JP3260947B2 - Porous sintered body and solid oxide fuel cell - Google Patents

Porous sintered body and solid oxide fuel cell

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JP3260947B2
JP3260947B2 JP35027593A JP35027593A JP3260947B2 JP 3260947 B2 JP3260947 B2 JP 3260947B2 JP 35027593 A JP35027593 A JP 35027593A JP 35027593 A JP35027593 A JP 35027593A JP 3260947 B2 JP3260947 B2 JP 3260947B2
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sintered body
porous sintered
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lanthanum manganite
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、多孔質焼結体及びこれ
を空気極材料として用いた固体電解質型燃料電池に関す
るものである。
The present invention relates to a porous sintered body and a solid oxide fuel cell using the same as an air electrode material.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体電解質型燃料電池(SOFC)は、
1000℃の高温で作動するため電極反応が極めて活発
で、高価な白金などの貴金属触媒を全く必要とせず、分
極が小さく、出力電圧も比較的高いため、エネルギー変
換効率が他の燃料電池に比べて著しく高い。更に、構造
材は全て固体から構成されるため、安定かつ長寿命であ
る。
2. Description of the Related Art Solid oxide fuel cells (SOFCs)
Since it operates at a high temperature of 1000 ° C, the electrode reaction is extremely active, does not require any expensive noble metal catalyst such as platinum, has a small polarization, and has a relatively high output voltage, so the energy conversion efficiency is higher than other fuel cells. Remarkably high. Further, since all the structural materials are composed of solids, they are stable and have a long life.

【0003】SOFCの開発事業においては、高温で安
定な材料の探索が重要である。SOFCの空気極材料と
しては、現在、ランタンマンガナイト焼結体が有望と見
られている(エネルギー総合工学、13、2、52〜6
8頁、1990年)。こうしたランタンマンガナイト焼
結体においては、ほぼ化学量論的組成のものやAサイト
(ランタン部位)が一部欠損した組成のもの(マンガン
リッチな組成)も知られている。また、Aサイトが一部
欠損した組成のランタンマンガナイト焼結体は、室温か
ら1000℃へと温度が上昇すると、重量が減少するこ
とが報告されている(J.Electrochem.S
oc.138,5,1519〜1523頁,1991
年)。この場合には、800℃近辺から焼結体の重量が
減少し始めている。
In the development of SOFCs, it is important to search for materials that are stable at high temperatures. Lanthanum manganite sintered bodies are currently considered promising as cathode materials for SOFCs (Energy Engineering, 13, 2, 52-6).
8, p. 1990). Among such lanthanum manganite sintered bodies, those having an almost stoichiometric composition and those having a composition in which A site (lanthanum site) is partially deleted (manganese-rich composition) are known. In addition, it has been reported that a lanthanum manganite sintered body having a composition in which the A site is partially deleted decreases in weight when the temperature is increased from room temperature to 1000 ° C. (J. Electrochem. S.
oc. 138, 5, 1519-1523, 1991
Year). In this case, the weight of the sintered body starts to decrease around 800 ° C.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】特に、AサイトにC
a、Srをドープしたランタンマンガナイトからなる多
孔質焼結体が、自己支持型の空気極管を含む空気極の材
料として有望視されている。ところが、こうした多孔質
焼結体について、次の問題があることを、本発明者が初
めて発見した。
In particular, site A has C
a, A porous sintered body made of lanthanum manganite doped with Sr is considered to be promising as a material for an air electrode including a self-supporting air electrode tube. However, the present inventors have discovered for the first time that such a porous sintered body has the following problems.

【0005】即ち、SOFCの発電温度である900〜
1100℃の温度と、室温〜600℃の温度との間で加
熱−冷却サイクルをかけると、上記の多孔質焼結体から
なる空気極管と、単電池の他の構成材料との間でクラッ
クが発生し、単電池の破壊が生ずることが判明した。し
かも、この単電池を1000℃で長時間動作させても、
このようなクラックは全く発生しなかった。従って、こ
の現象は、上記の多孔質焼結体の焼成収縮によるもので
はなく、上記の熱サイクルによる寸法変化に起因するも
のと考えられた。
[0005] That is, the power generation temperature of the SOFC is 900 to
When a heating-cooling cycle is performed between the temperature of 1100 ° C. and the temperature of room temperature to 600 ° C., cracks occur between the air electrode tube made of the porous sintered body and other constituent materials of the unit cell. , And it was found that the cell was destroyed. Moreover, even if this cell is operated at 1000 ° C. for a long time,
Such cracks did not occur at all. Therefore, it is considered that this phenomenon is not due to the shrinkage of the porous sintered body during firing, but to the dimensional change due to the thermal cycle.

【0006】本発明の課題は、上記の熱サイクルに対す
る安定性をランタンマンガナイト多孔質焼結体に付与す
ることである。
An object of the present invention is to provide a lanthanum manganite porous sintered body with the above-mentioned stability against thermal cycling.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明に係る多孔質焼結
体は、ペロブスカイト構造のランタンマンガナイトから
なり、ランタンマンガナイトのAサイトの22%以上、
35%以下がカルシウムによって置換されており、アル
ミニウム、コバルト、銅、マグネシウム、ニッケル、
鉄、チタン及び亜鉛からなる群より選ばれた一種以上の
金属原子によってBサイトのマンガン原子の一部が置換
され、室温と1000℃との間の熱サイクルによって生
ずる寸法収縮が熱サイクル1回当たり0.01%以下で
あることを特徴とする。
The porous sintered body according to the present invention is made of lanthanum manganite having a perovskite structure, and at least 22% of the A site of lanthanum manganite.
35% or less is replaced by calcium, aluminum, cobalt, copper, magnesium, nickel,
One or more metal atoms selected from the group consisting of iron, titanium and zinc replace a part of the manganese atom at the B site, and the dimensional shrinkage caused by the thermal cycle between room temperature and 1000 ° C. per thermal cycle It is characterized by being 0.01% or less.

【0008】また、本発明に係る多孔質焼結体は、ペロ
ブスカイト構造のランタンマンガナイトからなり、ラン
タンマンガナイトのAサイトの20%以上、40%以下
がストロンチウムによって置換されており、アルミニウ
ム、コバルト、銅、マグネシウム、ニッケル、鉄、チタ
ン及び亜鉛からなる群より選ばれた一種以上の金属原子
によってBサイトのマンガン原子の一部が置換され、室
温と1000℃との間の熱サイクルによって生ずる寸法
収縮が熱サイクル1回当たり0.01%以下であること
を特徴とする。
Further, the porous sintered body according to the present invention is composed of lanthanum manganite having a perovskite structure, wherein 20% or more and 40% or less of the A site of lanthanum manganite are replaced by strontium, and aluminum, cobalt One or more metal atoms selected from the group consisting of copper, magnesium, nickel, iron, titanium and zinc, wherein a portion of the manganese atoms at the B site is replaced, and the dimensions resulting from thermal cycling between room temperature and 1000 ° C. The shrinkage is not more than 0.01% per heat cycle.

【0009】[0009]

【作用】最初に、熱サイクルによる多孔質焼結体の寸法
収縮現象について、説明する。本発明者は、従来のラン
タンマンガナイト多孔質焼結体について、900〜11
00°Cの温度と、室温〜600°Cの温度との間で、
加熱−冷却サイクルをかけ、その安定性を試験してみ
た。このランタンマンガナイトは、Bサイトは特に置換
されておらず、Aサイトの10mol%〜20mol%
がカルシウムによって置換されているものであり、又
は、Aサイトの10mol%〜15mol%がストロン
チウムによって置換されているものである。
First, the dimensional shrinkage phenomenon of the porous sintered body due to the thermal cycle will be described. The present inventor has reported that a conventional lanthanum manganite porous sintered body is 900 to 11
Between a temperature of 00 ° C and a temperature between room temperature and 600 ° C,
A heating-cooling cycle was applied to test its stability. In the lanthanum manganite, the B site is not particularly substituted, and 10 mol% to 20 mol% of the A site.
Is substituted by calcium, or 10 mol% to 15 mol% of the A site is substituted by strontium.

【0010】この結果、上記の多孔質焼結体の寸法が熱
サイクル1回当り0.01〜0.04%程度収縮するこ
とが判明した。しかも、この熱サイクルによる収縮は、
100回の熱サイクルをかけても収束せず、100回の
熱サイクルで数%にも及ぶことが判明した。このように
空気極が収縮すると、単電池の他の構成材料との間でク
ラックが発生し、単電池の破壊の原因となる。
As a result, it has been found that the dimensions of the porous sintered body shrink by about 0.01 to 0.04% per heat cycle. Moreover, shrinkage due to this heat cycle
It was found that it did not converge even after 100 heat cycles, and it reached several percent in 100 heat cycles. When the air electrode shrinks in this way, cracks occur between the unit cell and other constituent materials, causing the unit cell to break.

【0011】本出願人は、この問題を解決するために研
究を進めた。この結果、上記した組成の複合酸化物から
なる多孔質焼結体によれば、室温と1000°Cとの間
の熱サイクルによって生ずる寸法収縮を、上記の熱サイ
クル1回当たり0.01%以下に抑えることができるこ
とを発見した。しかも、これにより、900〜1100
°Cの温度と、室温〜600°Cの温度との間で加熱−
冷却サイクルをかけても、多孔質焼結体と他の構成材料
との間でクラックが発生しないことを確認した。
[0011] The present applicant has conducted research to solve this problem. As a result, according to the porous sintered body composed of the composite oxide having the above-described composition, the dimensional shrinkage caused by the thermal cycle between room temperature and 1000 ° C. is reduced by 0.01% or less per one thermal cycle. Found that it can be suppressed. Moreover, this allows 900 to 1100
° C and between room temperature and 600 ° C
It was confirmed that cracks did not occur between the porous sintered body and other constituent materials even after a cooling cycle.

【0012】「寸法収縮が熱サイクル1回当たり0.0
1%以下である」とは、多孔質焼結体を焼結させた後、
最初の熱サイクルから10回目又は100回目の熱サイ
クルまでの各寸法収縮の平均値を指すものとする。
"The dimensional shrinkage is 0.0% per thermal cycle.
1% or less "means that after sintering the porous sintered body,
The average value of each dimensional shrinkage from the first heat cycle to the 10th or 100th heat cycle shall be indicated.

【0013】本発明の多孔質焼結体においては、アルミ
ニウム、コバルト、銅、マグネシウム、ニッケル、鉄、
チタン及び亜鉛からなる群より選ばれた一種以上の金属
原子によって、ランタンマンガナイトのBサイトのマン
ガン原子の一部を置換する。
In the porous sintered body of the present invention, aluminum, cobalt, copper, magnesium, nickel, iron,
One or more metal atoms selected from the group consisting of titanium and zinc replace a part of the manganese atom at the B site of lanthanum manganite.

【0014】Bサイトにおけるマンガン原子以外の金属
原子の置換割合は、0.02%以上、20%以下とする
ことが好ましく、5%以上、20%以下とすることが更
に好ましい。この置換割合が0.02%未満であると収
縮抑制効果が顕著ではなく、20%を超えると、電気伝
導度が低下する。この置換割合を5%以上とすると、熱
サイクルによる収縮の抑制効果が一層顕著になるし、2
0%以下にすると、多孔質焼結体の電気伝導度の低下が
小さい。
The substitution ratio of metal atoms other than manganese atoms at the B site is preferably 0.02% or more and 20% or less, more preferably 5% or more and 20% or less. If the substitution ratio is less than 0.02%, the effect of suppressing shrinkage is not remarkable, and if it exceeds 20%, the electrical conductivity is reduced. When this substitution ratio is 5% or more, the effect of suppressing shrinkage due to thermal cycling becomes more remarkable.
When the content is 0% or less, the decrease in electric conductivity of the porous sintered body is small.

【0015】多孔質焼結体のBサイトには、上記の金属
原子を二種類以上置換することができる。この場合に
は、二種類以上の置換原子の置換量の合計を、上記の割
合とすることが好ましい。
At the B site of the porous sintered body, two or more kinds of the above metal atoms can be substituted. In this case, it is preferable that the total of the substitution amounts of two or more types of substitution atoms be the above ratio.

【0016】本発明の多孔質焼結体においては、Aサイ
トの22%以上、35%以下をカルシウムによって置換
する。カルシウムの置換量が15%以上、22%未満で
あると、上記の熱サイクルに対する寸法収縮の低減の効
果が顕著ではない。なお、置換量が15%未満である
と、熱サイクルによる寸法収縮量が低下する傾向がある
が、900°Cと1000°Cとの間における昇温時と
降温時との熱膨張係数の変化が、2%以上となる。カル
シウムの置換量が35%を越えると、多孔質焼結体の熱
膨張係数が急激に増大する。
In the porous sintered body of the present invention, 22% or more and 35% or less of the A site are replaced with calcium. If the replacement amount of calcium is 15% or more and less than 22%, the effect of reducing the dimensional shrinkage with respect to the above thermal cycle is not significant. If the substitution amount is less than 15%, the amount of dimensional shrinkage due to the thermal cycle tends to decrease, but the change in the coefficient of thermal expansion between 900 ° C. and 1000 ° C. between when the temperature is raised and when the temperature is decreased. Is 2% or more. When the calcium replacement amount exceeds 35%, the thermal expansion coefficient of the porous sintered body increases rapidly.

【0017】又は、Aサイトの20%以上、40%以下
をストロンチウムによって置換する。ストロンチウムの
置換量が20%未満であると、上記の熱サイクルに対す
る寸法収縮の低減の効果が顕著ではない。ストロンチウ
ムの置換量が40%を越えると、多孔質焼結体の熱膨張
係数が増大する。
Alternatively, strontium replaces 20% or more and 40% or less of the A site. If the substitution amount of strontium is less than 20%, the effect of reducing the dimensional shrinkage with respect to the above thermal cycle is not remarkable. When the substitution amount of strontium exceeds 40%, the thermal expansion coefficient of the porous sintered body increases.

【0018】また、ランタンマンガナイトは非化学量論
的組成をとりうるので、多孔質焼結体の製造工程におい
て不可避的に混入する若干の不純物に由来するランタン
マンガナイトの組成変動は、許容される。
Further, since lanthanum manganite can have a non-stoichiometric composition, fluctuations in the composition of lanthanum manganite due to some impurities that are inevitably mixed in the production process of the porous sintered body are allowed. You.

【0019】更に、本発明者は、上記の熱サイクルに伴
なう多孔質焼結体の寸法収縮が生ずる機構などについ
て、研究を進めた。この結果、1000°Cにおける重
量を室温における重量で除した値を0.9988以上と
すると、上記の寸法収縮が顕著に抑制されることを見出
した。即ち、室温から1000°C程度の高温に多孔質
焼結体を昇温すると、多孔質焼結体に重量減少が見ら
れ、この重量減少が、上記の熱サイクルによる寸法収縮
と明確な相関を有していた。
Further, the present inventor has studied on the mechanism of the dimensional shrinkage of the porous sintered body caused by the above-mentioned thermal cycle. As a result, it was found that when the value obtained by dividing the weight at 1000 ° C. by the weight at room temperature was 0.9988 or more, the dimensional shrinkage was significantly suppressed. That is, when the temperature of the porous sintered body is raised from room temperature to a high temperature of about 1000 ° C., the weight of the porous sintered body is reduced, and this weight reduction has a clear correlation with the dimensional shrinkage due to the above-mentioned thermal cycle. Had.

【0020】上記の現象の機構は、現時点では明らかで
はない。しかし、室温から1000°C程度まで温度上
昇させると多孔質焼結体の重量が僅かに減少し、再び室
温に温度降下させると、この重量が元に戻る。
The mechanism of the above phenomenon is not clear at present. However, when the temperature is raised from room temperature to about 1000 ° C., the weight of the porous sintered body slightly decreases, and when the temperature is lowered again to room temperature, the weight returns to the original value.

【0021】また、本発明者は、更に研究を進めた結
果、多孔質焼結体の電気伝導度の活性化エネルギー(活
性化エネルギーと記す。)が、上記の熱サイクルによる
寸法収縮と明確な相関を有していることを見出した。即
ち、200°C〜1000°Cの広範囲に亘ってアレニ
ウスプロットを作成してみると、200°C〜600°
Cの範囲における活性化エネルギーと900〜1000
°Cの範囲における活性化エネルギーとの差が明確に現
われた多孔質焼結体においては、熱サイクル寸法収縮が
進行することが判明した。
Further, as a result of further research, the present inventor has found that the activation energy (hereinafter referred to as activation energy) of the electrical conductivity of the porous sintered body is clearly different from the dimensional shrinkage due to the thermal cycle. It was found to have a correlation. That is, when an Arrhenius plot is created over a wide range from 200 ° C. to 1000 ° C., 200 ° C. to 600 ° C.
Activation energy in the range C and 900-1000
In the porous sintered body in which the difference from the activation energy in the range of ° C was clearly shown, it was found that the thermal cycle dimensional shrinkage proceeded.

【0022】具体的には、200°C〜600°Cの範
囲における活性化エネルギーと900〜1000°Cの
範囲における活性化エネルギーとの差を0.01eV以下にす
ると、室温と1000°Cとの間の熱サイクルによって
生ずる寸法収縮を熱サイクル1回当り0.01%以下に
抑制できることが明らかになった。
Specifically, if the difference between the activation energy in the range of 200 ° C. to 600 ° C. and the activation energy in the range of 900 ° C. to 1000 ° C. is 0.01 eV or less, the difference between room temperature and 1000 ° C. It was found that the dimensional shrinkage caused by the heat cycle during the heat cycle can be suppressed to 0.01% or less per heat cycle.

【0023】また、900°Cと1000°Cとの間に
おける、昇温時と降温時との熱膨張係数の変化が2%以
下となる場合には、上記した熱サイクルによる寸法収縮
が、1回当たり0.01%以下となり、顕著に減少する
ことも確認した。
When the change in the coefficient of thermal expansion between 900 ° C. and 1000 ° C. between the time of temperature rise and the time of temperature fall is 2% or less, the dimensional shrinkage due to the above thermal cycle is 1%. It was 0.01% or less per operation, and it was also confirmed that the amount significantly decreased.

【0024】これらの現象が生ずる機構は、現在のとこ
ろ不明である。しかし、熱サイクルに伴って、大気中の
800℃以上の温度域で酸素が結晶中に出入りし、この
出入りに伴って結晶格子が歪み、金属原子の物質移動が
促進されているものと推測される。また、多孔質焼結体
の熱サイクルに伴う寸法収縮量は、焼結体を構成する結
晶粒径、熱サイクル時の昇降温速度、雰囲気中の酸素分
圧によって、若干異なってくる。即ち、結晶粒径が小さ
いほど、昇降温速度が小さいほど、雰囲気中の酸素分圧
が高いほど、多孔質焼結体の寸法収縮が大きいことが判
った。
The mechanism by which these phenomena occur is currently unknown. However, it is presumed that oxygen enters and exits the crystal in the temperature range of 800 ° C. or higher in the atmosphere due to the thermal cycle, and the crystal lattice is distorted as the oxygen enters and exits, thereby promoting mass transfer of metal atoms. You. In addition, the amount of dimensional shrinkage of the porous sintered body accompanying the thermal cycle slightly varies depending on the crystal grain size constituting the sintered body, the temperature rise / fall rate during the thermal cycle, and the oxygen partial pressure in the atmosphere. That is, it was found that the smaller the crystal grain size, the lower the temperature rise / fall rate, and the higher the oxygen partial pressure in the atmosphere, the greater the dimensional shrinkage of the porous sintered body.

【0025】本発明の多孔質焼結体は、特に、熱サイク
ルに対して安定な高温電極材料として好ましく使用でき
る。こうした高温電極材料としては、核融合炉、MHD
発電等における電極材料がある。
The porous sintered body of the present invention can be preferably used particularly as a high-temperature electrode material that is stable against heat cycles. Such high-temperature electrode materials include fusion reactors, MHD
There are electrode materials for power generation and the like.

【0026】また、本発明の多孔質焼結体は、SOFC
用の空気極材料として、特に好適に使用できる。更に、
自己支持型の空気極基体の材料として用いることが好ま
しい。こうした空気極基体は、単電池の母材として用い
られるものであり、空気極基体上に、固体電解質膜、燃
料電極膜、インターコネクター、セパレータなどの各構
成部分が積層される。この際、空気極基体の形状は、両
端が開口した円筒形状、一端が開口し、他端が閉塞され
た有底円筒形状、平板形状などであってよい。このう
ち、上記したいずれかの円筒形状のものが、熱応力がか
かりにくく、ガスシールが容易なので、特に好ましい。
Further, the porous sintered body of the present invention is
As an air electrode material for use. Furthermore,
Preferably, it is used as a material for a self-supporting air electrode substrate. Such an air electrode substrate is used as a base material of a unit cell, and various components such as a solid electrolyte membrane, a fuel electrode film, an interconnector, and a separator are laminated on the air electrode substrate. At this time, the shape of the air electrode base may be a cylindrical shape with both ends opened, a bottomed cylindrical shape with one end open and the other end closed, a flat plate shape, or the like. Among them, any one of the above-mentioned cylindrical shapes is particularly preferable because thermal stress is hardly applied and gas sealing is easy.

【0027】多孔質焼結体の気孔率は、5〜40%とす
ることが好ましい。また、これをSOFC用の空気極材
料として用いる場合には、更に気孔率を15〜40%と
することが好ましく、25〜35%とすると一層好まし
い。この場合は、空気極の気孔率を15%以上とするこ
とで、ガス拡散抵抗を小さくし、気孔率を40%以下と
することで、ある程度の強度も確保することができる。
The porosity of the porous sintered body is preferably 5 to 40%. When this is used as an air electrode material for an SOFC, the porosity is further preferably set to 15 to 40%, more preferably 25 to 35%. In this case, the gas diffusion resistance is reduced by setting the porosity of the air electrode to 15% or more, and a certain degree of strength can be secured by setting the porosity to 40% or less.

【0028】本発明の多孔質焼結体をSOFC用の空気
極材料として使用する場合には、多孔質焼結体の熱膨張
率を、固体電解質膜や燃料電極膜などの熱膨張率に近く
しなければならない。そして、この固体電解質膜がイッ
トリア安定化ジルコニアである場合には、25°C〜1
000°Cの間の平均熱膨張率は10.5×10-6-1
であることが知られている。
When the porous sintered body of the present invention is used as an air electrode material for an SOFC, the coefficient of thermal expansion of the porous sintered body should be close to the coefficient of thermal expansion of a solid electrolyte membrane or a fuel electrode membrane. Must. When the solid electrolyte membrane is made of yttria-stabilized zirconia, the temperature ranges from 25 ° C to 1 ° C.
The average coefficient of thermal expansion between 000 ° C. is 10.5 × 10 −6 K −1
It is known that

【0029】特開平1─200560号公報において
は、ランタンマンガナイト系のペロブスカイト型複合酸
化物において、La1-X X Mn1-y y 3 の組成を
有する電極材料が開示されている。ここで、Aは、C
a、Srであり、Bは、ニッケル、クロムである。0≦
X≦0.4であり、0<y≦0.25である。こうした
組成の電極材料を採用することにより、バルクの導電率
(σ)及び界面導電率(σE )を向上させ、電極抵抗と
分極電位とを低下させている。
Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-560 discloses an electrode material having a composition of La 1 -XA X Mn 1 -y By O 3 in a lanthanum manganite-based perovskite-type composite oxide. . Where A is C
a and Sr, and B is nickel and chromium. 0 ≦
X ≦ 0.4 and 0 <y ≦ 0.25. By employing an electrode material having such a composition, the bulk conductivity (σ) and the interface conductivity (σ E ) are improved, and the electrode resistance and the polarization potential are reduced.

【0030】しかし、本発明における、熱サイクルに伴
う多孔質焼結体の収縮という課題は全く認識されておら
ず、本発明に至るような動機付けが全く存在しない。ま
た、特開平1─200560号公報の実施例を見ると明
らかなように、Aサイトにおけるカルシウムの置換量が
40%であり、熱膨張係数の点でSOFC用の空気極と
しては不適当である(本公報の第3頁第1表)。
However, the problem of shrinkage of the porous sintered body due to the heat cycle in the present invention has not been recognized at all, and there is no motivation to reach the present invention. Further, as is apparent from the examples of JP-A-1-200560, the substitution amount of calcium at the A site is 40%, which is unsuitable as an air electrode for SOFC in terms of the coefficient of thermal expansion. (Table 1, page 3 of this publication).

【0031】本発明の多孔質焼結体を製造するには、好
ましくは、上記の組成となるように原料を混合し、この
混合物を焼成してランタンマンガナイトを合成し、この
合成物を粉砕してランタンマンガナイト粉末を製造す
る。この粉末に、有機バインダーと造孔剤とを混合して
成形し、この成形体を焼成して多孔質焼結体を得る。
In order to produce the porous sintered body of the present invention, preferably, the raw materials are mixed so as to have the above-mentioned composition, and the mixture is fired to synthesize lanthanum manganite. To produce lanthanum manganite powder. This powder is mixed with an organic binder and a pore-forming agent and molded, and the molded body is fired to obtain a porous sintered body.

【0032】[0032]

【実施例】(実験1) (実験用試料の製造) 出発原料として、La2 3
CaCO3 、Mn3 4、NiO、CuO、MgO、A
2 3 、SrCO3 の各粉末を使用した。表1、表2
に示す組成比率となるように、各例について、所定量の
出発原料を秤量し、混合した。この混合粉末を、コール
ドアイソスタティックプレス法により、1tf/cm2
の圧力で成形し、成形体を作製した。この成形体を、大
気中、1100℃で40時間熱処理し、表1、表2に示
す組成のランタンマンガナイトを合成した。
EXAMPLES (Experiment 1) (Production of experimental sample) La 2 O 3 ,
CaCO 3 , Mn 3 O 4 , NiO, CuO, MgO, A
Each powder of l 2 O 3 and SrCO 3 was used. Table 1, Table 2
For each example, a predetermined amount of the starting material was weighed and mixed so that the composition ratios shown in Table 1 were obtained. This mixed powder was subjected to a cold isostatic press method to obtain 1 tf / cm 2
To obtain a molded body. This compact was heat-treated at 1100 ° C. for 40 hours in the air to synthesize lanthanum manganite having the composition shown in Tables 1 and 2.

【0033】この合成体をボールミルにて粉砕し、平均
粒径が約3〜6μm のランタンマンガナイト粉末を作製
した。次に、このランタンマンガナイト粉末に有機バイ
ンダーとしてポリビニルアルコールを分散させ、一軸プ
レス法にて角板を成形した。この成形体を大気中125
0℃で5時間焼成して焼結体を得、この焼結体から、縦
3mm、横4mm、長さ40mmの角棒を切り出し、実験用試
料とした。
This composite was pulverized with a ball mill to prepare a lanthanum manganite powder having an average particle size of about 3 to 6 μm. Next, polyvinyl alcohol was dispersed as an organic binder in the lanthanum manganite powder, and a square plate was formed by a uniaxial pressing method. This molded body is placed in the atmosphere 125
It was fired at 0 ° C. for 5 hours to obtain a sintered body, and a rectangular rod having a length of 3 mm, a width of 4 mm and a length of 40 mm was cut out from the sintered body to prepare an experimental sample.

【0034】(測定)まず、表1に示す実施例の試料1
〜10及び比較例の試料25を乳鉢にて粉砕し、粉末法
にてX線回折測定を行った。この結果、本発明の実施例
に係る試料1〜10の各回折パターンは、比較例に係る
試料25の回折パターンとほぼ同じであり、かつ単一相
を示している。
(Measurement) First, the sample 1 of the embodiment shown in Table 1 was used.
Sample Nos. 10 to 25 and Comparative Example 25 were pulverized in a mortar and subjected to X-ray diffraction measurement by a powder method. As a result, each diffraction pattern of the samples 1 to 10 according to the example of the present invention is almost the same as the diffraction pattern of the sample 25 according to the comparative example, and shows a single phase.

【0035】これらのX線回折パターンからみて、試料
1〜10において、カルシウム、ニッケル、銅、マグネ
シウム、アルミニウム、ストロンチウムは、それぞれ確
かにランタンマンガナイト結晶中に固溶していた。
According to these X-ray diffraction patterns, in samples 1 to 10, calcium, nickel, copper, magnesium, aluminum and strontium were surely dissolved in the lanthanum manganite crystals.

【0036】次いで、各試料の気孔率を水置換法にて測
定した。この結果を表1、表2に示す。
Next, the porosity of each sample was measured by a water displacement method. The results are shown in Tables 1 and 2.

【0037】次に、各試料を大気中にて200℃/時間
で600℃まで昇温し、その後600℃と1000℃と
の間で、200℃/時間の昇降温速度にて10回熱サイ
クルをかけ、室温まで降温した。この際、各熱サイクル
において、600℃と1000℃では各々30分間一定
温度を保持した。その後、マイクロメータを用いて各試
料の寸法を測定し、熱サイクル前後の寸法収縮率を計算
した。これらの測定結果を表1,表2に示す。
Next, the temperature of each sample was raised to 600 ° C. at a rate of 200 ° C./hour in the atmosphere, and thereafter, a heat cycle was performed 10 times at a rate of 200 ° C./hour between 600 ° C. and 1000 ° C. And cooled to room temperature. At this time, in each thermal cycle, a constant temperature was maintained for 30 minutes at 600 ° C. and 1000 ° C., respectively. Thereafter, the dimensions of each sample were measured using a micrometer, and the dimensional shrinkage before and after the heat cycle was calculated. Tables 1 and 2 show the measurement results.

【0038】また、各試料の1000℃での電気伝導度
について評価した。これは、SOFCの空気極等として
要求される特性である。この測定は、大気中、1000
℃にて、直流四端子法にて行った。この結果も表1、表
2に示す。ただし、表1、表2においては、気孔率の相
違による電気伝導度への影響を消去するため、測定デー
タは、気孔率30%での値になるよう、計算によって補
正した。
The electrical conductivity of each sample at 1000 ° C. was evaluated. This is a characteristic required as an air electrode or the like of the SOFC. This measurement was carried out in air at 1000
C., at a direct current four-terminal method. The results are also shown in Tables 1 and 2. However, in Tables 1 and 2, in order to eliminate the influence on the electric conductivity due to the difference in the porosity, the measurement data was corrected by calculation so as to be a value at the porosity of 30%.

【0039】また、一部の試料については、25°C〜
1000°Cの平均熱膨張係数を測定した。
Further, for some of the samples, a temperature of 25 ° C.
The average coefficient of thermal expansion at 1000 ° C was measured.

【0040】[0040]

【表1】 [Table 1]

【0041】[0041]

【表2】 [Table 2]

【0042】上記の表2から判るように、試料番号25
と、試料番号21〜24とを比較すると、カルシウムの
置換量を20%とし、あるいはストロンチウムの置換量
を10%とした場合において、Bサイトの一部をニッケ
ル、アルミニウム等によって置換すると、多孔質焼結体
の寸法収縮率が減少している。しかし、試料番号25に
比べて、多孔質焼結体の電気伝導度が減少しており、か
つ、Bサイトにおける置換量が多くなるほど、電気伝導
度が一層減少する傾向があることが判明した。この点
は、電極材料としては不利である。
As can be seen from Table 2 above, Sample No. 25
In comparison with Sample Nos. 21 to 24, when the substitution amount of calcium is set to 20% or the substitution amount of strontium is set to 10%, when a part of the B site is replaced with nickel, aluminum, or the like, the porous material becomes porous. The dimensional shrinkage of the sintered body has decreased. However, compared to Sample No. 25, it was found that the electric conductivity of the porous sintered body was reduced, and that the electric conductivity tended to be further reduced as the substitution amount at the B site increased. This point is disadvantageous as an electrode material.

【0043】一方、試料番号1と試料番号25とを比較
すると、電気伝導度にはあまり差がなく、この一方で寸
法収縮が小さくなっていることが判る。試料番号1と2
1とを比較すると、本発明の実施例に係る試料番号1に
おいては、多孔質焼結体の電気伝導度が向上している。
On the other hand, a comparison between Sample No. 1 and Sample No. 25 shows that there is not much difference in the electrical conductivity, while the dimensional shrinkage is small. Sample numbers 1 and 2
In comparison with No. 1, the electrical conductivity of the porous sintered body is improved in Sample No. 1 according to the example of the present invention.

【0044】更に、試料番号2、3、4を見ると、カル
シウムの置換量が増大するのにつれて、寸法収縮が小さ
くなり、かつ電気伝導度も向上している。試料番号5と
22とを比較すると、やはり試料番号5におけるように
カルシウムの置換量を35%に上昇させることにより、
電気伝導度が、試料番号25と遜色ないまでに向上して
いることが判る。
Further, looking at Sample Nos. 2, 3, and 4, the dimensional shrinkage was reduced and the electrical conductivity was improved as the calcium replacement amount was increased. Comparing Sample Nos. 5 and 22, again by increasing the calcium replacement to 35% as in Sample No. 5,
It can be seen that the electric conductivity is improved to the same degree as that of the sample No. 25.

【0045】試料番号7と23とを比較しても、試料番
号7では、寸法収縮の減少に加えて、電気伝導度の向上
の作用も発揮されている。試料番号10と24とを比較
すると、試料番号10では、寸法収縮の減少に加えて、
電気伝導度の向上の作用も発揮されている。
Comparing Sample Nos. 7 and 23, Sample No. 7 exhibited an effect of improving electrical conductivity in addition to reducing dimensional shrinkage. Comparing Sample Nos. 10 and 24, in Sample No. 10, in addition to the reduction in dimensional shrinkage,
The effect of improving electric conductivity is also exhibited.

【0046】また、本発明者は、表1の試料25につい
て、室温から1000℃まで温度を上昇及び下降させ、
熱膨張計によって多孔質焼結体の寸法変化を測定した。
この結果、寸法の収縮現象は、温度下降時の900℃〜
800℃の温度範囲で起こっていることを突き止めた。
従って、この温度範囲で、酸素原子の吸収や金属原子の
移動が生じているものと推定される。また、本実験の条
件である600℃と1000℃の間での熱サイクルによ
る結果は、室温と1000℃との間の熱サイクルによる
結果と同じになる。
Further, the present inventor raised and lowered the temperature of the sample 25 in Table 1 from room temperature to 1000 ° C.
The dimensional change of the porous sintered body was measured by a thermal dilatometer.
As a result, the dimensional shrinkage phenomenon starts at 900 ° C. when the temperature falls.
What happened in the temperature range of 800 ° C. was determined.
Therefore, it is presumed that absorption of oxygen atoms and migration of metal atoms occur in this temperature range. Further, the result of the thermal cycle between 600 ° C. and 1000 ° C., which is the condition of this experiment, is the same as the result of the thermal cycle between room temperature and 1000 ° C.

【0047】また、試料25を、大気中1000℃で1
0時間保持し、室温へと降温した後、加熱前と加熱後と
の寸法変化率を測定したところ、0.03%の収縮を示
した。一方、表2を見ると、焼成後の10回の熱サイク
ルについて、熱サイクル1回当たりの寸法収縮率は0.
029%であった。
Further, the sample 25 was heated at 1000.degree.
After holding for 0 hour and lowering the temperature to room temperature, the dimensional change before and after heating was measured. As a result, the shrinkage was 0.03%. On the other hand, as shown in Table 2, the dimensional shrinkage rate per heat cycle was 0.1 for 10 heat cycles after firing.
029%.

【0048】従って、0.03%の収縮は、熱サイクル
1回分の寸法収縮量にほぼ相当する。この結果から、上
記した0.03%の寸法収縮は、1000℃で10時間
保持している間に生じたのではなく、1000℃から室
温へと下降した降温過程の間に生じたものである。言い
換えると、多孔質焼結体の上記熱サイクルによる収縮現
象は、高温で多孔質焼結体を保持したことによる焼結の
進行とは、全く別の機構によって生じている。
Therefore, the shrinkage of 0.03% substantially corresponds to the amount of dimensional shrinkage for one heat cycle. From this result, it was found that the above-mentioned dimensional shrinkage of 0.03% did not occur during the holding at 1000 ° C. for 10 hours, but occurred during the cooling process from 1000 ° C. to room temperature. . In other words, the shrinkage phenomenon of the porous sintered body due to the thermal cycle is generated by a completely different mechanism from the progress of sintering due to holding the porous sintered body at a high temperature.

【0049】(実験2)実験1と同様にして、表3、表
4に示す各組成及び気孔率となるように、各例の多孔質
焼結体を製造した。そして、各例の多孔質焼結体につい
て、気孔率、寸法収縮率を測定した。この結果を、表
3、表4に示す。
(Experiment 2) In the same manner as in Experiment 1, porous sintered bodies of the respective examples were manufactured so as to have the compositions and porosity shown in Tables 3 and 4. Then, the porosity and the dimensional shrinkage of the porous sintered body of each example were measured. The results are shown in Tables 3 and 4.

【0050】[0050]

【表3】 [Table 3]

【0051】[0051]

【表4】 [Table 4]

【0052】表3、表4から判るように、試料番号41
と42、43とを比較すると、カルシウムの置換量を増
大させると、寸法収縮率が顕著に減少していることが判
る。しかし、本発明に従う試料番号31、32と、上記
の試料番号41とを比較すると、カルシウムの置換量が
同じであるのにも係わらず、やはり寸法収縮率が一層顕
著に減少している。また、試料番号33と42とを比較
すると、やはりカルシウムの置換量が同じであったとし
ても、Bサイトの一部(5%)をコバルトで置換するこ
とによって、寸法収縮率が顕著に減少していることが判
る。
As can be seen from Tables 3 and 4, Sample No. 41
Comparing the results with 42 and 43, it can be seen that the dimensional shrinkage is significantly reduced when the calcium replacement amount is increased. However, when the sample numbers 31 and 32 according to the present invention are compared with the above-mentioned sample number 41, the dimensional shrinkage is still more remarkably reduced even though the calcium substitution amount is the same. Also, comparing Sample Nos. 33 and 42, even if the amount of calcium replaced was the same, the dimensional shrinkage was significantly reduced by replacing part (5%) of the B site with cobalt. You can see that

【0053】試料番号36、37からも、寸法収縮率の
減少に対して、本発明が特に有効であることが判る。ま
た、試料番号44と45とを比較すると、ストロンチウ
ムの置換量を増大させると、寸法収縮率が顕著に減少し
ていることが判る。しかし、本発明に従う試料番号3
4、35と、上記の試料番号44とを比較すると、スト
ロンチウムの置換量が同じであるのにも係わらず、やは
り寸法収縮率が一層顕著に減少している。
Sample Nos. 36 and 37 also show that the present invention is particularly effective in reducing the dimensional shrinkage. Comparing Sample Nos. 44 and 45, it can be seen that when the amount of strontium substitution is increased, the dimensional shrinkage is significantly reduced. However, sample no.
Comparing Sample Nos. 4 and 35 with Sample No. 44 described above, the dimensional shrinkage is still more remarkably reduced even though the strontium substitution amount is the same.

【0054】(実験3)次に、前記したようにして、表
5に示す各組成を有する多孔質焼結体を製造し、前記し
たようにして、気孔率、寸法収縮率、電気伝導度、平均
熱膨張係数を測定した。この結果を表5に示す。
(Experiment 3) Next, a porous sintered body having each composition shown in Table 5 was manufactured as described above, and the porosity, dimensional shrinkage, electric conductivity, The average coefficient of thermal expansion was measured. Table 5 shows the results.

【0055】[0055]

【表5】 [Table 5]

【0056】(実験4)次に、前記したようにして、表
6に示す各組成を有する多孔質焼結体を製造し、各温度
において、熱膨張係数を測定した。この結果を表6に示
す。
(Experiment 4) Next, as described above, porous sintered bodies having the compositions shown in Table 6 were manufactured, and the thermal expansion coefficients were measured at each temperature. Table 6 shows the results.

【0057】[0057]

【表6】 [Table 6]

【0058】上記から判るように、カルシウムの置換量
が15%以下であると、900°Cと1000°Cとに
おける熱膨張係数の比率が、2%以上と大きくなる。カ
ルシウムの置換量を20%以上で増加させると、多孔質
焼結体の熱膨張係数が増加する傾向がある。現在のとこ
ろ、SOFCの固体電解質材料としてはジルコニアが有
望視されており、この熱膨張係数が10.5×10-6
K程度である。従って、SOFCの固体電解質と空気極
との熱膨張を整合させるという観点からは、カルシウム
の置換量を小さくする方が好ましく、特に25〜35%
とすることが好ましい。
As can be seen from the above, when the calcium substitution amount is 15% or less, the ratio of the thermal expansion coefficient at 900 ° C. and 1000 ° C. becomes as large as 2% or more. When the replacement amount of calcium is increased by 20% or more, the thermal expansion coefficient of the porous sintered body tends to increase. At present, zirconia is considered as a promising solid electrolyte material for SOFCs, and its thermal expansion coefficient is 10.5 × 10 −6 /
It is about K. Therefore, from the viewpoint of matching the thermal expansion between the solid electrolyte of the SOFC and the air electrode, it is preferable to reduce the amount of calcium replaced, particularly 25 to 35%.
It is preferable that

【0059】また、La−Ca−Mn−Ni系の多孔質
焼結体において、ニッケルの置換量を変化させ、多孔質
焼結体の電気伝導度と寸法収縮率とを測定した。この結
果を図1に示す。この結果、Bサイトの置換量は0.0
2%以上とすることが、特に寸法収縮率の観点から好ま
しく、20%以下とすることが、電気伝導度の観点から
好ましい。
In the La—Ca—Mn—Ni porous sintered body, the electric conductivity and the dimensional shrinkage of the porous sintered body were measured by changing the amount of nickel substitution. The result is shown in FIG. As a result, the replacement amount of the B site is 0.0
It is preferably at least 2% from the viewpoint of dimensional shrinkage, and more preferably at most 20% from the viewpoint of electric conductivity.

【0060】また、La−Ca−Mn−Co系の多孔質
焼結体において、カルシウムの置換量を変化させ、多孔
質焼結体の平均熱膨張係数と寸法収縮率とを測定した。
この結果を図2に示す。この結果、寸法収縮率を低減す
るためには、カルシウムの置換量を22%以上とする
が、平均熱膨張係数を低く抑えるためには、35%以下
とすることが好ましい。
In the La-Ca-Mn-Co porous sintered body, the average amount of thermal expansion and the dimensional shrinkage of the porous sintered body were measured while changing the amount of substitution of calcium.
The result is shown in FIG. As a result, in order to reduce the dimensional shrinkage, the replacement amount of calcium is set to 22% or more, but in order to keep the average thermal expansion coefficient low, it is preferably set to 35% or less.

【0061】[0061]

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、室
温と1000°Cとの間の熱サイクルによって生ずる寸
法収縮を、非常に小さく抑えることができ、これによ
り、上記の加熱−冷却サイクルをかけても、多孔質焼結
体と他の構成材料との間でクラックが発生するのを、防
止できる。
As described above, according to the present invention, the dimensional shrinkage caused by the thermal cycle between room temperature and 1000 ° C. can be suppressed to a very small value. Even if the cycle is applied, it is possible to prevent cracks from being generated between the porous sintered body and other constituent materials.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】La−Ca−Mn−Ni系の多孔質焼結体にお
いて、ニッケルの置換量を変化させ、多孔質焼結体の電
気伝導度と寸法収縮率とを測定した結果を示すグラフで
ある。
FIG. 1 is a graph showing the results of measuring the electrical conductivity and the dimensional shrinkage of a porous sintered body by changing the nickel substitution amount in a La—Ca—Mn—Ni-based porous sintered body. is there.

【図2】La−Ca−Mn−Co系の多孔質焼結体にお
いて、カルシウムの置換量を変化させ、多孔質焼結体の
平均熱膨張係数と寸法収縮率とを測定した結果を示すグ
ラフである。
FIG. 2 is a graph showing the results of measuring the average thermal expansion coefficient and dimensional shrinkage of a porous sintered body by changing the amount of substitution of calcium in a La—Ca—Mn—Co based porous sintered body. It is.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 35/00 - 35/51 C04B 38/00 - 38/10 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) C04B 35/00-35/51 C04B 38/00-38/10

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 ペロブスカイト構造のランタンマンガナ
イトからなる多孔質焼結体であって、前記ランタンマン
ガナイトのAサイトの22%以上、35%以下がカルシ
ウムによって置換されており、アルミニウム、コバル
ト、銅、マグネシウム、ニッケル、鉄、チタン及び亜鉛
からなる群より選ばれた一種以上の金属原子によって前
記ランタンマンガナイトのBサイトのマンガン原子の一
部が置換され、室温と1000℃との間の熱サイクルに
よって生ずる寸法収縮が熱サイクル1回当たり0.01
%以下であることを特徴とする多孔質焼結体。
1. A porous sintered body composed of lanthanum manganite having a perovskite structure, wherein 22% or more and 35% or less of A sites of the lanthanum manganite are replaced by calcium, and aluminum, cobalt, copper One or more metal atoms selected from the group consisting of magnesium, nickel, iron, titanium and zinc, wherein a part of the manganese atoms at the B site of the lanthanum manganite is replaced, and a thermal cycle between room temperature and 1000 ° C. Dimensional shrinkage caused by heat cycle of 0.01
% Or less.
【請求項2】 前記Bサイトにおけるマンガン原子以外
の金属原子の置換割合が、0.02%以上、20%以下
である、請求項1記載の多孔質焼結体。
2. The porous sintered body according to claim 1, wherein a substitution ratio of a metal atom other than a manganese atom in the B site is 0.02% or more and 20% or less.
【請求項3】 900°Cと1000°Cとの間におけ
る、昇温時と降温時との熱膨張係数の変化が2%以下で
あることを特徴とする、請求項1記載の多孔質焼結体。
3. The porous sintering apparatus according to claim 1, wherein a change in a coefficient of thermal expansion between 900 ° C. and 1000 ° C. between a temperature rise and a temperature drop is 2% or less. Union.
【請求項4】 気孔率が5%以上、40%以下である、
請求項1〜3のいずれか一つの項に記載の、多孔質焼結
体。
4. A porosity of not less than 5% and not more than 40%,
The porous sintered body according to claim 1.
【請求項5】 請求項1記載の多孔質焼結体によって空
気極が形成されていることを特徴とする、固体電解質型
燃料電池。
5. A solid oxide fuel cell, wherein an air electrode is formed by the porous sintered body according to claim 1.
【請求項6】 ペロブスカイト構造のランタンマンガナ
イトからなる多孔質焼結体であって、前記ランタンマン
ガナイトのAサイトの20%以上、40%以下がストロ
ンチウムによって置換されており、アルミニウム、コバ
ルト、銅、マグネシウム、ニッケル、鉄、チタン及び亜
鉛からなる群より選ばれた一種以上の金属原子によって
前記ランタンマンガナイトのBサイトのマンガン原子の
一部が置換され、室温と1000℃との間の熱サイクル
によって生ずる寸法収縮が熱サイクル1回当たり0.0
1%以下であることを特徴とする多孔質焼結体。
6. A porous sintered body composed of lanthanum manganite having a perovskite structure, wherein 20% or more and 40% or less of A sites of the lanthanum manganite are replaced by strontium, and aluminum, cobalt, copper One or more metal atoms selected from the group consisting of magnesium, nickel, iron, titanium and zinc, wherein a part of the manganese atoms at the B site of the lanthanum manganite is replaced, and a thermal cycle between room temperature and 1000 ° C. Dimensional shrinkage caused by heat cycle of 0.0
A porous sintered body having a content of 1% or less.
【請求項7】 前記Bサイトにおけるマンガン原子以外
の金属原子の置換割合が、0.02%以上、20%以下
である、請求項6記載の多孔質焼結体。
7. The porous sintered body according to claim 6, wherein a substitution ratio of a metal atom other than a manganese atom in the B site is 0.02% or more and 20% or less.
【請求項8】 900°Cと1000°Cとの間におけ
る、昇温時と降温時との熱膨張係数の変化が2%以下で
あることを特徴とする、請求項6記載の多孔質焼結体。
8. The porous sintering method according to claim 6, wherein a change in a coefficient of thermal expansion between 900 ° C. and 1000 ° C. between a temperature rise and a temperature drop is 2% or less. Union.
【請求項9】 気孔率が5%以上、40%以下である、
請求項6〜8のいずれか一つの項に記載の、多孔質焼結
体。
9. The porosity is not less than 5% and not more than 40%,
The porous sintered body according to any one of claims 6 to 8.
【請求項10】 請求項6記載の多孔質焼結体によって
空気極が形成されていることを特徴とする、固体電解質
型燃料電池。
10. A solid oxide fuel cell, wherein an air electrode is formed by the porous sintered body according to claim 6.
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