JP4794239B2 - Solid electrolyte body and fuel cell - Google Patents

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JP4794239B2 JP2005233133A JP2005233133A JP4794239B2 JP 4794239 B2 JP4794239 B2 JP 4794239B2 JP 2005233133 A JP2005233133 A JP 2005233133A JP 2005233133 A JP2005233133 A JP 2005233133A JP 4794239 B2 JP4794239 B2 JP 4794239B2
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Description

本発明は、希土類元素(Ceを除く)が固溶したセリア系結晶粒子からなる固体電解質体及び燃料電池セルに関するものである。   The present invention relates to a solid electrolyte body composed of ceria-based crystal particles in which a rare earth element (excluding Ce) is dissolved, and a fuel battery cell.

近年においては、セリア系酸化物は優れた酸化物イオン導電特性を有することから、固体電解質形燃料電池用の電解質材料として注目を浴びている。特に、上記酸化物は、作動温度の低温化に寄与できることから、低温作動燃料電池の実用化には、不可欠な材料とされている。   In recent years, ceria-based oxides have attracted attention as electrolyte materials for solid electrolyte fuel cells because they have excellent oxide ion conductivity. In particular, the above oxides can contribute to lowering the operating temperature, and are therefore indispensable materials for practical use of low-temperature operating fuel cells.

従来のセリア系結晶粒子からなる固体電解質体の製法として、希土類元素の水溶性塩とセリウムの水溶性塩から複合シュウ酸塩を共沈法で合成し、これを1500℃以上で焼結する方法が知られている。本手法で合成したセリア系結晶粒子は、均一な組織から成り、粒内および粒界にセリア以外の異相を含まないものである(特許文献1参照)。   A conventional method for producing a solid electrolyte composed of ceria-based crystal particles is a method of synthesizing a composite oxalate from a water-soluble salt of a rare earth element and a water-soluble salt of cerium by a coprecipitation method, and sintering this at 1500 ° C. It has been known. The ceria-based crystal particles synthesized by this method are composed of a uniform structure and do not contain foreign phases other than ceria in the grains and grain boundaries (see Patent Document 1).

さらに、従来、炭酸水素塩を用いて合成した30nm程度の原料粉末を1000℃で焼結することにより、蛍石構造の単一相よりなる緻密な焼結体を作製する方法が知られている(特許文献2参照)。
特開2004−143023号公報 特開2004−107186号公報
Furthermore, conventionally, a method for producing a dense sintered body made of a single phase having a fluorite structure by sintering a raw material powder of about 30 nm synthesized using a bicarbonate at 1000 ° C. is known. (See Patent Document 2).
JP 2004-143023 A JP 2004-107186 A

しかしながら、上記特許文献1、2に記載された固体電解質体では、還元雰囲気では4価から3価へのセリウムの価数変化が起き(Ce4++e→Ce3+)、この際、体積膨張が生じるため、固体電解質体の燃料極側が伸びて反り返るという問題があった。即ち、セリア系焼結体は、還元雰囲気下において、セリア系結晶粒子の表面から還元反応が進み、最終的には、全体が還元され、結晶粒子に大きな体積膨張が起こる。この結果、該固体電解質体を用いて燃料電池セルを作製した場合、セルの変形による割れやスタックの作製が困難である、といった問題があった。 However, in the solid electrolyte bodies described in Patent Documents 1 and 2, the valence change of cerium from tetravalent to trivalent occurs in a reducing atmosphere (Ce 4+ + e → Ce 3+ ). Therefore, there has been a problem that the fuel electrode side of the solid electrolyte body extends and warps. That is, the ceria-based sintered body undergoes a reduction reaction from the surface of the ceria-based crystal particles in a reducing atmosphere, and finally the whole is reduced, resulting in large volume expansion of the crystal particles. As a result, when a fuel cell was produced using the solid electrolyte body, there was a problem that it was difficult to produce a crack due to cell deformation or a stack.

本発明は、還元雰囲気における体積膨張を抑制できる固体電解質体、及び反りや割れを防止することができる燃料電池セルを提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the solid electrolyte body which can suppress the volume expansion in a reducing atmosphere, and the fuel battery cell which can prevent a curvature and a crack.

発明の固体電解質体は、(CeO 1−x (REO 3/2 (xは0.1≦x≦0.4、REはCeを除く希土類元素)で表されるセリア系結晶粒子が集合した多結晶体からなり、前記セリア系結晶粒子におけるCeの価数が中央部では4価が主となるとともに、表面では3価のCeが主となることを特徴とする。
Solid-solid electrolyte of the present invention, (CeO 2) 1-x (REO 3/2) x (x is 0.1 ≦ x ≦ 0.4, RE is a rare earth element other than Ce) ceria represented by It is made of a polycrystalline body in which crystal grains are aggregated, and the valence of Ce in the ceria-based crystal grains is mainly tetravalent at the central portion, and trivalent Ce is mainly at the surface.

固体電解質体を構成するセリア系結晶粒子の表面層に存在する、3価のCeと希土類元素RE(Ceを除く)との複合酸化物は、還元雰囲気下において、セリア系結晶粒子の中央部のCeの還元反応(Ce4++e→Ce3+)に対するバリア層として機能し、該複合酸化物が存在することにより、セリア系結晶粒子中央部への還元ガスの拡散が妨げられ、セリア系結晶粒子の還元が抑制され、還元により生ずる体積膨張を抑制することができる。 The composite oxide of trivalent Ce and rare earth element RE (excluding Ce) present in the surface layer of the ceria-based crystal particles constituting the solid electrolyte body is in the central part of the ceria-based crystal particles in a reducing atmosphere. It functions as a barrier layer for the reduction reaction of Ce (Ce 4+ + e → Ce 3+ ), and the presence of the composite oxide prevents the reduction gas from diffusing into the central part of the ceria crystal particles. The reduction of the volume is suppressed, and the volume expansion caused by the reduction can be suppressed.

この複合酸化物による耐還元性の向上の効果は、セリア系結晶粒子の平均粒径が100nm以下で顕著に現れる。平均粒径を100nm以下とすることにより、前記の高酸素分圧下の熱処理により生じた表面層を維持したまま、焼結体を緻密化することができる。   The effect of improving the reduction resistance due to the composite oxide is noticeable when the average particle diameter of the ceria-based crystal particles is 100 nm or less. By setting the average particle diameter to 100 nm or less, the sintered body can be densified while maintaining the surface layer generated by the heat treatment under the high oxygen partial pressure.

希土類元素RE(Ceを除く)が、Nd、Sm、Gd、Dy、Ho、Y及びYbのうち少なくとも1種であることが好ましい。これにより、セリア系結晶粒子のイオン伝導率が十分に高く、上記表面層の存在による還元雰囲気下の体積膨張の抑制効果により、固体電解質体の信頼性をさらに向上させることが可能である。   The rare earth element RE (excluding Ce) is preferably at least one of Nd, Sm, Gd, Dy, Ho, Y, and Yb. Thereby, the ionic conductivity of the ceria-based crystal particles is sufficiently high, and the reliability of the solid electrolyte body can be further improved by the effect of suppressing the volume expansion under the reducing atmosphere due to the presence of the surface layer.

本発明の燃料電池セルは、固体電解質体の両側に、酸素極と燃料極をそれぞれ形成してなることを特徴とする。このような燃料電池セルでは、燃料極側における固体電解質体の体積膨張が抑制されるため、発電時における燃料電池セルの変形や反りが抑制され、信頼性を向上させることができる。   The fuel battery cell of the present invention is characterized in that an oxygen electrode and a fuel electrode are formed on both sides of a solid electrolyte body. In such a fuel cell, since volume expansion of the solid electrolyte body on the fuel electrode side is suppressed, deformation and warpage of the fuel cell during power generation can be suppressed, and reliability can be improved.

本発明の固体電解質体は、(CeO 1−x (REO 3/2 (xは0.1≦x≦0.4、REはCeを除く希土類元素)で表されるセリア系結晶粒子は、中央部とその周囲に形成された表面層とを具備するとともに、セリア系結晶粒子の表面層は、3価のCeが主となるため、表面層が、還元雰囲気下において、Ce系結晶粒子の中央部のCeの還元反応(Ce4++e→Ce3+)に対するバリア層として機能し、この複合酸化物により、セリア系結晶粒子中央部への還元ガスの拡散が妨げられ、Ceの還元により生ずる固体電解質体の体積膨張を抑制することができる。その結果、本発明の固体電解質体を用いた燃料電池セルでは、発電時において、燃料極側の固体電解質体の膨張による変形や割れを抑制し、固体電解質体の信頼性が向上するとともに、スタックの作製も容易となる。
The solid electrolyte body of the present invention is a ceria-based crystal represented by (CeO 2 ) 1-x (REO 3/2 ) x (x is 0.1 ≦ x ≦ 0.4, RE is a rare earth element excluding Ce). with particles comprises a central portion and the surface layer thereof is formed around the surface layer of the ceria-based crystal particles, since the trivalent Ce is the main, surface layer, under a reducing atmosphere, Ce-based It functions as a barrier layer against Ce reduction reaction (Ce 4+ + e → Ce 3+ ) at the center of the crystal grain, and this composite oxide prevents the reduction gas from diffusing into the center of the ceria based crystal grain. Volume expansion of the solid electrolyte body caused by the reduction can be suppressed. As a result, in the fuel cell using the solid electrolyte body of the present invention, during power generation, deformation and cracking due to expansion of the solid electrolyte body on the fuel electrode side are suppressed, the reliability of the solid electrolyte body is improved, and the stack Is easy to manufacture.

本発明は、円筒型、平板型、中空平板型等の各種の固体電解質形燃料電池セルに適用される固体電解質体に関するもので、図1は、燃料電池セルの断面図を例示している。   The present invention relates to a solid electrolyte body applied to various types of solid electrolyte fuel cells such as a cylindrical type, a flat plate type, and a hollow flat plate type, and FIG. 1 illustrates a cross-sectional view of the fuel cell.

燃料電池セルは、固体電解質体3を燃料極5及び酸素極7で両側から挟持して構成されている。   The fuel battery cell is configured by sandwiching the solid electrolyte body 3 between the fuel electrode 5 and the oxygen electrode 7 from both sides.

燃料極5は、金属(例えばNi等)及び/又は金属酸化物(例えばNiO等)から構成され、或いはこれと固体電解質体3を構成するセリア系複合酸化物とから構成された多孔質導電性材料とされている。   The fuel electrode 5 is composed of a metal (for example, Ni) and / or a metal oxide (for example, NiO), or a porous conductive material composed of this and a ceria-based composite oxide constituting the solid electrolyte body 3. It is considered as a material.

酸素極7は酸素イオン伝導性及び電子伝導性を有する粒子からなり、例えば(La、Sr)(Co、Fe)O等で構成される。 The oxygen electrode 7 is made of particles having oxygen ion conductivity and electron conductivity, and is made of, for example, (La, Sr) (Co, Fe) O 3 or the like.

発明の固体電解質は、固体電解質体3が、(CeO 1−x (REO 3/2 (xは0.1≦x≦0.4、REはCeを除く希土類元素)で表されるセリア系結晶粒子が集合した多結晶体からなり、図2に示したように、セリア系結晶粒子9におけるCeの価数が、中央部9aでは4価が主となり、表面では3価のCeが主となることが重要である。即ち、セリア系結晶粒子9が中央部9aと表面とでCeの価数の異なる2層構造を形成していることが重要である。
Solid-solid electrolyte of the present invention, the solid electrolyte member 3 is, in (CeO 2) 1-x ( REO 3/2) x (x is 0.1 ≦ x ≦ 0.4, RE is a rare earth element other than Ce) As shown in FIG. 2, the valence of Ce in the ceria crystal particles 9 is mainly tetravalent in the central portion 9a and trivalent on the surface. It is important that Ce is the main. That is, it is important that the ceria-based crystal particles 9 have a two-layer structure in which the valence of Ce is different between the central portion 9a and the surface.

ここで、本発明における表面とは、3価のCeがセリア系結晶粒子9の中心における量に対して1.2倍の量となる深さまでの表面層を意味する。   Here, the surface in the present invention means a surface layer up to a depth at which trivalent Ce is 1.2 times the amount at the center of the ceria-based crystal particle 9.

このように、上記の表面層を形成することによって、還元反応において希土類元素RE(Ceを除く)が還元ガスのバリア層として効果的に機能することができる。
Thus, by forming the surface layer of the upper SL, (excluding Ce) rare earth element RE in the reduction reaction can function effectively as a barrier layer of the reducing gas.

また、セリア系結晶粒子9の表面層9bの厚みは、セリア系結晶粒子9の半径に対して1/10以下、特に1/12以下、更には1/15以下であることが好ましい。これにより、4価のCeによるイオン伝導性または電子伝導性に優れた特性を十分に発揮することが容易になる。   Further, the thickness of the surface layer 9b of the ceria-based crystal particle 9 is preferably 1/10 or less, particularly 1/12 or less, more preferably 1/15 or less with respect to the radius of the ceria-based crystal particle 9. Thereby, it becomes easy to sufficiently exhibit the characteristics excellent in ion conductivity or electron conductivity due to tetravalent Ce.

本発明によれば、セリア系結晶粒子9の表面層9bの厚みは、0.4nm以上、特に1nm以上、さらには1.5nm以上であることが望ましい。これにより、後述するように、セリア系結晶粒子の表面層による還元抑制効果を最大限に発揮でき、固体電解質体の還元雰囲気における体積膨張をさらに抑制することができる。   According to the present invention, the thickness of the surface layer 9b of the ceria-based crystal particle 9 is preferably 0.4 nm or more, particularly 1 nm or more, and more preferably 1.5 nm or more. Thereby, as will be described later, the effect of suppressing the reduction by the surface layer of the ceria-based crystal particles can be maximized, and the volume expansion in the reducing atmosphere of the solid electrolyte body can be further suppressed.

該セリア系結晶粒子9は、平均粒径が100nm以下とされており、図2に示すように、中央部9aとその周囲に形成された表面層9bとを具備しており、表面層9bは、中央部9aよりも希土類元素REが多く存在し、かつ3価のCeと希土類元素RE(Ceを除く)との複合酸化物から構成されている。   The ceria-based crystal particle 9 has an average particle size of 100 nm or less, and as shown in FIG. 2, includes a central portion 9a and a surface layer 9b formed around the central portion 9a. The rare earth element RE is present more than the central portion 9a, and is composed of a complex oxide of trivalent Ce and rare earth element RE (excluding Ce).

このように希土類元素REをセリア系結晶粒子の表面に多く存在させることにより、表面層9bには、3価のCeと希土類元素(Ceを除く)との複合酸化物が形成される。   In this way, a large amount of rare earth element RE is present on the surface of the ceria-based crystal particles, whereby a composite oxide of trivalent Ce and rare earth elements (excluding Ce) is formed on the surface layer 9b.

本発明において、固体電解質体3のセリア系結晶粒子9を、平均粒径は100nm以下の球状粒子としたのは、Ce系結晶粒子9の平均粒径を100nm以下とすることにより、希土類元素REの多く存在する表面層に、Ceと希土類元素を含有する異相を多く存在させることができるからである。一方、平均粒径が100nmより大きくなると、セリア系結晶粒子9中の希土類元素REの分布が均一な方向へと進み、セリア系結晶粒子9表面に存在する異相が少なくなり、セリア系結晶粒子9の表面層9bによる還元抑制効果が低下するからである。特に、セリア系結晶粒子9の平均粒径は、還元抑制効果向上という点から10〜80nmであることが望ましい。   In the present invention, the ceria-based crystal particles 9 of the solid electrolyte body 3 are spherical particles having an average particle size of 100 nm or less. The reason that the Ce-based crystal particles 9 have an average particle size of 100 nm or less is that This is because a large number of different phases containing Ce and rare earth elements can be present in the surface layer in which a large amount exists. On the other hand, when the average particle size is larger than 100 nm, the distribution of the rare earth element RE in the ceria-based crystal particles 9 proceeds in a uniform direction, and the heterogeneous phase existing on the surface of the ceria-based crystal particles 9 is reduced. This is because the effect of suppressing the reduction by the surface layer 9b is reduced. In particular, the average particle size of the ceria-based crystal particles 9 is preferably 10 to 80 nm from the viewpoint of improving the reduction suppression effect.

このような燃料電池セルでは、表面層9bは、3価のCeと希土類元素RE(Ceを除く)との複合酸化物から構成され、表面層9bは、還元雰囲気下において、セリア系結晶粒子中央部9aのCe4+の還元反応(Ce4++e→Ce3+)に対するバリア層として機能し、還元により生ずる固体電解質体3の体積膨張を抑制することが可能である。つまり、該複合酸化物からなる表面層9bが存在することにより、セリア系結晶粒子中央部9aへの還元ガスの拡散が妨げられ、セリア系結晶粒子9の還元が抑制される。 In such a fuel cell, the surface layer 9b is composed of a composite oxide of trivalent Ce and rare earth element RE (except for Ce), and the surface layer 9b is formed in the center of the ceria-based crystal particle in a reducing atmosphere. It functions as a barrier layer against the Ce 4+ reduction reaction (Ce 4+ + e → Ce 3+ ) of the part 9a and can suppress the volume expansion of the solid electrolyte body 3 caused by the reduction. In other words, the presence of the surface layer 9b made of the composite oxide prevents the reduction gas from diffusing into the ceria crystal particle central portion 9a, thereby suppressing the reduction of the ceria crystal particles 9.

また、表面層9b自体は、3価のCeと希土類元素RE(Ceを除く)との複合酸化物(以下異相ということもある)から構成されている。このような異相では、3価のCeが多く存在するため、還元ガスとの反応が起こらない。一方で、このような異相は、上記したように、セリア系結晶粒子中央部9aのCe4+の還元反応に対しては、バリア層として機能することとなる。 The surface layer 9b itself is composed of a complex oxide (hereinafter sometimes referred to as a different phase) of trivalent Ce and a rare earth element RE (excluding Ce). In such a different phase, a large amount of trivalent Ce is present, and thus no reaction with the reducing gas occurs. On the other hand, as described above, such a different phase functions as a barrier layer for the Ce 4+ reduction reaction of the ceria-based crystal particle central portion 9a.

従って、本発明によれば、表面層9bによりセリア系結晶粒子中央部9aの還元が防止され、セリア系結晶粒子からなる固体電解質体の耐還元性が向上する。その結果、本発明のセリア系固体電解質体3を用いて作製した燃料電池セルは、固体電解質体3の還元膨張による変形や割れが抑制され、燃料電池セルの信頼性が向上するとともに、スタックの作製も容易となる。   Therefore, according to the present invention, the reduction of the ceria crystal particle central portion 9a is prevented by the surface layer 9b, and the reduction resistance of the solid electrolyte body made of ceria crystal particles is improved. As a result, the fuel cell produced using the ceria-based solid electrolyte body 3 of the present invention is prevented from being deformed or cracked due to reductive expansion of the solid electrolyte body 3, improving the reliability of the fuel cell, Fabrication is also easy.

特に、還元反応をより効果的に抑制するために、表面層9bにおける希土類元素REの平均含有量は、中央部9aにおける希土類元素REの平均含有量の1.2倍以上、特に1.4倍以上であることが望ましい。   In particular, in order to suppress the reduction reaction more effectively, the average content of the rare earth element RE in the surface layer 9b is 1.2 times or more, particularly 1.4 times the average content of the rare earth element RE in the central portion 9a. The above is desirable.

セリア系結晶粒子9は、一般式(CeO1−x(REO3/2(xは、0.1≦x≦0.4、REはCeを除く希土類元素)で表される複合酸化物、即ち、CeOにREO3/2がxモル%だけ固溶しているものである。 The ceria-based crystal particle 9 is a composite represented by the general formula (CeO 2 ) 1-x (REO 3/2 ) x (x is 0.1 ≦ x ≦ 0.4, RE is a rare earth element excluding Ce). An oxide, that is, one in which REO 3/2 is dissolved in xO mol% in CeO 2 .

希土類元素REは、Nd、Sm、Gd、Dy、Ho、Y及びYbのうち少なくとも1種であることが望ましい。特に、高いイオン導電率を持つという理由からSm、Gdが好ましい。   The rare earth element RE is preferably at least one of Nd, Sm, Gd, Dy, Ho, Y, and Yb. In particular, Sm and Gd are preferable because they have high ionic conductivity.

セリア系結晶粒子9中の希土類元素RE量は、0.1〜0.4mol%、特には0.1〜0.2mol%が好ましい。含有量をこの範囲とする事により、導電性を良好なものとすると同時に結晶構造を安定化することができる。   The amount of rare earth element RE in the ceria-based crystal particles 9 is preferably 0.1 to 0.4 mol%, particularly preferably 0.1 to 0.2 mol%. By setting the content within this range, the conductivity can be improved and the crystal structure can be stabilized.

本発明の固体電解質体の製法について説明する。   The manufacturing method of the solid electrolyte body of this invention is demonstrated.

先ず、希土類元素REの固溶したCeO系酸化物粉末を、共沈法やしゅう酸塩法で合成して作製する。例えば、Ceイオンと希土類イオンの溶解した溶液に、炭酸アンモニウム等の沈殿剤を添加し、生成したCeとREの炭酸塩を600℃以下で仮焼することによって、希土類固溶セリア粉末(セリア原料粉末)を得ることができる。仮焼温度を600℃以下としたのは、これ以上で仮焼した場合、粒成長と粒子間の融着が起こり、焼結温度が高くなるためである。 First, a CeO 2 oxide powder in which a rare earth element RE is dissolved is synthesized by a coprecipitation method or an oxalate method. For example, a precipitating agent such as ammonium carbonate is added to a solution in which Ce ions and rare earth ions are dissolved, and the produced Ce and RE carbonate is calcined at 600 ° C. or lower to obtain a rare earth solid solution ceria powder (ceria raw material). Powder). The reason why the calcination temperature is set to 600 ° C. or less is that when calcination is performed at a temperature higher than this, grain growth and fusion between particles occur, and the sintering temperature becomes high.

このような希土類元素REの固溶したCeO原料粉末を、高酸素分圧で熱処理したのち、ボールミルなどで粉砕し、1300℃以下で焼成する。高酸素分圧下での熱処理について、具体的に説明する。 Such a CeO 2 raw material powder in which the rare earth element RE is dissolved is heat-treated at a high oxygen partial pressure, pulverized with a ball mill or the like, and fired at 1300 ° C. or lower. The heat treatment under a high oxygen partial pressure will be specifically described.

CeO原料粉末を、高酸素分圧下で熱処理することにより、CeO原料粉末中に固溶している希土類元素(Gd、Smなど)の粉末外への析出(2GdCe+3O +V 2++1/2O→Gd+2h)が起こる。この際、適切な条件で酸化処理を行った場合、希土類元素の粉末外への析出は起こらず、本発明で示したような、セリア系結晶粒子表面に、希土類元素(異相)が多く存在した構造を形成することが可能である。 The CeO 2 raw powder by heat treatment at a high oxygen partial pressure, deposition of powder out of the rare earth element is dissolved in CeO 2 raw material powder (Gd, Sm, etc.) (2Gd Ce + 3O O x + V o 2+ + 1 / 2O 2 → Gd 2 O 3 + 2h · ) occurs. In this case, when oxidation treatment was performed under appropriate conditions, precipitation of rare earth elements to the outside of the powder did not occur, and there were many rare earth elements (heterogeneous phases) on the surface of the ceria-based crystal particles as shown in the present invention. It is possible to form a structure.

このように、希土類元素REを加えたセリア系酸化物粉末を、高酸素分圧下で熱処理(酸化処理)することにより、セリア系結晶粒子中の酸素空孔に、酸素イオンが入り込む。その結果、セリア系結晶粒子中では、ホールの生成と同時に、希土類元素RE、例えばGdの粒界への析出が起こる。この際、適切な条件で酸化処理を行った場合、希土類元素REの粒界への析出は起こらず、本発明で示したように、セリア系結晶粒子の表面層に希土類元素REが多く存在し、かつ表面層を3価のCeと希土類元素RE(Ceを除く)との複合酸化物(以下、異相ということもある)により形成することができる。 As described above, the ceria-based oxide powder to which the rare earth element RE is added is heat-treated (oxidized) under a high oxygen partial pressure, so that oxygen ions enter the oxygen vacancies in the ceria-based crystal particles. As a result, in the ceria-based crystal particles, precipitation of rare earth elements RE such as Gd 2 O 3 at the grain boundaries occurs simultaneously with the generation of holes. At this time, when the oxidation treatment is performed under appropriate conditions, the rare earth element RE does not precipitate at the grain boundaries, and as shown in the present invention, a large amount of rare earth element RE exists in the surface layer of the ceria-based crystal particles. In addition, the surface layer can be formed of a composite oxide of trivalent Ce and rare earth element RE (excluding Ce) (hereinafter also referred to as a different phase).

熱処理条件は、希土類固溶CeO原料粉末を、大気圧(酸素分圧2×10Pa)より高い酸素分圧で、熱処理温度は600〜1000℃、熱処理時間は、1〜10時間とする。特に、600〜800℃、酸素分圧5×10Pa以上が望ましく、さらには、600〜700℃、酸素分圧1×10Pa以上であることが望ましい。 The heat treatment conditions are as follows: the rare earth solid solution CeO 2 raw material powder has an oxygen partial pressure higher than atmospheric pressure (oxygen partial pressure 2 × 10 4 Pa), the heat treatment temperature is 600 to 1000 ° C., and the heat treatment time is 1 to 10 hours. . In particular, 600 to 800 ° C. and an oxygen partial pressure of 5 × 10 4 Pa or more are desirable, and further, 600 to 700 ° C. and an oxygen partial pressure of 1 × 10 5 Pa or more are desirable.

熱処理温度を600〜1000℃としたのは、600℃よりも低い場合には、CeOの酸化反応(1/2O+[Vo・・]→Oo+2h)が十分に進まず、3価のCeと希土類元素(Ceを除く)との複合酸化物の生成が不十分となり、1000℃よりも高い場合には、粒子の焼結が進み、粒成長が起こり、焼結が困難となるためである。また、酸素分圧を2×10Paより高くしたのは、これ以下では、CeOの酸化反応が十分に進まず、3価のCeと希土類元素(Ceを除く)との複合酸化物が生成されないためである。 The reason why the heat treatment temperature is set to 600 to 1000 ° C. is that when the temperature is lower than 600 ° C., the oxidation reaction of CeO 2 (1 / 2O 2 + [Vo ·· → Oo x + 2h · ) does not proceed sufficiently. Insufficient generation of complex oxides of valence Ce and rare earth elements (excluding Ce), and when higher than 1000 ° C., the sintering of particles proceeds, grain growth occurs, and sintering becomes difficult Because. In addition, the oxygen partial pressure was made higher than 2 × 10 4 Pa. Below this, the oxidation reaction of CeO 2 did not proceed sufficiently, and a complex oxide of trivalent Ce and rare earth elements (excluding Ce) was not formed. This is because it is not generated.

このような熱処理条件を行うことにより、CeO原料粉末の中央部に比べ、原料粉末表面層において希土類元素REが多く存在し、該表面層には、Ce3+と希土類元素REを含有する異相が存在することになる。 By performing such a heat treatment condition, the rare earth element RE is present more in the raw material powder surface layer than in the center portion of the CeO 2 raw material powder, and the surface layer has a different phase containing Ce 3+ and the rare earth element RE. Will exist.

このような希土類固溶CeO原料粉末に、バインダー等を添加して混合し、所定形状に成形し、大気中1300℃以下で焼成することにより、本発明の固体電解質体を得ることができる。 A solid electrolyte body of the present invention can be obtained by adding a binder or the like to such rare earth solid-solved CeO 2 raw material powder, mixing it, forming it into a predetermined shape, and firing it in air at 1300 ° C. or lower.

焼成温度を1300℃以下としたのは、それより高い温度で焼成した場合、表面層に過剰に存在する希土類元素のセリア系結晶粒子中央部9aへの拡散が進行し、セリア系結晶粒子9の表面層9bによる還元抑制効果が小さくなるためである。   The reason for setting the firing temperature to 1300 ° C. or lower is that when firing at a higher temperature, diffusion of rare earth elements excessively present in the surface layer to the ceria-based crystal particle central portion 9a proceeds, and the ceria-based crystal particles 9 This is because the reduction suppression effect by the surface layer 9b is reduced.

上記のような熱処理条件で、希土類固溶CeO原料粉末を作製することにより、原料粉末中央部に比べ、表面層において希土類元素が多く存在するとともに、希土類元素の固溶した表面層に、Ce3+と希土類元素を含有する異相が存在することになる。 By producing the rare earth solid solution CeO 2 raw material powder under the heat treatment conditions as described above, the surface layer contains more rare earth elements than the central part of the raw material powder, and the surface layer in which the rare earth elements are solid solution contains Ce. There will be a heterogeneous phase containing 3+ and rare earth elements.

<希土類元素量の測定方法>
なお、セリア系結晶粒子9の中央部9aに比べ、表面層9bにおいて希土類元素が多く存在することは、X線光電子分光分析(EDS)により確認できる。その際の定量化は、NORAN VOYAGER定量トータルシステムを用いて行なうことができる。
<Measurement method of rare earth element content>
It can be confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy (EDS) that the surface layer 9b contains more rare earth elements than the central portion 9a of the ceria-based crystal particles 9. The quantification at that time can be performed by using a NORAN VOYAGER quantitative total system.

<Ceの価数の測定方法>
また、希土類元素が多く存在する粒子表面層9bにおいて、3価及び4価のCeの存在の確認は、エネルギー損失分光分析(EELS)で行うことができ、いずれが主体となって存在しているか、換言すればいずれがより多く存在するかを判定することができる。
<Method for measuring the valence of Ce>
In addition, in the particle surface layer 9b in which a large amount of rare earth elements are present, the presence of trivalent and tetravalent Ce can be confirmed by energy loss spectroscopy (EELS), which is mainly present. In other words, it can be determined which one is present more.

<GDCの組成の分析方法>
GDCの組成は、25mmΦの焼結体について、蛍光X線分析装置を用いて測定することができる。
<Method for analyzing composition of GDC>
The composition of GDC can be measured using a fluorescent X-ray analyzer for a sintered body of 25 mmΦ.

<固溶量の測定方法>
X線回折装置により格子定数を測定し、格子定数のシフト量から固溶量を算出することができる。
<Measurement method of solid solution amount>
The lattice constant can be measured by an X-ray diffractometer, and the solid solution amount can be calculated from the shift amount of the lattice constant.

<Ce含有量の測定方法>
焼結体を粉砕したものに、ホウ酸と炭酸ナトリウムを加えて溶融し、塩酸溶液に溶解し、得られた溶液中の希土類元素とCeをICP発光分光分析装置にて定量分析することができる。
<Method for measuring Ce content>
Boron acid and sodium carbonate are added to a pulverized sintered body and melted in a hydrochloric acid solution. The rare earth element and Ce in the obtained solution can be quantitatively analyzed with an ICP emission spectroscopic analyzer. .

<球状粒子の判定方法>
組織観察を行ない、明確に粒界を確認できる粒子であって、アスペクト比(=長軸粒径/短軸粒径)が1.5以下であるものを球状粒子と判断することができる。
<Method for determining spherical particles>
It is possible to determine that the particles having a grain boundary that can be clearly confirmed by performing structure observation and having an aspect ratio (= major axis particle diameter / minor axis particle diameter) of 1.5 or less are spherical particles.

<平均粒径の測定方法>
平均粒径は、焼結体断面を研磨し、サーマルエッチングして、インターセプト法により測定することができる。
<Measuring method of average particle diameter>
The average particle size can be measured by the intercept method after polishing the cross section of the sintered body, performing thermal etching.

<複合酸化物の組成決定方法>
複合酸化物の組成は、EDSとEELSの結果をもとに推定することができる。
<Method for determining composition of composite oxide>
The composition of the composite oxide can be estimated based on the results of EDS and EELS.

先ず、0.05Mの硝酸セリウム水溶液と0.05MのREの硝酸塩水溶液を調製し、二つの水溶液を混合した。次に、沈殿剤として1Mの炭酸アンモニウム水溶液を攪拌しながら滴下し、生成したCeとREの炭酸塩を600℃で仮焼することによって、平均粒径80nmのRE0.2Ce0.81.9粉末(GDC)を作製した。 First, a 0.05M cerium nitrate aqueous solution and a 0.05M RE nitrate aqueous solution were prepared, and the two aqueous solutions were mixed. Next, 1M ammonium carbonate aqueous solution as a precipitating agent is added dropwise with stirring, and the produced Ce and RE carbonate is calcined at 600 ° C., thereby producing RE 0.2 Ce 0.8 O having an average particle size of 80 nm. 1.9 powder (GDC) was produced.

この粉末を、表1に記載の酸素分圧、温度及び時間で熱処理を行った後、この原料粉末にパラフィンワックスを添加しボールミルにて混合粉砕し、プレス成形後、1250℃で2時間焼成した。   This powder was heat-treated at the oxygen partial pressure, temperature and time shown in Table 1, then paraffin wax was added to the raw material powder, mixed and pulverized by a ball mill, press-molded and fired at 1250 ° C. for 2 hours. .

X線回折装置により格子定数を測定し、格子定数のシフト量から固溶量を算出した。その際に、あらかじめSi等の標準試料でピーク補正を行い、固溶量と格子定数の検量線を作成しておくことは言うまでもない。   The lattice constant was measured with an X-ray diffractometer, and the solid solution amount was calculated from the shift amount of the lattice constant. At that time, it goes without saying that peak correction is performed in advance with a standard sample such as Si, and a calibration curve of the solid solution amount and the lattice constant is prepared.

組織観察を行ない、明確に粒界を確認できる粒子であって、アスペクト比(=長軸粒径/短軸粒径)が1.5以下であるものを球状粒子と判断した。   Observation of the structure was carried out, and particles having a grain boundary clearly confirmed and having an aspect ratio (= major axis particle diameter / minor axis particle diameter) of 1.5 or less were determined as spherical particles.

平均粒径は、焼結体断面を研磨し、サーマルエッチングして、インターセプト法により測定した。   The average particle size was measured by the intercept method after polishing the cross section of the sintered body, performing thermal etching.

X線光電子分光分析は、試料を機械加工したのち、イオンエッチングしたものを、加速電圧200kV、試料吸収電流10−9A、計測時間70〜100秒、ビーム径1nmの条件でTEM−EDXを用いて測定した。   In X-ray photoelectron spectroscopy, a sample is machined and ion-etched using TEM-EDX under conditions of an acceleration voltage of 200 kV, a sample absorption current of 10-9A, a measurement time of 70 to 100 seconds, and a beam diameter of 1 nm. It was measured.

該結晶粒子の表面層を、電子エネルギー損失分光法(EELS)により、加速電圧200kV、試料吸収電流10−9A、計測時間5秒、ビーム直径1nmの条件で測定した。なお、EELSスペクトルにおいて、130eVにピークをもつ場合がCe4+、125eVにピークをもつ場合がCe3+とした。 The surface layer of the crystal particles was measured by electron energy loss spectroscopy (EELS) under the conditions of an acceleration voltage of 200 kV, a sample absorption current of 10-9A, a measurement time of 5 seconds, and a beam diameter of 1 nm. In the EELS spectrum, the case where the peak was at 130 eV was Ce 4+ , and the case where the peak was at 125 eV was Ce 3+ .

次に、縦1mm、横4mm、長さ15mmの焼結体を、還元雰囲気中(酸素分圧10−20MPa)、850℃で16時間熱処理し、還元処理による長さの伸び変化(ΔL)を初期の長さで除した値(ΔL/L)を表1に記載した。 Next, a sintered body having a length of 1 mm, a width of 4 mm, and a length of 15 mm was heat-treated at 850 ° C. for 16 hours in a reducing atmosphere (oxygen partial pressure: 10 −20 MPa), and the length change due to the reduction treatment (ΔL) Table 1 shows the value (ΔL / L) obtained by dividing by the initial length.

結果を表1に示した。

Figure 0004794239
The results are shown in Table 1.
Figure 0004794239

表1によれば、本発明の試料No.1〜6および9〜14は、REの価数の異なる2層構造が形成されていることから、還元処理前後におけるΔL/Lが0.54%以下と小さく、信頼性に優れた固体電解質体であることが判る。
According to Table 1, sample no. 1 to 6 and 9 to 14 are formed of a two-layer structure having different valences of RE, so that ΔL / L before and after the reduction treatment is as small as 0.54% or less, and a solid electrolyte body excellent in reliability It turns out that it is.

一方、REの価数の異なる2層構造が形成されていない本発明の範囲外の試料No.7および8は、還元処理前後におけるΔL/Lがそれぞれ0.74%、0.88%と大きかった。   On the other hand, a sample No. 2 outside the scope of the present invention in which a two-layer structure having different valences of RE is not formed. In 7 and 8, ΔL / L before and after the reduction treatment was as large as 0.74% and 0.88%, respectively.

本発明の燃料電池セルを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the fuel battery cell of this invention. 本発明の固体電解質体を構成するセリア系結晶粒子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the ceria type crystal particle which comprises the solid electrolyte body of this invention. 本発明の固体電解質体を示す走査型電子顕微鏡写真(5万倍)である。It is a scanning electron micrograph (50,000 times) which shows the solid electrolyte body of this invention. 電子エネルギー損失分光法(EELS)によるスペクトル図である。It is a spectrum figure by electron energy loss spectroscopy (EELS).

符号の説明Explanation of symbols

3・・・固体電解質体
5・・・燃料極
7・・・酸素極
9・・・Ce系結晶粒子
9a・・・中央部
9b・・・表面層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 ... Solid electrolyte body 5 ... Fuel electrode 7 ... Oxygen electrode 9 ... Ce-type crystal particle 9a ... Central part 9b ... Surface layer

Claims (4)

(CeO 1−x (REO 3/2 (xは0.1≦x≦0.4、REはCeを除く希土類元素)で表されるセリア系結晶粒子が集合した多結晶体からなり、前記セリア系結晶粒子におけるCeの価数が中央部では4価が主となるとともに、表面では3価のCeが主となることを特徴とする固体電解質体。 (CeO 2 ) 1-x (REO 3/2 ) x (where x is 0.1 ≦ x ≦ 0.4, RE is a rare earth element excluding Ce) The solid electrolyte body is characterized in that the valence of Ce in the ceria-based crystal particles is mainly tetravalent at the central portion and trivalent Ce at the surface. 前記セリア系結晶粒子は、平均粒径100nm以下の球状粒子からなることを特徴とする請求項1記載の固体電解質体。 The ceria-based crystal grains, claim 1 Symbol placement of the solid electrolyte body, characterized in that it comprises the following spherical particles having an average particle size of 100 nm. 前記希土類元素RE(Ceを除く)が、Nd、Sm、Gd、Dy、Ho、Y及びYbのうち少なくとも1種であることを特徴とする請求項1または2記載の固体電界質体。 3. The solid electrolyte according to claim 1, wherein the rare earth element RE (excluding Ce) is at least one of Nd, Sm, Gd, Dy, Ho, Y, and Yb. 請求項1〜のいずれかに記載の固体電解質体の両側に、酸素極と燃料極をそれぞれ形成してなることを特徴とする燃料電池セル。 On both sides of the solid electrolyte body according to any one of claims 1 to 3 fuel cell, characterized by comprising forming the oxygen electrode and the fuel electrode, respectively.
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