JP2004303712A - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte film of a solid oxide fuel cell having high output performance. <P>SOLUTION: The solid oxide fuel cell is equipped with a unit cell having an air electrode on one side of an electrolyte film and a fuel electrode on the other side, and an interconnector for electrical connection, and the electrolyte film has a first layer comprising a material having oxygen ion conductivity S1 on the air electrode side; a third layer comprising a material having oxygen ion conductivity S3 on the fuel electrode side; a second layer comprising a material having oxygen ion conductivity S2 between the first layer and the third layer and containing at least zirconia, and the relation of the oxygen ion conductivity S1 and the oxygen ion conductivity S2 is S1>S2, and the relation of the oxygen ion conductivity S3 and the oxygen ion conductivity S2 is S3>S2. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池に関する。特には、酸素イオン導電性に優れ、ガス透過性の無い電解質膜を有し、900℃以下の発電温度においても高い出力性能を有する固体酸化物形燃料電池に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell having excellent output performance. In particular, the present invention relates to a solid oxide fuel cell having an electrolyte membrane having excellent oxygen ion conductivity and having no gas permeability and having high output performance even at a power generation temperature of 900 ° C. or lower.

従来の固体酸化物形燃料電池の電解質膜としてイットリアを固溶させたジルコニア(以下、YSZと示す)からなる層が提案されている。(例えば、特許文献1参照。)。YSZは焼結性に優れるためガス透過性の無い電解質膜を容易に作製することは可能であるが、この材料を電解質膜に用いた固体酸化物形燃料電池の出力性能は、900℃以下の低温において電解質膜の酸素イオン導電性が低下し、空気極と電解質膜の間で起こる(1)式の反応が効率良く進まなくなるため出力性能が低くなるという問題があった。
1/2O2+2e-→O2- …(1)
A layer made of zirconia in which yttria is dissolved (hereinafter, referred to as YSZ) has been proposed as an electrolyte membrane of a conventional solid oxide fuel cell. (For example, see Patent Document 1). Since YSZ has excellent sinterability, it is possible to easily produce an electrolyte membrane without gas permeability.However, the output performance of a solid oxide fuel cell using this material for the electrolyte membrane is 900 ° C or less. At low temperatures, the oxygen ion conductivity of the electrolyte membrane is reduced, and the reaction of the formula (1) between the air electrode and the electrolyte membrane does not proceed efficiently, so that there is a problem that the output performance is reduced.
1 / 2O 2 + 2e - → O 2- ... (1)

なお、ここで示すガス透過性の無い電解質膜とは、電解質膜の片面とその反対側面の間に圧力差を設けた時、その間を透過するガス透過量で評価され、ガス透過量Q≦2.8×10-9ms-1Pa-1(より好ましくはQ≦2.8×10-10ms-1Pa-1)であるものを指す。 In addition, the electrolyte membrane having no gas permeability shown here is evaluated by a gas permeation amount passing therethrough when a pressure difference is provided between one side and the opposite side of the electrolyte membrane, and a gas permeation amount Q ≦ 2.8 × 10 −9 ms −1 Pa −1 (more preferably, Q ≦ 2.8 × 10 −10 ms −1 Pa −1 ).

固体酸化物形燃料電池の電解質膜として、スカンジアを固溶させたジルコニア(以下、SSZと示す)からなる層が提案されている。(例えば、特許文献2参照)。 SSZはYSZより酸素イオン導電性が高く、この材料を電解質膜に採用すれば固体酸化物形燃料電池の出力性能が高くなることが期待される。しかし、特許文献2に示される材料で電解質膜を作製したが、当方で行った試験の結果では、ガス透過性の無い電解質膜を作製するのが困難であった。   As an electrolyte membrane of a solid oxide fuel cell, a layer made of zirconia in which scandia is dissolved (hereinafter, referred to as SSZ) has been proposed. (For example, see Patent Document 2). SSZ has higher oxygen ion conductivity than YSZ, and it is expected that the use of this material for the electrolyte membrane will increase the output performance of the solid oxide fuel cell. However, although an electrolyte membrane was manufactured using the material disclosed in Patent Document 2, it was difficult to manufacture an electrolyte membrane having no gas permeability according to the results of tests performed by us.

固体酸化物形燃料電池の電解質膜として、セリアにサマリア、ガドリア等を固溶させたセリウム含有酸化物からなる層が提案されている (例えば、特許文献3、特許文献4参照) 。特許文献3および特許文献4で提案されている材料は固体酸化物形燃料電池の燃料ガス雰囲気下で電子導電性を有するため、提案されている材料のみで電解質膜を構成すると出力性能が低下するという問題があった。 As an electrolyte membrane for a solid oxide fuel cell, a layer made of a cerium-containing oxide in which ceria is dissolved in samarium, gadria, or the like has been proposed (for example, see Patent Documents 3 and 4). The materials proposed in Patent Literature 3 and Patent Literature 4 have electronic conductivity under a fuel gas atmosphere of a solid oxide fuel cell, so that when an electrolyte membrane is formed using only the proposed materials, output performance is reduced. There was a problem.

固体酸化物形燃料電池の電解質膜として、ランタンガレートからなる層が提案されている(例えば、特許文献5、特許文献6参照)。特許文献5および特許文献6で提案されている材料は固体酸化物形燃料電池の空気極としてランタンマンガナイトのようにマンガンを含む酸化物を採用した場合、マンガン成分の拡散によって同材料に電子導電性が生じ、提案されている材料のみで電解質膜を構成すると出力性能が低下するという問題があった。
特開平10-158894号公報(第1-6頁、図1-図12) 特開平7-6774号公報(第1-5頁、図1-図5) 特開平11-273451号公報(第1-8頁、図1-図5) 特許公報2813355号(第1-5頁、図1-図5) 特開2002-15756号公報(第1-9頁、図1-図9) 特開平11-335164号公報(第1-12頁、図1-図12)
As an electrolyte membrane of a solid oxide fuel cell, a layer made of lanthanum gallate has been proposed (for example, see Patent Documents 5 and 6). The materials proposed in Patent Documents 5 and 6 use an oxide containing manganese, such as lanthanum manganite, as the air electrode of a solid oxide fuel cell. Therefore, there is a problem that when the electrolyte membrane is composed of only the proposed materials, the output performance is reduced.
JP-A-10-158894 (pages 1-6, FIGS. 1-12) JP-A-7-6774 (pages 1-5, FIGS. 1-5) JP-A-11-273451 (pages 1-8, FIGS. 1-5) Patent Publication No. 2813355 (Pages 1-5, FIGS. 1-5) JP-A-2002-15756 (pages 1-9, FIGS. 1-9) JP-A-11-335164 (pages 1-12, FIGS. 1-12)

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、電解質膜における構成材料の適正化を図ることで出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell having excellent output performance by optimizing constituent materials of an electrolyte membrane.

上記目的を達成するために本発明は、電解質膜の片面に空気極、その反対面に燃料極を配置した単電池と、電気的接続の役割を有するインターコネクターと、を備えた固体酸化物形燃料電池であって、前記電解質膜は、前記空気極側に酸素イオン導電率S1の材料からなる第一の層と、前記燃料極側に酸素イオン導電率S3の材料からなる第三の層と、前記第一の層と前記第三の層の間に酸素イオン導電率S2で、少なくともジルコニアを含む材料からなる第二の層が設けられ、前記酸素イオン導電率S1と前記酸素イオン導電率S2は、S1>S2の関係にあり、前記酸素イオン導電率S3と前記酸素イオン導電率S2は、S3>S2の関係にあることを特徴とする固体酸化物形燃料電池を提供する。   In order to achieve the above object, the present invention provides a solid oxide type comprising: a cell having an air electrode on one side of an electrolyte membrane and a fuel electrode on the other side; and an interconnector having a role of electrical connection. In a fuel cell, the electrolyte membrane includes a first layer made of a material having an oxygen ion conductivity S1 on the air electrode side, and a third layer made of a material having an oxygen ion conductivity S3 on the fuel electrode side. A second layer made of a material containing at least zirconia and having an oxygen ion conductivity S2 between the first layer and the third layer, wherein the oxygen ion conductivity S1 and the oxygen ion conductivity S2 are provided. Has a relationship of S1> S2, and the oxygen ion conductivity S3 and the oxygen ion conductivity S2 have a relationship of S3> S2.

本発明によれば、電解質膜は空気極および燃料極に接する面に酸素イオン導電性が高い材料からなる層を設け、それらの層の間に少なくともジルコニアを含む材料からなる層を挟み込む構造なので出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, the electrolyte membrane has a structure in which a layer made of a material having high oxygen ion conductivity is provided on the surface in contact with the air electrode and the fuel electrode, and a layer made of a material containing at least zirconia is sandwiched between those layers. A solid oxide fuel cell having excellent performance can be provided.

この理由は、空気極と電解質膜の間で起こる(1)式の反応により生成した酸素イオンを電解質膜に効率良く供給することができることと、第二の層を有するので電解質膜はガス透過性が無く、酸素イオンを効率良く燃料極側に供給することができることと、電解質膜と燃料極の間で起こる(2),(3)式の反応を効率良く進めることができるためである。
1/2O2+2e-→O2- …(1)
H2+O2-→H2O+2e- …(2)
CO+O2-→CO2+2e- …(3)
The reason for this is that oxygen ions generated by the reaction of the formula (1) occurring between the air electrode and the electrolyte membrane can be efficiently supplied to the electrolyte membrane, and that the electrolyte membrane having the second layer has gas permeability. This is because oxygen ions can be efficiently supplied to the fuel electrode side, and the reactions of the equations (2) and (3) occurring between the electrolyte membrane and the fuel electrode can be efficiently advanced.
1 / 2O 2 + 2e - → O 2- ... (1)
H 2 + O 2- → H 2 O + 2e - ... (2)
CO + O 2- → CO 2 + 2e - ... (3)

なお、前記(2)式の反応を厳密に説明すると(4),(5)式の2段階反応であるとの報告もある。ここではNiを例にして説明する。
O2-+Ni→NiO+2e- …(4)
NiO+H2→Ni+H2O …(5)
しかし、厳密に上記反応を分離することは困難であるので、ここでは電極反応を(4)+(5)、すなわち(2)式で説明することとした。
Strictly speaking, the reaction of the formula (2) has been reported to be a two-step reaction of the formulas (4) and (5). Here, Ni will be described as an example.
O 2- + Ni → NiO + 2e - ... (4)
NiO + H 2 → Ni + H 2 O… (5)
However, since it is difficult to strictly separate the above reactions, the electrode reaction is described here by (4) + (5), that is, equation (2).

本発明の好ましい態様においては、酸素イオン導電率S1の材料からなる第一の層と酸素イオン導電率S3の材料からなる第三の層は、同一組成である。 In a preferred embodiment of the present invention, the first layer made of the material having the oxygen ion conductivity S1 and the third layer made of the material having the oxygen ion conductivity S3 have the same composition.

本発明によれば、酸素イオン導電率の高い同一の材料を空気極側と燃料極側に設け、少なくともジルコニアからなる材料を中間に設けるようにしたので、出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, the same material having high oxygen ion conductivity is provided on the air electrode side and the fuel electrode side, and at least a material made of zirconia is provided in the middle, so that a solid oxide fuel cell having excellent output performance is provided. Can be provided.

この理由は、空気極と電解質膜の間で起こる(1)式の反応により生成した酸素イオンを電解質膜に効率良く供給することができることと、第二の層を有するので電解質膜はガス透過性が無く、酸素イオンを効率良く燃料極側に供給することができることと、電解質膜と燃料極の間で起こる(2),(3)式の反応を効率良く進めることができるためである。   The reason for this is that oxygen ions generated by the reaction of the formula (1) occurring between the air electrode and the electrolyte membrane can be efficiently supplied to the electrolyte membrane, and that the electrolyte membrane having the second layer has gas permeability. This is because oxygen ions can be efficiently supplied to the fuel electrode side, and the reactions of the equations (2) and (3) occurring between the electrolyte membrane and the fuel electrode can be efficiently advanced.

本発明の好ましい態様においては、電解質膜における第二の層の厚みは電解質膜のトータルの厚みに対して10〜90%である。 In a preferred embodiment of the present invention, the thickness of the second layer in the electrolyte membrane is from 10 to 90% of the total thickness of the electrolyte membrane.

本発明によれば、電解質膜における第二の層の厚みを上記範囲にすることでコストが安価で、出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a solid oxide fuel cell that is inexpensive and has excellent output performance by setting the thickness of the second layer in the electrolyte membrane to the above range.

この理由は、10%より小さいと電解質膜材料のコストが高く実用的でない場合と、ガス透過性の無い電解質膜を容易に作製できない場合のいずれかの問題があるためで、一方、90%より大きいと電解質膜トータルの酸素イオン導電率が低下し、(1)式で生成した酸素イオンを燃料極側へ効率良く供給することができなくなり、出力性能が低下するためである。   The reason for this is that if it is less than 10%, the cost of the electrolyte membrane material is high and impractical, or there is a problem that the electrolyte membrane without gas permeability cannot be easily produced. If it is too large, the oxygen ion conductivity of the total electrolyte membrane decreases, and it becomes impossible to efficiently supply the oxygen ions generated by the formula (1) to the fuel electrode side, and output performance is reduced.

本発明の好ましい態様においては、第二の層の厚みが電解質膜のトータルの厚みに対して20〜70%である。   In a preferred embodiment of the present invention, the thickness of the second layer is 20 to 70% of the total thickness of the electrolyte membrane.

本発明によれば、第二の層の厚みをさらに限定した上記範囲とすることで酸素イオン導電性が高く、ガス透過性の無い電解質膜の作製を容易にすることができ、出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, by setting the thickness of the second layer to the above-mentioned range that is further limited, oxygen ion conductivity is high, and the production of an electrolyte membrane without gas permeability can be facilitated, and the output performance is excellent. A solid oxide fuel cell can be provided.

この理由は、20%未満であると電解質膜材料のコストがやや高い場合とガス透過性の無い電解質膜を低温で作製することが難しい場合のいずれかの可能性があるためで、一方、70%より多いと電解質膜トータルの酸素イオン導電性がやや低く、900℃以下の発電において出力性能が低下する可能性があるためである。   The reason for this is that if the content is less than 20%, there is a possibility that the cost of the electrolyte membrane material is somewhat high or that it is difficult to produce an electrolyte membrane having no gas permeability at a low temperature. %, The oxygen ion conductivity of the electrolyte membrane as a whole is slightly lower, and the output performance may be reduced in power generation at 900 ° C. or lower.

本発明の好ましい態様においては、電解質膜における第二の層はYSZ材料である。   In a preferred embodiment of the present invention, the second layer in the electrolyte membrane is a YSZ material.

電解質膜にYSZ材料を含むようにすることで、ガス透過性の無い電解質膜を容易に作製することができ、出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 By including the YSZ material in the electrolyte membrane, an electrolyte membrane having no gas permeability can be easily produced, and a solid oxide fuel cell having excellent output performance can be provided.

この理由は、YSZ材料は焼結性が高く、低温でガス透過性の無い電解質膜を形成させることができるので、電極間の反応やMn成分の拡散等による出力性能の低下を抑制することができるためである。 The reason is that the YSZ material has a high sinterability and can form an electrolyte membrane having no gas permeability at a low temperature, so that a reduction in output performance due to a reaction between electrodes, diffusion of a Mn component, and the like can be suppressed. This is because we can do it.

本発明の好ましい態様においては、電解質膜における第二の層は少なくともスカンジアとイットリアを固溶させたジルコニア(以下、ScYSZと示す。)材料である。 In a preferred embodiment of the present invention, the second layer in the electrolyte membrane is a zirconia (ScYSZ) material in which at least scandia and yttria are dissolved.

電解質膜にScYSZ材料を含むようにすることで、ガス透過性の無い電解質膜を容易に作製することができ、出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 By including the ScYSZ material in the electrolyte membrane, an electrolyte membrane having no gas permeability can be easily produced, and a solid oxide fuel cell having excellent output performance can be provided.

この理由は、ScYSZは焼結性が高く、低温でガス透過性の無い電解質膜を形成させることができるので、電極間の反応やMn成分の拡散等による出力性能の低下を抑制することができるためである。 The reason is that ScYSZ has a high sinterability and can form an electrolyte membrane without gas permeability at low temperatures, so that it is possible to suppress a decrease in output performance due to a reaction between electrodes or diffusion of a Mn component. That's why.

本発明の好ましい態様においては、第一の層および第三の層は、SSZ材料である。 In a preferred embodiment of the present invention, the first and third layers are SSZ materials.

電解質膜の空気極側および燃料極側にSSZ材料を設けることで、酸素イオン導電性に優れ、ガス透過性の無い電解質膜を作製できるので出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 By providing an SSZ material on the air electrode side and the fuel electrode side of the electrolyte membrane, it is possible to produce an electrolyte membrane having excellent oxygen ion conductivity and no gas permeability, thereby providing a solid oxide fuel cell having excellent output performance. Can be.

この理由は、空気極側および燃料極側に酸素イオン導電性の高いSSZ材料を設けたので空気極と電解質膜の間で起こる(1)式の反応と、電解質膜と燃料極の間で起こる(2),(3)式の反応を効率よく行うことができることと、第二の層がSSZ層の間に設けられているのでガス透過性の無い電解質膜を低温で作製することができるためである。 The reason is that the reaction of formula (1) that occurs between the air electrode and the electrolyte membrane, and the reaction that occurs between the electrolyte membrane and the fuel electrode, because the SSZ material with high oxygen ion conductivity is provided on the air electrode side and the fuel electrode side Since the reaction of the formulas (2) and (3) can be performed efficiently, and since the second layer is provided between the SSZ layers, an electrolyte membrane having no gas permeability can be produced at a low temperature. It is.

本発明の好ましい態様においては、電解質膜における第一の層は一般式(CeO2)1-2X(B2O3)X (但し、BはSm,Gd,Yのいずれか一種、0.05≦X≦0.15)で表されるセリウム含有酸化物であり、第三の層はスカンジアを固溶させたジルコニア材料である。 In a preferred embodiment of the present invention, the first layer in the electrolyte membrane is a general formula (CeO 2 ) 1-2X (B 2 O 3 ) X (where B is any one of Sm, Gd, Y, 0.05 ≦ X ≦ 0.15), and the third layer is a zirconia material in which scandia is dissolved.

電解質膜の空気極側に一般式(CeO2)1-2X(B2O3)X (但し、BはSm,Gd,Yのいずれか一種、0.05≦X≦0.15)で表されるセリウム含有酸化物を設け、燃料極側にSSZ材料を設けることで、出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 Cerium-containing represented by the general formula (CeO 2 ) 1-2X (B 2 O 3 ) X (where B is one of Sm, Gd, and Y, 0.05 ≦ X ≦ 0.15) on the air electrode side of the electrolyte membrane By providing the oxide and the SSZ material on the fuel electrode side, a solid oxide fuel cell having excellent output performance can be provided.

この理由は、空気極側に上記組成からなるセリウム含有酸化物層を設けたので空気極と電解質膜の間で生じる(1)式の反応を効率良く進めることができることと、燃料極側に酸素イオン導電性の高いSSZ材料層を設けるので、電解質膜と燃料極の間で起こる(2),(3)式の反応を効率よく行うことができることと、少なくともジルコニアを含む材料からなる第二の層を有するのでガス透過性の無い電解質膜を形成することができるためである。 The reason for this is that the cerium-containing oxide layer having the above composition is provided on the air electrode side, so that the reaction of the formula (1) occurring between the air electrode and the electrolyte membrane can be efficiently advanced, and the oxygen Since the SSZ material layer having high ionic conductivity is provided, the reaction of the formulas (2) and (3) that occur between the electrolyte membrane and the fuel electrode can be efficiently performed, and the second one made of a material containing at least zirconia This is because an electrolyte membrane having no gas permeability can be formed because of having the layer.

本発明の好ましい態様においては、電解質膜における第一の層は一般式La1-aAaGa1-bBbO3またはLa1-aAaGa1-b-cBbCcO3(但し、AはSr,Ca,Baの1種または2種以上、BはMg,Al,Inの1種または2種以上、CはCo,Fe,Ni,Crの1種または2種以上)で表されるランタンガレートであり、第三の層はSSZ材料である。 In a preferred embodiment of the present invention, the first layer in the electrolyte membrane general formula La 1-a A a Ga 1 -b B b O 3 or La 1-a A a Ga 1 -bc B b C c O 3 ( However, A is one or more of Sr, Ca, Ba, B is one or more of Mg, Al, In, and C is one or more of Co, Fe, Ni, Cr) The lanthanum gallate represented and the third layer is an SSZ material.

電解質膜の空気極側に上記組成からなるランタンガレート層を設け、燃料極側にSSZ材料層を設けることで、酸素イオン導電性に優れ、ガス透過性の無い電解質膜を作製できるので出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 By providing a lanthanum gallate layer composed of the above composition on the air electrode side of the electrolyte membrane and providing an SSZ material layer on the fuel electrode side, an electrolyte membrane with excellent oxygen ion conductivity and no gas permeability can be manufactured, so output performance is improved. An excellent solid oxide fuel cell can be provided.

この理由は、上記ランタンガレート材料は酸素イオン導電性が高く、空気極と電解質膜の間で起こる(1)式の反応を効率良く進めることができることと、燃料極側に酸素導電性が高いSSZ材料層を設けるので、電解質膜と燃料極の間で起こる(2),(3)式の反応を効率よく行うことができることと、少なくともジルコニアを含む材料からなる第二の層を有するのでガス透過性の無い電解質膜を低温で作製することができるためである。   The reason for this is that the lanthanum gallate material has high oxygen ion conductivity, can efficiently promote the reaction of the formula (1) that occurs between the air electrode and the electrolyte membrane, and has a high oxygen conductivity on the fuel electrode side in SSZ. Since the material layer is provided, the reaction of the formulas (2) and (3) occurring between the electrolyte membrane and the fuel electrode can be efficiently performed, and the gas permeation can be achieved by having the second layer made of a material containing at least zirconia. This is because an electrolyte membrane having no property can be manufactured at a low temperature.

本発明の好ましい態様においては、電解質膜における第一の層は、ScYSZ材料であり、第三の層は、SSZ材料である。 In a preferred embodiment of the present invention, the first layer in the electrolyte membrane is a ScYSZ material, and the third layer is an SSZ material.

電解質膜の空気極側にScYSZ材料を設け、燃料極側にSSZ材料を設けることで酸素イオン導電性に優れ、ガス透過性の無い電解質膜を作製できるので出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 A solid oxide fuel cell with excellent oxygen ion conductivity and excellent gas-permeability by providing a ScYSZ material on the air electrode side of the electrolyte membrane and an SSZ material on the fuel electrode side. Can be provided.

この理由は、空気極側に焼結性に優れ、比較的酸素イオン導電性が高いScYSZ材料を設けるので、空気極と電解質膜の間で起こる(1)式の反応を効率良く進めることができることと、燃料極側に酸素イオン導電性の高いSSZ材料からなる層を設けるので、電解質膜と燃料極の間で起こる(2),(3)式の反応を効率よく行うことができることと、ScYSZ材料からなる第一の層と少なくともジルコニアを含む材料からなる第二の層を有するのでガス透過性の無い電解質膜を低温で作製することができるためである。 The reason is that the ScYSZ material with excellent sinterability and relatively high oxygen ion conductivity is provided on the air electrode side, so that the reaction of equation (1) that occurs between the air electrode and the electrolyte membrane can be efficiently advanced. In addition, since a layer made of an SSZ material having high oxygen ion conductivity is provided on the fuel electrode side, it is possible to efficiently perform the reactions of Formulas (2) and (3) occurring between the electrolyte membrane and the fuel electrode, and that the ScYSZ This is because an electrolyte membrane having no gas permeability can be manufactured at a low temperature because it has the first layer made of a material and the second layer made of a material containing at least zirconia.

本発明の好ましい態様においては、電解質膜における第一の層は、SSZ材料であり、第三の層は、一般式(CeO2)1-2X(B2O3)X (但し、BはSm,Gd,Yのいずれか一種、0.05≦X≦0.15)で表されるセリウム含有酸化物である。 In a preferred embodiment of the present invention, the first layer in the electrolyte membrane is an SSZ material, and the third layer is a general formula (CeO 2 ) 1-2X (B 2 O 3 ) X (where B is Sm , Gd, and Y are cerium-containing oxides represented by 0.05 ≦ X ≦ 0.15).

電解質膜の空気極側にSSZ材料を設け、燃料極側に一般式(CeO2)1-2X(B2O3)X (但し、BはSm,Gd,Yのいずれか一種、0.05≦X≦0.15)で表されるセリウム含有酸化物を設けることで出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 The SSZ material is provided on the air electrode side of the electrolyte membrane, and the general formula (CeO 2 ) 1-2X (B 2 O 3 ) X (where B is one of Sm, Gd, Y, 0.05 ≦ X By providing the cerium-containing oxide represented by ≦ 0.15), a solid oxide fuel cell having excellent output performance can be provided.

この理由は、空気極側に酸素イオン導電性が高いSSZ材料からなる層を設けるので、空気極と電解質膜の間で起こる(1)式の反応を効率良く進めることができることと、燃料極側に酸素イオン導電性の高い上記組成のセリウム含有酸化物からなる層を設けるので、電解質膜と燃料極の間で起こる(2),(3)式の反応を効率よく行うことができることと、少なくともジルコニアを含む材料からなる第二の層を有するのでガス透過性の無い電解質膜を形成することができるためである。 The reason is that the layer made of SSZ material having high oxygen ion conductivity is provided on the air electrode side, so that the reaction of the formula (1) that occurs between the air electrode and the electrolyte membrane can be efficiently promoted, and that the fuel electrode side Since a layer made of the cerium-containing oxide having the above composition having high oxygen ion conductivity is provided, the reaction of the formulas (2) and (3) occurring between the electrolyte membrane and the fuel electrode can be efficiently performed, and at least This is because an electrolyte membrane having no gas permeability can be formed because of having the second layer made of a material containing zirconia.

本発明の好ましい態様においては、電解質膜における第一の層および第三の層は、一般式(CeO2)1-2X(B2O3)X (但し、BはSm,Gd,Yのいずれか一種、0.05≦X≦0.15)で表されるセリウム含有酸化物である。 In a preferred embodiment of the present invention, the first layer and the third layer in the electrolyte membrane are represented by the general formula (CeO 2 ) 1-2X (B 2 O 3 ) X (where B is any one of Sm, Gd and Y One type is a cerium-containing oxide represented by 0.05 ≦ X ≦ 0.15).

電解質膜の空気極側および燃料極側に一般式(CeO2)1-2X(B2O3)X (但し、BはSm,Gd,Yのいずれか一種、0.05≦X≦0.15)で表されるセリウム含有酸化物を設けることで、酸素イオン導電性に優れ、出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 The general formula (CeO 2 ) 1-2X (B 2 O 3 ) X (where B is one of Sm, Gd and Y, 0.05 ≦ X ≦ 0.15) is provided on the air electrode side and fuel electrode side of the electrolyte membrane. By providing the cerium-containing oxide to be provided, a solid oxide fuel cell having excellent oxygen ion conductivity and excellent output performance can be provided.

この理由は、空気極側および燃料極側に酸素イオン導電性の高い上記組成のセリウム含有酸化物からなる層を設けたので空気極と電解質膜の間で起こる(1)式の反応と、電解質膜と燃料極の間で起こる(2),(3)式の反応を効率よく行うことができることと、少なくともジルコニアを含む材料からなる第二の層を有するのでガス透過性の無い電解質膜を形成することができるためである。 The reason for this is that a layer made of the cerium-containing oxide having the above composition having high oxygen ion conductivity is provided on the air electrode side and the fuel electrode side, so that the reaction of the formula (1) that takes place between the air electrode and the electrolyte membrane and the electrolyte The reaction of formulas (2) and (3) occurring between the membrane and the fuel electrode can be performed efficiently, and an electrolyte membrane with no gas permeability is formed because it has a second layer made of a material containing at least zirconia. This is because you can do it.

本発明の好ましい態様においては、第一の層は、一般式La1-aAaGa1-bBbO3またはLa1-aAaGa1-b-cBbCcO3(但し、AはSr,Ca,Baの1種または2種以上、BはMg,Al,Inの1種または2種以上、CはCo,Fe,Ni,Crの1種または2種以上)で表されるランタンガレートであり、第三の層は、一般式(CeO2)1-2X(B2O3)X (但し、BはSm,Gd,Yのいずれか一種、0.05≦X≦0.15)で表されるセリウム含有酸化物である。 In a preferred embodiment of the present invention, the first layer has the general formula La 1-a A a Ga 1-b B b O 3 or La 1-a A a Ga 1-bc B b C c O 3 (provided that A is represented by one or more of Sr, Ca, Ba, B is represented by one or more of Mg, Al, In, and C is represented by one or more of Co, Fe, Ni, Cr) The third layer is represented by the general formula (CeO 2 ) 1-2X (B 2 O 3 ) X (where B is one of Sm, Gd, and Y, 0.05 ≦ X ≦ 0.15) It is a cerium-containing oxide represented.

電解質膜の空気極側に一般式La1-aAaGa1-bBbO3またはLa1-aAaGa1-b-cBbCcO3(但し、AはSr,Ca,Baの1種または2種以上、BはMg,Al,Inの1種または2種以上、CはCo,Fe,Ni,Crの1種または2種以上)で表されるランタンガレートを設け、燃料極側に一般式(CeO2)1-2X(B2O3)X (但し、BはSm,Gd,Yのいずれか一種、0.05≦X≦0.15)で表されるセリウム含有酸化物を設けるので、酸素イオン導電性が高く出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 The general formula La 1-a A a Ga 1-b B b O 3 or La 1-a A a Ga 1-bc B b C c O 3 (where A is Sr, Ca, Ba One or more, B is one or more of Mg, Al, In, C is one or more of Co, Fe, Ni, Cr) Provide a cerium-containing oxide represented by the general formula (CeO 2 ) 1-2X (B 2 O 3 ) X (where B is one of Sm, Gd, and Y, 0.05 ≦ X ≦ 0.15) on the pole side Therefore, a solid oxide fuel cell having high oxygen ion conductivity and excellent output performance can be provided.

この理由は、空気極側に上記組成のランタンガレートからなる層を設けるので空気極と電解質膜の間で起こる(1)式の反応を効率良く進めることができることと、燃料極側に酸素イオン導電性の高い上記組成のセリウム含有酸化物からなる層を設けるので、電解質膜と燃料極の間で起こる(2),(3)式の反応を効率よく行うことができることと、少なくともジルコニアを含む材料からなる第二の層を有するのでガス透過性の無い電解質膜を低温で作製することができるためである。 The reason for this is that the layer of lanthanum gallate having the above composition is provided on the air electrode side, so that the reaction of the formula (1) occurring between the air electrode and the electrolyte membrane can be efficiently promoted, and the oxygen ion conductivity Since a layer made of a cerium-containing oxide having a high composition is provided, it is possible to efficiently perform the reaction of the formulas (2) and (3) occurring between the electrolyte membrane and the fuel electrode, and a material containing at least zirconia. This is because an electrolyte membrane having no gas permeability can be produced at a low temperature since the second layer made of

本発明の好ましい態様においては、第一の層は、ScYSZ材料であり、第三の層は、一般式(CeO2)1-2X(B2O3)X (但し、BはSm,Gd,Yのいずれか一種、0.05≦X≦0.15)で表されるセリウム含有酸化物である。 In a preferred embodiment of the present invention, the first layer is a ScYSZ material, the third layer is a general formula (CeO 2 ) 1-2X (B 2 O 3 ) X (where B is Sm, Gd, A cerium-containing oxide represented by any one of Y, 0.05 ≦ X ≦ 0.15).

電解質膜の空気極側にScYSZ材料からなる層を設け、燃料極側に上記組成のセリウム含有酸化物からなる層を設けるので、出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 Since a layer made of a ScYSZ material is provided on the air electrode side of the electrolyte membrane and a layer made of the cerium-containing oxide having the above composition is provided on the fuel electrode side, a solid oxide fuel cell having excellent output performance can be provided.

この理由は、空気極側に焼結性に優れ、比較的酸素イオン導電性が高いScYSZ材料からなる層を設けるので、空気極と電解質膜の間で起こる(1)式の反応を効率良く進めることができることと、燃料極側に酸素イオン導電性の高い上記組成のセリウム含有酸化物からなる層を設けるので、電解質膜と燃料極の間で起こる(2),(3)式の反応を効率よく行うことができることと、ScYSZ材料からなる第一の層と、少なくともジルコニアを含む材料からなる第二の層を有するのでガス透過性の無い電解質膜を低温で形成することができるためである。 The reason is that a layer made of ScYSZ material with excellent sinterability and relatively high oxygen ion conductivity is provided on the air electrode side, so that the reaction of the formula (1) that occurs between the air electrode and the electrolyte membrane can be efficiently promoted And a layer made of the cerium-containing oxide having the above composition having high oxygen ion conductivity is provided on the fuel electrode side, so that the reaction of the formulas (2) and (3) occurring between the electrolyte membrane and the fuel electrode can be efficiently performed. This is because it can be performed well, and the electrolyte layer having no gas permeability can be formed at a low temperature because it has the first layer made of the ScYSZ material and the second layer made of at least the material containing zirconia.

本発明の好ましい態様においては、第一の層は、SSZ材料であり、第三の層は、一般式La1-aAaGa1-bBbO3またはLa1-aAaGa1-b-cBbCcO3(但し、AはSr,Ca,Baの1種または2種以上、BはMg,Al,Inの1種または2種以上、CはCo,Fe,Ni,Crの1種または2種以上)で表されるランタンガレートである。 In a preferred embodiment of the present invention, the first layer is an SSZ material and the third layer is of the general formula La 1-a A a Ga 1-b B b O 3 or La 1-a A a Ga 1 -bc B b C c O 3 (where A is one or more of Sr, Ca, Ba, B is one or more of Mg, Al, In, C is Co, Fe, Ni, Cr Lanthanum gallate represented by one or two or more).

電解質膜の空気極側にSSZ材料からなる層を設け、燃料極側に上記組成のランタンガレートからなる層を設けるので、出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 Since a layer made of SSZ material is provided on the air electrode side of the electrolyte membrane and a layer made of lanthanum gallate having the above composition is provided on the fuel electrode side, a solid oxide fuel cell having excellent output performance can be provided.

この理由は、空気極側に酸素イオン導電性が高いSSZ材料からなる層を設けるので、空気極と電解質膜の間で起こる(1)式の反応を効率良く進めることができることと、燃料極側に酸素イオン導電性の高い上記組成のランタンガレートを設けるので、電解質膜と燃料極の間で起こる(2),(3)式の反応を効率よく行うことができることと、少なくともジルコニアを含む材料からなる第二の層を有するのでガス透過性の無い電解質膜を低温で形成することができるためである。また、低温で形成することができるので空気極にマンガンを含む酸化物を用いてもマンガンの拡散による出力性能の低下を抑制することができるためである。 The reason is that the layer made of SSZ material having high oxygen ion conductivity is provided on the air electrode side, so that the reaction of the formula (1) that occurs between the air electrode and the electrolyte membrane can be efficiently promoted, and that the fuel electrode side Since the lanthanum gallate having the above composition having high oxygen ion conductivity is provided, the reaction of the formulas (2) and (3) occurring between the electrolyte membrane and the fuel electrode can be efficiently performed, and the material containing at least zirconia is used. This is because an electrolyte membrane having no gas permeability can be formed at a low temperature because of having the second layer. In addition, since it can be formed at a low temperature, even if an oxide containing manganese is used for the air electrode, a decrease in output performance due to manganese diffusion can be suppressed.

本発明の好ましい態様においては、第一の層は、一般式(CeO2)1-2X(B2O3)X (但し、BはSm,Gd,Yのいずれか一種、0.05≦X≦0.15)で表されるセリウム含有酸化物であり、第三の層は、一般式La1-aAaGa1-bBbO3またはLa1-aAaGa1-b-cBbCcO3(但し、AはSr,Ca,Baの1種または2種以上、BはMg,Al,Inの1種または2種以上、CはCo,Fe,Ni,Crの1種または2種以上)で表されるランタンガレートである。 In a preferred embodiment of the present invention, the first layer has a general formula (CeO 2 ) 1-2X (B 2 O 3 ) X (where B is any one of Sm, Gd, Y, 0.05 ≦ X ≦ 0.15 ) Is a cerium-containing oxide represented by the general formula La 1-a A a Ga 1-b B b O 3 or La 1-a A a Ga 1-bc B b C c O 3 (However, A is one or more of Sr, Ca, Ba, B is one or more of Mg, Al, In, C is one or more of Co, Fe, Ni, Cr ).

電解質膜の空気極側に上記組成のセリウム含有酸化物からなる層を設け、燃料極側に一般式La1-aAaGa1-bBbO3またはLa1-aAaGa1-b-cBbCcO3(但し、AはSr,Ca,Baの1種または2種以上、BはMg,Al,Inの1種または2種以上、CはCo,Fe,Ni,Crの1種または2種以上)で表されるランタンガレートからなる層を設けるので、出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 A layer made of the cerium-containing oxide having the above composition is provided on the air electrode side of the electrolyte membrane, and the general formula La 1-a A a Ga 1-b B b O 3 or La 1-a A a Ga 1- bc B b C c O 3 (However, A is one or more of Sr, Ca, Ba, B is one or more of Mg, Al, In, C is Co, Fe, Ni, Cr Since one or more layers of lanthanum gallate are provided, a solid oxide fuel cell having excellent output performance can be provided.

この理由は、空気極側に酸素イオン導電性が高い上記組成のセリウム含有酸化物からなる層を設けるので、空気極と電解質膜の間で起こる(1)式の反応を効率良く進めることができることと、燃料極側に酸素イオン導電性の高い上記組成のランタンガレートからなる層を設けるので、電解質膜と燃料極の間で起こる(2),(3)式の反応を効率よく行うことができることと、少なくともジルコニアを含む材料からなる第二の層を有するのでガス透過性の無い電解質膜を低温で作製することができるためである。 The reason for this is that since the layer made of the cerium-containing oxide having the above composition having high oxygen ion conductivity is provided on the air electrode side, the reaction of the formula (1) occurring between the air electrode and the electrolyte membrane can be efficiently promoted. In addition, since a layer made of lanthanum gallate having the above composition having high oxygen ion conductivity is provided on the fuel electrode side, the reaction of Formulas (2) and (3) occurring between the electrolyte membrane and the fuel electrode can be efficiently performed. This is because the electrolyte membrane having at least a second layer made of a material containing at least zirconia can be manufactured at a low temperature without gas permeability.

本発明の好ましい態様においては、第一の層および第三の層は、一般式La1-aAaGa1-bBbO3またはLa1-aAaGa1-b-cBbCcO3(但し、AはSr,Ca,Baの1種または2種以上、BはMg,Al,Inの1種または2種以上、CはCo,Fe,Ni,Crの1種または2種以上)で表されるランタンガレートである。 In a preferred embodiment of the present invention, the first layer and the third layer have the general formula La 1-a A a Ga 1-b B b O 3 or La 1-a A a Ga 1-bc B b C c O 3 (where A is one or more of Sr, Ca, Ba, B is one or more of Mg, Al, In, C is one or two of Co, Fe, Ni, Cr Above).

電解質膜の空気極側および燃料極側に上記組成のランタンガレートからなる層を設けるので、出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 Since a layer made of lanthanum gallate having the above composition is provided on the air electrode side and the fuel electrode side of the electrolyte membrane, a solid oxide fuel cell having excellent output performance can be provided.

この理由は、酸素イオン導電性が高い上記組成のランタンガレートを空気極側と燃料極側に設けるので、空気極と電解質膜の間で起こる(1)式の反応を効率良く進めることができることと、電解質膜と燃料極の間で起こる(2),(3)式の反応を効率よく行うことができることと、少なくともジルコニアを含む材料からなる第二の層を有するのでガス透過性の無い電解質膜を低温で作製することができるためである。 The reason is that the lanthanum gallate having the above composition having high oxygen ion conductivity is provided on the air electrode side and the fuel electrode side, so that the reaction of the formula (1) occurring between the air electrode and the electrolyte membrane can be efficiently advanced. An electrolyte membrane having no gas permeability because it can efficiently perform the reaction of the formulas (2) and (3) occurring between the electrolyte membrane and the fuel electrode and has a second layer made of a material containing at least zirconia. Can be produced at a low temperature.

本発明の好ましい態様においては、第一の層は、ScYSZ材料であり、第三の層は、一般式La1-aAaGa1-bBbO3またはLa1-aAaGa1-b-cBbCcO3(但し、AはSr,Ca,Baの1種または2種以上、BはMg,Al,Inの1種または2種以上、CはCo,Fe,Ni,Crの1種または2種以上)で表されるランタンガレートである。 In a preferred embodiment of the invention, the first layer is a ScYSZ material and the third layer is of the general formula La 1-a A a Ga 1-b B b O 3 or La 1-a A a Ga 1 -bc B b C c O 3 (where A is one or more of Sr, Ca, Ba, B is one or more of Mg, Al, In, C is Co, Fe, Ni, Cr Lanthanum gallate represented by one or two or more).

電解質膜の空気極側にScYSZ材料からなる層を設け、燃料極側に一般式La1-aAaGa1-bBbO3またはLa1-aAaGa1-b-cBbCcO3(但し、AはSr,Ca,Baの1種または2種以上、BはMg,Al,Inの1種または2種以上、CはCo,Fe,Ni,Crの1種または2種以上)で表されるランタンガレートを設けることで、出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 A layer made of ScYSZ material is provided on the air electrode side of the electrolyte membrane, and the general formula La 1-a A a Ga 1-b B b O 3 or La 1-a A a Ga 1-bc B b C c is provided on the fuel electrode side. O 3 (where A is one or more of Sr, Ca, Ba, B is one or more of Mg, Al, In, C is one or two of Co, Fe, Ni, Cr By providing the lanthanum gallate represented by the above), a solid oxide fuel cell having excellent output performance can be provided.

この理由は、空気極側に焼結性に優れ、比較的酸素イオン導電性が高いScYSZ材料からなる層を設けるので空気極と電解質膜の間で起こる(1)式の反応を効率良く進めることができることと、燃料極側に酸素イオン導電性が高い上記組成のランタンガレートからなる層を設けるので電解質膜と燃料極の間で起こる(2),(3)式の反応を効率よく行うことができることと、ScYSZ材料からなる第一の層と、少なくともジルコニアを含む材料からなる第二の層を有するのでガス透過性の無い電解質膜を低温で作製することができるためである。 The reason for this is that a layer made of ScYSZ material with excellent sinterability and relatively high oxygen ion conductivity is provided on the air electrode side, so that the reaction of equation (1) that occurs between the air electrode and the electrolyte membrane can be efficiently promoted. And the layer of lanthanum gallate having the above composition having high oxygen ion conductivity is provided on the fuel electrode side, so that the reaction of the formulas (2) and (3) occurring between the electrolyte membrane and the fuel electrode can be efficiently performed. This is because it has a first layer made of a ScYSZ material and a second layer made of a material containing at least zirconia, so that an electrolyte membrane having no gas permeability can be manufactured at a low temperature.

本発明の好ましい態様においては、第一の層は、SSZ材料であり、第三の層は、ScYSZ材料である。 In a preferred embodiment of the present invention, the first layer is an SSZ material and the third layer is a ScYSZ material.

電解質膜の空気極側にSSZ材料からなる層を設け、燃料極側にScYSZ材料からなる層を設けることで、出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 By providing a layer made of the SSZ material on the air electrode side of the electrolyte membrane and providing a layer made of the ScYSZ material on the fuel electrode side, a solid oxide fuel cell having excellent output performance can be provided.

この理由は、空気極側に酸素イオン導電性が高いSSZ材料を設けるので空気極と電解質膜の間で起こる(1)式の反応を効率良く進めることができることと、燃料極側にScYSZ材料を設けるので、ガス透過性の無い電解質膜を低温で形成させることができるためである。 The reason is that the SSZ material with high oxygen ion conductivity is provided on the air electrode side, so that the reaction of the formula (1) that occurs between the air electrode and the electrolyte membrane can be efficiently advanced, and the ScYSZ material is provided on the fuel electrode side. This is because an electrolyte membrane having no gas permeability can be formed at a low temperature.

本発明の好ましい態様においては、第一の層は、一般式(CeO2)1-2X(B2O3)X (但し、BはSm,Gd,Yのいずれか一種、0.05≦X≦0.15)で表されるセリウム含有酸化物であり、前記第三の層は、ScYSZ材料である。 In a preferred embodiment of the present invention, the first layer has a general formula (CeO 2 ) 1-2X (B 2 O 3 ) X (where B is any one of Sm, Gd, Y, 0.05 ≦ X ≦ 0.15 ), And the third layer is a ScYSZ material.

電解質膜の空気極側に上記組成のセリウム含有酸化物からなる層を設け、燃料極側にScYSZ材料からなる層を設けるので、出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 Since a layer made of the cerium-containing oxide having the above composition is provided on the air electrode side of the electrolyte membrane and a layer made of the ScYSZ material is provided on the fuel electrode side, a solid oxide fuel cell having excellent output performance can be provided.

この理由は、空気極側に上記組成のセリウム含有酸化物を設けるので空気極と電解質膜の間で起こる(1)式の反応を効率良く進めることができることと、燃料極側にScYSZからなる層を設けるので、ガス透過性の無い電解質膜を低温で形成させることができるためである。 The reason for this is that the cerium-containing oxide having the above composition is provided on the air electrode side, so that the reaction of the formula (1) that occurs between the air electrode and the electrolyte membrane can be efficiently advanced, and the layer made of ScYSZ on the fuel electrode side. This is because an electrolyte membrane having no gas permeability can be formed at a low temperature.

本発明の好ましい態様においては、第一の層は、一般式La1-aAaGa1-bBbO3またはLa1-aAaGa1-b-cBbCcO3(但し、AはSr,Ca,Baの1種または2種以上、BはMg,Al,Inの1種または2種以上、CはCo,Fe,Ni,Crの1種または2種以上)で表されるランタンガレートであり、第三の層は、ScYSZ材料である。 In a preferred embodiment of the present invention, the first layer has the general formula La 1-a A a Ga 1-b B b O 3 or La 1-a A a Ga 1-bc B b C c O 3 (provided that A is represented by one or more of Sr, Ca, Ba, B is represented by one or more of Mg, Al, In, and C is represented by one or more of Co, Fe, Ni, Cr) Lanthanum gallate, and the third layer is a ScYSZ material.

電解質膜の空気極側に上記組成のランタンガレートからなる層を設け、燃料極側にScYSZ材料からなる層を設けることで出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 By providing a layer made of the lanthanum gallate having the above composition on the air electrode side of the electrolyte membrane and providing a layer made of the ScYSZ material on the fuel electrode side, a solid oxide fuel cell having excellent output performance can be provided.

この理由は、空気極側に酸素イオン導電性が高い上記組成のランタンガレートからなる層を設けるので、空気極と電解質膜の間で起こる(1)式の反応を効率良く進めることができることと、燃料極側に焼結性に優れるScYSZからなる層を設けるので、ガス透過性の無い電解質膜を低温で形成させることができるためである。 The reason for this is that, since a layer made of lanthanum gallate having the above composition having high oxygen ion conductivity is provided on the air electrode side, the reaction of the formula (1) occurring between the air electrode and the electrolyte membrane can be efficiently advanced, and This is because the layer made of ScYSZ having excellent sinterability is provided on the fuel electrode side, so that an electrolyte membrane having no gas permeability can be formed at a low temperature.

本発明の好ましい態様においては、第一の層および第三の層は、ScYSZ材料である。 In a preferred embodiment of the present invention, the first layer and the third layer are ScYSZ materials.

電解質膜の空気極側および燃料極側にScYSZ材料を設けることで出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 By providing the ScYSZ material on the air electrode side and the fuel electrode side of the electrolyte membrane, a solid oxide fuel cell having excellent output performance can be provided.

この理由は、ScYSZ材料は焼結性に優れるため、ガス透過性の無い電解質膜を低温で形成させることができるので、電極との反応による出力性能の低下が少ないことと、ScYSZ材料が酸素イオン導電性が比較的高いため、空気極と電解質膜の間で起こる(1)式の反応および電解質膜と燃料極の間で起こる(2),(3)式の反応を効率良く進めることができるためである。 The reason is that the ScYSZ material is excellent in sinterability, so that an electrolyte membrane having no gas permeability can be formed at a low temperature. Since the conductivity is relatively high, the reaction of equation (1) that occurs between the air electrode and the electrolyte membrane and the reactions of equations (2) and (3) that occur between the electrolyte membrane and the fuel electrode can proceed efficiently. That's why.

本発明の好ましい態様においては、SSZにおけるスカンジアの固溶量が3〜12mol%である。 In a preferred embodiment of the present invention, the amount of scandia in the SSZ is 3 to 12 mol%.

スカンジアの固溶量を3〜12mol%とすることで(1)式および/または(2)式と(3)式の反応をより効率良く進めることができ、出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 By setting the solid solution amount of scandia to 3 to 12 mol%, the reaction of formulas (1) and / or (2) and (3) can proceed more efficiently, and solid oxide fuel with excellent output performance A battery can be provided.

この理由は、固溶量が3 mol%未満であると材料の酸素イオン導電性が低くなり、出力性能が低下するためで、一方、12mol%より多いと結晶相が立方晶の他に菱面体晶が生成し酸素イオン導電性が低下するためである。 The reason for this is that if the solid solution amount is less than 3 mol%, the oxygen ion conductivity of the material is lowered, and the output performance is lowered. On the other hand, if it exceeds 12 mol%, the crystal phase is cubic and rhombohedral. This is because crystals are formed and oxygen ion conductivity is reduced.

本発明の好ましい態様においては、SSZ材料には、さらにCeO2, Sm2O3,Gd2O3,Yb2O3,Er2O3および Bi2O3から選ばれる少なくとも一種の酸化物が5mol%以下固溶されている。 In a preferred embodiment of the present invention, the SSZ material, further CeO 2, Sm 2 O 3, Gd 2 O 3, Yb 2 O 3, at least one oxide of selected from Er 2 O 3 and Bi 2 O 3 5 mol% or less is dissolved.

本発明によれば、CeO2, Sm2O3, Gd2O3, Yb2O3, Er2O3および Bi2O3から選ばれる少なくとも一種の酸化物を5mol%以下固溶することで出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, at least one oxide selected from CeO 2 , Sm 2 O 3 , Gd 2 O 3, Yb 2 O 3, Er 2 O 3 and Bi 2 O 3 forms a solid solution of 5 mol% or less. A solid oxide fuel cell having excellent output performance can be provided.

5mol%以下含まれると好ましいのは酸素イオン導電性が高くなるか、材料の焼結性が向上するか少なくとも一方の効果が生じるためである。すなわち、酸素イオン導電性が向上すれば、出力性能が向上し、焼結性が向上すれば低温でガス透過性の無い電解質膜を形成することが可能となるためである。2種以上固溶させたものは酸素イオン導電性と焼結性の両方の効果が出る可能性があるので好ましい。一方で5mol%より多く含むと結晶相として、立方晶の他に菱面体晶相が析出し、酸素イオン導電性が低下する可能性がある。   The content of 5 mol% or less is preferable because the oxygen ion conductivity increases, the sinterability of the material improves, and at least one of the effects is produced. That is, if the oxygen ion conductivity is improved, the output performance is improved, and if the sinterability is improved, it is possible to form an electrolyte membrane having no gas permeability at low temperatures. It is preferable to use two or more kinds of solid solutions since both effects of oxygen ion conductivity and sinterability may be obtained. On the other hand, if the content is more than 5 mol%, a rhombohedral crystal phase other than a cubic crystal is precipitated as a crystal phase, and oxygen ion conductivity may decrease.

本発明の好ましい態様においては、少なくともスカンジアとイットリアを固溶させたジルコニア材料において、スカンジアとイットリアを固溶させたジルコニア材料中のスカンジアとイットリアの合計固溶量は3〜12mol%である。 In a preferred embodiment of the present invention, in a zirconia material in which at least scandia and yttria are dissolved, a total solid solution amount of scandia and yttria in the zirconia material in which scandia and yttria are dissolved is 3 to 12 mol%.

本発明によれば、スカンジアとイットリアの合計固溶量を3〜12mol%とすることで、出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, by setting the total solid solution amount of scandia and yttria to 3 to 12 mol%, a solid oxide fuel cell excellent in output performance can be provided.

この理由は、スカンジアとイットリアの合計固溶量が3 mol%未満の範囲で含まれると酸素イオン導電性が低くなり、出力性能が低下するためで、一方、12mol%より多く含まれると結晶相が立方晶のほかに菱面体晶が生成し酸素イオン導電性が低下する可能性がある。 The reason for this is that if the total solid solution content of scandia and yttria is less than 3 mol%, the oxygen ion conductivity will be low and the output performance will be reduced. However, in addition to cubic crystals, rhombohedral crystals may be generated and oxygen ion conductivity may decrease.

ここで示す少なくともスカンジアとイットリアを固溶させたジルコニア材料とは、スカンジアとイットリアの2種類が最低固溶されたジルコニアであれば良く、他の組成が固溶されていても良い。例えば、スカンジアとイットリアとセリアが固溶されたジルコニア材料などもこれに該当する。 The zirconia material in which at least scandia and yttria are solid-dissolved as shown here may be zirconia in which at least two types of scandia and yttria are solid-dissolved, and other compositions may be solid-dissolved. For example, a zirconia material in which scandia, yttria, and ceria are dissolved is also applicable.

本発明の好ましい態様においては、ScYSZ材料には、さらにCeO2, Sm2O3, Gd2O3, Yb2O3, Er2O3およびBi2O3から選ばれる少なくとも一種の酸化物が5mol%以下固溶されている。 In a preferred embodiment of the present invention, the ScYSZ material, further CeO 2, Sm 2 O 3, Gd 2 O 3, Yb 2 O 3 of at least one oxide of selected from, Er 2 O 3 and Bi 2 O 3 5 mol% or less is dissolved.

本発明によれば、ScYSZ材料には、さらにCeO2, Sm2O3, Gd2O3, Yb2O3, Er2O3およびBi2O3から選ばれる少なくとも一種の酸化物が5mol%以下固溶されていることで、出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, the ScYSZ material further contains 5 mol% of at least one oxide selected from CeO 2 , Sm 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Er 2 O 3 and Bi 2 O 3. A solid oxide fuel cell having excellent output performance can be provided by being solid-dissolved below.

5mol%以下含まれると好ましいのは酸素イオン導電性が高くなるか、材料の焼結性が向上するか少なくとも一方の効果が生じるためである。すなわち、酸素イオン導電性が向上すれば、出力性能が向上し、焼結性が向上すれば低温でガス透過性の無い電解質膜を形成することが可能となるためである。2種以上固溶させたものは酸素イオン導電性と焼結性の両方の効果が出る可能性があるので好ましい。一方で5mol%より多く含むと結晶相として、立方晶の他に菱面体晶相が析出し、酸素イオン導電性が低下する可能性がある。   The content of 5 mol% or less is preferable because the oxygen ion conductivity increases, the sinterability of the material improves, and at least one of the effects is produced. That is, if the oxygen ion conductivity is improved, the output performance is improved, and if the sinterability is improved, it is possible to form an electrolyte membrane having no gas permeability at low temperatures. It is preferable to use two or more kinds of solid solutions since both effects of oxygen ion conductivity and sinterability may be obtained. On the other hand, if the content is more than 5 mol%, a rhombohedral crystal phase other than a cubic crystal is precipitated as a crystal phase, and oxygen ion conductivity may decrease.

本発明の好ましい態様においては、YSZ材料におけるイットリアの固溶量が3〜12 mol%である。 In a preferred embodiment of the present invention, the amount of yttria in the YSZ material is 3 to 12 mol%.

イットリアの固溶量を上記範囲とすることで、ガス透過性の無い電解質膜を容易に作製することができ、出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 When the solid solution amount of yttria is in the above range, an electrolyte membrane having no gas permeability can be easily produced, and a solid oxide fuel cell having excellent output performance can be provided.

イットリアの固溶範囲を3〜12mol%に限定した理由は、3mol%未満であると酸素イオン導電性が低いことと結晶相の安定性が低下するためで、一方12mol%より多いと結晶相が立方晶の他に菱面体晶相が析出し酸素イオン導電性が低下するためである。 The reason for limiting the solid solution range of yttria to 3 to 12 mol% is that if it is less than 3 mol%, the oxygen ion conductivity is low and the stability of the crystal phase is reduced. This is because, in addition to the cubic crystal, a rhombohedral crystal phase is precipitated and oxygen ion conductivity is reduced.

本発明の好ましい態様においては、電解質膜と空気極の間には酸素ガスと、電子と、から酸素イオンを生成する反応を促進させ、連通した開気孔を有する空気側電極反応層が介在されている。 In a preferred embodiment of the present invention, between the electrolyte membrane and the air electrode, an oxygen gas and an electron are used to promote a reaction for generating oxygen ions, and an air-side electrode reaction layer having open pores connected to each other is interposed. I have.

電解質膜と空気極の間に酸素イオンを生成する反応を促進させ、連通した開気孔を有する層を設けることで出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 By promoting the reaction of generating oxygen ions between the electrolyte membrane and the air electrode and providing a layer having open pores connected to each other, a solid oxide fuel cell having excellent output performance can be provided.

この理由は、酸素ガスが入り込みやすい微構造で酸素イオンを生成する機能を有するため、 (1)式の反応が促進され、電解質膜へ酸素イオンを効率良く供給させることができるためである。 The reason for this is that the microstructure into which oxygen gas can easily enter has a function of generating oxygen ions, so that the reaction of formula (1) is promoted and oxygen ions can be efficiently supplied to the electrolyte membrane.

本発明の好ましい態様においては、空気側電極反応層は(La1-xAx)yMnO3 (但し、AはCaまたはSrのいずれか)で表されるランタンマンガナイトとスカンジアを固溶させたジルコニアが均一に混合された層(以下、LaAMnO3/SSZと示す)である。 In a preferred embodiment of the present invention, the air-side electrode reaction layer forms a solid solution of lanthanum manganite and scandia represented by (La 1-x A x ) y MnO 3 (where A is either Ca or Sr). Is a layer (hereinafter, referred to as LaAMnO 3 / SSZ) in which zirconia is uniformly mixed.

本発明によれば、空気極と電解質膜の間にLaAMnO3/SSZからなる空気側電極反応層を設けることで、700℃程度の発電温度においても出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, a solid oxide fuel cell having excellent output performance even at a power generation temperature of about 700 ° C. is provided by providing an air-side electrode reaction layer made of LaAMnO 3 / SSZ between an air electrode and an electrolyte membrane. can do.

この理由は、LaAMnO3/SSZは700℃程度の低温においても電子導電性と酸素イオン導電性が高いので空気極と電解質膜の間で起こる(1)式の反応を効率良く進めることができることと、本発明の電解質膜の空気極側の電解質膜材料の酸素イオン導電性が高いため酸素イオンを効率良く燃料極側へ送ることができ、700℃程度の低温においても高い出力性能を得ることができるためである。 The reason is that LaAMnO 3 / SSZ has high electron conductivity and oxygen ion conductivity even at a low temperature of about 700 ° C., so that the reaction of equation (1) that occurs between the air electrode and the electrolyte membrane can be efficiently advanced. Since the oxygen ion conductivity of the electrolyte membrane material on the air electrode side of the electrolyte membrane of the present invention is high, oxygen ions can be efficiently sent to the fuel electrode side, and high output performance can be obtained even at a low temperature of about 700 ° C. This is because we can do it.

ここで示す(La1-xAx)yMnO3(但し、AはCaまたはSrのいずれか)で表されるランタンマンガナイトとSSZが均一に混合された層は、共沈法などの液相法によって作製された原料を用いることによって、得ることができる。すなわち、ここで示す均一とは共沈法で得られる原料レベルの均一性があれば十分均一であることを指している。 The layer in which lanthanum manganite and SSZ represented by (La 1-x A x ) y MnO 3 (where A is either Ca or Sr) is homogeneously mixed here is a solution prepared by a coprecipitation method or the like. It can be obtained by using a raw material produced by a phase method. That is, the uniformity shown here means that the raw material obtained by the coprecipitation method is sufficiently uniform if there is uniformity.

本発明の好ましい態様においては、空気極は、(La1-xAx)yMnO3(但し、AはCaまたはSrのいずれか)で表されるランタンマンガナイト(以下、LaAMnO3と示す。)である。 In a preferred embodiment of the present invention, the air electrode is represented by (La 1-x A x ) y MnO 3 (where A is either Ca or Sr) (hereinafter referred to as LaAMnO 3 ). ).

本発明によれば空気極に上記の材料を採用することで出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, a solid oxide fuel cell having excellent output performance can be provided by employing the above-described materials for the air electrode.

この理由は、固体酸化物形燃料電池の空気雰囲気下で電子導電性が高く、かつ材料として安定であるためである。 The reason for this is that the solid oxide fuel cell has high electron conductivity under an air atmosphere and is stable as a material.

本発明の好ましい態様においては、電解質膜と燃料極の間には燃料ガスに含まれる少なくとも水素ガス(H2) および/または一酸化炭素ガス(CO)と、酸素イオン(O2-)と、からH2Oおよび/またはCO2と、電子を生成させる反応を促進させ、連通した開気孔を有する燃料側電極反応層が介在されている。 In a preferred embodiment of the present invention, at least hydrogen gas (H 2 ) and / or carbon monoxide gas (CO) contained in the fuel gas between the electrolyte membrane and the fuel electrode, and oxygen ions (O 2− ), A fuel-side electrode reaction layer having open pores which promotes a reaction for generating electrons with H 2 O and / or CO 2 from the fuel cell is interposed.

電解質膜と燃料極の間に水素ガス(H2) および/または一酸化炭素ガス(CO)が入り込みやすい微構造で、 (2)、(3)式の反応を促進させる層を設けたことで出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 A microstructure that allows hydrogen gas (H 2 ) and / or carbon monoxide gas (CO) to easily enter between the electrolyte membrane and the fuel electrode, and by providing a layer that promotes the reactions of equations (2) and (3) A solid oxide fuel cell having excellent output performance can be provided.

この理由は、電解質膜を移動してきた酸素イオンを効率良く、H2Oおよび/またはCO2と、電子に変えることができるためである。 The reason for this is that oxygen ions that have moved through the electrolyte membrane can be efficiently converted into H 2 O and / or CO 2 and electrons.

本発明の好ましい態様においては、燃料側電極反応層がNiOとスカンジアを固溶させたジルコニアが均一に混合された層(以下、NiO/SSZと示す。)またはNiとスカンジアを固溶させたジルコニアが均一に混合された層(以下、Ni/SSZと示す)である。 In a preferred embodiment of the present invention, the fuel-side electrode reaction layer is a layer in which zirconia in which NiO and scandia are solid-dissolved is uniformly mixed (hereinafter, referred to as NiO / SSZ) or zirconia in which Ni and scandia are solid-dissolved. Are uniformly mixed layers (hereinafter, referred to as Ni / SSZ).

本発明によれば、燃料極と電解質膜の間にNiO/SSZまたはNi/SSZからなる燃料側電極反応層を設けることで、700℃程度の発電温度においても出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, by providing a fuel-side electrode reaction layer made of NiO / SSZ or Ni / SSZ between the fuel electrode and the electrolyte membrane, a solid oxide fuel excellent in output performance even at a power generation temperature of about 700 ° C. A battery can be provided.

この理由は、NiO/SSZまたはNi/SSZは700℃程度の低温においても電子導電性と酸素イオン導電性が高いので電解質膜と燃料極間で起こる(2)、(3)式の反応を効率良く進めることができることと、本発明の電解質膜の燃料極側の電解質膜材料の酸素イオン導電性が高いため酸素イオンを効率良く燃料極へ送ることができ、700℃程度の低温においても高い出力性能を得ることができるためである。 The reason for this is that NiO / SSZ or Ni / SSZ has high electron conductivity and oxygen ion conductivity even at a low temperature of about 700 ° C, so that the reactions of Eqs. (2) and (3) that occur between the electrolyte membrane and the fuel electrode can be efficiently performed. The oxygen ion conductivity of the electrolyte membrane material on the fuel electrode side of the electrolyte membrane of the present invention is high and oxygen ions can be efficiently sent to the fuel electrode, and high output even at a low temperature of about 700 ° C. This is because performance can be obtained.

ここで示すNiOは燃料ガス雰囲気下ではNiに還元され、該層はNi/SSZとなる。   NiO shown here is reduced to Ni in a fuel gas atmosphere, and the layer becomes Ni / SSZ.

なお、ここで示すNiとスカンジアを固溶させたジルコニアが均一に混合された層とは、共沈法などの液相法によって作製された原料を用いることによって得ることができる。すなわち、ここで示す均一とは共沈法で得られる原料レベルの均一性があれば十分均一であることを指している。 Note that the layer in which Ni and zirconia in which scandia are dissolved as a solid solution shown here is uniformly mixed can be obtained by using a raw material produced by a liquid phase method such as a coprecipitation method. That is, the uniformity shown here means that the raw material obtained by the coprecipitation method is sufficiently uniform if there is uniformity.

本発明の好ましい態様においては、燃料極がNiOとイットリアを固溶させたジルコニアが均一に混合された層(以下、NiO/YSZと示す。)またはNiとイットリアを固溶させたジルコニアが均一に混合された層(以下、Ni/YSZと示す)である。 In a preferred embodiment of the present invention, the fuel electrode is a layer in which zirconia in which NiO and yttria are solid-dissolved (hereinafter, referred to as NiO / YSZ) or a layer in which zirconia in which Ni and yttria are dissolved are uniformly formed. It is a mixed layer (hereinafter referred to as Ni / YSZ).

本発明によれば燃料極を上記の層にすることで出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a solid oxide fuel cell having excellent output performance by forming the fuel electrode in the above layer.

この理由は、固体酸化物形燃料電池の燃料ガス雰囲気下で電子導電性が高く、かつ耐久性に優れ、安定であるためである。 This is because the solid oxide fuel cell has high electron conductivity, excellent durability, and is stable under a fuel gas atmosphere.

ここで示すNiOは燃料ガス雰囲気下ではNiに還元され、該層はNi/YSZとなる。 NiO shown here is reduced to Ni in a fuel gas atmosphere, and the layer becomes Ni / YSZ.

本発明の好ましい態様においては、インターコネクターは、Caを固溶させたランタンクロマイトである。 In a preferred embodiment of the present invention, the interconnector is lanthanum chromite in which Ca is dissolved.

Caを固溶させたランタンクロマイトを採用することでガス透過性の無い膜を作製しやすくかつ電子導電性が高いインターコネクターを作製することができる。   By employing lanthanum chromite in which Ca is dissolved, a film having no gas permeability can be easily produced and an interconnector having high electronic conductivity can be produced.

この理由は、Ca以外のものを固溶させたランタンクロマイトではガス透過性の無い膜を作製するために1500℃より高い温度の焼成が必要であり、この温度で固体酸化物形燃料電池を焼成すると他の構成材料間で反応が起こり、出力性能を低下させるためである。   The reason is that lanthanum chromite in which a solid solution other than Ca is dissolved requires firing at a temperature higher than 1500 ° C to produce a membrane with no gas permeability, and firing a solid oxide fuel cell at this temperature Then, a reaction occurs between the other constituent materials to lower the output performance.

ここで示すガス透過性が無い膜とは、インターコネクターの片面とその反対側面の間に圧力差を設けたとき、その間を透過するガス透過量で評価され、ガス透過量Q≦2.8×10-9ms-1Pa-1(より好ましくはQ≦2.8×10-10ms-1Pa-1)であるものを指す。 The membrane having no gas permeability shown here is evaluated by a gas permeation amount passing therethrough when a pressure difference is provided between one side and the opposite side of the interconnector, and a gas permeation amount Q ≦ 2.8 × 10 − 9 ms -1 Pa -1 (more preferably, Q ≦ 2.8 × 10 -10 ms -1 Pa -1 ).

本発明の好ましい態様においては、電解質膜は空気側電極反応層の表面に形成後、1350〜1500℃で焼結させてなる。   In a preferred embodiment of the present invention, the electrolyte membrane is formed on the surface of the air-side electrode reaction layer and then sintered at 1350 to 1500 ° C.

電解質膜を空気側電極反応層の表面に形成後、1350〜1500℃で焼結させることで空気極と電解質膜の間で起こる(1)式の反応を効率良く進め、かつガス透過性の無い電解質膜を形成させることができる。   After forming the electrolyte membrane on the surface of the air-side electrode reaction layer, sintering at 1350-1500 ° C efficiently promotes the reaction of equation (1) that occurs between the air electrode and the electrolyte membrane, and has no gas permeability An electrolyte membrane can be formed.

この理由は、1350℃未満の焼結では焼結温度が低く、ガス透過性の無い電解質膜を作製することが困難となるためで、一方1500℃より高い焼結温度では空気側電極反応層との反応性が高まり、出力性能を低下させるためである。   The reason for this is that sintering at a temperature lower than 1350 ° C has a low sintering temperature, making it difficult to produce an electrolyte membrane without gas permeability. This is because the reactivity of the liquid crystal is increased and the output performance is reduced.

本発明の好ましい態様においては、燃料側電極反応層の表面に形成後、1350〜1500℃で焼結させてなる。   In a preferred embodiment of the present invention, after being formed on the surface of the fuel-side electrode reaction layer, it is sintered at 1350 to 1500 ° C.

電解質膜を燃料側電極反応層の表面に形成後、1350〜1500℃で焼結させることで電解質膜と燃料極の間で起こる(2)、(3)式の反応を効率良く進め、かつガス透過性の無い電解質膜を形成させることができる。   After forming an electrolyte membrane on the surface of the fuel-side electrode reaction layer, by sintering at 1350 to 1500 ° C, the reaction of equations (2) and (3) occurring between the electrolyte membrane and the fuel electrode proceeds efficiently, and gas An electrolyte membrane having no permeability can be formed.

この理由は、1350℃未満の焼結では焼結温度が低く、ガス透過性の無い電解質膜を作製することが困難となるためで、一方1500℃より高い焼結温度では燃料極または燃料側電極反応層との反応性が高まり、出力性能を低下させるためである。   The reason for this is that the sintering temperature is lower at 1350 ° C, and it is difficult to produce an electrolyte membrane without gas permeability. This is because the reactivity with the reaction layer increases and the output performance decreases.

電解質膜の片面に空気極、その反対面に燃料極を配置した単電池と、電気的接続の役割を有するインターコネクターと、を備えた固体酸化物形燃料電池であって、前記電解質膜は、前記空気極側に酸素イオン導電率S1の材料からなる第一の層と、前記燃料極側に酸素イオン導電率S3の材料からなる第三の層と、前記第一の層と前記第三の層の間に酸素イオン導電率S2で、少なくともジルコニアを含む材料からなる第二の層が設けられ、前記酸素イオン導電率S1と前記酸素イオン導電率S2は、S1>S2の関係にあり、前記酸素イオン導電率S3と前記酸素イオン導電率S2は、S3>S2の関係であることを提供したので出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供できる。
An air electrode on one side of the electrolyte membrane, a unit cell having a fuel electrode disposed on the opposite side thereof, and an interconnector having a role of electrical connection, a solid oxide fuel cell comprising: A first layer made of a material having an oxygen ion conductivity S1 on the air electrode side, a third layer made of a material having an oxygen ion conductivity S3 on the fuel electrode side, the first layer and the third layer; A second layer made of a material containing at least zirconia with an oxygen ion conductivity S2 is provided between the layers, and the oxygen ion conductivity S1 and the oxygen ion conductivity S2 have a relationship of S1> S2, Since the oxygen ion conductivity S3 and the oxygen ion conductivity S2 provide the relationship of S3> S2, a solid oxide fuel cell having excellent output performance can be provided.

本発明における固体酸化物形燃料電池について図1を用いて説明する。
図1は、円筒タイプの固体酸化物形燃料電池の断面を示す図である。円筒状の空気極支持体1上に帯状のインターコネクター2、電解質膜3、さらに電解質膜3の上にインターコネクター2と接触しないように燃料極4が形成されている。空気極支持体の内側にAirを流し、外側に燃料ガスを流すとAir中の酸素が空気極と電解質膜の界面で酸素イオンに変わり、この酸素イオンが電解質膜を通って燃料極に達する。そして、燃料ガスと酸素イオンが反応して水および二酸化炭素になる。これらの反応は(2),(3)式で示される。燃料極4とインターコネクター2を接続することによって外部へ電気を取り出すことができる。
H2+O2-→H2O+2e- … (2)
CO+O2-→CO2+2e- … (3)
The solid oxide fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a diagram showing a cross section of a cylindrical solid oxide fuel cell. A strip-shaped interconnector 2 and an electrolyte membrane 3 are formed on a cylindrical air electrode support 1, and a fuel electrode 4 is formed on the electrolyte membrane 3 so as not to contact the interconnector 2. When air is flowed inside the air electrode support and fuel gas is flown outside, oxygen in the air is changed into oxygen ions at the interface between the air electrode and the electrolyte membrane, and the oxygen ions reach the fuel electrode through the electrolyte membrane. Then, the fuel gas and oxygen ions react to form water and carbon dioxide. These reactions are represented by equations (2) and (3). By connecting the fuel electrode 4 and the interconnector 2, electricity can be taken out.
H 2 + O 2- → H 2 O + 2e - ... (2)
CO + O 2- → CO 2 + 2e - ... (3)

図2は、空気極1と電解質膜3の間に電極反応層1aを、そして電解質膜3と燃料極4の間に燃料側電極反応層4aを設け、さらに電解質膜を空気極側から燃料極側に向かって第一の層3a、第二の層3b、第一の層3cの3層としたタイプについて示した断面図である。     FIG. 2 shows that an electrode reaction layer 1a is provided between the air electrode 1 and the electrolyte membrane 3, and a fuel-side electrode reaction layer 4a is provided between the electrolyte membrane 3 and the fuel electrode 4. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a type having three layers of a first layer 3a, a second layer 3b, and a first layer 3c toward the side.

さらに、図3は電解質膜が空気極側から燃料極側に向かって、第一の層3a、第二の層3b、第三の層3aからなる3層とした第一の層と第三の層を同一組成にしたタイプについて示した断面図である。   Further, FIG. 3 shows a first layer and a third layer in which the electrolyte membrane has three layers including a first layer 3a, a second layer 3b, and a third layer 3a from the air electrode side toward the fuel electrode side. It is sectional drawing shown about the type which made the layer the same composition.

発電の詳細を図2で説明する。空気側電極反応層1aは空気極からの酸素ガスと電子から酸素イオンが生成する(1)式の反応を促進させるために設けられた層であり、この電極反応層1aで生成した酸素イオンが電解質膜3aと3bと3cを通って燃料極側に移動する。そして、燃料側電極反応層4aで(2),(3)式に示す反応が行われ、燃料極4 とインターコネクター2を接続することで外部へ電気を取り出すことができる。それゆえ、空気側電極反応層、電解質膜および燃料側電極反応層の最適化を図れば700℃程度の低温まで出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することが可能である。
1/2O2+2e-→O2- … (1)
Details of the power generation will be described with reference to FIG. The air-side electrode reaction layer 1a is a layer provided to promote the reaction of formula (1) in which oxygen gas is generated from oxygen gas and electrons from the air electrode, and oxygen ions generated in the electrode reaction layer 1a are It moves to the fuel electrode side through the electrolyte membranes 3a, 3b and 3c. Then, the reactions shown in the equations (2) and (3) are performed in the fuel-side electrode reaction layer 4a, and electricity can be extracted to the outside by connecting the fuel electrode 4 and the interconnector 2. Therefore, by optimizing the air-side electrode reaction layer, the electrolyte membrane, and the fuel-side electrode reaction layer, it is possible to provide a solid oxide fuel cell having excellent output performance up to a low temperature of about 700 ° C.
1 / 2O 2 + 2e - → O 2- ... (1)

本発明における電解質膜は、固体酸化物形燃料電池の発電温度で空気雰囲気および燃料ガス雰囲気において、酸素イオン導電性が高いこと、ガス透過性の無い膜であること、電子導電性が無いものであることが好ましい。特に、(1)式の反応を効率良く進めることと、(2)、(3)式の反応を効率良く進めるという観点から、空気極側と燃料極側に酸素イオン導電性が高い材料を設けることが好ましい。   The electrolyte membrane in the present invention is a membrane that has high oxygen ion conductivity, is a gas-impermeable membrane, and has no electronic conductivity at the power generation temperature of a solid oxide fuel cell in an air atmosphere and a fuel gas atmosphere. Preferably, there is. In particular, from the viewpoint of efficiently proceeding the reaction of Equation (1) and efficiently proceeding the reactions of Equations (2) and (3), providing a material having high oxygen ion conductivity on the air electrode side and the fuel electrode side Is preferred.

現在までに開発されているSSZやランタンガレートなどの酸素イオン導電性の高い材料は、材料コストが高い、あるいは焼結性が低い等の問題点を有するので固体酸化物形燃料電池の実用性を考えると材料コストが安価でかつ焼結性が高く、ある程度の酸素イオン導電性を有する材料を積層させることが好ましい。この観点から電解質膜としては空気極側に酸素イオン導電性が高い材料からなる第一の層を、燃料極側に酸素イオン導電性が高い材料からなる第三の層と、第一の層と第三の層の間に焼結性に優れ、少なくともジルコニアを含む材料からなる第二の層を積層させた構成からなる電解質膜を本発明では用いる。   Materials with high oxygen ion conductivity, such as SSZ and lanthanum gallate, which have been developed to date, have problems such as high material cost and low sinterability. Considering this, it is preferable to stack materials having a low material cost, high sinterability, and a certain degree of oxygen ion conductivity. From this viewpoint, as the electrolyte membrane, a first layer made of a material having high oxygen ion conductivity on the air electrode side, a third layer made of a material having high oxygen ion conductivity on the fuel electrode side, and a first layer In the present invention, an electrolyte membrane having a structure in which a second layer made of a material having excellent sinterability and containing at least zirconia is laminated between the third layers is used in the present invention.

本発明の電解質膜における第一の層および第三の層としては、酸素イオン導電性が高い材料が好ましい。この観点から第一の層および第三の層としては、SSZ、セリウム含有酸化物、SSZとセリウム含有酸化物の混合層、一般式La1-aAaGa1-bBbO3またはLa1-aAaGa1-b-cBbCcO3(但し、AはSr,Ca,Baの1種または2種以上、BはMg,Al,Inの1種または2種以上、CはCo,Fe,Ni,Crの1種または2種以上)で表されるランタンガレートなどが挙げられる。また、ScYSZおよびSSZにCeO2やBi2O3などを固溶させたものなどもこれらに該当する。 As the first layer and the third layer in the electrolyte membrane of the present invention, a material having high oxygen ion conductivity is preferable. From this viewpoint, as the first layer and the third layer, SSZ, a cerium-containing oxide, a mixed layer of SSZ and a cerium-containing oxide, a general formula La 1-a A a Ga 1-b B b O 3 or La 1-a A a Ga 1-bc B b C c O 3 (However, A is one or more of Sr, Ca, Ba, B is one or more of Mg, Al, In, C is Lanthanum gallate represented by one or more of Co, Fe, Ni, and Cr). In addition, ScYSZ and SSZ in which CeO 2 , Bi 2 O 3, and the like are dissolved in solid form also correspond to these.

ここで示すセリウム含有酸化物とは、セリウムが含まれた酸化物であれば良く特に限定はないが、酸素イオン導電性が高いという観点からは一般式(CeO2)1-2X(B2O3)X (但し、BはSm,Gd,Yのいずれか一種、0.05≦X≦0.15)で表されるものが好ましい。 The cerium-containing oxide shown here is not particularly limited as long as it is an oxide containing cerium, but from the viewpoint of high oxygen ion conductivity, the general formula (CeO 2 ) 1-2X (B 2 O 3 ) X (where B is any one of Sm, Gd, and Y, 0.05 ≦ X ≦ 0.15) is preferable.

ここで示す酸素イオン導電性が高い材料とは、1000℃で0.1Scm-1以上であり、さらに好ましくは700℃においても0.02Scm-1以上であるものが好ましい。この理由は、1000℃で0.1Scm-1以上の酸素イオン導電率を有する材料を電解質膜に採用すれば、900〜1000℃において高い出力性能を有する固体酸化物形燃料電池を提供することができるためで、700℃において0.02Scm-1以上であると700℃程度の低温においても高い出力性能を有する固体酸化物形燃料電池を提供できる可能性があるためである。 The material having high oxygen ion conductivity shown here is preferably 0.1 Scm -1 or more at 1000 ° C., more preferably 0.02 Scm -1 or more at 700 ° C. The reason is that if a material having an oxygen ion conductivity of 0.1 Scm -1 or more at 1000 ° C. is used for the electrolyte membrane, a solid oxide fuel cell having high output performance at 900 to 1000 ° C. can be provided. This is because if it is 0.02 Scm −1 or more at 700 ° C., it is possible to provide a solid oxide fuel cell having high output performance even at a low temperature of about 700 ° C.

ここで、酸素イオン導電率の測定方法について示す。電解質膜材料にPVA等のバインダーを混ぜ円盤形状の金型でプレス成形した後、焼結させガス透過性の無いサンプルを作製した。サンプル上に白金電極を取り付け後、1000℃まで昇温し、交流インピーダンス測定法により酸素イオン導電率を測定した。さらに、700℃においても同様にして酸素イオン導電率を測定した。   Here, a method for measuring the oxygen ion conductivity will be described. A binder such as PVA was mixed with the electrolyte membrane material, press-formed with a disk-shaped mold, and sintered to prepare a sample having no gas permeability. After mounting a platinum electrode on the sample, the temperature was raised to 1000 ° C., and the oxygen ion conductivity was measured by an AC impedance measurement method. Further, the oxygen ion conductivity was measured at 700 ° C. in the same manner.

ここでは、1000℃と700℃のデータを記載するが、本発明における酸素イオン導電率S1とS2とS3は、1000℃における酸素イオン導電率の値で比較したときに、S1>S2、S2<S3であることを指す。上記方法で得られた酸素イオン導電率の結果の一例を表1に示す。 Here, the data at 1000 ° C. and 700 ° C. are described. However, the oxygen ion conductivities S1, S2, and S3 in the present invention are S1> S2, S2 < Refers to S3. Table 1 shows an example of the result of the oxygen ion conductivity obtained by the above method.

Figure 2004303712
Figure 2004303712

本発明の電解質膜における第二の層としては、ガス透過性の無い電解質膜を容易に作製することができるための焼結性と、ある程度の酸素イオン導電性を有する材料であることが好ましい。この観点からYSZ,SSZにさらにBi2O3、希土類酸化物を固溶させた材料等が好ましい。また、ScYSZであっても良い。 The second layer in the electrolyte membrane of the present invention is preferably a material having a sintering property for easily producing an electrolyte membrane having no gas permeability and a certain degree of oxygen ion conductivity. From this viewpoint, a material in which Bi 2 O 3 and rare earth oxide are further dissolved in YSZ and SSZ is preferable. Further, ScYSZ may be used.

本発明の電解質膜における第二の層としては、ある程度の酸素イオン導電性(例えば、1000℃において0.01 Scm-1以上)を有し、少なくともジルコニアを含む材料であれば良く、特に制限はない。イットリア、スカンジア以外の希土類酸化物を固溶させたジルコニアであっても良い。但し、酸素イオン導電性が高い材料のみで形成された電解質膜より優れた性能を得るためには焼結性に優れた材料であることがより好ましい。この理由は、焼結性が優れた材料であるとガス透過性の無い電解質膜を低温で焼結させることができ、例えば、空気極材料としてLaAMnO3を用いた場合に、電解質膜へのマンガンの拡散を抑制させることができ、出力性能の低下を抑えることができるためである。 The second layer in the electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited as long as it has a certain degree of oxygen ion conductivity (for example, 0.01 Scm -1 or more at 1000 ° C.) and contains at least zirconia. Zirconia in which a rare earth oxide other than yttria and scandia is dissolved may be used. However, in order to obtain better performance than an electrolyte membrane formed only of a material having high oxygen ion conductivity, a material having excellent sinterability is more preferable. The reason for this is that if the material has excellent sinterability, the electrolyte membrane without gas permeability can be sintered at a low temperature.For example, when LaAMnO 3 is used as the air electrode material, the manganese to the electrolyte membrane can be reduced. This is because it is possible to suppress the diffusion of, and to suppress a decrease in output performance.

本発明における電解質膜における第一の層と、第二の層と、第三の層の組み合わせについては酸素イオン導電率が第一の層および第三の層が第二の層より高い材料であれば良く特に限定はない。表1のデータを参考にすると第一の層と、第二の層と、第三の層の組み合わせの例を表2に示すことができる。   For the combination of the first layer, the second layer, and the third layer in the electrolyte membrane according to the present invention, the oxygen ion conductivity may be a material in which the first layer and the third layer are higher than the second layer. There is no particular limitation. Referring to the data in Table 1, Table 2 shows examples of combinations of the first layer, the second layer, and the third layer.

Figure 2004303712
Figure 2004303712

本発明における電解質膜における第一の層と第三の層については第二の層より酸素イオン導電性が高い材料であれば良く、同一組成であっても良い。例えば、表2の12や17番目で示すパターンであっても良い。 The first layer and the third layer in the electrolyte membrane of the present invention may be materials having higher oxygen ion conductivity than the second layer, and may have the same composition. For example, the pattern shown in the twelfth or seventeenth in Table 2 may be used.

本発明における電解質膜の原料粉末としては、ガス透過性の無い膜を作製できることが好ましい。BET値が0.5〜20m2g-1で、粒度分布は、3%径が0.1μm以上、97%径が2μm以下で、および平均粒子径が0.3〜1μm程度に制御した原料粉末であるとより好ましい。この範囲で制御した原料粉末を用いれば、焼結性が低い電解質材料の組み合わせであってもガス透過性の無い電解質膜を作製することが可能である。 As the raw material powder for the electrolyte membrane in the present invention, it is preferable that a membrane having no gas permeability can be produced. When the BET value is 0.5 to 20 m 2 g −1 , the particle size distribution is more than 0.1% for 3% diameter, 2% or less for 97% diameter, and the average particle diameter is controlled to be about 0.3 to 1 μm. preferable. By using a raw material powder controlled in this range, it is possible to produce an electrolyte membrane having no gas permeability even with a combination of electrolyte materials having low sinterability.

ここで示すBET値とは、島津製作所製の流動式比表面積測定装置フローソーブII2300形を用いて測定して得られた値である。また、粒度分布は島津製作所製のレーザ回折式粒度分布測定装置SALD-2000を用いて測定して得られた値である。さらに、平均粒子径とは、島津製作所製のレーザ回折式粒度分布測定装置SALD-2000を用いて測定して得られるメディアン径(50%径)の値である。   The BET value shown here is a value obtained by measurement using a flow type specific surface area measuring apparatus Flowsorb II2300 manufactured by Shimadzu Corporation. The particle size distribution is a value obtained by measurement using a laser diffraction type particle size distribution analyzer SALD-2000 manufactured by Shimadzu Corporation. Further, the average particle diameter is a value of a median diameter (50% diameter) obtained by using a laser diffraction type particle size distribution analyzer SALD-2000 manufactured by Shimadzu Corporation.

本発明における電解質膜の作製法については特に限定はないが量産性に優れ、低コストであるという観点からスラリーコート法、スクリーン印刷法、シート接着法が好ましい。   The method for producing the electrolyte membrane in the present invention is not particularly limited, but a slurry coating method, a screen printing method, and a sheet bonding method are preferable from the viewpoint of excellent mass productivity and low cost.

本発明における電解質膜原料の作製法については特に限定はない。共沈法が一般的である。   The method for producing the electrolyte membrane raw material in the present invention is not particularly limited. The coprecipitation method is common.

本発明における空気極は固体酸化物形燃料電池の空気雰囲気下において電子導電性が高く、酸素ガス透過性が高く、(1)式の反応が効率よく行えるものであることが好ましい。この観点から好ましい材料としてLaAMnO3を挙げることができる。 The air electrode in the present invention preferably has high electron conductivity and high oxygen gas permeability in an air atmosphere of a solid oxide fuel cell, and can efficiently perform the reaction of the formula (1). From this viewpoint, a preferable material is LaAMnO 3 .

(1)式の反応を効率よく行うことができ、出力性能を向上させるという観点からは空気極と電解質膜の間に空気側電極反応層を介在させたものが好ましい。   From the viewpoint that the reaction of the formula (1) can be carried out efficiently and the output performance is improved, it is preferable that an air-side electrode reaction layer is interposed between the air electrode and the electrolyte membrane.

空気側電極反応層は、(1)式の反応を効率良く行い、出力性能を向上させるために設けられた層であるので酸素イオン導電性が高いことが好ましい。また、空気側電極反応層にさらに電子導電性を有すると(1)式の反応をより促進させることができることからより好ましい。さらに、電解質膜材料との熱膨張係数が近く、電解質膜および空気極との反応性が低く、密着性が良好である材料であることが好ましい。これらのすべての特性に対し良好な材料であれば、700℃程度の低温においても高い出力特性を得ることが可能である。上記観点から好ましい材料としてLaAMnO3/SSZが挙げられる。 Since the air-side electrode reaction layer is a layer provided for efficiently performing the reaction of the formula (1) and improving the output performance, it is preferable that the oxygen-ion conductivity is high. Further, it is more preferable that the air-side electrode reaction layer further has electron conductivity because the reaction of the formula (1) can be further promoted. Further, it is preferable that the material has a coefficient of thermal expansion close to that of the electrolyte membrane material, low reactivity with the electrolyte membrane and the air electrode, and good adhesion. If the material is good for all these characteristics, high output characteristics can be obtained even at a low temperature of about 700 ° C. From the above viewpoint, a preferable material is LaAMnO 3 / SSZ.

本発明において、空気側電極反応層のLaAMnO3/SSZにおけるLaAMnO3(A=CaまたはSrのいずれか)で表されるランタンマンガナイトの組成としては、700℃以上における電子導電性、材料の安定性等から、(La1-xAx)yMnO3と表記した場合、x,yの値は0.15≦x≦0.3、0.97≦y≦1の範囲がより好ましい。 In the present invention, the composition of the lanthanum manganite represented by LaAMnO 3 in LaAMnO 3 / SSZ air-side electrode reaction layer (either A = Ca or Sr), the electron conductivity in 700 ° C. or higher, stable materials In terms of properties and the like, when expressed as (La 1-x A x ) y MnO 3 , the values of x and y are more preferably in the range of 0.15 ≦ x ≦ 0.3 and 0.97 ≦ y ≦ 1.

この理由は、x<0.15、x>0.3の範囲では電子導電性が低下するためで、y<0.97では反応性が高くなり電極反応層の活性を低下させるためで、y>1ではジルコニアと反応してLa2Zr2O7で示される絶縁層を生成するために電池の出力性能を低下させるためである。 The reason is that the electron conductivity decreases in the range of x <0.15 and x> 0.3, and the reactivity increases and the activity of the electrode reaction layer decreases in the case of y <0.97. This is to lower the output performance of the battery in order to generate an insulating layer represented by La 2 Zr 2 O 7 .

本発明における空気側電極反応層のSSZには、さらにCeO2,Sm2O3,Gd2O3,Bi2O3,Y2O3のいずれか一種以上の酸化物が5mol%以下固溶されていても良い。これらの材料が固溶されると、酸素イオン導電性の向上および/または焼結性の向上が期待できるので含んでいる方が好ましい。 In the SSZ of the air-side electrode reaction layer in the present invention, any one or more oxides of CeO 2 , Sm 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Bi 2 O 3 , and Y 2 O 3 are further dissolved in 5 mol% or less. It may be. When these materials are dissolved, it is preferable to include them because an improvement in oxygen ion conductivity and / or an improvement in sinterability can be expected.

本発明におけるLaAMnO3/SSZからなる空気側電極反応層の電極活性を高めるために、用いる原料粉末の平均粒子径やBET値を傾斜させた構造でも良い。例えば、空気極側から電解質膜方向へ平均粒子径を5μm、3μm、1μmにしたり、BET値を1m2g-1、3m2g-1、5m2g-1とするようなものでも良い。(1)式の反応を効率良く行うという観点からは平均粒子径やBET値を傾斜させたものから構成されたものの方が好ましい。 In order to increase the electrode activity of the air-side electrode reaction layer made of LaAMnO 3 / SSZ in the present invention, a structure in which the average particle diameter and BET value of the raw material powder used are inclined may be used. For example, the average particle diameter may be 5 μm, 3 μm, 1 μm from the air electrode side toward the electrolyte membrane, or the BET value may be 1 m 2 g −1 , 3 m 2 g −1 , 5 m 2 g −1 . From the viewpoint of efficiently performing the reaction of the formula (1), those composed of those having inclined average particle diameters or BET values are more preferable.

本発明におけるLaAMnO3/SSZからなる空気側電極反応層の電極活性を高めるために組成を傾斜させた構造でも良い。例えば、空気極側から電解質膜方向へLaAMnO3/SSZを80/20、50/50、20/80としたようなものでも良い。空気極と電解質膜の熱膨張差を緩和できることと(1)式の反応を効率良く行えるという観点からは組成を傾斜させた方が好ましい。 A structure in which the composition is inclined to enhance the electrode activity of the air-side electrode reaction layer made of LaAMnO 3 / SSZ in the present invention may be used. For example, LaAMnO 3 / SSZ may be set to 80/20, 50/50, or 20/80 from the air electrode side toward the electrolyte membrane. From the viewpoint that the difference in thermal expansion between the air electrode and the electrolyte membrane can be reduced and the reaction of the formula (1) can be performed efficiently, it is preferable to make the composition gradient.

本発明におけるLaAMnO3/SSZからなる空気側電極反応層のLaAMnO3は、電子導電性向上や電解質膜へのMn成分の拡散の抑制などの観点からCe,Sm,Pr,Nd,Co,Al,Fe,Ni,Crなどを固溶させたものであっても良い。特に、Niを固溶させることが好ましい。 LaAMnO 3 air-side electrode reaction layer made of LaAMnO 3 / SSZ in the present invention, Ce from the viewpoint of suppression of diffusion of the Mn component into the electron conductivity enhancing or electrolyte membrane, Sm, Pr, Nd, Co , Al, It may be a solid solution of Fe, Ni, Cr and the like. In particular, it is preferable to make Ni a solid solution.

本発明におけるLaAMnO3/SSZからなる空気側電極反応層のSSZにおけるスカンジアの固溶量は3〜12mol%が好ましい。この理由はこの範囲の組成のものが酸素イオン導電性が高いためである。酸素イオン導電性が高いという観点から8〜12 mol%がより好ましい。 The solid solution amount of scandia in the SSZ of the air-side electrode reaction layer composed of LaAMnO 3 / SSZ in the present invention is preferably 3 to 12 mol%. The reason for this is that the composition in this range has high oxygen ion conductivity. From the viewpoint of high oxygen ion conductivity, 8 to 12 mol% is more preferable.

本発明におけるLaAMnO3/SSZはさらにセリウム含有酸化物を固溶させたものまたは混合されたものであっても良い。この理由は、さらにセリウム含有酸化物を固溶させたものまたは混合されたものを用いると電解質膜へのMn成分の拡散を抑制することができ、出力性能および耐久性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができるためである。 LaAMnO 3 / SSZ in the present invention may be a solid solution or mixed cerium-containing oxide. The reason is that the use of a solid solution or a mixture of cerium-containing oxides can suppress the diffusion of the Mn component into the electrolyte membrane, and is a solid oxide fuel excellent in output performance and durability performance. This is because a battery can be provided.

また、電解質膜へのMn成分の拡散を抑制するという観点では、LaAMnO3とセリウム含有酸化物が均一に混合された層(以下、LaAMnO3/セリウム含有酸化物)が好ましい。 From the viewpoint of suppressing the diffusion of the Mn component into the electrolyte membrane, a layer in which LaAMnO 3 and the cerium-containing oxide are uniformly mixed (hereinafter, LaAMnO 3 / cerium-containing oxide) is preferable.

電解質膜で第一の層として一般式La1-aAaGa1-bBbO3またはLa1-aAaGa1-b-cBbCcO3(但し、AはSr,Ca,Baの1種または2種以上、BはMg,Al,Inの1種または2種以上、CはCo,Fe,Ni,Crの1種または2種以上)で表されるランタンガレートを用いる場合においては、特にMn成分の拡散が大きいので、前記LaAMnO3/SSZにさらにセリウム含有酸化物を固溶させたものまたは混合させたものやLaAMnO3/セリウム含有酸化物などのようなMn成分の拡散を抑制できる空気側電極反応層を用いることが好ましい。 As the first layer in the electrolyte membrane, the general formula La 1-a A a Ga 1-b B b O 3 or La 1-a A a Ga 1-bc B b C c O 3 (where A is Sr, Ca, When using lanthanum gallate represented by one or more of Ba, B is one or more of Mg, Al, In, and C is one or more of Co, Fe, Ni, Cr) In particular, since the diffusion of the Mn component is particularly large, the diffusion of the Mn component such as a solid solution or a mixture of the cerium-containing oxide in the LaAMnO 3 / SSZ or the LaAMnO 3 / cerium-containing oxide is preferable. It is preferable to use an air-side electrode reaction layer capable of suppressing the occurrence of an air-fuel ratio.

ここで示すセリウム含有酸化物とは、セリウムが含まれた酸化物であれば良く特に限定はない。一般式(CeO2)1-2X(B2O3)X (但し、BはSm,Gd,Yのいずれか一種、0.05≦X≦0.15)で表されるものが酸素イオン導電性が高く、好ましい。 The cerium-containing oxide shown here is not particularly limited as long as it is an oxide containing cerium. Those represented by the general formula (CeO 2 ) 1-2X (B 2 O 3 ) X (where B is any one of Sm, Gd, and Y, 0.05 ≦ X ≦ 0.15) have high oxygen ion conductivity, preferable.

本発明におけるLaAMnO3/SSZの原料作製法については空気側電極反応層として好ましい特性を満足できるものであれば良く、特に限定はない。共沈法、粉末混合法、噴霧熱分解法、ゾルゲル法などで作製する方法が挙げられる。 The method for producing the raw material of LaAMnO 3 / SSZ in the present invention is not particularly limited as long as it can satisfy the preferable characteristics as the air-side electrode reaction layer. Co-precipitation method, powder mixing method, spray pyrolysis method, sol-gel method and the like.

本発明において、空気極のLaAMnO3(A=CaまたはSrのいずれか)で表されるランタンマンガナイトの組成としては、700℃以上における電子導電性、材料の安定性等から、(La1-xAx)yMnO3と表記した場合、x,yの値は0.15≦x≦0.3、0.97≦y≦1の範囲が好ましい。 In the present invention, the composition of lanthanum manganite represented by LaAMnO 3 (A = Ca or Sr) of the air electrode may be (La 1− When expressed as x Ax) y MnO 3 , the values of x and y are preferably in the range of 0.15 ≦ x ≦ 0.3 and 0.97 ≦ y ≦ 1.

この理由は、x<0.15、x>0.3の範囲では電子導電性が低下するためで、y<0.97では反応性が高くなり電極反応層の活性を低下させるためで、y>1ではジルコニアと反応してLa2Zr2O7で示される絶縁層を生成するためにセルの出力性能を低下させるためである。 The reason is that the electron conductivity decreases in the range of x <0.15 and x> 0.3, and the reactivity increases and the activity of the electrode reaction layer decreases in the case of y <0.97. This is to lower the output performance of the cell in order to generate an insulating layer represented by La 2 Zr 2 O 7 .

空気極におけるランタンマンガナイトには、SrまたはCaの他に、Ce,Sm,Gd,Pr,Nd,Co,Al,Fe,Cr,Ni等を固溶させたものであっても良い。   Lanthanum manganite at the air electrode may be a solid solution of Ce, Sm, Gd, Pr, Nd, Co, Al, Fe, Cr, Ni, etc. in addition to Sr or Ca.

本発明における空気極原料の作製法については特に限定はない。粉末混合法、共沈法、噴霧熱分解法、ゾルゲル法などで作製する方法が挙げられる。   The method for producing the cathode material in the present invention is not particularly limited. Examples of the method include a method using a powder mixing method, a coprecipitation method, a spray pyrolysis method, and a sol-gel method.

本発明における燃料極は固体酸化物形燃料電池の燃料ガス雰囲気において電子導電性が高い、燃料ガス透過性が高く、(2),(3)式の反応を効率良く行えるものであることが好ましい。この観点からは好ましい材料としては、NiOと、イットリアを固溶させたジルコニアが均一に混合された層(以下、NiO/YSZと示す。)やNiOとセリウム含有酸化物が均一に混合された層(以下、NiO/セリウム含有酸化物と示す。)等を挙げることができる。NiOは固体酸化物形燃料電池の燃料ガス雰囲気下で還元されてNiとなり、該層はNi/YSZ、Ni/セリウム含有酸化物となる。   It is preferable that the fuel electrode in the present invention has high electron conductivity in a fuel gas atmosphere of a solid oxide fuel cell, high fuel gas permeability, and can efficiently perform the reaction of formulas (2) and (3). . From this viewpoint, a preferable material is a layer in which NiO and zirconia in which yttria is dissolved are uniformly mixed (hereinafter, referred to as NiO / YSZ) or a layer in which NiO and cerium-containing oxide are uniformly mixed. (Hereinafter, referred to as NiO / cerium-containing oxide). NiO is reduced to Ni in the fuel gas atmosphere of the solid oxide fuel cell, and the layer becomes Ni / YSZ or Ni / cerium-containing oxide.

ここで示すセリウム含有酸化物とは、セリウムが含まれた酸化物であれば良く特に限定はない。一般式(CeO2)1-2X(B2O3)X (但し、BはSm,Gd,Yのいずれか一種、0.05≦X≦0.15)で表されるものが酸素イオン導電性が高く、好ましい。 The cerium-containing oxide shown here is not particularly limited as long as it is an oxide containing cerium. Those represented by the general formula (CeO 2 ) 1-2X (B 2 O 3 ) X (where B is any one of Sm, Gd, and Y, 0.05 ≦ X ≦ 0.15) have high oxygen ion conductivity, preferable.

(2),(3)式の反応を効率良く行うことができ、出力性能を向上させるという観点からは電解質膜と燃料極の間に燃料側電極反応層を設けることが好ましい。   From the viewpoint that the reactions of the formulas (2) and (3) can be performed efficiently and the output performance is improved, it is preferable to provide a fuel-side electrode reaction layer between the electrolyte membrane and the fuel electrode.

本発明において、電解質膜の第三の層としてスカンジアを固溶させたジルコニア材料などのジルコニア系材料を用いる場合の燃料側電極反応層としては電子導電性と酸素イオン導電性の両方の特性に優れるNiOと、スカンジアを固溶させたジルコニアが均一に混合された層(以下、NiO/SSZと示す。)が好ましい。NiOは固体酸化物形燃料電池の燃料雰囲気下で還元されてNiとなり、該層はNi/SSZとなる。また、NiO/SSZの比率は重量比で10/90〜50/50が好ましい。この理由は、10/90未満では電子導電性が低すぎるためで、一方50/50より大きいと酸素イオン導電性が低すぎるためである。   In the present invention, when using a zirconia-based material such as a zirconia material in which scandia is dissolved as a third layer of the electrolyte membrane, the fuel-side electrode reaction layer is excellent in both electronic conductivity and oxygen ion conductivity. A layer in which NiO and zirconia in which scandia is dissolved as a solid solution is uniformly mixed (hereinafter, referred to as NiO / SSZ) is preferable. NiO is reduced to Ni under the fuel atmosphere of the solid oxide fuel cell, and the layer becomes Ni / SSZ. Further, the ratio of NiO / SSZ is preferably 10/90 to 50/50 by weight. The reason is that if it is less than 10/90, the electronic conductivity is too low, while if it is more than 50/50, the oxygen ion conductivity is too low.

本発明のNiO/SSZにおけるSSZのスカンジアの固溶量としては、3〜12mol%が好ましい。この理由は、この範囲であれば酸素イオン導電性が高く(2),(3)式の反応を促進させることができるためである。また、酸素イオン導電性が700℃程度の低温下においても高いので700℃程度の低温まで高い出力性能を有する固体酸化物形燃料電池を提供することができる。   The scandia solid solution amount of SSZ in the NiO / SSZ of the present invention is preferably 3 to 12 mol%. The reason for this is that within this range, the oxygen ion conductivity is high and the reactions of formulas (2) and (3) can be promoted. Further, since the oxygen ion conductivity is high even at a low temperature of about 700 ° C., a solid oxide fuel cell having high output performance up to a low temperature of about 700 ° C. can be provided.

本発明のNiO/SSZにおけるSSZにはさらにCeO2,Sm2O3,Gd2O3, Er2O3,Y2O3,Bi2O3から選ばれる少なくとも一種が5mol%以下固溶されていても良い。また、2種以上固溶させたものであっても良い。これらの材料が固溶されると燃料ガス雰囲気下で酸素イオン導電性の向上だけでなく電子導電性の向上も期待できるので含んでいる方が好ましい。 In the SSZ in the NiO / SSZ of the present invention, at least one selected from CeO 2 , Sm 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Er 2 O 3 , Y 2 O 3 , and Bi 2 O 3 is further dissolved in 5 mol% or less. May be. Also, two or more solid solutions may be used. When these materials are dissolved, not only oxygen ion conductivity but also electron conductivity can be expected to be improved in a fuel gas atmosphere.

本発明において、電解質膜の第三の層としてセリウム含有酸化物や一般式La1-aAaGa1-bBbO3またはLa1-aAaGa1-b-cBbCcO3(但し、AはSr,Ca,Baの1種または2種以上、BはMg,Al,Inの1種または2種以上、CはCo,Fe,Ni,Crの1種または2種以上)で表されるランタンガレートを用いる場合の燃料側電極反応層としては電子導電性と酸素イオン導電性の両方の特性に優れるNiO/セリウム含有酸化物が好ましい。NiOは固体酸化物形燃料電池の燃料雰囲気下で還元されてNiとなり、該層はNi/セリウム含有酸化物となる。また、NiO/セリウム含有酸化物の比率は重量比で10/90〜50/50が好ましい。この理由は、10/90未満では電子導電性が低すぎるためで、一方50/50より大きいと酸素イオン導電性が低すぎるためである。 In the present invention, the cerium-containing oxide or the general formula La 1-a A a Ga 1-b B b O 3 or La 1-a A a Ga 1-bc B b C c O 3 is used as the third layer of the electrolyte membrane. (However, A is one or more of Sr, Ca, Ba, B is one or more of Mg, Al, In, C is one or more of Co, Fe, Ni, Cr) When a lanthanum gallate represented by the following formula is used, a NiO / cerium-containing oxide excellent in both electronic conductivity and oxygen ion conductivity is preferable as the fuel-side electrode reaction layer. NiO is reduced to Ni under the fuel atmosphere of the solid oxide fuel cell, and the layer becomes Ni / cerium-containing oxide. Further, the ratio of NiO / cerium-containing oxide is preferably 10/90 to 50/50 by weight. The reason is that if it is less than 10/90, the electronic conductivity is too low, while if it is more than 50/50, the oxygen ion conductivity is too low.

ここで示すセリウム含有酸化物とは、セリウムが含まれた酸化物であれば良く特に限定はない。一般式(CeO2)1-2X(C2O3)X (但し、C=Sm,Gd,Y,Laのいずれか一種、0.05≦X≦0.15)で表されるものが好ましい。 The cerium-containing oxide shown here is not particularly limited as long as it is an oxide containing cerium. A compound represented by the general formula (CeO 2 ) 1-2X (C 2 O 3 ) X (however, C = Sm, Gd, Y, or La, one of 0.05 ≦ X ≦ 0.15) is preferable.

本発明における燃料極はIR損を低くするために電子導電性が高いものであることが好ましい。この観点からNiO/YSZ,NiO/セリウム含有酸化物の比率は重量比で50/50〜90/10が好ましい。この理由は、50/50未満では電子導電性が低いためで、一方90/10より大きいとNi粒子の凝集によって出力性能が低下するためである。   It is preferable that the fuel electrode in the present invention has high electron conductivity in order to reduce IR loss. From this viewpoint, the ratio of NiO / YSZ and NiO / cerium-containing oxide is preferably 50/50 to 90/10 by weight. The reason is that if it is less than 50/50, the electronic conductivity is low, while if it is more than 90/10, the output performance is reduced due to aggregation of Ni particles.

本発明における燃料極の組成については、NiO/YSZ,NiO/セリウム含有酸化物以外の組成としてNiO/SSZ、NiOとカルシウムを固溶させたジルコニアが均一に混合された層(以下、NiO/CSZと示す)を挙げることができる。SSZよりYSZの方が安価であることからYSZの方が好ましいが、CSZはYSZよりさらに安価であることからコストの観点からはNiO/CSZが最も好ましい。なお、NiO/CSZにおいても燃料電池の燃料ガス雰囲気下においてはNi/CSZとなる。   Regarding the composition of the fuel electrode in the present invention, NiO / YSZ, NiO / SSZ as a composition other than the cerium-containing oxide, a layer in which zirconia in which NiO and calcium are dissolved in a solid solution are uniformly mixed (hereinafter, NiO / CSZ Shown). YSZ is preferred because YSZ is cheaper than SSZ, but NiO / CSZ is most preferred from the viewpoint of cost because CSZ is cheaper than YSZ. Note that NiO / CSZ also becomes Ni / CSZ under the fuel gas atmosphere of the fuel cell.

本発明における燃料極原料の合成法についてはNiO/SSZおよびNiO/YSZなどの燃料極材料が均一に混合されていれば良く特に限定はない。共沈法、スプレードライ法などが挙げられる。   The method of synthesizing the fuel electrode raw material in the present invention is not particularly limited as long as the fuel electrode materials such as NiO / SSZ and NiO / YSZ are uniformly mixed. Examples include a coprecipitation method and a spray drying method.

本発明におけるインターコネクターは固体酸化物形燃料電池の発電温度の空気雰囲気および燃料ガス雰囲気において電子導電性が高い、ガス透過性が無い、酸化還元雰囲気に対して安定であるものが好ましい。この観点からランタンクロマイトが最も好ましい。   The interconnector in the present invention is preferably one having high electron conductivity, no gas permeability, and stable in an oxidation-reduction atmosphere in an air atmosphere and a fuel gas atmosphere at the power generation temperature of the solid oxide fuel cell. From this viewpoint, lanthanum chromite is most preferred.

ランタンクロマイトは難焼結性であるため固体酸化物形燃料電池の焼成温度(1500℃以下)でガス透過性の無いインターコネクターを作製することが難しい。焼結性を向上させるためにCa,Sr,Mgを固溶させて用いていることが好ましい。焼結性が最も高く、固体酸化物形燃料電池の他材料と同程度の温度でガス透過性の無い膜を作製できるという点からCaを固溶させたものが最も好ましい。   Since lanthanum chromite is difficult to sinter, it is difficult to manufacture an interconnector having no gas permeability at the firing temperature (1500 ° C. or lower) of a solid oxide fuel cell. In order to improve sinterability, Ca, Sr, and Mg are preferably used as a solid solution. A solid solution of Ca is most preferable because it has the highest sinterability and can produce a membrane having no gas permeability at the same temperature as other materials of the solid oxide fuel cell.

インターコネクターに用いられるCaを固溶させたランタンクロマイトの固溶量については特に限定はない。Ca固溶量が多いほど電子導電性が高くなるが、材料の安定性が低下することからCaの固溶量としては10〜40mol%程度が好ましい。   There is no particular limitation on the solid solution amount of lanthanum chromite in which Ca is used as the solid solution for the interconnector. Although the electronic conductivity increases as the amount of Ca solid solution increases, the stability of the material decreases, so the amount of Ca solid solution is preferably about 10 to 40 mol%.

本発明における固体酸化物形燃料電池の形状については特に限定はなく、平板型、円筒型いずれであっても良い。なお、平板型ではインターコネクターをセパレータと呼び、役割はインターコネクターと同様である。セパレータの場合は、フェライト系ステンレス等の耐熱金属であっても良い。   The shape of the solid oxide fuel cell in the present invention is not particularly limited, and may be a flat plate type or a cylindrical type. In the flat type, the interconnector is called a separator, and the role is the same as that of the interconnector. In the case of a separator, a heat-resistant metal such as ferritic stainless steel may be used.

本発明における固体酸化物形燃料電池はマイクロチューブのタイプ(外径10mm以下より好ましくは5mm以下)にも適応可能である。
The solid oxide fuel cell according to the present invention is applicable to a microtube type (outer diameter of 10 mm or less, more preferably 5 mm or less).

(実施例1)
図1に示す円筒型の固体酸化物形燃料電池を基本構成に用いた。すなわち、円筒状の空気極支持体1上に帯状のインターコネクター2、電解質膜3、さらに電解質膜の上にインターコネクターと接触しないように燃料極4から構成されたものである。本実施例では図2に示すように空気極と電解質膜の間に電極反応層が設けられ、そして電解質膜と燃料極の間に燃料側電極反応層が設けられ、さらに電解質膜を3層としたタイプのものを用いた。
(Example 1)
The cylindrical solid oxide fuel cell shown in FIG. 1 was used for the basic configuration. In other words, a strip-shaped interconnector 2 and an electrolyte membrane 3 are formed on a cylindrical air electrode support 1, and a fuel electrode 4 is formed on the electrolyte membrane so as not to contact the interconnector. In the present embodiment, as shown in FIG. 2, an electrode reaction layer is provided between the air electrode and the electrolyte membrane, and a fuel-side electrode reaction layer is provided between the electrolyte membrane and the fuel electrode. The used type was used.

(1)空気極支持体の作製
空気極は、La0.75Sr0.25MnO3組成で表されるSrを固溶させたランタンマンガナイトで、共沈法で作製後熱処理して空気極原料粉末を得た。平均粒子径は、30μmであった。押し出し成形法によって円筒状成形体を作製した。さらに、1500℃で焼結を行い、空気極支持体とした。
(1) Preparation of air electrode support The air electrode is a lanthanum manganite with a solid solution of Sr represented by La 0.75 Sr 0.25 MnO 3 composition, prepared by coprecipitation method and heat treated to obtain air electrode raw material powder. Was. The average particle size was 30 μm. A cylindrical molded body was produced by an extrusion molding method. Further, sintering was performed at 1500 ° C. to obtain an air electrode support.

(2)空気側電極反応層の作製
空気側電極反応層としては、LaAMnO3/SSZとし、該組成およびその重量比率としては、La0.75Sr0.25MnO3/ 90 mol%ZrO2-10mol%Sc2O3=50/50を用いた。La,Sr,Mn,ZrおよびScの各々の硝酸塩水溶液を用いて、前記組成になるように調合した後、シュウ酸を加え沈殿させた。該沈殿物と上澄み液を乾燥し、さらに熱処理し、粒径を制御した後原料粉末を得た。平均粒子径は2μmであった。該電極反応層粉末40重量部と溶媒(エタノール)100重量部、バインダー(エチルセルロース)2重量部、分散剤(ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル)1重量部、消泡剤(ソルビタンセスキオレート)1重量部とを混合した後、十分攪拌してスラリーを調整した。このスラリー粘度は100mPasであった。前記スラリーを、空気極支持体(外径15mm、肉厚1.5mm、有効長400mm)上にスラリーコート法で成膜した後に1400℃で焼結させた。厚さは20μmであった。
(2) As a manufacturing air-side electrode reaction layer on the air side electrode reaction layer, LaAMnO 3 / SSZ and then, examples of the composition and the weight ratio, La 0.75 Sr 0.25 MnO 3/ 90 mol% ZrO 2 -10mol% Sc 2 O 3 = 50/50 was used. The aqueous solution of La, Sr, Mn, Zr and Sc was mixed to have the above-mentioned composition using the respective nitrate aqueous solutions, and then oxalic acid was added to precipitate. The precipitate and the supernatant were dried and further heat-treated to obtain a raw material powder after controlling the particle size. The average particle size was 2 μm. 40 parts by weight of the electrode reaction layer powder, 100 parts by weight of solvent (ethanol), 2 parts by weight of binder (ethyl cellulose), 1 part by weight of dispersant (polyoxyethylene alkyl phosphate), 1 part by weight of defoamer (sorbitan sesquiolate) After mixing, the slurry was sufficiently stirred to prepare a slurry. The slurry viscosity was 100 mPas. The slurry was formed on an air electrode support (outside diameter: 15 mm, wall thickness: 1.5 mm, effective length: 400 mm) by a slurry coating method, and then sintered at 1400 ° C. The thickness was 20 μm.

(3)電解質膜(第一の層)のスラリー作製:
第一の層の材料はSSZとし、該組成は90 mol%ZrO2-10mol%Sc2O3とした。ZrO2 を100℃で加熱した3N以上の濃硝酸に溶解させ、蒸留水で希釈した後、硝酸塩水溶液を得た。Sc2O3についても同様の方法から硝酸塩水溶液を得た。各々の硝酸塩水溶液を前記組成になるように調合し、シュウ酸水溶液を加え、共沈させた。共沈して得られた沈殿物と上澄み液を200℃程度で乾燥し、500℃で熱分解、さらに800℃で10時間熱処理をして原料粉末を得た。平均粒子径は0.5μmであった。該粉末40重量部を溶媒(エタノール)100重量部、バインダー(エチルセルロース)2重量部、分散剤(ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル)1重量部、消泡剤(ソルビタンセスキオレート)1重量部とを混合した後、十分攪拌してスラリーを調整した。このスラリー粘度は140mPasであった。
(3) Preparation of slurry for electrolyte membrane (first layer):
The material of the first layer was SSZ, and the composition was 90 mol% ZrO 2 -10 mol% Sc 2 O 3 . ZrO 2 was dissolved in concentrated nitric acid of 3N or more heated at 100 ° C. and diluted with distilled water to obtain a nitrate aqueous solution. For Sc 2 O 3 , a nitrate aqueous solution was obtained in the same manner. Each nitrate aqueous solution was prepared so as to have the above-mentioned composition, and an oxalic acid aqueous solution was added thereto for coprecipitation. The precipitate and the supernatant obtained by co-precipitation were dried at about 200 ° C., thermally decomposed at 500 ° C., and further heat-treated at 800 ° C. for 10 hours to obtain a raw material powder. The average particle size was 0.5 μm. 40 parts by weight of the powder were mixed with 100 parts by weight of a solvent (ethanol), 2 parts by weight of a binder (ethyl cellulose), 1 part by weight of a dispersant (polyoxyethylene alkyl phosphate), and 1 part by weight of an antifoaming agent (sorbitan sesquiolate). After mixing, the slurry was sufficiently stirred to prepare a slurry. The slurry viscosity was 140 mPas.

(4)電解質膜(第二の層)のスラリー作製:
第二の層の材料はYSZとし、該組成は90 mol%ZrO2-10mol%Y2O3とした。ZrO2 を100℃で加熱した3N以上の濃硝酸に溶解させ、蒸留水で希釈した後、硝酸塩水溶液を得た。Y2O3についても同様の方法から硝酸塩水溶液を得た。各々の硝酸塩水溶液を前記組成になるように調合し、シュウ酸水溶液を加え、共沈させた。共沈して得られた沈殿物と上澄み液を200℃程度で乾燥し、500℃で熱分解、さらに800℃で10時間熱処理をして原料粉末を得た。平均粒子径は0.5μmであった。該粉末40重量部と溶媒(エタノール)100重量部、バインダー(エチルセルロース)2重量部、分散剤(ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル)1重量部、消泡剤(ソルビタンセスキオレート)1重量部とを混合した後、十分攪拌してスラリーを調整した。このスラリー粘度は140mPasであった。
(4) Preparation of slurry for electrolyte membrane (second layer):
The material of the second layer was YSZ, and the composition was 90 mol% ZrO 2 -10 mol% Y 2 O 3 . ZrO 2 was dissolved in concentrated nitric acid of 3N or more heated at 100 ° C. and diluted with distilled water to obtain a nitrate aqueous solution. A nitrate aqueous solution was obtained from Y 2 O 3 by the same method. Each nitrate aqueous solution was prepared so as to have the above-mentioned composition, and an oxalic acid aqueous solution was added thereto for coprecipitation. The precipitate and the supernatant obtained by co-precipitation were dried at about 200 ° C., thermally decomposed at 500 ° C., and further heat-treated at 800 ° C. for 10 hours to obtain a raw material powder. The average particle size was 0.5 μm. 40 parts by weight of the powder, 100 parts by weight of a solvent (ethanol), 2 parts by weight of a binder (ethyl cellulose), 1 part by weight of a dispersant (polyoxyethylene alkyl phosphate), and 1 part by weight of an antifoaming agent (sorbitan sesquiolate) After mixing, the slurry was sufficiently stirred to prepare a slurry. The slurry viscosity was 140 mPas.

(5)電解質膜(第三の層)のスラリー作製:
第三の層の材料はSSZとし、該組成は90 mol%ZrO2-10mol%Sc2O3とした。ZrO2 を100℃で加熱した3N以上の濃硝酸に溶解させ、蒸留水で希釈した後、硝酸塩水溶液を得た。Sc2O3についても同様の方法から硝酸塩水溶液を得た。各々の硝酸塩水溶液を前記組成になるように調合し、シュウ酸水溶液を加え、共沈させた。共沈して得られた沈殿物と上澄み液を200℃程度で乾燥し、500℃で熱分解、さらに800℃で10時間熱処理をして原料粉末を得た。平均粒子径は0.5μmであった。該粉末40重量部と溶媒(エタノール)100重量部、バインダー(エチルセルロース)2重量部、分散剤(ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル)1重量部、消泡剤(ソルビタンセスキオレート)1重量部とを混合した後、十分攪拌してスラリーを調整した。このスラリー粘度は140mPasであった。
(5) Slurry preparation of electrolyte membrane (third layer):
The material of the third layer was SSZ, and the composition was 90 mol% ZrO 2 -10 mol% Sc 2 O 3 . ZrO 2 was dissolved in concentrated nitric acid of 3N or more heated at 100 ° C. and diluted with distilled water to obtain a nitrate aqueous solution. For Sc 2 O 3 , a nitrate aqueous solution was obtained in the same manner. Each nitrate aqueous solution was prepared so as to have the above-mentioned composition, and an oxalic acid aqueous solution was added thereto for coprecipitation. The precipitate and the supernatant obtained by co-precipitation were dried at about 200 ° C., thermally decomposed at 500 ° C., and further heat-treated at 800 ° C. for 10 hours to obtain a raw material powder. The average particle size was 0.5 μm. 40 parts by weight of the powder, 100 parts by weight of a solvent (ethanol), 2 parts by weight of a binder (ethyl cellulose), 1 part by weight of a dispersant (polyoxyethylene alkyl phosphate), and 1 part by weight of an antifoaming agent (sorbitan sesquiolate) After mixing, the slurry was sufficiently stirred to prepare a slurry. The slurry viscosity was 140 mPas.

(6)電解質膜の作製
前記空気側電極反応層上に、まず第一の層をスラリーコート法で成膜した。続いて、第二の層をスラリーコート法で成膜し、さらに第三の層をスラリーコート法で成膜した。その後、1400℃で焼結させた。得られた電解質膜の厚さは、30μm(空気極側第一の層:10μm、第二の層:10μm、第三の層:10μm)であった。なお、後工程でインターコネクターを成膜する部分についてはマスキングを施し、膜が塗布されないようにしておいた。
(6) Preparation of electrolyte membrane First, a first layer was formed on the air-side electrode reaction layer by a slurry coating method. Subsequently, a second layer was formed by a slurry coating method, and a third layer was formed by a slurry coating method. Thereafter, sintering was performed at 1400 ° C. The thickness of the obtained electrolyte membrane was 30 μm (the first layer on the air electrode side: 10 μm, the second layer: 10 μm, and the third layer: 10 μm). The portion where the interconnector is to be formed in a later step was masked so that the film was not applied.

(7)燃料側電極反応層のスラリー作製
燃料側電極反応層の材料としてはNiO/SSZとし、該組成は、NiO/90 mol%ZrO2-10mol%Sc2O3とし、Ni,ZrおよびSc各々の硝酸塩水溶液を用いて、前記組成になるように調合した後、シュウ酸を加え沈殿させた。該沈殿物と上澄み液を乾燥した後、さらに熱処理を施し、粒径を制御して原料を得た。燃料側電極反応層の重量比率は、NiO/90 mol%ZrO2-10mol%Sc2O3 =20/80と、50/50の2種類を作製し、平均粒子径はいずれも0.5μmであった。該粉末100重量部と有機溶媒(エタノール)500重量部、バインダー(エチルセルロース)10重量部、分散剤(ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル)5重量部、消泡剤(ソルビタンセスオキオレート)1重量部、可塑剤(DBP)5重量部を混合した後、十分攪拌してスラリーを調整した。このスラリーの粘度は70mPasであった。
(7) Preparation of slurry for fuel-side electrode reaction layer The material for the fuel-side electrode reaction layer was NiO / SSZ, the composition was NiO / 90 mol% ZrO 2 -10 mol% Sc 2 O 3 , Ni, Zr and Sc Each of the aqueous solutions of nitrate was mixed so as to have the above-mentioned composition, and then oxalic acid was added for precipitation. After drying the precipitate and the supernatant, it was further subjected to a heat treatment to control the particle size to obtain a raw material. The weight ratio of the fuel-side electrode reaction layer was Ni / 90 mol% ZrO 2 -10 mol% Sc 2 O 3 = 20/80 and 50/50, and the average particle diameter was 0.5 μm. Was. 100 parts by weight of the powder, 500 parts by weight of an organic solvent (ethanol), 10 parts by weight of a binder (ethyl cellulose), 5 parts by weight of a dispersant (polyoxyethylene alkyl phosphate), 1 part by weight of an antifoaming agent (sorbitanses oxolate) After mixing 5 parts by weight of a plasticizer (DBP), the mixture was sufficiently stirred to prepare a slurry. The viscosity of this slurry was 70 mPas.

(8)燃料側電極反応層の作製
燃料側電極反応層の面積が150cm2になるように電池へマスキングをし、スラリーコート法により電解質膜上へNiO/90 mol%ZrO2-10mol%Sc2O3 (平均粒子径)=20/80(0.5μm)、50/50(0.5μm)の順に成膜した。膜厚(焼結後)は10μmとした。
(8) Preparation of fuel-side electrode reaction layer Mask the battery so that the area of the fuel-side electrode reaction layer becomes 150 cm 2 , and place NiO / 90 mol% ZrO 2 -10 mol% Sc 2 on the electrolyte membrane by the slurry coating method. O 3 (average particle diameter) = 20/80 (0.5 μm) and 50/50 (0.5 μm) in this order. The film thickness (after sintering) was 10 μm.

(9)燃料極のスラリー作製:
燃料極の材料はNiO/YSZとし、該組成は、NiO/90 mol%ZrO2-10mol%Y2O3とした。Ni,ZrおよびY各々の硝酸塩水溶液を用いて、前記組成になるように調合した後、シュウ酸を加え沈殿させた。該沈殿物と上澄み液を乾燥した後、さらに熱処理を施し、粒径を制御した後原料を得た。組成およびその重量比率はNiO/90 mol%ZrO2-10mol%Y2O3 =70/30とし、平均粒径が2μmであった。該粉末100重量部と有機溶媒(エタノール)500重量部、バインダー(エチルセルロース)20重量部、分散剤(ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル)5重量部、消泡剤(ソルビタンセスオキオレート)1重量部、可塑剤(DBP)5重量部を混合した後、十分攪拌してスラリーを調整した。このスラリーの粘度は250mPasであった。
(9) Slurry preparation of fuel electrode:
The material of the fuel electrode was NiO / YSZ, and the composition was NiO / 90 mol% ZrO 2 -10 mol% Y 2 O 3 . After using the aqueous nitrate solutions of Ni, Zr and Y to prepare the above composition, oxalic acid was added for precipitation. After drying the precipitate and the supernatant, the mixture was further subjected to a heat treatment to control the particle size, thereby obtaining a raw material. The composition and the weight ratio were NiO / 90 mol% ZrO 2 -10 mol% Y 2 O 3 = 70/30, and the average particle size was 2 μm. 100 parts by weight of the powder, 500 parts by weight of an organic solvent (ethanol), 20 parts by weight of a binder (ethyl cellulose), 5 parts by weight of a dispersant (polyoxyethylene alkyl phosphate), 1 part by weight of an antifoaming agent (sorbitanses oxolate) After mixing 5 parts by weight of a plasticizer (DBP), the mixture was sufficiently stirred to prepare a slurry. The viscosity of this slurry was 250 mPas.

(10)燃料極の作製
燃料側電極反応層上に燃料極をスラリーコート法により成膜した。膜厚(焼結後)は90μmとした。さらに、燃料側電極反応層と燃料極を1400℃で共焼結させた。
(10) Preparation of fuel electrode A fuel electrode was formed on the fuel-side electrode reaction layer by a slurry coating method. The thickness (after sintering) was 90 μm. Further, the fuel-side electrode reaction layer and the fuel electrode were co-sintered at 1400 ° C.

(11)インターコネクターの作製:
インターコネクターをLa0.80Ca0.20CrO3で表されるCaを固溶させたランタンクロマイトとした。噴霧熱分解法で作製後、熱処理を施して原料粉末を得た。得られた粉末の平均粒子径は1μmであった。該粉末40重量部と溶媒(エタノール)100重量部、バインダー(エチルセルロース)2重量部、分散剤(ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル)1重量部、消泡剤(ソルビタンセスキオレート)1重量部とを混合した後、十分攪拌してスラリーを調整した。このスラリー粘度は100mPasであった。スラリーコート法によりインターコネクターを成膜し、1400℃で焼結させた。焼結後の厚みは40μmであった。
(11) Fabrication of interconnectors:
The interconnector was lanthanum chromite in which Ca represented by La 0.80 Ca 0.20 CrO 3 was dissolved. After production by the spray pyrolysis method, heat treatment was performed to obtain a raw material powder. The average particle diameter of the obtained powder was 1 μm. 40 parts by weight of the powder, 100 parts by weight of a solvent (ethanol), 2 parts by weight of a binder (ethyl cellulose), 1 part by weight of a dispersant (polyoxyethylene alkyl phosphate), and 1 part by weight of an antifoaming agent (sorbitan sesquiolate) After mixing, the slurry was sufficiently stirred to prepare a slurry. The slurry viscosity was 100 mPas. An interconnector was formed by a slurry coating method and sintered at 1400 ° C. The thickness after sintering was 40 μm.

(実施例2)
電解質膜において、第一の層の材料をScYSZとし、該組成は90mol%ZrO2-5mol%Sc2O3-5mol%Y2O3としたこと以外は実施例1と同様にした。
(Example 2)
In the electrolyte membrane, the material of the first layer was ScYSZ, and the composition was the same as that of Example 1 except that the composition was 90 mol% ZrO 2 -5 mol% Sc 2 O 3 -5 mol% Y 2 O 3 .

(実施例3)
電解質膜において、第一の層の材料をSSZ/YSZとし、該組成は90mol%ZrO2-10mol%Sc2O3/90mol%ZrO2-10mol%Y2O3=50/50とした。前記共沈法で作製した平均粒子径が0.5μmの90mol%ZrO2-10mol%Sc2O3粉末と、前記共沈法で作製した平均粒子径が0.5μmの90mol%ZrO2-10mol%Y2O3粉末を各20重量部ずつ加えスラリーを作製したこと以外は実施例1と同様にした。
(Example 3)
In the electrolyte membrane, the material of the first layer and SSZ / YSZ, the composition was 90mol% ZrO 2 -10mol% Sc 2 O 3 / 90mol% ZrO 2 -10mol% Y 2 O 3 = 50/50. 90 mol% ZrO 2 -10 mol% Sc 2 O 3 powder having an average particle diameter of 0.5 μm produced by the coprecipitation method, and 90 mol% ZrO 2 -10 mol% Y having an average particle diameter of 0.5 μm produced by the coprecipitation method Example 2 was repeated except that 20 parts by weight of 2 O 3 powder was added to prepare a slurry.

(実施例4)
第一の層の材料をSSZとし、該組成は89mol%ZrO2-10mol%Sc2O3-1mol%CeO2としたこと以外は、実施例1と同様にした。
(Example 4)
Example 1 was repeated except that the material of the first layer was SSZ and the composition was 89 mol% ZrO 2 -10 mol% Sc 2 O 3 -1 mol% CeO 2 .

(実施例5)
第一の層の材料をSSZとし、該組成は89mol%ZrO2-10mol%Sc2O3-0.5mol%Bi2O3-0.5mol%CeO2としたこと以外は、実施例1と同様にした。
(Example 5)
The same as Example 1 except that the material of the first layer was SSZ and the composition was 89 mol% ZrO 2 -10 mol% Sc 2 O 3 -0.5 mol% Bi 2 O 3 -0.5 mol% CeO 2 did.

(実施例6)
第一の層の材料を(CeO2)0.8(Gd2O3)0.1とし、CeO2 とGd2O3を上記共沈法で作製し、平均粒子径を0.5μmにしたこと以外は、実施例1と同様にした。
(Example 6)
Except that the material of the first layer was (CeO 2 ) 0.8 (Gd 2 O 3 ) 0.1 , CeO 2 and Gd 2 O 3 were produced by the above-mentioned coprecipitation method, and the average particle diameter was 0.5 μm, As in Example 1.

(実施例7)
第一の層の材料を(CeO2)0.8(Gd2O3)0.1とし、第二の層の材料をScYSZとし、該組成は90mol%ZrO2-5mol%Sc2O3-5mol%Y2O3としたこと以外は、実施例1と同様にした。
(Example 7)
The material of the first layer is (CeO 2 ) 0.8 (Gd 2 O 3 ) 0.1 , the material of the second layer is ScYSZ, and the composition is 90 mol% ZrO 2 -5 mol% Sc 2 O 3 -5 mol% Y 2 except that the O 3 were the same as in example 1.

(実施例8)
第三の層の材料をScYSZとし、該組成は90mol%ZrO2-5mol%Sc2O3-5mol%Y2O3としたこと以外は実施例1と同様にした。
(Example 8)
Example 3 was the same as Example 1 except that the material of the third layer was ScYSZ, and the composition was 90 mol% ZrO 2 -5 mol% Sc 2 O 3 -5 mol% Y 2 O 3 .

(実施例9)
第一の層と第三の層の材料をScYSZとし、該組成は90mol%ZrO2-5mol%Sc2O3-5mol%Y2O3としたこと以外は実施例1と同様にした。
(Example 9)
Example 1 was repeated except that the material of the first and third layers was ScYSZ and the composition was 90 mol% ZrO 2 -5 mol% Sc 2 O 3 -5 mol% Y 2 O 3 .

(実施例10)
第一の層の材料を(CeO2)0.8(Gd2O3)0.1とし、第三の層の材料をScYSZとし、該組成は90mol%ZrO2-5mol%Sc2O3-5mol%Y2O3としたこと以外は、実施例1と同様にした。
(Example 10)
The material of the first layer is (CeO 2 ) 0.8 (Gd 2 O 3 ) 0.1 , the material of the third layer is ScYSZ, and the composition is 90 mol% ZrO 2 -5 mol% Sc 2 O 3 -5 mol% Y 2 except that the O 3 were the same as in example 1.

(実施例11)
第一の層と第三の層の材料をScYSZとし、該組成は90mol%ZrO2-8mol%Sc2O3-2mol%Y2O3とし、第二の層の材料をScYSZとし、該組成を90mol%ZrO2-5mol%Sc2O3-5mol%Y2O3としたこと以外は実施例1と同様にした。
(Example 11)
The material of the first layer and the third layer is ScYSZ, the composition is 90 mol% ZrO 2 -8 mol% Sc 2 O 3 -2 mol% Y 2 O 3, and the material of the second layer is ScYSZ. Was changed to 90 mol% ZrO 2 -5 mol% Sc 2 O 3 -5 mol% Y 2 O 3 in the same manner as in Example 1.

(比較例1)
電解質膜を90mol%ZrO2-10mol%Y2O3のみの構成とし、膜厚を30μmにしたこと以外は実施例1と同様にした。
(Comparative Example 1)
The electrolyte membrane was the same as in Example 1 except that the electrolyte membrane was composed of only 90 mol% ZrO 2 -10 mol% Y 2 O 3 and the film thickness was 30 μm.

(発電試験)
実施例1〜11および比較例1で得られた電池(燃料極有効面積:150cm2)を用いて発電試験を行った。このときの運転条件は以下のとおりであった。
燃料:(H2+11%H2O):N2 = 1:2
酸化剤:Air
発電温度:800℃
電流密度:0.3Acm-2
(Power generation test)
A power generation test was performed using the cells (effective area of fuel electrode: 150 cm 2 ) obtained in Examples 1 to 11 and Comparative Example 1. The operating conditions at this time were as follows.
Fuel: (H 2 + 11% H 2 O): N 2 = 1: 2
Oxidizing agent: Air
Power generation temperature: 800 ° C
Current density: 0.3Acm -2

(ガス漏れ試験)
実施例1〜11および比較例1で得られた電池に対し空気極支持体内部に窒素ガスを流し、空気極内部から0.1MPaの圧力を加え、電解質膜を透過するガス透過量を測定した。これにより電解質膜がガス透過性の無い膜であるかを評価した。
(Gas leak test)
For the batteries obtained in Examples 1 to 11 and Comparative Example 1, nitrogen gas was flown into the inside of the air electrode support, a pressure of 0.1 MPa was applied from the inside of the air electrode, and the amount of gas permeated through the electrolyte membrane was measured. Thereby, it was evaluated whether the electrolyte membrane was a membrane having no gas permeability.

Figure 2004303712
Figure 2004303712

表3に、発電試験における電位と電解質膜のガス透過量の結果を示す。実施例1〜11および比較例1においては電解質膜としてより好ましいガス透過量Q≦2.8×10-10ms-1Pa-1の範囲内であり、電解質膜のガス透過性として問題ないことが確認された。また、発電電位については、実施例1〜11では0.6V以上であるが、比較例1においては0.57Vと明らかに低い結果となった。以上の結果から、電解質膜における第一の層と第二の層と第三の層を、SSZとYSZとSSZ, SSZ/YSZとYSZとSSZ, (CeO2)0.8(Gd2O3)0.1とScYSZとSSZ, およびScYSZとYSZとScYSZなどの構成にすることによって出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供できることを確認することができた。 Table 3 shows the results of the potential and the gas permeation amount of the electrolyte membrane in the power generation test. In Examples 1 to 11 and Comparative Example 1, the gas permeation amount Q ≦ 2.8 × 10 −10 ms −1 Pa −1 , which is more preferable as the electrolyte membrane, is in the range, and it is confirmed that there is no problem in gas permeability of the electrolyte membrane. Was done. In addition, the generated potential was 0.6 V or more in Examples 1 to 11, but in Comparative Example 1, the result was clearly low at 0.57 V. From the above results, the first layer, the second layer and the third layer in the electrolyte membrane, SSZ and YSZ and SSZ, SSZ / YSZ and YSZ and SSZ, (CeO 2 ) 0.8 (Gd 2 O 3 ) 0.1 It was confirmed that a solid oxide fuel cell having excellent output performance could be provided by using a configuration such as ScYSZ and SSZ, and ScYSZ and YSZ and ScYSZ.

実施例4 、実施例5および表1で示すようにSSZにさらにCeO2, Sm2O3,Gd2O3,Yb2O3, Er2O3およびBi2O3から選ばれる少なくとも一種の酸化物が5mol%以下固溶されたものを用いると発電性能の向上または電解質膜のガス透過量の低減をもたらし、より好ましいことが確認された。 Example 4, of at least one selected from Examples 5 and further CeO 2 to the SSZ as shown in Table 1, Sm 2 O 3, Gd 2 O 3, Yb 2 O 3, Er 2 O 3 and Bi 2 O 3 It was confirmed that the use of an oxide in which the oxide was dissolved in an amount of 5 mol% or less improved the power generation performance or reduced the gas permeation amount of the electrolyte membrane, and was more preferable.

(実施例12)
電解質膜における第三の層の材料をセリウム含有酸化物とし、該組成を(CeO2)0.8(Sm2O3)0.1とした。(CeO2)0.8(Sm2O3)0.1は、上記共沈法で作製し平均粒子径を0.5μmとした。実施例1と同様の第一の層と第二の層の上に成膜後、1420℃で焼結させた。続いて、燃料側電極反応層および燃料極の材料は、NiO/セリウム含有酸化物として、該組成をNiO/(CeO2)0.8(Sm2O3)0.1とした。Ni,CeおよびSm各々の硝酸塩水溶液を用いて、前記組成になるように調合した後、シュウ酸を加え沈殿させた。該沈殿物と上澄み液を乾燥した後、さらに熱処理を施し、粒径を制御して原料を得た。燃料側電極反応層の組成およびその重量比率はNiO/(CeO2)0.8(Sm2O3)0.1=20/80と50/50の2種類を作製し、平均粒子径はいずれも0.5μmとした。燃料極の組成およびその重量比率はNiO/(CeO2)0.8(Sm2O3)0.1=70/30とした。これら以外は実施例1と同様にした。
(Example 12)
The material of the third layer in the electrolyte membrane was a cerium-containing oxide, and the composition was (CeO 2 ) 0.8 (Sm 2 O 3 ) 0.1 . (CeO 2 ) 0.8 (Sm 2 O 3 ) 0.1 was prepared by the above-mentioned coprecipitation method and the average particle diameter was 0.5 μm. After forming a film on the first layer and the second layer as in Example 1, sintering was performed at 1420 ° C. Subsequently, the material of the fuel-side electrode reaction layer and the fuel electrode was NiO / cerium-containing oxide, and the composition was NiO / (CeO 2 ) 0.8 (Sm 2 O 3 ) 0.1 . Ni, Ce and Sm were each prepared using the respective nitrate aqueous solutions so as to have the above-mentioned composition, and then oxalic acid was added for precipitation. After drying the precipitate and the supernatant, it was further subjected to a heat treatment to control the particle size to obtain a raw material. The composition of the fuel-side electrode reaction layer and its weight ratio were NiO / (CeO 2 ) 0.8 (Sm 2 O 3 ) 0.1 = 20/80 and 50/50, and the average particle diameter was 0.5 μm for both. did. The composition of the fuel electrode and its weight ratio were NiO / (CeO 2 ) 0.8 (Sm 2 O 3 ) 0.1 = 70/30. Except for these, the procedure was the same as in Example 1.

(実施例13)
電解質膜における第一の層をセリウム含有酸化物として、該組成を(CeO2)0.8(Gd2O3)0.1としたこと以外は実施例12と同様にした。
(Example 13)
Example 12 was the same as Example 12 except that the first layer in the electrolyte membrane was a cerium-containing oxide and the composition was (CeO 2 ) 0.8 (Gd 2 O 3 ) 0.1 .

(実施例14)
電解質膜における第一の層をセリウム含有酸化物として、該組成を(CeO2)0.8(Gd2O3)0.1とし、第二の層をScYSZとし、該組成を90mol%ZrO2-5mol%Sc2O3-5mol%Y2O3としたこと以外は実施例12と同様にした。
(Example 14)
The first layer in the electrolyte membrane is a cerium-containing oxide, the composition is (CeO 2 ) 0.8 (Gd 2 O 3 ) 0.1 , the second layer is ScYSZ, and the composition is 90 mol% ZrO 2 -5 mol% Sc Same as Example 12 except that 2 O 3 -5 mol% Y 2 O 3 was used.

(実施例15)
電解質膜における第一の層をScYSZとし、該組成を90mol%ZrO2-5mol%Sc2O3-5mol%Y2O3としたこと以外は実施例12と同様にした。
(Example 15)
Example 12 was repeated except that the first layer in the electrolyte membrane was ScYSZ and the composition was 90 mol% ZrO 2 -5 mol% Sc 2 O 3 -5 mol% Y 2 O 3 .

(比較例2)
電解質膜を(CeO2)0.8(Sm2O3)0.1のみの構成とし、膜厚を30μmとし、焼結温度を1430℃にしたこと以外は実施例12と同様にした。
(Comparative Example 2)
Example 12 was the same as Example 12 except that the electrolyte membrane was composed only of (CeO 2 ) 0.8 (Sm 2 O 3 ) 0.1 , the film thickness was 30 μm, and the sintering temperature was 1430 ° C.

(発電試験)
実施例12〜15および比較例1,2で得られた電池(燃料極有効面積:150cm2)を用いて発電試験を行った。このときの運転条件は以下のとおりであった。
燃料:(H2+11%H2O):N2 = 1:2
酸化剤:Air
発電温度:800℃
電流密度:0.3Acm-2
(Power generation test)
A power generation test was performed using the batteries (effective fuel electrode area: 150 cm 2 ) obtained in Examples 12 to 15 and Comparative Examples 1 and 2 . The operating conditions at this time were as follows.
Fuel: (H 2 + 11% H 2 O): N 2 = 1: 2
Oxidizing agent: Air
Power generation temperature: 800 ° C
Current density: 0.3Acm -2

(ガス漏れ試験)
実施例12〜15および比較例1,2で得られた電池に対し空気極支持体内部に窒素ガスを流し、空気極内部から0.1MPaの圧力を加え、電解質膜を透過するガス透過量を測定した。これにより電解質膜がガス透過性の無い膜であるかを評価した。
(Gas leak test)
For the batteries obtained in Examples 12 to 15 and Comparative Examples 1 and 2, nitrogen gas was allowed to flow inside the air electrode support, a pressure of 0.1 MPa was applied from the inside of the air electrode, and the amount of gas permeated through the electrolyte membrane was measured. did. Thereby, it was evaluated whether the electrolyte membrane was a membrane having no gas permeability.

Figure 2004303712
Figure 2004303712

表4に、発電試験における電位と電解質膜のガス透過量の結果を示す。実施例12,15、比較例1においては電解質膜としてより好ましいガス透過量Q≦2.8×10-10ms-1Pa-1の範囲内であり、実施例13,14,比較例2においては電解質膜として好ましいガス透過量Q≦2.8×10-9ms-1Pa-1の範囲内であり、いずれも電解質膜としてのガス透過性は問題ないことが確認された。一方、発電電位については実施例12〜15においては電位が0.6V以上であるのに対し、比較例1では0.57V,比較例2では0.1Vと極めて低い値となった。比較例2の電位が極めて低いのは(CeO2)0.8(Sm2O3)0.1のみではセリウム含有酸化物が酸化還元雰囲気に曝されることによって電子導電性を有し、起電力が大きく低下したためである。実施例12〜15で示されるように、電解質膜の第一の層と第二の層と第三の層を、SSZとYSZと(CeO2)0.8(Sm2O3)0.1、 (CeO2)0.8(Gd2O3)0.1とYSZと(CeO2)0.8(Sm2O3)0.1、 ScYSZとYSZと(CeO2)0.8(Sm2O3)0.1等の構成にすることで出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができることを確認することができた。 Table 4 shows the results of the potential and the gas permeation amount of the electrolyte membrane in the power generation test. In Examples 12, 15 and Comparative Example 1, the more preferable gas permeation amount as an electrolyte membrane was within the range of Q ≦ 2.8 × 10 −10 ms −1 Pa −1 , and in Examples 13 and 14, and The preferable gas permeation amount Q as a membrane was within the range of Q ≦ 2.8 × 10 −9 ms −1 Pa −1 , and it was confirmed that there was no problem in gas permeability as an electrolyte membrane in any case. On the other hand, the generated electric potential was extremely low at 0.57 V in Comparative Example 1 and 0.1 V in Comparative Example 2, while the electric potential was 0.6 V or more in Examples 12 to 15. The potential of Comparative Example 2 is extremely low when only (CeO 2 ) 0.8 (Sm 2 O 3 ) 0.1 has the cerium-containing oxide exposed to the oxidation-reduction atmosphere and has electronic conductivity, and the electromotive force is greatly reduced. That's because As shown in Examples 12 to 15, the first layer, the second layer, and the third layer of the electrolyte membrane were formed of SSZ, YSZ, (CeO 2 ) 0.8 (Sm 2 O 3 ) 0.1 , (CeO 2 ) 0.8 (Gd 2 O 3 ) 0.1 and YSZ and (CeO 2 ) 0.8 (Sm 2 O 3 ) 0.1 , ScYSZ and YSZ and (CeO 2 ) 0.8 (Sm 2 O 3 ) 0.1 It has been confirmed that a solid oxide fuel cell having excellent performance can be provided.

(実施例16)
第一の層の材料をランタンガレートし、該組成をLa0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3とした。La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3は、La2O3,SrCO3,Ga2O3,MgOを前記組成になるように配合し、ボールミルで混合後、1200℃で熱処理し、粉砕して平均粒子径を0.5μmとした。空気側電極反応層については、La0.75Sr0.25MnO3と90 mol%ZrO2-10mol%Sc2O3と(CeO2)0.8(Sm2O3)0.1の各々の粉末を混合後、熱処理を行い、粉砕し、粒径を制御した後原料粉末を得た。平均粒子径は2μmであった。該原料の仕込み組成は重量比でLa0.75Sr0.25MnO3/90 mol%ZrO2-10mol%Sc2O3 /(CeO2)0.8(Sm2O3)0.1=40/40/20であったこと以外は実施例1と同様にした。
(Example 16)
The material of the first layer was lanthanum gallated, and the composition was La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 . La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 is a mixture of La 2 O 3 , SrCO 3 , Ga 2 O 3 , MgO so as to have the above composition, mixed in a ball mill, heat treated at 1200 ° C., and pulverized. The average particle size was 0.5 μm. For the air-side electrode reaction layer, La 0.75 Sr 0.25 MnO 3 , 90 mol% ZrO 2 -10 mol% Sc 2 O 3 and (CeO 2 ) 0.8 (Sm 2 O 3 ) 0.1 Then, after pulverizing and controlling the particle size, a raw material powder was obtained. The average particle size was 2 μm. Mixing composition of the raw material was La 0.75 Sr 0.25 MnO 3/90 mol% ZrO 2 -10mol% Sc 2 O 3 / (CeO 2) 0.8 (Sm 2 O 3) 0.1 = 40/40/20 in weight ratio Except for this, the procedure was the same as in Example 1.

(実施例17)
第一の層の材料をランタンガレートし、該組成をLa0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3とした。第三の組成をScYSZとし、該組成を該組成を90mol%ZrO2-5mol%Sc2O3-5mol%Y2O3としたこと以外は実施例16と同様にした。
(Example 17)
The material of the first layer was lanthanum gallated, and the composition was La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 . Example 16 was repeated except that the third composition was ScYSZ and the composition was 90 mol% ZrO 2 -5 mol% Sc 2 O 3 -5 mol% Y 2 O 3 .

(実施例18)
第一の層の材料をランタンガレートし、該組成をLa0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3とした。空気側電極反応層については、La0.75Sr0.25MnO3と90 mol%ZrO2-10mol%Sc2O3と(CeO2)0.8(Sm2O3)0.1の各々の粉末を混合後、熱処理を行い、粉砕し、粒径を制御した後原料粉末を得た。平均粒子径は2μmであった。該原料の仕込み組成は重量比でLa0.75Sr0.25MnO3/90 mol%ZrO2-10mol%Sc2O3 /(CeO2)0.8(Sm2O3)0.1=40/40/20であった。第三の層の材料をセリウム含有酸化物とし、該組成を(CeO2)0.8(Sm2O3)0.1とした。(CeO2)0.8(Sm2O3)0.1の原料は、上記共沈法で作製し平均粒子径を0.5μmとした。燃料側電極反応層および燃料極の材料は、NiO/セリウム含有酸化物として、該組成をNiO/(CeO2)0.8(Sm2O3)0.1とした。Ni,CeおよびSm各々の硝酸塩水溶液を用いて、前記組成になるように調合した後、シュウ酸を加え沈殿させた。該沈殿物と上澄み液を乾燥した後、さらに熱処理を施し、粒径を制御して原料を得た。燃料側電極反応層の組成およびその重量比率はNiO/(CeO2)0.8(Sm2O3)0.1=20/80と50/50の2種類とし、原料粉末の平均粒子径はいずれも0.5μmとした。燃料極の組成およびその重量比率はNiO/(CeO2)0.8(Sm2O3)0.1=70/30とした。これら以外は実施例1と同様にした。
(Example 18)
The material of the first layer was lanthanum gallated, and the composition was La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 . For the air-side electrode reaction layer, La 0.75 Sr 0.25 MnO 3 , 90 mol% ZrO 2 -10 mol% Sc 2 O 3 and (CeO 2 ) 0.8 (Sm 2 O 3 ) 0.1 Then, after pulverizing and controlling the particle size, a raw material powder was obtained. The average particle size was 2 μm. Mixing composition of the raw material was La 0.75 Sr 0.25 MnO 3/90 mol% ZrO 2 -10mol% Sc 2 O 3 / (CeO 2) 0.8 (Sm 2 O 3) 0.1 = 40/40/20 in weight ratio . The material of the third layer was a cerium-containing oxide, and the composition was (CeO 2 ) 0.8 (Sm 2 O 3 ) 0.1 . A raw material of (CeO 2 ) 0.8 (Sm 2 O 3 ) 0.1 was prepared by the above-mentioned coprecipitation method and the average particle diameter was 0.5 μm. The material of the fuel-side electrode reaction layer and the fuel electrode was NiO / cerium-containing oxide, and the composition was NiO / (CeO 2 ) 0.8 (Sm 2 O 3 ) 0.1 . Ni, Ce and Sm were each prepared using the respective nitrate aqueous solutions so as to have the above-mentioned composition, and then oxalic acid was added for precipitation. After drying the precipitate and the supernatant, it was further subjected to a heat treatment to control the particle size to obtain a raw material. The composition of the fuel-side electrode reaction layer and its weight ratio are NiO / (CeO 2 ) 0.8 (Sm 2 O 3 ) 0.1 = 20/80 and 50/50, and the average particle size of the raw material powder is 0.5 μm And The composition of the fuel electrode and its weight ratio were NiO / (CeO 2 ) 0.8 (Sm 2 O 3 ) 0.1 = 70/30. Except for these, the procedure was the same as in Example 1.

(実施例19)
第三の層の材料をランタンガレートとし、該組成をLa0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.115Co0.085O3としたこと以外は実施例18と同様とした。
(Example 19)
Example 18 was the same as Example 18 except that the material of the third layer was lanthanum gallate and the composition was La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.115 Co 0.085 O 3 .

(実施例20)
第一の層の材料をセリウム含有酸化物とし、該組成を(CeO2)0.8(Gd2O3)0.1とした。さらに、第三の層の材料をランタンガレートとし、該組成をLa0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3としたこと以外は実施例18と同様とした。
(Example 20)
The material of the first layer was a cerium-containing oxide, and the composition was (CeO 2 ) 0.8 (Gd 2 O 3 ) 0.1 . Further, the same procedure as in Example 18 was performed, except that the material of the third layer was lanthanum gallate, and the composition was La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 .

(実施例21)
第一の層および第三の層の材料をランタンガレートとし、該組成をLa0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3としたこと以外は実施例18と同様とした。
(Example 21)
Example 18 was the same as Example 18 except that the material of the first layer and the third layer was lanthanum gallate, and the composition was La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 .

(実施例22)
第一の層の材料をScYSZとし、該組成を90mol%ZrO2-5mol%Sc2O3-5mol%Y2O3とした。さらに、第三の層の材料をランタンガレートとし、該組成をLa0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3としたこと以外は実施例18と同様とした。
(Example 22)
The material of the first layer was ScYSZ, and the composition was 90 mol% ZrO 2 -5 mol% Sc 2 O 3 -5 mol% Y 2 O 3 . Further, the same procedure as in Example 18 was performed, except that the material of the third layer was lanthanum gallate, and the composition was La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 .

(実施例23)
第一の層および第三の層の材料をランタンガレートとし、該組成をLa0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3とした。第二の層の材料をSSZとし、該組成は90mol%ZrO2-10mol%Sc2O3であること以外は、実施例18と同様とした。
(Example 23)
The material of the first layer and the third layer was lanthanum gallate, and the composition was La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 . The material of the second layer was SSZ, and the composition was the same as that of Example 18 except that the composition was 90 mol% ZrO 2 -10 mol% Sc 2 O 3 .

(実施例24)
第一の層の材料をセリウム含有酸化物とし、該組成を(CeO2)0.8(Gd2O3)0.1とした。第三の層の材料をランタンガレートとし、該組成をLa0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3とした。第二の層の材料をSSZとし、該組成を90mol%ZrO2-10mol%Sc2O3とした以外は、実施例18と同様とした。
(Example 24)
The material of the first layer was a cerium-containing oxide, and the composition was (CeO 2 ) 0.8 (Gd 2 O 3 ) 0.1 . The material of the third layer was lanthanum gallate, and the composition was La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 . Example 18 was the same as Example 18 except that the material of the second layer was SSZ and the composition was 90 mol% ZrO 2 -10 mol% Sc 2 O 3 .

(比較例3)
電解質膜をLa0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2のみの構成とし、膜厚を30μmにしたこと以外は実施例18と同様にした。
(Comparative Example 3)
Example 18 was the same as Example 18 except that the electrolyte membrane was composed of only La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 and the film thickness was 30 μm.

(発電試験)
実施例16〜24および比較例1〜3で得られた電池(燃料極有効面積:150cm2)を用いて発電試験を行った。このときの運転条件は以下のとおりであった。
燃料:(H2+11%H2O):N2 = 1:2
酸化剤:Air
発電温度:800℃
電流密度:0.3Acm-2
(Power generation test)
A power generation test was performed using the batteries (effective fuel electrode area: 150 cm 2 ) obtained in Examples 16 to 24 and Comparative Examples 1 to 3. The operating conditions at this time were as follows.
Fuel: (H 2 + 11% H 2 O): N 2 = 1: 2
Oxidizing agent: Air
Power generation temperature: 800 ° C
Current density: 0.3Acm -2

(ガス漏れ試験)
実施例16〜24および比較例1〜3で得られた電池に対し空気極支持体内部に窒素ガスを流し、空気極内部から0.1MPaの圧力を加え、電解質膜を透過するガス透過量を測定した。これにより電解質膜がガス透過性の無い膜であるかを評価した。
(Gas leak test)
Nitrogen gas was flown inside the air electrode support for the batteries obtained in Examples 16 to 24 and Comparative Examples 1 to 3, a pressure of 0.1 MPa was applied from the inside of the air electrode, and the amount of gas permeating the electrolyte membrane was measured. did. Thereby, it was evaluated whether the electrolyte membrane was a membrane having no gas permeability.

Figure 2004303712
Figure 2004303712

表5に、発電試験における電位と電解質膜のガス透過量の結果を示す。実施例16〜24,比較例1,3においては電解質膜としてより好ましいガス透過量Q≦2.8×10-10ms-1Pa-1の範囲内であり、比較例2においては電解質膜として好ましいガス透過量Q≦2.8×10-9ms-1Pa-1の範囲内であり、いずれも電解質膜としてのガス透過性は問題ないことが確認された。一方、発電電位については実施例16〜24においては電位が0.6Vを超えているのに対し、比較例1では0.57V、比較例2では0.1V、比較例3では0.3Vと極めて低い値となった。これは、(CeO2)0.8(Sm2O3)0.1のみではセリウム含有酸化物が酸化還元雰囲気に曝されることによって電子導電性を有し、起電力が大きく低下したためであり、また、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3のみでは空気側電極反応層および空気極からのMnがLa0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3に入りこみ電子導電性を有し起電力が低下したためである。これに対し、実施例16〜24で示されるように少なくともジルコニアを含む第二の電解質層を中間に設け、(CeO2)0.8(Sm2O3)0.1や La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3を空気極側および/または燃料極側に設けることによって、出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができることを確認することができた。 Table 5 shows the results of the potential and the gas permeation amount of the electrolyte membrane in the power generation test. In Examples 16 to 24 and Comparative Examples 1 and 3, the more preferable gas permeation amount for the electrolyte membrane was Q ≦ 2.8 × 10 −10 ms −1 Pa −1 , and in Comparative Example 2, a gas preferable as the electrolyte membrane was used. The permeation amount Q was within a range of 2.8 × 10 −9 ms −1 Pa −1 , and it was confirmed that there was no problem in gas permeability as an electrolyte membrane in any case. On the other hand, regarding the generated potential, the potential exceeds 0.6 V in Examples 16 to 24, whereas the comparative example 1 has an extremely low value of 0.57 V, the comparative example 2 has 0.1 V, and the comparative example 3 has 0.3 V. became. This is because, only (CeO 2 ) 0.8 (Sm 2 O 3 ) 0.1 , the cerium-containing oxide has electronic conductivity due to exposure to an oxidation-reduction atmosphere, and the electromotive force is greatly reduced. This is because, when only 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 is used, Mn from the air-side electrode reaction layer and the air electrode enters La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 and has electron conductivity, and the electromotive force is reduced. In contrast, as shown in Examples 16 to 24, a second electrolyte layer containing at least zirconia was provided in the middle, and (CeO 2 ) 0.8 (Sm 2 O 3 ) 0.1 or La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O It was confirmed that by providing 3 on the air electrode side and / or the fuel electrode side, it was possible to provide a solid oxide fuel cell having excellent output performance.

以上の実施例1〜24および比較例1〜3の結果から、電解質膜が少なくともジルコニアを含む材料からなる第二の層と、第二の層よりも酸素イオン導電性が高い材料からなる第一の層を空気極側に設け、第二の層よりも酸素イオン導電性が高い材料からなる第三の層を燃料極側に設けることによって、出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供することができることを確認することができた。 From the results of Examples 1 to 24 and Comparative Examples 1 to 3, the second layer in which the electrolyte membrane is made of a material containing at least zirconia, and the first layer made of a material having higher oxygen ion conductivity than the second layer Is provided on the air electrode side, and a third layer made of a material having higher oxygen ion conductivity than the second layer is provided on the fuel electrode side, thereby providing a solid oxide fuel cell having excellent output performance. I was able to confirm that I could do it.

(第二の層の電解質膜における厚みの比率について)
(実施例25)
第一の層の厚みを1μm、第二の層の厚みを28μm、第三の層の厚みを1μmとした以外は実施例1と同様にした。
(About the ratio of the thickness in the electrolyte membrane of the second layer)
(Example 25)
Example 1 was repeated except that the thickness of the first layer was 1 μm, the thickness of the second layer was 28 μm, and the thickness of the third layer was 1 μm.

(実施例26)
第一の層の厚みを1.5μm、第二の層の厚みを27μm、第三の層の厚みを1.5μmとした以外は実施例1と同様にした。
(Example 26)
Example 1 was repeated except that the thickness of the first layer was 1.5 μm, the thickness of the second layer was 27 μm, and the thickness of the third layer was 1.5 μm.

(実施例27)
第一の層の厚みを3μm、第二の層の厚みを24μm、第三の層の厚みを3μmとした以外は実施例1と同様にした。
(Example 27)
Example 1 was repeated except that the thickness of the first layer was 3 μm, the thickness of the second layer was 24 μm, and the thickness of the third layer was 3 μm.

(実施例28)
第一の層の厚みを4.5μm、第二の層の厚みを21μm、第三の層の厚みを4.5μmとした以外は実施例1と同様にした。
(Example 28)
Example 1 was repeated except that the thickness of the first layer was 4.5 μm, the thickness of the second layer was 21 μm, and the thickness of the third layer was 4.5 μm.

(実施例29)
第一の層の厚みを7.5μm、第二の層の厚みを15μm、第三の層の厚みを7.5μmとした以外は実施例1と同様にした。
(Example 29)
Example 1 was repeated except that the thickness of the first layer was 7.5 μm, the thickness of the second layer was 15 μm, and the thickness of the third layer was 7.5 μm.

(実施例30)
第一の層の厚みを10.5μm、第二の層の厚みを9μm、第三の層の厚みを10.5μmとした以外は実施例1と同様にした。
(Example 30)
Example 1 was repeated except that the thickness of the first layer was 10.5 μm, the thickness of the second layer was 9 μm, and the thickness of the third layer was 10.5 μm.

(実施例31)
第一の層の厚みを12μm、第二の層の厚みを6μm、第三の層の厚みを12μmとしたこと以外は実施例1と同様にした。
(Example 31)
Example 1 was repeated except that the thickness of the first layer was 12 μm, the thickness of the second layer was 6 μm, and the thickness of the third layer was 12 μm.

(実施例32)
第一の層の厚みを13.5μm、第二の層の厚みを3μm、第三の層の厚みを13.5μmとした以外は実施例1と同様にした。
(Example 32)
Example 1 was repeated except that the thickness of the first layer was 13.5 μm, the thickness of the second layer was 3 μm, and the thickness of the third layer was 13.5 μm.

(実施例33)
第一の層の厚みを14μm、第二の層の厚みを2μm、第三の層の厚みを14μmとした以外は実施例1と同様にした。
(Example 33)
Example 1 was repeated except that the thickness of the first layer was 14 μm, the thickness of the second layer was 2 μm, and the thickness of the third layer was 14 μm.

(比較例4)
電解質膜を90mol%ZrO2-10mol%Sc2O3のみの構成とし、膜厚を30μmにし、1420℃で焼結させたこと以外は実施例1と同様にした。
(Comparative Example 4)
The procedure was the same as that of Example 1 except that the electrolyte membrane was composed only of 90 mol% ZrO 2 -10 mol% Sc 2 O 3 , the film thickness was 30 μm, and sintering was performed at 1420 ° C.

(発電試験)
実施例1、25〜33および比較例1、4で得られた電池(燃料極有効面積:150cm2)を用いて発電試験を行った。このときの運転条件は以下のとおりであった。
燃料:(H2+11%H2O):N2 = 1:2
酸化剤:Air
発電温度:800℃
電流密度:0.3Acm-2
(Power generation test)
A power generation test was performed using the cells (effective fuel electrode area: 150 cm 2 ) obtained in Examples 1, 25 to 33 and Comparative Examples 1 and 4. The operating conditions at this time were as follows.
Fuel: (H 2 + 11% H 2 O): N 2 = 1: 2
Oxidizing agent: Air
Power generation temperature: 800 ° C
Current density: 0.3Acm -2

(ガス漏れ試験)
実施例1、25〜33および比較例1、4で得られた電池に対し空気極支持体内部に窒素ガスを流し、空気極内部から0.1MPaの圧力を加え、電解質膜を透過するガス透過量を測定した。これにより電解質膜がガス透過性の無い膜であるかを評価した。
(Gas leak test)
Nitrogen gas was flown into the air electrode support for the batteries obtained in Examples 1 and 25 to 33 and Comparative Examples 1 and 4, and a pressure of 0.1 MPa was applied from the inside of the air electrode to allow gas permeation through the electrolyte membrane. Was measured. Thereby, it was evaluated whether the electrolyte membrane was a membrane having no gas permeability.

Figure 2004303712
Figure 2004303712

表6に第二の層の厚みを変えた電池の発電電位および電解質膜のガス透過量の結果を示す。発電電位についてはいずれも比較例1より電位が高く、空気極側に第一の層を、燃料極側に第三の層を設けることで出力性能が向上することが確認された。発電電位を見ていくと実施例25では比較例1とほとんど変わらないが実施例26の第二の層の厚みを90%以下にすると急激に電位が高くなり、厚みの割合を30%まで減らすところまでは電位が高くなる傾向が見られた。さらに、厚みの割合を30%以下にすると逆に電位が低下する傾向が見られた。一方、ガス透過量を見ていくといずれも電解質膜として好ましいガス透過量Q≦2.8×10-9ms-1Pa-1の範囲内ではあるものの第二の層が薄くなるほどガス透過量が大きくなる傾向が見られ、第二の層の厚みを10%より薄くすると、ガス透過量が急激に大きくなる傾向が見られた。以上の結果から、第二の層が90%より厚いと電位向上の効果が小さく、10%より薄くすると、ガス透過量が大きく電位が低下することから、第二の層の厚みとしては10〜90%の範囲が好ましいことが確認された。さらに、発電電位の結果とガス透過量の結果から20〜70%がより好ましいことが確認された。 Table 6 shows the results of the power generation potential and the gas permeation amount of the electrolyte membrane of the battery in which the thickness of the second layer was changed. The generated potential was higher than that of Comparative Example 1, and it was confirmed that the output performance was improved by providing the first layer on the air electrode side and the third layer on the fuel electrode side. Looking at the generated potential, Example 25 is almost the same as Comparative Example 1, but when the thickness of the second layer in Example 26 is reduced to 90% or less, the potential rapidly increases, and the ratio of the thickness is reduced to 30%. Up to this point, the potential tended to increase. Further, when the thickness ratio was set to 30% or less, the electric potential tended to decrease. On the other hand, when looking at the gas permeation amount, the gas permeation amount becomes larger as the thickness of the second layer becomes thinner, although the gas permeation amount is preferably within the range of Q ≦ 2.8 × 10 −9 ms −1 Pa −1 as an electrolyte membrane. When the thickness of the second layer was smaller than 10%, the gas permeation amount tended to increase sharply. From the above results, when the second layer is thicker than 90%, the effect of improving the potential is small. When the thickness is smaller than 10%, the gas permeation amount is large and the potential is reduced. It has been confirmed that a range of 90% is preferable. Furthermore, it was confirmed from the results of the electric power generation potential and the result of the gas permeation amount that 20 to 70% was more preferable.

(焼結温度の効果について)
(実施例34)
電解質膜の焼結温度を1340℃にした以外は実施例1と同様とした。
(Effect of sintering temperature)
(Example 34)
It was the same as Example 1 except that the sintering temperature of the electrolyte membrane was 1340 ° C.

(実施例35)
電解質膜の焼結温度を1350℃にした以外は実施例1と同様とした。
(Example 35)
It was the same as Example 1 except that the sintering temperature of the electrolyte membrane was 1350 ° C.

(実施例36)
電解質膜の焼結温度を1450℃にした以外は実施例1と同様とした。
(Example 36)
It was the same as Example 1 except that the sintering temperature of the electrolyte membrane was 1450 ° C.

(実施例37)
電解質膜の焼結温度を1500℃にした以外は実施例1と同様とした。
(Example 37)
Example 1 was the same as Example 1 except that the sintering temperature of the electrolyte membrane was 1500 ° C.

(実施例38)
電解質膜の焼結温度を1510℃にした以外は実施例1と同様とした。
(Example 38)
Example 1 was repeated except that the sintering temperature of the electrolyte membrane was changed to 1510 ° C.

(発電試験)
実施例1、34〜38および比較例1で得られた電池(燃料極有効面積:150cm2)を用いて発電試験を行った。このときの運転条件は以下のとおりであった。
燃料:(H2+11%H2O):N2 = 1:2
酸化剤:Air
発電温度:800℃
電流密度:0.3Acm-2
(Power generation test)
A power generation test was performed using the batteries (effective area of fuel electrode: 150 cm 2 ) obtained in Examples 1, 34 to 38 and Comparative Example 1. The operating conditions at this time were as follows.
Fuel: (H 2 + 11% H 2 O): N 2 = 1: 2
Oxidizing agent: Air
Power generation temperature: 800 ° C
Current density: 0.3Acm -2

(ガス漏れ試験)
実施例1、34〜38および比較例1で得られた電池に対し空気極支持体内部に窒素ガスを流し、空気極内部から0.1MPaの圧力を加え、電解質膜を透過するガス透過量を測定した。これにより電解質膜がガス透過性の無い膜であるかを評価した。
(Gas leak test)
Nitrogen gas was flown inside the air electrode support for the batteries obtained in Examples 1, 34 to 38 and Comparative Example 1, a pressure of 0.1 MPa was applied from the inside of the air electrode, and the amount of gas permeated through the electrolyte membrane was measured. did. Thereby, it was evaluated whether the electrolyte membrane was a membrane having no gas permeability.

Figure 2004303712
Figure 2004303712

表7に電解質膜の焼結温度に対する発電電位およびガス透過量の結果を示す。発電電位については1340℃および1510℃は比較例1より電位が高いがほとんど差がないことがわかる。また、ガス透過量についてはいずれも電解質膜として好ましいガス透過量Q≦2.8×10-9ms-1Pa-1の範囲内となっている。以上の結果から電解質膜の焼結温度としては、1350〜1500℃の範囲が好ましいことが確認された。 Table 7 shows the results of the power generation potential and the gas permeation amount with respect to the sintering temperature of the electrolyte membrane. It can be seen that the generated potentials at 1340 ° C. and 1510 ° C. are higher than those in Comparative Example 1, but there is almost no difference. In addition, the gas permeation amount is in the range of gas permeation amount Q ≦ 2.8 × 10 −9 ms −1 Pa −1 which is preferable as an electrolyte membrane. From the above results, it was confirmed that the sintering temperature of the electrolyte membrane was preferably in the range of 1350 to 1500 ° C.

なお、本実施例では空気極支持体上に成膜する例を示したが、燃料極支持体上に成膜する場合においても電解質膜を上記構成にすることで電解質膜と燃料極の間で起こる(2),(3)式の反応を効率良く進め、かつ空気極と電解質膜の間で起こる(1)式の反応を効率良く進めることができるという効果を同様の発電性能が得られると考えられる。   In the present embodiment, an example in which the film is formed on the air electrode support is shown. However, even when the film is formed on the fuel electrode support, the electrolyte film having the above-described configuration can be used between the electrolyte film and the fuel electrode. When the same power generation performance is obtained, it is possible to efficiently advance the reactions of equations (2) and (3) that occur and efficiently advance the reaction of equation (1) that occurs between the air electrode and the electrolyte membrane. Conceivable.

(発電試験)
実施例12,4,7〜9,11および比較例1で得られた電池(燃料極有効面積:150cm2)を用いて発電試験を行った。このときの運転条件は以下のとおりであった。
燃料:(H2+11%H2O):N2 = 1:2
酸化剤:Air
発電温度:700〜1000℃
電流密度:0.3Acm-2
(Power generation test)
A power generation test was performed using the cells (effective fuel electrode area: 150 cm 2 ) obtained in Examples 12, 4, 7 to 9, 11 and Comparative Example 1. The operating conditions at this time were as follows.
Fuel: (H 2 + 11% H 2 O): N 2 = 1: 2
Oxidizing agent: Air
Power generation temperature: 700-1000 ℃
Current density: 0.3Acm -2

図4に700〜1000℃における発電電位を示す。900〜1000℃においては比較例1と比較してほとんど差が認められないが、900℃以下になると比較例との電位差が大きくなり、700℃においては0.2V程度の差がつくことが確認された。以上の結果から、実施例1,2,4,7〜9,11で代表される電解質膜構成にすることによって700℃〜1000℃の範囲で出力性能に優れる固体酸化物形燃料電池を提供できることを確認することができた。
FIG. 4 shows the generated potential at 700 to 1000 ° C. At 900 to 1000 ° C., almost no difference is observed as compared with Comparative Example 1.However, when the temperature is 900 ° C. or less, the potential difference with the comparative example increases, and at 700 ° C., a difference of about 0.2 V is confirmed. Was. From the above results, it is possible to provide a solid oxide fuel cell having excellent output performance in the range of 700 ° C. to 1000 ° C. by using the electrolyte membrane configuration represented by Examples 1, 2, 4, 7 to 9, 11. Could be confirmed.

円筒タイプの固体酸化物形燃料電池の断面を示す図である。It is a figure which shows the cross section of a cylindrical type solid oxide fuel cell. 図1に示す固体酸化物形燃料電池の空気極、電解質膜および燃料極構成について詳細に示した断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing in detail an air electrode, an electrolyte membrane, and a fuel electrode configuration of the solid oxide fuel cell shown in FIG. 1. 図1に示す固体酸化物形燃料電池の空気極、電解質膜および燃料極構成について詳細に示した断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing in detail an air electrode, an electrolyte membrane, and a fuel electrode configuration of the solid oxide fuel cell shown in FIG. 1. 発電温度(横軸)と試験電池の発電電位(縦軸)の関係を示すグラフである。4 is a graph showing a relationship between a power generation temperature (horizontal axis) and a power generation potential (vertical axis) of a test battery.

符号の説明Explanation of reference numerals

1:空気極支持体
2:インターコネクター
3:電解質膜
4:燃料極
1a:電極反応層
3a:第一の層
3a':第三の層(第一の層と同一材料)
3b:第二の層
3c: 第三の層
4a:燃料極側電極反応層

1: Air electrode support
2: Interconnector
3: Electrolyte membrane
4: Fuel electrode
1a: Electrode reaction layer
3a: First layer
3a ': Third layer (same material as first layer)
3b: Second layer
3c: Third layer
4a: Fuel electrode side electrode reaction layer

Claims (36)

電解質膜の片面に空気極、その反対面に燃料極を配置した単電池と、電気的接続の役割を有するインターコネクターと、を備えた固体酸化物形燃料電池であって、前記電解質膜は、前記空気極側に酸素イオン導電率S1の材料からなる第一の層と、前記燃料極側に酸素イオン導電率S3の材料からなる第三の層と、前記第一の層と前記第三の層の間に酸素イオン導電率S2で、少なくともジルコニアを含む材料からなる第二の層が設けられ、前記酸素イオン導電率S1と前記酸素イオン導電率S2は、S1>S2の関係にあり、前記酸素イオン導電率S3と前記酸素イオン導電率S2は、S3>S2の関係にあることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 An air electrode on one side of the electrolyte membrane, a unit cell having a fuel electrode disposed on the opposite side thereof, and an interconnector having a role of electrical connection, a solid oxide fuel cell comprising: A first layer made of a material having an oxygen ion conductivity S1 on the air electrode side, a third layer made of a material having an oxygen ion conductivity S3 on the fuel electrode side, the first layer and the third layer; A second layer made of a material containing at least zirconia with an oxygen ion conductivity S2 is provided between the layers, and the oxygen ion conductivity S1 and the oxygen ion conductivity S2 have a relationship of S1> S2, A solid oxide fuel cell, wherein the oxygen ion conductivity S3 and the oxygen ion conductivity S2 have a relationship of S3> S2. 前記電解質膜における酸素イオン導電率S1の材料からなる第一の層と酸素イオン導電率S3の材料からなる第三の層は、同一組成である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 solid oxide according to claim 1, wherein a first layer made of a material having an oxygen ion conductivity S1 and a third layer made of a material having an oxygen ion conductivity S3 in the electrolyte membrane have the same composition. Physical fuel cell. 前記第二の層の厚みは、電解質膜トータルの厚みに対して10〜90%であることを特徴とする請求項1または2に記載の固体酸化物形燃料電池。 3. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the thickness of the second layer is 10 to 90% of the total thickness of the electrolyte membrane. 4. 前記第二の層の厚みは、電解質膜トータルの厚みに対して20〜70%であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 4. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein a thickness of the second layer is 20% to 70% of a total thickness of the electrolyte membrane. 5. 前記第二の層は、イットリアを固溶させたジルコニア材料であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the second layer is a zirconia material in which yttria is dissolved. 前記第二の層は、少なくともスカンジアとイットリアを固溶させたジルコニア材料であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the second layer is a zirconia material in which at least scandia and yttria are dissolved. 前記第一の層および前記第三の層は、スカンジアを固溶させたジルコニア材料であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the first layer and the third layer are a zirconia material in which scandia is dissolved. 前記第一の層は一般式(CeO2)1-2X(B2O3)X (但し、BはSm,Gd,Yのいずれか一種、0.05≦X≦0.15)で表されるセリウム含有酸化物であり、前記第三の層はスカンジアを固溶させたジルコニア材料であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The first layer is a cerium-containing oxide represented by a general formula (CeO 2 ) 1-2X (B 2 O 3 ) X (where B is any one of Sm, Gd, and Y, 0.05 ≦ X ≦ 0.15). The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the third layer is a zirconia material in which scandia is dissolved. 前記第一の層は一般式La1-aAaGa1-bBbO3またはLa1-aAaGa1-b-cBbCcO3(但し、AはSr,Ca,Baの1種または2種以上、BはMg,Al,Inの1種または2種以上、CはCo,Fe,Ni,Crの1種または2種以上)で表されるランタンガレートであり、前記第三の層はスカンジアを固溶させたジルコニア材料であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The first layer has the general formula La 1-a A a Ga 1-b B b O 3 or La 1-a A a Ga 1-bc B b C c O 3 (where A is Sr, Ca, Ba One or more, B is one or more of Mg, Al, In, C is one or more of Co, Fe, Ni, Cr) lanthanum gallate represented by The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the third layer is a zirconia material in which scandia is dissolved. 前記第一の層は、少なくともスカンジアとイットリアを固溶させたジルコニア材料であり、前記第三の層は、スカンジアを固溶させたジルコニア材料であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The method according to claim 1, wherein the first layer is a zirconia material in which at least scandia and yttria are dissolved, and the third layer is a zirconia material in which scandia is dissolved. The solid oxide fuel cell according to claim 1. 前記第一の層は、スカンジアを固溶させたジルコニア材料であり、前記第三の層は、一般式(CeO2)1-2X(B2O3)X (但し、BはSm,Gd,Yのいずれか一種、0.05≦X≦0.15)で表されるセリウム含有酸化物であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The first layer is a zirconia material in which scandia is dissolved, and the third layer is a general formula (CeO 2 ) 1-2X (B 2 O 3 ) X (where B is Sm, Gd, The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the cerium-containing oxide is any one of Y and 0.05 ≦ X ≦ 0.15). 前記第一の層および第三の層は、一般式(CeO2)1-2X(B2O3)X (但し、BはSm,Gd,Yのいずれか一種、0.05≦X≦0.15)で表されるセリウム含有酸化物であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The first layer and the third layer are represented by the general formula (CeO 2 ) 1-2X (B 2 O 3 ) X (where B is any one of Sm, Gd and Y, 0.05 ≦ X ≦ 0.15) The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6, which is a cerium-containing oxide represented. 前記第一の層は、一般式La1-aAaGa1-bBbO3またはLa1-aAaGa1-b-cBbCcO3(但し、AはSr,Ca,Baの1種または2種以上、BはMg,Al,Inの1種または2種以上、CはCo,Fe,Ni,Crの1種または2種以上)で表されるランタンガレートであり、前記第三の層は、一般式(CeO2)1-2X(B2O3)X (但し、BはSm,Gd,Yのいずれか一種、0.05≦X≦0.15)で表されるセリウム含有酸化物であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The first layer has a general formula of La 1-a A a Ga 1-b B b O 3 or La 1-a A a Ga 1-bc B b C c O 3 (where A is Sr, Ca, Ba One or more, B is Mg, Al, one or more of In, C is Co, Fe, Ni, one or more of Cr) is a lanthanum gallate represented by The third layer is a cerium-containing oxide represented by the general formula (CeO 2 ) 1-2X (B 2 O 3 ) X (where B is one of Sm, Gd, and Y, 0.05 ≦ X ≦ 0.15) The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6, which is a product. 前記第一の層は、少なくともスカンジアとイットリアを固溶させたジルコニア材料であり、前記第三の層は、一般式(CeO2)1-2X(B2O3)X (但し、BはSm,Gd,Yのいずれか一種、0.05≦X≦0.15)で表されるセリウム含有酸化物であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The first layer is a zirconia material in which at least scandia and yttria are dissolved, and the third layer has a general formula (CeO 2 ) 1-2X (B 2 O 3 ) X (where B is Sm , Gd, Y, a cerium-containing oxide represented by the formula: 0.05 ≦ X ≦ 0.15), the solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein 前記第一の層は、スカンジアを固溶させたジルコニア材料であり、前記第三の層は、一般式La1-aAaGa1-bBbO3またはLa1-aAaGa1-b-cBbCcO3(但し、AはSr,Ca,Baの1種または2種以上、BはMg,Al,Inの1種または2種以上、CはCo,Fe,Ni,Crの1種または2種以上)で表されるランタンガレートであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The first layer is a zirconia material in which scandia is dissolved, and the third layer has a general formula of La 1-a A a Ga 1-b B b O 3 or La 1-a A a Ga 1 -bc B b C c O 3 (where A is one or more of Sr, Ca, Ba, B is one or more of Mg, Al, In, C is Co, Fe, Ni, Cr The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6, which is a lanthanum gallate represented by one or more of the following: 前記第一の層は、一般式(CeO2)1-2X(B2O3)X (但し、BはSm,Gd,Yのいずれか一種、0.05≦X≦0.15)で表されるセリウム含有酸化物であり、前記第三の層は、一般式La1-aAaGa1-bBbO3またはLa1-aAaGa1-b-cBbCcO3(但し、AはSr,Ca,Baの1種または2種以上、BはMg,Al,Inの1種または2種以上、CはCo,Fe,Ni,Crの1種または2種以上)で表されるランタンガレートであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The first layer has a cerium content represented by the general formula (CeO 2 ) 1-2X (B 2 O 3 ) X (where B is any one of Sm, Gd, and Y, 0.05 ≦ X ≦ 0.15). An oxide, and the third layer has a general formula of La 1-a A a Ga 1-b B b O 3 or La 1-a A a Ga 1-bc B b C c O 3 (where A is Lanthanum represented by one or more of Sr, Ca, Ba, B is one or more of Mg, Al, In, and C is one or more of Co, Fe, Ni, Cr) The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the fuel cell is gallate. 前記第一の層および第三の層は、一般式La1-aAaGa1-bBbO3またはLa1-aAaGa1-b-cBbCcO3(但し、AはSr,Ca,Baの1種または2種以上、BはMg,Al,Inの1種または2種以上、CはCo,Fe,Ni,Crの1種または2種以上)で表されるランタンガレートであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The first layer and the third layer are represented by the general formula La 1-a A a Ga 1-b B b O 3 or La 1-a A a Ga 1-bc B b C c O 3 (where A is Lanthanum represented by one or more of Sr, Ca, Ba, B is one or more of Mg, Al, In, and C is one or more of Co, Fe, Ni, Cr) The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the fuel cell is gallate. 前記第一の層は、少なくともスカンジアとイットリアを固溶させたジルコニア材料であり、前記第三の層は、一般式La1-aAaGa1-bBbO3またはLa1-aAaGa1-b-cBbCcO3(但し、AはSr,Ca,Baの1種または2種以上、BはMg,Al,Inの1種または2種以上、CはCo,Fe,Ni,Crの1種または2種以上)で表されるランタンガレートであることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The first layer is a zirconia material in which at least scandia and yttria are dissolved, and the third layer has a general formula of La 1-a A a Ga 1-b B b O 3 or La 1-a A a Ga 1-bc B b C c O 3 (however, A is one or more of Sr, Ca, Ba, B is one or more of Mg, Al, In, C is Co, Fe, The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the fuel cell is lanthanum gallate represented by one or more of Ni and Cr). 前記第一の層は、スカンジアを固溶させたジルコニア材料であり、前記第三の層は、少なくともスカンジアとイットリアを固溶させたジルコニア材料であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The method according to claim 1, wherein the first layer is a zirconia material in which scandia is dissolved, and the third layer is a zirconia material in which at least scandia and yttria are dissolved. The solid oxide fuel cell according to claim 1. 前記第一の層は、一般式(CeO2)1-2X(B2O3)X (但し、BはSm,Gd,Yのいずれか一種、0.05≦X≦0.15)で表されるセリウム含有酸化物であり、前記第三の層は、少なくともスカンジアとイットリアを固溶させたジルコニア材料であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The first layer has a cerium content represented by the general formula (CeO 2 ) 1-2X (B 2 O 3 ) X (where B is any one of Sm, Gd, and Y, 0.05 ≦ X ≦ 0.15). The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the third layer is an oxide, and the third layer is a zirconia material in which at least scandia and yttria are dissolved. 前記第一の層は、一般式La1-aAaGa1-bBbO3またはLa1-aAaGa1-b-cBbCcO3(但し、AはSr,Ca,Baの1種または2種以上、BはMg,Al,Inの1種または2種以上、CはCo,Fe,Ni,Crの1種または2種以上)で表されるランタンガレートであり、前記第三の層は、少なくともスカンジアとイットリアを固溶させたジルコニア材料であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The first layer has a general formula of La 1-a A a Ga 1-b B b O 3 or La 1-a A a Ga 1-bc B b C c O 3 (where A is Sr, Ca, Ba One or more, B is Mg, Al, one or more of In, C is Co, Fe, Ni, one or more of Cr) is a lanthanum gallate represented by The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the third layer is a zirconia material in which at least scandia and yttria are dissolved. 前記第一の層および第三の層は、少なくともスカンジアとイットリアを固溶させたジルコニア材料であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the first layer and the third layer are a zirconia material in which at least scandia and yttria are dissolved. 前記スカンジアを固溶させたジルコニア材料におけるスカンジアの固溶量は、3〜12mol%であることを特徴とする請求項7〜11、15、19のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel according to any one of claims 7 to 11, 15, and 19, wherein the amount of scandia dissolved in the scandia zirconia material is 3 to 12 mol%. battery. 前記スカンジアを固溶させたジルコニア材料には、さらにCeO2,Sm2O3,Gd2O3,Yb2O3,Er2O3およびBi2O3から選ばれる少なくとも一種の酸化物が5mol%以下固溶されていることを特徴とする請求項7〜11、15、19、23のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 5 mol of at least one oxide selected from CeO 2 , Sm 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Yb 2 O 3, Er 2 O 3 and Bi 2 O 3 is further contained in the zirconia material in which the scandia is dissolved. The solid oxide fuel cell according to any one of claims 7 to 11, 15, 19, and 23, wherein the solid oxide is a solid solution of not more than 25%. 前記スカンジアとイットリアを固溶させたジルコニア材料中のスカンジアとイットリアの合計固溶量が3〜12mol%であることを特徴とする請求項6、10、14、18〜22のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The total amount of scandia and yttria in the zirconia material obtained by dissolving scandia and yttria is 3 to 12 mol%, according to any one of claims 6, 10, 14, 18 to 22. The solid oxide fuel cell as described in the above. 前記スカンジアとイットリアを固溶させたジルコニア材料には、さらにCeO2, Sm2O3,Gd2O3,Yb2O3,Er2O3およびBi2O3から選ばれる少なくとも一種の酸化物が5mol%以下固溶されていることを特徴とする請求項6、10、14、18〜22、25のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The zirconia material in which the scandia and yttria are dissolved as a solid solution further includes CeO 2 , Sm 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Yb 2 O 3, Er 2 O 3 and at least one oxide selected from Bi 2 O 3 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 6, 10, 14, 18 to 22, and 25, wherein is a solid solution of 5 mol% or less. 前記イットリアを固溶させたジルコニア材料におけるイットリアの固溶量は、3〜12mol%であることを特徴とする請求項5に記載の固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to claim 5, wherein the amount of yttria in the zirconia material in which yttria is dissolved is 3 to 12 mol%. 前記電解質膜と空気極の間には、酸素ガスと、電子と、から酸素イオンを生成する反応を促進させ、連通した開気孔を有する空気側電極反応層が介在されていることを特徴とする請求項1〜27のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 Between the electrolyte membrane and the air electrode, an air-side electrode reaction layer having an open pore that promotes a reaction of generating oxygen ions from oxygen gas and electrons is interposed. A solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 27. 前記空気側電極反応層は、(La1-xAx)yMnO3 (但し、AはCaまたはSrのいずれか)で表されるランタンマンガナイトとスカンジアを固溶させたジルコニアが均一に混合された層であることを特徴とする請求項28に記載の固体酸化物形燃料電池。 In the air-side electrode reaction layer, lanthanum manganite represented by (La 1-x A x ) y MnO 3 (where A is either Ca or Sr) is uniformly mixed with zirconia in which scandia is dissolved. 29. The solid oxide fuel cell according to claim 28, wherein the layer is a coated layer. 前記空気極は、(La1-xAx)yMnO3 (但し、AはCaまたはSrのいずれか)で表されるランタンマンガナイトからなることを特徴とする請求項1〜29のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The air electrode, (La 1-x A x ) y MnO 3 ( where, A is either Ca or Sr) claim 1 to 29, characterized in that it consists of lanthanum manganite represented by A solid oxide fuel cell according to claim 1. 前記電解質膜と燃料極の間には、燃料ガスに含まれる少なくとも水素ガス(H2) および/または一酸化炭素ガス(CO)と、酸素イオン(O2-)と、からH2Oおよび/またはCO2と、電子を生成させる反応を促進させ、連通した開気孔を有する燃料側電極反応層が介在されていることを特徴とする請求項1〜30のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 Between the electrolyte membrane and the fuel electrode, at least hydrogen gas (H 2 ) and / or carbon monoxide gas (CO) contained in the fuel gas, oxygen ions (O 2− ), and H 2 O and / or or a CO 2, to promote the reaction to form the electron, solid oxide according to any one of claims 1 to 30 for fuel-side electrode reaction layer having communicating open pores is characterized in that it is interposed Physical fuel cell. 前記燃料側電極反応層は、NiOとスカンジアを固溶させたジルコニアが均一に混合された層、またはNiとスカンジアを固溶させたジルコニアが均一に混合された層からなることを特徴とする請求項31に記載の固体酸化物形燃料電池。 The fuel-side electrode reaction layer comprises a layer in which zirconia in which NiO and scandia are dissolved in a solid solution is uniformly mixed, or a layer in which Ni and zirconia in which scandia is dissolved in a solid solution is uniformly mixed. Item 32. The solid oxide fuel cell according to Item 31, 前記燃料極は、NiOとイットリアを固溶させたジルコニアが均一に混合された層、またはNiとイットリアを固溶させたジルコニアが均一に混合された層からなることを特徴とする請求項1〜32のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The fuel electrode comprises a layer in which zirconia in which NiO and yttria are dissolved in a solid solution is uniformly mixed, or a layer in which zirconia in which Ni and yttria are dissolved in a solid solution is uniformly mixed. 33. The solid oxide fuel cell according to any one of 32. 前記インターコネクターは、Caを固溶させたランタンクロマイトであることを特徴とする請求項1〜33のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 33, wherein the interconnector is lanthanum chromite in which Ca is dissolved. 前記電解質膜は、空気側電極反応層の表面に形成後、1350〜1500℃で焼結させてなることを特徴とする請求項1〜34のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 34, wherein the electrolyte membrane is formed on the surface of the air-side electrode reaction layer and then sintered at 1350 to 1500 ° C. . 前記電解質膜は、燃料側電極反応層の表面に形成後、1350〜1500℃で焼結させてなることを特徴とする請求項1〜34のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 34, wherein the electrolyte membrane is formed on the surface of the fuel-side electrode reaction layer and then sintered at 1350 to 1500 ° C. .
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