JP4039618B2 - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体酸化物形燃料電池に関し、更に詳しくは、ジルコニア質焼結体よりなる固体電解質を構成材料として用いた固体酸化物形燃料電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、ジルコニア(ZrO)質焼結体は、高強度、高靱性等の特性を利用した切削工具やセラミックス製ハサミ、耐熱性等の特性を利用したエンジン用部品等、各種特性に応じた用途に幅広く使用されている。
【0003】
中でもジルコニア質焼結体の酸素イオン導電性を利用した固体酸化物形燃料電池(以下「SOFC」という。)は、エネルギー変換効率が高く、有害物質をほとんど出さないことから、クリーンかつ高効率な発電システムを構築することができるということで近年特に注目されている。
【0004】
この種のSOFCは、ジルコニア質焼結体を固体電解質として用いたもので、一般に、平板形、円筒形及び一体形の3種類の構造のものが良く知られている。例えば、平板形SOFCの構造は、自立膜式と支持膜式とに大別される。前者の自立膜式のSOFCは、平板状の固体電解質の両面に、水素、都市ガス等の燃料ガスが接する燃料極と、空気、酸素等の酸化剤が接する空気極とが接合され、更にその両側がセパレータにより挟持されてなる単セルが多数段積層された構造を備えている。
【0005】
一方、後者の支持膜式のSOFCは、厚さの極めて薄い固体電解質薄膜が厚さの厚い燃料極により支持されるとともに、この固体電解質薄膜の他方の面に厚さの薄い空気極が接合され、更にその両側がセパレータにより挟持されてなる単セルが多数段積層された構造を備えている。
【0006】
そしてこのような構成を備えた平板形SOFCの燃料極及び空気極に、それぞれ燃料ガス及び酸化剤が供給されると、空気極側の酸素分圧と燃料側の酸素分圧との間に差があることから、酸素は、空気極においてイオンとなり、固体電解質内を通って燃料極に運ばれ、燃料極に達した酸素イオンは、燃料ガスと反応して電子を放出する。そのため、燃料極及び空気極に負荷を接続すれば、電池反応の自由エネルギーの変化を、直接、電気エネルギーとして取り出して発電することができる。
【0007】
上記種々の用途に用いられるジルコニア質焼結体としては、具体的には、イットリア(Y)やスカンジア(Sc)等の希土類金属酸化物が所定量添加された安定化ジルコニアが広く知られている。
【0008】
この安定化ジルコニアは、単一成分からなるジルコニア(ZrO)が1150℃付近で単斜晶から正方晶へ結晶相が変化することに伴い体積変化を生じることから、この体積変化を防ぐ手段としてイットリア(Y)やスカンジア(Sc)等の希土類金属酸化物を安定化剤としてジルコニア中に固溶させ、結晶相の安定化を図ったものである。
【0009】
このようなジルコニア質焼結体としては、例えば、特公平2−20587号公報には、Yを2〜4.5モル%含有し、結晶相が主として正方晶に安定化されたジルコニア質焼結体が開示されている。
【0010】
また、特開昭61−26562号公報には、熱による経時劣化を抑制でき、かつ、高強度を有するジルコニア質焼結体として、Yを1.5〜5モル%含有するZrOの60〜99重量%と、アルミナ、アルミナ系酸化物、La、Nd等を含むジルコニア系複酸化物の1〜40重量%とからなるジルコニア質焼結体が開示されている。
【0011】
そしてまた、特開平6−329468号公報には、耐熱衝撃性や熱安定性に優れ、高強度を有するジルコニア質焼結体として、Dy、Ho、Er、Yb等を主安定化剤とし、特性向上剤としてLa、Pr、Nd等の酸化物を添加したジルコニア質焼結体が開示されている。
【0012】
他にも、特開2000−95564号公報には、優れた機械的強度と熱安定性を備えたジルコニア質焼結体として、Yを1.5〜4モル%の含有するZrOに対して、La、Pr及びNdからなる希土類金属元素を0.1〜3モル%含有し、結晶相が主として正方晶からなるジルコニア質焼結体が開示されている。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特公平2−20587号公報に示されるような従来のジルコニア質焼結体は、100℃〜300℃の付近で長時間に亘り放置されると著しい強度劣化が生じるという欠点を有している。これは、ジルコニア質焼結体の結晶相のうち常温では準安定相である正方晶が安定相の単斜晶に自発的に相転移し、この相転移に伴う体積膨張により焼結体内に微少亀裂が発生するためである。そして特に、この相転移に起因する強度劣化は、水又は水蒸気の存在下において加速されることが分かっている(以下この種の劣化を「水熱劣化」という。)。
【0014】
そのため、例えば、このジルコニア質焼結体をSOFCの固体電解質として用いた場合、通常のSOFCの運転条件(約1000℃程度)においては、水熱劣化は別段問題にはならないが、SOFCの起動時や停止時においては、100℃〜300℃の温度範囲、かつ、水又は水蒸気の存在する状況となる場合があるため、水熱劣化の問題が顕在化することとなる。
【0015】
すなわち、SOFCでは、燃料ガスを数%加湿したり、都市ガスを改質するために多量の水を加えたりすることがあるため、SOFCの内部に水分が残留する可能性が多分にある。そのため、SOFCの起動停止時においては、SOFC内の固体電解質としてのジルコニア質焼結体が、水又は水蒸気の存在する状況下、かつ、100℃〜300℃の温度範囲に繰り返し曝されることとなる。したがって、水熱劣化によりジルコニア質焼結体に亀裂が生じ、ときには形態すら維持できなくなるほどの破壊が生じ、電池として有効な発電を維持することができなくなるといった問題が発生する。
【0016】
また、この水熱劣化の問題を回避するため、特開昭61−26562号公報、特開平6−329468号公報、特開2000−95564号公報等に開示されている、熱安定性に優れ、高強度を有するジルコニア質焼結体を固体電解質として適用した場合、確かに水熱劣化自体はある程度改善されるものの、依然として不十分なものであり、更には、固体電解質としての重要な特性の一つである導電率が低いといった問題点を有している。
【0017】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、導電率の低下を軽減しつつ、強度劣化を抑制可能、特に100℃〜300℃の温度範囲、かつ、水又は水蒸気の存在する状況下であっても強度劣化を抑制可能なジルコニア質焼結体を固体電解質として用いた固体酸化物形燃料電池を提供することにある
【0018】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため本発明者らは、種々の材料特性について鋭意研究を重ねた結果、従来のY−ZrO系のジルコニア質焼結体よりも酸素イオン導電性に優れたSc−ZrO系のジルコニア質焼結体の改良を図ったものである。
【0019】
すなわち、本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、安定化剤としてスカンジアを3〜6モル%含有するジルコニアに対して、ランタンガレート系酸化物若しくはランタンアルミネート系酸化物又はこれらの混合物を含有するジルコニア質焼結体よりなる固体電解質を構成材料として用いたことを要旨とする。
【0020】
ここで、上記ジルコニア質焼結体は、上記ランタンガレート系酸化物若しくはランタンアルミネート系酸化物又はこれらの混合物の含有量記ジルコニアに対して0.5〜2重量%の範囲内にる。
【0021】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池において、上記ランタンガレート系酸化物は、組成式La1−xGa1−y(但し、式中AはSr、Ca及びBaから選択される1種又は2種以上の元素、0≦x≦0.5、BはMg、Al、Fe及びInから選択される1種又は2種以上の元素、0≦y≦0.5)で表され、記ランタンアルミネート系酸化物は、組成式La1−x’x’Al1−y’y’(但し、式中CはSr、Ca及びBaから選択される1種又は2種以上の元素、0≦x’≦0.5、DはGa及びInから選択される1種又は2種以上の元素、0≦y’≦0.5)で表されることが好ましい
【0022】
また、記ランタンガレート系酸化物はLaGaOであり、記ランタンアルミネート系酸化物はLaAlOであることが好ましい
【0023】
また、上記ジルコニア質焼結体の結晶相主として正方晶の相又は正方晶と立方晶の混合相からなることが好ましい
【0024】
また、上記ジルコニア質焼結体は、250℃の熱水中又は水蒸気中にて50時間エージングを行った後に水熱劣化がないことが好ましい。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る固体酸化物形燃料電池(SOFC)について詳細に説明する。本発明に係るSOFCは、安定化剤としてスカンジアを3〜6モル%含有するジルコニアに対して、ランタンガレート系酸化物若しくはランタンアルミネート系酸化物又はこれらの混合物を含有するジルコニア質焼結体よりなる固体電解質を構成材料として用いている
【0026】
上記ジルコニア質焼結体における安定化剤としてのスカンジア(Sc)の含有量は、ジルコニア(ZrO)に対して3〜6モル%の範囲、好ましくは、3.5〜5モル%の範囲が良い。これは、スカンジア(Sc)の含有量が3〜6モル%の範囲内にある場合には、焼結体の結晶相が、実質的に単斜晶の相を含まず、主として正方晶又は正方晶と立方晶の混合相よりなるので、導電率と機械的強度とのバランスに優れたものとなるからである。
【0027】
スカンジアの含有量が3モル%より少ない場合には、単斜晶のジルコニア粒子が多く析出するので好ましくない。この単斜晶のジルコニア粒子は、導電率が著しく低く、イオン電導の障害となるため、固体電解質として用いた際に焼結体の全電気抵抗を増大させてしまうからである。また、単斜晶のジルコニア粒子は、温度変化による相転移(約1150℃付近で起こる)に伴う体積変化の主原因であることからもその存在は好ましくない。
【0028】
一方、スカンジアの含有量が6モル%より多い場合には、立方晶のジルコニア粒子の割合が多くなり、所望の機械的強度が得られなくなるので好ましくない。また、高価なスカンジアの含有量が多くなるため、ジルコニア質焼結体の低廉化を図ることができなくなる点においても好ましくない。
【0029】
次に、ランタンガレート系酸化物若しくはランタンアルミネート系酸化物又はこれらの混合物の含有量は、上記所定量のスカンジアを含有するジルコニアに対して、0.5〜2重量%の範囲、好ましくは、0.5〜1重量%の範囲が良い。これは、マトリックスであるSc−ZrO系のジルコニア質焼結体の有する高い導電率を大きく低減させることなく強度劣化を抑制することが可能となるからであり、特には、100℃〜300℃の温度範囲、かつ、水又は水蒸気の存在する状況下であっても、結晶相の自発的な相転移が生じにくいため、効果的に水熱劣化を抑制することが可能となるからである。
【0030】
ランタンガレート系酸化物及若しくはランタンアルミネート系酸化物又はこれらの混合物の含有量が0.5重量%より少ない場合には、ジルコニア質焼結体の水熱劣化を十分に抑制することができなくなる傾向があるので好ましくない。一方、ランタンガレート系酸化物及若しくはランタンアルミネート系酸化物又はこれらの混合物の含有量が2重量%より多い場合には、水熱劣化の抑制効果はあるものの、導電率の低下が大きくなる傾向があるので好ましくない。また、ジルコニア質焼結体の低廉化を図ることができなくなる点においても好ましくない。
【0031】
この際、上記ランタンガレート系酸化物は、組成式La1−xGa1−yで示されるもので、AはSr、Ca及びBaから選択される1種又は2種以上の元素、BはMg、Al、Fe及びInから選択される1種又は2種以上の元素である。好ましくは、A元素はSr、B元素はMgである。
【0032】
また、xはA元素の原子比であり、0〜0.5、好ましくは0〜0.2の範囲に設定される。yはB元素の原子比であり、0〜0.5、好ましくは0〜0.2の範囲に設定される。x、yをともに0〜0.5の範囲に限定したのは、その範囲内では良好な導電率が得られる等、固体電解質として用いた場合の特性に優れるからである。
【0033】
なお、上記組成式において、酸素の原子比を3と表示したが、これは当業者には明らかなように、例えば、xが0でない場合には酸素空孔を生じるので、実際には酸素の原子比は3より小さい値をとることが多い。しかしながら、酸素空孔の数は、A、Bの添加元素の種類や製造条件によっても変化するので、便宜上、酸素の原子比を3として表示したものである。
【0034】
一方、上記ランタンアルミネート系酸化物は、組成式La1−x’x’Al1−y’y’で示されるもので、CはSr、Ca及びBaから選択される1種又は2種以上の元素、DはGa及びInから選択される1種又は2種以上の元素である。好ましくは、C元素はSr、D元素はGaである。
【0035】
また、x’はC元素の原子比であり、0〜0.5、好ましくは0〜0.2の範囲に設定される。y’はD元素の原子比であり、0〜0.5、好ましくは0〜0.2の範囲に設定される。x’、y’をともに0〜0.5の範囲に限定したのは、その範囲内では良好な導電率が得られる等、固体電解質として用いた場合の特性に優れるからである。なお、上記組成式において、酸素の原子比を3と表示した点については、上述したランタンガレート系酸化物の場合と同様である。
【0036】
ここで上記ランタンガレート系酸化物及びランタンアルミネート系酸化物は、ともにペロブスカイト型酸化物であるランタンガレート(LaGaO)及びランタンアルミネート(LaAlO)を基本構造とする複合酸化物であって、主成分であるLa、Ga、Al金属イオンを価数の異なる異種金属イオンと置換することにより酸素イオン導電性を向上させたものである。
【0037】
本願においては、所定量のスカンジアを含有するジルコニアに対して、ランタンガレート系酸化物、ランタンアルミネート系酸化物の基本構造であるランタンガレート(LaGaO)、ランタンアルミネート(LaAlO)を含有させることにより実用的な導電性を維持しつつ、効果的に水熱劣化を抑制することが可能である。
【0038】
そのため、ランタンガレート系酸化物、ランタンアルミネート系酸化物としてランタンガレート(LaGaO)、ランタンアルミネート(LaAlO)を用いた場合には、他の副成分が含有されていない分、焼結体製造プロセス等が簡単になってジルコニア質焼結体の低廉化を図り易いといった利点がある。すなわち、上記ジルコニア質焼結体に含有されるランタンガレート系酸化物、ランタンアルミネート系酸化物は、ジルコニア質焼結体に要求される導電率、機械的強度等のスペックやコスト等に合わせて上述した組成式の範囲内で種々の調節が可能なものである。
【0039】
また、上記ジルコニア質焼結体においては、所定量のスカンジアを含有するジルコニアに対して、ランタンガレート系酸化物のみ又はランタンアルミネート系酸化物のみを含有させても良いし、あるいは、ランタンガレート系酸化物とランタンアルミネート系酸化物とを任意の割合で混合したものを含有させても良く、特に限定されるものではない。
【0040】
しかしながら、両者の混合割合については、ランタンガレート系酸化物は、ランタンアルミネート系酸化物に比較して、マトリックスであるSc−ZrO系ジルコニア質焼結体の導電率の低下をより一層抑制することができるため、ランタンガレート系酸化物のみ又はランタンガレート系酸化物を多めに混合するのが好ましいと言える。
【0041】
次に、上記構成を有するジルコニア質焼結体を製造する製造方法について説明する。上記ジルコニア質焼結体を製造するには、スカンジアを3〜6モル%含有するジルコニアに対して、ランタンガレート系酸化物若しくはランタンアルミネート系酸化物又はこれらの混合物を0.5〜2重量%含有するように、ジルコニウム化合物及びスカンジウム化合物並びにランタンガレート系酸化物及び/又はランタンアルミネート系酸化物を用いて原料混合物を調製する原料調製工程、この原料混合物を600〜800℃で仮焼する仮焼工程、得られた仮焼体を粉砕し、成形して成形体とする仮焼・成形工程、及びこの成形体を1300〜1500℃で焼結する焼結工程を経ることによって製造することができる。以下、各工程について説明する。
【0042】
初めに原料調製工程において、ジルコニウム化合物及びスカンジウム化合物並びにランタンガレート系酸化物及び/又はランタンアルミネート系酸化物は、上記ジルコニア質焼結体における組成となるように秤量し、原料混合物を調製すれば良い。すなわち、ジルコニウム化合物及びスカンジウム化合物については、スカンジア(Sc)の含有量が通常3〜6モル%程度、好ましくは3.5〜5モル%となるように配合する。
【0043】
また、ランタンガレート系酸化物、ランタンアルミネート系酸化物又はこれらの混合物の含有量は、スカンジア(Sc)を含有するジルコニア(ZrO)に対して0.5〜2重量%、好ましくは0.5〜1重量%となるように配合すれば良い。これらの含有量は、使用するジルコニウム化合物、スカンジウム化合物、ランタンガレート系酸化物、ランタンアルミネート系酸化物等の種類や、ジルコニア質焼結体の用途等に応じて適宜調節することができる。
【0044】
ここで、上記ジルコニウム化合物としては、具体的には、ジルコニア、水酸化ジルコニウム、ジルコニウムの無機酸塩(オキシ塩化ジルコニウム、塩化ジルコニウム、硝酸ジルコニウム、硫酸ジルコニウム等)、ジルコニウムの有機酸塩(酢酸ジルコニウム、シュウ酸ジルコニウム、クエン酸ジルコニウム、マロン酸ジルコニウム等)等が挙げられる。
【0045】
また、スカンジウム化合物としては、具体的には、ジルコニア、水酸化スカンジウム、炭酸スカンジウム、スカンジウムの無機酸塩(硝酸スカンジウム、塩化スカンジウム、硫酸スカンジウム等)、スカンジウムの有機酸塩(酢酸スカンジウム、シュウ酸スカンジウム、クエン酸スカンジウム、マロン酸スカンジウム等)等が挙げられる。
【0046】
そしてまた、ランタンガレート系酸化物としては、具体的には、LaGaO、La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2等が挙げられ、ランタンアルミネート系酸化物としては、具体的には、LaAlO、La0.9Ca0.2AlO等が挙げられる。
【0047】
上記原料混合物を調製する方法としては、公知の方法を採用することができ、例えば中和共沈法、加水分解法、アルコキシド法(ゾルゲル法)等の化学合成法のほか、酸化物混合法等により調製することができる。
【0048】
例えば、中和共沈法による場合は、スカンジアの硝酸塩溶液等にランタンガレート系酸化物、ランタンアルミネート系酸化物又はこれらの混合物を適量添加して溶解させ、この硝酸塩溶液にオキシ塩化ジルコニウム水溶液等を混ぜて所定の組成を備えた混合水溶液とする。そしてこの混合溶液をアンモニア、水酸化ナトリウム等のアルカリで中和共沈させ、得られた前駆体(主として水酸化物)を必要に応じて水洗・濾過することにより原料混合物を得ることができる。
【0049】
また、例えば、酸化物混合法による場合は、所定の組成となるようにジルコニア及びスカンジアにランタンガレート系酸化物、ランタンアルミネート系酸化物又はこれらの混合物を配合し、ボールミル等で湿式混合し、乾燥することによって原料混合物を得ることができる。
【0050】
尚、上記原料混合物を調製する方法においては、ジルコニウム化合物及びスカンジウム化合物並びにランタンガレート系酸化物及び/又はランタンアルミネート系酸化物を一度に混合して調製しても良いし、所定量のスカンジアを含有するジルコニアと、ランタンガレート系酸化物若しくはランタンアルミネート系酸化物又はこれらの混合物とを個別に調製し、後にこれらを混合して調製しても良く、特に限定されるものではない。
【0051】
また必要に応じて、焼結助剤や公知のバインダー(例えばポリビニルアルコール系バインダー、アクリル系バインダー等)等を原料混合物に適宜配合しても良い。
【0052】
次いで、仮焼工程において、上記得られた原料混合物を仮焼する。仮焼温度としては、通常500〜900℃程度、好ましくは600〜800℃とすれば良い。この仮焼は、主として、熱拡散により原料組成を均質化し、更には予めZrOの一部を正方晶へ相転移させることにより焼結工程での焼結を促進させるためのものである。
【0053】
仮焼温度が500℃未満である場合は、このような効果を十分に得られない傾向があり、仮焼温度が900℃を超える場合には、粉砕後においても凝集粒が残留し、これが大きな破壊点となってジルコニア質焼結体の強度が低下するおそれがあるので好ましくない。
【0054】
次いで、粉砕・成形工程において、上記得られた仮焼体を粉砕し、成形する。粉砕方法としては、公知の方法を用いることができ、例えばボールミル、クラッシャーミル、サンドミル、振動ミル、ビーズミル等によって粉砕することができる。仮焼体は、粉状物、塊状物等の形態で得られるが、必要であれば更に粉砕して所望の形態にしても良い。粉砕する程度としては、適宜設定可能なものであるが、通常は平均粒径0.1〜1.0μm程度であり、好ましくは0.3〜0.7μmである。
【0055】
一方、成形方法についても、公知の方法を用いることができ、例えばプレス成形法、押出成形法、鋳込み成形法、CIP法、HIP法等を採用することができる。なお、上記製造方法では、成形に先立って、予めバインダーを用いて混練したり、造粒することもできる。バインダーとしては、前記と同様に、ポリビニルアルコール系バインダー等の公知のバインダーを使用することができる。
【0056】
最後に、焼結工程において、上記成形体の焼結を行う。この焼結方法としては、特に加圧焼結が好ましい。一層緻密なジルコニア質焼結体を製造することができるからである。焼結温度は、通常1300〜1500℃程度、好ましくは1350〜1450℃とすれば良い。焼結温度が1300℃未満の場合には、機械的特性が低い焼結体しか得られないので好ましくなく、1600℃を超える場合には、結晶粒の異常粒成長等が生じるため、所望の機械的特性が得られず好ましくない。
【0057】
以上により上記ジルコニア質焼結体を得ることができる。この際、上記ジルコニア質焼結体をSOFCの固体電解質として用いるには、上記粉砕・成形工程において、プレス成形法、テープ成形法等を用いて平板状に成形したり、あるいは、押出成形法、射出成形法等を用いて円筒状又はハニカム状に成形したりすれば良い。そしてこのようにして得られた成形体を焼結工程において組成に応じた最適な温度で焼結すれば、SOFC用の固体電解質が得られる。
【0058】
この場合、SOFCの固体電解質の厚みとしては、50〜300μmの範囲内、好ましくは、100〜200μmの範囲内にあるのが良い。厚みが50μmより薄い場合には、構造材料としての信頼性が低下する傾向があり、300μmより厚い場合には、電気抵抗が大きくなって、導電率が低下する傾向があるからである。
【0059】
そしてこのようにして得られた固体電解質の一方の面に、例えば、ニッケル40重量%−ジルコニア60重量%のニッケル−ジルコニアサーメット等をスラリー状にした燃料極材料を塗布して所定温度で焼結して燃料極を形成するとともに、固体電解質の他方の面に、例えば、ランタンストロンチウムマンガネート等をスラリー状にした空気極材料を塗布して所定温度で焼結して空気極を形成し、更にこの燃料極と空気極とを備えた固体電解質に、燃料ガス導入手段及び酸化剤ガス導入手段等を取り付ければ、SOFCが得られる。
【0060】
尚、燃料極及び空気極の塗布方法としては、具体的には、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、ハケ塗り法、スプレー法、ディッピング法等が好適な一例として挙げられるが、何れの方法を用いても良く、特に限定されるものではない。
【0061】
次に、上記ジルコニア質焼結体の作用について述べる。上記ジルコニア質焼結体によれば、安定化剤としてスカンジアを3〜6モル%含有するジルコニアに対して、ランタンガレート系酸化物若しくはランタンアルミネート系酸化物又はこれらの混合物が0.5〜2重量%含有されているので、Sc−ZrO系のジルコニア質焼結体が有する高い導電率を大きく低減させることなく強度劣化を抑制することが可能となる。特に、100℃〜300℃の温度範囲、かつ、水又は水蒸気の存在する状況下であっても、結晶相の自発的な相転移が生じにくいため、効果的に水熱劣化を抑制することが可能となる。
【0062】
この際、ランタンガレート系酸化物が、上述した組成式La1−xGa1−yで表され、ランタンアルミネート系酸化物が、同じく上述した組成式La1−x’x’Al1−y’y’で表される場合には、主成分であるLa、Ga等の金属イオンが価数の異なる他の金属イオンに置換されることにより高い酸素イオン導電性が発現されるので、ランタンガレート系酸化物やランタンアルミネート系酸化物を含有させることによる焼結体の導電率の低下をより一層小さなものとすることができる。
【0063】
また、ランタンガレート系酸化物、ランタンアルミネート系酸化物としてランタンガレート(LaGaO)、ランタンアルミネート(LaAlO)を用いた場合には、ジルコニア質焼結体の実用的な導電性を維持しつつ、効果的に水熱劣化を抑制することが可能となることは勿論のこと、Sr等の他の副成分が含有されていない分、焼結体製造プロセス等が簡単になるので、ジルコニア質焼結体の低廉化を図り易いといった利点がある。
【0064】
したがって、このようなジルコニア質焼結体をSOFCの固体電解質として用いれば、十分な導電率を有しているので、電池の内部抵抗が減少して発電効率が高められるとともに、SOFCの起動停止を繰り返しても固体電解質の強度劣化、特に水熱劣化を招くことがなく、固体電解質としての構造上の信頼性に優れることから、長期に亘って安定して発電可能なSOFCを得ることが可能となる。
【0065】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明に係るジルコニア質焼結体についてより具体的に説明する。
【0066】
(実施例1)
スカンジアを4モル%含有するジルコニア(以下「4ScSZ」という。)に対してランタンアルミネート(LaAlO)が1重量%含有されるように、4ScSZ及びLaAlOをそれぞれ秤量し、これに純水を加えてボールミル(ZrO玉石を使用)により湿式混合した。次いで、混合物を乾燥し、1000℃にて仮焼した。次いで、得られた仮焼粉を上記ボールミルにて解砕し、アクリル系バインダーを加えてスプレー造粒した後、成形圧1000kgf/cmにて一軸金型成形して成形体を成形した。次いで、1350℃、1400℃、1450℃、1500℃の各焼成温度により2時間焼成して各ジルコニア質焼結体を得た。
【0067】
尚、4ScSZは、第一稀元素化学工業株式会社製のものを使用した。また、ランタンアルミネート(LaAlO)は、LaとAlとをそれぞれ秤量し、これに純水を加えて上記ボールミルにより湿式混合した後、これを1200℃で2時間焼成することにより調製したものを使用した。
【0068】
(実施例2)
4ScSZに対して、ランタンアルミネート(LaAlO)に代えてランタンガレート(LaGaO)を用いた以外は、実施例1と同様の手順に従い各ジルコニア質焼結体を得た。
【0069】
(実施例3)
4ScSZに対して、ランタンアルミネート(LaAlO)に代えてランタンガレート(LaGaO)を0.5、0.7、1.0、1.5、2.0重量%含有されるように、4ScSZ及びLaGaOをそれぞれ秤量し、これに純水を加えてボールミル(ZrO玉石を使用)により湿式混合したこと、及び、各成形体を1450℃の焼成温度により2時間焼成したこと以外は、実施例1と同様の手順に従い各ジルコニア質焼結体を得た。この際、ランタンガレート(LaGaO)を含有しない4ScSZ焼結体を比較として用いた。
【0070】
尚、ランタンガレート(LaGaO)は、LaとGaとをそれぞれ秤量し、これに純水を加えて上記ボールミルにより湿式混合した後、これを1200℃で2時間焼成することにより調製したものを使用した。
【0071】
(各種特性評価試験)
上記のようにして得られた実施例1、実施例2及び実施例3の各ジルコニア質焼結体について、オートクレーブ試験、結晶相及び導電率の測定を行った。すなわち、オートクレーブ試験は、実施例1、実施例2及び実施例3の各ジルコニア質焼結体をオートクレーブに入れ、250℃の熱水中又は水蒸気中(媒体:イオン交換水)にて50時間エージングを行った後、各焼結体の外観状態を確認することにより水熱劣化の有無を判断した。
【0072】
また、結晶相の測定は、実施例1、実施例2及び実施例3の各ジルコニア質焼結体表面を#600のダイヤモンド砥石で研磨した後、1〜5μmのダイヤモンド粒により鏡面に仕上げ、その表面を粉末X線回折により測定することにより行った。尚、測定は、水熱劣化試験後のものについても行った。
【0073】
また、導電率の測定は、実施例1、実施例2及び実施例3の各ジルコニア質焼結体の棒状試験片(20mm×3mm×4mm)に、電極として白金ペーストを1000℃で焼き付けたものを用い、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃の温度にて行った。この際、導電率の測定は、交流インピーダンス法(周波数100〜10MHz、静止大気中)により行い、測定された抵抗値と試験片の寸法から次式により導電率を求めた。
【0074】
【数1】
導電率σ(S/cm)=(1/抵抗値R(Ω))
×試験片長さL(cm)/試験片断面積S(cm
【0075】
(試験結果)
表1に示すように、4ScSZに対してLaAlOを1重量%(wt%)含有させた実施例1、4ScSZに対してLaGaOを0.5〜2重量%(wt%)の範囲内で含有させた実施例2及び実施例3の焼結体については、水熱劣化を十分抑制することができたため、オートクレーブ試験後においても焼結体の形態を維持することができた。また、結晶相は、オートクレーブ試験の前後において正方晶となっており、相転移が生じていないことが分かる。
【0076】
【表1】

Figure 0004039618
【0077】
次に、図1は、1450℃の焼結温度で焼結した実施例3の焼結体におけるLaGaOの含有量と導電率との関係を示したものである。尚、図1においては比較のために、4ScSZ焼結体の導電率と、4ScSZに対してLaAlOを1重量%含有する(以下「4ScSZ+1wt%LaAlO」という)実施例1の焼結体の導電率も合わせて示した。
【0078】
図1によれば、4ScSZに対してLaGaOを0.5〜2重量%含有する(以下「4ScSZ+Xwt%LaGaO」という)実施例3の焼結体の導電率は、全て実用的な範囲であることが分かる。また、300℃〜800℃の全温度範囲に亘って実施例1の4ScSZ+1wt%LaAlOの焼結体より高い導電率を示していることも分かる。このことより、4ScSZに対してLaAlOを含有させるよりもLaGaOを含有させた方が、水熱劣化抑制効果が高く、マトリックスである4ScSZの導電率の低下をより軽減できることが分かる。
【0079】
本発明は上記実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能であることは勿論である。例えば、上記実施例では、4ScSZに対してLaAlO又はLaGaOを所定重量%含有させた焼結体を用いて説明したが、それ以外にも上述した所定モル%のスカンジアを含有するジルコニアに対して、上述した組成式を有するランランガレート系酸化物若しくはランタンアルミネート系酸化物又はこれらの混合物を所定重量%含有させたものであっても本願特有の格別な作用、効果を奏するものである。
【0080】
【発明の効果】
上記ジルコニア質焼結体によれば、安定化剤としてスカンジアを3〜6モル%含有するジルコニアに対して、ランタンガレート系酸化物若しくはランタンアルミネート系酸化物又はこれらの混合物が0.5〜2重量%含有されているので、Sc−ZrO系のジルコニア質焼結体が有する高い導電率を大きく低減させることなく強度劣化を抑制することが可能となる。特に、100℃〜300℃の温度範囲、かつ、水又は水蒸気の存在する状況下であっても、結晶相の自発的な相転移が生じにくいため、効果的に水熱劣化を抑制することができる。
【0081】
そのため、このジルコニア質焼結体をSOFCの固体電解質として用いれば、十分な導電率を有しているので、電池の内部抵抗が減少して発電効率が高められるとともに、SOFCの起動停止を繰り返しても固体電解質の強度劣化、特に水熱劣化を招くことがなく、固体電解質としての構造上の信頼性に優れることから、長期に亘って安定して発電可能なSOFCを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 1450℃の焼結温度で焼結した実施例3の焼結体におけるLaGaOの含有量と導電率との関係を示した図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present inventionSolid oxide fuel cellFor more details,Solid oxide fuel cell using solid electrolyte composed of zirconia sintered body as constituent materialIt is about.
[0002]
[Prior art]
  In recent years, zirconia (ZrO2) Sintered compacts are widely used in various applications such as cutting tools that use properties such as high strength and high toughness, ceramic scissors, and engine parts that use properties such as heat resistance. .
[0003]
  In particular, solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as “SOFC”) using oxygen ion conductivity of zirconia sintered bodies have high energy conversion efficiency and emit almost no harmful substances, so they are clean and highly efficient. In recent years, it has attracted particular attention because it can build a power generation system.
[0004]
  This type of SOFC uses a zirconia sintered body as a solid electrolyte, and generally has three types of structures of a flat plate shape, a cylindrical shape, and an integral shape. For example, the structure of a flat plate SOFC is roughly classified into a self-supporting membrane type and a supporting membrane type. In the former self-supporting membrane type SOFC, a fuel electrode in contact with a fuel gas such as hydrogen or city gas and an air electrode in contact with an oxidant such as air or oxygen are joined to both sides of a flat solid electrolyte. It has a structure in which a plurality of single cells each having both sides sandwiched by separators are stacked.
[0005]
  On the other hand, in the latter support membrane type SOFC, a very thin solid electrolyte thin film is supported by a thick fuel electrode, and a thin air electrode is joined to the other surface of the solid electrolyte thin film. Furthermore, it has a structure in which a plurality of single cells each having both sides sandwiched by separators are stacked.
[0006]
  When a fuel gas and an oxidant are respectively supplied to the fuel electrode and the air electrode of the flat plate SOFC having such a configuration, the difference between the oxygen partial pressure on the air electrode side and the oxygen partial pressure on the fuel side is different. Therefore, oxygen becomes ions in the air electrode, and is carried to the fuel electrode through the solid electrolyte. The oxygen ions that have reached the fuel electrode react with the fuel gas and emit electrons. Therefore, if a load is connected to the fuel electrode and the air electrode, the change in the free energy of the cell reaction can be directly taken out as electric energy to generate electric power.
[0007]
  Specifically, as the zirconia sintered body used for the various applications described above, yttria (Y2O3) And Scandia (Sc2O3A stabilized zirconia to which a predetermined amount of a rare earth metal oxide such as) is added is widely known.
[0008]
  This stabilized zirconia is composed of a single component zirconia (ZrO2) Occurs at about 1150 ° C. as the crystal phase changes from monoclinic to tetragonal, the yttria (Y2O3) And Scandia (Sc2O3) Or the like is used as a stabilizer to form a solid solution in zirconia to stabilize the crystal phase.
[0009]
  As such a zirconia sintered body, for example, JP-B-2-20587 discloses Y2O3Is disclosed, and a zirconia sintered body whose crystal phase is mainly stabilized in tetragonal crystal is disclosed.
[0010]
  Japanese Patent Laid-Open No. 61-26562 discloses YZ as a zirconia sintered body that can suppress deterioration over time due to heat and has high strength.2O3Containing 1.5 to 5 mol% of ZrO2And a zirconia sintered body comprising 1 to 40% by weight of a zirconia-based double oxide containing alumina, alumina-based oxide, La, Nd and the like is disclosed.
[0011]
  JP-A-6-329468 discloses a zirconia sintered body having excellent thermal shock resistance and thermal stability and high strength.2O3, Ho2O3, Er2O3, Yb2O3A zirconia sintered body is disclosed in which an oxide such as La, Pr, or Nd is added as a characteristic improver.
[0012]
  In addition, JP 2000-95564 A discloses a zirconia sintered body having excellent mechanical strength and thermal stability.2O3ZrO containing 1.5-4 mol%2On the other hand, a zirconia sintered body containing 0.1 to 3 mol% of a rare earth metal element composed of La, Pr and Nd and having a crystal phase mainly composed of tetragonal crystals is disclosed.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
  However, the conventional zirconia sintered body as shown in Japanese Patent Publication No. 2-20587 has a drawback that significant strength deterioration occurs when left in the vicinity of 100 ° C. to 300 ° C. for a long time. Yes. This is because tetragonal crystals, which are metastable at room temperature among the crystalline phases of zirconia sintered bodies, spontaneously undergo phase transition to stable monoclinic crystals. This is because cracks occur. In particular, it has been found that the strength deterioration caused by this phase transition is accelerated in the presence of water or water vapor (hereinafter, this kind of deterioration is referred to as “hydrothermal deterioration”).
[0014]
  Therefore, for example, when this zirconia sintered body is used as a solid electrolyte for SOFC, hydrothermal degradation is not a problem under normal SOFC operating conditions (about 1000 ° C.). At the time of stopping, there may be a temperature range of 100 ° C. to 300 ° C. and the presence of water or water vapor, so the problem of hydrothermal deterioration becomes obvious.
[0015]
  That is, in the SOFC, there is a possibility that moisture remains in the SOFC because a fuel gas may be humidified by several percent or a large amount of water may be added to reform the city gas. Therefore, when the SOFC is started and stopped, the zirconia sintered body as the solid electrolyte in the SOFC is repeatedly exposed to a temperature range of 100 ° C. to 300 ° C. in the presence of water or water vapor. Become. Therefore, cracks occur in the zirconia sintered body due to the hydrothermal deterioration, and there is a problem in that the destruction of the zirconia sintered body cannot be maintained even in the form, and the power generation effective as a battery cannot be maintained.
[0016]
  Moreover, in order to avoid this problem of hydrothermal deterioration, the thermal stability disclosed in JP-A-61-26562, JP-A-6-329468, JP-A-2000-95564, etc. is excellent, When a zirconia sintered body having a high strength is applied as a solid electrolyte, the hydrothermal deterioration itself is certainly improved to some extent, but it is still insufficient, and one of the important characteristics as a solid electrolyte is also present. The problem is that the electrical conductivity is low.
[0017]
  The present invention has been made to solve such problems, and the problem to be solved by the present invention is that strength deterioration can be suppressed while reducing the decrease in electrical conductivity, particularly 100 ° C to 300 ° C. A zirconia sintered body capable of suppressing strength deterioration even in the presence of water or steam.A solid oxide fuel cell used as a solid electrolyteIs to provide.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve such an object, the present inventors have conducted extensive research on various material properties, and as a result,2O3-ZrO2Sc superior in oxygen ion conductivity to the zirconia sintered body2O3-ZrO2This is an improvement of the zirconia sintered body of the system.
[0019]
  That is,Solid oxide fuel cell according to the present inventionContains lanthanum gallate oxide or lanthanum aluminate oxide or a mixture thereof with respect to zirconia containing 3 to 6 mol% of scandia as a stabilizer.Solid electrolyte made of sintered zirconia sintered body was used as a constituent materialthingNeedLet ’s do it.
[0020]
  Where aboveZirconia sintered body,UpContent of lanthanum gallate oxide, lanthanum aluminate oxide or a mixture thereofBut,Up0.5 to 2% by weight based on zirconiaWithin the range ofAhThe
[0021]
  In the solid oxide fuel cell according to the present invention,The lanthanum gallate oxide has a composition formula La1-xAxGa1-yByO3(Where A is one or more elements selected from Sr, Ca and Ba, 0 ≦ x ≦ 0.5, B is one or two selected from Mg, Al, Fe and In) Represented by more than seed elements, 0 ≦ y ≦ 0.5),UpThe lanthanum aluminate-based oxide has a composition formula La1-x 'Cx 'Al1-y 'Dy 'O3(Wherein, C is one or more elements selected from Sr, Ca and Ba, 0 ≦ x ′ ≦ 0.5, D is one or more elements selected from Ga and In. Element, 0 ≦ y ′ ≦ 0.5)Is preferred.
[0022]
  Also,UpThe lanthanum gallate oxide is LaGaO.3AndUpThe lanthanum aluminate oxide is LaAlO3BeIs preferred.
[0023]
  Also,Zirconia aboveCrystal phase of sintered bodyIsConsists mainly of a tetragonal phase or a mixed phase of tetragonal and cubic crystalsIs preferred.
[0024]
  The zirconia sintered body preferably has no hydrothermal deterioration after aging in hot water or steam at 250 ° C. for 50 hours.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Below, according to the present inventionSolid oxide fuel cell (SOFC)Will be described in detail. According to the present inventionSOFCContains lanthanum gallate oxide or lanthanum aluminate oxide or a mixture thereof with respect to zirconia containing 3 to 6 mol% of scandia as a stabilizer.Solid electrolyte made of zirconia sintered body is used as a constituent material.
[0026]
  In the above zirconia sintered bodyScandia as a stabilizer (Sc2O3) Content of zirconia (ZrO2) To 3 to 6 mol%, preferably 3.5 to 5 mol%. This is because Scandia (Sc2O3) Content in the range of 3 to 6 mol%, the crystal phase of the sintered body does not substantially contain a monoclinic phase and is mainly tetragonal or a mixture of tetragonal and cubic crystals. phaseThanThis is because the balance between electrical conductivity and mechanical strength is excellent.
[0027]
  When the scandia content is less than 3 mol%, a large amount of monoclinic zirconia particles precipitate, which is not preferable. This monoclinic zirconia particle has a remarkably low electrical conductivity and hinders ion conduction, and therefore increases the total electrical resistance of the sintered body when used as a solid electrolyte. Further, the presence of monoclinic zirconia particles is not preferable because it is a main cause of volume change accompanying a phase transition due to temperature change (occurs at about 1150 ° C.).
[0028]
  On the other hand, when the content of scandia is more than 6 mol%, the proportion of cubic zirconia particles increases, and the desired mechanical strength cannot be obtained. Further, since the content of expensive scandia is increased, it is not preferable in that the zirconia sintered body cannot be reduced in price.
[0029]
  Next, the content of the lanthanum gallate-based oxide or lanthanum aluminate-based oxide or a mixture thereof is in the range of 0.5 to 2% by weight with respect to the zirconia containing the predetermined amount of scandia, preferably The range of 0.5 to 1% by weight is good. This is the matrix Sc2O3-ZrO2This is because it is possible to suppress the strength deterioration without greatly reducing the high electrical conductivity of the zirconia sintered body of the system, in particular, the temperature range of 100 ° C. to 300 ° C., and water or water vapor. This is because, even under existing conditions, the spontaneous phase transition of the crystal phase is unlikely to occur, so that it is possible to effectively suppress hydrothermal degradation.
[0030]
  When the content of the lanthanum gallate oxide or lanthanum aluminate oxide or a mixture thereof is less than 0.5% by weight, the hydrothermal deterioration of the zirconia sintered body cannot be sufficiently suppressed. Since there is a tendency, it is not preferable. On the other hand, when the content of the lanthanum gallate-based oxide or lanthanum aluminate-based oxide or a mixture thereof is more than 2% by weight, although there is an effect of suppressing hydrothermal deterioration, the decrease in conductivity tends to increase. This is not preferable. Further, it is not preferable in that the zirconia sintered body cannot be reduced in price.
[0031]
  At this time, the lanthanum gallate oxide has a composition formula La1-xAxGa1-yByO3A is one or more elements selected from Sr, Ca, and Ba, and B is one or more elements selected from Mg, Al, Fe, and In. Preferably, the A element is Sr and the B element is Mg.
[0032]
  X is an atomic ratio of the A element, and is set in the range of 0 to 0.5, preferably 0 to 0.2. y is the atomic ratio of the B element, and is set in the range of 0 to 0.5, preferably 0 to 0.2. The reason why both x and y are limited to the range of 0 to 0.5 is that the characteristics when used as a solid electrolyte are excellent, for example, good conductivity can be obtained within the range.
[0033]
  In the above compositional formula, the atomic ratio of oxygen is represented as 3. However, as is apparent to those skilled in the art, for example, when x is not 0, oxygen vacancies are generated. The atomic ratio often takes a value smaller than 3. However, since the number of oxygen vacancies varies depending on the types of additive elements A and B and the manufacturing conditions, the oxygen atomic ratio is represented as 3 for convenience.
[0034]
  On the other hand, the lanthanum aluminate-based oxide has a composition formula La1-x 'Cx 'Al1-y 'Dy 'O3Wherein C is one or more elements selected from Sr, Ca and Ba, and D is one or more elements selected from Ga and In. Preferably, the C element is Sr and the D element is Ga.
[0035]
  X 'is the atomic ratio of the C element, and is set in the range of 0 to 0.5, preferably 0 to 0.2. y ′ is the atomic ratio of the D element, and is set in the range of 0 to 0.5, preferably 0 to 0.2. The reason why both x 'and y' are limited to the range of 0 to 0.5 is that excellent characteristics are obtained when used as a solid electrolyte, for example, good conductivity can be obtained within the range. Note that in the above composition formula, the atomic ratio of oxygen expressed as 3 is the same as in the case of the lanthanum gallate oxide described above.
[0036]
  Here, both the lanthanum gallate oxide and the lanthanum aluminate oxide are lanthanum gallate (LaGaO) which is a perovskite oxide.3) And lanthanum aluminate (LaAlO)3) In which the oxygen ion conductivity is improved by substituting La, Ga, and Al metal ions, which are main components, with dissimilar metal ions having different valences.
[0037]
  In the present application, lanthanum gallate (LaGaO), which is a basic structure of a lanthanum gallate oxide and a lanthanum aluminate oxide, with respect to zirconia containing a predetermined amount of scandia.3), Lanthanum aluminate (LaAlO3) Is contained, it is possible to effectively suppress hydrothermal deterioration while maintaining practical conductivity.
[0038]
  Therefore, lanthanum gallate (LaGaO) as lanthanum gallate oxide and lanthanum aluminate oxide.3), Lanthanum aluminate (LaAlO3) Has the advantage that the zirconia sintered body can be easily made cheaper because the other subcomponents are not contained and the sintered body manufacturing process is simplified. That is,the aboveThe lanthanum gallate-based oxide and lanthanum aluminate-based oxide contained in the zirconia sintered body have the above-described composition according to the specifications and costs such as conductivity, mechanical strength, etc. required for the zirconia sintered body. Various adjustments are possible within the range of the formula.
[0039]
  Also onWritingIn the sulconia sintered body, only lanthanum gallate oxide or lanthanum aluminate oxide may be contained in zirconia containing a predetermined amount of scandia, or lanthanum gallate oxide and What mixed lanthanum aluminate type oxide with arbitrary ratios may be contained, and it is not limited in particular.
[0040]
  However, with regard to the mixing ratio of both, the lanthanum gallate oxide is a matrix Sc compared with the lanthanum aluminate oxide.2O3-ZrO2It can be said that it is preferable to mix only the lanthanum gallate-based oxide or a large amount of the lanthanum gallate-based oxide because the decrease in the conductivity of the zirconia-based sintered body can be further suppressed.
[0041]
  Next, have the above configurationRujiA manufacturing method for manufacturing a Luconia sintered body will be described.the aboveIn order to produce a zirconia sintered body, a lanthanum gallate oxide or a lanthanum aluminate oxide or a mixture thereof is added to zirconia containing 3 to 6 mol% of scandia.0.5-2% by weightA raw material preparation step of preparing a raw material mixture using a zirconium compound and a scandium compound and a lanthanum gallate oxide and / or a lanthanum aluminate oxide so as to contain, a temporary baking of the raw material mixture at 600 to 800 ° C. It can be manufactured by going through a firing process, a calcining / molding process in which the obtained calcined body is pulverized and molded to form a molded body, and a sintering process in which the molded body is sintered at 1300-1500 ° C. it can. Hereinafter, each step will be described.
[0042]
  First, in the raw material preparation step, the zirconium compound and scandium compound and the lanthanum gallate oxide and / or lanthanum aluminate oxide arethe aboveWhat is necessary is just to measure so that it may become a composition in a zirconia sintered compact, and to prepare a raw material mixture. That is, for the zirconium compound and the scandium compound, scandia (Sc2O3) Is usually about 3 to 6 mol%, preferably 3.5 to 5 mol%.
[0043]
  The content of the lanthanum gallate-based oxide, lanthanum aluminate-based oxide, or a mixture thereof is scandia (Sc2O3) Containing zirconia (ZrO)2For)0. What is necessary is just to mix | blend so that it may become 5 to 2 weight%, preferably 0.5 to 1 weight%. These contents can be appropriately adjusted according to the type of zirconium compound, scandium compound, lanthanum gallate-based oxide, lanthanum aluminate-based oxide, etc. used, the use of the zirconia sintered body, and the like.
[0044]
  Here, as the zirconium compound, specifically, zirconia, zirconium hydroxide, zirconium inorganic acid salt (zirconium oxychloride, zirconium chloride, zirconium nitrate, zirconium sulfate, etc.), zirconium organic acid salt (zirconium acetate, Zirconium oxalate, zirconium citrate, zirconium malonate, etc.).
[0045]
  Specific examples of scandium compounds include zirconia, scandium hydroxide, scandium carbonate, scandium inorganic acid salts (scandium nitrate, scandium chloride, scandium sulfate, etc.), and scandium organic acid salts (scandium acetate, scandium oxalate). , Scandium citrate, scandium malonate, etc.).
[0046]
  Further, as the lanthanum gallate oxide, specifically, LaGaO3, La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3, La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3As the lanthanum aluminate-based oxide, specifically, LaAlO3, La0.9Ca0.2AlO3Etc.
[0047]
  As a method for preparing the raw material mixture, a known method can be adopted. For example, in addition to a chemical synthesis method such as neutralization coprecipitation method, hydrolysis method, alkoxide method (sol-gel method), oxide mixing method, etc. Can be prepared.
[0048]
  For example, in the case of the neutralization coprecipitation method, an appropriate amount of a lanthanum gallate oxide, a lanthanum aluminate oxide or a mixture thereof is added to and dissolved in a scandia nitrate solution, and the zirconium oxychloride aqueous solution or the like To obtain a mixed aqueous solution having a predetermined composition. The mixed solution is neutralized and coprecipitated with an alkali such as ammonia or sodium hydroxide, and the resulting precursor (mainly hydroxide) is washed with water and filtered as necessary to obtain a raw material mixture.
[0049]
  In addition, for example, in the case of an oxide mixing method, lanthanum gallate oxide, lanthanum aluminate oxide or a mixture thereof is blended with zirconia and scandia to have a predetermined composition, and wet-mixed with a ball mill or the like, A raw material mixture can be obtained by drying.
[0050]
  In the method of preparing the raw material mixture, a zirconium compound and a scandium compound and a lanthanum gallate oxide and / or a lanthanum aluminate oxide may be mixed at a time, or a predetermined amount of scandia may be added. The zirconia contained and the lanthanum gallate-based oxide or lanthanum aluminate-based oxide or a mixture thereof may be prepared separately, and these may be mixed later, and is not particularly limited.
[0051]
  Moreover, you may mix | blend a sintering aid, a well-known binder (for example, polyvinyl alcohol binder, an acrylic binder, etc.) etc. with a raw material mixture suitably as needed.
[0052]
  Next, in the calcining step, the obtained raw material mixture is calcined. The calcining temperature is usually about 500 to 900 ° C., preferably 600 to 800 ° C. This calcination is performed mainly by homogenizing the raw material composition by thermal diffusion, and further by using ZrO in advance.2This is to promote the sintering in the sintering process by causing a part of the crystal to undergo a phase transition to tetragonal crystal.
[0053]
  When the calcination temperature is less than 500 ° C., there is a tendency that such an effect cannot be sufficiently obtained. When the calcination temperature exceeds 900 ° C., aggregated particles remain even after pulverization, which is large. This is not preferable because the strength of the zirconia sintered body may be reduced due to a failure point.
[0054]
  Next, in the pulverization / molding step, the obtained calcined body is pulverized and molded. As the pulverization method, a known method can be used. For example, the pulverization can be performed by a ball mill, a crusher mill, a sand mill, a vibration mill, a bead mill or the like. The calcined body is obtained in the form of a powdery material, a lumpy material or the like, but may be further pulverized to a desired shape if necessary. The degree of pulverization can be set as appropriate, but the average particle size is usually about 0.1 to 1.0 μm, preferably 0.3 to 0.7 μm.
[0055]
  On the other hand, a publicly known method can be used also about a forming method, for example, press forming method, extrusion forming method, cast forming method, CIP method, HIP method, etc. are employable. In addition,the aboveIn the production method, prior to molding, kneading or granulation can be performed using a binder in advance. As the binder, a known binder such as a polyvinyl alcohol-based binder can be used as described above.
[0056]
  Finally, in the sintering step, the molded body is sintered. As this sintering method, pressure sintering is particularly preferable. This is because a denser zirconia sintered body can be produced. The sintering temperature is usually about 1300 to 1500 ° C, preferably 1350 to 1450 ° C. When the sintering temperature is less than 1300 ° C., only a sintered body having low mechanical properties can be obtained. This is not preferable, and when it exceeds 1600 ° C., abnormal grain growth or the like occurs in the desired grain. It is not preferable because the mechanical characteristics cannot be obtained.
[0057]
  As abovethe aboveA zirconia sintered body can be obtained. On this occasion,the aboveUsing zirconia sintered body as SOFC solid electrolyteNiIn the above pulverization / molding step, a flat plate is formed using a press molding method, a tape molding method, or the like, or a cylindrical shape or a honeycomb shape is formed using an extrusion molding method, an injection molding method, or the like. It ’s fine. And if the compact | molding | casting obtained in this way is sintered at the optimal temperature according to a composition in a sintering process, the solid electrolyte for SOFC will be obtained.
[0058]
  In this case, the thickness of the solid electrolyte of SOFC is in the range of 50 to 300 μm, preferably in the range of 100 to 200 μm. This is because when the thickness is less than 50 μm, the reliability as a structural material tends to decrease, and when the thickness is more than 300 μm, the electrical resistance tends to increase and the conductivity tends to decrease.
[0059]
  Then, on one surface of the solid electrolyte thus obtained, for example, a fuel electrode material in which nickel-zirconia cermet of nickel 40% by weight-zirconia 60% by weight is made into a slurry is applied and sintered at a predetermined temperature. To form a fuel electrode and, on the other surface of the solid electrolyte, for example, apply an air electrode material in a slurry form of lanthanum strontium manganate and sinter at a predetermined temperature to form an air electrode. If a fuel gas introduction means, an oxidant gas introduction means and the like are attached to the solid electrolyte provided with the fuel electrode and the air electrode, SOFC can be obtained.
[0060]
  Specific examples of the method for applying the fuel electrode and the air electrode include a screen printing method, a doctor blade method, a brush coating method, a spray method, a dipping method, and the like. There is no particular limitation.
[0061]
  next,the aboveThe operation of the zirconia sintered body will be described. According to the zirconia sintered body, the lanthanum gallate-based oxide or lanthanum aluminate-based oxide or a mixture thereof with respect to zirconia containing 3 to 6 mol% of scandia as a stabilizer.0.5-2% by weightSince it is contained, Sc2O3-ZrO2It becomes possible to suppress the strength deterioration without greatly reducing the high electrical conductivity of the zirconia sintered body of the system. In particular, even in a temperature range of 100 ° C. to 300 ° C. and in a situation where water or water vapor is present, since the spontaneous phase transition of the crystal phase hardly occurs, it is possible to effectively suppress hydrothermal deterioration. It becomes possible.
[0062]
  At this time, the lanthanum gallate oxide is converted into the composition formula La described above.1-xAxGa1-yByO3The lanthanum aluminate-based oxide is represented by the composition formula La described above.1-x 'Cx 'Al1-y 'Dy 'O3In the case of lanthanum gallate oxide, high oxygen ion conductivity is expressed by replacing metal ions such as La and Ga, which are main components, with other metal ions having different valences. Moreover, the fall of the electrical conductivity of a sintered compact by containing a lanthanum aluminate type oxide can be made still smaller.
[0063]
  Further, lanthanum gallate (LaGaO) as lanthanum gallate oxide and lanthanum aluminate oxide.3), Lanthanum aluminate (LaAlO3), It is possible to effectively suppress hydrothermal deterioration while maintaining the practical conductivity of the zirconia sintered body, and other sub-substances such as Sr. Since the component is not contained, the sintered body manufacturing process is simplified, so that there is an advantage that it is easy to reduce the cost of the zirconia sintered body.
[0064]
  Therefore, such a zirconia sintered bodySWhen used as a solid electrolyte of OFC, it has sufficient conductivity, so that the internal resistance of the battery is reduced and the power generation efficiency is increased, and the strength of the solid electrolyte is deteriorated even if the SOFC is repeatedly started and stopped, particularly water. Since it does not cause thermal degradation and is excellent in structural reliability as a solid electrolyte, it is possible to obtain a SOFC that can stably generate power over a long period of time.
[0065]
【Example】
  The zirconia sintered body according to the present invention will be described more specifically with reference to examples.
[0066]
Example 1
  Lanthanum aluminate (LaAlO) with respect to zirconia (hereinafter referred to as “4ScSZ”) containing 4 mol% of scandia34ScSZ and LaAlO so that 1) wt.3Were weighed, and pure water was added to the ball mill (ZrO).2Wet mixing was used). The mixture was then dried and calcined at 1000 ° C. Next, the calcined powder obtained was crushed with the above ball mill, and after adding an acrylic binder and spray granulation, a molding pressure of 1000 kgf / cm2A uniaxial die was molded to form a molded body. Subsequently, each zirconia sintered body was obtained by firing at 1350 ° C., 1400 ° C., 1450 ° C., and 1500 ° C. for 2 hours.
[0067]
  In addition, 4ScSZ used the thing made from a 1st rare element chemical industry company. Lanthanum aluminate (LaAlO3) La2O3And Al2O3Were weighed, and pure water was added thereto and wet-mixed with the above ball mill, and then prepared by firing at 1200 ° C. for 2 hours.
[0068]
(Example 2)
  For 4ScSZ, lanthanum aluminate (LaAlO3) Lanthanum gallate (LaGaO)3Each zirconia sintered body was obtained according to the same procedure as in Example 1, except that the above was used.
[0069]
(Example 3)
  For 4ScSZ, lanthanum aluminate (LaAlO3) Lanthanum gallate (LaGaO)34) ScSZ and LaGaO so as to contain 0.5, 0.7, 1.0, 1.5, and 2.0 wt%3Were weighed, and pure water was added to the ball mill (ZrO).2Each zirconia sintered body was obtained according to the same procedure as in Example 1, except that the mixture was wet-mixed using cobblestone) and each molded body was fired at a firing temperature of 1450 ° C. for 2 hours. At this time, lanthanum gallate (LaGaO34ScSZ sintered body not containing) was used as a comparison.
[0070]
  Lanthanum gallate (LaGaO3) La2O3And Ga2O3Were weighed, and pure water was added thereto and wet-mixed with the above ball mill, and then prepared by firing at 1200 ° C. for 2 hours.
[0071]
(Various characteristic evaluation tests)
  About each zirconia sintered compact of Example 1, Example 2, and Example 3 obtained as mentioned above, the autoclave test, the crystal phase, and the measurement of the electrical conductivity were performed. That is, in the autoclave test, each zirconia sintered body of Example 1, Example 2 and Example 3 was put in an autoclave and aged for 50 hours in 250 ° C. hot water or steam (medium: ion-exchanged water). After performing, the presence or absence of hydrothermal deterioration was judged by confirming the external appearance state of each sintered compact.
[0072]
  The crystal phase was measured by polishing each zirconia sintered body of Example 1, Example 2 and Example 3 with a # 600 diamond grindstone and then finishing the mirror surface with 1-5 μm diamond grains. The surface was measured by powder X-ray diffraction. In addition, the measurement was performed also about the thing after a hydrothermal deterioration test.
[0073]
  In addition, the conductivity was measured by baking a platinum paste as an electrode at 1000 ° C. on each zirconia sintered body of Example 1, Example 2 and Example 3 (20 mm × 3 mm × 4 mm). Was performed at temperatures of 300 ° C., 400 ° C., 500 ° C., 600 ° C., 700 ° C., and 800 ° C. At this time, the conductivity was measured by the AC impedance method (frequency: 100 to 10 MHz, in still air), and the conductivity was obtained from the measured resistance value and the size of the test piece according to the following equation.
[0074]
[Expression 1]
  Conductivity σ (S / cm) = (1 / resistance value R (Ω))
                        X Test piece length L (cm) / Test piece cross-sectional area S (cm2)
[0075]
(Test results)
  As shown in Table 1, LaAlO against 4ScSZ3LaGaO with respect to Example 1, 4ScSZ containing 1 wt% (wt%)3For the sintered bodies of Example 2 and Example 3 in which 0.5 to 2 wt% (wt%) was contained, hydrothermal deterioration could be sufficiently suppressed, so even after the autoclave test The morphology of the sintered body could be maintained. The crystal phase is tetragonal before and after the autoclave test, indicating that no phase transition has occurred.
[0076]
[Table 1]
Figure 0004039618
[0077]
  Next, FIG. 1 shows LaGaO in the sintered body of Example 3 sintered at a sintering temperature of 1450 ° C.3It shows the relationship between the content of and the electrical conductivity. For comparison, in FIG. 1, the conductivity of the 4ScSZ sintered body and LaAlO with respect to 4ScSZ.31 wt% (hereinafter “4ScSZ + 1 wt% LaAlO3The electrical conductivity of the sintered body of Example 1 is also shown.
[0078]
  According to FIG. 1, LaGaO for 4ScSZ3In an amount of 0.5-2 wt% (hereinafter referred to as “4ScSZ + Xwt% LaGaO3It can be seen that the conductivity of the sintered body of Example 3 is in a practical range. Further, the 4ScSZ + 1 wt% LaAlO of Example 1 over the entire temperature range of 300 ° C. to 800 ° C.3It can also be seen that the conductivity is higher than that of the sintered body. From this, LaAlO for 4ScSZ3Rather than containing LaGaO3It can be seen that the inclusion of sucrose has a higher effect of suppressing hydrothermal deterioration and can further reduce the decrease in the conductivity of 4ScSZ as a matrix.
[0079]
  The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the above embodiment, LaAlO is used for 4ScSZ.3Or LaGaO3The lanthanum gallate-based oxide or lanthanum aluminum having the above-described composition formula with respect to zirconia containing the predetermined mol% of scandia other than that described above is used. Even if the nate-based oxide or a mixture thereof is contained in a predetermined weight percent, the particular action and effect peculiar to the present application are exhibited.
[0080]
【The invention's effect】
  the aboveAccording to the zirconia sintered body, a lanthanum gallate oxide or a lanthanum aluminate oxide or a mixture thereof with respect to zirconia containing 3 to 6 mol% of scandia as a stabilizer.0.5-2% by weightSince it is contained, Sc2O3-ZrO2It becomes possible to suppress the strength deterioration without greatly reducing the high electrical conductivity of the zirconia sintered body of the system. In particular, even in a temperature range of 100 ° C. to 300 ° C. and in a situation where water or water vapor is present, since the spontaneous phase transition of the crystal phase hardly occurs, it is possible to effectively suppress hydrothermal deterioration. it can.
[0081]
  Therefore, this zirconia sintered bodySWhen used as a solid electrolyte of OFC, it has sufficient conductivity, so that the internal resistance of the battery is reduced and the power generation efficiency is increased, and the strength of the solid electrolyte is deteriorated even if the SOFC is repeatedly started and stopped, particularly water. Since it does not cause thermal degradation and is excellent in structural reliability as a solid electrolyte, it is possible to obtain a SOFC that can stably generate power over a long period of time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 LaGaO in a sintered body of Example 3 sintered at a sintering temperature of 1450 ° C.3It is the figure which showed the relationship between content of and the electrical conductivity.

Claims (5)

定化剤としてスカンジアを3〜6モル%含有するジルコニアに対して、ランタンガレート系酸化物若しくはランタンアルミネート系酸化物又はこれらの混合物を0.5〜2重量%含有するジルコニア質焼結体よりなる固体電解質を構成材料として用いたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池Against zirconia containing 3-6 mol% scandia as a stabilization agent, distearate zirconia sintered to lanthanum gallate-based oxide or lanthanum aluminate-based oxide or a mixture thereof 0.5 to 2 wt% A solid oxide fuel cell characterized in that a solid electrolyte comprising a ligation is used as a constituent material . 前記ランタンガレート系酸化物は、組成式La1−xGa1−y(但し、式中AはSr、Ca及びBaから選択される1種又は2種以上の元素、0≦x≦0.5、BはMg、Al、Fe及びInから選択される1種又は2種以上の元素、0≦y≦0.5)で表され、前記ランタンアルミネート系酸化物は、組成式La1−x’x’Al1−y’y’(但し、式中CはSr、Ca及びBaから選択される1種又は2種以上の元素、0≦x’≦0.5、DはGa及びInから選択される1種又は2種以上の元素、0≦y’≦0.5)で表されることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池The lanthanum gallate-based oxide has a composition formula La 1-x A x Ga 1-y B y O 3 (where A is one or more elements selected from Sr, Ca and Ba, 0 ≦ x ≦ 0.5, B is represented by one or more elements selected from Mg, Al, Fe and In, 0 ≦ y ≦ 0.5), and the lanthanum aluminate oxide is Composition formula La 1-x ′ C x ′ Al 1-y ′ D y ′ O 3 (wherein C is one or more elements selected from Sr, Ca and Ba, 0 ≦ x ′ ≦ The solid oxide form according to claim 1, wherein 0.5 and D are represented by one or more elements selected from Ga and In, 0 ≦ y ′ ≦ 0.5) Fuel cell . 前記ランタンガレート系酸化物はLaGaOであり、前記ランタンアルミネート系酸化物はLaAlOであることを特徴とする請求項1または2に記載の固体酸化物形燃料電池The lanthanum gallate-based oxide is LaGaO 3, a solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the lanthanum aluminate-based oxide is characterized by a LaAlO 3. 前記ジルコニア質焼結体の結晶相が主として正方晶の相又は正方晶と立方晶の混合相からなることを特徴とする請求項1乃至のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池 Solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the crystalline phase of the zirconia sintered body is mainly composed of tetragonal phases or tetragonal and cubic mixed phase of. 前記ジルコニア質焼結体は、250℃の熱水中又は水蒸気中にて50時間エージングを行った後に水熱劣化がないことを特徴とする請求項1乃至のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池 The zirconia sintered body, a solid oxide according to any one of claims 1 to 4, characterized in that there is no hydrothermal degradation after 50 hours aging at 250 ° C. in hot water or water vapor Fuel cell .
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