel electrode layer made of a mixture of metal particles and ceramic particles at an interface with the solid electrolyte layer, and the first fuel electrode layer has a diameter larger than the average particle diameter of the mixture. A solid oxide fuel cell comprising coarse ceramic particles.
前記粗大セラミック粒子の粒径を1〜30μmとすると共に、当該粗大セラミック粒子を含む前記第1燃料極層の総体積の内、粗大セラミック粒子の占める割合を1〜50vol%としたことを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池。 The coarse ceramic particles have a particle size of 1 to 30 μm, and the proportion of the coarse ceramic particles in the total volume of the first fuel electrode layer containing the coarse ceramic particles is 1 to 50 vol%. The solid oxide fuel cell according to claim 1. 固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配置した発電セルを備える固体酸化物形燃料電池において、
前記燃料極層は、前記固体電解質層との界面に金属粒子とセラミック粒子の混合体による第1燃料極層を有し、当該第1燃料極層に前記混合体の平均粒径より投影面積の大きい粗大セラミックが整列状態でドット状に塗布されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
In a solid oxide fuel cell comprising a power generation cell in which a fuel electrode layer and an air electrode layer are arranged on both sides of a solid electrolyte layer,
The fuel electrode layer has a first fuel electrode layer made of a mixture of metal particles and ceramic particles at the interface with the solid electrolyte layer, and the projected area of the first fuel electrode layer is larger than the average particle size of the mixture. A solid oxide fuel cell, characterized in that large coarse ceramics are applied in the form of dots in an aligned state.
前記粗大セラミックドットの投影面積を0.04cm2 以下とすると共に、当該粗大セラミックドットの個数を100個以下/cm2 としたことを特徴とする請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池。 The projected area of the coarse ceramic dots with a 0.04 cm 2 or less, the solid oxide fuel cell according to claim 3, characterized in that the number of the coarse ceramic dots is 100 or less / cm 2. 前記金属粒子とセラミック粒子の混合体における金属粒子の混合率を20vol%未満としたことを特徴とする請求項1から請求項4までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。 5. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein a mixing ratio of the metal particles in the mixture of the metal particles and the ceramic particles is less than 20 vol%. 前記第1燃料極層のセラミック粒子は、一般式:Ce1-x x2(式中、BはSm、Gd、Y、Caの1種または2種以上を添加)のセリアであることを特徴とする請求項1から請求項5までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。 The ceramic particles of the first fuel electrode layer are ceria of the general formula: Ce 1-x B x O 2 (wherein B is one or more of Sm, Gd, Y, and Ca are added). The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein: 前記第1燃料極層が、Niとサマリウム添加セリア(SDC)の混合体で成ることを特徴とする請求項1から請求項6までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。 7. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the first fuel electrode layer is made of a mixture of Ni and samarium-added ceria (SDC).
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