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JP2018085200A - Anode for solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell - Google Patents

Anode for solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell Download PDF

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JP2018085200A JP2016226994A JP2016226994A JP2018085200A JP 2018085200 A JP2018085200 A JP 2018085200A JP 2016226994 A JP2016226994 A JP 2016226994A JP 2016226994 A JP2016226994 A JP 2016226994A JP 2018085200 A JP2018085200 A JP 2018085200A
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Abstract

【課題】活性層のガス拡散性を良好に保ちつつ、活性点の増大に有利な固体酸化物形燃料電池用アノード、また、これを用いた固体酸化物形燃料電池を提供する。【解決手段】固体酸化物形燃料電池用アノード1は、外部から供給される燃料ガスFを拡散させる拡散層2と、拡散層2の一方面に接する活性層3とを有している。活性層3は、層本体部31と、ガス流路32とを有している。層本体部31は、活性層材料より構成され、拡散層2よりも緻密に形成されている。ガス流路32は、拡散層2と活性層3との界面23から活性層3の厚み方向に沿って内方に延びている。【選択図】図2An anode for a solid oxide fuel cell that is advantageous in increasing active sites while maintaining good gas diffusibility of an active layer, and a solid oxide fuel cell using the anode. An anode 1 for a solid oxide fuel cell has a diffusion layer 2 for diffusing a fuel gas F supplied from the outside, and an active layer 3 in contact with one surface of the diffusion layer 2. The active layer 3 has a layer body portion 31 and a gas flow path 32. The layer body 31 is made of an active layer material and is formed more densely than the diffusion layer 2. The gas flow path 32 extends inward along the thickness direction of the active layer 3 from the interface 23 between the diffusion layer 2 and the active layer 3. [Selection] Figure 2

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池用アノードおよび固体酸化物形燃料電池に関する。   The present invention relates to an anode for a solid oxide fuel cell and a solid oxide fuel cell.

従来、外部から供給される燃料ガスを拡散させる拡散層と、アノード反応の場となる活性点を含む活性層とを有する二層構造の固体酸化物形燃料電池用アノードが知られている。   2. Description of the Related Art Conventionally, a two-layered anode for a solid oxide fuel cell having a diffusion layer for diffusing fuel gas supplied from the outside and an active layer including an active site serving as an anode reaction field is known.

なお、先行する特許文献1には、造孔剤に由来する気孔を含み、固体電解質側からその反対側を指向して気孔径が大きくなる気孔径傾斜組成を有する、固体酸化物形燃料電池用アノードが開示されている。   Prior Patent Document 1 includes a pore derived from a pore forming agent, and has a pore diameter gradient composition in which the pore diameter increases from the solid electrolyte side toward the opposite side, for a solid oxide fuel cell. An anode is disclosed.

特開2008−4422号公報JP 2008-4422 A

従来技術には、次の課題がある。すなわち、固体酸化物形燃料電池の発電性能を向上させるためには、活性層を緻密化して活性点を増加させ、反応抵抗を低減させることが有効である。しかし、活性層を緻密化すると、活性層内に燃料ガスが届き難くなり、アノード反応に必要な燃料ガスが活性点に供給されなくなる。その結果、発電性能が低下する。また、発電負荷に応じた活性点を確保するためには、活性層の緻密度を維持したまま活性層の厚みを増加させることが有効である。しかし、活性層の緻密度を維持したまま活性層の厚みを増加させると、活性層の厚みが比較的薄い段階で燃料ガスの拡散律速が起こる。つまり、活性層の厚みに、活性層の緻密度に応じた限界値が存在し、発電負荷に応じて自由に活性層の厚みを設計することが困難である。逆に、活性層の厚みを所望の値に設定すると、活性層のガス拡散性を確保するために、活性層を十分に緻密化できなくなる。このように、従来技術では、活性層の緻密化および厚みの増大による活性点の増大と、活性層の良好なガス拡散性の確保とを両立させることが難しいという課題がある。   The prior art has the following problems. That is, in order to improve the power generation performance of the solid oxide fuel cell, it is effective to increase the active point by densifying the active layer and reduce the reaction resistance. However, when the active layer is densified, it becomes difficult for the fuel gas to reach the active layer, and the fuel gas necessary for the anode reaction is not supplied to the active point. As a result, the power generation performance decreases. Further, in order to secure an active point according to the power generation load, it is effective to increase the thickness of the active layer while maintaining the density of the active layer. However, if the thickness of the active layer is increased while maintaining the density of the active layer, the diffusion control of the fuel gas occurs at a stage where the thickness of the active layer is relatively thin. That is, a limit value corresponding to the density of the active layer exists in the thickness of the active layer, and it is difficult to freely design the thickness of the active layer according to the power generation load. Conversely, if the thickness of the active layer is set to a desired value, the active layer cannot be sufficiently densified to ensure the gas diffusibility of the active layer. Thus, in the prior art, there is a problem that it is difficult to achieve both an increase in active points due to densification and an increase in thickness of the active layer and ensuring good gas diffusibility of the active layer.

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、活性層のガス拡散性を良好に保ちつつ、活性点の増大に有利な固体酸化物形燃料電池用アノード、また、これを用いた固体酸化物形燃料電池を提供しようとするものである。   The present invention has been made in view of the above problems, and has an anode for a solid oxide fuel cell that is advantageous for increasing active points while maintaining good gas diffusibility of an active layer, and a solid using the same. An oxide fuel cell is to be provided.

本発明の一態様は、外部から供給される燃料ガス(F)を拡散させる拡散層(2)と、
上記拡散層の一方面に接する活性層(3)とを有しており、
上記活性層は、活性層材料より構成され、上記拡散層よりも緻密な層本体部(31)と、上記拡散層との界面(23)から上記活性層の厚み方向に沿って内方に延びるガス流路(32)とを有している、固体酸化物形燃料電池用アノード(1)にある。
One aspect of the present invention is a diffusion layer (2) for diffusing fuel gas (F) supplied from the outside,
An active layer (3) in contact with one side of the diffusion layer,
The active layer is made of an active layer material, and extends inward along the thickness direction of the active layer from an interface (23) between the layer body portion (31) denser than the diffusion layer and the diffusion layer. A solid oxide fuel cell anode (1) having a gas flow path (32).

本発明の他の態様は、上記固体酸化物形燃料電池用アノードを有する、固体酸化物形燃料電池(7)にある。   Another aspect of the present invention resides in a solid oxide fuel cell (7) having the solid oxide fuel cell anode.

上記固体酸化物形燃料電池用アノードは、活性層が、拡散層との界面から活性層の厚み方向に沿って内方に延びるガス流路を有している。そのため、上記固体酸化物形燃料電池用アノードでは、拡散層内を通って拡散層と活性層との界面に達した燃料ガスは、活性層の緻密度や厚みに関わらず、活性層に形成されたガス流路を通って活性層の厚み方向に沿って固体電解質層側まで拡散し、その後、活性層の層本体部内を面内方向に沿って拡散する。したがって、上記固体酸化物形燃料電池用アノードによれば、活性層のガス拡散性を良好に保ちつつ、活性層の緻密化および厚みの増大による活性点の増大を図ることが可能となる。   In the anode for a solid oxide fuel cell, the active layer has a gas flow path extending inward along the thickness direction of the active layer from the interface with the diffusion layer. Therefore, in the solid oxide fuel cell anode, the fuel gas that has passed through the diffusion layer and reached the interface between the diffusion layer and the active layer is formed in the active layer regardless of the density and thickness of the active layer. It diffuses to the solid electrolyte layer side along the thickness direction of the active layer through the gas flow path, and then diffuses in the in-plane direction within the layer body portion of the active layer. Therefore, according to the anode for a solid oxide fuel cell, it is possible to increase the active point by densifying the active layer and increasing the thickness while maintaining good gas diffusibility of the active layer.

上記固体酸化物形燃料電池は、上記固体酸化物形燃料電池用アノードを有している。そのため、発電負荷に応じた必要な活性点を確保しやすく、発電性能の向上に有利な固体酸化物形燃料電池が得られる。   The solid oxide fuel cell has the anode for the solid oxide fuel cell. Therefore, it is easy to secure a necessary active point according to the power generation load, and a solid oxide fuel cell advantageous in improving power generation performance can be obtained.

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。   In addition, the code | symbol in the parenthesis described in the means to solve a claim and a subject shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later, and limits the technical scope of this invention. It is not a thing.

実施形態1の固体酸化物形燃料電池用アノードおよび固体酸化物形燃料電池の模式的な断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of an anode for a solid oxide fuel cell and a solid oxide fuel cell of Embodiment 1. FIG. 実施形態1の固体酸化物形燃料電池用アノードの微構造の一部を模式的に示した図である。2 is a diagram schematically showing a part of the microstructure of an anode for a solid oxide fuel cell according to Embodiment 1. FIG. 実施形態1の固体酸化物形燃料電池用アノードにおける活性層のIII−III線断面の一例を模式的に示すとともに、ガス流路の平均流路間隔Wの測定方法を説明するための説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram for schematically illustrating an example of a cross section taken along line III-III of an active layer in the anode for a solid oxide fuel cell according to Embodiment 1 and for explaining a method of measuring an average flow path interval W of gas flow paths. is there. 実施形態1の固体酸化物形燃料電池用アノードにおける活性層のIII−III線断面の変形例を模式的に示すとともに、ガス流路の平均流路間隔Wの測定方法を説明するための説明図である。Explanatory drawing for demonstrating the measuring method of the average flow path space | interval W of a gas flow path while showing typically the modification of the III-III line cross section of the active layer in the anode for solid oxide fuel cells of Embodiment 1. FIG. It is. 実施形態1の固体酸化物形燃料電池用アノードにおける活性層の平均厚みDの測定方法を説明するための説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining a method for measuring an average thickness D of an active layer in the anode for a solid oxide fuel cell according to Embodiment 1. 実施形態1の固体酸化物形燃料電池用アノードにおける活性層の平均厚みDの測定方法を説明するための他の説明図である。FIG. 5 is another explanatory diagram for explaining a method for measuring the average thickness D of the active layer in the anode for the solid oxide fuel cell of Embodiment 1. 実施形態2の固体酸化物形燃料電池用アノードの微構造の一部を模式的に示した図である。6 is a diagram schematically showing a part of the microstructure of an anode for a solid oxide fuel cell according to Embodiment 2. FIG.

(実施形態1)
実施形態1の固体酸化物形燃料電池用アノード(以下、単に「アノード」と称することがある。)について、図1〜図5を用いて説明する。図1〜図5に例示されるように、本実施形態のアノード1は、固体酸化物形燃料電池7(SOFC)に用いられる。固体酸化物形燃料電池7は、固体電解質層4を構成する固体電解質として、酸素イオン導電性を示す固体酸化物セラミックスを用いる燃料電池である。
(Embodiment 1)
The anode for a solid oxide fuel cell according to Embodiment 1 (hereinafter sometimes simply referred to as “anode”) will be described with reference to FIGS. As illustrated in FIGS. 1 to 5, the anode 1 of this embodiment is used for a solid oxide fuel cell 7 (SOFC). The solid oxide fuel cell 7 is a fuel cell using solid oxide ceramics showing oxygen ion conductivity as a solid electrolyte constituting the solid electrolyte layer 4.

アノード1は、拡散層2と活性層3とを有している。   The anode 1 has a diffusion layer 2 and an active layer 3.

拡散層2は、外部から供給される燃料ガスFを拡散させるための層である。活性層3は、アノード反応の場となる活性点を含む点において電極活性を有する層である。活性層3は、拡散層2の一方面に接している。活性層3は、層本体部31とガス流路32とを有している。なお、図1では、活性層3の詳細構成は省略されている。   The diffusion layer 2 is a layer for diffusing the fuel gas F supplied from the outside. The active layer 3 is a layer having electrode activity at a point including an active point that becomes a field for the anode reaction. The active layer 3 is in contact with one surface of the diffusion layer 2. The active layer 3 has a layer main body 31 and a gas flow path 32. In FIG. 1, the detailed configuration of the active layer 3 is omitted.

活性層3の層本体部31は、活性層材料より構成され、拡散層2よりも緻密に形成されている。活性層材料は、具体的には、例えば、触媒粒子311と固体電解質粒子312とを含むことができる。   The layer body portion 31 of the active layer 3 is made of an active layer material and is formed more densely than the diffusion layer 2. Specifically, the active layer material can include, for example, catalyst particles 311 and solid electrolyte particles 312.

触媒粒子311を構成する触媒としては、具体的には、例えば、Ni、Fe、Co、貴金属(Pt、Pd等)、Cu、Zn、Cr、Ti、Al、これらの合金などを例示することができる。これらのうち、上記触媒としては、電気伝導率、触媒活性などの観点から、Ni、Fe、Co、貴金属(Pt、Pd等)などを好適に用いることができ、より好ましくは、Niとすることができる。触媒粒子311は、1種または2種以上併用することができる。   Specific examples of the catalyst constituting the catalyst particles 311 include Ni, Fe, Co, noble metals (Pt, Pd, etc.), Cu, Zn, Cr, Ti, Al, and alloys thereof. it can. Among these, Ni, Fe, Co, noble metals (Pt, Pd, etc.) can be suitably used as the catalyst from the viewpoint of electrical conductivity, catalytic activity, etc., more preferably Ni. Can do. The catalyst particles 311 can be used alone or in combination of two or more.

また、固体電解質粒子312を構成する固体電解質としては、具体的には、例えば、ZrO;Y、Sc、Sm、Gd、および、Laからなる群より選択される少なくとも1種の元素がドープされたZrO;CeO;Gd、Sm、Y、La、Nd、Yb、Ca、および、Hoからなる群より選択される少なくとも1種の元素がドープされたCeOなどを例示することができる。固体電解質粒子312は、1種または2種以上併用することができる。 The solid electrolyte constituting the solid electrolyte particles 312 is specifically doped with at least one element selected from the group consisting of, for example, ZrO 2 ; Y, Sc, Sm, Gd, and La. Examples include CeO 2 doped with at least one element selected from the group consisting of ZrO 2 ; CeO 2 ; Gd, Sm, Y, La, Nd, Yb, Ca, and Ho. The solid electrolyte particles 312 can be used alone or in combination of two or more.

活性層材料が、触媒粒子311としてのNi粒子と、固体電解質粒子312とを含んでおり、固体電解質粒子312を構成する固体電解質が、ZrO;Y、Sc、Sm、Gd、および、Laからなる群より選択される少なくとも1種の元素がドープされたZrO;CeO;または、Gd、Sm、Y、La、Nd、Yb、Ca、および、Hoからなる群より選択される少なくとも1種の元素がドープされたCeOである場合には、次の利点がある。すなわち、この構成によれば、材質的に活性層3の電極活性を高めやすく、発電性能を良好に保ちやすいアノード1が得られる。 The active layer material includes Ni particles as catalyst particles 311 and solid electrolyte particles 312, and the solid electrolyte constituting the solid electrolyte particles 312 is made of ZrO 2 ; Y, Sc, Sm, Gd, and La. ZrO 2 doped with at least one element selected from the group consisting of: CeO 2 ; or at least one selected from the group consisting of Gd, Sm, Y, La, Nd, Yb, Ca, and Ho When the element is doped CeO 2 , there is the following advantage. That is, according to this configuration, it is possible to obtain the anode 1 that easily enhances the electrode activity of the active layer 3 in terms of material and easily maintains good power generation performance.

なお、拡散層2を構成する拡散層材料は、具体的には、例えば、活性層3における触媒粒子311、固体電解質粒子312と同様の構成を有する、触媒粒子211と固体電解質粒子212とを含むことができる。但し、触媒粒子211、固体電解質粒子212は、ガス拡散性等を考慮して、触媒粒子311、固体電解質粒子312とは異なる粒子径とすることができる。   Note that the diffusion layer material constituting the diffusion layer 2 specifically includes, for example, catalyst particles 211 and solid electrolyte particles 212 having the same configuration as the catalyst particles 311 and the solid electrolyte particles 312 in the active layer 3. be able to. However, the catalyst particles 211 and the solid electrolyte particles 212 may have different particle diameters from the catalyst particles 311 and the solid electrolyte particles 312 in consideration of gas diffusibility and the like.

拡散層2および活性層3の層本体部31は、具体的には、粒子間間隙より構成される気孔10を含むことができる。層本体部31は拡散層2よりも緻密に形成されているため、アノード1は、具体的には、層本体部31の気孔率<拡散層2の気孔率の関係を満たすように構成することができる。各気孔率の大小関係は、アノード1の面内方向に垂直な断面を観察することにより判断できる。断面観察からだけでは各気孔率の大小関係が判断できない場合には、断面画像を画像処理により二値化し、100×気孔の面積Sp/骨格をなす粒子の面積Smの計算式により、層本体部31の気孔率、拡散層2の気孔率をそれぞれ算出して比較することで、各気孔率の大小関係を判断することができる。但し、Spは、各測定対象における気孔10の総面積、Smは、各測定対象における骨格をなす粒子の総面積である。   Specifically, the layer main body 31 of the diffusion layer 2 and the active layer 3 can include pores 10 constituted by interparticle gaps. Since the layer body 31 is formed more densely than the diffusion layer 2, the anode 1 is specifically configured to satisfy the relationship of the porosity of the layer body 31 <the porosity of the diffusion layer 2. Can do. The magnitude relationship of the porosity can be determined by observing a cross section perpendicular to the in-plane direction of the anode 1. If the size relationship between the porosity cannot be determined only from the cross-sectional observation, the cross-sectional image is binarized by image processing, and the layer body portion is calculated by the formula of 100 × the area Sp of the pores / the area Sm of the particles forming the skeleton. By calculating and comparing the porosity of 31 and the porosity of the diffusion layer 2, it is possible to determine the magnitude relationship of each porosity. However, Sp is the total area of the pores 10 in each measurement object, and Sm is the total area of the particles constituting the skeleton in each measurement object.

層本体部31の気孔率は、具体的には、40%以下とすることができる。この構成によれば、活性層3の緻密化による活性点の増加により、発電性能を良好に保ちやすいアノード1が得られる。層本体部31の気孔率は、好ましくは、35%以下、より好ましくは、30%以下とすることができる。なお、アノード反応で生じる水蒸気排出性の確保などの観点から、層本体部31の気孔率は、好ましくは、20%以上、より好ましくは、22%以上、さらに好ましくは、25%以上とすることができる。   Specifically, the porosity of the layer main body 31 can be set to 40% or less. According to this configuration, an anode 1 that can easily maintain good power generation performance due to an increase in active points due to densification of the active layer 3 can be obtained. The porosity of the layer body 31 can be preferably 35% or less, more preferably 30% or less. From the viewpoint of ensuring the ability to discharge water vapor generated by the anode reaction, the porosity of the layer body 31 is preferably 20% or more, more preferably 22% or more, and even more preferably 25% or more. Can do.

拡散層2の気孔率は、具体的には、ガス拡散性等の観点から、好ましくは、40%以上、より好ましくは、45%以上、さらに好ましくは、50%以上とすることができる。拡散層2の気孔率は、アノード強度の確保、電子導電パスの確保等の観点から、好ましくは、60%以下、より好ましくは、58%以下、さらに好ましくは、55%以下とすることができる。   Specifically, the porosity of the diffusion layer 2 is preferably 40% or more, more preferably 45% or more, and still more preferably 50% or more from the viewpoint of gas diffusibility and the like. The porosity of the diffusion layer 2 is preferably 60% or less, more preferably 58% or less, and even more preferably 55% or less, from the viewpoints of ensuring anode strength, securing an electron conduction path, and the like. .

活性層3のガス流路32は、拡散層2と活性層3との界面23から活性層3の厚み方向に沿って活性層3の内方に延びている。拡散層2と活性層3との界面23は、拡散層2における活性層3側の層面と、活性層3における拡散層2側の層面とが接する境界面である。なお、ガス流路32は、上述した粒子間間隙より構成される気孔10とは異なるものであり、具体的には、流路形成剤に由来する流路等とすることができる。   The gas flow path 32 of the active layer 3 extends inward of the active layer 3 along the thickness direction of the active layer 3 from the interface 23 between the diffusion layer 2 and the active layer 3. The interface 23 between the diffusion layer 2 and the active layer 3 is a boundary surface where the layer surface of the diffusion layer 2 on the active layer 3 side and the layer surface of the active layer 3 on the diffusion layer 2 side are in contact. Note that the gas flow path 32 is different from the pores 10 constituted by the interparticle gaps described above, and specifically, can be a flow path derived from a flow path forming agent.

ガス流路32は、拡散層2と活性層3との界面23の側とは反対側の活性層3の層面に貫通していてもよいし、貫通していなくてもよい。拡散層2と活性層3との界面23の側とは反対側の活性層3の層面は、アノード1を固体酸化物形燃料電池7に適用した際に、固体電解質層4側となる面であり、当該面にて固体電解質層4と接することになる。   The gas flow path 32 may or may not penetrate the layer surface of the active layer 3 opposite to the interface 23 side between the diffusion layer 2 and the active layer 3. The layer surface of the active layer 3 opposite to the interface 23 side between the diffusion layer 2 and the active layer 3 is the surface that becomes the solid electrolyte layer 4 side when the anode 1 is applied to the solid oxide fuel cell 7. Yes, and comes into contact with the solid electrolyte layer 4 on the surface.

ガス流路32は、上記界面23側とは反対側の活性層3の層面に貫通する貫通流路を含んでいることが好ましい。この構成によれば、貫通流路を通って活性層3と固体電解質層4との境界付近まで燃料ガスFを拡散させやすくなり、その後、面内方向に沿って活性層3内へ燃料ガスFを拡散させやすくなる。そのため、この構成によれば、活性層3のガス拡散性をより一層良好に保ちやすいアノード1が得られる。   The gas flow path 32 preferably includes a through flow path that penetrates the layer surface of the active layer 3 on the side opposite to the interface 23 side. According to this configuration, the fuel gas F can be easily diffused to the vicinity of the boundary between the active layer 3 and the solid electrolyte layer 4 through the through flow path, and then into the active layer 3 along the in-plane direction. It becomes easy to diffuse. Therefore, according to this configuration, it is possible to obtain the anode 1 that can easily keep the gas diffusibility of the active layer 3 better.

ガス流路32は、具体的には、例えば、溝または孔より構成することができる。この構成によれば、スクリーン印刷法等の簡易な手法を用いて、活性層3を比較的簡単に形成することができる。そのため、製造性に優れたアノード1が得られる。また、この構成によれば、層本体部31とガス流路32とをパターニングにより形成しやすいので、パターニングに応じて活性層3のガス拡散性を制御しやすいアノード1が得られる。なお、ガス流路32は、例えば、アノード1の製造時に、焼成により焼失する有機材料よりなる流路形成剤を用いて形成することができる。   Specifically, the gas flow path 32 can be comprised from a groove | channel or a hole, for example. According to this configuration, the active layer 3 can be formed relatively easily using a simple method such as a screen printing method. Therefore, the anode 1 excellent in manufacturability can be obtained. Moreover, according to this structure, since the layer main-body part 31 and the gas flow path 32 are easy to form by patterning, the anode 1 which can control the gas diffusibility of the active layer 3 easily according to patterning is obtained. In addition, the gas flow path 32 can be formed using the flow path forming agent which consists of an organic material burned down by baking at the time of manufacture of the anode 1, for example.

ガス流路32が溝より構成されている場合には、溝状のガス流路32によって層本体部31の外周を取り囲むことができるので、層本体部31の外周から面内方向に燃料ガスFを層本体部31内へ供給することができる。そのため、この場合には、活性層3のガス拡散性を良好に保ちやすいアノード1が得られる。一方、ガス流路32が孔より構成されている場合には、孔から放射状かつ面内方向に燃料ガスFを層本体部31内へ供給することができる。そのため、この場合にも、活性層3のガス拡散性を良好に保ちやすいアノード1が得られる。   When the gas flow path 32 is configured by a groove, the groove-shaped gas flow path 32 can surround the outer periphery of the layer main body 31, so that the fuel gas F extends in the in-plane direction from the outer periphery of the layer main body 31. Can be supplied into the layer body 31. Therefore, in this case, it is possible to obtain the anode 1 in which the gas diffusion property of the active layer 3 can be easily maintained. On the other hand, when the gas flow path 32 is formed of holes, the fuel gas F can be supplied into the layer main body 31 from the holes in a radial and in-plane direction. Therefore, also in this case, the anode 1 that easily maintains the gas diffusibility of the active layer 3 is obtained.

より具体的には、図3では、ガス流路32が溝より構成されている場合の一例が示されている。図3に例示されるように、層本体部31は、活性層3の層面に垂直な方向から見て、例えば、四角形状等の多角形状、円形状(楕円形状等を含む)などの形状を呈することができる。図3では、四角形状(より具体的には正方形状)の層本体部31が、溝状のガス流路32を隔てて行方向および列方向に規則的に配列(複数行×複数列で配列)されている例が示されている。この場合、層本体部31の一辺は、例えば、2μm〜50μm程度とすることができる。   More specifically, FIG. 3 shows an example in which the gas flow path 32 is constituted by a groove. As illustrated in FIG. 3, the layer main body 31 has a shape such as a polygonal shape such as a square shape or a circular shape (including an elliptical shape) as seen from a direction perpendicular to the layer surface of the active layer 3. Can be presented. In FIG. 3, quadrangular (more specifically, square) layer body portions 31 are regularly arranged in a row direction and a column direction with a groove-like gas flow path 32 (arranged in a plurality of rows × a plurality of columns). Example) is shown. In this case, one side of the layer main body 31 can be set to about 2 μm to 50 μm, for example.

また、図4では、ガス流路32が孔より構成される場合の一例が示されている。図4に例示されるように、孔は、活性層3の層面に垂直な方向から見て、例えば、円形状(楕円形状等を含む)、四角形状等の多角形状などの形状を呈することができる。図4では、円形状の孔が、孔の周囲に存在する層本体部31を隔てて行方向および列方向に規則的に配列(複数行×複数列で配列)されている例が示されている。   Moreover, in FIG. 4, an example in case the gas flow path 32 is comprised from a hole is shown. As illustrated in FIG. 4, the hole may have a shape such as a circular shape (including an elliptical shape) or a polygonal shape such as a quadrangle when viewed from a direction perpendicular to the layer surface of the active layer 3. it can. FIG. 4 shows an example in which circular holes are regularly arranged in a row direction and a column direction (arranged in a plurality of rows × a plurality of columns) across a layer main body portion 31 existing around the holes. Yes.

ここで、アノード1は、活性層3の平均厚みをD、ガス流路32の平均流路間隔をWとしたとき、2D>Wを満たす構成とすることができる。この構成によれば、活性層3の緻密度や厚みに関わらず、固体電解質層4に近い活性点まで確実に燃料ガスFを供給することができる。そのため、この構成によれば、発電性能の向上に有利な固体酸化物形燃料電池を得やすくなる。   Here, the anode 1 can be configured to satisfy 2D> W, where D is the average thickness of the active layer 3 and W is the average interval between the gas channels 32. According to this configuration, the fuel gas F can be reliably supplied to the active point close to the solid electrolyte layer 4 regardless of the density and thickness of the active layer 3. Therefore, according to this configuration, it is easy to obtain a solid oxide fuel cell advantageous for improving the power generation performance.

活性層3の平均厚みDは、次のようにして測定される。アノード1の面内方向に平行な面をSEM観察できるように、研磨等により測定試料を調整する。この際、測定試料は、観察する面に層本体部31とガス流路32とが存在するように調整される。また、予め、SEMにて活性層3およびその両側にあるガス流路32が一視野に入るSEM視野を選択し、SEM−EDX(エネルギー分散型分光器)にて、この視野全体に含まれる元素種を同定する。この結果から活性層3に用いられている触媒の種類を特定する。なお、複数の触媒が含まれる場合は、元素濃度の定量値が最も高い触媒に対して以下の測定を行うものとする。次いで、SEM―EDXにて、層本体部31のほぼ中央を通り、アノード1の面内方向に垂直な線(図5中、矢印DP)に沿うラインプロファイル分析を行う。ここで、ラインプロファイル分析実施時の測定幅(アノード1の面内方向における測定視野)は、ラインプロファイル分析を行う層本体部31の分析幅(図5中、矢印LW)とほぼ一致させる。このようにして得られたEDXスペクトルにおいて、注目する触媒元素のKα特性X線ピークの積分強度を触媒強度とし、触媒強度のラインプロファイルを得る。例えば、触媒がNiである場合には、得られたEDXスペクトルの、7.3keVから7.8keVまでの積分強度をNi強度とすることで、Ni強度のラインプロファイルが得られる。図6に模式的に示したラインプロファイル(横軸:SEM―EDXラインプロファイル分析における分析位置、縦軸:触媒強度)において、活性層3における触媒強度の立ち上がり位置から立ち下がり位置までの差分をDとする。同様の測定を、無作為に選択した5つの層本体部31に対して行い、それらの平均値を、活性層3の平均厚みDと定義する。なお、SEM観察時の加速電圧は、注目する触媒元素のKα特性X線ピークの表れるエネルギーの2〜3倍に設定する。例えば、触媒がNiの時、Ni−Kαピークは、7.47keVに表れるため、加速電圧は20kV程度にするとよい。 The average thickness D of the active layer 3 is measured as follows. The measurement sample is adjusted by polishing or the like so that a surface parallel to the in-plane direction of the anode 1 can be observed by SEM. At this time, the measurement sample is adjusted so that the layer main body 31 and the gas flow path 32 exist on the surface to be observed. In addition, an SEM field in which the active layer 3 and the gas flow path 32 on both sides of the active layer 3 are preliminarily selected by SEM is selected in advance, and an element included in the entire field is determined by SEM-EDX (energy dispersive spectrometer). Identify the species. From this result, the type of catalyst used in the active layer 3 is specified. When a plurality of catalysts are included, the following measurement is performed on the catalyst having the highest quantitative value of the element concentration. Next, line profile analysis is performed by SEM-EDX along a line (arrow DP in FIG. 5) that passes through substantially the center of the layer body 31 and is perpendicular to the in-plane direction of the anode 1. Here, the measurement width (measurement visual field in the in-plane direction of the anode 1) at the time of performing the line profile analysis is made to substantially coincide with the analysis width (arrow LW in FIG. 5) of the layer main body portion 31 that performs the line profile analysis. In the EDX spectrum thus obtained, the integrated intensity of the Kα characteristic X-ray peak of the catalyst element of interest is defined as the catalyst intensity, and a line profile of the catalyst intensity is obtained. For example, when the catalyst is Ni, a line profile of Ni intensity can be obtained by setting the integrated intensity from 7.3 keV to 7.8 keV of the obtained EDX spectrum as Ni intensity. In the line profile schematically shown in FIG. 6 (horizontal axis: analysis position in SEM-EDX line profile analysis, vertical axis: catalyst strength), the difference from the rising position to the falling position of the catalyst strength in the active layer 3 is D i . The same measurement is performed on five randomly selected layer body portions 31, and the average value thereof is defined as the average thickness D of the active layer 3. The acceleration voltage during SEM observation is set to 2 to 3 times the energy at which the Kα characteristic X-ray peak of the catalyst element of interest appears. For example, when the catalyst is Ni, the Ni-Kα peak appears at 7.47 keV, so the acceleration voltage is preferably about 20 kV.

ガス流路32の平均流路間隔Wは、次のようにして測定される値である。アノード1の面内方向に平行な面をSEM観察できるように、研磨等により測定試料を調整する。この際、測定試料は、観察する面に層本体部31とガス流路32とが存在するように調整される。次いで、観察面のSEM画像に、20D×20D程度の領域(Dは、上述した活性層3の平均厚みD)を任意に設定する。そして、図3、図4に例示されるように、領域内に存在するあるガス流路形成箇所から層本体部31内を一度だけ通って別のガス流路32に至る最長の直線距離(図中の矢印の長さ)をWとする。このように決定されるWを、無作為に選択した100か所に対して行い、得られた100か所のWの平均値を、ガス流路32の平均流路間隔Wとする。 The average flow path interval W of the gas flow path 32 is a value measured as follows. The measurement sample is adjusted by polishing or the like so that a surface parallel to the in-plane direction of the anode 1 can be observed by SEM. At this time, the measurement sample is adjusted so that the layer main body 31 and the gas flow path 32 exist on the surface to be observed. Next, an area of about 20D × 20D (D is the average thickness D of the active layer 3 described above) is arbitrarily set in the SEM image of the observation surface. As illustrated in FIGS. 3 and 4, the longest linear distance from the gas channel formation location existing in the region to the other gas flow channel 32 through the layer main body 31 only once (see FIG. 3 and FIG. 4). the arrow length) in the W i. The thus determined is W i, performed on 100 or plants selected randomly, the average value of 100 obtained points of W i, the average flow path width W of the gas passages 32.

また、アノード1は、ガス流路32の平均流路幅Hを、例えば、10μm〜50μm程度とすることができる。ガス流路32の平均流路幅Hは、次のようにして測定される値である。アノード1の面内方向に垂直な断面方向をSEM観察できるように、研磨等により測定試料を調整する。この際、測定試料は、観察する断面に層本体部31とガス流路32とが存在するように調整される。次に、SEM画像における層本体部31に対し、アノード1の面内方向に平行な補助線を一本引き、補助線上にあるガス流路32の流路幅Hを全て計測する。この作業を、任意の5つの断面に対して行い、得られた全てのHの平均値を、ガス流路32の平均流路幅Hとする。 Moreover, the anode 1 can make the average flow path width H of the gas flow path 32 into about 10 micrometers-50 micrometers, for example. The average flow path width H of the gas flow path 32 is a value measured as follows. The measurement sample is adjusted by polishing or the like so that the cross-sectional direction perpendicular to the in-plane direction of the anode 1 can be observed by SEM. At this time, the measurement sample is adjusted so that the layer main body 31 and the gas flow path 32 exist in the cross section to be observed. Next, with respect to the layer body 31 in the SEM image, one pulling the auxiliary line parallel to the plane direction of the anode 1, all measures the flow path width H i of the gas channel 32 in the auxiliary line. This operation is performed on arbitrary five cross sections, and the average value of all the obtained Hi is set as the average channel width H of the gas channel 32.

また、アノード1におけるガス流路32の平均長さLは、好ましくは、L>(D−1/2W)の関係を満足するとよい。この構成によれば、ガス流路32による層本体部31へのガス拡散性をより良好に保つことができる。より好ましく、ガス流路32が活性層3を完全に貫通するように設けられているとよい。この構成によれば、発電の寄与度が最も大きい固体電解質層周辺の活性層3まで、燃料ガス(F)が確実に到達することができ、最良の発電出力を得やすくなる。   The average length L of the gas flow path 32 in the anode 1 preferably satisfies the relationship L> (D−1 / 2W). According to this configuration, the gas diffusibility to the layer main body 31 by the gas flow path 32 can be kept better. More preferably, the gas flow path 32 may be provided so as to completely penetrate the active layer 3. According to this configuration, the fuel gas (F) can reliably reach the active layer 3 around the solid electrolyte layer where the contribution of power generation is the largest, and the best power generation output can be easily obtained.

なお、ガス流路32の平均長さLは、次のようにして測定される値である。アノード1の面内方向に平行な面をSEM観察できるように、研磨等により測定試料を調整する。この際、測定試料は観察する面に層本体部31とガス流路32とが存在するように調整される。次いで、SEM画像中から無作為に選択した20箇所のガス流路32に対し、アノード1の面内方向に垂直な方向における長さLを測定する。なお、観察視野中に20箇所のガス流路32が存在しない場合は、必要なガス流路数が得られるだけのSEM画像を追加で取得する。このようにして得られたLの平均値を、ガス流路32の平均長さLとする。 In addition, the average length L of the gas flow path 32 is a value measured as follows. The measurement sample is adjusted by polishing or the like so that a surface parallel to the in-plane direction of the anode 1 can be observed by SEM. At this time, the measurement sample is adjusted so that the layer main body 31 and the gas flow path 32 exist on the surface to be observed. Then, with respect to the gas flow path 32 of the 20 points randomly selected from within SEM image, measuring the length L i in the direction perpendicular to the plane direction of the anode 1. In addition, when the gas flow path 32 of 20 places does not exist in an observation visual field, the SEM image which can obtain the required number of gas flow paths is acquired additionally. The average value of Li obtained in this way is defined as the average length L of the gas flow path 32.

活性層3の平均厚みDは、具体的には、例えば、5μm以上とすることができる。活性層3の平均厚みDは、活性層3の厚み増大による活性点の増大を図る等の観点から、好ましくは、10μm以上、より好ましくは、20μm以上、さらに好ましくは、30μm以上とすることができる。活性層3の平均厚みDは、具体的には、例えば、100μm以下とすることができる。この場合には、2D>Wを満たす構成としたときに、活性層の平均流路間隔Wが200μm未満となる。そのため、ガス流路32からの層本体部31へのガス拡散が十分になされやすくなり、層本体部31の中央付近まで燃料ガスを到達させやすくなる。それ故、この場合には、発電出力の確保に有利となる。活性層3の平均厚みDは、発電時に生じる水蒸気の排出性を確保しやすくする等の観点から、好ましくは、80μm以下、より好ましくは、50μm以下、さらに好ましくは、40μm以下、さらにより好ましくは、35μm以下とすることができる。   Specifically, the average thickness D of the active layer 3 can be, for example, 5 μm or more. The average thickness D of the active layer 3 is preferably 10 μm or more, more preferably 20 μm or more, and even more preferably 30 μm or more, from the viewpoint of increasing the active point by increasing the thickness of the active layer 3. it can. Specifically, the average thickness D of the active layer 3 can be, for example, 100 μm or less. In this case, when the configuration satisfies 2D> W, the average flow path interval W of the active layer is less than 200 μm. Therefore, gas diffusion from the gas flow path 32 to the layer main body 31 is easily performed sufficiently, and the fuel gas can easily reach the vicinity of the center of the layer main body 31. Therefore, in this case, it is advantageous for securing the power generation output. The average thickness D of the active layer 3 is preferably 80 μm or less, more preferably 50 μm or less, still more preferably 40 μm or less, and still more preferably, from the viewpoint of facilitating the discharge of water vapor generated during power generation. , 35 μm or less.

拡散層2の平均厚みは、アノード強度の確保等の観点から、好ましくは、200μm以上、より好ましくは、250μm以上、さらに好ましくは、300μm以上とすることができる。拡散層2の平均厚みは、ガス拡散性の向上等の観点から、好ましくは、450μm以下、より好ましくは、400μm以下、さらに好ましくは、350μm以下とすることができる。   The average thickness of the diffusion layer 2 is preferably 200 μm or more, more preferably 250 μm or more, and even more preferably 300 μm or more, from the viewpoint of ensuring anode strength and the like. The average thickness of the diffusion layer 2 is preferably 450 μm or less, more preferably 400 μm or less, and even more preferably 350 μm or less from the viewpoint of improving gas diffusibility.

なお、拡散層2の平均厚みは、アノード1の平均厚み−活性層3の平均厚みDより算出することができる。アノード1の平均厚みは、次のように測定される。アノード1の面内方向に垂直なSEM断面像を準備する。なお、SEM断面像の視野は、アノード1の厚み方向が一視野に入る大きさとする。準備したSEM断面像に対して、アノード1の面内方向に垂直な測定線を等間隔に20本引く。但し、測定線がガス流路32にかかるときは、その測定線は、隣接する層本体部31を通るように位置をずらして引く。アノード1の一方面と他方面とで切り取られる各測定線の長さを求め、得られた20箇所の測定線の測定長さの平均値を、アノード1の平均厚みとする。   The average thickness of the diffusion layer 2 can be calculated from the average thickness of the anode 1−the average thickness D of the active layer 3. The average thickness of the anode 1 is measured as follows. An SEM cross-sectional image perpendicular to the in-plane direction of the anode 1 is prepared. Note that the field of view of the SEM cross-sectional image is such that the thickness direction of the anode 1 is within one field of view. From the prepared SEM cross-sectional image, 20 measurement lines perpendicular to the in-plane direction of the anode 1 are drawn at equal intervals. However, when the measurement line is applied to the gas flow path 32, the measurement line is drawn with a position shifted so as to pass through the adjacent layer body 31. The length of each measurement line cut off on one side and the other side of the anode 1 is obtained, and the average value of the measurement lengths of the obtained 20 measurement lines is defined as the average thickness of the anode 1.

アノード1において、層本体部31は、具体的には、ガス流路32側の壁面に配置された壁面側触媒粒子311aと、壁面側触媒粒子311aよりも内側に含まれる内側触媒粒子311bとを有しており、壁面側触媒粒子311aの平均粒子径が、内側触媒粒子311bの平均粒子径よりも大きい構成とすることができる。   In the anode 1, the layer body 31 specifically includes wall surface side catalyst particles 311 a disposed on the wall surface on the gas flow path 32 side and inner catalyst particles 311 b included inside the wall surface side catalyst particles 311 a. And the average particle diameter of the wall surface side catalyst particles 311a can be larger than the average particle diameter of the inner catalyst particles 311b.

この構成によれば、粗大な壁面側触媒粒子311aにより、ガス流路32内を流れる燃料ガスFに含まれうる水蒸気が層本体部31内へ侵入し難くなる。そのため、この構成によれば、上記水蒸気によって内側触媒粒子311bが凝集するのを抑制しやすくなり、長期にわたって発電性能を良好に保つことが可能なアノード1を得やすくなる。なお、上記構成は、例えば、アノード製造時に、流路形成剤が焼失して形成されたガス流路32の空間に存在する酸素を利用して、ガス流路32側に配置された触媒粒子原料(例えば、NiO等の酸化物)を選択的に粒成長させた後、還元することにより、得ることができる。   According to this configuration, due to the coarse wall surface side catalyst particles 311 a, it is difficult for water vapor contained in the fuel gas F flowing in the gas flow path 32 to enter the layer main body 31. Therefore, according to this structure, it becomes easy to suppress aggregation of the inner catalyst particles 311b due to the water vapor, and it becomes easy to obtain the anode 1 capable of maintaining good power generation performance over a long period of time. Note that the above-described configuration is, for example, a catalyst particle raw material disposed on the gas flow path 32 side using oxygen present in the space of the gas flow path 32 formed by burning out the flow path forming agent during anode manufacture. (For example, an oxide such as NiO) can be selectively grown and then reduced.

上記平均粒子径は、次のようにして測定される値である。アノード1の面内方向に垂直な断面方向をSEM観察できるように、研磨等により測定試料を調整する。この際、測定試料は、観察する断面に層本体部31とガス流路32とが存在するように調整される。次いで、少なくともアノード1の面内方向に5D、アノード1の厚み方向にDの大きさの視野が観察可能なSEM画像を取得する(Dは、上述した活性層3の平均厚みD)。取得したSEM像における壁面側触媒粒子311aの全て(任意に選択した20個の壁面側触媒粒子311a)について、アノード1の面内方向、かつ、壁面側触媒粒子311aの中心通る補助線を引く。次いで、各補助線が、それぞれの壁面側触媒粒子311aを横切る長さをdとする。得られた各dの平均値を、壁面側触媒粒子311aの平均粒子径とする。また、上記取得したSEM像に対して、アノード1の面内方向、かつ、層本体部31を横切る5本の補助線を等間隔で引く。次いで、各補助線が、それぞれの内側触媒粒子311bを横切る長さをdとする。補助線が横切る全ての内側触媒粒子311bに対して、dを測定し、得られた各dの平均値を、内側触媒粒子311bの平均粒子径とする。 The average particle diameter is a value measured as follows. The measurement sample is adjusted by polishing or the like so that the cross-sectional direction perpendicular to the in-plane direction of the anode 1 can be observed by SEM. At this time, the measurement sample is adjusted so that the layer main body 31 and the gas flow path 32 exist in the cross section to be observed. Next, an SEM image in which a visual field having a size of 5D at least in the in-plane direction of the anode 1 and D in the thickness direction of the anode 1 can be observed is acquired (D is the average thickness D of the active layer 3 described above). With respect to all of the wall surface side catalyst particles 311a (20 arbitrarily selected wall surface side catalyst particles 311a) in the acquired SEM image, an auxiliary line passing in the in-plane direction of the anode 1 and passing through the center of the wall surface side catalyst particles 311a is drawn. Then, each auxiliary lines, the length across the respective wall-side catalyst particles 311a and d w. The average value of d w obtained, the average particle diameter of the wall-side catalyst particles 311a. Further, five auxiliary lines are drawn at equal intervals in the in-plane direction of the anode 1 and across the layer main body 31 from the acquired SEM image. Next, let d i be the length of each auxiliary line crossing the respective inner catalyst particle 311b. For all inner catalytic particles 311b auxiliary line crosses measures the d i, the average value of the d i obtained, the average particle diameter of the inner catalyst particles 311b.

壁面側触媒粒子311aの平均粒子径は、水蒸気による内側触媒粒子311bの凝集劣化を抑制しやすくする等の観点から、好ましくは、0.5μm以上、より好ましくは、0.8μm以上、さらに好ましくは、1μm以上とすることができる。壁面側触媒粒子311aの平均粒子径は、活性点の確保等の観点から、好ましくは、2μm以下、より好ましくは、1.8μm以下、さらに好ましくは、1.5μm以下とすることができる。また、内側触媒粒子311bの平均粒子径は、粒子凝集による劣化抑制等の観点から、好ましくは、0.3μm以上、より好ましくは、0.5μm以上、さらに好ましくは、0.8μm以上とすることができる。内側触媒粒子311bの平均粒子径は、活性点の確保等の観点から、好ましくは、1.5μm以下、より好ましくは、1μm以下、さらに好ましくは、0.9μm以下とすることができる。   The average particle diameter of the wall-side catalyst particles 311a is preferably 0.5 μm or more, more preferably 0.8 μm or more, and still more preferably, from the viewpoint of easily suppressing aggregation degradation of the inner catalyst particles 311b due to water vapor. 1 μm or more. The average particle diameter of the wall surface side catalyst particles 311a is preferably 2 μm or less, more preferably 1.8 μm or less, and even more preferably 1.5 μm or less, from the viewpoint of securing active sites. The average particle diameter of the inner catalyst particles 311b is preferably 0.3 μm or more, more preferably 0.5 μm or more, and still more preferably 0.8 μm or more, from the viewpoint of suppressing deterioration due to particle aggregation. Can do. The average particle diameter of the inner catalyst particles 311b is preferably 1.5 μm or less, more preferably 1 μm or less, and still more preferably 0.9 μm or less, from the viewpoint of securing active sites.

アノード1において、壁面側触媒粒子311aおよび内側触媒粒子311bは、具体的には、いずれもNi粒子より構成することができる。この構成によれば、異種材料同士の反応拡散による組成変化が生じ難いため、発電時の性能安定性を向上させやすくなる。   In the anode 1, the wall-surface side catalyst particles 311 a and the inner side catalyst particles 311 b can be specifically composed of Ni particles. According to this configuration, composition change due to reaction diffusion between different kinds of materials hardly occurs, so that it is easy to improve performance stability during power generation.

本実施形態のアノード1は、活性層3が、拡散層2との界面23から活性層3の厚み方向に沿って内方に延びるガス流路32を有している。そのため、アノード1では、拡散層2内を通って拡散層2と活性層3との界面23に達した燃料ガスFは、活性層3の緻密度や厚みに関わらず、活性層3に形成されたガス流路32を通って活性層3の厚み方向に沿って固体電解質層4側まで拡散し、その後、活性層3の層本体部31内を面内方向に沿って拡散する。したがって、アノード1によれば、活性層3のガス拡散性を良好に保ちつつ、活性層3の緻密化および厚みの増大による活性点の増大を図ることが可能となる。   In the anode 1 of the present embodiment, the active layer 3 has a gas flow path 32 extending inward from the interface 23 with the diffusion layer 2 along the thickness direction of the active layer 3. Therefore, in the anode 1, the fuel gas F that has reached the interface 23 between the diffusion layer 2 and the active layer 3 through the diffusion layer 2 is formed in the active layer 3 regardless of the density and thickness of the active layer 3. Then, it diffuses through the gas flow path 32 along the thickness direction of the active layer 3 to the solid electrolyte layer 4 side, and then diffuses within the layer main body 31 of the active layer 3 along the in-plane direction. Therefore, according to the anode 1, it is possible to increase the active points by densifying the active layer 3 and increasing the thickness while keeping the gas diffusibility of the active layer 3 good.

実施形態1の固体酸化物形燃料電池について、図1を用いて説明する。本実施形態の固体酸化物形燃料電池7は、実施形態1の固体酸化物形燃料電池用アノード1を有している。   A solid oxide fuel cell according to Embodiment 1 will be described with reference to FIG. The solid oxide fuel cell 7 of the present embodiment includes the solid oxide fuel cell anode 1 of the first embodiment.

本実施形態では、固体酸化物形燃料電池7は、具体的には、アノード1と固体電解質層4とカソード6を有している。固体酸化物形燃料電池7は、図1に例示されるように、固体電解質層4とカソード6との間に中間層5をさらに備えることができる。中間層5は、主に、固体電解質層材料とカソード材料との反応を抑制するための層である。本実施形態では、固体酸化物形燃料電池7は、具体的には、アノード1、固体電解質層4、中間層5、および、カソード6がこの順に積層され、互いに接合されている。固体酸化物形燃料電池7は、電極であるアノード1を支持体として機能させるアノード支持型とすることができる。アノード支持型の固体酸化物形燃料電池7では、他の層に比べてアノード1の厚みが十分に厚く形成されている。なお、図1では、固体酸化物形燃料電池7の外形が四角形状である例が示されている。固体酸化物形燃料電池7の外形は、他にも、円形状等の形状とすることもできる。また、固体酸化物形燃料電池7は、アノード1における固体電解質層4側とは反対側の面に、外部から燃料ガスFが供給される。   In the present embodiment, the solid oxide fuel cell 7 specifically includes an anode 1, a solid electrolyte layer 4, and a cathode 6. The solid oxide fuel cell 7 may further include an intermediate layer 5 between the solid electrolyte layer 4 and the cathode 6, as illustrated in FIG. The intermediate layer 5 is a layer mainly for suppressing the reaction between the solid electrolyte layer material and the cathode material. In the present embodiment, specifically, the solid oxide fuel cell 7 includes an anode 1, a solid electrolyte layer 4, an intermediate layer 5, and a cathode 6 that are stacked in this order and joined together. The solid oxide fuel cell 7 can be an anode support type in which the anode 1 as an electrode functions as a support. In the anode-supported solid oxide fuel cell 7, the anode 1 is sufficiently thicker than the other layers. FIG. 1 shows an example in which the outer shape of the solid oxide fuel cell 7 is rectangular. Besides, the outer shape of the solid oxide fuel cell 7 may be a circular shape or the like. In the solid oxide fuel cell 7, the fuel gas F is supplied from the outside to the surface of the anode 1 opposite to the solid electrolyte layer 4 side.

固体電解質層4の材料としては、強度、熱的安定性に優れる等の観点から、イットリア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア等の酸化ジルコニウム系酸化物を好適に用いることができる。固体電解質層4の材料としては、酸素イオン伝導性、機械的安定性、他の材料との両立、酸化雰囲気から還元雰囲気まで化学的に安定である等の観点から、イットリア安定化ジルコニアが好適である。本実施形態では、固体電解質層4の材料として、具体的には、イットリア安定化ジルコニアを用いることができる。   As a material of the solid electrolyte layer 4, zirconium oxide-based oxides such as yttria stabilized zirconia and scandia stabilized zirconia can be suitably used from the viewpoint of excellent strength and thermal stability. The material of the solid electrolyte layer 4 is preferably yttria-stabilized zirconia from the viewpoints of oxygen ion conductivity, mechanical stability, compatibility with other materials, and chemical stability from an oxidizing atmosphere to a reducing atmosphere. is there. In the present embodiment, specifically, yttria-stabilized zirconia can be used as the material of the solid electrolyte layer 4.

固体電解質層4の厚みは、オーミック抵抗の低減などの観点から、好ましくは3〜20μm、より好ましくは4〜15μm、さらに好ましくは5〜10μmとすることができる。   The thickness of the solid electrolyte layer 4 is preferably 3 to 20 μm, more preferably 4 to 15 μm, and still more preferably 5 to 10 μm, from the viewpoint of reducing ohmic resistance.

カソード6は、固体電解質層4におけるアノード1側とは反対側に配置されている。本実施形態では、カソード6の外形が、アノード1の外形よりも小さく形成されている。なお、各図では、アノード1、固体電解質層4および中間層5の外形は、いずれもほぼ同じ大きさとされている。   The cathode 6 is disposed on the opposite side of the solid electrolyte layer 4 from the anode 1 side. In the present embodiment, the outer shape of the cathode 6 is formed smaller than the outer shape of the anode 1. In each figure, the outer shapes of the anode 1, the solid electrolyte layer 4, and the intermediate layer 5 are all substantially the same.

カソード6の材料としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物などを例示することができる。遷移金属ペロブスカイト型酸化物としては、具体的には、例えば、LaSr1−xCoO系酸化物、LaSr1−xCoFe1−y系酸化物、SmSr1−xCoO系酸化物(但し、上記において、0≦x≦1、0≦y≦1)などを例示することができる。これらは1種または2種以上併用することができる。本実施形態では、カソード6の材料として、具体的には、LaSr1−xCoFe1−y系酸化物(0≦x≦1、0≦y≦1)を用いることができる。 Examples of the material of the cathode 6 include transition metal perovskite oxides. The transition metal perovskite oxide, specifically, for example, La x Sr 1-x CoO 3 based oxide, La x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3 based oxide, Sm x Sr 1 Examples include -x CoO 3 oxides (wherein 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1). These can be used alone or in combination of two or more. In the present embodiment, specifically, La x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3 -based oxide (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) is used as the material of the cathode 6. it can.

カソード6の厚みは、ガス拡散性、電極反応抵抗、集電性などの観点から、好ましくは20〜100μm、より好ましくは30〜80μmとすることができる。   The thickness of the cathode 6 is preferably 20 to 100 μm, more preferably 30 to 80 μm, from the viewpoints of gas diffusibility, electrode reaction resistance, current collection, and the like.

中間層5の材料としては、例えば、CeO、または、CeOにGd、Sm、Y、La、Nd、Yb、Ca、および、Hoから選択される1種または2種以上の元素等がドープされたセリア系固溶体等の酸化セリウム系酸化物などを例示することができる。これらは1種または2種以上併用することができる。本実施形態では、中間層5の材料として、具体的には、CeOにGdがドープされたセリア系固溶体を用いることができる。 Examples of the material of the intermediate layer 5 include CeO 2 , or CeO 2 doped with one or more elements selected from Gd, Sm, Y, La, Nd, Yb, Ca, and Ho. Examples thereof include cerium oxide-based oxides such as ceria-based solid solutions. These can be used alone or in combination of two or more. In the present embodiment, specifically, a ceria-based solid solution in which CeO 2 is doped with Gd can be used as the material of the intermediate layer 5.

また、中間層5の厚みは、オーミック抵抗の低減、カソード6からの元素拡散の抑制等の観点から、好ましくは1〜20μm、より好ましくは2〜5μmとすることができる。   Further, the thickness of the intermediate layer 5 is preferably 1 to 20 μm, more preferably 2 to 5 μm, from the viewpoints of reducing ohmic resistance and suppressing element diffusion from the cathode 6.

本実施形態の固体酸化物形燃料電池7は、本実施形態のアノード1を有している。そのため、固体酸化物形燃料電池7は、発電負荷に応じた必要な活性点を確保しやすく、発電性能の向上に有利である。   The solid oxide fuel cell 7 of the present embodiment has the anode 1 of the present embodiment. Therefore, the solid oxide fuel cell 7 is easy to ensure a necessary active point according to the power generation load, and is advantageous in improving the power generation performance.

(実施形態2)
実施形態2の固体酸化物形燃料電池用アノードについて、図6を用いて説明する。なお、実施形態2以降において用いられる符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
(Embodiment 2)
The anode for a solid oxide fuel cell according to Embodiment 2 will be described with reference to FIG. Of the reference numerals used in the second and subsequent embodiments, the same reference numerals as those used in the above-described embodiments represent the same components as those in the above-described embodiments unless otherwise indicated.

図6に例示されるように、本実施形態のアノード1において、層本体部32は、実施形態1と同様に、ガス流路32側の壁面に配置された壁面側触媒粒子311aと、壁面よりも内側に含まれる内側触媒粒子311bとを有しており、壁面側触媒粒子311aの平均粒子径が、内側触媒粒子311bの平均粒子径よりも大きい構成とすることができる。   As illustrated in FIG. 6, in the anode 1 of the present embodiment, the layer main body portion 32 includes wall surface side catalyst particles 311 a arranged on the wall surface on the gas flow path 32 side and wall surfaces, as in the first embodiment. And the inner catalyst particles 311b included inside, the average particle diameter of the wall surface side catalyst particles 311a may be larger than the average particle diameter of the inner catalyst particles 311b.

本実施形態のアノード1では、内側触媒粒子311bは、具体的には、Ni粒子より構成することができ、壁面側触媒粒子311aは、Ni合金粒子より構成することができる。この構成によれば、Ni粒子よりもNi合金粒子の方が材質的に凝集抑制効果が高いため、ガス流路32内を流れる燃料ガスFに含まれうる水蒸気が層本体部31内へ侵入し難くなる。つまり、この構成によれば、壁面側触媒粒子311aが内側触媒粒子311bよりも粗大であることによって、形態的に水蒸気が層本体部31内へ侵入し難くなる上、材質的にNi合金がNiよりも凝集し難いことにより、長期にわたって発電性能を良好に保ちやすいアノード1を得ることが可能となる。   In the anode 1 of the present embodiment, specifically, the inner catalyst particles 311b can be composed of Ni particles, and the wall surface side catalyst particles 311a can be composed of Ni alloy particles. According to this configuration, the Ni alloy particles have a higher material aggregation suppressing effect than the Ni particles, so that water vapor that can be contained in the fuel gas F flowing in the gas flow path 32 enters the layer main body 31. It becomes difficult. That is, according to this configuration, since the wall surface side catalyst particles 311a are coarser than the inner catalyst particles 311b, it is difficult for water vapor to penetrate into the layer main body 31 morphologically, and the Ni alloy is made of Ni in terms of material. Therefore, it is possible to obtain an anode 1 that easily maintains good power generation performance over a long period.

Ni合金粒子を構成するNi合金におけるNi以外の合金元素としては、具体的には、例えば、Fe、Co、Ti、Cu、Ni、Mg、Ca、Mn、Cr、Zn、Al等を例示することができる。これらは1種または2種以上併用することができる。上記合金元素としては、上記作用効果を確実なものとする観点から、Fe、Co、Ti、Cuからなる群より選択される少なくとも1種などを好適に用いることができる。特に好ましくは、水蒸気に対する凝集抑制効果が大きい等の観点から、Ni合金は、Ni−Fe合金とすることができる。   Specific examples of alloy elements other than Ni in the Ni alloy constituting the Ni alloy particles include, for example, Fe, Co, Ti, Cu, Ni, Mg, Ca, Mn, Cr, Zn, Al, and the like. Can do. These can be used alone or in combination of two or more. As the alloy element, at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Ti, and Cu can be suitably used from the viewpoint of ensuring the above-described effects. Particularly preferably, the Ni alloy can be a Ni—Fe alloy from the viewpoint of a large aggregation suppressing effect on water vapor.

なお、上記構成は、例えば、次にようにして得ることができる。すなわち、アノード製造時に、上述した合金元素の酸化物(Fe等)を流路形成剤に添加する。この場合、流路形成剤が焼失する際に、流路形成剤に添加された酸化物は、層本体部31の壁面にある酸化ニッケル(NiO)粒子に取り込まれ、層本体部31の壁面に、Niおよび上記合金元素を含む複合酸化物(Ni−Fe複合酸化物等)が生成する。そして、流路形成剤が焼失して形成されたガス流路32の空間に存在する酸素を利用して、ガス流路32側に配置された上記複合酸化物粒子を選択的に粒成長させた後、還元することにより、粗大なNi合金粒子(Ni−Fe合金粒子等)を生成させることができる。これにより、上記構成を得ることができる。 In addition, the said structure can be obtained as follows, for example. That is, the oxide of the above-described alloy element (Fe 2 O 3 or the like) is added to the flow path forming agent at the time of manufacturing the anode. In this case, when the flow path forming agent burns out, the oxide added to the flow path forming agent is taken into the nickel oxide (NiO) particles on the wall surface of the layer main body portion 31, and is added to the wall surface of the layer main body portion 31. A composite oxide (Ni-Fe composite oxide or the like) containing Ni and the above alloy elements is produced. Then, using the oxygen present in the space of the gas flow path 32 formed by burning the flow path forming agent, the composite oxide particles arranged on the gas flow path 32 side were selectively grown. Thereafter, coarse Ni alloy particles (such as Ni—Fe alloy particles) can be generated by reduction. Thereby, the said structure can be obtained.

その他の構成および作用効果は、実施形態1と同様である。   Other configurations and operational effects are the same as those of the first embodiment.

(実験例1)
<材料準備>
NiO粉末(平均粒子径:1.0μm)と、8mol%のYを含むイットリア安定化ジルコニア(8YSZ)粉末(平均粒子径:0.8μm)と、カーボン(造孔剤)と、ポリビニルブチラール(有機材料)と、酢酸イソアミル、2−ブタノールおよびエタノール(混合溶媒)とをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。NiO粉末と8YSZ粉末との質量比は、60:40とした。ドクターブレード法を用いて、樹脂シート上に上記スラリーを層状に塗工し、乾燥させ後、樹脂シートを剥離することにより、拡散層形成用シートを準備した。なお、上記平均粒子径は、レーザー回折・散乱法により測定した体積基準の累積度数分布が50%を示すときの粒子径(直径)d50である(以下、同様)。
(Experimental example 1)
<Material preparation>
NiO powder (average particle size: 1.0 μm), yttria-stabilized zirconia (8YSZ) powder (average particle size: 0.8 μm) containing 8 mol% of Y 2 O 3 , carbon (pore forming agent), polyvinyl A slurry was prepared by mixing butyral (organic material), isoamyl acetate, 2-butanol and ethanol (mixed solvent) with a ball mill. The mass ratio of NiO powder and 8YSZ powder was 60:40. Using the doctor blade method, the slurry was applied in layers on a resin sheet, dried, and then the resin sheet was peeled off to prepare a diffusion layer forming sheet. The average particle diameter is the particle diameter (diameter) d50 when the volume-based cumulative frequency distribution measured by the laser diffraction / scattering method shows 50% (hereinafter the same).

8YSZ粉末(平均粒子径:0.8μm)と、ポリビニルブチラールと、エチルセルロール(有機材料)と、テルピネオール(溶媒)とをボールミルにて混合することにより、活性層の層本体部形成用ペーストを準備した。   By mixing 8YSZ powder (average particle size: 0.8 μm), polyvinyl butyral, ethyl cellulose (organic material), and terpineol (solvent) with a ball mill, a paste for forming the layer body part of the active layer is obtained. Got ready.

アクリル系樹脂粉末(バインダー)(平均粒子径:0.6μm)と、エチルセルロールと、テルピネオールとをボールミルにて混合することにより、流路形成用ペーストを準備した。   A flow path forming paste was prepared by mixing acrylic resin powder (binder) (average particle size: 0.6 μm), ethyl cellulose and terpineol with a ball mill.

アクリル系樹脂粉末(バインダー)(平均粒子径:0.6μm)と、Fe粉末(平均粒子径:0.5μm)と、エチルセルロールと、テルピネオールとをボールミルにて混合することにより、Fe入り流路形成用ペーストを準備した。なお、アクリル系樹脂粉末に対するFeの含有量は、1質量%とした。 By mixing acrylic resin powder (binder) (average particle size: 0.6 μm), Fe 2 O 3 powder (average particle size: 0.5 μm), ethyl cellulose, and terpineol with a ball mill, A paste for forming a flow path containing Fe 2 O 3 was prepared. Incidentally, the content of Fe 2 O 3 with respect to the acrylic resin powder was 1 mass%.

8YSZ粉末(平均粒子径:0.8μm)と、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミル、2−ブタノールおよびエタノールとをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。以降は、拡散層形成用シートの作製と同様にして、固体電解質層形成用シートを準備した。   A slurry was prepared by mixing 8YSZ powder (average particle size: 0.8 μm), polyvinyl butyral, isoamyl acetate, 2-butanol and ethanol with a ball mill. Thereafter, a solid electrolyte layer forming sheet was prepared in the same manner as the preparation of the diffusion layer forming sheet.

10mol%のGdがドープされたCeO(10GDC)粉末(平均粒子径:0.8μm)と、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミル、2−ブタノールおよびエタノールとをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。以降は、拡散層形成用シートの作製と同様にして、中間層形成用シートを準備した。 A slurry was prepared by mixing CeO 2 (10GDC) powder (average particle diameter: 0.8 μm) doped with 10 mol% Gd, polyvinyl butyral, isoamyl acetate, 2-butanol and ethanol with a ball mill. . Thereafter, an intermediate layer forming sheet was prepared in the same manner as the preparation of the diffusion layer forming sheet.

La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8(LSCF)粉末(平均粒子径:0.6μm)と、エチルセルロースと、テルピネオール(溶媒)とをボールミルにて混合することにより、カソード形成用ペーストを準備した。 By mixing La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 (LSCF) powder (average particle size: 0.6 μm), ethyl cellulose, and terpineol (solvent) with a ball mill, A cathode forming paste was prepared.

<試料1のアノード、試料1の燃料電池単セルの作製>
拡散層形成用シートを複数枚積層し、静水圧プレス(CIP)成形法を用いて圧着することにより、厚み500μmの第1圧着体を得た。なお、CIP成形条件は、温度80℃、加圧力50MPa、加圧時間10分という条件とした。
<Preparation of Sample 1 Anode, Sample 1 Fuel Cell Single Cell>
A plurality of diffusion layer forming sheets were laminated and pressure-bonded using an isostatic pressing (CIP) molding method to obtain a first pressure-bonded body having a thickness of 500 μm. The CIP molding conditions were a temperature of 80 ° C., a pressing force of 50 MPa, and a pressing time of 10 minutes.

次いで、上記第1圧着体の表面に、スクリーン印刷法により、図3に示されるような層本体部が形成されるようにパターニングされた層本体部形成用ペーストを塗布した。このようなパターニングは、スクリーン製版により行った。なお、本例では、縦50μm×横50μmの正方形状の複数の塗布部が、それぞれ30μm離間した状態(隙間を挟んだ状態)で、行方向および列方向に規則的に配列されるように調整した。   Next, a layer body portion forming paste patterned so as to form a layer body portion as shown in FIG. 3 was applied to the surface of the first pressure-bonded body by a screen printing method. Such patterning was performed by screen plate making. In this example, adjustment is made so that a plurality of square-shaped application portions of 50 μm in length × 50 μm in width are regularly arranged in the row direction and the column direction, with each being 30 μm apart (with a gap). did.

次いで、層本体部形成用ペーストを塗布した第1圧着体の表面に、上記パターンに対してネガ・ポジの関係にある逆パターンを用い、スクリーン印刷法により、流路形成用ペーストを塗布した。   Next, the flow path forming paste was applied to the surface of the first pressure-bonded body to which the layer main body forming paste was applied, by a screen printing method using a reverse pattern having a negative / positive relationship with respect to the pattern.

次いで、層本体部形成用ペーストを塗布した拡散層形成用シートにおけるペースト塗布面上に、固体電解質層形成用シート、および、中間層形成用シートをこの順に積層し、静水圧プレス(CIP)成形法を用いて圧着することにより、第2圧着体を得た。第2圧着体は、圧着後、脱脂した。なお、CIP成形条件は、温度80℃、加圧力50MPa、加圧時間10分という条件とした。   Next, the solid electrolyte layer forming sheet and the intermediate layer forming sheet are laminated in this order on the paste application surface of the diffusion layer forming sheet to which the layer body portion forming paste is applied, and hydrostatic pressure press (CIP) molding is performed. A second pressure-bonded body was obtained by pressure bonding using the method. The second pressure-bonded body was degreased after pressure bonding. The CIP molding conditions were a temperature of 80 ° C., a pressing force of 50 MPa, and a pressing time of 10 minutes.

次いで、第2圧着体を1350℃で2時間焼成した。これにより、拡散層および活性層より構成されるアノード、固体電解質層(10μm)、および、中間層(10μm)がこの順に積層された焼結体を得た。   Next, the second pressure-bonded body was fired at 1350 ° C. for 2 hours. As a result, a sintered body was obtained in which the anode composed of the diffusion layer and the active layer, the solid electrolyte layer (10 μm), and the intermediate layer (10 μm) were laminated in this order.

次いで、上記焼結体における中間層の表面に、カソード形成用ペーストをスクリーン印刷法により塗布し、1000℃で2時間焼付けすることによって層状のカソード(厚み60μm)を形成した。その後、アノードを、H雰囲気中、800℃にて還元処理した。これにより、試料1のアノードを有する試料1の燃料電池単セルを得た。 Next, a cathode forming paste was applied to the surface of the intermediate layer of the sintered body by a screen printing method and baked at 1000 ° C. for 2 hours to form a layered cathode (thickness 60 μm). Thereafter, the anode was reduced at 800 ° C. in an H 2 atmosphere. Thus, a fuel cell unit cell of Sample 1 having the anode of Sample 1 was obtained.

試料1のアノードは、拡散層と活性層と有している。活性層は、NiとYSZとを含む活性層材料より構成されており、拡散層よりも緻密な層本体部と、拡散層との界面から活性層の厚み方向に沿って内方に延びる溝からなるガス流路とを有している。なお、ガス流路は、界面側とは反対側の活性層の界面に貫通している。上述した手法により測定された活性層の平均厚みDは30μm、ガス流路の平均長さLは29μm、ガス流路の平均流路間隔Wは41μm、拡散層の平均厚みは300μm、層本体部の気孔率は30%、拡散層の気孔率は65%であった。また、活性層の断面をSEM観察したところ、層本体部におけるガス流路側の壁面にあるNi粒子(壁面側触媒粒子)は、壁面側のNi粒子よりも内側にあるNi粒子(内側触媒粒子)より粗大化されていた。上述した手法により測定された壁面側のNi粒子の平均粒子径は1.1μm、内側のNi粒子の平均粒子径は0.8μmであった。   The anode of Sample 1 has a diffusion layer and an active layer. The active layer is composed of an active layer material containing Ni and YSZ, and includes a layer body portion denser than the diffusion layer and a groove extending inward along the thickness direction of the active layer from the interface with the diffusion layer. A gas flow path. The gas flow path penetrates the interface of the active layer on the side opposite to the interface side. The average thickness D of the active layer measured by the above-described method is 30 μm, the average length L of the gas channel is 29 μm, the average channel interval W of the gas channel is 41 μm, the average thickness of the diffusion layer is 300 μm, and the layer body part The porosity was 30%, and the porosity of the diffusion layer was 65%. Further, when the cross section of the active layer was observed by SEM, the Ni particles (wall surface side catalyst particles) on the wall surface on the gas flow path side in the layer main body portion were Ni particles (inner catalyst particles) on the inner side of the Ni particles on the wall surface side. It was coarser. The average particle diameter of the Ni particles on the wall surface side measured by the above-described method was 1.1 μm, and the average particle diameter of the inner Ni particles was 0.8 μm.

<試料2のアノード、試料2の燃料電池単セルの作製>
試料1の作製において、第1圧着体の表面に、スクリーン印刷法により、図4に示されるような層本体部が形成されるようにパターニングされた層本体部形成用ペーストを塗布した。このようなパターニングは、スクリーン製版により行った。なお、本例では、直径100μmの複数の孔が、塗布部を隔てて離間した状態で、行方向および列方向に規則的に配列されるように調整した。この際、隣接する孔における対角方向の孔間距離は、50μmとなるようにした。
<Production of Sample 2 Anode and Sample 2 Fuel Cell Single Cell>
In the preparation of Sample 1, a layer body part forming paste patterned so as to form a layer body part as shown in FIG. 4 was applied to the surface of the first pressure-bonded body by a screen printing method. Such patterning was performed by screen plate making. In this example, the plurality of holes having a diameter of 100 μm were adjusted so as to be regularly arranged in the row direction and the column direction in a state of being spaced apart from each other by the application part. At this time, the inter-hole distance in the diagonal direction between adjacent holes was set to 50 μm.

次いで、層本体部形成用ペーストを塗布した第1圧着体の表面に、上記パターンに対してネガ・ポジの関係にある逆パターンを用い、スクリーン印刷法により、流路形成用ペーストを塗布した。これらの点以外は試料1と同様にして、試料2のアノードを有する試料2の燃料電池単セルを得た。   Next, the flow path forming paste was applied to the surface of the first pressure-bonded body to which the layer main body forming paste was applied, by a screen printing method using a reverse pattern having a negative / positive relationship with respect to the pattern. Except for these points, the fuel cell single cell of Sample 2 having the anode of Sample 2 was obtained in the same manner as Sample 1.

試料2のアノードは、拡散層と活性層と有している。活性層は、NiとYSZとを含む活性層材料より構成されており、拡散層よりも緻密な層本体部と、拡散層との界面から活性層の厚み方向に沿って内方に延びる孔からなるガス流路とを有している。なお、ガス流路は、界面側とは反対側の活性層の界面に貫通している。上述した手法により測定された活性層の平均厚みDは20μm、ガス流路の平均長さLは19μm、ガス流路の平均流路間隔Wは38μm、拡散層の平均厚みは300μm、層本体部の気孔率は30%、拡散層の気孔率は65%であった。また、活性層の断面をSEM観察したところ、層本体部におけるガス流路側の壁面にあるNi粒子(壁面側触媒粒子)は、壁面側のNi粒子よりも内側にあるNi粒子(内側触媒粒子)より粗大化されていた。上述した手法により測定された壁面側のNi粒子の平均粒子径は1.1μm、内側のNi粒子の平均粒子径は0.8μmであった。   The anode of Sample 2 has a diffusion layer and an active layer. The active layer is made of an active layer material containing Ni and YSZ, and has a layer body portion denser than the diffusion layer and a hole extending inward along the thickness direction of the active layer from the interface with the diffusion layer. A gas flow path. The gas flow path penetrates the interface of the active layer on the side opposite to the interface side. The average thickness D of the active layer measured by the above-described method is 20 μm, the average length L of the gas channel is 19 μm, the average channel interval W of the gas channel is 38 μm, the average thickness of the diffusion layer is 300 μm, and the layer body part The porosity was 30%, and the porosity of the diffusion layer was 65%. Further, when the cross section of the active layer was observed by SEM, the Ni particles (wall surface side catalyst particles) on the wall surface on the gas flow path side in the layer main body portion were Ni particles (inner catalyst particles) on the inner side of the Ni particles on the wall surface side. It was coarser. The average particle diameter of the Ni particles on the wall surface side measured by the above-described method was 1.1 μm, and the average particle diameter of the inner Ni particles was 0.8 μm.

<試料3のアノード、試料3の燃料電池単セルの作製>
試料1の作製において、第1圧着体の表面に形成された塗布部間の隙間に、スクリーン印刷法により、Fe入り流路形成用ペーストを充填した。この点以外は試料1と同様にして、試料3のアノードを有する試料3の燃料電池単セルを得た。なお、Fe入り流路形成用ペースト中の有機物は、焼成により焼失した。
<Preparation of Sample 3 Anode, Sample 3 Fuel Cell Single Cell>
In the preparation of Sample 1, the gap between the application parts formed on the surface of the first pressure-bonded body was filled with Fe 2 O 3 containing flow path forming paste by screen printing. Except for this point, the fuel cell single cell of Sample 3 having the anode of Sample 3 was obtained in the same manner as Sample 1. In addition, the organic substance in the paste for forming a flow path containing Fe 2 O 3 was burned out by firing.

活性層の断面をSEM観察したところ、層本体部におけるガス流路側の壁面にある壁面側触媒粒子は、壁面側触媒粒子よりも内側にあるNi粒子(内側触媒粒子)より粗大化されていた。SEM観察用にセル積層断面を研磨等により調整し、SEM−EDS分析を行うことにより壁面側触媒粒子の材質を特定したところ、壁面側触媒粒子は、Ni−Fe合金粒子であった。上述した手法により測定された壁面側のNi−Fe合金粒子の平均粒子径は0.9μm、内側のNi粒子の平均粒子径は0.8μmであった。その他の測定値は、試料1と同等であった。   When the cross section of the active layer was observed by SEM, the wall surface side catalyst particles on the wall surface on the gas flow path side in the layer main body were coarser than the Ni particles (inner catalyst particles) inside the wall surface side catalyst particles. When the cell laminate cross section was adjusted by polishing or the like for SEM observation and the material of the wall surface side catalyst particles was specified by performing SEM-EDS analysis, the wall surface side catalyst particles were Ni-Fe alloy particles. The average particle size of the Ni—Fe alloy particles on the wall surface side measured by the above-described method was 0.9 μm, and the average particle size of the inner Ni particles was 0.8 μm. The other measured values were equivalent to Sample 1.

<試料4のアノード、試料4の燃料電池単セルの作製>
試料2の作製において、第1圧着体の表面に形成された孔部内に、スクリーン印刷法により、Fe入り流路形成用ペーストを充填した。この点以外は試料2と同様にして、試料4のアノードを有する試料4の燃料電池単セルを得た。なお、Fe入り流路形成用ペースト中の有機物は、焼成により焼失した。
<Preparation of Sample 4 Anode, Sample 4 Fuel Cell Single Cell>
In preparing Sample 2, the pores formed on the surface of the first pressure-bonded body were filled with a flow path forming paste containing Fe 2 O 3 by screen printing. Except for this point, the fuel cell unit cell of Sample 4 having the anode of Sample 4 was obtained in the same manner as Sample 2. In addition, the organic substance in the paste for forming a flow path containing Fe 2 O 3 was burned out by firing.

活性層の断面をSEM観察したところ、層本体部におけるガス流路側の壁面にある壁面側触媒粒子は、壁面側触媒粒子よりも内側にあるNi粒子(内側触媒粒子)よりも粗大化されていた。SEM観察用にセル積層断面を研磨等により調整し、SEM−EDS分析を行うことにより壁面側触媒粒子の材質を特定したところ、壁面側触媒粒子は、Ni−Fe合金粒子であった。上述した手法により測定された壁面側のNi−Fe合金粒子の平均粒子径は0.9μm、内側のNi粒子の平均粒子径は0.8μmであった。その他の測定値は、試料2と同等であった。   When the cross section of the active layer was observed by SEM, the wall surface side catalyst particles on the gas flow path side wall surface in the layer main body were coarser than the Ni particles (inner catalyst particles) inside the wall surface side catalyst particles. . When the cell laminate cross section was adjusted by polishing or the like for SEM observation and the material of the wall surface side catalyst particles was specified by performing SEM-EDS analysis, the wall surface side catalyst particles were Ni-Fe alloy particles. The average particle size of the Ni—Fe alloy particles on the wall surface side measured by the above-described method was 0.9 μm, and the average particle size of the inner Ni particles was 0.8 μm. The other measured values were equivalent to those of Sample 2.

(実験例2)
実験例1における<試料1のアノード、試料1の燃料電池単セルの作製>と同様の作製方法にて、ガス流路を有するアノード支持型の燃料電池単セルを複数水準作製した。具体的には、層本体部形成用ペーストの印刷回数、および、層本体部形成用ペーストの塗布パターンを変更することにより、表1に示す水準の試料を複数作製した。なお、本実験例2では、縦50μm×横50μmの正方形状の複数の塗布部が行方向および列方向に規則的に配列されるように調整し、これら正方形状の複数の塗布部の離間間隔を表1の通り変化させた。アノードおよび固体電解質層は、焼成後に100×100mmとなるようにし、カソードは、80×80mmとなるように調整した。
(Experimental example 2)
A plurality of levels of anode-supported fuel cell single cells having gas flow paths were produced by the same production method as in <Preparation of Sample 1 Anode, Sample 1 Fuel Cell Single Cell> in Experimental Example 1. Specifically, a plurality of samples having the levels shown in Table 1 were produced by changing the number of times the layer body portion forming paste was printed and the coating pattern of the layer body portion forming paste. In this Experimental Example 2, adjustment was made so that a plurality of square-shaped application portions of 50 μm in length × 50 μm in width were regularly arranged in the row direction and the column direction, and the spacing between the plurality of square-shaped application portions Was changed as shown in Table 1. The anode and the solid electrolyte layer were adjusted to 100 × 100 mm after firing, and the cathode was adjusted to 80 × 80 mm.

作製された各水準の試料について、上述の方法により、アノードにおける活性層の平均厚みD、ガス流路の平均流路間隔W、ガス流路の平均長さLを測定した。   About the produced samples of each level, the average thickness D of the active layer in the anode, the average channel interval W of the gas channel, and the average length L of the gas channel were measured by the above-described methods.

次に、作製された各試料の燃料電池単セルについて発電試験を実施した。燃料には100%−Hを用い、25A発電時の燃料利用率が80%となるように流量を調整した。25Aまでの電流−電圧(I−V)特性の測定を行い、25Aでの発電量(電流×電圧)を算出した。これらの結果をまとめて表1に示す。 Next, a power generation test was carried out on the single fuel cell of each sample produced. With 100% -H 2 to the fuel, the fuel utilization rate at 25A power was adjusted flow rate to be 80%. Current-voltage (IV) characteristics up to 25A were measured, and the power generation amount (current x voltage) at 25A was calculated. These results are summarized in Table 1.

Figure 2018085200
Figure 2018085200

表1によれば、以下のことがわかる。水準1と、水準6または水準7との比較から、同一の活性層厚みであっても、ガス流路が形成されている水準6、7では発電出力が増大することが確認された。これは、ガス流路により、活性層へのガス拡散性が良好に保たれる為である。   According to Table 1, the following can be understood. From a comparison between level 1 and level 6 or level 7, it was confirmed that the power generation output increased at levels 6 and 7 where the gas flow path was formed even with the same active layer thickness. This is because the gas flow path maintains good gas diffusibility into the active layer.

また、2D>Wの関係を満足する場合には、同一の活性層厚みであっても発電出力が増大することが確認された。また、2D>Wの関係を満足する場合には、活性層厚みの増大に伴い、発電出力が増大することが確認された。これは、2D>Wの関係を満足する場合には、2D>Wの関係を満足していない場合に比べ、活性層のガス拡散性をより良好に保ちやすくなるためである。   Further, when the relationship of 2D> W was satisfied, it was confirmed that the power generation output increased even with the same active layer thickness. In addition, when the relationship of 2D> W was satisfied, it was confirmed that the power generation output increased as the active layer thickness increased. This is because when the relationship of 2D> W is satisfied, the gas diffusibility of the active layer can be maintained better than when the relationship of 2D> W is not satisfied.

また、活性層の平均厚みDが100μmを超える場合には、発電出力が低下する場合があった。この結果から、活性層の平均厚みDを100μm以下とし、活性層の平均流路間隔Wを200μm未満とすることで、ガス流路から層本体部31へのガス拡散を促し、層本体部31の中央付近まで燃料ガスを到達させやすくすることが発電出力の確保に有利であることが確認された。   Further, when the average thickness D of the active layer exceeds 100 μm, the power generation output may decrease. From this result, by setting the average thickness D of the active layer to 100 μm or less and the average flow path interval W of the active layer to less than 200 μm, gas diffusion from the gas flow path to the layer main body 31 is promoted, and the layer main body 31 It has been confirmed that it is advantageous for securing the power generation output to make the fuel gas easily reach the vicinity of the center.

本発明は、上記各実施形態、各実験例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、各実施形態、各実験例に示される各構成は、それぞれ任意に組み合わせることができる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments and experimental examples, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Moreover, each structure shown by each embodiment and each experiment example can be combined arbitrarily, respectively.

1 固体酸化物形燃料電池用アノード
2 拡散層
23 界面
3 活性層
31 層本体部
32 ガス流路
4 固体電解質層
7 固体酸化物形燃料電池
F 燃料ガス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Anode for solid oxide fuel cell 2 Diffusion layer 23 Interface 3 Active layer 31 Layer body part 32 Gas flow path 4 Solid electrolyte layer 7 Solid oxide fuel cell F Fuel gas

Claims (11)

外部から供給される燃料ガス(F)を拡散させる拡散層(2)と、
上記拡散層の一方面に接する活性層(3)とを有しており、
上記活性層は、活性層材料より構成され、上記拡散層よりも緻密な層本体部(31)と、上記拡散層との界面(23)から上記活性層の厚み方向に沿って内方に延びるガス流路(32)とを有している、固体酸化物形燃料電池用アノード(1)。
A diffusion layer (2) for diffusing the fuel gas (F) supplied from the outside;
An active layer (3) in contact with one side of the diffusion layer,
The active layer is made of an active layer material, and extends inward along the thickness direction of the active layer from an interface (23) between the layer body portion (31) denser than the diffusion layer and the diffusion layer. A solid oxide fuel cell anode (1) having a gas flow path (32).
上記ガス流路は、上記界面側とは反対側の上記活性層の層面に貫通する貫通流路を含んでいる、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池用アノード。   2. The anode for a solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the gas flow path includes a through flow path that penetrates a layer surface of the active layer on a side opposite to the interface side. 上記活性層の平均厚みをD、上記ガス流路の平均流路間隔をWとしたとき、
2D>Wを満たす、請求項1または2に記載の固体酸化物形燃料電池用アノード。
When the average thickness of the active layer is D and the average channel interval of the gas channels is W,
The anode for a solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2, wherein 2D> W is satisfied.
上記ガス流路は、溝または孔より構成されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池用アノード。   The anode for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the gas flow path is constituted by a groove or a hole. 上記層本体部は、上記ガス流路側の壁面に配置された壁面側触媒粒子(311a)と、上記壁面側触媒粒子よりも内側に含まれる内側触媒粒子(311b)とを有しており、
上記壁面側触媒粒子の平均粒子径は、上記内側触媒粒子の平均粒子径よりも大きい、請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池用アノード。
The layer body has wall surface side catalyst particles (311a) disposed on the wall surface on the gas flow path side, and inner catalyst particles (311b) included inside the wall surface side catalyst particles,
5. The anode for a solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein an average particle diameter of the wall surface side catalyst particles is larger than an average particle diameter of the inner catalyst particles.
上記壁面側触媒粒子および上記内側触媒粒子は、いずれもNi粒子である請求項5に記載の固体酸化物形燃料電池用アノード。   6. The anode for a solid oxide fuel cell according to claim 5, wherein both the wall surface side catalyst particles and the inner side catalyst particles are Ni particles. 上記内側触媒粒子は、Ni粒子であり、
上記壁面側触媒粒子は、Ni合金粒子である、請求項5に記載の固体酸化物形燃料電池用アノード。
The inner catalyst particles are Ni particles,
6. The anode for a solid oxide fuel cell according to claim 5, wherein the wall surface side catalyst particles are Ni alloy particles.
上記層本体部の気孔率は、40%以下である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池用アノード。   The anode for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the porosity of the layer body is 40% or less. 上記活性層の平均厚みは、5μm以上100μm以下である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池用アノード。   9. The anode for a solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the average thickness of the active layer is 5 μm or more and 100 μm or less. 上記活性層材料は、Ni粒子と固体電解質粒子とを含んでおり、
上記固体電解質粒子を構成する固体電解質は、ZrO、Y、Sc、Sm、Gd、および、Laからなる群より選択される少なくとも1種の元素がドープされたZrO、CeO、または、Gd、Sm、Y、La、Nd、Yb、Ca、および、Hoからなる群より選択される少なくとも1種の元素がドープされたCeOである、請求項1〜9のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池用アノード。
The active layer material contains Ni particles and solid electrolyte particles,
The solid electrolyte constituting the solid electrolyte particles is ZrO 2 , CeO 2 or Gd doped with at least one element selected from the group consisting of ZrO 2 , Y, Sc, Sm, Gd, and La. 10. The CeO 2 doped with at least one element selected from the group consisting of Sm, Y, La, Nd, Yb, Ca, and Ho. Anode for solid oxide fuel cell.
請求項1〜10のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池用アノードを有する、固体酸化物形燃料電池(7)。   A solid oxide fuel cell (7) comprising the anode for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 10.
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