JP4796895B2 - 固体酸化物形燃料電池の空気極用セリア系バッファー層及びその製造方法 - Google Patents
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Description
Co,Fe,Ni,Cu,Mnなどの遷移金属の酸化物は、セリア(CeO2)に比べて焼結性が高いため、セリアと混合した状態で焼成を行うと、全体として焼結性が高まる。これは、遷移金属酸化物の一部がセリア結晶粒の粒界に存在するようになるためであると考えられる。これらの遷移金属酸化物は、空気中ではセリアとはほとんど反応しないため、すなわちセリアへの固溶量が極めて少ないため、セリアのイオン伝導性を損なうことがない。そして、全体として焼結性が高まるため、焼結後の機械的強度が向上する。また、セリアへは遷移金属がわずかしか固溶しないため、微量の遷移金属酸化物の添加であっても、全体に対して均一な機械的強度の向上が期待できる。遷移金属酸化物の混合量は、全体(セリア系電解質材料と遷移金属酸化物の和)に対して、0.1%以上30%以下とすることが好ましく、0.2%以上10%以下とすることがさらに好ましい。
まず、ドクターブレード法で焼成した0.2mm厚でSc2O3,Al2O3添加ジルコニア(SASZ)(0.89ZrO2−0.10Sc2O3−0.01Al2O3)からなる固体電解質基板の片面に、NiO−YSZ(0.92ZrO2−0.08Y2O3)のスラリ(平均粒径が約0.3μmの10モル%Y2O3添加ジルコニア(YSZ)粉末を40質量%含み、平均粒径が約0.8μmのNiO粉末を60質量%含む混合物をスラリとしたもの)をスクリーンプリント法で塗布した後、白金(Pt)メッシュ集電体を載置して、1400℃、8時間空気中で焼成し、厚さ40μmの燃料極を設けた。なお、本明細書の実施例及び比較例の記載において、粉末の平均粒径は、レーザー回折法によって測定されたものであり、測定には、堀場製作所製のレーザ回折/散乱式粒度分布測定装置HORIBA LA-920を使用した。
実施例1では、セリア系電解質材料(Ce0.8Gd0.2O2粉末、Ce0.8Y0.2O2粉末、Ce0.8Yb0.2O2粉末)に対して遷移金属の酸化物を混合させているが、この実施例2では、セリア系電解質材料(Ce0.8Gd0.2O2粉末)に対してペロブスカイト系酸化物の粉末を混合させて、セリア系バッファー層を形成した。ここでは、ペロブスカイト結晶構造におけるAサイトにSm、Bサイト(及びB’サイト)に実施例1で用いた遷移金属元素を配した遷移元素ペロブスカイト系酸化物を用い、実施例1と同様の条件で、表3に示すセル#2−5−1〜#2−5−5を作製し、実施例1の場合と同様に、電極特性と密着力の評価を行った。さらにセリア系電解質材料におけるCe0.8Gd0.2O2粉末の代わりにCe0.8Y0.2O2粉末、Ce0.8Yb0.2O2粉末を用いて、同様に、表3に示すセル#2−6−1〜#2−6−7を作製し、実施例1の場合と同様に、電極特性と密着力の評価を行った。これらの結果を表3に示す。
実施例1における遷移金属酸化物の粉末の代わりに、Sc,Y,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luの各希土類元素の酸化物の粉末を用いてセリア系バッファー層を形成し、表5に示すセル#3−1−1〜#3−2−3を作製した。セリア系電解質材料として、Ce0.9Y0.1O2粉末を使用した。作製条件は、セリア系バッファー層を形成するための混合粉末が異なることを除けば、実施例1と同じである。これらのセルについて、実施例1と同様に、電極特性と密着力の評価を行った。その結果を表5に示す。
実施例1における遷移金属酸化物の粉末の代わりに、ペロブスカイト系酸化物であるYCoO3の粉末あるいYFe0.4Cu0.6O3の粉末と前述した遷移金属酸化物の粉末とを混合したものを用いてセリア系バッファー層を形成し、表6に示すセル#3−3−1〜#3−3−13を作製した。セリア系電解質材料として、Ce0.9Y0.1O2粉末を使用した。作製条件は、セリア系バッファー層を形成するための混合粉末が異なることを除けば、実施例1と同じである。これらのセルについて、実施例1と同様に、電極特性と密着力の評価を行った。その結果を表6に示す。
2 空気極
3 参照極
4 セリア系バッファー層
5 燃料極
Claims (6)
- 固体酸化物形燃料電池のLaNi 0.6 Fe 0.4 O 3 からなる空気極と電解質膜との間に配置されるセリア系バッファー層において、
ABO3(ただし、Aは、Sc,Y,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luからなる群から選ばれた1種以上の元素であり、BはCo,Fe,Ni,Cu,Mnからなる群から選ばれた1種以上の元素である)で表されるペロブスカイト系酸化物と、Ce x M 1-x O 2 (ただし、MはSm,Gd,Yのいずれかであって、0.7≦x≦0.95である)で表されるセリア系電解質材料と、を含む混合物であることを特徴とする、固体酸化物形燃料電池の空気極用セリア系バッファー層。 - 前記混合物における前記セリア系電解質材料と前記ペロブスカイト系酸化物との混合比が、質量比において20:80〜80:20である、請求項1に記載の空気極用セリア系バッファー層。
- 前記混合物は、Co,Fe,Ni,Cu,Mnからなる群から選ばれた1種以上の遷移金属元素の酸化物をさらに含み、該酸化物は前記混合物において質量比で0.1%以上20%以下含まれる、請求項2に記載の空気極用セリア系バッファー層。
- 固体酸化物形燃料電池のLaNi 0.6 Fe 0.4 O 3 からなる空気極と電解質膜との間に配置される空気極用セリア系バッファー層を形成するために用いられる原料粉であって、
Ce x M 1-x O 2 (ただし、MはSm,Gd,Yのいずれかであって、0.7≦x≦0.95である)で表されるセリア系電解質材料からなる粉末と、ABO 3 (ただし、Aは、Sc,Y,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luからなる群から選ばれた1種以上の希土類元素であり、BはCo,Fe,Ni,Cu,Mnからなる群から選ばれた1種以上の元素である)で表されるペロブスカイト系酸化物の粉末とを前記セリア系電解質材料の粉末と前記ペロブスカイト系酸化物の粉末との混合比が質量比において20:80〜80:20となるように混合されてなり、
媒質に展開してスラリとし、該スラリを塗布して焼成することにより前記空気極用セリア系バッファー層を形成するために用いられる原料粉。 - 請求項1または2に記載の空気極用セリア系バッファー層の製造方法において、前記混合物の粉末を含むスラリを用意し、前記電解質膜上に前記スラリを塗布し、その後、焼成を行うことを特徴とする、製造方法。
- 固体酸化物形燃料電池のLaNi 0.6 Fe 0.4 O 3 からなる空気極と電解質膜との間に配置される空気極用セリア系バッファー層の製造方法において、
Ce x M 1-x O 2 (ただし、MはSm,Gd,Yのいずれかであって、0.7≦x≦0.95である)で表されるセリア系電解質材料からなる粉末と、ABO 3 (ただし、Aは、Sc,Y,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luからなる群から選ばれた1種以上の希土類元素であり、BはCo,Fe,Ni,Cu,Mnからなる群から選ばれた1種以上の元素である)で表されるペロブスカイト系酸化物の粉末とを前記セリア系電解質材料の粉末と前記ペロブスカイト系酸化物の粉末との混合比が質量比において20:80〜80:20となるように混合したスラリを用意し、
前記電解質膜上に前記スラリを塗布し、
その後、焼成を行うことを特徴とする、製造方法。
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