JP4620572B2 - Solid oxide fuel cell and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、セラミックなどの酸化物よりなる電解質層から構成された固体酸化物形燃料電池及びその作製方法に関するものである。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell composed of an electrolyte layer made of an oxide such as ceramic and a method for producing the same.

近年、酸素イオン伝導体を固体酸化物電解質層に用いた固体酸化物形燃料電池に、関心が高まりつつある。特に、エネルギーの有効利用という観点から、固体酸化物形燃料電池は、カルノー効率(熱エネルギー利用効率の限界)の制約を受けないため、本質的に高いエネルギー変換効率を有している。さらに、固体酸化物形燃料電池は、良好な環境保全が期待されるなど、優れた特徴を有している(非特許文献1参照)。   In recent years, there has been an increasing interest in solid oxide fuel cells using an oxygen ion conductor as a solid oxide electrolyte layer. In particular, from the viewpoint of effective use of energy, a solid oxide fuel cell is essentially free from restrictions on Carnot efficiency (limit of heat energy use efficiency), and thus has essentially high energy conversion efficiency. Furthermore, the solid oxide fuel cell has excellent features such as good environmental protection (see Non-Patent Document 1).

ところで、当初、固体酸化物形燃料電池は、動作温度が900〜1000℃と高く、すべての部材をセラミックから構成していたため、セルスタックの製造コストの低減が容易ではなかった。動作温度を800℃以下好ましくは700℃程度にまで低減することができれば、インターコネクタ(セパレータ)に耐熱合金材料を用いることが可能となり、製造コストの低減が図れるようになる。例えば、La(NiFe)O3などの、ニッケルと鉄とをBサイトに有するペロブスカイト系の金属酸化物は、高い電極活性を有し、これを空気極に用いることで、動作温度の低下が実現できる。しかしながら、動作温度の低下に伴い、例えば、空気極における化学反応の速度が低下し、電気化学的な抵抗である過電圧が急激に増大し、出力電圧の低下を招くという問題が発生する。 By the way, since the solid oxide fuel cell initially has a high operating temperature of 900 to 1000 ° C. and all members are made of ceramic, it is not easy to reduce the manufacturing cost of the cell stack. If the operating temperature can be reduced to 800 ° C. or less, preferably about 700 ° C., a heat-resistant alloy material can be used for the interconnector (separator), and the manufacturing cost can be reduced. For example, perovskite-based metal oxides, such as La (NiFe) O 3 , that have nickel and iron at the B site, have high electrode activity, and this can be used for the air electrode to lower the operating temperature. it can. However, as the operating temperature decreases, for example, the rate of chemical reaction at the air electrode decreases, and the overvoltage, which is an electrochemical resistance, increases rapidly, resulting in a decrease in output voltage.

ところで、上述したような材料を用いた固体酸化物形燃料電池は、各電極や電解質層を、各材料の微粒子(粉体)の焼結体(セラミック)から構成されている。このため、電極反応の進行する電極/電解質/気体の三相の接する界面(三相界面)の長さを拡大することで、より高い電極特性が得られるようになる。従って、前述した動作温度の低下に伴う出力電圧の低下は、三相界面長を増大することにより解消することが可能である。   By the way, in the solid oxide fuel cell using the material as described above, each electrode or electrolyte layer is composed of a sintered body (ceramic) of fine particles (powder) of each material. For this reason, it is possible to obtain higher electrode characteristics by increasing the length of the interface (three-phase interface) where the electrode / electrolyte / gas three-phase interface where the electrode reaction proceeds is expanded. Therefore, the above-described decrease in output voltage due to the decrease in operating temperature can be eliminated by increasing the three-phase interface length.

三相界面長の増大を図るためには、例えば、電解質層と同様に酸素イオンを伝導するセリア(酸化セリウム)系の材料の粉体と空気極を構成している材料の粉体とを混合した焼結体を中間層として用いる技術がある。セリア系の材料は、前述したペロブスカイト系の空気極材料と反応劣化を引き起こすことがないので、中間層に用いることが可能である。このような中間層を電解質層と空気極との間に設けることで、電解質層と空気極との実質的な接触面積が増加し、三相界面長の増大が期待できる。   In order to increase the three-phase interface length, for example, the ceria (cerium oxide) -based material powder that conducts oxygen ions and the powder that constitutes the air electrode are mixed in the same way as the electrolyte layer. There is a technique of using the sintered body as an intermediate layer. The ceria-based material does not cause reaction deterioration with the perovskite-based air electrode material described above, and can be used for the intermediate layer. By providing such an intermediate layer between the electrolyte layer and the air electrode, the substantial contact area between the electrolyte layer and the air electrode is increased, and an increase in the three-phase interface length can be expected.

田川 博章 著、「固体酸化物燃料電池と地球環境」、株式会社アグネ承風社、1998年。Hiroaki Tagawa, “Solid Oxide Fuel Cell and Global Environment”, Agne Jofusha Co., Ltd., 1998.

しかしながら、セリア系の材料は、酸素イオンを伝導させ、一方、空気極を構成している材料は電子を伝導させるものであるため、これらの粉体の混合体では、互いの伝導経路を切断し合い、酸素イオン及び電子の伝導を妨げてしまう。特に、700〜800℃における酸素イオンの伝導度は、電子の伝導度に比較して3桁ほど低いため、酸素イオンの伝導経路が十分に確保されていないと、出力の低下を招くことになる。   However, the ceria-based material conducts oxygen ions, while the material composing the air electrode conducts electrons. Therefore, the mixture of these powders cuts the conduction path of each other. Together, it interferes with the conduction of oxygen ions and electrons. In particular, since the conductivity of oxygen ions at 700 to 800 ° C. is about three orders of magnitude lower than the conductivity of electrons, if the oxygen ion conduction path is not sufficiently secured, the output is reduced. .

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、酸素イオンを伝導するセリア系の材料と空気極を構成している材料よりなる中間層における酸素イオンの伝導経路が、より多く形成された状態とすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and a conduction path of oxygen ions in an intermediate layer made of a ceria-based material that conducts oxygen ions and a material that constitutes an air electrode is provided. The purpose is to provide a more formed state.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の作製方法は、金属酸化物の粉体の焼結体からなる電解質層の一方の面の上に燃料極が形成された状態とする工程と、電解質層の他方の面の上に、金属酸化物がドープされた酸化セリウムの粉体の焼結体から構成された多孔質状態のセリア焼結体層が形成された状態とする工程と、セリア焼結体層に、ペロブスカイト型酸化物を構成する金属のイオンが溶解した金属溶液を含浸させる工程と、セリア焼結体層が形成された後、電解質層の他方の面の上にペロブスカイト型酸化物の粉体が分散したスラリーを塗布して空気極塗布膜が形成された状態とする工程と、空気極塗布膜を焼成して空気極が形成された状態とする工程と、金属溶液が含浸されたセリア焼結体層を酸素を含む雰囲気中で焼成することで、少なくともランタンを含む金属酸化物の結晶粒がセリア焼結体層の多孔質の孔内に析出された中間層が、電解質層の他方の面に形成された状態とする工程とを少なくとも備え、中間層は、電解質層と空気極との間に形成するようにしたものである。   A method for producing a solid oxide fuel cell according to the present invention includes a step of forming a fuel electrode on one surface of an electrolyte layer made of a sintered metal oxide powder, and an electrolyte layer. Forming a porous ceria sintered body layer composed of a sintered body of a cerium oxide powder doped with a metal oxide on the other surface of the metal, and ceria sintering A step of impregnating the body layer with a metal solution in which ions of the metal constituting the perovskite oxide are dissolved, and after the ceria sintered body layer is formed, the perovskite oxide is formed on the other surface of the electrolyte layer. A step of applying a slurry in which powder is dispersed to form an air electrode coating film, a step of firing the air electrode coating film to form an air electrode, and a metal solution impregnated By firing the ceria sintered body layer in an atmosphere containing oxygen, At least a step of forming an intermediate layer in which the metal oxide crystal grains containing at least lanthanum are deposited in the porous pores of the ceria sintered body layer on the other surface of the electrolyte layer, The intermediate layer is formed between the electrolyte layer and the air electrode.

上記酸化セリウムの粉体は、酸化セリウムの粉体は、酸化イットリウム,酸化サマリウム,及び酸化ガドリニウムの少なくとも一方がドープされたものであればよい。また、金属溶液は、「ランタンのイオンとニッケルのイオンと鉄のイオンとが溶解したもの」,「ランタンのイオンとストロンチウムのイオンと鉄のイオンとが溶解したもの」,「ランタンのイオンとコバルトのイオンとが溶解したもの」,及び「ランタンのイオンとコバルトのイオンとストロンチウムのイオンとが溶解したもの」の少なくとも1つであればよい。また、金属酸化物がドープされた酸化セリウムの粉体に、空気極を形成するためのランタンを含む金属酸化物の粉体を加えた焼結体よりセリア焼結体層を形成するようにしてもよい。   The cerium oxide powder may be any cerium oxide powder doped with at least one of yttrium oxide, samarium oxide, and gadolinium oxide. In addition, the metal solutions are “dissolved lanthanum ions, nickel ions and iron ions”, “dissolved lanthanum ions, strontium ions and iron ions”, “lanthanum ions and cobalt ions”. At least one of “dissolved ions” and “dissolved lanthanum ions, cobalt ions, and strontium ions”. Further, a ceria sintered body layer is formed from a sintered body obtained by adding metal oxide powder containing lanthanum for forming an air electrode to cerium oxide powder doped with metal oxide. Also good.

上記固体酸化物形燃料電池の作製方法において、セリア焼結体層に金属イオンが溶解した金属溶液を含浸させる工程は、空気極塗布膜が形成される前に行えばよい。また、セリア焼結体層に金属イオンが溶解した金属溶液を含浸させる工程は、空気極塗布膜が形成された後に行うようにしてもよい。また、セリア焼結体層に金属イオンが溶解した金属溶液を含浸させる工程は、空気極が形成された後に行うようにしてもよい。   In the method for producing a solid oxide fuel cell, the step of impregnating the ceria sintered body layer with a metal solution in which metal ions are dissolved may be performed before the air electrode coating film is formed. Further, the step of impregnating the ceria sintered body layer with the metal solution in which metal ions are dissolved may be performed after the air electrode coating film is formed. Further, the step of impregnating the ceria sintered body layer with the metal solution in which metal ions are dissolved may be performed after the air electrode is formed.

また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、金属酸化物の粉体の焼結体からなる電解質層と、この電解質層の一方の面の上に形成された燃料極と、電解質層の他方の面の上に形成された中間層と、この中間層の上に形成され、ペロブスカイト型酸化物の焼結体からなる空気極とを少なくとも備え、中間層は、金属酸化物がドープされた酸化セリウムの粉体の焼結体から構成された多孔質状態のセリア焼結体層に、ペロブスカイト型酸化物を構成する金属のイオンが溶解した金属溶液を含浸させ、この金属溶液が含浸されたセリア焼結体層を焼成することで形成され、上記金属イオンよりなるペロブスカイト型酸化物の結晶粒がセリア焼結体層の多孔質の孔内に析出されたものである。   A solid oxide fuel cell according to the present invention includes an electrolyte layer made of a sintered metal oxide powder, a fuel electrode formed on one surface of the electrolyte layer, and an electrolyte layer. At least an intermediate layer formed on the other surface, and an air electrode formed on the intermediate layer and made of a sintered body of a perovskite oxide, the intermediate layer is doped with a metal oxide A porous ceria sintered body layer composed of a sintered body of cerium oxide powder was impregnated with a metal solution in which ions of the metal constituting the perovskite oxide were dissolved, and the metal solution was impregnated. It is formed by firing a ceria sintered body layer, and crystal grains of a perovskite oxide made of the above metal ions are precipitated in the porous pores of the ceria sintered body layer.

上記酸化セリウムの粉体は、酸化イットリウム,酸化サマリウム,及び酸化ガドリニウムの少なくとも一方がドープされたものであればよい。また、金属溶液は、ランタンのイオンとニッケルのイオンと鉄のイオンとが溶解したもの,ランタンのイオンとストロンチウムのイオンと鉄のイオンとが溶解したもの,ランタンのイオンとコバルトのイオンとが溶解したもの,及びランタンのイオンとコバルトのイオンとストロンチウムのイオンとが溶解したもの少なくとも1つであればよい。また、セリア焼結体層は、金属酸化物がドープされた酸化セリウムの粉体に、空気極を形成するためのランタンを含む金属酸化物の粉体を加えた焼結体であってもよい。   The cerium oxide powder may be any powder doped with at least one of yttrium oxide, samarium oxide, and gadolinium oxide. The metal solution is a solution of lanthanum ions, nickel ions and iron ions, lanthanum ions, strontium ions and iron ions, lanthanum ions and cobalt ions. And at least one in which lanthanum ions, cobalt ions and strontium ions are dissolved. The ceria sintered body layer may be a sintered body obtained by adding metal oxide powder containing lanthanum for forming an air electrode to powder of cerium oxide doped with metal oxide. .

以上説明したように、本発明では、金属溶液が含浸されたセリア焼結体層を酸素を含む雰囲気中で焼成することで、ペロブスカイト型酸化物の結晶粒がセリア焼結体層の多孔質の孔内に析出された中間層が、電解質層の他方の面に形成された状態とするようにした。この結果、本発明によれば、酸素イオンを伝導するセリア系の材料と空気極を構成している材料よりなる中間層における酸素イオンの伝導経路が、より多く形成された状態となるという優れた効果が得られる。   As described above, in the present invention, the ceria sintered body layer impregnated with the metal solution is fired in an atmosphere containing oxygen, so that the perovskite oxide crystal grains are porous in the ceria sintered body layer. The intermediate layer deposited in the holes was formed on the other surface of the electrolyte layer. As a result, according to the present invention, the oxygen ion conduction path in the intermediate layer made of the ceria-based material that conducts oxygen ions and the material that forms the air electrode is more excellently formed. An effect is obtained.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における固体酸化物形燃料電池の作製方法例を示す工程図である。まず、図1(a)に示すように、Sc23とAl23とが添加されたジルコニア(金属酸化物)の粉体を所定の媒体に分散させてスラリーを作製し、このスラリーをよく知られたドクターブレード法により成形し、これを焼成して板厚0.2mmの電解質層101が形成された状態とする。上記粉体としては、ZrO2が89,Sc23が10,Al23が1の割合で、Sc23とAl23とがジルコニアに添加されたものを用いればよい。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a process diagram showing an example of a method for producing a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention. First, as shown in FIG. 1A, a zirconia (metal oxide) powder to which Sc 2 O 3 and Al 2 O 3 are added is dispersed in a predetermined medium to prepare a slurry. Is formed by a well-known doctor blade method, and is baked to form an electrolyte layer 101 having a thickness of 0.2 mm. As the above powder, it is sufficient to use ZrO 2 at 89, Sc 2 O 3 at 10, Al 2 O 3 at 1, and Sc 2 O 3 and Al 2 O 3 added to zirconia.

次に、平均粒径0.6μmジルコニア粉体に平均粒径0.2μmの酸化ニッケル粉体を60w%加えて混合したスラリーを、例えばスクリーン印刷法により塗布し、これを乾燥することで、電解質ペーストの板の一方の面に、燃料極塗布膜が形成された状態とする。上記ジルコニア粉体としては、ZrO2が92,Y23が8の割合で、Y23が添加されたZrO2を用いればよい。ついで、形成された燃料極塗布膜の上に、白金のメッシュよりなる集電体層を載置し、これらを、空気中で1400℃・8時間焼成することで、電解質層101の一方の面(図1では下面)に燃料極102が集電体層(図1では省略)とともに形成された状態とする。 Next, a slurry obtained by adding 60 w% of nickel oxide powder having an average particle diameter of 0.2 μm to zirconia powder having an average particle diameter of 0.6 μm and mixing the mixture is applied by, for example, a screen printing method, and dried to thereby obtain an electrolyte. A fuel electrode coating film is formed on one surface of the paste plate. As the zirconia powder in a proportion of ZrO 2 is 92, Y 2 O 3 is 8, may be used ZrO 2 to Y 2 O 3 was added. Next, a current collector layer made of platinum mesh is placed on the formed fuel electrode coating film, and these are fired in air at 1400 ° C. for 8 hours, whereby one surface of the electrolyte layer 101 is placed. It is assumed that the fuel electrode 102 is formed on the (lower surface in FIG. 1) together with the current collector layer (omitted in FIG. 1).

次に、平均粒径0.2μmのCe0.80.22(YDC:セリアに酸化イットリウムがドープされた固溶体)の粉体を所定の媒体に分散させてスラリーを作製し、このスラリーをスクリーン印刷法により電解質層101の他方の面(図1では上面)に塗布して乾燥し、セリア系材料塗布膜が形成された状態とする。ついで、形成されたセリア系材料塗布膜を1100℃で焼成することで、図1(b)に示すように、電解質層101の他方の面に、膜厚4μmのセリア焼結体層113が形成された状態とする。 Next, a slurry is prepared by dispersing a powder of Ce 0.8 Y 0.2 O 2 (YDC: solid solution in which ceria is doped with yttrium oxide) in a predetermined medium, and this slurry is screen-printed. The other surface (upper surface in FIG. 1) of the electrolyte layer 101 is applied by a method and dried to form a ceria-based material coating film. Next, the formed ceria-based material coating film is baked at 1100 ° C. to form a ceria sintered body layer 113 having a thickness of 4 μm on the other surface of the electrolyte layer 101 as shown in FIG. It is assumed that

次に、セリア焼結体層113に、ランタン(La)とニッケル(Ni)と鉄(Fe)とがイオンとして含まれている(溶解されている)金属溶液が、含浸された状態とする。例えば、金属溶液をセリア焼結体層113の上に滴下して浸透させ、これを乾燥させる工程を3回繰り返せばよい。セリア焼結体層113は多孔質状態に形成されているため、滴下された金属溶液は、セリア焼結体層113の中にまで浸透する。なお、上記金属溶液は、例えば、LaとNiとFeとよりなる有機金属化合物の溶液を用いればよい。また、金属溶液は、LaイオンとNiイオンとFeイオンとが、各々所定の濃度で含まれている水溶液であってもよい。これらの金属溶液に含まれている金属は、以降に説明するように、空気極を構成することが可能なペロブスカイト型酸化物を構成する金属である。   Next, the ceria sintered body layer 113 is impregnated with a metal solution containing lanthanum (La), nickel (Ni), and iron (Fe) as ions (dissolved). For example, a step of dropping a metal solution onto the ceria sintered body layer 113 to infiltrate it and drying it may be repeated three times. Since the ceria sintered body layer 113 is formed in a porous state, the dropped metal solution penetrates into the ceria sintered body layer 113. In addition, what is necessary is just to use the solution of the organometallic compound which consists of La, Ni, and Fe, for example as the said metal solution. Further, the metal solution may be an aqueous solution containing La ions, Ni ions, and Fe ions at a predetermined concentration. The metal contained in these metal solutions is the metal which comprises the perovskite type oxide which can comprise an air electrode so that it may demonstrate later.

次に、例えば、平均粒径1.5μmのLaNi0.6Fe0.43(LNF)の粉体など、空気極を構成可能なペロブスカイト型酸化物の粉体を所定の媒体に分散させてスラリーを作製する。ついで、作製したスラリーをスクリーン印刷法によりセリア焼結体層113上に塗布して乾燥し、空気極塗布膜が形成された状態とする。ついで、形成された空気極塗布膜の上に、白金のメッシュよりなる集電体層を載置し、これらを、例えば空気中などの酸素を含む雰囲気中で1000℃・2時間で焼成する。これらのことにより、図1(c)に示すように、電解質層101の他方の面に、中間層103が形成され、中間層103の上に、空気極104が集電体層(図1では省略)とともに形成された状態となる。 Next, a perovskite oxide powder capable of forming an air electrode, such as LaNi 0.6 Fe 0.4 O 3 (LNF) powder having an average particle diameter of 1.5 μm, is dispersed in a predetermined medium to produce a slurry. To do. Next, the produced slurry is applied onto the ceria sintered body layer 113 by a screen printing method and dried to form a state where an air electrode coating film is formed. Next, a current collector layer made of platinum mesh is placed on the formed air electrode coating film, and these are fired at 1000 ° C. for 2 hours in an atmosphere containing oxygen such as air. As a result, as shown in FIG. 1C, the intermediate layer 103 is formed on the other surface of the electrolyte layer 101, and the air electrode 104 is placed on the current collector layer (in FIG. 1). (Not shown).

上述したように、金属溶液が含浸されたセリア焼結体層を酸素雰囲気で加熱(焼成)すると、含浸されている金属溶液中にイオンとして含まれていた金属の酸化物(ペロブスカイト型酸化物の結晶粒)が、セリア焼結体の多孔質の孔内に結晶として析出した状態となる。このように、中間層103は、多孔質状態のセリア焼結体の層中に含浸された金属溶液が焼成されたことにより、セリア焼結体層の複数の微細な孔内に、LNFなどのペロブスカイト型酸化物の微細な結晶(結晶粒)が析出した状態とされたものである。   As described above, when the ceria sintered body layer impregnated with the metal solution is heated (fired) in an oxygen atmosphere, the metal oxide (perovskite oxide) contained in the impregnated metal solution as ions is included. Crystal grains) are precipitated as crystals in the porous pores of the ceria sintered body. As described above, the intermediate layer 103 is made of, for example, LNF or the like in a plurality of fine holes of the ceria sintered body layer by firing the metal solution impregnated in the porous ceria sintered body layer. This is a state in which fine crystals (crystal grains) of the perovskite oxide are precipitated.

言い換えると、中間層103は、酸素イオンの伝導を担うセリア系の材料からなるセリア焼結体の微細な孔内に、電子の伝導を担う微細な結晶が配置されたものである。従って、中間層103においては、酸素イオンの伝導経路が十分に形成された状態となっている。また、中間層103は、酸素イオンを伝導する材料(粉体)と空気極を構成している材料(粉体)とが混合されたものであり、中間層103の存在により、電解質層101と空気極104との実質的な接触面積を増加させ、三相界面長を増大させている。   In other words, the intermediate layer 103 is formed by arranging fine crystals responsible for electron conduction in fine pores of a ceria sintered body made of a ceria-based material responsible for oxygen ion conduction. Therefore, in the intermediate layer 103, the oxygen ion conduction path is sufficiently formed. The intermediate layer 103 is a mixture of a material (powder) that conducts oxygen ions and a material (powder) that constitutes the air electrode. The substantial contact area with the air electrode 104 is increased, and the three-phase interface length is increased.

ところで、上述では、セリア焼結体層113が形成された直後(空気極を形成する前)に、前述した金属溶液をセリア焼結体層113に含浸させるようにしたが、これに限るものではない。例えば、空気極塗布膜を形成した後に、金属溶液をセリア焼結体層113に含浸させるようにしてもよい。また、焼成により空気極が形成された後に、金属溶液をセリア焼結体層113に含浸させるようにしてもよい。   By the way, in the above description, the ceria sintered body layer 113 is impregnated with the metal solution described above immediately after the ceria sintered body layer 113 is formed (before the air electrode is formed). Absent. For example, the ceria sintered body layer 113 may be impregnated with the metal solution after the air electrode coating film is formed. Alternatively, the ceria sintered body layer 113 may be impregnated with the metal solution after the air electrode is formed by firing.

また、上述では、セリア焼結体層113は、YDCの粉体の焼結体より構成したが、これに限るものではない。例えば、YDCの粉体にLNFの粉体を添加して混合した混合粉体を所定の媒体に分散させてスラリーを作製し、このスラリーを塗布して焼成することでセリア焼結体層としてもよい。LNFの粉体としては、前述の空気極形成において示したように、平均粒径1.5μmのものが一般的に入手可能である。LNFの粉体は粒径をあまり小さくすることができず、上述したように、YDCの粉体に比較して粒径が大きい。   In the above description, the ceria sintered body layer 113 is composed of a YDC powder sintered body, but is not limited thereto. For example, a mixed powder obtained by adding and mixing LNF powder to YDC powder is dispersed in a predetermined medium to prepare a slurry, and this slurry is applied and fired to form a ceria sintered body layer. Good. As the LNF powder, one having an average particle diameter of 1.5 μm is generally available as shown in the air electrode formation described above. The particle size of LNF powder cannot be made very small, and as described above, the particle size is larger than that of YDC powder.

このため、YDCの粉体にLNFの粉体を混合しても、形成されるセリア焼結体層においては、LNFの粒子の表面を覆うようにYDCの微粒子が付着した状態となる。この結果、LNFの粉体が混合されても、YDCの微粒子同士の接触が阻害されることが起こりにくく、互いに接続した複数のYDC微粒子による酸素イオンの伝導経路は、十分に確保された状態が得られる。また、LNFの粉体を混合してセリア焼結体層を形成することで、三相界面長をより増大さることが可能となる。   Therefore, even if the LNF powder is mixed with the YDC powder, the formed ceria sintered body layer is in a state where the YDC fine particles are adhered so as to cover the surface of the LNF particles. As a result, even if the LNF powder is mixed, the contact between the YDC fine particles is unlikely to be disturbed, and the conduction path of oxygen ions by the plurality of YDC fine particles connected to each other is sufficiently secured. can get. Further, by mixing the LNF powder to form the ceria sintered body layer, the three-phase interface length can be further increased.

また、上述では、セリア焼結体層を形成するためのセリア系材料としてYDCを用いるようにしたが、これに限るものではない。例えば、Ce0.8Sm0.22(SDC:セリアに酸化サマリウムがドープされた固溶体)及びCe0.8Gd0.22(GDC:セリアに酸化ガドリニウムがドープされた固溶体)を用いるようにしてもよい。 In the above description, YDC is used as the ceria-based material for forming the ceria sintered body layer. However, the present invention is not limited to this. For example, Ce 0.8 Sm 0.2 O 2 (SDC: solid solution in which ceria is doped with samarium oxide) and Ce 0.8 Gd 0.2 O 2 (GDC: solid solution in which ceria is doped with gadolinium oxide) may be used.

また、セリア焼結体層に含浸させる金属溶液として、LaとNiとFeとがイオンとして含まれている溶液を用いるようにしたが、これに限るものではない。金属溶液としては、電子の伝導を担うことが可能な(空気極を構成することができる)ペロブスカイト型酸化物を構成する金属のイオンが溶解したものであればよい。このようなペロブスカイト型酸化物は2つの金属A原子,金属B原子と3つの酸素原子とにより、一般にABO3と表記されるものである。金属Aとしては、Laの他に、プラセオジウム(Pr),ネオジム(Nd),サマリウム(Sm),ガドリニウム(Gd)などの希土類元素があり、金属Bとしては、Fe,Ni,Coなどの遷移金属がある。 In addition, as the metal solution impregnated in the ceria sintered body layer, a solution containing La, Ni, and Fe as ions is used. However, the present invention is not limited to this. Any metal solution may be used as long as it dissolves metal ions constituting the perovskite-type oxide that can take charge of electron conduction (can constitute an air electrode). Such a perovskite oxide is generally represented as ABO 3 by two metal A atoms, metal B atoms and three oxygen atoms. In addition to La, the metal A includes rare earth elements such as praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), and gadolinium (Gd), and the metal B includes transition metals such as Fe, Ni, and Co. There is.

従って、セリア焼結体層に含浸させる金属溶液としては、例えば、Laとストロンチウム(Sr)とFeとがイオンとして含まれている金属溶液を用いるようにしてもよい。この場合、各元素のイオンの組成比を適宜設定することで、例えば、組成がLa0.5Sr0.5FeO3の金属酸化物が、セリア焼結体の多孔質の孔内に結晶として析出した状態が得られる。また、セリア焼結体層に含浸させる金属溶液として、Laとコバルト(Co)がイオンとして含まれている金属溶液を用いるようにしてもよい。この場合、例えば、組成がLaCoO3の金属酸化物が、セリア焼結体の多孔質の孔内に結晶として析出した状態が得られる。また、セリア焼結体層に含浸させる金属溶液として、LaとCoとSrとがイオンとして含まれている金属溶液を用いるようにしてもよい。この場合、例えば、組成がLa(Sr)CoO3の金属酸化物が、セリア焼結体の多孔質の孔内に結晶として析出した状態が得られる。 Therefore, as the metal solution impregnated in the ceria sintered body layer, for example, a metal solution containing La, strontium (Sr), and Fe as ions may be used. In this case, by appropriately setting the composition ratio of ions of each element, for example, a state in which a metal oxide having a composition of La 0.5 Sr 0.5 FeO 3 is precipitated as crystals in the porous pores of the ceria sintered body. can get. Alternatively, a metal solution containing La and cobalt (Co) as ions may be used as the metal solution impregnated in the ceria sintered body layer. In this case, for example, a state is obtained in which a metal oxide having a composition of LaCoO 3 is precipitated as crystals in the porous pores of the ceria sintered body. Alternatively, a metal solution containing La, Co, and Sr as ions may be used as the metal solution impregnated in the ceria sintered body layer. In this case, for example, a state is obtained in which a metal oxide having a composition of La (Sr) CoO 3 is precipitated as crystals in the porous pores of the ceria sintered body.

また、セリア焼結体層に加える電子伝導媒体の粉体として、LNFを用いるようにしたが、これに限るものではなく、La0.8Sr0.2FeO3(LSF)の粉体を用いるようにしてもよい。例えば、平均粒径1.0μmのLSF粉体が利用可能である。セリア焼結体層(中間層)にLSFを加える場合、空気極もLSFから構成すればよい。 In addition, although LNF is used as the powder of the electron conductive medium added to the ceria sintered body layer, the present invention is not limited to this, and a powder of La 0.8 Sr 0.2 FeO 3 (LSF) may be used. Good. For example, LSF powder having an average particle size of 1.0 μm can be used. When adding LSF to the ceria sintered body layer (intermediate layer), the air electrode may also be composed of LSF.

次に、焼結体層,含浸させる金属溶液,及び空気極に用いる材料を変化させて試料セルを作製し、作製した各試料セルにおける空気極側の界面抵抗を測定した結果について説明する。なお、試料セルを用い、図2の断面図に示すような固体酸化物形燃料電池とした。図2に示す固体酸化物形燃料電池について説明すると、板厚0.2mmの電解質層101の一方の面に燃料極102及び集電体層105が積層され、他方の面に中間層103,空気極104,及び集電体層106が積層されている。また、図3の斜視図にも示すように、電解質層101の他方の面の周辺部には、白金からなる参照電極107が設けられている。   Next, a description will be given of the result of measuring the interface resistance on the air electrode side in each sample cell manufactured by changing the sintered body layer, the metal solution to be impregnated, and the material used for the air electrode. A sample cell was used to obtain a solid oxide fuel cell as shown in the cross-sectional view of FIG. The solid oxide fuel cell shown in FIG. 2 will be described. A fuel electrode 102 and a current collector layer 105 are stacked on one surface of an electrolyte layer 101 having a thickness of 0.2 mm, and an intermediate layer 103 and air are stacked on the other surface. The electrode 104 and the current collector layer 106 are stacked. In addition, as shown in the perspective view of FIG. 3, a reference electrode 107 made of platinum is provided on the periphery of the other surface of the electrolyte layer 101.

また、電解質層101の一方の面には、燃料極102が配設されている領域を囲うように円筒形状の燃料ガス排気配管201の端部が固定され、燃料ガス排気配管201の内側に燃料ガス供給配管202が配置されている。燃料ガス供給配管202により導入される燃料ガス(水素ガス)は、燃料ガス供給配管202の吐出端より燃料極102の領域に供給さる。また、燃料極102において排出されるガスは、燃料ガス排気配管201内の燃料ガス供給配管202の外側の領域より外部に取り出される。   In addition, an end portion of a cylindrical fuel gas exhaust pipe 201 is fixed to one surface of the electrolyte layer 101 so as to surround a region where the fuel electrode 102 is disposed, and the fuel gas exhaust pipe 201 has fuel inside. A gas supply pipe 202 is arranged. The fuel gas (hydrogen gas) introduced through the fuel gas supply pipe 202 is supplied to the region of the fuel electrode 102 from the discharge end of the fuel gas supply pipe 202. Further, the gas discharged from the fuel electrode 102 is taken out from a region outside the fuel gas supply pipe 202 in the fuel gas exhaust pipe 201.

一方、電解質層101の他方の面には、空気極104が配設されている領域を囲うように円筒形状の酸化剤ガス排気配管203の端部が固定され、酸化剤ガス排気配管203の内側に酸化剤ガス供給配管204が配置されている。酸化剤ガス供給配管204により導入される酸化剤ガス(酸素ガス)は、酸化剤ガス供給配管204の吐出端より空気極104の領域に供給さる。また、空気極104において排出されるガスは、酸化剤ガス排出配管203内の酸化剤ガス供給配管204の外側の領域より外部に取り出される。なお、各排気配管は、ガスシール207により、電解質層101の表面に接着固定されている。   On the other hand, the end of the cylindrical oxidant gas exhaust pipe 203 is fixed to the other surface of the electrolyte layer 101 so as to surround the region where the air electrode 104 is disposed, and the inner side of the oxidant gas exhaust pipe 203 is fixed. In addition, an oxidant gas supply pipe 204 is disposed. The oxidant gas (oxygen gas) introduced through the oxidant gas supply pipe 204 is supplied to the region of the air electrode 104 from the discharge end of the oxidant gas supply pipe 204. Further, the gas discharged from the air electrode 104 is taken out from a region outside the oxidant gas supply pipe 204 in the oxidant gas discharge pipe 203. Each exhaust pipe is bonded and fixed to the surface of the electrolyte layer 101 by a gas seal 207.

次に、作製した試料セル及び各試料セルの空気極界面抵抗測定結果について説明する。まず、空気極にLNFを用いた場合について、以下の表1に示す。表1に示す各条件で作成した各試料セルを用いて図2同様の燃料電池を組み立て、700℃において発電試験を行うと、白金端子205と白金端子206との間で1.14Vの値が得られる。なお、燃料ガスとしては、室温加湿水素を用い、酸化剤ガスとしては酸素を用いる。また、白金端子205及び白金端子206を用い、燃料極102及び空気極104の間に交流電流を流した状態で、空気極104と参照電極107との間の電圧応答をインピーダンスメータにより測定することで、空気極側の界面抵抗成分を分離して求める。なお、「含浸工程」において、「空気極塗布膜」は、スラリーをスクリーン印刷法によりセリア焼結体層113上に塗布して乾燥し、空気極塗布膜が形成された状態とする工程の後を示し、焼成する前の工程を示している。   Next, the measurement results of the air electrode interface resistance of the sample cell and each sample cell will be described. First, it shows in the following Table 1 about the case where LNF is used for an air electrode. When a fuel cell similar to FIG. 2 is assembled using each sample cell created under each condition shown in Table 1 and a power generation test is performed at 700 ° C., a value of 1.14 V is obtained between the platinum terminal 205 and the platinum terminal 206. can get. In addition, room temperature humidified hydrogen is used as the fuel gas, and oxygen is used as the oxidant gas. Further, the voltage response between the air electrode 104 and the reference electrode 107 is measured with an impedance meter in the state where an alternating current is passed between the fuel electrode 102 and the air electrode 104 using the platinum terminal 205 and the platinum terminal 206. Thus, the interface resistance component on the air electrode side is obtained separately. In the “impregnation step”, the “air electrode coating film” is after the step of applying the slurry onto the ceria sintered body layer 113 by screen printing and drying to form a state where the air electrode coating film is formed. The process before baking is shown.

表1
試料番号 セリア焼結体層 金属溶液 含浸工程 空気極界面抵抗
1-0 中間層なし なし なし 200Ω
1-1-0 YDC なし なし 120Ω
1-1-1 YDC La,Ni,Fe 空気極形成前 67Ω
1-1-2 YDC La,Ni,Fe 空気極塗布膜 64Ω
1-1-3 YDC La,Ni,Fe 空気極形成後 27Ω
1-2-1 YDC66%+LNF34% La,Ni,Fe 空気極形成前 42Ω
1-3-1 YDC50%+LNF50% La,Ni,Fe 空気極形成前 33Ω
1-4-1 YDC34%+LNF66% La,Ni,Fe 空気極形成前 51Ω
1-2-2 YDC66%+LNF34% La,Ni,Fe 空気極塗布膜 38Ω
1-3-2 YDC50%+LNF50% La,Ni,Fe 空気極塗布膜 30Ω
1-4-2 YDC34%+LNF66% La,Ni,Fe 空気極塗布膜 46Ω
1-2-3 YDC66%+LNF34% La,Ni,Fe 空気極形成後 20Ω
1-3-3 YDC50%+LNF50% La,Ni,Fe 空気極形成後 12Ω
1-4-3 YDC34%+LNF66% La,Ni,Fe 空気極形成後 23Ω
Table 1
Sample number Ceria sintered body layer Metal solution Impregnation process Air electrode interface resistance
1-0 No intermediate layer None None 200Ω
1-1-0 YDC None None 120Ω
1-1-1 YDC La, Ni, Fe Before air electrode formation 67Ω
1-1-2 YDC La, Ni, Fe Air electrode coating film 64Ω
1-1-3 YDC La, Ni, Fe 27Ω after forming air electrode
1-2-1 YDC66% + LNF34% La, Ni, Fe 42Ω before air electrode formation
1-3-1 YDC50% + LNF50% La, Ni, Fe Before air electrode formation 33Ω
1-4-1 YDC34% + LNF66% La, Ni, Fe 51Ω before air electrode formation
1-2-2 YDC66% + LNF34% La, Ni, Fe Air electrode coating film 38Ω
1-3-2 YDC50% + LNF50% La, Ni, Fe Air electrode coating film 30Ω
1-4-2 YDC34% + LNF66% La, Ni, Fe Air electrode coating film 46Ω
1-2-3 YDC66% + LNF34% La, Ni, Fe 20Ω after forming air electrode
1-3-3 YDC50% + LNF50% La, Ni, Fe 12Ω after air electrode formation
1-4-3 YDC34% + LNF66% La, Ni, Fe 23Ω after air electrode formation

上述した表1から明らかなように、中間層を設けることで空気極界面抵抗が、200Ωから120Ωにまで低下するが、試料番号1−1−1,1−1−2,1−1−3の測定結果より、金属溶液を含浸させて焼成させた中間層を用いた方が、空気極界面抵抗がより低下することが分かる。これらのことにより、金属溶液を含浸させて焼成させた中間層を用いることで、酸素イオンの伝導経路が、より多く形成された状態の中間層を用いることで、空気極界面抵抗をより低下させることができることが分かる。   As is clear from Table 1 above, the provision of the intermediate layer reduces the air electrode interface resistance from 200Ω to 120Ω, but sample numbers 1-1-1, 1-1-2, and 1-1-3. From these measurement results, it can be seen that the use of an intermediate layer impregnated with a metal solution and fired further reduces the air electrode interface resistance. By using an intermediate layer impregnated with a metal solution and fired, the intermediate layer in a state where a larger number of oxygen ion conduction paths are formed reduces the air electrode interface resistance. I can see that

また、試料番号1−2−1,1−2−1,1−4−1,1−2−2,1−2−2,1−4−2,1−2−3,1−2−3,及び1−4−3の測定結果より、中間層にLNFが混合されている方が、空気極界面抵抗がより低下することが分かる。特に、YDCとLNFとを1:1に混合した場合が、空気極界面抵抗がより低下している。これらのことにより、三相界面長が増大されていることが分かる。なお、金属溶液を含浸させる工程は、焼成により空気極が形成された後に行う場合が、空気極界面抵抗がより低下している。   Also, sample numbers 1-2-1, 1-2-1, 1-4-1, 1-2-2, 1-2-2, 1-4-2, 1-2-3, 1-2 From the measurement results of 3 and 1-4-3, it can be seen that the air electrode interface resistance is further lowered when LNF is mixed in the intermediate layer. In particular, when YDC and LNF are mixed at a ratio of 1: 1, the air electrode interface resistance is further reduced. From these, it can be seen that the three-phase interface length is increased. Note that the step of impregnating the metal solution is performed after the air electrode is formed by firing, and the air electrode interface resistance is further reduced.

次に、セリア焼結体層をSDCから構成し、Laイオン,Srイオン,鉄イオンが溶解した金属溶液を含浸させ、空気極にLSFを用いた場合について、以下の表2に示す。燃料電池の作製や測定方法などは、上述した表1の場合と同様である。   Next, Table 2 below shows the case where the ceria sintered body layer is composed of SDC, impregnated with a metal solution in which La ions, Sr ions, and iron ions are dissolved, and LSF is used for the air electrode. The production and measurement method of the fuel cell are the same as in Table 1 above.

表2
試料番号 セリア焼結体層 金属溶液 含浸工程 空気極界面抵抗
2-0 中間層なし なし なし 170Ω
2-1-0 SDC なし なし 121Ω
2-1-1 SDC La,Sr,Fe 空気極形成前 62Ω
2-1-2 SDC La,Sr,Fe 空気極塗布膜 58Ω
2-1-3 SDC La,Sr,Fe 空気極形成後 32Ω
2-2-1 SDC66%+LSF34% La,Sr,Fe 空気極形成前 48Ω
2-3-1 SDC50%+LSF50% La,Sr,Fe 空気極形成前 44Ω
2-4-1 SDC34%+LSF66% La,Sr,Fe 空気極形成前 58Ω
2-2-2 SDC66%+LSF34% La,Sr,Fe 空気極塗布膜 47Ω
2-3-2 SDC50%+LSF50% La,Sr,Fe 空気極塗布膜 45Ω
2-4-2 SDC34%+LSF66% La,Sr,Fe 空気極塗布膜 50Ω
2-2-3 SDC66%+LSF34% La,Sr,Fe 空気極形成後 32Ω
2-3-3 SDC50%+LSF50% La,Sr,Fe 空気極形成後 23Ω
2-4-3 SDC34%+LSF66% La,Sr,Fe 空気極形成後 39Ω
Table 2
Sample number Ceria sintered body layer Metal solution Impregnation process Air electrode interface resistance
2-0 No intermediate layer None None 170Ω
2-1-0 SDC None None 121Ω
2-1-1 SDC La, Sr, Fe 62Ω before air electrode formation
2-1-2 SDC La, Sr, Fe Air electrode coating film 58Ω
2-1-3 SDC La, Sr, Fe 32Ω after air electrode formation
2-2-1 SDC66% + LSF34% La, Sr, Fe 48Ω before air electrode formation
2-3-1 SDC50% + LSF50% La, Sr, Fe 44Ω before air electrode formation
2-4-1 SDC34% + LSF66% La, Sr, Fe 58Ω before air electrode formation
2-2-2 SDC66% + LSF34% La, Sr, Fe Air electrode coating film 47Ω
2-3-2 SDC50% + LSF50% La, Sr, Fe Air electrode coating film 45Ω
2-4-2 SDC34% + LSF66% La, Sr, Fe Air electrode coating film 50Ω
2-2-3 SDC66% + LSF34% La, Sr, Fe 32Ω after air electrode formation
2-3-3 SDC50% + LSF50% La, Sr, Fe After forming air electrode 23Ω
2-4-3 SDC34% + LSF66% La, Sr, Fe 39Ω after forming air electrode

表1に示した結果と同様であり、金属溶液を含浸させて焼成させた中間層を用いた方が、空気極界面抵抗がより低下し、中間層にLSFが混合されている方が、空気極界面抵抗がより低下し、金属溶液を含浸させる工程は、焼成により空気極が形成された後に行う場合が、空気極界面抵抗がより低下している。   The results are the same as the results shown in Table 1, and the use of the intermediate layer impregnated with a metal solution and firing makes the air electrode interface resistance lower and the intermediate layer is mixed with LSF. When the electrode interface resistance is further decreased and the step of impregnating the metal solution is performed after the air electrode is formed by firing, the air electrode interface resistance is further decreased.

次に、セリア焼結体層をYDCから構成し、Laイオン,Coイオンが溶解した金属溶液を含浸させ、空気極にLNFを用いた場合について、以下の表3に示す。燃料電池の作製や測定方法などは、上述した表1,表2の場合と同様である。   Next, Table 3 below shows the case where the ceria sintered body layer is composed of YDC, impregnated with a metal solution in which La ions and Co ions are dissolved, and LNF is used for the air electrode. The production and measurement method of the fuel cell are the same as those in Tables 1 and 2 described above.

表3
試料番号 セリア焼結体層 金属溶液 含浸工程 空気極界面抵抗
3-1-1 YDC La,Co 空気極形成前 54Ω
3-1-2 YDC La,Co 空気極塗布膜 51Ω
3-1-3 YDC La,Co 空気極形成後 20Ω
3-2-1 YDC66%+LNF34% La,Co 空気極形成前 31Ω
3-3-1 YDC50%+LNF50% La,Co 空気極形成前 27Ω
3-4-1 YDC34%+LNF66% La,Co 空気極形成前 38Ω
3-2-2 YDC66%+LNF34% La,Co 空気極塗布膜 27Ω
3-3-2 YDC50%+LNF50% La,Co 空気極塗布膜 25Ω
3-4-2 YDC34%+LNF66% La,Co 空気極塗布膜 32Ω
3-2-3 YDC66%+LNF34% La,Co 空気極形成後 15Ω
3-3-3 YDC50%+LNF50% La,Co 空気極形成後 14Ω
3-4-3 YDC34%+LNF66% La,Co 空気極形成後 18Ω
Table 3
Sample number Ceria sintered body layer Metal solution Impregnation process Air electrode interface resistance
3-1-1 YDC La, Co 54Ω before air electrode formation
3-1-2 YDC La, Co Air electrode coating film 51Ω
3-1-3 20Ω after forming YDC La, Co air electrode
3-2-1 YDC66% + LNF34% La, Co 31Ω before air electrode formation
3-3-1 YDC50% + LNF50% La, Co 27Ω before air electrode formation
3-4-1 YDC34% + LNF66% La, Co 38Ω before air electrode formation
3-2-2 YDC66% + LNF34% La, Co Air electrode coating film 27Ω
3-3-2 YDC50% + LNF50% La, Co Air electrode coating film 25Ω
3-4-2 YDC34% + LNF66% La, Co Air electrode coating film 32Ω
3-2-3 YDC66% + LNF34% La, Co 15Ω after air electrode formation
3-3-3 YDC50% + LNF50% La, Co 14Ω after air electrode formation
3-4-3 YDC34% + LNF66% La, Co 18Ω after air electrode formation

これらも、表1に示した結果と同様であり、金属溶液を含浸させて焼成させた中間層を用いた方が、空気極界面抵抗がより低下し、中間層にLNFが混合されている方が、空気極界面抵抗がより低下し、金属溶液を含浸させる工程は、焼成により空気極が形成された後に行う場合が、空気極界面抵抗がより低下している。   These are the same as the results shown in Table 1, and when the intermediate layer impregnated with a metal solution and baked is used, the air electrode interface resistance is further reduced, and the intermediate layer is mixed with LNF. However, when the air electrode interface resistance is further lowered and the step of impregnating the metal solution is performed after the air electrode is formed by firing, the air electrode interface resistance is further reduced.

次に、セリア焼結体層をGDCから構成し、Laイオン,Srイオン,Coイオンが溶解した金属溶液を含浸させ、空気極にLNFを用いた場合について、以下の表4に示す。燃料電池の作製や測定方法などは、上述した表1,表2,表3の場合と同様である。   Next, Table 4 below shows the case where the ceria sintered body layer is made of GDC, impregnated with a metal solution in which La ions, Sr ions, and Co ions are dissolved and LNF is used for the air electrode. The production and measurement method of the fuel cell are the same as those in Table 1, Table 2, and Table 3 described above.

表4
試料番号 セリア焼結体層 金属溶液 含浸工程 空気極界面抵抗
4-1-1 GDC La,Sr,Co 空気極形成前 49Ω
4-1-2 GDC La,Sr,Co 空気極塗布膜 45Ω
4-1-3 GDC La,Sr,Co 空気極形成後 17Ω
4-2-1 GDC66%+LNF34% La,Sr,Co 空気極形成前 28Ω
4-3-1 GDC50%+LNF50% La,Sr,Co 空気極形成前 24Ω
4-4-1 GDC34%+LNF66% La,Sr,Co 空気極形成前 36Ω
4-2-2 GDC66%+LNF34% La,Sr,Co 空気極塗布膜 23Ω
4-3-2 GDC50%+LNF50% La,Sr,Co 空気極塗布膜 22Ω
4-4-2 GDC34%+LNF66% La,Sr,Co 空気極塗布膜 27Ω
4-2-3 GDC66%+LNF34% La,Sr,Co 空気極形成後 13Ω
4-3-3 GDC50%+LNF50% La,Sr,Co 空気極形成後 11Ω
4-4-3 GDC34%+LNF66% La,Sr,Co 空気極形成後 15Ω
Table 4
Sample number Ceria sintered body layer Metal solution Impregnation process Air electrode interface resistance
4-1-1 GDC La, Sr, Co Before formation of air electrode 49Ω
4-1-2 GDC La, Sr, Co Air electrode coating film 45Ω
4-1-3 GDC La, Sr, Co After air electrode formation 17Ω
4-2-1 GDC66% + LNF34% La, Sr, Co 28Ω before air electrode formation
4-3-1 GDC50% + LNF50% La, Sr, Co 24Ω before air electrode formation
4-4-1 GDC34% + LNF66% La, Sr, Co 36Ω before air electrode formation
4-2-2 GDC66% + LNF34% La, Sr, Co Air electrode coating film 23Ω
4-3-2 GDC50% + LNF50% La, Sr, Co Air electrode coating film 22Ω
4-4-2 GDC34% + LNF66% La, Sr, Co Air electrode coating film 27Ω
4-2-3 GDC66% + LNF34% La, Sr, Co 13Ω after forming air electrode
4-3-3 GDC50% + LNF50% La, Sr, Co 11Ω after forming air electrode
4-4-3 GDC34% + LNF66% La, Sr, Co 15Ω after air electrode formation

これらも、表1に示した結果と同様であり、金属溶液を含浸させて焼成させた中間層を用いた方が、空気極界面抵抗がより低下し、中間層にLNFが混合されている方が、空気極界面抵抗がより低下し、金属溶液を含浸させる工程は、焼成により空気極が形成された後に行う場合が、空気極界面抵抗がより低下している。   These are the same as the results shown in Table 1, and when the intermediate layer impregnated with a metal solution and baked is used, the air electrode interface resistance is further reduced, and the intermediate layer is mixed with LNF. However, when the air electrode interface resistance is further lowered and the step of impregnating the metal solution is performed after the air electrode is formed by firing, the air electrode interface resistance is further reduced.

本発明の実施の形態における固体酸化物形燃料電池の作製方法例を示す工程図である。It is process drawing which shows the example of a manufacturing method of the solid oxide fuel cell in embodiment of this invention. 固体酸化物形燃料電池の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of a solid oxide fuel cell. 図2に示す固体酸化物形燃料電池の一部構成を示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view showing a partial configuration of the solid oxide fuel cell shown in FIG. 2.

符号の説明Explanation of symbols

101…電解質層、102…燃料極、103…中間層、104…空気極、113…セリア焼結体層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Electrolyte layer, 102 ... Fuel electrode, 103 ... Intermediate | middle layer, 104 ... Air electrode, 113 ... Ceria sintered compact layer.

Claims (11)

金属酸化物の粉体の焼結体からなる電解質層の一方の面の上に燃料極が形成された状態とする工程と、
前記電解質層の他方の面の上に、金属酸化物がドープされた酸化セリウムの粉体の焼結体から構成された多孔質状態のセリア焼結体層が形成された状態とする工程と、
前記セリア焼結体層に、ペロブスカイト型酸化物を構成する金属のイオンが溶解した金属溶液を含浸させる工程と、
前記セリア焼結体層が形成された後、前記電解質層の他方の面の上にペロブスカイト型酸化物の粉体が分散したスラリーを塗布して空気極塗布膜が形成された状態とする工程と、
前記空気極塗布膜を焼成して空気極が形成された状態とする工程と、
前記金属溶液が含浸された前記セリア焼結体層を酸素を含む雰囲気中で焼成することで、少なくともランタンを含む金属酸化物の結晶粒が前記セリア焼結体層の多孔質の孔内に析出された中間層が、前記電解質層の他方の面に形成された状態とする工程と
を少なくとも備え、
前記中間層は、前記電解質層と前記空気極との間に形成することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の作製方法。
A step of forming a fuel electrode on one surface of an electrolyte layer made of a sintered metal oxide powder;
A step of forming a porous ceria sintered body layer composed of a sintered body of a powder of cerium oxide doped with a metal oxide on the other surface of the electrolyte layer;
Impregnating the ceria sintered body layer with a metal solution in which ions of a metal constituting the perovskite oxide are dissolved;
After the ceria sintered body layer is formed, applying a slurry in which perovskite oxide powder is dispersed on the other surface of the electrolyte layer to form an air electrode coating film; and ,
Baking the air electrode coating film to form an air electrode; and
By firing the ceria sintered body layer impregnated with the metal solution in an oxygen-containing atmosphere, metal oxide crystal grains containing at least lanthanum are precipitated in the porous pores of the ceria sintered body layer. The intermediate layer formed at least on the other surface of the electrolyte layer,
The method for manufacturing a solid oxide fuel cell, wherein the intermediate layer is formed between the electrolyte layer and the air electrode.
請求項1記載の固体酸化物形燃料電池の作製方法において、
前記酸化セリウムの粉体は、酸化イットリウム,酸化サマリウム,及び酸化ガドリニウムの少なくとも一方がドープされたものである
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池の作製方法。
In the manufacturing method of the solid oxide fuel cell of Claim 1,
The method for producing a solid oxide fuel cell, wherein the cerium oxide powder is doped with at least one of yttrium oxide, samarium oxide, and gadolinium oxide.
請求項1又は2記載の固体酸化物形燃料電池の作製方法において、
前記金属溶液は、
ランタンのイオンとニッケルのイオンと鉄のイオンとが溶解したもの,
ランタンのイオンとストロンチウムのイオンと鉄のイオンとが溶解したもの,
ランタンのイオンとコバルトのイオンとが溶解したもの,
及びランタンのイオンとコバルトのイオンとストロンチウムのイオンとが溶解したもの
の少なくとも1つである
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池の作製方法。
In the manufacturing method of the solid oxide fuel cell of Claim 1 or 2,
The metal solution is
Lanthanum ions, nickel ions and iron ions dissolved,
Lanthanum ions, strontium ions and iron ions dissolved,
Lanthanum ions and cobalt ions dissolved,
And at least one of lanthanum ions, cobalt ions, and strontium ions dissolved therein.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池の作製方法において、
金属酸化物がドープされた酸化セリウムの粉体に、前記空気極を形成するためのランタンを含む金属酸化物の粉体を加えた焼結体より前記セリア焼結体層を形成する
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池の作製方法。
In the manufacturing method of the solid oxide fuel cell of any one of Claims 1-3,
The ceria sintered body layer is formed from a sintered body obtained by adding a metal oxide powder containing lanthanum for forming the air electrode to a cerium oxide powder doped with a metal oxide. A method for producing a solid oxide fuel cell.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池の作製方法において、
前記セリア焼結体層に前記金属イオンが溶解した金属溶液を含浸させる工程は、空気極塗布膜が形成される前に行うことを特徴とする固体酸化物形燃料電池の作製方法。
In the manufacturing method of the solid oxide fuel cell of any one of Claims 1-4,
The method for producing a solid oxide fuel cell, wherein the step of impregnating the ceria sintered body layer with a metal solution in which the metal ions are dissolved is performed before the air electrode coating film is formed.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池の作製方法において、
前記セリア焼結体層に前記金属イオンが溶解した金属溶液を含浸させる工程は、前記空気極塗布膜が形成された後に行うことを特徴とする固体酸化物形燃料電池の作製方法。
In the manufacturing method of the solid oxide fuel cell of any one of Claims 1-4,
The method for manufacturing a solid oxide fuel cell, wherein the step of impregnating the ceria sintered body layer with a metal solution in which the metal ions are dissolved is performed after the air electrode coating film is formed.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池の作製方法において、
前記セリア焼結体層に前記金属イオンが溶解した金属溶液を含浸させる工程は、前記空気極が形成された後に行うことを特徴とする固体酸化物形燃料電池の作製方法。
In the manufacturing method of the solid oxide fuel cell of any one of Claims 1-4,
The method for producing a solid oxide fuel cell, wherein the step of impregnating the ceria sintered body layer with a metal solution in which the metal ions are dissolved is performed after the air electrode is formed.
金属酸化物の粉体の焼結体からなる電解質層と、
この電解質層の一方の面の上に形成された燃料極と、
前記電解質層の他方の面の上に形成された中間層と、
この中間層の上に形成され、ペロブスカイト型酸化物の焼結体からなる空気極と
を少なくとも備え、
前記中間層は、金属酸化物がドープされた酸化セリウムの粉体の焼結体から構成された多孔質状態のセリア焼結体層に、ペロブスカイト型酸化物を構成する金属のイオンが溶解した金属溶液を含浸させ、この金属溶液が含浸された前記セリア焼結体層を焼成することで形成され、前記金属イオンよりなるペロブスカイト型酸化物の結晶粒が前記セリア焼結体層の多孔質の孔内に析出されたものであることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
An electrolyte layer made of a sintered metal oxide powder;
A fuel electrode formed on one surface of the electrolyte layer;
An intermediate layer formed on the other surface of the electrolyte layer;
An air electrode formed on the intermediate layer and made of a sintered body of perovskite oxide,
The intermediate layer is a metal in which metal ions constituting the perovskite oxide are dissolved in a porous ceria sintered body layer composed of a sintered body of a cerium oxide powder doped with a metal oxide. It is formed by impregnating a solution and firing the ceria sintered body layer impregnated with the metal solution, and the perovskite oxide crystal grains made of the metal ions are porous pores of the ceria sintered body layer. A solid oxide fuel cell characterized by being deposited inside.
請求項8記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記酸化セリウムの粉体は、酸化イットリウム,酸化サマリウム,及び酸化ガドリニウムの少なくとも一方がドープされたものである
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to claim 8, wherein
The solid oxide fuel cell, wherein the cerium oxide powder is doped with at least one of yttrium oxide, samarium oxide, and gadolinium oxide.
請求項8又は9記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記金属溶液は、
ランタンのイオンとニッケルのイオンと鉄のイオンとが溶解したもの,
ランタンのイオンとストロンチウムのイオンと鉄のイオンとが溶解したもの,
ランタンのイオンとコバルトのイオンとが溶解したもの,
及びランタンのイオンとコバルトのイオンとストロンチウムのイオンとが溶解したもの
の少なくとも1つである
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to claim 8 or 9,
The metal solution is
Lanthanum ions, nickel ions and iron ions dissolved,
Lanthanum ions, strontium ions and iron ions dissolved,
Lanthanum ions and cobalt ions dissolved,
And a lanthanum ion, a cobalt ion, and a strontium ion dissolved therein.
請求項8〜10のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記セリア焼結体層は、金属酸化物がドープされた酸化セリウムの粉体に、前記空気極を形成するためのランタンを含む金属酸化物の粉体を加えた焼結体である
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to any one of claims 8 to 10,
The ceria sintered body layer is a sintered body obtained by adding a metal oxide powder containing lanthanum for forming the air electrode to a cerium oxide powder doped with a metal oxide. Solid oxide fuel cell.
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