JP2024036893A - Method for producing perovskite oxide, method for producing perovskite oxide precursor, method for producing fuel cell - Google Patents

Method for producing perovskite oxide, method for producing perovskite oxide precursor, method for producing fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP2024036893A
JP2024036893A JP2022141433A JP2022141433A JP2024036893A JP 2024036893 A JP2024036893 A JP 2024036893A JP 2022141433 A JP2022141433 A JP 2022141433A JP 2022141433 A JP2022141433 A JP 2022141433A JP 2024036893 A JP2024036893 A JP 2024036893A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
perovskite oxide
ions
aqueous solution
raw material
oxide precursor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2022141433A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
昌史 森
マリック隆磨 松田
俊広 森賀
啓一郎 村井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Central Research Institute of Electric Power Industry
University of Tokushima NUC
Original Assignee
Central Research Institute of Electric Power Industry
University of Tokushima NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Central Research Institute of Electric Power Industry, University of Tokushima NUC filed Critical Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority to JP2022141433A priority Critical patent/JP2024036893A/en
Publication of JP2024036893A publication Critical patent/JP2024036893A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

【課題】バリウム成分の揮発を抑制できる低い温度で焼結でき、単一相のペロブスカイト酸化物が得られやすく、原料として使用する希土類元素成分とバリウム成分とジルコニウム成分の割合によって、焼成後の焼結体に含まれるペロブスカイト酸化物の組成を精度よく制御できる製造方法を提供する。【解決手段】希土類元素のイオンと、バリウムイオンと、ジルコニウムイオンとを含有する原料水溶液を調製し、原料水溶液中の希土類元素のイオンとバリウムイオンとジルコニウムイオンの0.5倍~20倍の水酸化アンモニウムと炭酸水素アンモニウムとを含み、前記水酸化アンモニウム1モルに対する前記炭酸水素アンモニウムのモル数が0.08モル~0.45モルである沈殿剤を、原料水溶液に添加して混合液とすることによりペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させ、ペロブスカイト酸化物前駆体を焼成するペロブスカイト酸化物の製造方法とする。【選択図】なし[Problem] Sintering can be performed at a low temperature that suppresses the volatilization of the barium component, and a single-phase perovskite oxide can be easily obtained. A manufacturing method is provided in which the composition of perovskite oxide contained in a solid can be precisely controlled. [Solution] A raw material aqueous solution containing rare earth element ions, barium ions, and zirconium ions is prepared, and the amount of water is 0.5 to 20 times as large as the rare earth element ions, barium ions, and zirconium ions in the raw material aqueous solution. A precipitant containing ammonium oxide and ammonium hydrogen carbonate, in which the number of moles of ammonium hydrogen carbonate is 0.08 to 0.45 mole per mole of ammonium hydroxide, is added to the raw material aqueous solution to form a mixed solution. In this method, a perovskite oxide precursor is precipitated, and the perovskite oxide precursor is fired. [Selection diagram] None

Description

本発明は、ペロブスカイト酸化物の製造方法、ペロブスカイト酸化物前駆体の製造方法およびこれを用いた燃料電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a perovskite oxide, a method for producing a perovskite oxide precursor, and a method for producing a fuel cell using the same.

固体酸化物型燃料電池(SOFC)は、動作温度が、700℃~1000℃と高温である。このため、固体酸化物型燃料電池(SOFC)では、動作温度を低くすることが要求されている。電解質としてプロトン伝導体電解質を使用したプロトン伝導性セラミック燃料電池(PCFC)は、電解質として酸化物イオン伝導体を使用した固体酸化物型燃料電池と比較して、動作温度を低くできる。また、プロトン伝導性セラミック燃料電池(PCFC)は、高いエネルギー効率が得られる燃料電池として期待されている。 A solid oxide fuel cell (SOFC) has a high operating temperature of 700°C to 1000°C. For this reason, solid oxide fuel cells (SOFCs) are required to have lower operating temperatures. Proton conducting ceramic fuel cells (PCFCs) using proton conductor electrolytes as electrolytes can have lower operating temperatures compared to solid oxide fuel cells using oxide ion conductors as electrolytes. Furthermore, proton conducting ceramic fuel cells (PCFCs) are expected to be a fuel cell that provides high energy efficiency.

従来、プロトン伝導性セラミック燃料電池(PCFC)の電解質に使用されるプロトン伝導体電解質としては、希土類元素を添加したバリウムジルコネートなどのペロブスカイト酸化物が用いられている。ペロブスカイト酸化物からなるプロトン伝導体電解質の製造方法としては、例えば、以下に示す方法がある。 Conventionally, perovskite oxides such as barium zirconate doped with rare earth elements have been used as proton conductor electrolytes for proton conductive ceramic fuel cells (PCFCs). As a method for producing a proton conductor electrolyte made of perovskite oxide, there are, for example, the following methods.

特許文献1には、イットリウムがドープされたバリウムセレート-ジルコネート(BCZY)の製造方法が記載されている。具体的には、所定の組成の試片を約1,300℃で約10時間1次か焼し、粉末にした後、再成形した試片を約1,400℃で約10時間2次か焼した結果が記載されている。図2(a)には、1次か焼のみを経た状態で測定した結果が記載され、バリウムソース(BaCO)の未反応相が残存することが記載されている。図2(b)には、2次か焼まで経た状態で測定した結果が記載され、未反応相が全て除去されたことが記載されている。 Patent Document 1 describes a method for producing yttrium-doped barium cerate-zirconate (BCZY). Specifically, a specimen with a predetermined composition was first calcined at approximately 1,300°C for approximately 10 hours to form a powder, and then the remolded specimen was calcined for a second time at approximately 1,400°C for approximately 10 hours. The baking results are listed. FIG. 2(a) shows the results measured after only the first calcination, and it is stated that an unreacted phase of barium source (BaCO 3 ) remains. FIG. 2(b) shows the results of measurements taken after the secondary calcination, and states that all unreacted phases were removed.

特許文献2の実施例1には、BaZr0.4Sc0.63-δで表されるスカンジウム添加ジルコン酸バリウムを調製したことが記載されている。具体的には、原料混合物を含む反応溶液を加熱処理して得た固形物を加熱し、900℃に到達してから10時間焼成した後、粉砕してペレット状に成形し、1,600℃で24時間加熱処理することにより、単一のペロブスカイト構造を有する焼結体を得たことが記載されている。 Example 1 of Patent Document 2 describes the preparation of scandium-doped barium zirconate represented by BaZr 0.4 Sc 0.6 O 3-δ H y . Specifically, a solid obtained by heat-treating a reaction solution containing a raw material mixture is heated, and after reaching 900°C, it is fired for 10 hours, then pulverized and formed into pellets, and heated to 1,600°C. It is described that a sintered body having a single perovskite structure was obtained by heat treatment for 24 hours.

特開2018-190730号公報Japanese Patent Application Publication No. 2018-190730 国際公開第2021/085366号International Publication No. 2021/085366

JCPDS Ref. : Mather, G., Inst. De Ceramica y Vidrio, CSIC,Madrid, Spain ; Antunes, I., Dept. of Materials and Ceramic Engineering, CICECO, Univ. of Aveiro, Portugal ; Fagg, D., Nanotechnology Research Division, Centre of Mechanical Technology and Automation, Univ. of Aveiro, Portugal. Private Communication (2012))JCPDS Ref. : Mather, G., Inst. De Ceramica y Vidrio, CSIC,Madrid, Spain; Antunes, I., Dept. of Materials and Ceramic Engineering, CICECO, Univ. of Aveiro, Portugal; Fagg, D., Nanotechnology Research Division, Center of Mechanical Technology and Automation, Univ. of Aveiro, Portugal. Private Communication (2012))

従来、プロトン伝導体電解質として使用されるペロブスカイト酸化物として、希土類元素を添加したバリウムジルコネートがある。これを含むプロトン伝導性セラミック燃料電池(PCFC)の電解質層を形成する場合、希土類元素を添加したバリウムジルコネートの組成に対応する成分を含む電解質材料を所定の形状に成形し、1,400℃以上の高温で焼成している。これは、希土類元素を添加したバリウムジルコネートが、焼結し難い性質を有するためである。 A perovskite oxide conventionally used as a proton conductor electrolyte is barium zirconate doped with rare earth elements. When forming the electrolyte layer of a proton-conducting ceramic fuel cell (PCFC) containing this, an electrolyte material containing components corresponding to the composition of barium zirconate added with rare earth elements is molded into a predetermined shape and heated to 1,400°C. It is fired at higher temperatures. This is because barium zirconate added with rare earth elements has a property of being difficult to sinter.

しかしながら、希土類元素を添加したバリウムジルコネート中のバリウム成分は、希土類元素を添加したバリウムジルコネートが1,300℃超の高温になると揮発する。したがって、従来の製造方法では、焼成前の電解質材料と焼成後の焼結体からなる電解質層とでは、バリウム含有量が変化する。このため、電解質材料の原料として使用する元素の割合によって、焼成後の希土類元素を添加したバリウムジルコネートの組成を制御することは困難であり、所望の組成を有する希土類元素を添加したバリウムジルコネートが得られない場合があった。その結果、希土類元素を添加したバリウムジルコネートを、プロトン伝導体電解質として使用したプロトン伝導性セラミック燃料電池において、プロトン伝導性などの特性が不十分となる場合があった。 However, the barium component in the rare earth element-added barium zirconate evaporates when the rare earth element-added barium zirconate reaches a high temperature of over 1,300°C. Therefore, in the conventional manufacturing method, the barium content changes between the electrolyte material before firing and the electrolyte layer made of the sintered body after firing. For this reason, it is difficult to control the composition of rare-earth element-added barium zirconate after firing depending on the ratio of elements used as raw materials for electrolyte materials, and rare-earth element-added barium zirconate having a desired composition is difficult to control. There were cases where it was not possible to obtain As a result, in proton conductive ceramic fuel cells that use barium zirconate added with rare earth elements as a proton conductor electrolyte, properties such as proton conductivity may be insufficient.

また、プロトン伝導性セラミック燃料電池(PCFC)として、空気極(正極)と、燃料極(負極)と、空気極と燃料極との間に配置された電解質層とを含む積層構造からなるセル部材を有するものがある。このようなプロトン伝導性セラミック燃料電池(PCFC)の電解質層が、希土類元素を添加したバリウムジルコネートを含む場合、以下に示す方法を用いて製造する場合がある。 In addition, as a proton conductive ceramic fuel cell (PCFC), a cell member consisting of a laminated structure including an air electrode (positive electrode), a fuel electrode (negative electrode), and an electrolyte layer disposed between the air electrode and the fuel electrode There are some that have When the electrolyte layer of such a proton conducting ceramic fuel cell (PCFC) contains barium zirconate added with a rare earth element, it may be manufactured using the method shown below.

すなわち、空気極(正極)となる電極材料を成形してなる層と、希土類元素を添加したバリウムジルコネートの組成に対応する成分を含む電解質材料を成形してなる層と、燃料極(負極)となる電極材料を成形してなる層とを、この順に積層して積層体とする。その後、積層体を焼成することにより、空気極と電解質層と燃料極とが積層された焼結体を得る。 That is, a layer formed by molding an electrode material that will become an air electrode (positive electrode), a layer formed by molding an electrolyte material containing components corresponding to the composition of barium zirconate added with rare earth elements, and a fuel electrode (negative electrode). The layers formed by molding the electrode materials are laminated in this order to form a laminate. Thereafter, the laminate is fired to obtain a sintered body in which the air electrode, the electrolyte layer, and the fuel electrode are stacked.

しかしながら、この方法を用いてプロトン伝導性セラミック燃料電池(PCFC)を製造する場合、以下に示す不都合があった。すなわち、積層体の焼成を1,400℃以上の高温で行う必要があるため、積層体の焼結に伴って、希土類元素を添加したバリウムジルコネートからバリウム成分が揮発したり、電解質材料と、空気極(正極)または燃料極(負極)となる電極材料とが反応したりする。その結果、所望の特性を有するプロトン伝導性セラミック燃料電池が得られない場合があった。 However, when manufacturing a proton conducting ceramic fuel cell (PCFC) using this method, there are the following disadvantages. That is, since it is necessary to sinter the laminate at a high temperature of 1,400°C or higher, the barium component from barium zirconate added with rare earth elements may volatilize as the laminate is sintered, and the electrolyte material and It may react with the electrode material that will become the air electrode (positive electrode) or the fuel electrode (negative electrode). As a result, a proton-conducting ceramic fuel cell having desired characteristics may not be obtained.

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、バリウム成分の揮発を抑制できる低い温度で焼結でき、単一相のペロブスカイト酸化物が得られやすく、原料として使用する希土類元素成分とバリウム成分とジルコニウム成分の割合によって、焼成後の焼結体に含まれるペロブスカイト酸化物の組成を精度よく制御できる製造方法を提供することを目的とする。 The present invention was made in view of the above circumstances, and it can be sintered at a low temperature that suppresses the volatilization of the barium component, it is easy to obtain a single-phase perovskite oxide, and the rare earth element component and barium used as raw materials can be easily obtained. It is an object of the present invention to provide a manufacturing method in which the composition of perovskite oxide contained in a sintered body after firing can be precisely controlled by changing the ratio of the components and the zirconium component.

また、本発明は、バリウム成分の揮発を抑制できる低い温度で焼結でき、単一相のペロブスカイト酸化物が得られやすく、原料として使用する希土類元素成分とバリウム成分とジルコニウム成分の割合によって、焼成後の焼結体に含まれるペロブスカイト酸化物の組成を精度よく制御できるペロブスカイト酸化物前駆体を製造する方法、およびこれを用いた燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。 In addition, the present invention can be sintered at a low temperature that suppresses volatilization of the barium component, and a single-phase perovskite oxide can be easily obtained. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a perovskite oxide precursor that can accurately control the composition of the perovskite oxide contained in a subsequent sintered body, and a method for manufacturing a fuel cell using the same.

本発明者らは、上記課題を解決するために、液相法の一つである共沈法に着目し、以下に示すように、鋭意検討した。
本発明者らは、共沈法を用いて、原料水溶液中の元素の割合に対応する均一な元素分布を有する沈殿物からなるペロブスカイト酸化物前駆体を製造できれば、これを焼成することによって低温で焼結でき、所望の組成を有する単一相のペロブスカイト酸化物が得られると考えた。
In order to solve the above problems, the present inventors focused on the coprecipitation method, which is one of the liquid phase methods, and conducted extensive studies as shown below.
The present inventors believe that if it is possible to produce a perovskite oxide precursor consisting of a precipitate with a uniform element distribution corresponding to the proportion of elements in the raw material aqueous solution using a coprecipitation method, then by firing this, the perovskite oxide precursor can be produced at a low temperature. It was believed that a single phase perovskite oxide that could be sintered and had the desired composition could be obtained.

より詳細には、所定の元素を所定の割合で均一な元素分布で含有するペロブスカイト酸化物前駆体は、少ない熱エネルギーで各原子がペロブスカイト結晶構造に配列し、大きさの小さい単一相のペロブスカイト酸化物粒子となる。小さい粒子は、大きい粒子と比較して表面積が大きいため、少ない熱エネルギーで粒子間の接触面積が増加して緻密化し、焼結体となる。したがって、所定の元素を所定の割合で均一な元素分布で含有するペロブスカイト酸化物前駆体は、低温で焼結でき、焼成に伴うバリウム成分の揮発を抑制できる。よって、上記のペロブスカイト酸化物前駆体の組成が、原料水溶液中の元素の割合に対応していれば、原料水溶液中の元素の割合に対応する組成を有する単一相のペロブスカイト酸化物の焼結体が得られると考えた。 More specifically, a perovskite oxide precursor containing a uniform element distribution in a predetermined ratio can be created by arranging each atom into a perovskite crystal structure with little thermal energy and forming a small-sized single-phase perovskite. It becomes oxide particles. Since small particles have a larger surface area than large particles, the contact area between the particles increases with less thermal energy, resulting in a sintered body. Therefore, a perovskite oxide precursor containing predetermined elements in a predetermined ratio with a uniform element distribution can be sintered at a low temperature, and volatilization of the barium component during sintering can be suppressed. Therefore, if the composition of the above-mentioned perovskite oxide precursor corresponds to the proportion of elements in the raw material aqueous solution, sintering of a single-phase perovskite oxide having a composition corresponding to the proportion of elements in the raw material aqueous solution is possible. I thought it would give me a body.

共沈法では、複数種の元素が溶解している原料溶液中で、複数種の元素の金属塩を同時に析出させることにより、複数種の元素が均一に混合した状態の沈殿物を得る。しかしながら、希土類元素のイオンとバリウムイオンとジルコニウムイオンとを含有する原料水溶液中で、希土類元素成分とバリウム成分とジルコニウム成分とを同時に沈殿させることは困難であった。例えば、原料水溶液中に、沈殿剤として水酸化アンモニウムを添加すると、希土類元素成分およびジルコニウム成分が同時に沈殿する。しかしながら、原料水溶液中に水酸化アンモニウムを添加しても、バリウム成分はほとんど沈殿せず、原料水溶液中に残留する。 In the coprecipitation method, metal salts of multiple types of elements are precipitated simultaneously in a raw material solution in which multiple types of elements are dissolved, thereby obtaining a precipitate in which multiple types of elements are uniformly mixed. However, it has been difficult to simultaneously precipitate rare earth element components, barium components, and zirconium components in a raw material aqueous solution containing rare earth element ions, barium ions, and zirconium ions. For example, when ammonium hydroxide is added as a precipitant to an aqueous raw material solution, a rare earth element component and a zirconium component are precipitated simultaneously. However, even if ammonium hydroxide is added to the raw material aqueous solution, the barium component hardly precipitates and remains in the raw material aqueous solution.

そこで、本発明者らは、バリウムイオンを含む水溶液中に二酸化炭素を吹き込むことにより、炭酸バリウムの沈殿が生成する性質に着目し、鋭意検討を重ねた。
その結果、上記の原料水溶液中で、希土類元素成分およびジルコニウム成分とともに、バリウム成分を沈殿させるためには、沈殿剤として、原料水溶液中で炭酸イオンとなる化合物を用いることが重要であるという知見を得た。この知見に基づき、本発明者らはさらに検討を重ねた。そして、希土類元素のイオンとバリウムイオンとジルコニウムイオンとを含有する原料水溶液中に、水酸化アンモニウムと炭酸水素アンモニウムとを所定の割合で含有する沈殿剤を添加することにより、希土類元素成分とバリウム成分とジルコニウム成分とを同時に十分に沈殿させることができることを見出した。
Therefore, the present inventors focused on the property that a barium carbonate precipitate is generated by blowing carbon dioxide into an aqueous solution containing barium ions, and conducted extensive studies.
As a result, in order to precipitate the barium component together with the rare earth element component and zirconium component in the raw material aqueous solution, it was found that it is important to use a compound that becomes carbonate ions in the raw material aqueous solution as a precipitant. Obtained. Based on this knowledge, the present inventors conducted further studies. Then, by adding a precipitant containing ammonium hydroxide and ammonium hydrogen carbonate in a predetermined ratio to the raw material aqueous solution containing rare earth element ions, barium ions, and zirconium ions, rare earth element components and barium components are added. It has been found that it is possible to sufficiently precipitate the zirconium component and the zirconium component at the same time.

さらに、本発明者らは、得られた沈殿物を焼成し、バリウム成分の揮発を抑制できる低い温度で焼結でき、単一相のペロブスカイト酸化物が得られやすいことを確認するとともに、焼成後の焼結体に含まれるペロブスカイト酸化物の組成が、原料水溶液中の希土類元素成分とバリウム成分とジルコニウム成分の割合と同等であることを確認し、本発明を想到した。 Furthermore, the present inventors confirmed that the obtained precipitate can be sintered at a low temperature that suppresses the volatilization of the barium component, and that it is easy to obtain a single-phase perovskite oxide. The present invention was conceived by confirming that the composition of the perovskite oxide contained in the sintered body was the same as the ratio of the rare earth element component, barium component, and zirconium component in the raw material aqueous solution.

すなわち、本発明は以下の事項に関する。 That is, the present invention relates to the following matters.

[1] スカンジウム、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユウロビウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウムから選ばれる1種また2種以上の希土類元素のイオンと、バリウムイオンと、ジルコニウムイオンとを含有する原料水溶液を調製する原料水溶液調整工程と、
前記原料水溶液中の前記希土類元素のイオンと前記バリウムイオンと前記ジルコニウムイオンの合計モル数の0.5倍~20倍の水酸化アンモニウムと炭酸水素アンモニウムとを含み、前記水酸化アンモニウム1モルに対する前記炭酸水素アンモニウムのモル数が0.08モル~0.45モルである沈殿剤を、前記原料水溶液に添加して混合液とすることにより、前記混合液中でペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させる沈殿工程と、
前記ペロブスカイト酸化物前駆体を焼成することにより、ペロブスカイト酸化物を生成させる焼成工程とを有することを特徴とする、ペロブスカイト酸化物の製造方法。
[1] One or more rare earth element ions selected from scandium, yttrium, lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, samarium, eurobium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, and lutetium; a raw material aqueous solution preparation step of preparing a raw material aqueous solution containing barium ions and zirconium ions;
Contains ammonium hydroxide and ammonium hydrogen carbonate in an amount of 0.5 to 20 times the total number of moles of rare earth element ions, barium ions, and zirconium ions in the raw material aqueous solution, and Precipitating a perovskite oxide precursor in the mixed solution by adding a precipitant containing 0.08 mol to 0.45 mol of ammonium hydrogen carbonate to the raw material aqueous solution to form a mixed solution. process and
A method for producing a perovskite oxide, comprising a firing step of producing a perovskite oxide by firing the perovskite oxide precursor.

[2] 前記沈殿工程において、前記ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の前記混合液のpHを9.40~9.80とする、[1]に記載のペロブスカイト酸化物の製造方法。
[3] 前記希土類元素がイットリウムである、[1]に記載のペロブスカイト酸化物の製造方法。
[4] 前記焼成工程において、前記ペロブスカイト酸化物前駆体を900℃~1300℃の温度で焼成する、[1]に記載のペロブスカイト酸化物の製造方法。
[2] The method for producing a perovskite oxide according to [1], wherein in the precipitation step, the pH of the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor is set to 9.40 to 9.80.
[3] The method for producing a perovskite oxide according to [1], wherein the rare earth element is yttrium.
[4] The method for producing a perovskite oxide according to [1], wherein in the firing step, the perovskite oxide precursor is fired at a temperature of 900°C to 1300°C.

[5] スカンジウム、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユウロビウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウムから選ばれる1種また2種以上の希土類元素のイオンと、バリウムイオンと、ジルコニウムイオンとを含有する原料水溶液を調製する原料水溶液調整工程と、
前記原料水溶液中の前記希土類元素のイオンと前記バリウムイオンと前記ジルコニウムイオンの合計モル数の0.5倍~20倍の水酸化アンモニウムと炭酸水素アンモニウムとを含み、前記水酸化アンモニウム1モルに対する前記炭酸水素アンモニウムのモル数が0.08モル~0.45モルである沈殿剤を、前記原料水溶液に添加して混合液とすることにより、前記混合液中でペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させる沈殿工程とを有することを特徴とする、ペロブスカイト酸化物前駆体の製造方法。
[5] One or more rare earth element ions selected from scandium, yttrium, lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, samarium, eurobium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, and lutetium; a raw material aqueous solution preparation step of preparing a raw material aqueous solution containing barium ions and zirconium ions;
Contains ammonium hydroxide and ammonium hydrogen carbonate in an amount of 0.5 to 20 times the total number of moles of rare earth element ions, barium ions, and zirconium ions in the raw material aqueous solution, and Precipitating a perovskite oxide precursor in the mixed solution by adding a precipitant containing 0.08 mol to 0.45 mol of ammonium hydrogen carbonate to the raw material aqueous solution to form a mixed solution. A method for producing a perovskite oxide precursor, comprising the steps of:

[6] 前記沈殿工程において、前記ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の前記混合液のpHを9.40~9.80とする、[5]に記載のペロブスカイト酸化物前駆体の製造方法。
[7] 前記希土類元素がイットリウムである、[5]に記載のペロブスカイト酸化物前駆体の製造方法。
[6] The method for producing a perovskite oxide precursor according to [5], wherein in the precipitation step, the pH of the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor is set to 9.40 to 9.80. .
[7] The method for producing a perovskite oxide precursor according to [5], wherein the rare earth element is yttrium.

[8] [5]に記載のペロブスカイト酸化物前駆体の製造方法により、ペロブスカイト酸化物前駆体を製造する工程と、
前記ペロブスカイト酸化物前駆体を含む電解質材料を成形して焼成することにより、ペロブスカイト酸化物を含む焼結体からなる電解質層を形成する焼成工程を有する、燃料電池の製造方法。
[8] A step of producing a perovskite oxide precursor by the method for producing a perovskite oxide precursor according to [5];
A method for manufacturing a fuel cell, comprising a firing step of forming and firing an electrolyte material containing the perovskite oxide precursor to form an electrolyte layer made of a sintered body containing a perovskite oxide.

[9] 前記焼成工程において、前記電解質材料を900℃~1300℃の温度で焼成する、[8]に記載の燃料電池の製造方法。 [9] The method for manufacturing a fuel cell according to [8], wherein in the firing step, the electrolyte material is fired at a temperature of 900°C to 1300°C.

[10] 前記焼成工程が、第1電極となる電極材料を成形してなる層と、前記電解質材料を成形してなる層と、第2電極となる電極材料を成形してなる層とを、この順に積層して積層体を形成する積層体形成工程と、
前記積層体を焼成することにより、前記第1電極と前記電解質層と前記第2電極とが積層された焼結体を得る積層体焼成工程とを有する、[8]に記載の燃料電池の製造方法。
[10] The firing step forms a layer formed by molding the electrode material to become the first electrode, a layer formed by molding the electrolyte material, and a layer formed by molding the electrode material to become the second electrode, A laminate forming step of laminating layers in this order to form a laminate;
Manufacturing the fuel cell according to [8], comprising a laminate firing step of obtaining a sintered body in which the first electrode, the electrolyte layer, and the second electrode are stacked by firing the laminate. Method.

本発明のペロブスカイト酸化物の製造方法では、希土類元素のイオンと、バリウムイオンと、ジルコニウムイオンとを含有する原料水溶液を調製し、原料水溶液中の希土類元素のイオンとバリウムイオンとジルコニウムイオンの合計モル数の0.5倍~20倍の水酸化アンモニウムと炭酸水素アンモニウムとを含み、前記水酸化アンモニウム1モルに対する前記炭酸水素アンモニウムのモル数が0.08モル~0.45モルである沈殿剤を、原料水溶液に添加して混合液とすることによりペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させ、これを焼成することにより、ペロブスカイト酸化物を生成させる。ペロブスカイト酸化物前駆体は、共沈法を用いて作製した、原料水溶液中の希土類元素のイオンとバリウムイオンとジルコニウムイオンの割合に対応する均一な元素分布を有する沈殿物である。このため、バリウム成分の揮発を抑制できる低い温度で焼結できる。また、原料として使用する希土類元素成分とバリウム成分とジルコニウム成分の割合によって、焼結後のペロブスカイト酸化物の組成を精度よく制御できる。したがって、本発明のペロブスカイト酸化物の製造方法によれば、所望の組成を有する単一相のペロブスカイト酸化物が得られやすい。 In the method for producing perovskite oxide of the present invention, a raw material aqueous solution containing rare earth element ions, barium ions, and zirconium ions is prepared, and the total molar amount of rare earth element ions, barium ions, and zirconium ions in the raw material aqueous solution is A precipitant containing ammonium hydroxide and ammonium hydrogen carbonate in an amount of 0.5 to 20 times the number, and the number of moles of ammonium hydrogen carbonate per mole of ammonium hydroxide is 0.08 mole to 0.45 mole. A perovskite oxide precursor is precipitated by adding it to a raw material aqueous solution to form a mixed solution, and this is fired to produce a perovskite oxide. The perovskite oxide precursor is a precipitate produced using a coprecipitation method and having a uniform element distribution corresponding to the ratio of rare earth element ions, barium ions, and zirconium ions in the raw material aqueous solution. Therefore, sintering can be performed at a low temperature that can suppress volatilization of the barium component. Further, the composition of the perovskite oxide after sintering can be controlled with high precision by adjusting the ratio of the rare earth element component, barium component, and zirconium component used as raw materials. Therefore, according to the method for producing a perovskite oxide of the present invention, a single-phase perovskite oxide having a desired composition can be easily obtained.

本発明の燃料電池の製造方法では、上記のペロブスカイト酸化物前駆体を含む電解質材料を成形して焼成することにより、焼結体からなる電解質層を形成する。このため、バリウム成分の揮発を抑制できる低い温度で焼結することにより電解質層を形成できるとともに、単一相のペロブスカイト酸化物を含む電解質層が得られやすい。
また、本発明の燃料電池の製造方法では、バリウム成分の揮発を抑制できる低い温度で焼結することにより電解質層を形成できるため、ペロブスカイト酸化物前駆体の焼結に伴って、ペロブスカイト酸化物から揮発したバリウム成分が電極材料などと反応し、燃料電池の特性を低下させることを防止できる。
In the fuel cell manufacturing method of the present invention, an electrolyte material containing the above-mentioned perovskite oxide precursor is molded and fired to form an electrolyte layer made of a sintered body. Therefore, an electrolyte layer can be formed by sintering at a low temperature that can suppress volatilization of the barium component, and an electrolyte layer containing a single-phase perovskite oxide can be easily obtained.
In addition, in the fuel cell manufacturing method of the present invention, the electrolyte layer can be formed by sintering at a low temperature that suppresses volatilization of the barium component. It is possible to prevent the volatilized barium component from reacting with electrode materials and the like and deteriorating the characteristics of the fuel cell.

また、本発明の燃料電池の製造方法では、電解質層の原料として使用する希土類元素成分とバリウム成分とジルコニウム成分の割合によって、焼成後の電解質層に含まれるペロブスカイト酸化物の組成を精度よく制御できる。したがって、本発明の燃料電池の製造方法によれば、所望の組成を有するペロブスカイト酸化物を含む電解質層を有することにより、所望の特性を有する燃料電池が得られやすい。 Furthermore, in the fuel cell manufacturing method of the present invention, the composition of the perovskite oxide contained in the electrolyte layer after firing can be controlled with high precision by changing the ratio of the rare earth element component, barium component, and zirconium component used as raw materials for the electrolyte layer. . Therefore, according to the method for manufacturing a fuel cell of the present invention, a fuel cell having desired characteristics can be easily obtained by having an electrolyte layer containing a perovskite oxide having a desired composition.

図1は、本実施形態のペロブスカイト酸化物の製造方法の一例を説明するためのフローチャートである。FIG. 1 is a flowchart for explaining an example of the method for manufacturing perovskite oxide of this embodiment. 図2は、実施例1、比較例1~比較例5におけるペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の混合液中のバリウムイオン(Ba2+)の含有量(残存量)を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the content (residual amount) of barium ions (Ba 2+ ) in the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor in Example 1 and Comparative Examples 1 to 5. 図3は、実施例1、比較例1~比較例5におけるペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の混合液中のジルコニウムイオン(Zr4+)の含有量(残存量)を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the content (residual amount) of zirconium ions (Zr 4+ ) in the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor in Example 1 and Comparative Examples 1 to 5. 図4は、実施例1、比較例1~比較例5のペロブスカイト酸化物と、非特許文献1に記載されたBaZr0.90.13-δ(BZY-10)で示される化学組成を有するペロブスカイト酸化物のX線回折結果を示したチャートである。FIG. 4 shows the perovskite oxides of Example 1 and Comparative Examples 1 to 5, and the chemical composition of BaZr 0.9 Y 0.1 O 3-δ (BZY-10) described in Non-Patent Document 1. 3 is a chart showing the X-ray diffraction results of a perovskite oxide having the following composition.

以下、本発明のペロブスカイト酸化物の製造方法、ペロブスカイト酸化物前駆体の製造方法、燃料電池の製造方法について詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態のみに限定されるものではない。 Hereinafter, the method for producing a perovskite oxide, the method for producing a perovskite oxide precursor, and the method for producing a fuel cell according to the present invention will be explained in detail. Note that the present invention is not limited only to the embodiments shown below.

「ペロブスカイト酸化物の製造方法」
図1は、本実施形態のペロブスカイト酸化物の製造方法の一例を説明するためのフローチャートである。図1に示すように、本実施形態のペロブスカイト酸化物の製造方法は、原料水溶液調整工程S1と、沈殿工程S2と、焼成工程S3とを有する。
"Method for producing perovskite oxide"
FIG. 1 is a flowchart for explaining an example of the method for manufacturing perovskite oxide of this embodiment. As shown in FIG. 1, the method for producing perovskite oxide of this embodiment includes a raw material aqueous solution preparation step S1, a precipitation step S2, and a firing step S3.

(ペロブスカイト酸化物)
本実施形態の製造方法を用いて製造するペロブスカイト酸化物は、下記式(1)で示される希土類元素を添加したバリウムジルコネートである。
Ba1-aZr1-x3-δ(1)
(式(1)中のMは、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロビウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)から選ばれる1種また2種以上の希土類元素である。a<1、0<x<1、δ<3)
(perovskite oxide)
The perovskite oxide manufactured using the manufacturing method of this embodiment is barium zirconate doped with a rare earth element represented by the following formula (1).
Ba 1-a Zr 1-x M x O 3-δ (1)
(M in formula (1) is scandium (Sc), yttrium (Y), lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), eurobium (Eu), One or more rare earths selected from gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu) It is an element.a<1, 0<x<1, δ<3)

ペロブスカイトとは、大きな金属原子がAサイト、小さな金属原子がBサイトに配列する結晶構造をもつ化合物の総称である。式(1)で示されるペロブスカイト酸化物では、イオン半径の大きいバリウムイオンがAサイトに、バリウムイオンと比較してイオン半径の小さいジルコニウムイオンおよび希土類元素イオンがBサイトに配列される。上記式(1)中のaは、バリウム(Ba)がペロブスカイト相として安定に存在可能な不定比組成となる数値である。δは+3価以下の原子を置換する際に、電子的中性を維持するために、ペロブスカイト相から放出される酸素量に相当する酸素欠損量である。式(1)で示されるペロブスカイト酸化物の性質は、Bサイトに配列される希土類元素イオンの種類および量によって異なる。 Perovskite is a general term for compounds with a crystal structure in which large metal atoms are arranged at the A site and small metal atoms are arranged at the B site. In the perovskite oxide represented by formula (1), barium ions with a large ionic radius are arranged at the A site, and zirconium ions and rare earth element ions, which have a small ionic radius compared to the barium ions, are arranged at the B site. In the above formula (1), a is a value that provides a non-stoichiometric composition in which barium (Ba) can stably exist as a perovskite phase. δ is the amount of oxygen vacancies corresponding to the amount of oxygen released from the perovskite phase in order to maintain electronic neutrality when substituting atoms with a valence of +3 or less. The properties of the perovskite oxide represented by formula (1) vary depending on the type and amount of rare earth element ions arranged at the B site.

本実施形態の製造方法を用いて製造するペロブスカイト酸化物は、式(1)におけるaが0.2以下のものであることが好ましく、0.15以下のものであることがより好ましい。また、式(1)におけるxが0.01~0.99のものであることが好ましく、0.05~0.95のものであることがより好ましい。
本実施形態の製造方法を用いて製造する好ましいペロブスカイト酸化物としては、具体的には、希土類元素としてイットリウムを含む、BaZr0.90.13-δ(BZY-10)、BaZr0.950.053-δ(BZY-5)、BaZr0.850.153-δ(BZY-15)、BaZr0.80.23-δ(BZY-20)などが挙げられる。
In the perovskite oxide produced using the production method of the present embodiment, a in formula (1) is preferably 0.2 or less, more preferably 0.15 or less. Furthermore, x in formula (1) is preferably from 0.01 to 0.99, more preferably from 0.05 to 0.95.
Preferred perovskite oxides produced using the production method of this embodiment include, specifically, BaZr 0.9 Y 0.1 O 3-δ (BZY-10), BaZr 0 containing yttrium as a rare earth element. .95 Y 0.05 O 3-δ (BZY-5), BaZr 0.85 Y 0.15 O 3-δ (BZY-15), BaZr 0.8 Y 0.2 O 3-δ (BZY-20 ), etc.

(原料水溶液調整工程S1)
本実施形態の製造方法における原料水溶液調整工程S1では、希土類元素のイオンと、バリウムイオンと、ジルコニウムイオンとを含有する原料水溶液を調製する。
希土類元素のイオンは、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロビウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)から選ばれる1種また2種以上の希土類元素のイオンである。希土類元素のイオンは、本実施形態の製造方法を用いて製造されるペロブスカイト酸化物を含む電解質層に要求される特性などに応じて適宜決定される。
(Raw material aqueous solution preparation step S1)
In the raw material aqueous solution preparation step S1 in the manufacturing method of this embodiment, a raw material aqueous solution containing rare earth element ions, barium ions, and zirconium ions is prepared.
Rare earth element ions include scandium (Sc), yttrium (Y), lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), eurobium (Eu), and gadolinium (Gd). , terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu). be. The rare earth element ions are appropriately determined depending on the characteristics required of the electrolyte layer containing the perovskite oxide manufactured using the manufacturing method of this embodiment.

上記の希土類元素は、いずれも外側電子配置がsの形になっており、化学的挙動が酷似している。このため、上記の希土類元素のイオンは、いずれも原料水溶液に対して所定の割合で後述する沈殿剤を添加することにより、バリウム成分およびジルコニウム成分とともに十分に沈殿し、原料水溶液中に溶解した状態で残留しにくいものである。 The above rare earth elements all have an outer electron configuration of s 2 p 6 and have very similar chemical behavior. Therefore, by adding the precipitating agent described later to the raw material aqueous solution at a predetermined ratio, the above-mentioned rare earth element ions are sufficiently precipitated together with the barium component and the zirconium component, and are dissolved in the raw material aqueous solution. It is difficult to leave a residue.

本実施形態においては、上記の希土類元素のイオンの中でも、イットリウムイオン、セリウムイオン、イッテルビウムイオンから選ばれる1種または2種以上であることが好ましい。希土類元素のイオンとして、これらの希土類元素のイオンを含む場合、本実施形態の製造方法により得られたペロブスカイト酸化物を含む電解質層が、優れた特性を有するものとなるためである。
希土類元素のイオンは、特に、イットリウムイオンを含むことが好ましい。希土類元素のイオンがイットリウムイオンを含む場合、本実施形態の製造方法により得られたペロブスカイト酸化物を含む電解質層が、より優れた特性を有するものとなるためである。
In this embodiment, among the above-mentioned rare earth element ions, one or more selected from yttrium ions, cerium ions, and ytterbium ions are preferable. This is because when these rare earth element ions are included as rare earth element ions, the electrolyte layer containing the perovskite oxide obtained by the manufacturing method of this embodiment has excellent characteristics.
It is particularly preferable that the rare earth element ions include yttrium ions. This is because when the rare earth element ions include yttrium ions, the electrolyte layer containing the perovskite oxide obtained by the manufacturing method of this embodiment has more excellent characteristics.

希土類元素のイオンと、バリウムイオンと、ジルコニウムイオンとを含有する原料水溶液は、例えば、所定の濃度で希土類元素のイオンを含む水溶液と、所定の濃度でバリウムイオンを含む水溶液と、所定の濃度でジルコニウムイオンを含む水溶液とをそれぞれ用意し、これらの水溶液を所定の割合で混合する方法を用いて調製できる。このことにより、希土類元素成分とバリウム成分とジルコニウム成分の割合が、目的物であるペロブスカイト酸化物の組成に対応する原料水溶液が得られる。 The raw material aqueous solution containing rare earth element ions, barium ions, and zirconium ions is, for example, an aqueous solution containing rare earth element ions at a predetermined concentration, an aqueous solution containing barium ions at a predetermined concentration, and an aqueous solution containing barium ions at a predetermined concentration. It can be prepared by preparing an aqueous solution containing zirconium ions and mixing these aqueous solutions at a predetermined ratio. As a result, a raw material aqueous solution is obtained in which the proportions of the rare earth element component, barium component, and zirconium component correspond to the composition of the target perovskite oxide.

原料水溶液を調製する際に使用する希土類元素のイオンを含む水溶液と、バリウムイオンを含む水溶液と、ジルコニウムイオンを含む水溶液としては、それぞれ硝酸塩、塩化物塩、硫酸塩などの塩の水溶液を用いることができる。本実施形態では、希土類元素のイオンを含む水溶液と、バリウムイオンを含む水溶液と、ジルコニウムイオンを含む水溶液のうち、いずれか1つ以上が硝酸塩の水溶液であることが好ましく、全て硝酸塩の水溶液であることがより好ましい。硝酸塩は、水への溶解性が良好であるため、容易に原料水溶液を調製できる。また、硝酸塩は、焼成工程S3などの熱処理を行うことによって、後述するペロブスカイト酸化物前駆体から容易に除去することができ、不純物成分として残留しないためである。 As the aqueous solution containing rare earth element ions, the aqueous solution containing barium ions, and the aqueous solution containing zirconium ions used when preparing the raw material aqueous solution, aqueous solutions of salts such as nitrates, chlorides, and sulfates should be used, respectively. I can do it. In this embodiment, it is preferable that at least one of the aqueous solution containing rare earth element ions, the aqueous solution containing barium ions, and the aqueous solution containing zirconium ions is a nitrate aqueous solution, and all of them are nitrate aqueous solutions. It is more preferable. Since nitrates have good solubility in water, raw material aqueous solutions can be easily prepared. Further, the nitrate can be easily removed from the perovskite oxide precursor described later by performing heat treatment such as the firing step S3, and does not remain as an impurity component.

(沈殿工程S2)
次に、原料水溶液に沈殿剤を添加して混合液とすることにより、混合液中でペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させる。
本実施形態の製造方法における沈殿工程S2では、沈殿剤として、原料水溶液中の希土類元素のイオンとバリウムイオンとジルコニウムイオンの合計モル数(以下、「合計モル数」という場合がある。)の0.5倍~20倍の水酸化アンモニウムと炭酸水素アンモニウムとを含み、水酸化アンモニウム1モルに対する炭酸水素アンモニウムのモル数が0.08モル~0.45モルであるものを用いる。このことにより、原料水溶液に含まれる希土類元素成分とバリウム成分とジルコニウム成分とが同時に沈殿し、原料水溶液中の希土類元素のイオンとバリウムイオンとジルコニウムイオンの割合に対応する均一な元素分布を有する沈殿物からなるペロブスカイト酸化物前駆体が得られる。
(Precipitation step S2)
Next, a precipitant is added to the raw material aqueous solution to form a mixed solution, thereby precipitating the perovskite oxide precursor in the mixed solution.
In the precipitation step S2 in the production method of the present embodiment, a precipitant is used as a precipitant to reduce the total number of moles (hereinafter sometimes referred to as "total number of moles") of rare earth element ions, barium ions, and zirconium ions in the raw material aqueous solution to zero. One containing ammonium hydroxide and ammonium hydrogen carbonate in an amount of 5 to 20 times, and the number of moles of ammonium hydrogen carbonate per mole of ammonium hydroxide is 0.08 to 0.45 mole. As a result, the rare earth element component, barium component, and zirconium component contained in the raw material aqueous solution are precipitated simultaneously, resulting in precipitation having a uniform element distribution corresponding to the ratio of rare earth element ions, barium ions, and zirconium ions in the raw material aqueous solution. A perovskite oxide precursor is obtained.

沈殿工程S2では、沈殿剤として使用する水酸化アンモニウムの含有量を多くし、炭酸水素アンモニウムの含有量を少なくするほど、ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の混合液のpHが高くなる。反対に、沈殿剤として使用する水酸化アンモニウムの含有量を少なくし、炭酸水素アンモニウムの含有量を多くするほど、ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の混合液のpHが低くなる。 In the precipitation step S2, the higher the content of ammonium hydroxide used as a precipitant and the lower the content of ammonium hydrogen carbonate used as a precipitant, the higher the pH of the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor. On the contrary, the lower the content of ammonium hydroxide and the higher the content of ammonium hydrogen carbonate used as a precipitant, the lower the pH of the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor.

原料水溶液に含まれるジルコニウム成分は、pHが高いほど沈殿しやすい。本実施形態では、沈殿剤として、合計モル数の0.5倍以上の水酸化アンモニウムを含むものを用いる。このため、原料水溶液のpHが十分に高くなり、原料水溶液に含まれる希土類元素成分およびジルコニウム成分を十分に沈殿させることができる。ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後に原料水溶液中に溶解した状態で残留するジルコニウム成分をより一層少なくできるため、水酸化アンモニウムの含有量は、合計モル数の5倍以上であることが好ましく、7倍以上であることがより好ましい。 The higher the pH, the more easily the zirconium component contained in the raw material aqueous solution precipitates. In this embodiment, a precipitant containing ammonium hydroxide in an amount of 0.5 times or more the total number of moles is used. Therefore, the pH of the raw material aqueous solution becomes sufficiently high, and the rare earth element component and zirconium component contained in the raw material aqueous solution can be sufficiently precipitated. In order to further reduce the amount of zirconium component remaining dissolved in the raw material aqueous solution after precipitating the perovskite oxide precursor, the content of ammonium hydroxide is preferably 5 times or more of the total number of moles, More preferably, it is 7 times or more.

沈殿剤に含まれる水酸化アンモニウムの含有量は、合計モル数の20倍以下である。このため、原料水溶液中において、水酸化アンモニウムを含有することに由来するアンモニウムイオン(NH4+)の濃度が高くなりすぎることがない。よって、アンモニウムイオンと炭酸水素イオン(HCO )とが反応して、炭酸水素アンモニウムからの炭酸水素イオンの生成が阻害されることがなく、炭酸水素イオンから生成する炭酸イオンの濃度を確保できる。その結果、原料水溶液に含まれる希土類元素成分とジルコニウム成分とともに、原料水溶液に含まれるバリウム成分を十分に沈殿させることができる。水酸化アンモニウムの含有量は、より一層、炭酸イオンの濃度が確保されやすくなるため、合計モル数の18倍以下であることが好ましく、15倍以下であることがより好ましい。 The content of ammonium hydroxide contained in the precipitant is 20 times or less of the total number of moles. Therefore, in the raw material aqueous solution, the concentration of ammonium ions (NH 4+ ) derived from containing ammonium hydroxide does not become too high. Therefore, the reaction between ammonium ions and hydrogen carbonate ions (HCO 3 ) does not inhibit the generation of hydrogen carbonate ions from ammonium hydrogen carbonate, and the concentration of carbonate ions generated from hydrogen carbonate ions can be maintained. . As a result, the barium component contained in the raw material aqueous solution can be sufficiently precipitated together with the rare earth element component and zirconium component contained in the raw material aqueous solution. The content of ammonium hydroxide is preferably 18 times or less, more preferably 15 times or less of the total number of moles, since the concentration of carbonate ions can be more easily ensured.

また、沈殿剤に含まれる炭酸水素アンモニウムの含有量は、水酸化アンモニウム1モルに対して0.08モル以上である。このため、原料水溶液中の炭酸イオン濃度を十分に確保することができ、原料水溶液に含まれる希土類元素成分とジルコニウム成分とともに、原料水溶液に含まれるバリウム成分を十分に沈殿させることができる。ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の原料水溶液中に、溶解した状態で残留するバリウム成分をより一層少なくできるため、炭酸水素アンモニウムの含有量は、水酸化アンモニウム1モルに対して0.09モル以上であることが好ましく、0.10モル以上であることがより好ましい。 Further, the content of ammonium hydrogen carbonate contained in the precipitant is 0.08 mol or more per 1 mol of ammonium hydroxide. Therefore, a sufficient carbonate ion concentration in the raw material aqueous solution can be ensured, and the barium component contained in the raw material aqueous solution can be sufficiently precipitated together with the rare earth element component and zirconium component contained in the raw material aqueous solution. Since the barium component remaining in a dissolved state in the raw material aqueous solution after precipitating the perovskite oxide precursor can be further reduced, the content of ammonium hydrogen carbonate is 0.09 per mole of ammonium hydroxide. It is preferably mol or more, more preferably 0.10 mol or more.

また、沈殿剤に含まれる炭酸水素アンモニウムの含有量は、水酸化アンモニウム1モルに対して0.45モル以下である。このため、原料水溶液のpHが十分に高くなり、原料水溶液に含まれる希土類元素成分およびジルコニウム成分を十分に沈殿させることができる。ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の原料水溶液中に、溶解した状態で残留するジルコニウム成分をより一層少なくできるため、炭酸水素アンモニウムの含有量は、水酸化アンモニウム1モルに対して0.40モル以下であることが好ましく、0.35モル以下であることがより好ましい。 Further, the content of ammonium hydrogen carbonate contained in the precipitant is 0.45 mol or less per 1 mol of ammonium hydroxide. Therefore, the pH of the raw material aqueous solution becomes sufficiently high, and the rare earth element component and zirconium component contained in the raw material aqueous solution can be sufficiently precipitated. Since the zirconium component remaining in a dissolved state in the raw material aqueous solution after precipitating the perovskite oxide precursor can be further reduced, the content of ammonium hydrogen carbonate is 0.40 per mole of ammonium hydroxide. The amount is preferably at most mol, more preferably at most 0.35 mol.

本実施形態の製造方法における沈殿工程S2においては、ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の混合液のpHが9.40~9.80となるようにすることが好ましい。上記の混合液のpHが9.40以上であると、原料水溶液に含まれる希土類元素成分とバリウム成分とともに、原料水溶液に含まれるジルコニウム成分を十分に沈殿させることができ、ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の原料水溶液中に、溶解した状態で残留するジルコニウム成分をより一層少なくできる。ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の混合液のpHは9.45以上であることがより好ましい。ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の混合液のpHが9.80以下であると、炭酸水素アンモニウムを十分に含有させることができ、ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の原料水溶液中に、溶解した状態で残留するバリウム成分をより一層少なくできる。ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の混合液のpHは9.75以下であることがより好ましい。 In the precipitation step S2 in the production method of the present embodiment, it is preferable that the pH of the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor is 9.40 to 9.80. When the pH of the above mixed solution is 9.40 or higher, the zirconium component contained in the raw material aqueous solution can be sufficiently precipitated together with the rare earth element component and barium component contained in the raw material aqueous solution, and the perovskite oxide precursor can be precipitated. The amount of zirconium component remaining in a dissolved state in the raw material aqueous solution after precipitation can be further reduced. More preferably, the pH of the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor is 9.45 or higher. When the pH of the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor is 9.80 or less, ammonium hydrogen carbonate can be sufficiently contained in the raw material aqueous solution after precipitating the perovskite oxide precursor. Furthermore, the barium component remaining in the dissolved state can be further reduced. More preferably, the pH of the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor is 9.75 or less.

本実施形態の製造方法における沈殿工程S2では、沈殿剤として、水酸化アンモニウムおよび炭酸水素アンモニウムとともに、必要に応じて、希土類元素成分とバリウム成分とジルコニウム成分とが均一に分散されているペロブスカイト酸化物前駆体が得られる範囲内で、その他の沈殿剤を用いてもよい。
その他の沈殿剤としては、例えば、水酸化ナトリウム、ジエタノールアミンなどが挙げられる。
In the precipitation step S2 in the production method of the present embodiment, a perovskite oxide in which a rare earth element component, a barium component, and a zirconium component are uniformly dispersed is used as a precipitant, along with ammonium hydroxide and ammonium hydrogen carbonate, if necessary. Other precipitants may be used as long as the precursor can be obtained.
Examples of other precipitants include sodium hydroxide and diethanolamine.

なお、その他の沈殿剤として、水酸化ナトリウムなどのナトリウムを含む化合物を用いると、沈殿物であるペロブスカイト酸化物前駆体中にナトリウムイオンが含まれる場合がある。ペロブスカイト酸化物前駆体中に含まれるナトリウムイオンは、ペロブスカイト酸化物前駆体の焼結性を阻害する場合がある。また、ペロブスカイト酸化物を含む電解質層を製造するための焼結と同時に、電極などの電解質層と一体化される電解質層ではない部材を製造するための焼結を行うと、ペロブスカイト酸化物前駆体から揮発したナトリウムイオンが電極などの部材と反応し、電極などの部材を変質させる要因となる場合がある。また、ペロブスカイト酸化物前駆体中に含まれるナトリウムイオンが、焼結後のペロブスカイト酸化物中に残留すると、ペロブスカイト酸化物を含む電解質層のプロトン伝導性を低下させる場合がある。しかも、ペロブスカイト酸化物前駆体中に含まれるナトリウムイオンは、取り除くことが極めて困難である。したがって、その他の沈殿剤として、ナトリウムを含む化合物を用いないことが好ましい。 Note that when a compound containing sodium such as sodium hydroxide is used as another precipitant, sodium ions may be contained in the perovskite oxide precursor that is the precipitate. Sodium ions contained in the perovskite oxide precursor may inhibit the sinterability of the perovskite oxide precursor. In addition, when sintering is performed to produce an electrolyte layer containing perovskite oxide and at the same time sintering is performed to produce a member other than an electrolyte layer that is integrated with the electrolyte layer, such as an electrode, the perovskite oxide precursor Sodium ions volatilized from the reactor may react with members such as electrodes, causing deterioration of the members such as electrodes. Furthermore, if sodium ions contained in the perovskite oxide precursor remain in the perovskite oxide after sintering, the proton conductivity of the electrolyte layer containing the perovskite oxide may be reduced. Moreover, the sodium ions contained in the perovskite oxide precursor are extremely difficult to remove. Therefore, it is preferable not to use a compound containing sodium as the other precipitant.

また、その他の沈殿剤として、ジエタノールアミンなどの有機化合物を用いると、沈殿物であるペロブスカイト酸化物前駆体中に、有機化合物、もしくは有機化合物に由来する物質が含まれる場合がある。このペロブスカイト酸化物前駆体を焼成すると、不純物相を含むペロブスカイト酸化物が生成する場合がある。したがって、その他の沈殿剤として、有機化合物を用いないことが好ましい。 Furthermore, when an organic compound such as diethanolamine is used as another precipitant, the perovskite oxide precursor that is the precipitate may contain the organic compound or a substance derived from the organic compound. When this perovskite oxide precursor is fired, a perovskite oxide containing an impurity phase may be generated. Therefore, it is preferable not to use organic compounds as other precipitants.

本実施形態の製造方法における沈殿工程S2において、原料水溶液に沈殿剤を添加して混合液とする際には、原料水溶液を公知の方法により攪拌しながら沈殿剤を添加することが好ましい。
沈殿剤は、原料水溶液中に全量を一度に添加してもよいし、少量ずつ複数回に分けて添加してもよく、原料水溶液中の希土類元素のイオンとバリウムイオンとジルコニウムイオンの割合に対応するより均一な元素分布を有する沈殿物が得られやすいため、少量ずつ複数回に分けて添加することが好ましい。
また、沈殿剤としての水酸化アンモニウムと炭酸水素アンモニウムは、任意の濃度および割合で混合してから原料水溶液中に添加してもよいし、それぞれ別々に添加してもよい。水酸化アンモニウムと炭酸水素アンモニウムとを別々に原料水溶液中に添加する場合、水酸化アンモニウムと炭酸水素アンモニウムのどちらを先に添加してもよい。
In the precipitation step S2 in the production method of this embodiment, when adding a precipitant to the raw material aqueous solution to form a mixed solution, it is preferable to add the precipitant while stirring the raw material aqueous solution by a known method.
The precipitant may be added in its entirety to the raw material aqueous solution at once, or may be added in small amounts in multiple portions, depending on the ratio of rare earth element ions, barium ions, and zirconium ions in the raw material aqueous solution. Since it is easier to obtain a precipitate having a more uniform element distribution than adding a precipitate, it is preferable to add small amounts in multiple portions.
Further, ammonium hydroxide and ammonium hydrogen carbonate as precipitants may be mixed at any concentration and ratio and then added to the raw material aqueous solution, or may be added separately. When ammonium hydroxide and ammonium hydrogen carbonate are added separately to the raw material aqueous solution, either ammonium hydroxide or ammonium hydrogen carbonate may be added first.

(焼成工程S3)
次に、沈殿工程S2において沈殿したペロブスカイト酸化物前駆体を焼成する。ペロブスカイト酸化物前駆体は、焼成する前に、フィルターを用いて原料水溶液を濾過する方法など、公知の方法により原料水溶液から捕集して解砕し、乾燥させることが好ましい。
解砕する方法、乾燥させる方法としては、従来公知の方法を用いることができる。
(Firing process S3)
Next, the perovskite oxide precursor precipitated in the precipitation step S2 is fired. It is preferable that the perovskite oxide precursor is collected from the raw material aqueous solution, crushed, and dried by a known method, such as a method of filtering the raw material aqueous solution using a filter, before firing.
Conventionally known methods can be used as the crushing method and the drying method.

ペロブスカイト酸化物前駆体を焼成する方法としては、例えば、大気雰囲気中、400~1000℃の温度で、0~10時間保持する第一焼成工程を行った後、大気雰囲気中、900~1300℃の温度で、0時間超~10時間以下保持する第二焼成工程を行う方法などを用いることができる。 As a method for firing the perovskite oxide precursor, for example, after performing a first firing step of holding at a temperature of 400 to 1000°C in an air atmosphere for 0 to 10 hours, the perovskite oxide precursor is heated to a temperature of 900 to 1300°C in an air atmosphere. A method of carrying out a second firing step in which the temperature is maintained for more than 0 hours to less than 10 hours can be used.

第一焼成工程を行うことにより、ペロブスカイト酸化物前駆体中に含まれる有機物を除去できる。ペロブスカイト酸化物前駆体中に含まれる有機物としては、例えば、上述した原料水溶液調整工程S1において、希土類元素のイオンを含む水溶液と、バリウムイオンを含む水溶液と、ジルコニウムイオンを含む水溶液のうち、いずれか1つ以上として硝酸塩水溶液を用いたことに起因する窒素酸化物などが挙げられる。第一焼成工程においては、500~900℃の温度で、0~5時間保持することがより好ましい。第一焼成工程は、必要に応じて行う工程であり、行わなくてもよい。 By performing the first firing step, organic substances contained in the perovskite oxide precursor can be removed. As the organic substance contained in the perovskite oxide precursor, for example, in the raw material aqueous solution preparation step S1 mentioned above, one of an aqueous solution containing rare earth element ions, an aqueous solution containing barium ions, and an aqueous solution containing zirconium ions is used. One or more of them include nitrogen oxides caused by using a nitrate aqueous solution. In the first firing step, it is more preferable to hold the temperature at 500 to 900°C for 0 to 5 hours. The first firing step is a step that is performed as necessary, and does not need to be performed.

第二焼成工程は、第一焼成工程超の温度で行われる。第二焼成工程における温度が900℃以上であると、明瞭な結晶性を有するペロブスカイト酸化物の焼結体が得られるため好ましい。第二焼成工程における温度は、第二焼成工程における保持時間を少なくでき、生産性が向上するため、1000℃以上であることが好ましい。 The second firing step is performed at a temperature higher than the first firing step. It is preferable that the temperature in the second firing step is 900° C. or higher because a sintered body of perovskite oxide having clear crystallinity can be obtained. The temperature in the second firing step is preferably 1000° C. or higher because the holding time in the second firing step can be reduced and productivity can be improved.

ペロブスカイト酸化物前駆体に含まれるバリウム成分は、ペロブスカイト酸化物前駆体の温度が1,300℃超の高温になると揮発する。しかし、本実施形態の製造方法により製造したペロブスカイト酸化物前駆体は、低温で焼結でき、単一相のペロブスカイト酸化物が得られやすいものである。したがって、第二焼成工程における焼成温度をバリウム成分が揮発しにくい温度まで低くできる。第二焼成工程における温度が1300℃以下、好ましくは1200℃以下であると、焼成時にペロブスカイト酸化物前駆体に含まれるバリウム成分が揮発することを効果的に防止できる。その結果、ペロブスカイト酸化物前駆体の原料として使用する原料水溶液中の希土類元素成分とバリウム成分とジルコニウム成分の割合によって、焼成後に得られるペロブスカイト酸化物の組成を精度よく制御できる。 The barium component contained in the perovskite oxide precursor volatilizes when the temperature of the perovskite oxide precursor reaches a high temperature of over 1,300°C. However, the perovskite oxide precursor manufactured by the manufacturing method of this embodiment can be sintered at low temperatures, and a single-phase perovskite oxide can be easily obtained. Therefore, the firing temperature in the second firing step can be lowered to a temperature at which the barium component is difficult to volatilize. When the temperature in the second firing step is 1300° C. or lower, preferably 1200° C. or lower, the barium component contained in the perovskite oxide precursor can be effectively prevented from volatilizing during firing. As a result, the composition of the perovskite oxide obtained after firing can be precisely controlled by the ratio of the rare earth element component, barium component, and zirconium component in the raw material aqueous solution used as the raw material for the perovskite oxide precursor.

第二焼成工程において上記の温度範囲内に保持する時間が0時間超であると、明瞭な結晶性を有するペロブスカイト酸化物を含む焼結体が得られるため好ましい。第二焼成工程における保持時間は、0.5時間以上であることがより好ましい。上記の温度範囲内に保持する時間が10時間以下であると、生産性が良好となるとともに、焼成時にペロブスカイト酸化物前駆体に含まれるバリウム成分が揮発することを、より効果的に防止できる。第二焼成工程における保持時間は、9.5時間以下であることがより好ましい。
以上の工程を行うことにより、ペロブスカイト酸化物が得られる。
It is preferable that the time to be maintained within the above temperature range in the second firing step is longer than 0 hours because a sintered body containing a perovskite oxide having clear crystallinity can be obtained. The holding time in the second firing step is more preferably 0.5 hours or more. When the time for maintaining the temperature within the above temperature range is 10 hours or less, productivity is improved and it is possible to more effectively prevent the barium component contained in the perovskite oxide precursor from volatilizing during firing. The holding time in the second firing step is more preferably 9.5 hours or less.
By performing the above steps, a perovskite oxide is obtained.

[ペロブスカイト酸化物前駆体の製造方法、燃料電池の製造方法]
本実施形態の燃料電池の製造方法は、本実施形態のペロブスカイト酸化物前駆体の製造方法により、ペロブスカイト酸化物前駆体を製造する工程と、ペロブスカイト酸化物前駆体を含む電解質材料を成形して焼成することにより、ペロブスカイト酸化物を含む焼結体からなる電解質層を形成する焼成工程とを有する。
本実施形態の燃料電池の製造方法において、ペロブスカイト酸化物前駆体を製造する工程と焼成工程以外の工程は、公知の方法を用いて行うことができる。
本実施形態のペロブスカイト酸化物前駆体の製造方法は、上述した本実施形態のペロブスカイト酸化物の製造方法における原料水溶液調整工程S1と、沈殿工程S2とを有する。
[Method for producing perovskite oxide precursor, method for producing fuel cell]
The method for manufacturing a fuel cell according to the present embodiment includes the steps of manufacturing a perovskite oxide precursor by the method for manufacturing a perovskite oxide precursor according to the present embodiment, and molding and baking an electrolyte material containing the perovskite oxide precursor. This includes a firing step of forming an electrolyte layer made of a sintered body containing perovskite oxide.
In the fuel cell manufacturing method of this embodiment, steps other than the step of manufacturing the perovskite oxide precursor and the firing step can be performed using known methods.
The method for producing a perovskite oxide precursor according to the present embodiment includes the raw material aqueous solution preparation step S1 and the precipitation step S2 in the method for producing a perovskite oxide according to the present embodiment described above.

(燃料電池)
本実施形態の製造方法を用いて製造する燃料電池は、プロトン伝導性セラミック燃料電池(PCFC)であり、電解質層を形成する電解質材料として、本実施形態の製造方法により製造したペロブスカイト酸化物前駆体を含む電解質材料を用いたものである。したがって、電解質層を形成する電解質材料以外のものは、従来公知のものを用いることができる。
本実施形態の製造方法を用いて製造する燃料電池としては、例えば、第1電極としての空気極(正極)と、第2電極としての燃料極(負極)と、空気極と燃料極との間に配置される電解質層とを有する積層構造からなるセル部材を有するものが挙げられる。セル部材は、積層構造を1層のみ有するものであってもよいし、複数有するものであってもよい。
(Fuel cell)
The fuel cell manufactured using the manufacturing method of this embodiment is a proton conducting ceramic fuel cell (PCFC), and the perovskite oxide precursor manufactured using the manufacturing method of this embodiment is used as an electrolyte material forming an electrolyte layer. It uses an electrolyte material containing. Therefore, other than the electrolyte material forming the electrolyte layer, conventionally known materials can be used.
The fuel cell manufactured using the manufacturing method of this embodiment includes, for example, an air electrode (positive electrode) as a first electrode, a fuel electrode (negative electrode) as a second electrode, and a space between the air electrode and the fuel electrode. Examples include cell members having a laminated structure including an electrolyte layer disposed in the cell member. The cell member may have only one layer of a laminated structure, or may have a plurality of layers.

空気極(正極)を形成する空気極材料としては、プロトン伝導性セラミック燃料電池の空気極材料として使用される公知の材料を用いることができ、電極材料と、電解質材料とを含むものを用いることが好ましい。空気極材料として使用できる電極材料としては、例えば、La0.6Ba0.4CoO3-δ、La0.8Sr0.2FeO3-δ、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.83-δ、La0.7-0.8Sr0.2-0.3Mn1.02-1.053-δ、LaZr、La5.5WO12-δなどから選ばれる1種また2種以上の複合金属酸化物が挙げられる。空気極材料として使用できる電解質材料としては、プロトン伝導性セラミック燃料電池に使用される公知の電解質材料を用いることができ、本実施形態の製造方法により製造したペロブスカイト酸化物前駆体を含むことが好ましい。 As the air electrode material forming the air electrode (positive electrode), a known material used as an air electrode material of a proton-conducting ceramic fuel cell can be used, and a material containing an electrode material and an electrolyte material can be used. is preferred. Examples of electrode materials that can be used as air electrode materials include La 0.6 Ba 0.4 CoO 3-δ , La 0.8 Sr 0.2 FeO 3-δ , La 0.6 Sr 0.4 Co 0. 2 Fe 0.8 O 3-δ , La 0.7-0.8 Sr 0.2-0.3 Mn 1.02-1.05 O 3-δ , La 2 Zr 2 O 7 , La 5.5 Examples include one or more composite metal oxides selected from WO 12-δ and the like. As the electrolyte material that can be used as the air electrode material, known electrolyte materials used in proton-conducting ceramic fuel cells can be used, and preferably include a perovskite oxide precursor produced by the production method of the present embodiment. .

燃料極(負極)を形成する燃料極材料としては、プロトン伝導性セラミック燃料電池の燃料極材料として使用される公知の材料を用いることができ、電極材料と、電解質材料とを含むものを用いることが好ましい。燃料極材料として使用できる電極材料としては、例えば、Niおよび/またはNi含有酸化物などが挙げられる。燃料極材料として使用できる電解質材料としては、プロトン伝導性セラミック燃料電池に使用される公知の電解質材料を用いることができ、本実施形態の製造方法により製造したペロブスカイト酸化物前駆体を含むことが好ましい。
空気極(正極)と、燃料極(負極)とは、同じ材料で形成されていてもよいし、それぞれ異なる材料で形成されていてもよい。
As the fuel electrode material forming the fuel electrode (negative electrode), a known material used as a fuel electrode material of a proton-conducting ceramic fuel cell can be used, and a material containing an electrode material and an electrolyte material can be used. is preferred. Examples of electrode materials that can be used as fuel electrode materials include Ni and/or Ni-containing oxides. As the electrolyte material that can be used as the fuel electrode material, known electrolyte materials used in proton-conducting ceramic fuel cells can be used, and preferably include the perovskite oxide precursor produced by the production method of the present embodiment. .
The air electrode (positive electrode) and the fuel electrode (negative electrode) may be made of the same material, or may be made of different materials.

電解質層を形成する電解質材料は、本実施形態の製造方法により製造したペロブスカイト酸化物前駆体のみであってもよいし、その他に、プロトン伝導性セラミック燃料電池の電解質層に使用される公知の材料を含んでいてもよい。公知の材料としては、例えば、希土類元素を添加したストロンチウムジルコネートなどの電解質が挙げられる。 The electrolyte material forming the electrolyte layer may be only the perovskite oxide precursor manufactured by the manufacturing method of this embodiment, or may be any other known material used for the electrolyte layer of a proton-conducting ceramic fuel cell. May contain. Known materials include, for example, electrolytes such as strontium zirconate doped with rare earth elements.

本実施形態の製造方法において使用する空気極材料、燃料極材料および電解質材料は、それぞれ必要に応じて、遷移金属元素を含む酸化物などの焼結助剤など、公知の添加剤を含有していてもよい。 The air electrode material, fuel electrode material, and electrolyte material used in the manufacturing method of this embodiment each contain known additives such as a sintering aid such as an oxide containing a transition metal element, if necessary. It's okay.

本実施形態の製造方法を用いて製造する燃料電池は、空気極と燃料極と電解質層の他に、その他の層を有していてもよい。その他の層としては、例えば、Gd0.1Ce0.9、BaZr0.1Ce0.70.1Yb0.13-δからなる中間層、Ni、Ag、Au、Ptからなる集電体層などが挙げられる。
本実施形態の製造方法を用いて製造する燃料電池は、ケイ酸塩鉱物であるバーミキュライト、またはガラスなどを主成分とするシール材によって、空気極と電解質層と燃料極とを有する積層構造がシールされていてもよい。
The fuel cell manufactured using the manufacturing method of this embodiment may have other layers in addition to the air electrode, fuel electrode, and electrolyte layer. Other layers include, for example, an intermediate layer consisting of Gd 0.1 Ce 0.9 O 2 , BaZr 0.1 Ce 0.7 Y 0.1 Yb 0.1 O 3-δ , Ni, Ag, Au, Examples include a current collector layer made of Pt.
In the fuel cell manufactured using the manufacturing method of this embodiment, a laminated structure having an air electrode, an electrolyte layer, and a fuel electrode is sealed with a sealing material whose main component is vermiculite, which is a silicate mineral, or glass. may have been done.

本実施形態の燃料電池の製造方法における焼成工程では、ペロブスカイト酸化物前駆体を含む電解質材料を成形して焼成することにより、ペロブスカイト酸化物を含む焼結体からなる電解質層を形成する。
電解質材料に含有されるペロブスカイト酸化物前駆体は、成形する前に、フィルターを用いて原料水溶液を濾過する方法など、公知の方法により原料水溶液から捕集して解砕し、乾燥させることが好ましい。
解砕する方法、乾燥させる方法としては、従来公知の方法を用いることができる。
In the firing step in the fuel cell manufacturing method of this embodiment, an electrolyte material containing a perovskite oxide precursor is shaped and fired to form an electrolyte layer made of a sintered body containing a perovskite oxide.
The perovskite oxide precursor contained in the electrolyte material is preferably collected from the raw material aqueous solution, crushed, and dried by a known method, such as a method of filtering the raw material aqueous solution using a filter, before molding. .
Conventionally known methods can be used as the crushing method and the drying method.

本実施形態における焼成工程では、ペロブスカイト酸化物を含む電解質層を製造するための焼成と同時に、空気極および/または燃料極などの電解質層と一体化される部材であって、電解質層ではない部材を製造するための焼成を行ってもよい。
具体的には、本実施形態の燃料電池の製造方法を用いて、空気極と電解質層と燃料極とを有する積層構造を含む燃料電池を製造する場合、焼成工程において、同時焼成法を用いて製造してもよいし、逐次焼成法を用いて製造してもよい。同時焼成法は、空気極と電解質層と燃料極の各層を形成する材料を積層した後、一括焼成により積層構造を作製する方法である。逐次焼成法は、空気極と電解質層と燃料極の各層を形成する毎に焼成を行う方法である。同時焼成法は、逐次焼成法よりも少ない作業工程で効率よく積層構造を作製できるため、好ましい。
In the firing step in this embodiment, at the same time as firing for manufacturing an electrolyte layer containing perovskite oxide, members that are not an electrolyte layer but are integrated with the electrolyte layer, such as an air electrode and/or a fuel electrode, are fired. Firing may also be performed to produce.
Specifically, when manufacturing a fuel cell including a stacked structure having an air electrode, an electrolyte layer, and a fuel electrode using the fuel cell manufacturing method of this embodiment, a simultaneous firing method is used in the firing process. It may be manufactured or may be manufactured using a sequential firing method. The co-firing method is a method in which materials forming the air electrode, electrolyte layer, and fuel electrode are laminated and then fired all at once to produce a laminated structure. The sequential firing method is a method in which firing is performed each time the air electrode, electrolyte layer, and fuel electrode layers are formed. The simultaneous firing method is preferable because it can efficiently produce a laminated structure with fewer work steps than the sequential firing method.

本実施形態の焼成工程において同時焼成法を用いる場合、空気極(正極)となる電極材料を成形してなる層と、電解質材料を成形してなる層と、燃料極(負極)となる電極材料を成形してなる層とを、この順に積層して積層体を形成する積層体形成工程と、積層体を焼成することにより、空気極(正極)と電解質層と燃料極(負極)とが積層された焼結体を得る積層体焼成工程とを行う。 When a simultaneous firing method is used in the firing process of this embodiment, a layer formed by molding an electrode material to become an air electrode (positive electrode), a layer formed by molding an electrolyte material, and an electrode material to become a fuel electrode (negative electrode) The air electrode (positive electrode), the electrolyte layer, and the fuel electrode (negative electrode) are laminated by a laminate forming process in which the layers formed by molding are laminated in this order to form a laminate, and the laminate is fired. and a laminate firing step to obtain a sintered body.

同時焼成法を用いて製造する場合、積層体を焼成する方法としては、例えば、上述した本実施形態のペロブスカイト酸化物の製造方法における焼成工程S3と同様に、第一焼成工程を行った後、第二焼成工程を行う方法などを用いることができる。 In the case of manufacturing using the simultaneous firing method, the method for firing the laminate is, for example, after performing the first firing step, similar to the firing step S3 in the method for manufacturing perovskite oxide of the present embodiment described above. A method of performing a second firing step, etc. can be used.

逐次焼成法を用いて製造する場合、成形したペロブスカイト酸化物前駆体を含む電解質材料を焼成する方法としては、例えば、上述した本実施形態のペロブスカイト酸化物の製造方法における焼成工程S3と同様に、第一焼成工程を行った後、第二焼成工程を行う方法などを用いることができる。このことにより、ペロブスカイト酸化物を含む電解質層を形成できる。 In the case of manufacturing using the sequential firing method, the method for firing the electrolyte material containing the shaped perovskite oxide precursor includes, for example, the same firing step S3 in the perovskite oxide manufacturing method of the present embodiment as described above. A method such as performing a second firing step after performing the first firing step can be used. This makes it possible to form an electrolyte layer containing perovskite oxide.

逐次焼成法を用いて製造する場合、空気極(正極)となる電極材料を成形してなる層、および燃料極(負極)となる電極材料を成形してなる層を焼成する方法としては、従来公知の焼成方法を用いることができる。
以上の工程を行うことにより、本実施形態の製造方法により製造したペロブスカイト酸化物を含む電解質層を有するプロトン伝導性セラミック燃料電池(PCFC)が得られる。
When manufacturing using the sequential firing method, the conventional method for firing the layer formed by molding the electrode material to become the air electrode (positive electrode) and the layer formed by molding the electrode material to become the fuel electrode (negative electrode) is A known firing method can be used.
By performing the above steps, a proton conductive ceramic fuel cell (PCFC) having an electrolyte layer containing a perovskite oxide manufactured by the manufacturing method of this embodiment is obtained.

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は、上記の特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and within the scope of the gist of the present invention described within the scope of the claims. Various modifications and changes are possible.

以下、実施例および比較例により本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施例のみに限定されない。 Hereinafter, the present invention will be explained in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. Note that the present invention is not limited to the following examples.

「実施例1」
(原料水溶液調整工程S1)
硝酸バリウム19.0068gを蒸留水1Lに溶解し、濃度0.07521mol・Lの硝酸バリウム水溶液を得た。また、硝酸酸化ジルコニウム二水和物29.0005gを蒸留水2Lに溶解し、濃度0.05389mol・Lの硝酸ジルコニウム水溶液を得た。また、硝酸イットリウム六水和物8.3577gを蒸留水1Lに溶解し、濃度0.02167mol・Lの硝酸イットリウム水溶液を作製した。
"Example 1"
(Raw material aqueous solution preparation step S1)
19.0068 g of barium nitrate was dissolved in 1 L of distilled water to obtain an aqueous barium nitrate solution with a concentration of 0.07521 mol·L. Further, 29.0005 g of zirconium nitrate oxide dihydrate was dissolved in 2 L of distilled water to obtain an aqueous zirconium nitrate solution having a concentration of 0.05389 mol·L. Further, 8.3577 g of yttrium nitrate hexahydrate was dissolved in 1 L of distilled water to prepare an aqueous yttrium nitrate solution having a concentration of 0.02167 mol·L.

各硝酸塩水溶液の濃度は、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP)装置(商品名;SPS3500:日立ハイテクサイエンス社製)を用いて測定し、決定した。
硝酸バリウム水溶液201.5mLと、硝酸ジルコニウム水溶液253.5mLと、硝酸イットリウム水溶液70mLとを混合し、スターラーを用いて600rpmで5分間攪拌し、イットリウム成分とバリウム成分とジルコニウム成分の割合が、目的物であるペロブスカイト酸化物(BaZr0.90.13-δ)の組成に対応している原料水溶液を作製した。
The concentration of each nitrate aqueous solution was measured and determined using a high-frequency inductively coupled plasma emission spectrometer (ICP) device (trade name: SPS3500, manufactured by Hitachi High-Tech Science).
201.5 mL of barium nitrate aqueous solution, 253.5 mL of zirconium nitrate aqueous solution, and 70 mL of yttrium nitrate aqueous solution were mixed, and stirred for 5 minutes at 600 rpm using a stirrer, and the ratio of yttrium component, barium component, and zirconium component was determined to be the desired amount. A raw material aqueous solution corresponding to the composition of perovskite oxide (BaZr 0.9 Y 0.1 O 3-δ ) was prepared.

(沈殿工程S2)
沈殿剤として、濃度2.11mol/Lの炭酸水素アンモニウム水溶液と、濃度14.8mol/Lの水酸化アンモニウム水溶液とを用意した。
そして、原料水溶液をスターラーを用いて600rpmで攪拌しながら、原料水溶液中に炭酸水素アンモニウム水溶液15mLを添加し、続いて水酸化アンモニウム水溶液20mLを添加して混合液とし、90℃で45分間保持することによりペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた。炭酸水素アンモニウム水溶液および炭酸水素アンモニウム水溶液は、それぞれスポイトを用いて1滴ずつ滴下する方法により添加した。
(Precipitation step S2)
As precipitants, an aqueous ammonium hydrogen carbonate solution with a concentration of 2.11 mol/L and an aqueous ammonium hydroxide solution with a concentration of 14.8 mol/L were prepared.
Then, while stirring the raw material aqueous solution at 600 rpm using a stirrer, 15 mL of ammonium hydrogen carbonate aqueous solution is added to the raw material aqueous solution, followed by 20 mL of ammonium hydroxide aqueous solution to form a mixed solution, and the mixture is maintained at 90° C. for 45 minutes. This precipitated the perovskite oxide precursor. The aqueous ammonium hydrogen carbonate solution and the aqueous ammonium hydrogen carbonate solution were each added drop by drop using a dropper.

表1に示すように、沈殿剤として使用した炭酸水素アンモニウムの量は、原料水溶液中のイットリウムイオンとバリウムイオンとジルコニウムイオンの合計モル数の1倍のモル数とした。また、沈殿剤として使用した水酸化アンモニウムの量は、合計モル数の10倍のモル数とした。したがって、水酸化アンモニウム1モルに対する炭酸水素アンモニウムのモル数は0.10モルである。 As shown in Table 1, the amount of ammonium hydrogen carbonate used as a precipitant was set to be one times the total number of moles of yttrium ions, barium ions, and zirconium ions in the raw material aqueous solution. Further, the amount of ammonium hydroxide used as a precipitant was 10 times the total number of moles. Therefore, the number of moles of ammonium hydrogen carbonate per mole of ammonium hydroxide is 0.10 mole.

ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の混合液のpHを、以下に示す方法により測定した。その結果、混合液のpHは9.72であった。その結果を表1に示す。
(pH測定)
試験体であるペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の混合液を、スターラーを用いて600rpmで攪拌しながら、30℃でpHの測定を行った。
pHの測定には、ガラス電極式水素イオン濃度指示計(東亜DKK TOADKK製、型式IM-22P、第SS994号)を用いた。測定前に以下に示す方法により校正を行った。まず、中性リン酸塩pH標準液(pH=6.86 at25℃)用いて校正した。次に、フタル酸塩pH標準液(pH=4.01 at25℃)を用いて校正した。その後、ホウ酸塩pH標準液(pH=9.18 at25℃)を用いて校正した。校正終了後、蒸留水でセンサ部先端を洗浄し、測定に使用した。
The pH of the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor was measured by the method shown below. As a result, the pH of the mixed solution was 9.72. The results are shown in Table 1.
(pH measurement)
The pH of the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor as a test specimen was measured at 30° C. while stirring at 600 rpm using a stirrer.
A glass electrode type hydrogen ion concentration indicator (manufactured by TOADKK TOADKK, Model IM-22P, No. SS994) was used to measure the pH. Before measurement, calibration was performed using the method shown below. First, calibration was performed using a neutral phosphate pH standard solution (pH=6.86 at 25°C). Next, it was calibrated using a phthalate pH standard solution (pH=4.01 at 25°C). Thereafter, it was calibrated using a borate pH standard solution (pH=9.18 at 25°C). After the calibration was completed, the tip of the sensor was washed with distilled water and used for measurement.

また、ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の混合液に含まれるイットリウムイオン(Y3+)とバリウムイオン(Ba2+)とジルコニウムイオン(Zr4+)の含有量(残存量)を、以下に示す方法により測定した。その結果、イットリウムイオンとジルコニウムイオンについては、検出限界以下であった。バリウムイオンの検出限界は、4×10-10mol/L、ジルコニウムイオンの検出限界は、5×10-9mol/L、イットリウムイオンの検出限界は、2×10-9mol/Lである。
また、バリウムイオンについては、原料水溶液の原料として使用したバリウムイオン量に対する割合(混合液中に残存するBaイオンの含有量(%)={混合液中のイオン量(モル)/原料水溶液中のイオン量(モル)}×100)を算出した。その結果、混合液中に残存するバリウムイオンの含有量は、0.085%であった。その結果を表1に示す。
In addition, the contents (residual amounts) of yttrium ions (Y 3+ ), barium ions (Ba 2+ ), and zirconium ions (Zr 4+ ) contained in the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor are shown below. It was measured by the method. As a result, yttrium ions and zirconium ions were below the detection limit. The detection limit for barium ions is 4×10 −10 mol/L, the detection limit for zirconium ions is 5×10 −9 mol/L, and the detection limit for yttrium ions is 2×10 −9 mol/L.
Regarding barium ions, the ratio to the amount of barium ions used as a raw material in the raw material aqueous solution (the content of Ba ions remaining in the mixed solution (%) = {the amount of ions in the mixed solution (mol) / the amount of barium ions in the raw material aqueous solution) The amount of ions (mol)}×100) was calculated. As a result, the content of barium ions remaining in the mixed liquid was 0.085%. The results are shown in Table 1.

(混合液中に残存するBa2+とZr4+とY3+の含有量の測定)
Ba2+とZr4+とY3+の含有量の測定には、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP)装置(商品名;SPS3500:日立ハイテクサイエンス社製)を用いた。
ICP装置により、分析試料に外部からプラズマのエネルギーを与えると、分析試料中に含まれる成分元素(原子)が励起される。ICP装置は、その励起された原子が低いエネルギー準位に戻るときに放出される発光線(スペクトル線)を検出する。そして、検出された発光線の位置(波長)から成分元素の種類を判定し、発光線の強度から各元素の含有量を求める。
(Measurement of the content of Ba 2+ , Zr 4+ and Y 3+ remaining in the mixed solution)
A high-frequency inductively coupled plasma emission spectrometer (ICP) device (trade name: SPS3500, manufactured by Hitachi High-Tech Science) was used to measure the contents of Ba 2+ , Zr 4+ , and Y 3+ .
When plasma energy is externally applied to an analysis sample using an ICP device, component elements (atoms) contained in the analysis sample are excited. ICP devices detect the emission lines (spectral lines) emitted when the excited atoms return to lower energy levels. Then, the type of component element is determined from the position (wavelength) of the detected emission line, and the content of each element is determined from the intensity of the emission line.

混合液中に残存するBa2+の含有量を、ICP装置を用いて測定を行うに際しては、既知濃度の3つのBa標準液(49.95ppm、24.975ppm、9.99ppm)とブランク溶液とを用いて、検量線を作成した。
また、Zr4+の含有量を、ICP装置を用いて測定を行うに際しては、既知濃度の3つのZr標準液(10.01ppm、5.005ppm、2.002ppm)とブランク溶液とを用いて、検量線を作成した。
また、Y3+の含有量を、ICP装置を用いて測定を行うに際しては、既知濃度の3つのY標準液(24.925ppm、9.97ppm、4.995ppm)とブランク溶液とを用いて、検量線を作成した。
そして、各分析試料から検出された発光線の強度を、Ba2+とZr4+とY3+それぞれの検量線に当てはめることにより、各溶液中のBa2+とZr4+とY3+の濃度を求めた。
When measuring the content of Ba 2+ remaining in the mixed solution using an ICP device, three Ba standard solutions of known concentrations (49.95 ppm, 24.975 ppm, 9.99 ppm) and a blank solution are used. A calibration curve was created using
In addition, when measuring the content of Zr 4+ using an ICP device, calibration is performed using three Zr standard solutions of known concentrations (10.01 ppm, 5.005 ppm, 2.002 ppm) and a blank solution. Created a line.
In addition, when measuring the content of Y 3+ using an ICP device, three Y standard solutions of known concentrations (24.925 ppm, 9.97 ppm, 4.995 ppm) and a blank solution are used for calibration. Created a line.
Then, the concentrations of Ba 2+ , Zr 4+ , and Y 3+ in each solution were determined by applying the intensity of the luminescent line detected from each analysis sample to the respective calibration curves of Ba 2+ , Zr 4+ , and Y 3+ .

(焼成工程S3)
沈殿工程S2においてペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の混合液を、フィルターを用いて濾過することにより、ペロブスカイト酸化物前駆体を捕集した。次に、捕集したペロブスカイト酸化物前駆体をアルミナ乳鉢を用いて15分間解砕した。
解砕したペロブスカイト酸化物前駆体を、高温炉(商品名;HT04/17:Nabertherm社製)を用いて、大気雰囲気中、600℃で2時間保持する第一焼成工程を行った。
第一焼成後のペロブスカイト酸化物前駆体を用いて、200MPaの一軸加圧成型を行うことにより、直径13mmのペレットを得た。得られたペレットを、高温炉(商品名;HT04/17:Nabertherm社製)を用いて、大気雰囲気中、1200℃で5時間保持する第二焼成工程を行った。
以上の工程を行うことにより、実施例1のペロブスカイト酸化物を得た。
(Firing process S3)
The perovskite oxide precursor was collected by filtering the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor in the precipitation step S2 using a filter. Next, the collected perovskite oxide precursor was crushed for 15 minutes using an alumina mortar.
A first firing step was performed in which the crushed perovskite oxide precursor was held at 600° C. for 2 hours in an air atmosphere using a high-temperature furnace (product name: HT04/17, manufactured by Nabertherm).
The perovskite oxide precursor after the first firing was subjected to uniaxial pressure molding at 200 MPa to obtain pellets with a diameter of 13 mm. A second firing step was performed in which the obtained pellets were held at 1200° C. for 5 hours in the air using a high-temperature furnace (trade name: HT04/17, manufactured by Nabertherm).
By performing the above steps, the perovskite oxide of Example 1 was obtained.

「比較例1~比較例5」
沈殿工程S2において、沈殿剤として使用した炭酸水素アンモニウムの量および水酸化アンモニウムの量をそれぞれ、原料水溶液中のイットリウムイオンとバリウムイオンとジルコニウムイオンの合計モル数に対する、表1に示すモル数の割合(倍)としたこと以外は、実施例1と同様にして、比較例1~比較例5のペロブスカイト酸化物を得た。
"Comparative Example 1 to Comparative Example 5"
In the precipitation step S2, the amount of ammonium hydrogen carbonate and the amount of ammonium hydroxide used as a precipitant were determined by the ratio of the number of moles shown in Table 1 to the total number of moles of yttrium ions, barium ions, and zirconium ions in the raw material aqueous solution, respectively. Perovskite oxides of Comparative Examples 1 to 5 were obtained in the same manner as in Example 1, except that the perovskite oxides were doubled.

比較例1~比較例5において、ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の混合液のpHを、実施例1と同様にして測定した。その結果を表1に示す。 In Comparative Examples 1 to 5, the pH of the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.

また、比較例1~比較例5において、ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の混合液に含まれるイットリウムイオン(Y3+)とバリウムイオン(Ba2+)とジルコニウムイオン(Zr4+)の含有量(残存量)を、実施例1と同様にして測定した。その結果を表1に示す。
なお、バリウムイオンについては、実施例1と同様にして、原料水溶液の原料として使用したバリウムイオン量に対する割合を算出した。
また、ジルコニウムイオンについて、検出限界以下でないものについては、バリウムイオンと同様にして、原料水溶液の原料として使用したジルコニウムイオン量に対する割合を算出した。その結果を表1に示す。
Furthermore, in Comparative Examples 1 to 5, the contents of yttrium ions (Y 3+ ), barium ions (Ba 2+ ), and zirconium ions (Zr 4+ ) contained in the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor (Residual amount) was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.
Regarding barium ions, the ratio to the amount of barium ions used as a raw material for the raw material aqueous solution was calculated in the same manner as in Example 1.
Furthermore, for zirconium ions that were not below the detection limit, the ratio to the amount of zirconium ions used as a raw material for the raw material aqueous solution was calculated in the same manner as for barium ions. The results are shown in Table 1.

Figure 2024036893000001
Figure 2024036893000001

また、実施例1、比較例1~比較例5におけるペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の混合液中のバリウムイオン(Ba2+)の含有量(残存量)を図2に示す。
また、実施例1、比較例1~比較例5におけるペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の混合液中のジルコニウムイオン(Zr4+)の含有量(残存量)を図3に示す。
Further, the content (residual amount) of barium ions (Ba 2+ ) in the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor in Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 is shown in FIG.
Further, the content (residual amount) of zirconium ions (Zr 4+ ) in the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor in Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 is shown in FIG.

表1および図2に示すように、実施例1では、ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の混合液に含まれるバリウムイオン(Ba2+)の含有量(残存量)が非常に少なかった。また、表1および図3に示すように、実施例1では、ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の混合液に含まれるジルコニウムイオン(Zr4+)の含有量(残存量)が検出限界以下であった。さらに、表1に示すように、実施例1では、ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の混合液に含まれるイットリウムイオン(Y3+)の含有量(残存量)も検出限界以下であった。 As shown in Table 1 and FIG. 2, in Example 1, the content (residual amount) of barium ions (Ba 2+ ) contained in the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor was very small. Furthermore, as shown in Table 1 and FIG. 3, in Example 1, the content (residual amount) of zirconium ions (Zr 4+ ) contained in the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor was below the detection limit. Met. Furthermore, as shown in Table 1, in Example 1, the content (residual amount) of yttrium ions (Y 3+ ) contained in the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor was also below the detection limit. .

これに対し、表1および図2に示すように、比較例1では、ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の混合液に含まれるバリウムイオン(Ba2+)の含有量(残存量)が非常に多かった。このことから、沈殿剤として水酸化アンモニウムのみを用いた場合にはバリウム成分を沈殿させることは困難であることが分かる。 On the other hand, as shown in Table 1 and Figure 2, in Comparative Example 1, the content (residual amount) of barium ions (Ba 2+ ) contained in the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor was extremely low. There were many This shows that it is difficult to precipitate the barium component when only ammonium hydroxide is used as a precipitant.

また、表1および図3に示すように、比較例3~5では、ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の混合液に含まれるジルコニウムイオン(Zr4+)の含有量(残存量)が多かった。このことから、沈殿剤として炭酸水素アンモニウムのみを用いた場合、または沈殿剤として炭酸水素アンモニウムと少量の水酸化アンモニウムを用いた場合には、ジルコニウム成分を十分に沈殿させることは困難であることが分かる。 Furthermore, as shown in Table 1 and FIG. 3, in Comparative Examples 3 to 5, the content (residual amount) of zirconium ions (Zr 4+ ) contained in the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor was high. Ta. This indicates that it is difficult to sufficiently precipitate the zirconium component when only ammonium hydrogen carbonate is used as a precipitant, or when ammonium hydrogen carbonate and a small amount of ammonium hydroxide are used as precipitants. I understand.

「実施例2」
(原料水溶液調整工程S1)
硝酸バリウム水溶液と、硝酸ジルコニウム水溶液と、硝酸イットリウム水溶液とを混合し、イットリウム成分とバリウム成分とジルコニウム成分の割合が、目的物であるペロブスカイト酸化物(BaZr0.950.053-δ(BZY-5))の組成に対応している原料水溶液を作製したこと以外は、実施例1と同様にして実施例2のペロブスカイト酸化物を得た。
"Example 2"
(Raw material aqueous solution preparation step S1)
A barium nitrate aqueous solution, a zirconium nitrate aqueous solution, and an yttrium nitrate aqueous solution are mixed, and the ratio of the yttrium component, barium component, and zirconium component is determined to be the desired perovskite oxide (BaZr 0.95 Y 0.05 O 3-δ A perovskite oxide of Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1, except that a raw material aqueous solution corresponding to the composition of (BZY-5)) was prepared.

「実施例3」
(原料水溶液調整工程S1)
硝酸バリウム水溶液と、硝酸ジルコニウム水溶液と、硝酸イットリウム水溶液とを混合し、イットリウム成分とバリウム成分とジルコニウム成分の割合が、目的物であるペロブスカイト酸化物(BaZr0.850.153-δ(BZY-15))の組成に対応している原料水溶液を作製したこと以外は、実施例1と同様にして実施例3のペロブスカイト酸化物を得た。
"Example 3"
(Raw material aqueous solution preparation step S1)
A barium nitrate aqueous solution, a zirconium nitrate aqueous solution, and an yttrium nitrate aqueous solution are mixed, and the ratio of yttrium component, barium component, and zirconium component is determined to be the desired perovskite oxide (BaZr 0.85 Y 0.15 O 3-δ A perovskite oxide of Example 3 was obtained in the same manner as in Example 1, except that a raw material aqueous solution corresponding to the composition of (BZY-15)) was prepared.

「実施例4」
(原料水溶液調整工程S1)
硝酸バリウム水溶液と、硝酸ジルコニウム水溶液と、硝酸イットリウム水溶液とを混合し、イットリウム成分とバリウム成分とジルコニウム成分の割合が、目的物であるペロブスカイト酸化物(BaZr0.80.23-δ(BZY-20))の組成に対応している原料水溶液を作製したこと以外は、実施例1と同様にして実施例4のペロブスカイト酸化物を得た。
"Example 4"
(Raw material aqueous solution preparation step S1)
A barium nitrate aqueous solution, a zirconium nitrate aqueous solution, and a yttrium nitrate aqueous solution are mixed, and the ratio of the yttrium component, barium component, and zirconium component is determined to be the desired perovskite oxide (BaZr 0.8 Y 0.2 O 3-δ). A perovskite oxide of Example 4 was obtained in the same manner as in Example 1, except that a raw material aqueous solution corresponding to the composition of (BZY-20)) was prepared.

実施例2~実施例4において、ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の混合液に含まれるイットリウムイオン(Y3+)とバリウムイオン(Ba2+)とジルコニウムイオン(Zr4+)の含有量(残存量)を、実施例1と同様にして測定した。その結果を表2に示す。
なお、バリウムイオンについては、実施例1と同様にして、原料水溶液の原料として使用したバリウムイオン量に対する割合を算出した。
In Examples 2 to 4 , the content (residual amount) was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 2.
Regarding barium ions, the ratio to the amount of barium ions used as a raw material for the raw material aqueous solution was calculated in the same manner as in Example 1.

Figure 2024036893000002
Figure 2024036893000002

表2に示すように、実施例2~実施例4では、ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の混合液に含まれるバリウムイオン(Ba2+)の含有量(残存量)が非常に少なかった。また、表2に示すように、実施例2~実施例4では、ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の混合液に含まれるジルコニウムイオン(Zr4+)の含有量(残存量)が検出限界以下であった。さらに、表2に示すように、実施例2~実施例4では、ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の混合液に含まれるイットリウムイオン(Y3+)の含有量(残存量)も検出限界以下であった。 As shown in Table 2, in Examples 2 to 4, the content (residual amount) of barium ions (Ba 2+ ) contained in the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor was very small. . Furthermore, as shown in Table 2, in Examples 2 to 4, the content (residual amount) of zirconium ions (Zr 4+ ) contained in the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor was below the detection limit. It was below. Furthermore, as shown in Table 2, in Examples 2 to 4, the content (residual amount) of yttrium ions (Y 3+ ) contained in the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor also reached the detection limit. It was below.

また、実施例1および比較例1~比較例5のペロブスカイト酸化物について、X線回折装置(商品名;SmartLab/RA/DX:Rigaku社製)を用いて、X線回折(XRD)測定を行った。その結果を図4に示す。
図4は、実施例1および比較例1~比較例5のペロブスカイト酸化物のX線回折結果を示したチャートである。図4には、実施例1および比較例1~比較例5のペロブスカイト酸化物のチャートとともに、非特許文献1に記載されたBaZr0.90.13-δ(BZY-10)で示される化学組成を有するペロブスカイト酸化物のX線回折結果を示したチャートも記載した。
In addition, X-ray diffraction (XRD) measurements were performed on the perovskite oxides of Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 using an X-ray diffraction device (trade name: SmartLab/RA/DX: manufactured by Rigaku). Ta. The results are shown in FIG.
FIG. 4 is a chart showing the X-ray diffraction results of the perovskite oxides of Example 1 and Comparative Examples 1 to 5. FIG. 4 shows charts of perovskite oxides of Example 1 and Comparative Examples 1 to 5, as well as charts of BaZr 0.9 Y 0.1 O 3-δ (BZY-10) described in Non-Patent Document 1. Also included is a chart showing the X-ray diffraction results for perovskite oxides having the chemical compositions shown.

図4に示すように、実施例1のペロブスカイト酸化物と、非特許文献1に記載されたBaZr0.90.13-δ(BZY-10)で示される化学組成を有するペロブスカイト酸化物とでは、X線回折におけるピーク位置が同じである。このことから、実施例1のペロブスカイト酸化物が、BaZr0.90.13-δ(BZY-10)で示される化学組成を有する単一相のペロブスカイト酸化物であることが確認できた。 As shown in FIG. 4, the perovskite oxide of Example 1 and the perovskite oxide having the chemical composition represented by BaZr 0.9 Y 0.1 O 3-δ (BZY-10) described in Non-Patent Document 1 The peak position in X-ray diffraction is the same for both materials. From this, it can be confirmed that the perovskite oxide of Example 1 is a single-phase perovskite oxide having a chemical composition represented by BaZr 0.9 Y 0.1 O 3-δ (BZY-10). Ta.

また、比較例1~比較例5のペロブスカイト酸化物についても、実施例1のペロブスカイト酸化物と同様に、非特許文献1に記載されたBaZr0.90.13-δ(BZY-10)で示される化学組成を有するペロブスカイト酸化物と、X線回折におけるピーク位置が同じであった。しかし、比較例1~比較例5では、図4に示すように、ZrO、Ba、BaCO、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)で示される化学組成を有する酸化物に由来する不純物のX線回折ピークも確認された。このことから、比較例1~比較例5のペロブスカイト酸化物は、単一相のペロブスカイト酸化物ではないことが分かった。 Further, the perovskite oxides of Comparative Examples 1 to 5 are similar to the perovskite oxide of Example 1, and the perovskite oxides of BaZr 0.9 Y 0.1 O 3-δ (BZY- The peak position in X-ray diffraction was the same as that of the perovskite oxide having the chemical composition shown in 10). However , in Comparative Examples 1 to 5 , as shown in FIG. X-ray diffraction peaks of impurities were also confirmed. From this, it was found that the perovskite oxides of Comparative Examples 1 to 5 were not single-phase perovskite oxides.

本発明の燃料電池の製造方法では、共沈法を用いて析出したペロブスカイト酸化物前駆体を含む電解質材料を成形して焼成する。本発明の燃料電池の製造方法では、バリウム成分の揮発を抑制できる低い温度で焼結できるため、ペロブスカイト酸化物前駆体の原料として使用する希土類元素成分とバリウム成分とジルコニウム成分の割合によって、焼結後のペロブスカイト酸化物の組成を精度よく制御でき、所望の組成を有するペロブスカイト酸化物を含む電解質層を形成できる。よって、本発明によれば、ペロブスカイト酸化物を含む電解質層を有する燃料電池の特性および品質の向上が期待できる。また、本発明の燃料電池の製造方法では、低温で焼結することにより電解質層を形成できるため、焼結に伴って電解質層となる材料から揮発した成分が、電解質層ではない他の部材と反応し、電解質層ではない他の部材の機能を低下させることを防止できる。さらに、低温で焼結できるため、焼結に関わるエネルギーを低減できる。また、焼結に伴って電解質層となる材料から揮発した成分によって、焼結炉内などが汚れることがなく、製造設備の維持・管理が容易となり、設備に関わるコスト低減が図れる。 In the method for manufacturing a fuel cell of the present invention, an electrolyte material containing a perovskite oxide precursor precipitated using a coprecipitation method is shaped and fired. In the fuel cell manufacturing method of the present invention, since sintering can be performed at a low temperature that can suppress volatilization of the barium component, sintering can be carried out at a low temperature that suppresses volatilization of the barium component. The composition of the subsequent perovskite oxide can be controlled with high precision, and an electrolyte layer containing the perovskite oxide having a desired composition can be formed. Therefore, according to the present invention, it is expected that the characteristics and quality of a fuel cell having an electrolyte layer containing a perovskite oxide will be improved. In addition, in the fuel cell manufacturing method of the present invention, the electrolyte layer can be formed by sintering at a low temperature, so that the components volatilized from the material that will become the electrolyte layer during sintering are mixed with other components that are not the electrolyte layer. It is possible to prevent the reaction from deteriorating the functions of other members other than the electrolyte layer. Furthermore, since it can be sintered at low temperatures, the energy involved in sintering can be reduced. In addition, the inside of the sintering furnace is not contaminated by components volatilized from the material that becomes the electrolyte layer during sintering, making it easier to maintain and manage the manufacturing equipment, and reducing costs associated with the equipment.

また、本発明の製造方法により得られたペロブスカイト酸化物前駆体は、プロトン伝導性セラミック燃料電池(PCFC)の電解質層の材料としてだけでなく、電解装置の電解質層の材料としても好ましく用いることができる。 Furthermore, the perovskite oxide precursor obtained by the production method of the present invention can be preferably used not only as a material for an electrolyte layer of a proton-conducting ceramic fuel cell (PCFC) but also as a material for an electrolyte layer of an electrolytic device. can.

S1 原料水溶液調整工程、S2 沈殿工程、S3 焼成工程。 S1 raw material aqueous solution adjustment step, S2 precipitation step, S3 firing step.

Claims (10)

スカンジウム、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユウロビウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウムから選ばれる1種また2種以上の希土類元素のイオンと、バリウムイオンと、ジルコニウムイオンとを含有する原料水溶液を調製する原料水溶液調整工程と、
前記原料水溶液中の前記希土類元素のイオンと前記バリウムイオンと前記ジルコニウムイオンの合計モル数の0.5倍~20倍の水酸化アンモニウムと炭酸水素アンモニウムとを含み、前記水酸化アンモニウム1モルに対する前記炭酸水素アンモニウムのモル数が0.08モル~0.45モルである沈殿剤を、前記原料水溶液に添加して混合液とすることにより、前記混合液中でペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させる沈殿工程と、
前記ペロブスカイト酸化物前駆体を焼成することにより、ペロブスカイト酸化物を生成させる焼成工程とを有することを特徴とする、ペロブスカイト酸化物の製造方法。
One or more rare earth element ions selected from scandium, yttrium, lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, samarium, eurobium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, and lutetium, and barium ion. , a raw material aqueous solution preparation step of preparing a raw material aqueous solution containing zirconium ions;
Contains ammonium hydroxide and ammonium hydrogen carbonate in an amount of 0.5 to 20 times the total number of moles of rare earth element ions, barium ions, and zirconium ions in the raw material aqueous solution, and Precipitating a perovskite oxide precursor in the mixed solution by adding a precipitant containing 0.08 mol to 0.45 mol of ammonium hydrogen carbonate to the raw material aqueous solution to form a mixed solution. process and
A method for producing a perovskite oxide, comprising a firing step of producing a perovskite oxide by firing the perovskite oxide precursor.
前記沈殿工程において、前記ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の前記混合液のpHを9.40~9.80とする、請求項1に記載のペロブスカイト酸化物の製造方法。 The method for producing a perovskite oxide according to claim 1, wherein in the precipitation step, the pH of the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor is set to 9.40 to 9.80. 前記希土類元素がイットリウムである、請求項1に記載のペロブスカイト酸化物の製造方法。 The method for producing a perovskite oxide according to claim 1, wherein the rare earth element is yttrium. 前記焼成工程において、前記ペロブスカイト酸化物前駆体を900℃~1300℃の温度で焼成する、請求項1に記載のペロブスカイト酸化物の製造方法。 The method for producing a perovskite oxide according to claim 1, wherein in the firing step, the perovskite oxide precursor is fired at a temperature of 900°C to 1300°C. スカンジウム、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユウロビウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウムから選ばれる1種また2種以上の希土類元素のイオンと、バリウムイオンと、ジルコニウムイオンとを含有する原料水溶液を調製する原料水溶液調整工程と、
前記原料水溶液中の前記希土類元素のイオンと前記バリウムイオンと前記ジルコニウムイオンの合計モル数の0.5倍~20倍の水酸化アンモニウムと炭酸水素アンモニウムとを含み、前記水酸化アンモニウム1モルに対する前記炭酸水素アンモニウムのモル数が0.08モル~0.45モルである沈殿剤を、前記原料水溶液に添加して混合液とすることにより、前記混合液中でペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させる沈殿工程とを有することを特徴とする、ペロブスカイト酸化物前駆体の製造方法。
One or more rare earth element ions selected from scandium, yttrium, lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, samarium, eurobium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, and lutetium, and barium ion. , a raw material aqueous solution preparation step of preparing a raw material aqueous solution containing zirconium ions;
Contains ammonium hydroxide and ammonium hydrogen carbonate in an amount of 0.5 to 20 times the total number of moles of rare earth element ions, barium ions, and zirconium ions in the raw material aqueous solution, and Precipitating a perovskite oxide precursor in the mixed solution by adding a precipitant containing 0.08 mol to 0.45 mol of ammonium hydrogen carbonate to the raw material aqueous solution to form a mixed solution. A method for producing a perovskite oxide precursor, comprising the steps of:
前記沈殿工程において、前記ペロブスカイト酸化物前駆体を沈殿させた後の前記混合液のpHを9.40~9.80とする、請求項5に記載のペロブスカイト酸化物前駆体の製造方法。 The method for producing a perovskite oxide precursor according to claim 5, wherein in the precipitation step, the pH of the mixed solution after precipitating the perovskite oxide precursor is set to 9.40 to 9.80. 前記希土類元素がイットリウムである、請求項5に記載のペロブスカイト酸化物前駆体の製造方法。 The method for producing a perovskite oxide precursor according to claim 5, wherein the rare earth element is yttrium. 請求項5に記載のペロブスカイト酸化物前駆体の製造方法により、ペロブスカイト酸化物前駆体を製造する工程と、
前記ペロブスカイト酸化物前駆体を含む電解質材料を成形して焼成することにより、ペロブスカイト酸化物を含む焼結体からなる電解質層を形成する焼成工程を有する、燃料電池の製造方法。
producing a perovskite oxide precursor by the method for producing a perovskite oxide precursor according to claim 5;
A method for manufacturing a fuel cell, comprising a firing step of forming and firing an electrolyte material containing the perovskite oxide precursor to form an electrolyte layer made of a sintered body containing a perovskite oxide.
前記焼成工程において、前記電解質材料を900℃~1300℃の温度で焼成する、請求項8に記載の燃料電池の製造方法。 The method for manufacturing a fuel cell according to claim 8, wherein in the firing step, the electrolyte material is fired at a temperature of 900°C to 1300°C. 前記焼成工程が、第1電極となる電極材料を成形してなる層と、前記電解質材料を成形してなる層と、第2電極となる電極材料を成形してなる層とを、この順に積層して積層体を形成する積層体形成工程と、
前記積層体を焼成することにより、前記第1電極と前記電解質層と前記第2電極とが積層された焼結体を得る積層体焼成工程とを有する、請求項8に記載の燃料電池の製造方法。
The firing step laminates, in this order, a layer formed by molding the electrode material to become the first electrode, a layer formed by molding the electrolyte material, and a layer formed by molding the electrode material to become the second electrode. a laminate forming step of forming a laminate;
Manufacturing the fuel cell according to claim 8, comprising a laminate firing step of obtaining a sintered body in which the first electrode, the electrolyte layer, and the second electrode are stacked by firing the laminate. Method.
JP2022141433A 2022-09-06 2022-09-06 Method for producing perovskite oxide, method for producing perovskite oxide precursor, method for producing fuel cell Pending JP2024036893A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022141433A JP2024036893A (en) 2022-09-06 2022-09-06 Method for producing perovskite oxide, method for producing perovskite oxide precursor, method for producing fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022141433A JP2024036893A (en) 2022-09-06 2022-09-06 Method for producing perovskite oxide, method for producing perovskite oxide precursor, method for producing fuel cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2024036893A true JP2024036893A (en) 2024-03-18

Family

ID=90273091

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022141433A Pending JP2024036893A (en) 2022-09-06 2022-09-06 Method for producing perovskite oxide, method for producing perovskite oxide precursor, method for producing fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2024036893A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. Ga-substituted Li7La3Zr2O12: An investigation based on grain coarsening in garnet-type lithium ion conductors
Lima et al. Synthesis and properties of CuO-doped Ce0. 9Gd0. 1O2− δ electrolytes for SOFCs
Spiridigliozzi et al. Electro-morphological, structural, thermal and ionic conduction properties of Gd/Pr co-doped ceria electrolytes exhibiting mixed Pr3+/Pr4+ cations
JP7308814B2 (en) Ceramic powders, sintered bodies and batteries
Singh et al. Studies on structural, morphological, and electrical properties of Ga3+ and Cu2+ co-doped ceria ceramics as solid electrolyte for IT-SOFCs
CN111919113B (en) Solid electrolyte assembly having intermediate layer
WO2019178099A1 (en) Thin film ceramics that offer electric and electrochemical properties using nanopowders of controlled compositions
Coors Co-ionic Conduction in Protonic Ceramics of the Solid Solution, BaCexZr (yx) Y (1-y) O3-d; Part I: Fabrication and Microstructure
KR101808387B1 (en) Ceria electrolyte for low temperature sintering and solid oxide fuel cells using the same
Sandoval et al. Synthesis and preliminary study of NdxAE2-xMnO4±δ (AE: Ca, Sr) for symmetrical SOFC electrodes
WO2019194290A1 (en) Composite oxide and electrochemical device using the same as electrolyte material
KR20200086081A (en) Galium- gadolinium dopped solid electrolyte material for all-solid-state lithium secondary battery and method for preparing the same
Cheng et al. Effects of Mg2+ addition on structure and electrical properties of gadolinium doped ceria electrolyte ceramics
JP2024036893A (en) Method for producing perovskite oxide, method for producing perovskite oxide precursor, method for producing fuel cell
Urusova et al. Assessment of the Y-doped Ca3Co4O9+ δ as cathode material for proton-conducting fuel cells
Li et al. Fast firing of bismuth doped yttria-stabilized zirconia for enhanced densification and ionic conductivity
Kulkarni et al. Sol–gel synthesis and protonic conductivity of yttrium doped barium cerate
WO2021085366A1 (en) Solid electrolyte, laminate, and fuel cell
AU2022381461A1 (en) Cerium-gadolinium composite oxide
AU2022381337A1 (en) Cerium-gadolinium composite oxide
Gil et al. Low temperature synthesis and sintering behaviour of Gd-doped ceria nanosized powders: comparison between two synthesis procedures
KR100941394B1 (en) Low-temperature sinterable proton conducting abo3-based ceramic compositions
JP6141003B2 (en) Galate complex oxide and solid oxide fuel cell using the same
Badami Facile Synthesis Approaches for High Li+ ion Conducting Garnet Structures
WO2019235383A1 (en) Solid electrolyte and solid electrolyte bonded body