JP2019175733A - Proton-conducting solid electrolyte and proton-conducting fuel cell - Google Patents

Proton-conducting solid electrolyte and proton-conducting fuel cell Download PDF

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Abstract

To provide: a proton-conducting solid electrolyte having a high proton conductivity; and a proton-conducting fuel cell which shows high power generation characteristic and endurance when a methane-containing fuel gas is used.SOLUTION: A proton-conducting solid electrolyte 1 comprises a first layer 1a made of a proton-conducting solid electrolytic material selected from BaZrObased material, SrZrObased material, CaZrObased material, LaScObased material and LaYbObased material, and a second layer 2a made of a proton-conducting solid electrolytic material of BaCeOor BaCeZrObased material, in which the first and second layers are joined to each other. A proton-conducting fuel cell 10 comprises an anode 2 provided on the proton-conducting solid electrolyte 1 on a side of the first layer 1a thereof, and a cathode 3 provided on a side of the second layer 1b.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、プロトン伝導性固体電解質、およびそれを用いたプロトン伝導燃料電池に関する。   The present invention relates to a proton conductive solid electrolyte and a proton conductive fuel cell using the same.

プロトン伝導燃料電池(PCFC)およびそれに用いられるプロトン伝導性固体電解質材料の開発が進められている。なかでも、良好なプロトン伝導性を有する材料として、BaCeO系ペロブスカイト型酸化物に他の金属元素を添加してなるプロトン伝導体が知られている。 Development of a proton conductive fuel cell (PCFC) and a proton conductive solid electrolyte material used therefor is underway. Among these, a proton conductor obtained by adding another metal element to a BaCeO 3 perovskite oxide is known as a material having good proton conductivity.

しかし、BaCeO系やBaCeZrO系のプロトン伝導性固体電解質材料は、高いプロトン伝導性を有する反面、メタンに対する耐性が低いことから、メタンを燃料ガスとする燃料電池等の用途に実用化することが困難である。高い二酸化炭素耐性を有し、プロトン伝導性も高いLaYbO系ペロブスカイト型酸化物よりなるプロトン伝導性固体電解質材料として、本発明者らは、特許文献1のように、La1−yYb1−xIn3−δ(M=Ba,Sr,Ca,Mg;δは酸素空孔量;0<x<1;0<y≦0.2)の組成を有するプロトン伝導性固体電解質材料、およびそれを用いたプロトン伝導燃料電池を開発した。本発明者らのその後の研究により、上記プロトン伝導性固体電解質材料は、二酸化炭素のみならず、メタンに対しても高い耐性を有していることが分かった。 However, BaCeO 3 -based and BaCeZrO 3 -based proton conductive solid electrolyte materials have high proton conductivity, but have low resistance to methane, so that they can be put to practical use in applications such as fuel cells using methane as fuel gas. Is difficult. As a proton conductive solid electrolyte material composed of a LaYbO 3 perovskite oxide having high carbon dioxide resistance and high proton conductivity, the present inventors have disclosed La 1-y M y Yb as disclosed in Patent Document 1. 1-x In x O 3-δ (M = Ba, Sr, Ca, Mg; δ is oxygen vacancy amount; 0 <x <1; 0 <y ≦ 0.2) We have developed materials and proton conducting fuel cells using them. Subsequent research by the present inventors revealed that the proton conductive solid electrolyte material has high resistance not only to carbon dioxide but also to methane.

特開2016−131075号公報JP 2016-1331075 A

上記、La1−yYb1−xIn3−δの組成を有するプロトン伝導性固体電解質材料を用いれば、高いプロトン伝導性とメタン耐性を有するプロトン伝導性固体電解質、また、メタンを燃料ガスとして発電を行った際に、高い発電特性と長期耐久性を示すプロトン伝導燃料電池を構築できる可能性がある。また、La1−yYb1−xIn3−δ以外にも、メタン耐性に優れたプロトン伝導性固体電解質材料を用いれば、高いプロトン伝導性とメタン耐性を有するプロトン伝導性固体電解質を構成できる可能性がある。 Above, the use of La 1-y M y Yb 1 -x In x O proton conductive solid electrolyte material having a composition of 3-[delta], high proton conductivity and a proton conductive solid electrolyte having a methane resistant, Methane There is a possibility that a proton-conducting fuel cell exhibiting high power generation characteristics and long-term durability can be constructed when power is generated using the fuel gas. Moreover, La 1-y M y Yb 1-x In x O 3-δ Besides, the use of the excellent proton-conducting solid electrolyte material into methane-resistant proton conductive solid having a high proton conductivity and methane resistant There is a possibility that the electrolyte can be constructed.

メタンに対して高い耐性を有するとともに、高いプロトン伝導性を有するプロトン伝導性固体電解質、およびメタンを含有する燃料ガスを用いた際に、高い発電特性と耐久性を示すプロトン伝導燃料電池を提供することにある。   Provided is a proton conductive solid electrolyte having high resistance to methane and having high proton conductivity, and a proton conductive fuel cell exhibiting high power generation characteristics and durability when a fuel gas containing methane is used. There is.

上記課題を解決するために、本発明にかかるプロトン伝導性固体電解質は、BaZrO系、SrZrO系、CaZrO系、LaScO系、LaYbO系より選択されるプロトン伝導性固体電解質材料よりなる第一層と、BaCeO系またはBaCeZrO系のプロトン伝導性固体電解質材料よりなる第二層と、が接合されたものである。 In order to solve the above problems, a proton conductive solid electrolyte according to the present invention is made of a proton conductive solid electrolyte material selected from a BaZrO 3 system, a SrZrO 3 system, a CaZrO 3 system, a LaScO 3 system, and a LaYbO 3 system. A first layer and a second layer made of a BaCeO 3 -based or BaCeZrO 3 -based proton conductive solid electrolyte material are joined.

ここで、前記第一層は、BaZrO系、SrZrO系、CaZrO系より選択されるプロトン伝導性固体電解質材料よりなるとよい。特に、前記第一層は、CaZrO系プロトン伝導性固体電解質材料よりなるとよい。 Here, the first layer may be made of a proton conductive solid electrolyte material selected from a BaZrO 3 system, a SrZrO 3 system, and a CaZrO 3 system. In particular, the first layer may be made of a CaZrO 3 -based proton conductive solid electrolyte material.

また、前記第二層は、BaCeO系プロトン伝導性固体電解質材料よりなるとよい。 The second layer may be made of a BaCeO 3 -based proton conductive solid electrolyte material.

前記BaZrO系、SrZrO系、CaZrO系、LaScO系、LaYbO系のプロトン伝導性固体電解質材料は、それぞれ、BaZr1−xYb3−δ、SrZr1−x3−δ、CaZr1−xIn3−δ、La1−xSrScO3−δ、La1−xSrYb1−yIn3−δよりなるとよい。ただし、0<x≦0.2、0<y<1であり、δは酸素空孔量である。 The BaZrO 3 -based, SrZrO 3 -based, CaZrO 3 -based, LaScO 3 -based, LaYbO 3 -based proton conductive solid electrolyte materials are BaZr 1-x Yb x O 3-δ , SrZr 1-x Y x O 3, respectively. -δ, CaZr 1-x In x O 3-δ, La 1-x Sr x ScO 3-δ, La 1-x Sr x Yb 1-y In y O 3-δ may made of. However, 0 <x ≦ 0.2, 0 <y <1, and δ is the amount of oxygen vacancies.

前記第二層は、前記第一層よりも厚いとよい。   The second layer may be thicker than the first layer.

本発明にかかるプロトン伝導燃料電池は、上記のようなプロトン伝導性固体電解質と、前記プロトン伝導性固体電解質の前記第一層側に設けられたアノードと、前記プロトン伝導性固体電解質の前記第二層側に設けられたカソードと、を有するものである。   A proton conductive fuel cell according to the present invention includes a proton conductive solid electrolyte as described above, an anode provided on the first layer side of the proton conductive solid electrolyte, and the second of the proton conductive solid electrolyte. And a cathode provided on the layer side.

ここで、前記アノードは、Niを含む材料よりなるとよい。また、前記プロトン伝導燃料電池は、前記アノードを基板とし、前記基板の表面に、前記第一層、前記第二層、前記カソードが、それぞれ前記基板よりも薄い層として、この順に設けられているとよい。   Here, the anode may be made of a material containing Ni. In the proton conductive fuel cell, the anode is used as a substrate, and the first layer, the second layer, and the cathode are provided on the surface of the substrate in this order as layers thinner than the substrate. Good.

上記発明にかかるプロトン伝導性固体電解質において、第一層を構成するプロトン伝導性固体電解質材料として挙げたものは、いずれも高いメタン耐性を示す。一方、第二層を構成するプロトン伝導性固体電解質材料は、メタン耐性には劣るが、高いプロトン伝導性を示す。このように、高いメタン耐性を有する第一層と、高いプロトン伝導性を示す第二層が接合された複合材料として、プロトン伝導性固体電解質が構成されていることにより、上記発明にかかるプロトン伝導性固体電解質は、全体として、高いメタン耐性とプロトン伝導性を両立するものとなる。つまり、第一層を燃料ガスと接触するアノード側、第二層を燃料ガスと接触しないカソード側として、プロトン伝導燃料電池を構成し、メタンを燃料ガスとして用いて発電を行った際に、第一層の高メタン耐性と第二層の高プロトン伝導性とによって、メタンに対する高い耐性と高いプロトン伝導性を両立するプロトン伝導性固体電解質として利用することができる。   In the proton conductive solid electrolyte according to the above invention, all of the proton conductive solid electrolyte materials constituting the first layer exhibit high methane resistance. On the other hand, the proton conductive solid electrolyte material constituting the second layer is inferior in methane resistance, but exhibits high proton conductivity. As described above, the proton conductive solid electrolyte is configured as a composite material in which the first layer having high methane resistance and the second layer having high proton conductivity are joined. As a whole, the conductive solid electrolyte has both high methane resistance and proton conductivity. That is, when the proton conduction fuel cell is configured with the first layer as the anode side in contact with the fuel gas and the second layer as the cathode side not in contact with the fuel gas, and power is generated using methane as the fuel gas, Due to the high methane resistance of one layer and the high proton conductivity of the second layer, it can be used as a proton conductive solid electrolyte that achieves both high resistance to methane and high proton conductivity.

また、上記発明にかかるプロトン伝導性固体電解質材料においては、Niを含む材料よりなるアノードを第一層の側に設けて、燃料電池を構成した際に、アノードのNiがプロトン伝導性固体電解質に固溶するのに伴って、ホール伝導の割合が増加し、起電力が低下する現象が、抑制される。その結果、プロトン伝導燃料電池において、高い起電力が得られ、電圧効率を向上させることができる。   In the proton conductive solid electrolyte material according to the above invention, when the anode made of a material containing Ni is provided on the first layer side to constitute a fuel cell, the Ni in the anode becomes the proton conductive solid electrolyte. As the solid solution dissolves, the rate of hole conduction increases and the electromotive force decreases. As a result, in the proton conduction fuel cell, a high electromotive force can be obtained and voltage efficiency can be improved.

ここで、第一層が、BaZrO系、SrZrO系、CaZrO系より選択されるプロトン伝導性固体電解質材料よりなる場合には、それら第一層を構成する材料が、高いプロトン伝導性と、特に高いメタン耐性を有することにより、プロトン伝導燃料電池において、メタンを燃料とした発電を長時間行った後でも、高い発電特性を維持することができる。 Here, when the first layer is made of a proton conductive solid electrolyte material selected from the BaZrO 3 system, SrZrO 3 system, and CaZrO 3 system, the material constituting the first layer has high proton conductivity and In particular, by having a high resistance to methane, it is possible to maintain high power generation characteristics even after a long period of power generation using methane as fuel in a proton conduction fuel cell.

特に、第一層が、CaZrO系プロトン伝導性固体電解質材料よりなる場合には、プロトン伝導燃料電池において、メタンを燃料とした発電を長時間行った後でも、第二層からの第一層へのCeの拡散が起こりにくいため、高い発電特性の維持において、とりわけ優れたものとなる。また、メタンを燃料とした発電を経ても、Niの固溶に伴うホール伝導の割合の増加が抑制され、高い起電力を有する状態を高度に維持できるという点においても、優れている。 In particular, when the first layer is made of a CaZrO 3 -based proton conductive solid electrolyte material, the first layer from the second layer is used even after long-time power generation using methane as a fuel in a proton conductive fuel cell. Ce diffusion is difficult to occur, so that it is particularly excellent in maintaining high power generation characteristics. Further, even when power generation using methane as a fuel is performed, an increase in the rate of hole conduction accompanying solid solution of Ni is suppressed, and this is excellent in that a state having a high electromotive force can be maintained at a high level.

また、第二層が、BaCeO系プロトン伝導性固体電解質材料よりなる場合には、そのプロトン伝導性の高さにより、プロトン伝導性固体電解質全体として、高いプロトン伝導性を得ることができる。 Further, when the second layer is made of a BaCeO 3 -based proton conductive solid electrolyte material, high proton conductivity can be obtained as a whole proton conductive solid electrolyte due to its high proton conductivity.

BaZrO系、SrZrO系、CaZrO系、LaScO系、LaYbO系のプロトン伝導性固体電解質材料は、それぞれ、BaZr1−xYb3−δ、SrZr1−x3−δ、CaZr1−xIn3−δ、La1−xSrScO3−δ、La1−xSrYb1−yIn3−δよりなる場合には、プロトン伝導性に優れたプロトン伝導性固体電解質を構成しやすい。 BaZrO 3 system, SrZrO 3 based, CaZrO 3 based, LASCO 3 based proton-conducting solid electrolyte material LaYbO 3 system, respectively, BaZr 1-x Yb x O 3-δ, SrZr 1-x Y x O 3- In the case of δ , CaZr 1-x In x O 3-δ , La 1-x Sr x ScO 3-δ , La 1-x Sr x Yb 1-y In y O 3-δ , It is easy to construct an excellent proton conductive solid electrolyte.

第二層が、第一層よりも厚い場合には、プロトン伝導性が高く、電気抵抗の低い固体電解質材料よりなる第二層の方を厚く形成することになるので、プロトン伝導性固体電解質全体として、電気抵抗を低く抑えることができる。   When the second layer is thicker than the first layer, the second layer made of the solid electrolyte material having high proton conductivity and low electric resistance is formed thicker, so that the entire proton conductive solid electrolyte is formed. As a result, the electrical resistance can be kept low.

上記発明にかかるプロトン伝導燃料電池は、上記のような第一層と第二層を複合したプロトン伝導性固体電解質を用い、メタン耐性に優れた第一層の側にアノードを設けたものである。そのため、第一層の高メタン耐性と、第二層の高プロトン伝導性を両方利用することができ、メタンを燃料ガスとして発電を行った際に、高い発電特性と耐久性を両立したプロトン伝導燃料電池となる。   The proton conducting fuel cell according to the invention uses a proton conducting solid electrolyte composed of the first layer and the second layer as described above, and is provided with an anode on the side of the first layer excellent in methane resistance. . Therefore, both the high methane resistance of the first layer and the high proton conductivity of the second layer can be used, and when conducting power generation using methane as the fuel gas, proton conduction that combines high power generation characteristics and durability. It becomes a fuel cell.

ここで、アノードが、Niを含む材料よりなる場合には、プロトン伝導性固体電解質が、第一層でアノードと接触していることにより、第一層が設けられていない場合と比較して、アノードに含まれるNiのプロトン伝導性固体電解質への固溶によるプロトン伝導の寄与の増大のために、プロトン伝導性固体電解質の電圧効率が低下するのを、抑制することができる。   Here, when the anode is made of a material containing Ni, the proton conductive solid electrolyte is in contact with the anode in the first layer, so that the first layer is not provided. It is possible to suppress a decrease in voltage efficiency of the proton conductive solid electrolyte due to an increase in contribution of proton conduction due to solid solution of Ni contained in the anode into the proton conductive solid electrolyte.

また、プロトン伝導燃料電池が、アノードを基板とし、基板の表面に、第一層、第二層、カソードが、それぞれ基板よりも薄い層として、この順に設けられている場合には、電解質の層を薄く形成し、電気抵抗を低く抑えることで、高い出力密度を達成することができる。   When the proton conductive fuel cell is provided with the anode as a substrate and the surface of the substrate is provided with the first layer, the second layer, and the cathode as layers thinner than the substrate in this order, the electrolyte layer A high output density can be achieved by forming a thin film and keeping the electric resistance low.

本発明の一実施形態にかかるプロトン伝導性固体電解質およびプロトン伝導燃料電池の構成を説明する概略図である。It is the schematic explaining the structure of the proton conductive solid electrolyte and proton conductive fuel cell concerning one Embodiment of this invention. 電解質の構成材料ごとに、単セルの連続発電特性を示す図である。It is a figure which shows the continuous electric power generation characteristic of a single cell for every constituent material of electrolyte. 走査電子顕微鏡(SEM)像(左)と、Ceの分布(右)を示す図である。(a)BZYb/BCY、(b)SZY/BCY、(c)CZI/BCYの結果をそれぞれ示している。It is a figure which shows a scanning electron microscope (SEM) image (left), and Ce distribution (right). The results of (a) BZYb / BCY, (b) SZY / BCY, and (c) CZI / BCY are shown, respectively. 走査電子顕微鏡(SEM)像(左)と、Ceの分布(右)を示す図である。(a)LSYbIn/BCYおよび(b)LSSc/BCYの結果をそれぞれ示している。It is a figure which shows a scanning electron microscope (SEM) image (left), and Ce distribution (right). The results of (a) LSYbIn / BCY and (b) LSSc / BCY are shown, respectively. 電解質の構成材料ごとに、初期状態およびメタンを用いた発電後の、開回路電圧(OCV)を示す図である。It is a figure which shows the open circuit voltage (OCV) after the electric power generation using an initial state and methane for every constituent material of electrolyte.

以下に、本発明の実施形態にかかるプロトン伝導性固体電解質およびプロトン伝導燃料電池について説明する。図1に示すように、本発明の一実施形態にかかるプロトン伝導性固体電解質1に、アノード2とカソード3を設けることで、本発明の一実施形態にかかるプロトン伝導燃料電池10を構成することができる。   Hereinafter, a proton conductive solid electrolyte and a proton conductive fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 1, a proton conducting fuel cell 10 according to an embodiment of the present invention is configured by providing an anode 2 and a cathode 3 in a proton conducting solid electrolyte 1 according to an embodiment of the present invention. Can do.

[プロトン伝導性固体電解質]
まず、本発明の一実施形態にかかるプロトン伝導性固体電解質1について説明する。
[Proton conductive solid electrolyte]
First, the proton conductive solid electrolyte 1 according to one embodiment of the present invention will be described.

プロトン伝導性固体電解質1は、第一の固体電解質材料よりなる第一層1aと、第二の固体電解質材料よりなる第二層1bとが接合された複合材料よりなっている。以下、このプロトン伝導性固体電解質1を、複合型固体電解質1と称する場合がある。   The proton conductive solid electrolyte 1 is made of a composite material in which a first layer 1a made of a first solid electrolyte material and a second layer 1b made of a second solid electrolyte material are joined. Hereinafter, the proton conductive solid electrolyte 1 may be referred to as a composite solid electrolyte 1.

第一層1aを構成する第一の固体電解質材料は、BaZrO系、SrZrO系、CaZrO系、LaScO系材料、LaYbO系のいずれかのプロトン伝導性固体電解質材料よりなっている。これらのプロトン伝導性固体電解質材料は、それぞれ、BaZrO、SrZrO、CaZrO、LaScO、LaYbOを母材とし、カチオン種の置換によってプロトン伝導性が付与されているものであれば、組成を限定されるものではないが、以下のような組成を好適なものとして例示することができる。なお、以下では、0<x≦0.2;0<y<1であり、δは酸素空孔量である。
・BaZrO系材料:BaZr1−xYb3−δ(BZYb);例えばx=0.2
・SrZrO系材料:SrZr1−x3−δ(SZY);例えばx=0.1
・CaZrO系材料:CaZr1−xIn3−δ(CZI);例えばx=0.04
・LaScO系材料:La1−xSrScO3−δ(LSSc);例えばx=0.1
・LaYbO系材料:La1−xSrYb1−yIn3−δ(LSYbIn);例えばx=0.1,y=0.2
これらの材料の間の特性の比較については、後述する。
The first solid electrolyte material constituting the first layer 1a is made of any one of the proton-conducting solid electrolyte materials of BaZrO 3 , SrZrO 3 , CaZrO 3 , LaScO 3 , and LaYbO 3 . These proton conductive solid electrolyte material, respectively, the BaZrO 3, SrZrO 3, CaZrO 3 , LaScO 3, LaYbO 3 as a base material, as long as the proton conductivity is imparted by substitution of the cationic species composition However, the following composition can be exemplified as a suitable one. In the following, 0 <x ≦ 0.2; 0 <y <1, and δ is the amount of oxygen vacancies.
BaZrO 3 series material: BaZr 1-x Yb x O 3 -δ (BZYb); for example, x = 0.2
SrZrO 3 -based material: SrZr 1-x Y x O 3-δ (SZY); for example, x = 0.1
CaZrO 3 -based material: CaZr 1-x In x O 3-δ (CZI); for example, x = 0.04
LaScO 3 series material: La 1-x Sr x ScO 3-δ (LSSSc); for example, x = 0.1
LaYbO 3 -based material: La 1-x Sr x Yb 1-y In y O 3 -δ (LSYbIn); for example, x = 0.1, y = 0.2
Comparison of characteristics between these materials will be described later.

第二層1bを構成する第二の固体電解質材料は、BaCeO系およびBaZrCeO系のいずれかのプロトン伝導性固体電解質材料よりなっている。これらのプロトン伝導性固体電解質材料は、それぞれ、BaCeOおよびBaZrCeOを母材とし、カチオン種の置換によってプロトン伝導性が付与されているものであれば、組成を限定されるものではないが、以下のような組成を好適なものとして例示することができる。なお、以下では、0<x≦1;0<y≦0.2であり、δは酸素空孔量である。
・BaCeO系材料:BaCe1−x3−δ(BCY);例えばx=0.2
・BaZrCeO系材料:BaZrCe1−x−y3−δ(BZCY);例えばx=0.6,y=0.2
上記2種の中では、プロトン伝導性が特に高いBaCeO系材料を、特に好適に用いることができる。
The second solid electrolyte material constituting the second layer 1b is made of either a BaCeO 3 -based or BaZrCeO 3 -based proton conductive solid electrolyte material. These proton-conducting solid electrolyte materials are not limited in composition as long as they are based on BaCeO 3 and BaZrCeO 3 and are provided with proton conductivity by substitution of cation species. The following composition can be illustrated as a suitable thing. In the following, 0 <x ≦ 1; 0 <y ≦ 0.2, and δ is the amount of oxygen vacancies.
BaCeO 3 -based material: BaCe 1-x Y x O 3-δ (BCY); for example, x = 0.2
BaZrCeO 3 -based material: BaZr x Ce 1-xy Y y O 3-δ (BZCY); for example x = 0.6, y = 0.2
Of the two types, BaCeO 3 -based materials having particularly high proton conductivity can be used particularly preferably.

以上のように、第一層1aと第二層1bは、異なるプロトン伝導性固体電解質材料よりなっている。第一層1aを構成する固体電解質材料は、メタンに対する耐性(メタンによる劣化の程度)が、第二層1bを構成する固体電解質材料よりも高くなっている。一方で、第二層1bを構成する固体電解質材料は、プロトン伝導性が、第一層1aを構成する固体電解質材料よりも高くなっている。   As described above, the first layer 1a and the second layer 1b are made of different proton conductive solid electrolyte materials. The solid electrolyte material constituting the first layer 1a has higher resistance to methane (the degree of deterioration due to methane) than the solid electrolyte material constituting the second layer 1b. On the other hand, the solid electrolyte material constituting the second layer 1b has higher proton conductivity than the solid electrolyte material constituting the first layer 1a.

このように、メタン耐性に優れる固体電解質材料よりなる第一層1aと、プロトン伝導性に優れる固体電解質材料よりなる第二層1bを複合して、複合型固体電解質1を構成することで、第一層1aの高メタン耐性と第二層1bの高プロトン伝導性の両方を利用することができる。特に、後に述べるように、第一層1a側にアノード2、第二層1b側にカソード3を設けて燃料電池10を構成し、メタンを燃料ガスとして燃料電池10による発電を行えば、メタン耐性の高い第一層1aをメタンガスに対するブロッキング層として機能させ、メタン耐性の低い第二層1bをメタンに直接接触させることなく、第二層1bの有する高いプロトン伝導性を利用して、高い発電特性を得ることができる。そして、第一層1aの高いメタン耐性により、その高い発電特性を長期にわたって維持することができる。   Thus, by composing the first layer 1a made of a solid electrolyte material excellent in methane resistance and the second layer 1b made of a solid electrolyte material excellent in proton conductivity to constitute the composite solid electrolyte 1, Both the high methane resistance of the first layer 1a and the high proton conductivity of the second layer 1b can be utilized. In particular, as will be described later, if the fuel cell 10 is configured by providing the anode 2 on the first layer 1a side and the cathode 3 on the second layer 1b side, and generating power by the fuel cell 10 using methane as the fuel gas, the methane resistance The first layer 1a having a high level functions as a blocking layer for methane gas, and the second layer 1b having a low methane resistance is not brought into direct contact with methane, and the high proton conductivity of the second layer 1b is used to achieve high power generation characteristics. Can be obtained. And the high methane tolerance of the 1st layer 1a can maintain the high power generation characteristic over a long period of time.

また、第一層1aは、燃料電池10において、第二層1bをメタンガスから保護するブロッキング層として機能するのみならず、第二層1bにアノード2を構成する材料が固溶するのを阻止する役割も果たす。第二層1bを構成するBaCeO系またBaZrCeO系プロトン伝導性固体電解質にNiを固溶させると、ホール伝導の割合が増大し、プロトン輸率の低下が起こる。その結果、燃料電池10の起電力が低くなり、電圧効率が低下する。一方、第一層1aを構成する各材料にNiを接触させても、ホール伝導の割合の著しい増大は起こらない。そこで、複合型固体電解質1において、第二層1bと、Niを含むアノード2との間に、第一層1aを介在させることで、焼成等の高温を要する工程を含んで燃料電池10を製造する際や、高温での発電を行う際に、アノード2を構成するNiが第二層1bに固溶し、燃料電池10の電圧効率を低下させるのを抑制することができる。このように、第一層1aは、メタンとNiの両方に対して、第二層1bのブロッキング層として機能する。 The first layer 1a not only functions as a blocking layer for protecting the second layer 1b from methane gas in the fuel cell 10, but also prevents the material constituting the anode 2 from dissolving in the second layer 1b. Also plays a role. When Ni is dissolved in the BaCeO 3 -based or BaZrCeO 3 -based proton conductive solid electrolyte constituting the second layer 1b, the hole conduction ratio increases and the proton transport number decreases. As a result, the electromotive force of the fuel cell 10 is lowered and the voltage efficiency is lowered. On the other hand, even if Ni is brought into contact with each material constituting the first layer 1a, the hole conduction ratio does not increase significantly. Therefore, in the composite solid electrolyte 1, the fuel cell 10 is manufactured by including the first layer 1 a between the second layer 1 b and the anode 2 containing Ni to include a process requiring high temperature such as firing. It is possible to prevent Ni constituting the anode 2 from forming a solid solution in the second layer 1b and reducing the voltage efficiency of the fuel cell 10 when performing power generation at a high temperature. Thus, the 1st layer 1a functions as a blocking layer of the 2nd layer 1b with respect to both methane and Ni.

第一層1aと第二層1bの厚さは、任意に定めればよいが、第二層1bの方を第一層1aよりも厚くしておくことが好ましい。第二層1bを構成する固体電解質材料の方が、第一層1aを構成する固体電解質材料よりも高いプロトン伝導性を有することにより、低い電気抵抗を有するからである。第二層1bよりも電気抵抗の高い第一層1aを薄く形成しておくことで、複合型固体電解質1全体としての電気抵抗を低く抑え、高い発電特性を得ることができる。また、第一層1aと第二層1bの面積は、任意に定めればよいが、メタンおよびNiの第二層1bへの直接の接触を回避する観点から、第一層1aは、第二層1bの面積と同じか、それよりも大面積に形成することが好ましい。特に、構成の簡素性、および第二層1bのプロトン伝導性の効率的な利用の観点から、第一層1aと第二層1bを同じ面積とすればよい。   The thicknesses of the first layer 1a and the second layer 1b may be determined arbitrarily, but it is preferable that the second layer 1b is thicker than the first layer 1a. This is because the solid electrolyte material constituting the second layer 1b has a lower proton resistance by having higher proton conductivity than the solid electrolyte material constituting the first layer 1a. By forming the first layer 1a having a higher electric resistance than the second layer 1b to be thin, the electric resistance of the composite solid electrolyte 1 as a whole can be kept low, and high power generation characteristics can be obtained. The areas of the first layer 1a and the second layer 1b may be arbitrarily determined. From the viewpoint of avoiding direct contact of methane and Ni with the second layer 1b, the first layer 1a It is preferable to form the same area as the area of the layer 1b or a larger area than that. In particular, the first layer 1a and the second layer 1b may have the same area from the viewpoint of the simplicity of the configuration and the efficient use of the proton conductivity of the second layer 1b.

複合型固体電解質1は、第一層1aおよび第二層1bを、それぞれ液相法、固相法等で形成することで、製造することができる。第一層1aを液相法で形成する場合であれば、電解質材料を構成する各成分元素を含有する硝酸塩を出発物質として、所定の比率で配合し、蒸留水に溶解し、クエン酸とEDTAにより前駆体を作製する。前駆体をか焼し得られた粉末を適宜成形し、焼成すればよい。   The composite solid electrolyte 1 can be manufactured by forming the first layer 1a and the second layer 1b by a liquid phase method, a solid phase method, or the like, respectively. In the case where the first layer 1a is formed by the liquid phase method, a nitrate containing each component element constituting the electrolyte material is used as a starting material, blended at a predetermined ratio, dissolved in distilled water, citric acid and EDTA. To produce a precursor. The powder obtained by calcining the precursor may be appropriately shaped and fired.

第一層1aと第二層1bを積層して接合するには、一方の層を構成する材料を適宜成形し、その成形体の表面に、他方の層を構成する材料を塗布等によって重ねて成形すればよい。そして、焼成を行うことで、複合型固体電解質1を形成することができる。焼成は、第一層1aおよび第二層1bに対して一度に行ってもよいし、一方の層を形成した段階で、一旦焼成を行ってから、他方の層を形成するようにしてもよい。   In order to laminate and bond the first layer 1a and the second layer 1b, the material constituting one layer is appropriately formed, and the material constituting the other layer is superimposed on the surface of the formed body by coating or the like. What is necessary is just to shape. And the composite type solid electrolyte 1 can be formed by baking. Firing may be performed on the first layer 1a and the second layer 1b at a time, or once the one layer is formed, the other layer may be formed after firing once. .

構成の簡素性の観点からは、複合型固体電解質1は、上記のような第一層1aと第二層1bのみからなることが好ましいが、第一層1aおよび/または第二層1bの外側や、第一層1aと第二層1bの間の部位に、別の固体電解質材料よりなる層が設けられても良い。また、第一層1a、第二層1bのそれぞれが、上記で列挙した組成を有する範囲内において、組成の異なる2種以上の材料の混合体、あるいは組成の異なる2種以上の層の接合体よりなってもよい。さらに、第一層1a、第二層1bにおいては、それぞれ、上記で列挙した組成を有する材料に加えて、第一層1aであれば、それらの材料のメタン耐性、第二層1bであれば、それらの材料のプロトン伝導性を損なわない範囲において、別の固体電解質材料が混合されてもよい。   From the viewpoint of the simplicity of the configuration, the composite solid electrolyte 1 is preferably composed of only the first layer 1a and the second layer 1b as described above, but outside the first layer 1a and / or the second layer 1b. Or the layer which consists of another solid electrolyte material may be provided in the site | part between the 1st layer 1a and the 2nd layer 1b. Moreover, within the range in which each of the first layer 1a and the second layer 1b has the composition listed above, a mixture of two or more kinds of materials having different compositions, or a joined body of two or more kinds of layers having different compositions. It may be better. Furthermore, in the 1st layer 1a and the 2nd layer 1b, in addition to the material which has the composition enumerated above, if it is the 1st layer 1a, the methane tolerance of those materials, if it is the 2nd layer 1b As long as the proton conductivity of these materials is not impaired, another solid electrolyte material may be mixed.

[プロトン伝導燃料電池]
次に、本発明の一実施形態にかかるプロトン伝導燃料電池10について説明する。
[Proton conduction fuel cell]
Next, the proton conduction fuel cell 10 according to one embodiment of the present invention will be described.

本発明の一実施形態にかかるプロトン伝導燃料電池(以下単に、燃料電池と称する場合がある)10は、図1に示すように、上記のような第一層1aと第二層1bを有する複合型固体電解質1を備えている。そして、複合型固体電解質1の第一層1a側の面にアノード(燃料極)2を、第二層1b側の面にカソード(空気極)3を備えた単セル構造を有している。複合型固体電解質1がプロトン伝導性を有することにより、単セル10は、プロトン伝導燃料電池として機能する。   As shown in FIG. 1, a proton conducting fuel cell (hereinafter, simply referred to as a fuel cell) 10 according to an embodiment of the present invention is a composite having a first layer 1a and a second layer 1b as described above. A solid electrolyte 1 is provided. The composite solid electrolyte 1 has a single cell structure having an anode (fuel electrode) 2 on the surface on the first layer 1a side and a cathode (air electrode) 3 on the surface on the second layer 1b side. When the composite solid electrolyte 1 has proton conductivity, the single cell 10 functions as a proton conduction fuel cell.

なお、単セル10において、アノード2およびカソード3の各電極は、複合型固体電解質1に直接接合されていてもよいし、電極2,3と複合型固体電解質1との間に任意に中間層が介在されていてもよい。また、単セル10は通常、適宜セパレータを介して複数集積した状態で、燃料電池として使用に供される。セパレータと各電極2,3の間には、適宜集電材が配置されてもよい。   In the single cell 10, each of the anode 2 and the cathode 3 may be directly joined to the composite solid electrolyte 1, or any intermediate layer between the electrodes 2, 3 and the composite solid electrolyte 1. May be interposed. Moreover, the single cell 10 is normally used as a fuel cell in a state where a plurality of single cells 10 are appropriately stacked through separators. A current collector may be appropriately disposed between the separator and each of the electrodes 2 and 3.

単セル10において、アノード2に、メタンを燃料ガスとして供給しながら発電を行うと、複合型固体電解質1の第一層1aが、メタンに直接接触することになる。しかし、第一層1aが、メタンに対して高い耐性を有していることにより、メタンを用いて長時間の発電を行っても、第一層1aは、劣化を起こしにくい。一方、第一層1aは、メタンに対する第二層1bのブロッキング層として機能し、第二層1bは、メタンと実質的に接触しない。よって、第二層1bはメタンに対する耐性が低いにもかかわらず、単セル10においてメタンを用いた長時間の発電を行っても、第二層1bは劣化を起こしにくい。一方、第二層1bが高いプロトン伝導性を有することにより、単セル10において、高い発電性能、つまり高起電力と高出力密度が得られる。そして、第一層1aによるメタンに対するブロッキング機能により、そのような高い発電性能が長期にわたって持続される。特に、第二層1bが第一層1aよりも厚く形成されている場合に、高い発電性能が得られやすい。なお、燃料ガスとしては、メタンのみよりなるものを用いても、都市ガス等、メタンを主成分とし、他の成分を適宜含有するガスを用いてもよい。   In the single cell 10, when power generation is performed while supplying methane as a fuel gas to the anode 2, the first layer 1 a of the composite solid electrolyte 1 comes into direct contact with methane. However, since the first layer 1a has high resistance to methane, the first layer 1a is not easily deteriorated even if power generation is performed using methane for a long time. On the other hand, the first layer 1a functions as a blocking layer of the second layer 1b against methane, and the second layer 1b does not substantially contact with methane. Therefore, even though the second layer 1b has low resistance to methane, the second layer 1b is unlikely to deteriorate even if long-time power generation using methane is performed in the single cell 10. On the other hand, since the second layer 1b has high proton conductivity, high power generation performance, that is, high electromotive force and high output density can be obtained in the single cell 10. And such high power generation performance is maintained over a long period of time by the blocking function with respect to methane by the first layer 1a. In particular, when the second layer 1b is formed thicker than the first layer 1a, high power generation performance is easily obtained. In addition, as fuel gas, what consists only of methane may be used, or gas which has methane as a main component and contains another component suitably, such as city gas, may be used.

また、第一層1aは、第二層1bにアノード2を構成するNiが固溶するのを抑制する役割を果たす。アノード2に直接接触しているのが、Niの固溶によって、プロトン伝導の低下を起こす第二層1bではなく、第一層1aとなっており、第一層1aは、アノード2のNiが拡散して第二層1bに達するのを阻止するブロッキング層として機能する。このため、第二層1bの高いプロトン伝導性が、Niの固溶によって妨げられることなく、ホール伝導が相対的に増大することが抑制される。ここで、第一層1aにNiが固溶して、第一層1aのホール伝導が相対的に増大したとしても、ホール伝導の増大は酸素分圧が高いカソード側で顕著であるため、カソード側にある第二層1bのホール伝導が抑えられていれば、単セル10において、高い起電力が得られ、電圧効率を高めることができる。   In addition, the first layer 1a plays a role of suppressing dissolution of Ni constituting the anode 2 in the second layer 1b. The anode 2 is in direct contact with the first layer 1a, not the second layer 1b, which causes a decrease in proton conduction due to solid solution of Ni. It functions as a blocking layer that prevents diffusion and reaching the second layer 1b. For this reason, the high proton conductivity of the second layer 1b is not hindered by the solid solution of Ni, and the relative increase in hole conduction is suppressed. Here, even if Ni is dissolved in the first layer 1a and the hole conduction of the first layer 1a is relatively increased, the increase in hole conduction is significant on the cathode side where the oxygen partial pressure is high. If the hole conduction of the second layer 1b on the side is suppressed, a high electromotive force can be obtained in the single cell 10 and the voltage efficiency can be increased.

ホール伝導の割合の増大による単セル10の電圧効率の低下の程度は、例えば、開回路電圧(OCV)によって評価することができる。複合型固体電解質1へのNiの固溶によってホール伝導の割合が増えると、ホール伝導が電子リークとして作用するので、OCVが下がる。OCVが高いほど、Niの固溶によるホール伝導の割合の増大が抑制されており、電圧効率が高くなっていると評価することができる。   The degree of decrease in the voltage efficiency of the single cell 10 due to the increase in the percentage of hole conduction can be evaluated by, for example, an open circuit voltage (OCV). When the hole conduction ratio increases due to the solid solution of Ni in the composite solid electrolyte 1, the hole conduction acts as an electron leak, so the OCV decreases. It can be evaluated that the higher the OCV, the more the increase in the hole conduction ratio due to the solid solution of Ni is suppressed, and the higher the voltage efficiency.

単セル10においては、アノード2およびカソード3を構成する材料は特に指定されず、一般の固体酸化物形燃料電池のアノードおよびカソードとして使用可能な材料をそれぞれ適宜選択すればよい。複合型固体電解質1を構成する材料との組み合わせにおいて、高い発電特性を与えることができるアノード材料およびカソード材料として以下のものを挙げることができる。   In the single cell 10, materials constituting the anode 2 and the cathode 3 are not particularly specified, and materials that can be used as an anode and a cathode of a general solid oxide fuel cell may be appropriately selected. Examples of the anode material and cathode material that can provide high power generation characteristics in combination with the material constituting the composite solid electrolyte 1 include the following.

第一層1aに接合するアノード2として、Niを含む材料を用いることが好適である。上記のように、第二層1bのアノード側の表面に、第一層1aが接合されていることにより、複合型固体電解質1へのNiの固溶によるホール伝導の割合の増大を低減することができる。特に、Ni、あるいはNiのサーメットをアノード2として用いることが、アノード過電圧を低くできるという点で、好適である。サーメットを構成するNiは、純Niの他に、Niを主成分とする合金であってもよい。また、サーメットを構成するセラミック材料として、上記で第一層1aを構成する固体電解質材料として挙げた第一の固体電解質材料を用いたサーメットを、アノード2として採用することで、特に低いアノード過電圧を得ることができる。これは、Niと第一の固体電解質材料と燃料が接する三相界面が多くなること等に起因して、アノード2における電極反応が起こりやすくなるためであると考えられる。なお、アノード2のサーメットを構成する第一の固体電解質材料と、複合型固体電解質1の第一層1aを構成する第一の固体電解質材料の材料種やx,yの値は、同じであっても、異なっていてもよい。構成の簡素化および第一の固体電解質材料とアノード2の反応防止等の観点からは、それらを同じにすることが好ましい。サーメットを構成するNiと電解質材料の比率としては、体積比で4:6〜6:4の範囲とすることが好ましい。   It is preferable to use a material containing Ni as the anode 2 bonded to the first layer 1a. As described above, the increase in the rate of hole conduction due to the solid solution of Ni in the composite solid electrolyte 1 is reduced by bonding the first layer 1a to the anode side surface of the second layer 1b. Can do. In particular, it is preferable to use Ni or a cermet of Ni as the anode 2 in that the anode overvoltage can be lowered. Ni constituting the cermet may be an alloy containing Ni as a main component in addition to pure Ni. Further, by adopting as the anode 2 a cermet using the first solid electrolyte material mentioned above as the solid electrolyte material constituting the first layer 1a as the ceramic material constituting the cermet, a particularly low anode overvoltage is obtained. Obtainable. This is considered to be because the electrode reaction at the anode 2 is likely to occur due to an increase in the number of three-phase interfaces where Ni, the first solid electrolyte material, and the fuel contact each other. Note that the material type and x, y values of the first solid electrolyte material constituting the cermet of the anode 2 and the first solid electrolyte material constituting the first layer 1a of the composite solid electrolyte 1 were the same. Or different. From the viewpoint of simplification of the configuration and prevention of reaction between the first solid electrolyte material and the anode 2, it is preferable to make them the same. The ratio of Ni to the electrolyte material constituting the cermet is preferably in the range of 4: 6 to 6: 4 by volume ratio.

カソード3を構成する材料は特に限定されるものではないが、優れた発電特性(高い出力密度、低いカソード過電圧)を与えるカソード材料として、Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.23−δ(BSCF;δは酸素空孔量)を挙げることができる。BSCFにおいては、メタンによる炭酸塩の形成が無視できないものとなる。しかし、ここでは、BSCFを、高濃度のメタンを含んだ燃料ガスと接触しないカソード3として用いているので、メタンによる劣化は実質的に起こらない。また、カソード3には、固体酸化物形燃料電池でよく用いられるLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8(LSCF)やLaCoO(LSC)系材料も、好適に用いることができる。カソード3は、それらの材料のみよりなってもよいが、それらの材料に加え、プロトン伝導性固体電解質1の第二層1bを構成する第二の固体電解質材料を20体積%程度混合したコンポジット電極とすると、第二層1bとカソード3の熱膨張係数のミスマッチによる剥離の回避、また三相界面の増大によるカソード過電圧の低下も、期待できる。 The material is not particularly limited constituting the cathode 3 as cathode materials that provide excellent power generation characteristics (high power density, low cathodic overvoltage), Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0. 2 O 3-δ (BSCF; δ is the amount of oxygen vacancies). In BSCF, carbonate formation by methane cannot be ignored. However, here, since BSCF is used as the cathode 3 that does not come into contact with the fuel gas containing high-concentration methane, deterioration due to methane does not substantially occur. For the cathode 3, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 (LSCF) or LaCoO 3 (LSC) -based materials often used in solid oxide fuel cells are also suitable. Can be used. The cathode 3 may be composed only of these materials, but in addition to these materials, a composite electrode in which about 20% by volume of a second solid electrolyte material constituting the second layer 1b of the proton conductive solid electrolyte 1 is mixed. Then, avoidance of peeling due to mismatch of thermal expansion coefficients of the second layer 1b and the cathode 3, and reduction of cathode overvoltage due to increase of the three-phase interface can be expected.

本燃料電池単セル10において、電解質層は、自立膜式よりなっても、アノード2またはカソード3を基板とし、その基板の肉厚よりも薄く形成した薄膜状の複合型固体電解質1の層を基板によって支持する支持膜式よりなってもよい。電解質層の電気抵抗を低減する観点からは、複合型固体電解質1の層を薄くできる支持膜式とする方が好ましい。電気抵抗が低く、セルとした時に集電ロスが少なくなる、最適な焼成温度が近く、電解質層との同時焼成が容易である、機械的強度が高い、等の理由から、カソード3よりもアノード2を基板とすることが好ましい。この場合、図1に示すように、アノード2を基板とし、その表面に、複合型固体電解質1の第一層1aおよび第二層1b、カソード3を、それぞれ、基板としてのアノード2よりも薄い層として、この順に積層すればよい。   In the fuel cell unit cell 10, even if the electrolyte layer is of a self-supporting membrane type, the anode 2 or the cathode 3 is used as a substrate, and the thin-film composite solid electrolyte 1 layer formed thinner than the thickness of the substrate is used. It may be a support film type supported by a substrate. From the viewpoint of reducing the electric resistance of the electrolyte layer, it is preferable to use a support membrane type that can thin the layer of the composite solid electrolyte 1. The anode is better than the cathode 3 because of its low electrical resistance, low current collection loss when it is made into a cell, close to optimum firing temperature, easy co-firing with electrolyte layer, high mechanical strength, etc. 2 is preferably the substrate. In this case, as shown in FIG. 1, the anode 2 is a substrate, and the first layer 1a and the second layer 1b of the composite solid electrolyte 1 and the cathode 3 are thinner on the surface than the anode 2 as the substrate. The layers may be stacked in this order.

複合型固体電解質1の第一層1aを構成する固体電解質材料は、800℃を超える温度領域でも、アノード2側ではプロトン伝導が優勢となる。このため、単セル10は、一般的なプロトン伝導体で正孔伝導性が発生する800℃以下の動作温度で使用することが好ましい。一方、第一層1aは600℃未満の温度領域でも、薄膜とすれば抵抗は小さく十分な発電特性が得られる。よって、単セル10は、600℃未満の動作温度で使用することも可能である。概ね、単セル10は、400℃〜800℃の温度で使用することが好ましい。   Proton conduction is dominant on the anode 2 side of the solid electrolyte material constituting the first layer 1a of the composite solid electrolyte 1 even in the temperature range exceeding 800 ° C. Therefore, the single cell 10 is preferably used at an operating temperature of 800 ° C. or lower at which hole conductivity is generated with a general proton conductor. On the other hand, even if the first layer 1a is a thin film even in a temperature range below 600 ° C., the resistance is small and sufficient power generation characteristics can be obtained. Thus, the single cell 10 can be used at an operating temperature of less than 600 ° C. In general, the single cell 10 is preferably used at a temperature of 400 ° C to 800 ° C.

[第一層を構成する固体電解質材料の比較]
上記で、第一層1aを構成する固体電解質材料として列挙したBaZrO系材料(BZYb等),SrZrO系材料(SZY等),CaZrO系材料(CZI等),LaScO系材料(LSSc等),LaYbO系材料(LSYbIn等)は、いずれも、高いメタン耐性と、ある程度高いプロトン伝導性を有するため、第二層1bと接合して、複合型固体電解質1とすることで、高いメタン耐性とプロトン伝導性を両立する固体電解質を得ることができる。また、そのような複合型固体電解質1を用いて、プロトン伝導燃料電池単セル10を構成することで、メタンを燃料ガスとして用いて発電を行った際に、発電特性と耐久性に優れたプロトン伝導燃料電池となる。
[Comparison of solid electrolyte materials constituting the first layer]
The BaZrO 3 -based materials (BZYb, etc.), SrZrO 3 -based materials (SZY, etc.), CaZrO 3 -based materials (CZI, etc.), LaScO 3 -based materials (LSSc, etc.) listed above as the solid electrolyte materials constituting the first layer 1a ), LaYbO 3 -based materials (LSYbIn, etc.) all have high methane resistance and high proton conductivity to some extent. Therefore, by joining the second layer 1b to form the composite solid electrolyte 1, high methane A solid electrolyte having both resistance and proton conductivity can be obtained. Further, by forming the proton conductive fuel cell single cell 10 using such a composite solid electrolyte 1, protons having excellent power generation characteristics and durability when generating power using methane as a fuel gas. It becomes a conduction fuel cell.

上記材料のうち、特に、BaZrO系材料,SrZrO系材料,CaZrO系材料,LaYbO系材料を第一層1aとして用いた場合に、高いメタン耐性を得ることができる。つまり、燃料電池単セル10において、メタンを燃料ガスとして、長期間発電を行った際に、長時間の発電を経た後でも、高い出力電圧を得ることができる。 Among these materials, in particular, when BaZrO 3 -based material, SrZrO 3 -based material, CaZrO 3 -based material, and LaYbO 3 -based material are used as the first layer 1a, high methane resistance can be obtained. That is, in the single fuel cell 10, when power generation is performed for a long time using methane as a fuel gas, a high output voltage can be obtained even after long-time power generation.

上記4種のうち、BaZrO系材料,SrZrO系材料,LaYbO系材料を用いた場合においては、メタンを用いた発電中の時間の経過に伴う出力電圧の低下の程度(初期状態における出力電圧に対する割合としての、出力電圧の低下量)は、ある程度高いものの、発電に使用する前の初期状態における起電力が高いことにより、メタンを用いた発電を経て、ある程度の出力低下が起こっても、高い出力電圧を維持することができる。これら3種のうち、BaZrO系材料およびSrZrO系材料は、LaYbO系材料に比べると、メタンを用いた発電による出力電圧の低下の程度が比較的小さく、好適に用いることができる。 Of the above four types, when BaZrO 3 -based material, SrZrO 3 -based material, and LaYbO 3 -based material are used, the degree of decrease in output voltage with the passage of time during power generation using methane (output in the initial state) The amount of decrease in output voltage as a percentage of voltage) is high to a certain extent, but even if the output drops to some extent through power generation using methane due to the high electromotive force in the initial state before use for power generation, High output voltage can be maintained. Of these three types, BaZrO 3 -based materials and SrZrO 3 -based materials can be suitably used because the degree of decrease in output voltage due to power generation using methane is relatively small compared to LaYbO 3 -based materials.

一方、上記4種のうち、CaZrO系材料を用いた場合には、初期状態における起電力の値は、BaZrO系材料,SrZrO系材料,LaYbO系材料に比べて低いものの、非常に高いメタン耐性を有するため、メタンを用いた発電中の時間の経過に伴う出力電圧の低下の程度が、非常に小さくなっている。そのため、初期状態における値に近い出力電圧を、発電中、長期にわたって維持することができる。よって、特に長い時間にわたって発電を継続する場合には、CaZrO系材料を用いた場合の出力電圧が、BaZrO系材料,SrZrO系材料,LaYbO系材料を用いた場合の出力電圧に比べて、初期値において低くても、時間の経過に伴って、それら3種の場合の出力電圧を上回るようになる逆転現象が起こりうる。よって、長期耐久性の観点では、4種のうちで、CaZrO系材料が最も好ましい。 On the other hand, among the above four types, when a CaZrO 3 system material is used, the value of electromotive force in the initial state is very low compared to BaZrO 3 material, SrZrO 3 system material, and LaYbO 3 system material. Since it has high methane resistance, the degree of decrease in output voltage with the passage of time during power generation using methane is very small. Therefore, an output voltage close to the value in the initial state can be maintained over a long period during power generation. Therefore, when continuing the power generation over a particularly long time, the output voltage in the case of using CaZrO 3 based material, compared with the output voltage in the case of using BaZrO 3 based material, SrZrO 3 based materials, the LaYbO 3 based material Thus, even if the initial value is low, a reversal phenomenon that exceeds the output voltage of these three types may occur with time. Therefore, from the viewpoint of long-term durability, CaZrO 3 -based material is most preferable among the four types.

CaZrO系材料の高いメタン耐性は、第二層1bからのCe原子の拡散の起こりにくさによるものであると考えられる。後に実施例として示すように、メタンを用いた発電を行った後の複合型固体電解質1において、第一層1aと第二層1bの接合界面におけるCeの分布を確認すると、第一層1aが、BaZrO系材料,SrZrO系材料,LaScO系材料よりなる場合には、第二層1bを構成するBaCeO系材料またはBaZrCeO系材料のCe原子が、第一層1aに拡散し、第一層1aにも分布するようになる。また、分解生成物として、CeOが生じる。これに対し、第一層1aが、CaZrO系材料よりなる場合には、第二層1bからのCe原子の拡散は、起こりにくい。CeOの形成も起こらない。第一層1aへのCe原子の拡散や、CeOの形成によって、第一層1aおよび第二層1bを構成する材料に変性が起こり、複合型固体電解質1のプロトン伝導性を低下させる原因となると考えられ、それらの現象を起こしにくいCaZrO系材料を第一層1aとして用いることで、単セル10において、メタンを用いた発電を長時間継続しても、初期状態からの出力電圧の低下がほぼ起こらず、高いメタン耐性が発揮される。 It is considered that the high methane resistance of the CaZrO 3 based material is due to the difficulty of diffusion of Ce atoms from the second layer 1b. As will be shown later as an example, in the composite solid electrolyte 1 after power generation using methane, when the distribution of Ce at the junction interface between the first layer 1a and the second layer 1b is confirmed, the first layer 1a is , BaZrO 3 based material, SrZrO 3 based material, if made of LASCO 3 based materials, Ce atoms BaCeO 3 based material or BaZrCeO 3 based material constituting the second layer 1b is diffused into the first layer 1a, It is also distributed in the first layer 1a. Further, CeO 2 is generated as a decomposition product. In contrast, when the first layer 1a is made of a CaZrO 3 -based material, diffusion of Ce atoms from the second layer 1b hardly occurs. No formation of CeO 2 occurs. Due to the diffusion of Ce atoms into the first layer 1a and the formation of CeO 2 , the materials constituting the first layer 1a and the second layer 1b are denatured, causing the proton conductivity of the composite solid electrolyte 1 to decrease. By using a CaZrO 3 -based material that is unlikely to cause these phenomena as the first layer 1a, even if power generation using methane is continued for a long time in the single cell 10, the output voltage decreases from the initial state. Hardly occurs, and high methane resistance is exhibited.

CaZrO系材料を第一層1aとした場合の、第二層1bからのCe原子の拡散の起こりにくさの理由は、以下のように説明することができる。BaやSrについては、それぞれ、ZrO系化合物(ジルコネート)とCeO系化合物(セレート)の両方が、安定な化合物として存在している。よって、第一層1aに、BaまたはSrのZrO系化合物が存在している場合に、第二層1bからCeが拡散すれば、第一層1aにおいて、CeO系化合物を形成することができる。そのため、第二層1bから第一層1aのCe原子の拡散が進行しやすくなる。これに対し、Caは、安定なZrO系化合物を形成するものの、CeO系化合物としては、安定に存在しない。よって、第一層1aに、CaのZrO系化合物が存在している場合に、第二層1bからCeが拡散しても、安定な化合物を形成することができない。そのため、CaZrO系材料よりなる第一層1aへのCeの拡散は起こりにくい。 The reason why it is difficult for Ce atoms to diffuse from the second layer 1b when the CaZrO 3 -based material is the first layer 1a can be explained as follows. As for Ba and Sr, both ZrO 3 -based compounds (zirconate) and CeO 3 -based compounds (selate) exist as stable compounds. Therefore, when a ZrO 3 -based compound of Ba or Sr is present in the first layer 1a, if Ce diffuses from the second layer 1b, a CeO 3 -based compound can be formed in the first layer 1a. it can. Therefore, the diffusion of Ce atoms from the second layer 1b to the first layer 1a easily proceeds. On the other hand, although Ca forms a stable ZrO 3 -based compound, it does not exist stably as a CeO 3 -based compound. Therefore, when a Ca ZrO 3 -based compound is present in the first layer 1a, a stable compound cannot be formed even if Ce diffuses from the second layer 1b. Therefore, diffusion of Ce to the first layer 1a made of the CaZrO 3 system material hardly occurs.

次に、Niの固溶によるホール伝導の割合の増大に着目すると、後の実施例に示すように、発電に使用する前の初期状態においては、BaZrO系材料,SrZrO系材料,LaScO系材料,LaYbO系材料を第一層1aとして用いた場合に、第一層1aを設けない場合と比較して、顕著に高いOCV値が得られる。つまり、アノード2からのNiの固溶によるホール伝導の割合の増大が小さく抑えられている。第一層1aとしてCaZrO系材料を用いる場合にも、上記4種よりは劣るが、初期状態におけるOCV値が向上する。OCV値の向上は、第二層1bを構成する固体電解質へのアノード2のNiの固溶が、ブロッキング層としての第一層1aの存在により、抑制されるためであると考えらえる。 Next, paying attention to an increase in the rate of hole conduction due to Ni solid solution, as shown in a later example, in an initial state before use for power generation, BaZrO 3 -based material, SrZrO 3 -based material, LaScO 3 When a system material, LaYbO 3 system material is used as the first layer 1a, a significantly higher OCV value is obtained compared to the case where the first layer 1a is not provided. In other words, an increase in the rate of hole conduction due to solid solution of Ni from the anode 2 is suppressed to a small level. Even when a CaZrO 3 -based material is used as the first layer 1a, the OCV value in the initial state is improved, although it is inferior to the above four types. The improvement in the OCV value is considered to be because the solid solution of Ni in the anode 2 in the solid electrolyte constituting the second layer 1b is suppressed by the presence of the first layer 1a as a blocking layer.

しかし、メタンを燃料とした発電を長時間行うと、BaZrO系材料,LaScO系材料,LaYbO系材料の場合には、OCV値が低下してしまう。特に、LaYbO系材料の場合の低下が顕著である。一方、SrZrO系材料およびCaZrO系材料の場合には、メタンを燃料とした発電を行った後でも、OCV値の低下の程度が小さく抑えられる。特に、CaZrO系材料の場合には、初期状態からのOCV値の低下が、非常に小さい。これは、メタンを燃料とした発電を経ても、第一層1aが、Niの第二層1bへの固溶を高度に抑制できる状態を維持することによると考えらえる。 However, if power generation using methane as a fuel is performed for a long time, the OCV value decreases in the case of BaZrO 3 -based materials, LaScO 3 -based materials, and LaYbO 3 -based materials. In particular, the decrease in the case of LaYbO 3 -based material is remarkable. On the other hand, in the case of SrZrO 3 -based materials and CaZrO 3 -based materials, the degree of decrease in the OCV value can be suppressed even after power generation using methane as fuel. In particular, in the case of a CaZrO 3 -based material, the decrease in the OCV value from the initial state is very small. This is considered to be due to the fact that the first layer 1a maintains a state in which solid solution of Ni into the second layer 1b can be highly suppressed even after power generation using methane as fuel.

以上のように、第一層1aを構成する材料として、CaZrO系材料を用いた場合には、メタンを燃料とする長期間の発電を行っても、第二層1bから第一層1aへのCe原子の拡散に伴う出力電圧の低下が起こりにくく、かつ、OCVの低下として現れるアノード2からのNiの固溶に伴うホール伝導の割合の増大が起こりにくい。よって、第一層1aを構成する材料として、上記で列挙した群の中で、CaZrO系材料を用いることが、最も好適である。 As described above, when a CaZrO 3 -based material is used as the material constituting the first layer 1a, even if long-term power generation using methane as fuel is performed, the second layer 1b is changed to the first layer 1a. The output voltage due to the diffusion of Ce atoms is unlikely to decrease, and the increase in the rate of hole conduction due to the solid solution of Ni from the anode 2 that appears as a decrease in OCV is unlikely to occur. Therefore, it is most preferable to use a CaZrO 3 -based material among the groups listed above as the material constituting the first layer 1a.

以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail using examples. The present invention is not limited to the following examples.

[実験1:メタンを用いた連続発電特性の評価]
まず、複合型固体電解質のメタン耐性を評価するため、燃料電池単セルにおいて、メタンを用いた発電を行い、連続発電特性を評価した。
[Experiment 1: Evaluation of continuous power generation characteristics using methane]
First, in order to evaluate the methane resistance of the composite solid electrolyte, power generation using methane was performed in a single fuel cell, and the continuous power generation characteristics were evaluated.

(試料の作製)
第一層と第二層を積層して複合した複合型固体電解質を作製した。まず、最初に、第二層となるBaCe0.80.23−δ(BCY)を、固相反応法にて合成した。そして、1300℃、10時間のか焼と、ボールミルでの粉砕を経て、BCY粉末を得た。そのBCY粉末をφ20のディスク状に成形し、1200℃で5時間のか焼を行った。
(Sample preparation)
A composite solid electrolyte was produced by laminating the first layer and the second layer. First, BaCe 0.8 Y 0.2 O 3-δ (BCY) serving as the second layer was synthesized by a solid phase reaction method. Then, after calcination at 1300 ° C. for 10 hours and pulverization with a ball mill, BCY powder was obtained. The BCY powder was molded into a disk shape of φ20 and calcined at 1200 ° C. for 5 hours.

一方、液相法を用いて、第一層となるBaZr0.8Yb0.23−δ(BZYb),SrZr0.90.13−δ(SZY),CaZr0.96In0.043−δ(CZI),La0.9Sr0.1ScO3−δ(LSSc),La0.9Sr0.1Yb0.8In0.23−δ(LSYbIn)を、それぞれ合成した。具体的には、各成分元素を含有する硝酸塩を所定の比率で配合し、蒸留水に溶解した。これを300℃にて攪拌しながら、クエン酸とEDTAを加え、前駆体を合成した。得られた前駆体を、900℃にて10時間か焼し、各電解質材料を得た。得られた電解質材料を粉砕し、エチルセルロースとジエチレングリコールモノブチルエーテルを加えて、ペースト状とした。 On the other hand, using the liquid phase method, BaZr 0.8 Yb 0.2 O 3-δ (BZYb), SrZr 0.9 Y 0.1 O 3-δ (SZY), CaZr 0.96 to be the first layer. In 0.04 O 3-δ (CZI), La 0.9 Sr 0.1 ScO 3-δ (LSSS), La 0.9 Sr 0.1 Yb 0.8 In 0.2 O 3-δ (LSYbIn ) Were synthesized respectively. Specifically, nitrates containing each component element were blended at a predetermined ratio and dissolved in distilled water. While stirring this at 300 ° C., citric acid and EDTA were added to synthesize a precursor. The obtained precursor was calcined at 900 ° C. for 10 hours to obtain each electrolyte material. The obtained electrolyte material was pulverized, and ethyl cellulose and diethylene glycol monobutyl ether were added to obtain a paste.

スクリーンプリント装置を用いて、上記で得た第二層となるBCYディスクに、第一層となる電解質材料のペーストを、厚さ5μmで塗布した。そして、1600℃で10時間の焼結を行い、BCYよりなる第二層と、各電解質材料よりなる第一層を共焼結した複合型固体電解質を得た。以下、「BZYb/BCY」のように、「第一層の構成材料/第二層の構成材料」の形態で、複合型固体電解質の材料構成を表示する。また、比較例として、第一層を形成せず、BCYディスクよりなる第二層のみの状態の固体電解質を準備した。この固体電解質は、「BCY」と表示する。   Using a screen printing apparatus, the paste of the electrolyte material to be the first layer was applied to the BCY disk to be the second layer obtained above with a thickness of 5 μm. And sintering was performed at 1600 degreeC for 10 hours, and the composite type solid electrolyte which co-sintered the 2nd layer which consists of BCY and the 1st layer which consists of each electrolyte material was obtained. Hereinafter, the material configuration of the composite solid electrolyte is displayed in the form of “constituent material of the first layer / constituent material of the second layer” as “BZYb / BCY”. As a comparative example, a solid electrolyte was prepared in which only the second layer made of a BCY disk was formed without forming the first layer. This solid electrolyte is denoted as “BCY”.

そして、ディスク状の固体電解質の第二層(BCY)側の面に、カソード材としてBa0.5Sr0.5Co0.8Fe0.23−δ(BSCF)を積層し、1150℃にて焼成した。また、NiOと、各複合型固体電解質の第一層を構成するのと同じ固体電解質材料(「BCY」試料についてはBCY材料)を、体積比6:4にて混合してサーメットを形成し、アノード材として、ディスク状の固体電解質の第一層側の面に積層した。そして、600℃にて水素処理することでアノードのNiを還元した。このようにして燃料電池単セルの積層体を形成した。 Then, Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O 3-δ (BSCF) is laminated as a cathode material on the surface on the second layer (BCY) side of the disk-shaped solid electrolyte, and 1150 Baked at ℃. Also, NiO and the same solid electrolyte material that constitutes the first layer of each composite solid electrolyte (BCY material for the “BCY” sample) are mixed at a volume ratio of 6: 4 to form a cermet, The anode material was laminated on the surface of the disk-shaped solid electrolyte on the first layer side. Then, Ni at the anode was reduced by hydrogen treatment at 600 ° C. In this way, a stack of fuel cell single cells was formed.

(発電特性の評価)
上記のようにして形成した燃料電池単セルを用いて、発電を行った。この際、アノードには、1.9%HO−CHを供給し、カソードには、1.9%HO−21%O−Nを供給した。このような条件で、燃料電池単セルを、700℃にて、2mAの電流を印加した状態で保持し、出力電圧の経時変化を観測した。
(Evaluation of power generation characteristics)
Electric power was generated using the single fuel cell formed as described above. At this time, 1.9% H 2 O—CH 4 was supplied to the anode, and 1.9% H 2 O-21% O 2 —N 2 was supplied to the cathode. Under such conditions, the single fuel cell was held at 700 ° C. with a current of 2 mA applied, and the change in output voltage with time was observed.

(結果)
図2に、各材料構成を有する固体電解質を用いた燃料電池単セルについて、メタンを用いた発電における連続発電特性、つまり出力電圧の経時変化を示す。図中の不連続点は、詳細な燃料電池特性の評価のため、発電を一旦中断したことよるものである。
(result)
FIG. 2 shows continuous power generation characteristics in power generation using methane, that is, changes with time in output voltage, for a fuel cell single cell using a solid electrolyte having each material structure. The discontinuities in the figure are due to the temporary interruption of power generation for detailed evaluation of fuel cell characteristics.

図2において、まず、発電を開始した際の初期値としての出力電圧に着目する。いずれの材料よりなる第一層を設けた場合についても、固体電解質層がBCYのみよりなる場合に近い電圧値、あるいはそれを上回る電圧値が得られている。このことから、第一層を構成する各固体電解質材料が、プロトン伝導燃料電池を構成するのに十分なプロトン伝導性を有していることが分かる。   In FIG. 2, first, attention is focused on the output voltage as an initial value when power generation is started. In the case where the first layer made of any material is provided, a voltage value close to or higher than the case where the solid electrolyte layer is made only of BCY is obtained. From this, it can be seen that each solid electrolyte material constituting the first layer has sufficient proton conductivity to constitute a proton conducting fuel cell.

また、図2において、各材料構成を用いた連続発電の終盤期における出力電圧に着目すると、いずれの材料よりなる第一層を設けた場合についても、固体電解質がBCYのみよりなる場合よりも、高い出力電圧が維持されている。このことは、第一層を構成する固体電解質材料が、メタンに対して高い耐性を有しており、メタンに対する耐性の低いBCYよりなる第二層の表面に、そのようなメタン耐性の高い材料よりなる第一層を設けることで、第一層が、メタンに対するブロッキング層として機能し、第二層のBCYをメタンとの接触から保護していることを示している。つまり、第一層を設けることで、第二層のBCYがメタンによる劣化を起こしにくくなり、BCYによって発揮される高い発電特性がメタンとの接触で激しく低下する事態が回避されている。   Moreover, in FIG. 2, when paying attention to the output voltage in the final stage of continuous power generation using each material configuration, in the case where the first layer made of any material is provided, the solid electrolyte is made only of BCY. High output voltage is maintained. This is because the solid electrolyte material constituting the first layer has high resistance to methane, and such a material having high resistance to methane is formed on the surface of the second layer made of BCY having low resistance to methane. By providing the first layer, it is shown that the first layer functions as a blocking layer for methane and protects the BCY of the second layer from contact with methane. In other words, the provision of the first layer makes it difficult for the BCY of the second layer to be deteriorated by methane, and the situation in which the high power generation characteristics exhibited by the BCY are drastically reduced by contact with methane is avoided.

さらに、固体電解質を構成する材料ごとに、終盤期における出力電圧を比較すると、電圧値が高いものから低いものへ、以下の順となっている。
BZYb/BCY→SZY/BCY→CZI/BCY→LSYbIn/BCY→LSSc/BCY→BCY
Furthermore, when the output voltage in the end stage is compared for each material constituting the solid electrolyte, the voltage values are from the highest to the lowest in the following order.
BZYb / BCY → SZY / BCY → CZI / BCY → LSYbIn / BCY → LSSS / BCY → BCY

BZYb/BCYおよびSZY/BCYにおいては、長時間のメタンを用いた発電を経ても、特に高い出力電圧が得られているが、これには、発電開始時の出力電圧の初期値が高いことの寄与が大きく、初期値に対する出力電圧の低下の程度に着目すると、他の材料構成と比較して、必ずしも小さくなっていない。これに対して、CZI/BCYは、図2での発電終了時(146時間)における出力値としては、BZYb/BCYおよびSZY/BCYよりも劣るものの、初期値からの出力電圧の低下はほとんど起こっておらず、初期値に対する出力電圧の低下の程度の小ささにおいて、非常に優れている。よって、図2で発電を行っている時間(146時間)よりもさらに長時間の発電を継続すると、CZI/BCYの出力電圧が、BZYb/BCYやSZY/BCYの出力電圧を上回る逆転現象が起こる可能性が高い。つまり、CZI/BCYは、メタンを用いた発電において、特に長期耐久性に優れた材料であると言える。   In BZYb / BCY and SZY / BCY, a particularly high output voltage is obtained even after power generation using methane for a long time. This is because the initial value of the output voltage at the start of power generation is high. The contribution is large, and when attention is paid to the degree of decrease in the output voltage with respect to the initial value, it is not necessarily small as compared with other material configurations. On the other hand, CZI / BCY is inferior to BZYb / BCY and SZY / BCY as output values at the end of power generation (146 hours) in FIG. 2, but almost no decrease in output voltage from the initial value occurs. However, it is excellent in the degree of decrease in the output voltage with respect to the initial value. Therefore, if power generation is continued for a longer time than the time during which power generation is performed in FIG. 2 (146 hours), a reverse phenomenon occurs in which the output voltage of CZI / BCY exceeds the output voltage of BZYb / BCY or SZY / BCY. Probability is high. That is, it can be said that CZI / BCY is a material particularly excellent in long-term durability in power generation using methane.

[実験2:層界面の状態の評価]
次に、上記実験1で観察された、第一層の構成材料ごとのメタン耐性の差の起源を明らかにするため、発電後の複合型固体電解質について、層界面の状態の評価を行った。
[Experiment 2: Evaluation of the state of the layer interface]
Next, in order to clarify the origin of the difference in methane resistance for each constituent material of the first layer observed in Experiment 1, the state of the layer interface was evaluated for the composite solid electrolyte after power generation.

(試料の準備)
上記の実験1において、図2に示す長時間のメタンを用いた発電を行った後の各燃料電池について、固体電解質をディスクの中央付近で切断し、断面試料を作製した。
(Sample preparation)
In the above experiment 1, the solid electrolyte was cut in the vicinity of the center of the disk for each fuel cell after the power generation using the long-term methane shown in FIG.

(層界面の観察)
各断面試料について、第一層と第二層の界面の構造と元素分布を観察した。つまり、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、層界面の構造を観察した。また、SEMを用いたエネルギー分散型X線分光(SEM−EDX)により、第一層と第二層を構成する各元素の、界面における分布を観察した。そして、特にCeに着目して、分布の評価を行った。
(Observation of layer interface)
About each cross-section sample, the structure and element distribution of the interface of the 1st layer and the 2nd layer were observed. That is, the structure of the layer interface was observed using a scanning electron microscope (SEM). Moreover, the distribution at the interface of each element constituting the first layer and the second layer was observed by energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDX) using SEM. And distribution was evaluated especially paying attention to Ce.

また、BZYb/BCY,SZY/BCY,CZI/BCY,LSSc/BCYの各試料については、図2に示す長時間のメタンを用いた発電を行った後の固体電解質に対して、X線回折(XRD)測定を行った。   In addition, for each sample of BZYb / BCY, SZY / BCY, CZI / BCY, and LSSc / BCY, X-ray diffraction (with respect to the solid electrolyte after power generation using methane for a long time shown in FIG. XRD) measurements were made.

(結果)
図3および図4に、各材料構成の複合型固体電解質について、メタンを用いた発電を行った後の界面の状態を示す。各図では、SEM像(左)と、Ceの分布(右)を、同じ領域に対して示している。SEM像中には、各層が占める範囲を表示している。
(result)
3 and 4 show the state of the interface after power generation using methane for the composite solid electrolyte of each material configuration. In each figure, the SEM image (left) and the Ce distribution (right) are shown for the same region. In the SEM image, the range occupied by each layer is displayed.

図3(a)〜(c)および図4(a)に示したBZYb/BCY,SZY/BCY,CZI/BCY,LSYbIn/BCYの各試料においては、SEM像において、第一層と第二層の間に、明瞭な境界が観察されている。つまり、焼結を経て、第一層と第二層が明確な界面で接合された積層構造を有する複合型固体電解質が得られており、かつ、メタンを用いた長時間の発電を経ても、そのような界面の構造が維持されていることが確認される。   In each sample of BZYb / BCY, SZY / BCY, CZI / BCY, and LSYbIn / BCY shown in FIGS. 3A to 3C and FIG. 4A, in the SEM image, the first layer and the second layer A clear boundary is observed between them. In other words, after sintering, a composite solid electrolyte having a laminated structure in which the first layer and the second layer are joined at a clear interface has been obtained, and even after a long period of power generation using methane, It is confirmed that such an interface structure is maintained.

一方、上記各試料におけるCeの分布に着目すると、図3(a)のBZYb/BCYおよび図3(b)のSZY/BCYの場合には、Ceが、BCY層だけでなく、SEMで確認された界面を超えて、第一層のBZYbおよびSZY中にも、BCY層中とほぼ同じ濃度で、広く分布している。つまり、メタンを用いた発電を経て、第二層を構成するBCY中のCeが、BZYbやSZYよりなる第一層に拡散している。また、BZYb/BCYおよびSZY/BCYについては、XRD測定の結果において、CeO相の形成が確認された。図4(a)のLSYbIn/BCYについても、BZYb/BCYおよびSZY/BCYの場合ほど顕著ではないが、Ceの分布像において、第一層にCeの分布が観察されており、第二層からのCeの拡散が起こっていることが確認される。 On the other hand, paying attention to the distribution of Ce in each sample, in the case of BZYb / BCY in FIG. 3A and SZY / BCY in FIG. 3B, Ce is confirmed not only in the BCY layer but also in the SEM. Beyond the interface, the BZYb and SZY of the first layer are also widely distributed at substantially the same concentration as in the BCY layer. That is, through power generation using methane, Ce in BCY constituting the second layer is diffused into the first layer made of BZYb or SZY. For BZYb / BCY and SZY / BCY, the formation of CeO 2 phase was confirmed in the results of XRD measurement. The LSYbIn / BCY in FIG. 4 (a) is not as remarkable as in the case of BZYb / BCY and SZY / BCY, but in the Ce distribution image, the distribution of Ce is observed in the first layer, and from the second layer. It is confirmed that the diffusion of Ce is occurring.

これに対し、図3(c)のCZI/BCYの場合には、SEMで確認される界面のBCY層側の領域に、Ceが高い濃度で分布している。CZI層にも、Ceが分布しているが、その濃度は、BCY層中よりも低くなっている。つまり、上記のBZYb/BCYおよびSZY/BCYの場合よりも、層界面を挟んだCeの拡散が、抑制されていることが分かる。また、CZI/BCYの場合には、XRD測定において、CeO相は観察されなかった。 On the other hand, in the case of CZI / BCY in FIG. 3C, Ce is distributed at a high concentration in the region on the BCY layer side of the interface confirmed by SEM. Ce is also distributed in the CZI layer, but its concentration is lower than in the BCY layer. That is, it can be seen that the diffusion of Ce across the layer interface is suppressed as compared with the cases of BZYb / BCY and SZY / BCY. In the case of CZI / BCY, no CeO 2 phase was observed in the XRD measurement.

以上の結果から、BZYb/BCY,SZY/BCY,LSYbIn/BCYにおいては、層界面でのCeの顕著な拡散と、分解生成物としてのCeOの生成が起こっていることにより、図2の耐久試験で見られたように、長時間のメタンを用いた発電を行った際に、BCYを単独で用いた場合よりは劣化および出力電圧低下が顕著に抑えられるものの、複合型固体電解質全体が劣化し、出力電圧が低下すると考えられる。一方、CZI/BCYにおいては、BCYからCZIへのCeの拡散とCeO相の生成が抑制されていることにより、図2の耐久試験で見られたように、長時間のメタンを用いた発電を経ても、複合型固体電解質が初期の状態を維持しやすく、出力電圧の低下がほとんど起こらないと考えられる。このように、Ceの拡散の起こりにくさが、CZI/BCYの高いメタン耐性の起源となっていると考えられる。CZI/BCYの界面でCeの拡散が起こりにくいのは、上記のように、Caが、BaやSrと異なり、安定なCeO系化合物を作らないためであると推測される。 From the above results, in BZYb / BCY, SZY / BCY, and LSYbIn / BCY, due to the remarkable diffusion of Ce at the layer interface and the generation of CeO 2 as a decomposition product, the durability of FIG. As seen in the test, when the power generation using methane is performed for a long time, the deterioration and the output voltage drop are significantly suppressed as compared with the case of using BCY alone, but the entire composite solid electrolyte is deteriorated. However, the output voltage is considered to decrease. On the other hand, in CZI / BCY, since the diffusion of Ce from BCY to CZI and the generation of CeO 2 phase are suppressed, power generation using methane for a long time as seen in the endurance test of FIG. Even if it passes through, it is thought that a composite type solid electrolyte is easy to maintain an initial state, and the fall of an output voltage hardly arises. Thus, the difficulty of Ce diffusion is considered to be the origin of the high methane resistance of CZI / BCY. The reason why Ce does not easily diffuse at the CZI / BCY interface is presumed to be because Ca does not form a stable CeO 3 -based compound unlike Ba and Sr as described above.

図4(b)のLSSc/BCYの場合には、SEM像において、BCY層とLSSc層の間に、平坦な境界面が形成されておらず、両層の境界が、明瞭になっていない。このような明確な界面を有さない構造は、発電を行う初期状態から見られており、複合型固体電解質を形成する際の焼成により、既にBCY層とLSSc層の間で相互拡散が起こっていると考えられる。そのような界面構造の乱れに対応して、Ceの分布も、明確な境界を有さないものとなっている。このような界面における構造および元素分布の乱れは、図2の連続発電特性の測定結果で見られたように、初期状態から出力電圧が低く、さらに発電継続中における初期状態からの出力電圧の低下の程度が、他の複合型固体電解質の場合よりも大きくなっているという挙動に、対応付けることができる。XRDにおいても、CeO相の形成が確認された。 In the case of LSSc / BCY in FIG. 4B, a flat boundary surface is not formed between the BCY layer and the LSSc layer in the SEM image, and the boundary between both layers is not clear. Such a structure having no clear interface is seen from the initial state in which power generation is performed, and the interdiffusion has already occurred between the BCY layer and the LSSc layer due to the firing in forming the composite solid electrolyte. It is thought that there is. Corresponding to such disturbance of the interface structure, the Ce distribution does not have a clear boundary. As shown in the measurement result of the continuous power generation characteristic in FIG. 2, the disturbance of the structure and element distribution at the interface is such that the output voltage is low from the initial state, and further, the output voltage is decreased from the initial state while the power generation is continued. Can be associated with the behavior that the degree of is higher than in the case of other composite solid electrolytes. Also in XRD, the formation of CeO 2 phase was confirmed.

[実験3:プロトン伝導の寄与の評価]
最後に、複合型固体電解質へのNiの固溶によるプロトン伝導性の低下と相対的なホール伝導の増大の程度を評価するため、燃料電池単セルにおいて、OCV測定を行った。
[Experiment 3: Evaluation of contribution of proton conduction]
Finally, in order to evaluate the degree of decrease in proton conductivity and relative increase in hole conductivity due to solid solution of Ni in the composite solid electrolyte, OCV measurement was performed in a single fuel cell.

(試料の準備)
上記の実験1において連続発電特性を評価した各燃料電池単セルを、OCV測定のための試料としても、利用した。
(Sample preparation)
Each fuel cell single cell whose continuous power generation characteristics were evaluated in Experiment 1 was also used as a sample for OCV measurement.

(OCV測定)
各試料について、図2に示した連続発電特性の評価を行う前の初期状態と、メタンを用いた長時間の発電を行った後の状態において、OCV測定を行った。なお、発電の継続時間は、BCYについては96時間、LSYbIn/BCYについては144時間、それ以外の試料については168時間であった。
(OCV measurement)
For each sample, OCV measurement was performed in the initial state before the evaluation of the continuous power generation characteristics shown in FIG. 2 and in the state after long-time power generation using methane. The duration of power generation was 96 hours for BCY, 144 hours for LSYbIn / BCY, and 168 hours for the other samples.

OCV測定に際して、アノードには、1.9%HO−CHを供給し、カソードには、1.9%HO−21%O−Nを供給しながら、700℃にて、電流―電圧特性を測定した。そして、電流が流れていないときの電圧値を、OCVとして記録した。 In the OCV measurement, 1.9% H 2 O—CH 4 was supplied to the anode and 1.9% H 2 O-21% O 2 —N 2 was supplied to the cathode at 700 ° C. The current-voltage characteristics were measured. The voltage value when no current was flowing was recorded as OCV.

(結果)
図5に、各材料構成を有する固体電解質を用いた場合について、初期状態および発電後の状態におけるOCVの値を示す。
(result)
FIG. 5 shows OCV values in the initial state and the state after power generation in the case of using a solid electrolyte having each material structure.

図5によると、いずれの複合型固体電解質においても、初期状態において、BCYのみよりなる固体電解質を用いた場合と比較して、OCV値が上昇している。このことは、アノード形成のための加熱時に、アノードに含まれるNiが、BCYに固溶し、ホール伝導の割合を増加させることによるプロトン輸率の低下が、BCYよりなる第二層の表面に各種固体電解質材料よりなる第一層を設け、第一層でアノードと接触させることによって、抑制されていることを示している。特に、LSSc/BCY,BZYb/BCY,SZY/BCYの場合に、そのような効果が顕著になっている。   According to FIG. 5, in any of the composite type solid electrolytes, the OCV value is increased in the initial state as compared with the case where the solid electrolyte consisting only of BCY is used. This is because Ni contained in the anode is dissolved in BCY at the time of heating for forming the anode, and a decrease in proton transport number due to an increase in the hole conduction ratio is caused on the surface of the second layer made of BCY. It shows that it is suppressed by providing a first layer made of various solid electrolyte materials and contacting the anode with the first layer. In particular, in the case of LSSc / BCY, BZYb / BCY, SZY / BCY, such an effect is remarkable.

一方、メタンを用いた長時間の発電後のOCV値を、初期状態の値と比較すると、いずれの複合型固体電解質においても、発電を経て、値が低下している。特に、LSYbIn/BCYにおいて、低下が顕著になっている。一方、SZY/BCYおよびCZI/BCYにおいては、発電を経た際のOCV値の低下の程度が小さくなっている。これら2種の複合型固体電解質においては、発電を経ても、BCYへのNiの固溶が抑制された状態が、高度に維持されていると解釈される。特に、CZI/BCYにおいては、OCV値の低下の程度が非常に小さく、上記実験1のメタン耐性の試験において確認された高いメタン耐性と併せて、メタンを用いた発電に特に好適に利用できる材料であると言える。   On the other hand, when the OCV value after long-time power generation using methane is compared with the value in the initial state, the value is lowered after power generation in any of the composite solid electrolytes. In particular, the decrease is significant in LSYbIn / BCY. On the other hand, in SZY / BCY and CZI / BCY, the degree of decrease in the OCV value upon power generation is small. In these two types of composite solid electrolytes, it is interpreted that the state in which the solid solution of Ni in BCY is suppressed is highly maintained even after power generation. In particular, in CZI / BCY, the degree of decrease in the OCV value is very small, and in addition to the high methane resistance confirmed in the methane resistance test of Experiment 1, a material that can be particularly suitably used for power generation using methane. It can be said that.

本発明は上記実施形態および実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。   The present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

1 プロトン伝導性固体電解質(複合型固体電解質)
1a 第一層
1b 第二層
2 アノード
3 カソード
10 プロトン伝導燃料電池(単セル)
1 Proton conductive solid electrolyte (composite solid electrolyte)
1a 1st layer 1b 2nd layer 2 Anode 3 Cathode 10 Proton conduction fuel cell (single cell)

Claims (9)

BaZrO系、SrZrO系、CaZrO系、LaScO系、LaYbO系より選択されるプロトン伝導性固体電解質材料よりなる第一層と、
BaCeO系またはBaCeZrO系のプロトン伝導性固体電解質材料よりなる第二層と、が接合されていることを特徴とするプロトン伝導性固体電解質。
A first layer made of a proton conductive solid electrolyte material selected from a BaZrO 3 system, a SrZrO 3 system, a CaZrO 3 system, a LaScO 3 system, and a LaYbO 3 system;
A proton conductive solid electrolyte, characterized in that a second layer made of a BaCeO 3 -based or BaCeZrO 3 -based proton conductive solid electrolyte material is joined.
前記第一層は、BaZrO系、SrZrO系、CaZrO系より選択されるプロトン伝導性固体電解質材料よりなることを特徴とする請求項1に記載のプロトン伝導性固体電解質。 2. The proton conductive solid electrolyte according to claim 1, wherein the first layer is made of a proton conductive solid electrolyte material selected from a BaZrO 3 system, a SrZrO 3 system, and a CaZrO 3 system. 前記第一層は、CaZrO系プロトン伝導性固体電解質材料よりなることを特徴とする請求項1または2に記載のプロトン伝導性固体電解質。 The proton conductive solid electrolyte according to claim 1, wherein the first layer is made of a CaZrO 3 -based proton conductive solid electrolyte material. 前記第二層は、BaCeO系プロトン伝導性固体電解質材料よりなることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のプロトン伝導性固体電解質。 4. The proton conductive solid electrolyte according to claim 1, wherein the second layer is made of a BaCeO 3 -based proton conductive solid electrolyte material. 5. 前記BaZrO系、SrZrO系、CaZrO系、LaScO系、LaYbO系のプロトン伝導性固体電解質材料は、それぞれ、BaZr1−xYb3−δ、SrZr1−x3−δ、CaZr1−xIn3−δ、La1−xSrScO3−δ、La1−xSrYb1−yIn3−δよりなることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のプロトン伝導性固体電解質。
ただし、0<x≦0.2、0<y<1であり、δは酸素空孔量である。
The BaZrO 3 -based, SrZrO 3 -based, CaZrO 3 -based, LaScO 3 -based, LaYbO 3 -based proton conductive solid electrolyte materials are BaZr 1-x Yb x O 3-δ , SrZr 1-x Y x O 3, respectively. -δ, CaZr 1-x In x O 3-δ, La 1-x Sr x ScO 3-δ, La 1-x Sr x Yb 1-y In y O 3-δ claims, characterized in that consisting of 5. The proton conductive solid electrolyte according to any one of 1 to 4.
However, 0 <x ≦ 0.2, 0 <y <1, and δ is the amount of oxygen vacancies.
前記第二層は、前記第一層よりも厚いことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載のプロトン伝導性固体電解質。   The proton conductive solid electrolyte according to any one of claims 1 to 5, wherein the second layer is thicker than the first layer. 請求項1から6のいずれか1項に記載のプロトン伝導性固体電解質と、
前記プロトン伝導性固体電解質の前記第一層側に設けられたアノードと、
前記プロトン伝導性固体電解質の前記第二層側に設けられたカソードと、を有することを特徴とするプロトン伝導燃料電池。
The proton conductive solid electrolyte according to any one of claims 1 to 6,
An anode provided on the first layer side of the proton conductive solid electrolyte;
And a cathode provided on the second layer side of the proton conductive solid electrolyte.
前記アノードは、Niを含む材料よりなることを特徴とする請求項7に記載のプロトン伝導燃料電池。   The proton conductive fuel cell according to claim 7, wherein the anode is made of a material containing Ni. 前記アノードを基板とし、
前記基板の表面に、前記第一層、前記第二層、前記カソードが、それぞれ前記基板よりも薄い層として、この順に設けられていることを特徴とする請求項7または8に記載のプロトン伝導燃料電池。
The anode as a substrate,
The proton conduction according to claim 7 or 8, wherein the first layer, the second layer, and the cathode are provided on the surface of the substrate in this order as layers thinner than the substrate, respectively. Fuel cell.
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