JP5285115B2 - Composite materials and their use - Google Patents

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Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)の構築に好適に用いられる複合材料、該複合材料を用いてなる固体酸化物形燃料電池、及び、該固体酸化物形燃料電池を備えた固体酸化物形燃料電池システムの製造方法に関する。   The present invention relates to a composite material suitably used for the construction of a solid oxide fuel cell (SOFC), a solid oxide fuel cell using the composite material, and the solid oxide fuel. The present invention relates to a method for manufacturing a solid oxide fuel cell system including a battery.

一般に「SOFC」と呼称される固体酸化物形燃料電池は、種々のタイプの燃料電池の中でも、発電効率が高い、環境への負荷が低い、そして、多様な燃料の使用が可能であるなどの利点を有している。この固体酸化物形燃料電池の典型的な一構造例として、多孔質構造を有するアノード(燃料極)、酸化物イオン伝導体からなる緻密な固体電解質(例えば緻密膜層)、多孔質構造を有するカソード(空気極)の順に積層されてなるセル(以下、SOFCを構成する固体電解質とアノードとカソードとからなるセル構造体を、単に「SOFCセル」という。)が挙げられる。
かかる構造の固体酸化物形燃料電池(即ちSOFCセル)では、アノードに燃料ガス(典型的には水素(H)ガスやメタン(CH)ガス等)が供給され、カソードに酸素(O)含有ガス(典型的には空気)が供給される。
A solid oxide fuel cell generally called “SOFC” has a high power generation efficiency, a low environmental load, and a variety of fuels can be used among various types of fuel cells. Has advantages. As a typical structural example of this solid oxide fuel cell, an anode (fuel electrode) having a porous structure, a dense solid electrolyte (eg, a dense membrane layer) made of an oxide ion conductor, and a porous structure Examples include a cell in which cathodes (air electrodes) are stacked in this order (hereinafter, a cell structure including a solid electrolyte, an anode, and a cathode constituting an SOFC is simply referred to as an “SOFC cell”).
In a solid oxide fuel cell having such a structure (that is, a SOFC cell), a fuel gas (typically hydrogen (H 2 ) gas or methane (CH 4 ) gas) is supplied to the anode, and oxygen (O 2 ) is supplied to the cathode. ) Containing gas (typically air) is supplied.

一般的な固体酸化物形燃料電池では、固体電解質に酸化ジルコニウム系の材料が用いられ、カソードに酸化物イオン伝導性のペロブスカイト構造を有する酸化物(以下「ペロブスカイト型酸化物」という。)が用いられる。固体電解質上にカソードを積層するには、固体電解質の表面にカソードの前駆物質を塗布し、焼成するといった方法が採られる。このとき、固体電解質とカソードとが接触する部分(界面)において固相反応が生じることがある。当該固相反応が生じると、固体電解質−カソード間の酸化物イオンの伝導性が低下する虞があり、好ましくない。固相反応を防止する方法としては、例えば、固体電解質とカソードとの間に、セリウム酸化物からなる中間層を介在させるという方法が挙げられる。かかる方法の一例が非特許文献1に開示されている。   In a general solid oxide fuel cell, a zirconium oxide-based material is used for a solid electrolyte, and an oxide having an oxide ion conductive perovskite structure (hereinafter referred to as “perovskite oxide”) is used for a cathode. It is done. In order to laminate the cathode on the solid electrolyte, a method of applying a precursor of the cathode to the surface of the solid electrolyte and baking it is employed. At this time, a solid phase reaction may occur at a portion (interface) where the solid electrolyte and the cathode are in contact. If the solid-phase reaction occurs, the conductivity of oxide ions between the solid electrolyte and the cathode may decrease, which is not preferable. Examples of the method for preventing the solid phase reaction include a method in which an intermediate layer made of cerium oxide is interposed between the solid electrolyte and the cathode. An example of such a method is disclosed in Non-Patent Document 1.

しかしながら、上記中間層を設ける場合、固体酸化物形燃料電池の製造プロセスにおいて中間層を設ける工程が生じるため、製造コストや製造時間が増加してしまう。さらに、中間層は、固体電解質−カソード間における酸化物イオン伝導の抵抗層となり得る。そこで、近年では、固体電解質に対する反応性が低い材料をカソードに用いることによって、上記固相反応の発生を抑制するという技術が提案されている。このようなカソード用材料の一例としてFe系ペロブスカイト型酸化物が挙げられる。Fe系ペロブスカイト型酸化物は、鉄(Fe)を必須構成元素として含み、コバルト(Co)やマンガン(Mn)を含有しないペロブスカイト型酸化物であり、固体電解質の材料(例えばイットリア安定化ジルコニア)との反応性が低い。このFe系ペロブスカイト型酸化物の例が、非特許文献2〜4および特許文献1〜3に開示されている。また、その他のカソード用材料に関する従来技術としては、例えば特許文献4,5が挙げられる。   However, when the intermediate layer is provided, a process of providing the intermediate layer occurs in the manufacturing process of the solid oxide fuel cell, and thus manufacturing cost and manufacturing time increase. Further, the intermediate layer can be a resistance layer for conducting oxide ions between the solid electrolyte and the cathode. Therefore, in recent years, a technique for suppressing the occurrence of the solid-phase reaction by using a material having low reactivity with respect to the solid electrolyte for the cathode has been proposed. An example of such a cathode material is Fe-based perovskite oxide. The Fe-based perovskite oxide is a perovskite oxide that contains iron (Fe) as an essential constituent element and does not contain cobalt (Co) or manganese (Mn), and a solid electrolyte material (for example, yttria-stabilized zirconia) and The reactivity of is low. Examples of this Fe-based perovskite oxide are disclosed in Non-Patent Documents 2 to 4 and Patent Documents 1 to 3. Moreover, as a prior art regarding the other cathode material, patent document 4, 5 is mentioned, for example.

特開2002−313406号公報JP 2002-313406 A 特開2007−51035号公報JP 2007-51035 A 特開2007−51036号公報JP 2007-51036 A 特開2002−333428号公報JP 2002-333428 A 特開2008−243744号公報JP 2008-243744 A

Electrochemical Solid−State Letters,Vol.2,No.9,(1999)428−430Electrochemical Solid-State Letters, Vol. 2, no. 9, (1999) 428-430 Solid State Ionics,Vol.181,(2010)300−305Solid State Ionics, Vol. 181, (2010) 300-305 Journal of Power Sources,Vol.168,(2007)236−239Journal of Power Sources, Vol. 168, (2007) 236-239 Journal of Power Sources,Vol.161,(2006)115−122Journal of Power Sources, Vol. 161, (2006) 115-122

上述のとおり、Fe系ペロブスカイト型酸化物でカソードを構成すると、固相反応の発生を抑制できる。しかしながら、Fe系ペロブスカイト型酸化物は、Coを含むCo系やMnを含むMn系のペロブスカイト型酸化物と比べて電極触媒としての性能に劣るため、電池性能の観点から見ると、カソード用材料として好適とは言い難い。このように、現状の固体酸化物形燃料電池では、固相反応の抑制と電池性能とがトレードオフの関係になっており、かかる関係を打破できるような技術が求められている。   As described above, when the cathode is composed of an Fe-based perovskite oxide, generation of a solid phase reaction can be suppressed. However, since Fe-based perovskite oxides are inferior in performance as electrode catalysts compared to Co-containing Co-based and Mn-containing Mn-based perovskite-type oxides, from the viewpoint of battery performance, as a cathode material, It is hard to say that it is preferable. Thus, in the current solid oxide fuel cell, suppression of solid-phase reaction and cell performance are in a trade-off relationship, and a technology that can break this relationship is demanded.

本発明は、上述の課題を鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、固相反応の発生を抑制し、高い電池性能を発揮し得るSOFCのカソードを形成するために好適に用いられる材料を提供することである。また、本発明は、そのようなカソード材料を用いて形成されたカソードを備える固体酸化物形燃料電池や、固体酸化物形燃料電池セルを備えた固体酸化物形燃料電池システムの製造方法を提供する。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and one of the purposes thereof is suitably used to form a SOFC cathode capable of suppressing the occurrence of a solid-phase reaction and exhibiting high battery performance. Is to provide a material that can be used. The present invention also provides a solid oxide fuel cell having a cathode formed using such a cathode material, and a method for producing a solid oxide fuel cell system having a solid oxide fuel cell. To do.

上記目的を実現するべく、本発明によって以下の構成の複合材料が提供される。
即ち、ここで開示される複合材料は、下記の一般式(1):
(Ln1−xAe)(M1−yFe)O3−δ (1)
で示されるFe系ペロブスカイト型酸化物からなる粒子と、酸素のイオン化を触媒する金属からなるコアの表面がセラミックで多孔質状態に被覆されたセラミックコーティング粒子とを含む。
ここで、上記一般式(1)中のLnはランタノイドから選択される少なくとも1種の元素であり、AeはSr,Ba及びCaからなる群から選択される1種又は2種以上の元素であり、MはTi,Ni,Al,Zr,Ga,Mg,Cu,In,Sn,V,Cr,Zn,Ge,Sc及びYからなる群から選択される1種又は2種以上の元素であり、xは0≦x<1を満たす実数であり、yは0<y≦1を満たす実数であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。
ここで開示される複合材料は、固体酸化物形燃料電池(SOFCセル)のカソードを形成するためのカソード形成用材料として好ましく用いられる。特にかかる用途に用いられる場合において、少なくとも1種の分散媒を含み、ペースト状(スラリー状、インク状を包含する。)に調製されていると好ましい。
In order to achieve the above object, the present invention provides a composite material having the following constitution.
That is, the composite material disclosed here has the following general formula (1):
(Ln 1-x Ae x ) (M 1-y Fe y ) O 3-δ (1)
And a ceramic coating particle in which the surface of a core made of a metal that catalyzes ionization of oxygen is coated with a ceramic in a porous state.
Here, Ln in the general formula (1) is at least one element selected from lanthanoids, and Ae is one or more elements selected from the group consisting of Sr, Ba and Ca. , M is one or more elements selected from the group consisting of Ti, Ni, Al, Zr, Ga, Mg, Cu, In, Sn, V, Cr, Zn, Ge, Sc and Y, x is a real number satisfying 0 ≦ x <1, y is a real number satisfying 0 <y ≦ 1, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition.
The composite material disclosed here is preferably used as a cathode forming material for forming a cathode of a solid oxide fuel cell (SOFC cell). In particular, when used in such applications, it is preferable that the composition contains at least one dispersion medium and is prepared in a paste form (including a slurry form and an ink form).

ここで開示される複合材料は、必須構成元素として鉄(Fe)を含んだFe系ペロブスカイト型酸化物からなる粒子を含んでいる。Fe系ペロブスカイト型酸化物は、SOFCセルの固体電解質を構成する素材(例えばイットリア安定化ジルコニア)に対する反応性が低いため、固相反応が生じにくいカソードを形成することができる。
一方、上述したように、Fe系ペロブスカイト型酸化物は、Co系やMn系のペロブスカイト型酸化物と比べると、電極触媒としての性能に劣る。しかしながら、ここで開示される複合材料では、酸素のイオン化を触媒する金属(触媒金属)からなるコアが多孔質状態で被覆されたセラミックコーティング粒子を含んでいるため、Fe系ペロブスカイト型酸化物を用いているにも関わらず、高い電極触媒能力を有したカソードを形成することができる。
このように、本発明の複合材料によると、固相反応の発生を抑制しつつ、高い電極触媒能力を発揮するカソードを形成することができる。換言すると、本発明の複合材料によれば、上述したトレードオフの関係を打破することができる。
The composite material disclosed here includes particles made of an Fe-based perovskite oxide containing iron (Fe) as an essential constituent element. Since the Fe-based perovskite oxide has low reactivity with a material (for example, yttria-stabilized zirconia) constituting the solid electrolyte of the SOFC cell, it is possible to form a cathode in which a solid-phase reaction hardly occurs.
On the other hand, as described above, the Fe-based perovskite oxide is inferior in performance as an electrode catalyst compared to a Co-based or Mn-based perovskite oxide. However, in the composite material disclosed here, since a core made of a metal (catalyst metal) that catalyzes the ionization of oxygen includes ceramic coating particles coated in a porous state, an Fe-based perovskite oxide is used. Nevertheless, a cathode having a high electrocatalytic ability can be formed.
Thus, according to the composite material of the present invention, it is possible to form a cathode that exhibits high electrocatalytic ability while suppressing the occurrence of a solid-phase reaction. In other words, according to the composite material of the present invention, the trade-off relationship described above can be overcome.

ところで、SOFCセルは、製造過程や動作中において高温環境に晒される。このため、上記コアに用いられるような触媒金属がカソードに含まれていると、上記高温環境により触媒金属が焼結する可能性がある。この場合、触媒金属の有効表面積が狭くなり、カソードが劣化する原因となる。
これに対して、ここで開示される複合材料では、触媒金属の粒子(即ちコア部分)の表面がセラミックで被覆されているので、触媒金属(コア)の焼結によるカソードの劣化を好適に防止することができる。
また、セラミックは、触媒金属(コア)の表面を多孔質状態に被覆している。ここで「多孔質状態に被覆」とは、触媒金属(コア)自体が有する触媒機能を消失させるまで完全には被覆せず、触媒金属表面の少なくとも一部が外気と接触可能な状態(即ち酸素のイオン化を触媒することができる状態)で被覆した状態であることをいう。すなわち、上記セラミックコーティング粒子は、多孔質状態でコアの表面をセラミックで被覆することによって、コアの触媒機能を損なわせずに焼結を防止している。
このように、本発明の複合材料によると、上記トレードオフの関係を打破したことにより新たに生じる問題も解決している。
By the way, the SOFC cell is exposed to a high temperature environment during the manufacturing process and operation. For this reason, when a catalytic metal used for the core is contained in the cathode, the catalytic metal may be sintered by the high temperature environment. In this case, the effective surface area of the catalyst metal becomes narrow, which causes the cathode to deteriorate.
On the other hand, in the composite material disclosed here, the surface of the catalyst metal particles (that is, the core portion) is coated with ceramic, so that the cathode deterioration due to the sintering of the catalyst metal (core) is suitably prevented. can do.
Moreover, the ceramic coat | covers the surface of a catalyst metal (core) in the porous state. Here, “coating in a porous state” means that the catalyst metal (core) itself is not completely coated until the catalytic function of the catalyst metal (core) disappears, and at least a part of the surface of the catalyst metal is in contact with the outside air (that is, oxygen). In a state in which ionization of the catalyst can be catalyzed). That is, the ceramic coating particles prevent sintering without impairing the catalytic function of the core by covering the surface of the core with ceramic in a porous state.
Thus, according to the composite material of the present invention, a problem newly generated by breaking the trade-off relationship is also solved.

ここで開示される複合材料の好ましい一態様では、上記セラミックコーティング粒子は、上記Fe系ペロブスカイト型酸化物粒子100質量部に対して10質量部〜90質量部の割合で含まれている。
上記の割合でセラミックコーティング粒子が含まれた複合材料は、コアに触媒金属を用いたセラミックコーティング粒子を適切な割合で含んでいるため、より高い電極触媒能力を有するカソードを形成できる。すなわち、かかる複合材料によれば、発電性能がより高い(例えば、動作温度700℃における電力密度が0.3W/cm以上)のSOFCセルを構築できる。
In a preferred embodiment of the composite material disclosed herein, the ceramic coating particles are contained in a ratio of 10 parts by mass to 90 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the Fe-based perovskite oxide particles.
Since the composite material including the ceramic coating particles in the above ratio includes the ceramic coating particles using the catalytic metal in the core in an appropriate ratio, a cathode having higher electrocatalytic ability can be formed. That is, according to such a composite material, an SOFC cell with higher power generation performance (for example, a power density at an operating temperature of 700 ° C. of 0.3 W / cm 2 or more) can be constructed.

ここで開示される複合材料の好ましい一態様では、上記コアは銀(Ag)で構成されている。
一般的に、銀は、高い触媒機能を有している上、比較的安価で入手できるというメリットを有している反面、他の触媒金属に比べて融点が低い(962℃)ため、高温環境に晒された際に焼結しやすい。このため、触媒金属として銀をカソードに含ませると、カソードが劣化する可能性が高くなるというデメリットも有している。これに対して、ここで開示される複合材料では、セラミックでコアの表面を被覆しているので、コアの焼結を防止できる。すなわち、上記構成の複合材料では、カソードに銀を添加したことで生じ得る「カソードの劣化」というデメリットを解消し、「高い触媒機能を有し、且つ、安価である」というメリットのみを得ることができる。
In a preferred embodiment of the composite material disclosed herein, the core is made of silver (Ag).
In general, silver has a merit that it has a high catalytic function and can be obtained at a relatively low cost, but it has a lower melting point (962 ° C.) than other catalytic metals, so it has a high temperature environment. Easy to sinter when exposed to. For this reason, when silver is contained in the cathode as a catalyst metal, there is a demerit that the possibility of deterioration of the cathode is increased. On the other hand, in the composite material disclosed here, the surface of the core is coated with ceramic, so that the core can be prevented from being sintered. In other words, the composite material having the above configuration eliminates the demerit of “deterioration of the cathode” that can be caused by adding silver to the cathode, and obtains only the merit of “having a high catalytic function and being inexpensive”. Can do.

また、上記コーティング物質たるセラミックは、酸化アルミニウム(Al)や、酸化ジルコニウム(ZrO)で構成されていると好ましく、特に酸化ジルコニウムが好適である。 The ceramic as the coating material is preferably composed of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or zirconium oxide (ZrO 2 ), and zirconium oxide is particularly suitable.

また、本発明は、他の側面として、アノードと固体電解質とカソードとを備えたSOFCセルを提供する。かかるSOFCセルは、上述の複合材料でカソードが形成されている。上記複合材料で形成されたカソードは、固体電解質との固相反応の発生が抑制されており、且つ、高い電極触媒能力を発揮できる。このため、上記SOFCセルは、高い電池性能を有している。
また、ここで開示されるSOFCセルでは、カソードに上記セラミックコーティング粒子が含まれている。かかるカソードでは、セラミックコーティング粒子のセラミックの存在によって、ペロブスカイト型酸化物のみからなるカソードよりも固体電解質との接合相性が向上している。したがって、ここで開示されるSOFCセルによれば、固体電解質からのカソードの剥離を好適に防止できる。
Moreover, this invention provides the SOFC cell provided with the anode, the solid electrolyte, and the cathode as another side surface. Such a SOFC cell has a cathode formed of the above-described composite material. The cathode formed of the above composite material suppresses the generation of a solid phase reaction with a solid electrolyte, and can exhibit a high electrocatalytic ability. For this reason, the SOFC cell has high battery performance.
Moreover, in the SOFC cell disclosed here, the ceramic coating particles are included in the cathode. In such a cathode, the bonding phase with the solid electrolyte is improved as compared with the cathode made of only the perovskite oxide due to the presence of the ceramic of the ceramic coating particles. Therefore, according to the SOFC cell disclosed here, peeling of the cathode from the solid electrolyte can be suitably prevented.

また、ここで開示されるSOFCセルの好ましい一態様では、上記固体電解質に酸化ジルコニウムが含まれており、上記セラミックコーティング粒子を構成する該セラミックが酸化ジルコニウムである。
上記構成のSOFCセルでは、固体電解質とカソードの両方に酸化ジルコニウムが含まれているため、固体電解質−カソード間における界面抵抗が少なくなり、固体電解質とカソードとの接合性がさらに向上している。したがって、上記構成のSOFCセルによれば、カソードの剥離をさらに好適に防止できる。
In a preferred embodiment of the SOFC cell disclosed herein, the solid electrolyte contains zirconium oxide, and the ceramic constituting the ceramic coating particles is zirconium oxide.
In the SOFC cell having the above configuration, since the zirconium oxide is contained in both the solid electrolyte and the cathode, the interface resistance between the solid electrolyte and the cathode is reduced, and the joining property between the solid electrolyte and the cathode is further improved. Therefore, according to the SOFC cell configured as described above, it is possible to more suitably prevent the cathode from peeling.

また、本発明は、他の側面として、SOFCシステムの製造方法を提供する。本明細書において、「SOFCシステム」とは、上記SOFCセルを単数または複数有し、該セル同士あるいは該セルと該セルに接続される接続部材とを接合してなる接合部を有した発電システムを指す。
ここで開示されるSOFCシステムの製造方法は、アノードと、上記アノード上に形成された固体電解質とからなるアノード−固体電解質積層体を用意すること;上記積層体の固体電解質側の表面に上述の複合材料を付与すること;上記接合部を構成する接合材を、上記積層体同士あるいは該積層体と上記接続部材とを接合する箇所に付与すること;上記複合材料および上記接合材が付与された上記積層体を焼成することによって、上記カソードおよび上記接合部を同時に形成すること;を包含する。
Moreover, this invention provides the manufacturing method of a SOFC system as another aspect. In this specification, the “SOFC system” means a power generation system having one or a plurality of the SOFC cells and a joint portion formed by joining the cells or the cells and a connection member connected to the cells. Point to.
The SOFC system manufacturing method disclosed herein provides an anode-solid electrolyte laminate comprising an anode and a solid electrolyte formed on the anode; the surface of the laminate on the solid electrolyte side is the above-mentioned Giving a composite material; Giving a joining material constituting the joint to the laminates or places where the laminate and the connecting member are joined; giving the composite material and the joining material Forming the cathode and the joint at the same time by firing the laminate.

一般的に、SOFCシステムを製造するには、アノード−固体電解質積層体の固体電解質上にカソード用材料を付与した後に、比較的に高温(例えば1000℃〜1200℃)で焼成することによってSOFCセルを形成する。そして、該セル同士若しくは該セルと接続部材との間に接合材を付与し、該接合材を比較的低温(例えば700℃〜900℃)で焼成する。このような製造プロセスにおいて製造工程数を減らすためには、カソードと接合材とを同時に焼成するといった方法が考えられる。しかし、上記同時焼成をカソードの焼成温度で行うと接合材が変性してしまうため、接合部における耐久性が低下する虞がある。一方、比較的低温な接合材の焼成温度で同時焼成を行うとカソードの焼成が不十分となり、カソードが固体電解質から剥離しやすくなる。
これに対して、ここで開示される製造方法では、上記複合材料をカソード用材料として用いている。上述したように、上記複合材料からなるカソードは、セラミックコーティング粒子を含んでいるため固体電解質との接合性が高い。したがって、カソード用材料(複合材料)と接合材とを同時に焼成した場合でも、固体電解質から剥離しにくいカソードを形成できる。すなわち、ここで開示される製造方法によれば、カソードの剥離や接合部の耐久性低下を生じさせることなく、接合材とカソードとを同時に焼成することができるため、製造コストの削減や製造効率の向上を実現した上で、高品質なSOFCシステムを製造できる。
また、上記製造方法の好ましい一態様では、上記複合材料と上記接合材の焼成温度を700℃〜900℃に設定すると好ましい。
In general, an SOFC system is manufactured by applying a cathode material on the solid electrolyte of the anode-solid electrolyte laminate and then firing it at a relatively high temperature (eg, 1000 ° C. to 1200 ° C.). Form. Then, a bonding material is applied between the cells or between the cells and the connection member, and the bonding material is fired at a relatively low temperature (for example, 700 ° C. to 900 ° C.). In order to reduce the number of manufacturing steps in such a manufacturing process, a method of simultaneously firing the cathode and the bonding material is conceivable. However, if the co-firing is performed at the calcining temperature of the cathode, the bonding material is denatured, which may reduce the durability at the joint. On the other hand, if the co-firing is performed at the firing temperature of the relatively low temperature bonding material, the cathode is not sufficiently fired, and the cathode is easily peeled off from the solid electrolyte.
On the other hand, in the manufacturing method disclosed here, the composite material is used as a cathode material. As described above, the cathode made of the composite material includes ceramic coating particles and thus has high bonding properties with the solid electrolyte. Therefore, even when the cathode material (composite material) and the bonding material are fired at the same time, it is possible to form a cathode that does not easily peel from the solid electrolyte. That is, according to the manufacturing method disclosed herein, the bonding material and the cathode can be fired at the same time without causing peeling of the cathode and a decrease in durability of the bonded portion, thereby reducing manufacturing costs and manufacturing efficiency. High-quality SOFC system can be manufactured after realizing the improvement of
In a preferred embodiment of the manufacturing method, the firing temperature of the composite material and the bonding material is preferably set to 700 ° C. to 900 ° C.

ここで開示される製造方法の好ましい一態様では、上記固体電解質が酸化ジルコニウムを含んでおり、上記セラミックコーティング粒子を構成する該セラミックが酸化ジルコニウムである。
上記構成の製造方法では、固体電解質とカソードとの接合性が高く、カソードがより剥離しにくいSOFCシステムを製造できる。すなわち、かかる構成の製造方法によれば、複合材料と接合材の同時焼成をより好適に実施することができる。
In a preferred embodiment of the production method disclosed herein, the solid electrolyte contains zirconium oxide, and the ceramic constituting the ceramic coating particles is zirconium oxide.
In the manufacturing method having the above-described configuration, it is possible to manufacture an SOFC system in which the solid electrolyte and the cathode are highly bonded and the cathode is more difficult to peel off. That is, according to the manufacturing method having such a configuration, the simultaneous firing of the composite material and the bonding material can be more suitably performed.

図1は、本発明の一実施形態に係るSOFCシステムを模式的に示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an SOFC system according to an embodiment of the present invention. 図2(a)〜(d)は、本発明の一実施形態に係るSOFCシステムの製造工程を模式的に示す図である。FIGS. 2A to 2D are diagrams schematically showing a manufacturing process of the SOFC system according to one embodiment of the present invention.

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項(例えば、複合材料の構成、SOFCシステムの製造方法など)以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、SOFCシステムの構成など)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. It should be noted that matters other than matters specifically mentioned in the present specification (for example, composition of composite material, manufacturing method of SOFC system, etc.) and matters necessary for implementing the present invention (for example, configuration of SOFC system, etc.) Can be understood as a design matter of those skilled in the art based on the prior art in the field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.

<複合材料の構成>
ここで開示される複合材料は、Fe系ペロブスカイト型酸化物からなる粒子(以下、適宜「Fe系ペロブスカイト粒子」と称する。)と、酸素のイオン化反応に対して触媒機能を有するコアの表面をセラミックで被覆したセラミックコーティング粒子とを含むことにより特徴付けられており、他の構成成分の内容や組成などについては、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の基準に照らして決定することができる。
なお、本明細書における「複合材料」は、粉体であっても、該粉体と分散媒とを含むペーストであっても、該ペーストを乾燥(若しくは焼成)した固体であってもよい。複合材料が粉体である場合、該複合材料の平均粒径は、0.1μm〜10μm、好ましくは0.1μm〜3μmであるとよい。なお、本明細書において、「平均粒径」とは、測定対象の粒度分布におけるD50(メジアン径)をいう。かかるD50は、例えば従来公知のレーザー回折方式、光散乱方式等に基づく粒度分布測定装置によって容易に測定することができる。
<Composition of composite material>
The composite material disclosed herein includes particles made of Fe-based perovskite oxide (hereinafter referred to as “Fe-based perovskite particles” as appropriate) and a surface of a core having a catalytic function with respect to an ionization reaction of oxygen. The content and composition of other components can be determined in light of various standards without departing from the object of the present invention.
The “composite material” in this specification may be a powder, a paste containing the powder and a dispersion medium, or a solid obtained by drying (or firing) the paste. When the composite material is a powder, the average particle diameter of the composite material is 0.1 μm to 10 μm, preferably 0.1 μm to 3 μm. In the present specification, the “average particle diameter” refers to D 50 (median diameter) in the particle size distribution to be measured. Such D 50 is, for example, can be easily measured by a conventionally known laser diffraction method, the particle size distribution measurement apparatus based on light scattering method or the like.

1.Fe系ペロブスカイト粒子
上記Fe系ペロブスカイト粒子を構成するFe系ペロブスカイト型酸化物は、必須構成元素として鉄(Fe)を含んでおり、下記の一般式(1):
(Ln1−xAe)(M1−yFe)O3−δ (1)
で表すことができる。
ここで、上記一般式(1)中の「Ln」は、ランタノイドから選択される少なくとも1種の元素であり、原子番号57〜71の元素(例えば、ランタン(La),セリウム(Ce),プラセオジム(Pr),ネオジム(Nd),サマリウム(Sm)など)のうちのいずれか1種又は2種以上を選択することができる。これらの中でも、Laを特に好ましく用いることができ、「Ln」として2種以上の元素を含んでいる場合には上記Laの含有率が高いと好ましい。
また、上記一般式(1)中の「Ae」は、アルカリ土類金属に属する金属元素を示すものであり、かかるアルカリ土類金属元素の中でもストロンチウム(Sr),バリウム(Ba)及びカルシウム(Ca)からなる群から選択される1種又は2種以上の元素であるとよい。さらに、これらの中でも、Sr,Ba(若しくはSrとBaとの組み合わせ)が含まれているものが好ましい。さらに、「Ae」においてSr又はBaの含有率の高い組成のものが好適であり、Sr(若しくはBa)のみから構成されている、あるいは高い含有率のSr(若しくはBa)が含まれている(例えば、「Ae」中においてSr(若しくはBa)が50モル%以上含まれている)と特に好ましい。
「Fe」と共にFe系ペロブスカイト型酸化物を構成する金属元素である上記一般式(1)中の「M」は、チタン(Ti),ニッケル(Ni),アルミニウム(Al),ジルコニウム(Zr),ガリウム(Ga),マグネシウム(Mg),銅(Cu),インジウム(In),錫(Sn),バナジウム(V),クロム(Cr),亜鉛(Zn),ゲルマニウム(Ge),スカンジウム(Sc)及びイットリウム(Y)からなる群から選択される1種又は2種以上の元素である。これらの中でも、Ti,Ni,Al,Zr又はGaのうちのいずれか、あるいはこれらのいずれか2種の組み合わせが好ましい。Feと共にTi,Ni,Al,Zr又はGaを含むFe系ペロブスカイト型酸化物は、高い酸化物イオン伝導性を有するため、高性能のカソードを形成することに貢献できる。
また、上記一般式(1)中の「x」は、このFe系ペロブスカイト型酸化物において、「Ln」(典型的にはLa)が「Ae」によって置き換えられた割合を示す値である。この「x」の取り得る範囲は、ペロブスカイト型構造を崩すことなく、該構造を維持し得る限りにおいて0≦x<1の範囲内であればいずれの実数をとってもよい。本構成の目的に応じて、Ln(1−x)とAe(x)との組成比は適宜選択されるが、好ましくは0≦x≦0.6であり、特に好ましくは0≦x≦0.4である。
また、上述したように、上記Fe系ペロブスカイト型酸化物は、必須構成元素として鉄(Fe)を含んでいる。上記一般式(1)中の「y」は、上記Fe系ペロブスカイト型酸化物における「M」と「Fe」の組成比を定める値である。この「y」の取り得る値は、0<y≦1(典型的には0<y<1)の範囲内を満たす実数であればよく、「y」の値が決定されることによって「Fe」以外の金属元素「M」の含有割合も決定される。Fe(y)とM(1−y)との組成比は、本構成の目的に応じて適宜選択することができる。かかる「y」の値の一例としては、0.1≦y<1であり、好ましくは0.4≦y<1である。
なお、上記一般式において酸素原子数は3以下(典型的には3未満)であり得る。ただし、酸素原子数はペロブスカイト型構造の一部を置換する原子(例えば式中の「Ae」や「M」の一部)の種類、置換割合及びその他の条件によって、上記一般式(1)における電荷中性条件を満たすように定められる。ここで、上記一般式における酸素原子数を決定する変数である「δ」は、典型的には1を超えない正の数(0≦δ<1)である。なお、上記一般式(1)中の酸素原子数は、上述のように、ペロブスカイト型酸化物を構成する他の元素によって変化するものであるため、正確に表示することは困難である。すなわち、上記一般式(1)中の(3−δ)は、本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではない。
上記一般式(1)に示されるFe系ペロブスカイト型酸化物は、必須金属元素として鉄を含んでおり、コバルト(Co)を含んだCo系ペロブスカイト型酸化物や、マンガン(Mn)を含んだMn系ペロブスカイト型酸化物に比べて、SOFCの固体電解質として用いられる材料(例えば、ジルコニウム酸化物など)との反応性が低い。このため、カソード用材料として用いた場合に、カソード−固体電解質間の固相反応が生じにくいという特徴を有している。
かかるFe系ペロブスカイト型酸化物の具体例としては、「Ae」を含まず(x=0)「M」としてNiを選択したLNF酸化物(即ち、Ln(典型的にはLa)、Ni、Feを構成元素として含む酸化物:LnNi1−yFe3−δ(0<y<1))が挙げられる。他の例としては、Ln(典型的にはLa),Sr,Ti,Feを構成元素として含む酸化物であるLSTF酸化物(Ln1−xSrTi1−yFe3−δ(0<x<1、0<y<1))や、Ln(典型的にはLa),Sr,Zr,Feを構成元素として含む酸化物であるLSZF酸化物(Ln1−xSrZr1−yFe3−δ(0<x<1、0<y<1))や、Ln(典型的にはLa),Ba,Al,Feを構成元素として含む酸化物であるLBAF酸化物(Ln1−XBaAl1−yFe3−δ(0<x<1、0<y<1))などが挙げられる。
1. Fe-based perovskite particles The Fe-based perovskite oxide that constitutes the Fe-based perovskite particles contains iron (Fe) as an essential constituent element, and has the following general formula (1):
(Ln 1-x Ae x ) (M 1-y Fe y ) O 3-δ (1)
It can be expressed as
Here, “Ln” in the general formula (1) is at least one element selected from lanthanoids, and elements having atomic numbers of 57 to 71 (for example, lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium). (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), etc.) can be selected from any one or more. Among these, La can be particularly preferably used. When “Ln” contains two or more elements, it is preferable that the La content is high.
“Ae” in the general formula (1) represents a metal element belonging to an alkaline earth metal, and among these alkaline earth metal elements, strontium (Sr), barium (Ba), and calcium (Ca 1) or 2 or more elements selected from the group consisting of: Further, among these, those containing Sr, Ba (or a combination of Sr and Ba) are preferable. Further, a composition having a high Sr or Ba content in “Ae” is suitable, and it is composed of only Sr (or Ba) or contains a high content of Sr (or Ba) ( For example, Sr (or Ba) is contained in 50% by mole or more in “Ae”).
“M” in the general formula (1), which is a metal element constituting an Fe-based perovskite oxide together with “Fe”, is titanium (Ti), nickel (Ni), aluminum (Al), zirconium (Zr), Gallium (Ga), magnesium (Mg), copper (Cu), indium (In), tin (Sn), vanadium (V), chromium (Cr), zinc (Zn), germanium (Ge), scandium (Sc) and One or more elements selected from the group consisting of yttrium (Y). Among these, any one of Ti, Ni, Al, Zr, and Ga, or a combination of any two of these is preferable. An Fe-based perovskite oxide containing Ti, Ni, Al, Zr or Ga together with Fe has high oxide ion conductivity, and can contribute to the formation of a high-performance cathode.
Further, “x” in the general formula (1) is a value indicating a ratio in which “Ln” (typically La) is replaced by “Ae” in the Fe-based perovskite oxide. The range that “x” can take may be any real number within the range of 0 ≦ x <1, as long as the structure can be maintained without breaking the perovskite structure. Depending on the purpose of this configuration, the composition ratio of Ln (1-x) and Ae (x) is appropriately selected, but preferably 0 ≦ x ≦ 0.6, particularly preferably 0 ≦ x ≦ 0. .4.
As described above, the Fe-based perovskite oxide includes iron (Fe) as an essential constituent element. “Y” in the general formula (1) is a value that determines the composition ratio of “M” and “Fe” in the Fe-based perovskite oxide. The possible value of “y” may be a real number satisfying the range of 0 <y ≦ 1 (typically 0 <y <1). By determining the value of “y”, “Fe” The content ratio of the metal element “M” other than “” is also determined. The composition ratio of Fe (y) and M (1-y) can be appropriately selected according to the purpose of this configuration. An example of the value of “y” is 0.1 ≦ y <1, and preferably 0.4 ≦ y <1.
In the above general formula, the number of oxygen atoms may be 3 or less (typically less than 3). However, the number of oxygen atoms in the general formula (1) depends on the type of the atom that substitutes a part of the perovskite structure (for example, a part of “Ae” or “M” in the formula), the substitution ratio, and other conditions. It is determined to satisfy the charge neutrality condition. Here, “δ”, which is a variable for determining the number of oxygen atoms in the above general formula, is typically a positive number not exceeding 1 (0 ≦ δ <1). In addition, since the number of oxygen atoms in the general formula (1) varies depending on other elements constituting the perovskite oxide as described above, it is difficult to display accurately. That is, (3-δ) in the general formula (1) is not intended to limit the technical scope of the present invention.
The Fe-based perovskite oxide represented by the general formula (1) contains iron as an essential metal element, and a Co-based perovskite oxide containing cobalt (Co) or Mn containing manganese (Mn). Compared with the system perovskite type oxide, the reactivity with the material (for example, zirconium oxide etc.) used as a solid electrolyte of SOFC is low. For this reason, when it uses as a material for cathodes, it has the characteristics that the solid-phase reaction between a cathode and a solid electrolyte hardly arises.
Specific examples of such Fe-based perovskite oxides include LNF oxides that do not include “Ae” (x = 0) and select Ni as “M” (ie, Ln (typically La), Ni, Fe Oxide as a constituent element: LnNi 1-y Fe y O 3-δ (0 <y <1)). As another example, an LSTF oxide (Ln 1−x Sr x Ti 1−y Fe y O 3−δ ) which is an oxide containing Ln (typically La), Sr, Ti, and Fe as constituent elements is used. 0 <x <1, 0 <y <1)) and LSZF oxide (Ln 1-x Sr x Zr 1 ) which is an oxide containing Ln (typically La), Sr, Zr, Fe as constituent elements -Y Fe y O 3 -δ (0 <x <1, 0 <y <1)) or LBAF oxide which is an oxide containing Ln (typically La), Ba, Al, Fe as constituent elements (Ln 1-X Ba x Al 1-y Fe y O 3-δ (0 <x <1,0 <y <1)) and the like.

2.セラミックコーティング粒子
ここで開示される複合材料には、コアの表面をセラミックで被覆することによって形成されたセラミックコーティング粒子が含まれている。このセラミックコーティング粒子は、上記Fe系ペロブスカイト粒子100質量部に対して10質量部〜90質量部(好ましくは50質量部〜80質量部、例えば70±5質量部)の質量割合で含まれているとよい。かかる構成の複合材料は、より高い電極触媒能力を有するカソードを形成できる。
2. Ceramic Coated Particles The composite material disclosed herein includes ceramic coated particles formed by coating the surface of the core with ceramic. The ceramic coating particles are contained in a mass ratio of 10 parts by mass to 90 parts by mass (preferably 50 parts by mass to 80 parts by mass, for example, 70 ± 5 parts by mass) with respect to 100 parts by mass of the Fe-based perovskite particles. Good. Such a composite material can form a cathode having a higher electrocatalytic ability.

2−1.コア
上記セラミックコーティング粒子のコアは、酸素のイオン化反応(1/2O+2e→O2−)を触媒する金属(以下、適宜「触媒金属」と称する。)から構成されている。上記コアを構成する触媒金属としては、貴金属に属する金属元素(銀(Ag),金(Au),白金(Pt),パラジウム(Pd),ロジウム(Rh),イリジウム(Ir),ルテニウム(Ru),オスミウム(Os)など)からなる粒子(若しくは、これらの貴金属を主体とする合金)が挙げられる。上述の貴金属粒子の中でも、銀粒子(若しくは銀の合金)は、高い触媒能力を有している上、他の貴金属粒子に比べて安価に入手できるというメリットを有している。
2-1. Core The core of the ceramic coating particle is composed of a metal that catalyzes an ionization reaction of oxygen (1 / 2O 2 + 2e → O 2− ) (hereinafter referred to as “catalytic metal” as appropriate). The catalyst metal constituting the core includes metal elements belonging to noble metals (silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), ruthenium (Ru). , Osmium (Os), etc.) (or an alloy mainly composed of these noble metals). Among the above-mentioned noble metal particles, silver particles (or silver alloys) have a high catalytic ability and have an advantage that they can be obtained at a lower cost than other noble metal particles.

ところで、SOFCセル(SOFCシステム)を構成する部材は、製造時や動作時に高温環境(例えば、一般的な動作温度は700℃〜1000℃程度である。)に晒されるため、高い耐熱性を有することが求められる。上記にて、触媒金属であるコアの好適な材料として挙げた銀(Ag)は、他の貴金属に比べると比較的に融点が低い(962℃)ため、従来ではカソードに添加する触媒金属として好ましい材料とは言い難かった。
これに対して、ここで開示される複合材料では、コアの表面をセラミックで被覆しているので、加熱によるコアの焼結を防ぐことができる。したがって、ここで開示される複合材料では、「焼結による劣化」というデメリットを解消し、メリットである「安価で高い触媒機能」のみを享受できる。このため、ここで開示される複合材料では、触媒機能を有する材料(コア)として銀を用いることが可能になっている。
By the way, members constituting the SOFC cell (SOFC system) are exposed to a high temperature environment (for example, a general operation temperature is about 700 ° C. to 1000 ° C.) during manufacturing and operation, and thus have high heat resistance. Is required. Silver (Ag) mentioned above as a suitable material for the core, which is a catalyst metal, has a relatively low melting point (962 ° C.) compared to other noble metals, so that it is conventionally preferred as a catalyst metal to be added to the cathode. It was hard to say that the material.
On the other hand, in the composite material disclosed here, the surface of the core is coated with ceramic, so that the core can be prevented from being sintered by heating. Therefore, the composite material disclosed here can eliminate the demerit of “deterioration due to sintering” and enjoy only the “low cost and high catalyst function” which is a merit. For this reason, in the composite material disclosed here, it is possible to use silver as a material (core) having a catalytic function.

2−2.コーティング物質
セラミックコーティング粒子では、上記触媒金属からなるコアの表面が所定のセラミックで被覆されている。コアの表面を被覆するセラミックとしては、耐熱性に優れているものが好ましい。例えば、融点が1000℃以上(例えば1000℃〜3000℃、より好ましくは2000℃〜3000℃)のものを好ましく用いることができる。また、セラミックとしては、SOFCの固体電解質との接合相性が良い組成のものが好ましい。このため、コーティング物質に用いるセラミックは、耐熱性、および、固体電解質との接合相性を考慮して、その種類を適宜変更することができる。例えば、酸化アルミニウム(アルミナ:Al),酸化ジルコニウム(ジルコニア:ZrO),酸化マグネシウム(マグネシア:MgO),酸化ケイ素(シリカ:SiO),酸化チタン(チタニア:TiO),酸化セリウム(セリア:CeO)などが挙げられる。これらの中でも、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムは、耐熱性に優れた多孔質構造のセラミックである上、安価に入手できるため好ましい。さらに、酸化ジルコニウムとしては、希土類の酸化物を固溶させることによって結晶構造を安定化させた安定化ジルコニアを好ましく用いることができる。かかる安定化ジルコニアとしては、イットリウム(Y)の酸化物(例えばイットリア(Y))を固溶させたイットリア安定化ジルコニア(YSZ)や、スカンジウム(Sc)の酸化物(例えばスカンジア(Sc))を固溶させたスカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)などを特に好ましく用いることができる。
また、セラミックからなる被覆層は上記コアの表面を多孔質状態で被覆している。このように、多孔質状態に形成されている被覆層には複数の微細孔が形成されている。このセラミックからなる被覆層の細孔率(ガス吸着測定による)は、10%〜60%程度であるとよい。ここで、セラミックの被覆層の細孔率が60%以下であるならば、コアである触媒金属の焼結を好適に防止できる。また、細孔率が10%以上であるならば、セラミックに被覆されたコアの有効表面積が大きくなるため、高い電極触媒能力を有したカソードを形成できる。また、セラミックからなる被覆層の厚みは、1nm〜500nm(好ましくは1nm〜100nm、より好ましくは1nm〜10nm)程度であるとよい。上記被覆層の厚みが1nmを大きく下回ると、上記コアの焼結を防止することが難しくなる。一方、500nmを大きく上回ると、被覆層が剥離しやすくなる。上記数値範囲内の厚みを有した被覆層は、上記コアの焼結を好適に防止し、且つ、コアの表面から剥離し難いため好ましい。
2-2. Coating Material In the ceramic coating particles, the surface of the core made of the catalyst metal is coated with a predetermined ceramic. As the ceramic covering the surface of the core, a ceramic having excellent heat resistance is preferable. For example, those having a melting point of 1000 ° C. or higher (for example, 1000 ° C. to 3000 ° C., more preferably 2000 ° C. to 3000 ° C.) can be preferably used. Moreover, as a ceramic, the thing of a composition with favorable joining compatibility with the solid electrolyte of SOFC is preferable. For this reason, the kind of the ceramic used for the coating material can be appropriately changed in consideration of heat resistance and bonding compatibility with the solid electrolyte. For example, aluminum oxide (alumina: Al 2 O 3 ), zirconium oxide (zirconia: ZrO 2 ), magnesium oxide (magnesia: MgO), silicon oxide (silica: SiO 2 ), titanium oxide (titania: TiO 2 ), cerium oxide (Ceria: CeO 2 ). Among these, aluminum oxide and zirconium oxide are preferable because they are porous ceramics having excellent heat resistance and can be obtained at low cost. Further, as zirconium oxide, stabilized zirconia in which the crystal structure is stabilized by dissolving a rare earth oxide can be preferably used. Examples of such stabilized zirconia include yttria stabilized zirconia (YSZ) in which an oxide of yttrium (Y) (for example, yttria (Y 2 O 3 )) is dissolved, and scandium (Sc) oxide (for example, scandia (Sc)). Scandia-stabilized zirconia (ScSZ) in which 2 O 3 )) is dissolved can be used particularly preferably.
The coating layer made of ceramic covers the surface of the core in a porous state. Thus, a plurality of micropores are formed in the coating layer formed in a porous state. The porosity of the coating layer made of ceramic (according to gas adsorption measurement) is preferably about 10% to 60%. Here, if the porosity of the ceramic coating layer is 60% or less, the sintering of the catalytic metal as the core can be suitably prevented. Moreover, if the porosity is 10% or more, the effective surface area of the core covered with the ceramic is increased, so that a cathode having a high electrocatalytic ability can be formed. The thickness of the coating layer made of ceramic is preferably about 1 nm to 500 nm (preferably 1 nm to 100 nm, more preferably 1 nm to 10 nm). If the thickness of the coating layer is significantly less than 1 nm, it is difficult to prevent the core from being sintered. On the other hand, if it greatly exceeds 500 nm, the coating layer tends to peel off. The coating layer having a thickness within the above numerical range is preferable because it suitably prevents the core from being sintered and hardly peels from the surface of the core.

3.その他の添加物
なお、ここで開示される複合材料は、上述のFe系ペロブスカイト粒子、セラミックコーティング粒子以外の添加物を含んでいてもよい。
例えば、上述したように、ここで開示される複合材料は、ペースト状に調製されていてもよい。当該ペースト状の複合材料には少なくとも1種の分散媒が含まれている。この分散媒は、上記複合材料の構成素材を好適に分散できればよく、有機系分散媒、無機系分散媒の何れを用いてもよい。有機系分散媒としては、例えば、テルピネオール,ブチルジグリコールアセテート,イソブチルアルコールなどが好適に用いられる。また、無機系分散媒としては例えば、水などが好適に用いられる。ペースト状に調製された複合材料は、SOFCセルのカソードを形成する際に、固体電解質上に付与することが容易であるため好ましい。
また、複合材料には、他の添加物として増粘剤や結着剤などが添加されていてもよい。ここで用いられ得るのは、エチルセルロース,ブチラールなどが挙げられる。上述のような添加物を加えることによって、複合材料の固体電解質上への付与が更に容易になる。
3. Other Additives The composite material disclosed herein may contain additives other than the above-described Fe-based perovskite particles and ceramic coating particles.
For example, as described above, the composite material disclosed herein may be prepared in a paste form. The paste-like composite material contains at least one dispersion medium. The dispersion medium may be any organic dispersion medium or inorganic dispersion medium as long as the constituent material of the composite material can be suitably dispersed. As the organic dispersion medium, for example, terpineol, butyl diglycol acetate, isobutyl alcohol and the like are preferably used. Moreover, as an inorganic dispersion medium, water etc. are used suitably, for example. The composite material prepared in a paste form is preferable because it can be easily applied onto the solid electrolyte when forming the cathode of the SOFC cell.
Moreover, a thickener, a binder, etc. may be added to the composite material as other additives. Examples that can be used here include ethyl cellulose and butyral. By adding the additives as described above, application of the composite material onto the solid electrolyte is further facilitated.

上記構成の複合材料は、固体電解質との反応性の低いFe系ペロブスカイト型酸化物からなる粒子を含んでいる。このため、固体電解質との間で固相反応が生じにくいカソードを形成することができる。また、かかる複合材料はセラミックコーティング粒子を含んでいる。このセラミックコーティング粒子のコアは、酸素のイオン化反応に対して触媒機能を有しているため、上記Fe系ペロブスカイト粒子を用いているにも関わらず、高い電極触媒能力を有したカソードを形成することができる。さらに、このセラミックコーティング粒子は、上記コアをセラミックで被覆することによって構成されているため、触媒金属からなるコアの焼結を好適に防止できる。
上述のように、ここで開示される複合材料は、様々な点で高性能なカソードを形成することができ、特に、従来においてトレードオフの関係にあった「固相反応の防止」と、「電極触媒能力の向上」とを両立できるという点で好ましい効果を奏する。
The composite material having the above structure includes particles made of an Fe-based perovskite oxide having low reactivity with the solid electrolyte. For this reason, it is possible to form a cathode that hardly causes a solid-phase reaction with the solid electrolyte. Such composite materials also include ceramic coating particles. Since the core of the ceramic coating particle has a catalytic function for the ionization reaction of oxygen, a cathode having a high electrocatalytic ability can be formed even though the Fe-based perovskite particle is used. Can do. Furthermore, since this ceramic coating particle is comprised by coat | covering the said core with a ceramic, the sintering of the core which consists of a catalyst metal can be prevented suitably.
As described above, the composite material disclosed herein can form a high-performance cathode in various respects, and in particular, “prevention of solid-phase reaction” and “ It has a favorable effect in that both “improvement of electrode catalyst ability” can be achieved.

<複合材料の製造方法>
次に、上記複合材料を製造する方法について説明する。ここで開示される複合材料の製造方法は、例えば、(I)上記Fe系ペロブスカイト粒子と上記セラミックコーティング粒子とを混合し、混合粉末を調製すること;(II)該混合粉末にアニール処理を行った後に粉砕して複合材料を得ること;を包含する。
<Production method of composite material>
Next, a method for producing the composite material will be described. The composite material manufacturing method disclosed herein includes, for example, (I) mixing the Fe-based perovskite particles and the ceramic coating particles to prepare a mixed powder; (II) performing an annealing treatment on the mixed powder. And then pulverizing to obtain a composite material.

I.混合粉末の調製
先ず、上述のFe系ペロブスカイト粒子とセラミックコーティング粒子とを混合した混合粉末を調製する。ここで用いられるFe系ペロブスカイト粒子およびセラミックコーティング粒子の詳しい構成については、「1.Fe系ペロブスカイト粒子」および「2.セラミックコーティング粒子」の項で説明したため、ここでは説明を省略する。
混合粉末を調製する際に用いるFe系ペロブスカイト粒子は、平均粒径が0.1μm〜10μm(好ましくは0.5μm〜5μm、より好ましくは1±0.5μm)のものを用いるとよい。また、セラミックコーティング粒子は、平均粒径が0.1μm〜10μm(好ましくは0.5μm〜5μm、より好ましくは1μm〜3μm)のものを用いるとよい。
なお、Fe系ペロブスカイト粒子及びセラミックコーティング粒子については、例えば、原料から作成してもよいし、購入してもよい。
I. Preparation of mixed powder First, a mixed powder in which the above-described Fe-based perovskite particles and ceramic coating particles are mixed is prepared. The detailed configuration of the Fe-based perovskite particles and ceramic coating particles used here has been described in the sections of “1. Fe-based perovskite particles” and “2. Ceramic coating particles”, and thus description thereof is omitted here.
Fe-based perovskite particles used for preparing the mixed powder may have an average particle size of 0.1 μm to 10 μm (preferably 0.5 μm to 5 μm, more preferably 1 ± 0.5 μm). Ceramic coating particles having an average particle size of 0.1 μm to 10 μm (preferably 0.5 μm to 5 μm, more preferably 1 μm to 3 μm) may be used.
Note that the Fe-based perovskite particles and ceramic coating particles may be prepared from raw materials or purchased, for example.

I−1.セラミックコーティング粒子の作製
ここでは、セラミックコーティング粒子を原料から作製する方法の一例を説明する。なお、ここで用いられるセラミックコーティング粒子は、コアの表面をセラミックにより多孔質状態で被覆することによって作製されていればよく、その作製方法に特に制限はない。従って、従来知られているセラミックコーティング粒子の作製方法をそのまま適用することができる。以下、セラミックコーティング粒子の作製方法の一例を示す。
ここでは、先ず、セラミックを構成する金属元素を含んだ有機系金属化合物を有機溶剤に溶解若しくは分散させる。上記有機系金属化合物としては、セラミックを構成する金属元素を含んだ有機酸金属塩や金属アルコキシド、キレート化合物などを用いることができる。例えば、コーティング物質としてジルコニアを選択する場合、ジルコニウム(Zr)を含む金属アルコキシド(ジルコニウムアルコキシド)として、ジルコニウムエトキシドやジルコニウムブトキシドなどが好適に用いられる。また、上記有機系金属化合物を分散(溶解)させる有機溶剤としては、トルエン、キシレン、各種アルコール等が好ましく用いられる。
次いで、得られた溶液若しくは分散液(ゾル)に、コアとなる触媒金属(例えば、貴金属粒子)を添加し、分散(懸濁)する。この懸濁液を所定時間静置又は撹拌することによって、当該懸濁液中のコアの表面を上記有機系金属化合物でコーティングすることができる。
次に、上記有機系金属化合物でコーティングされたコアを大気雰囲気下で熱処理(典型的には350℃〜700℃)する。これによって、上記有機系金属化合物から有機化合物が抜けるとともに、上記有機系金属化合物に含まれる金属元素が酸化されて、セラミック(金属酸化物)となる。また、このときに、有機系金属化合物から抜けた有機化合物や分散媒が配置されていた箇所が微細孔となり、上記コアを被覆するセラミックに多孔質構造が形成される。このようにして、上記コアの表面がセラミックによって多孔質状態で被覆されたセラミックコーティング粒子が得られる。
I-1. Production of Ceramic Coating Particles Here, an example of a method for producing ceramic coating particles from raw materials will be described. In addition, the ceramic coating particle used here should just be produced by coat | covering the surface of a core with a ceramic in a porous state, and there is no restriction | limiting in particular in the production method. Therefore, a conventionally known method for producing ceramic coating particles can be applied as it is. Hereinafter, an example of a method for producing ceramic coating particles will be described.
Here, first, an organic metal compound containing a metal element constituting the ceramic is dissolved or dispersed in an organic solvent. As the organic metal compound, an organic acid metal salt, metal alkoxide, chelate compound, or the like containing a metal element constituting a ceramic can be used. For example, when zirconia is selected as the coating material, zirconium ethoxide, zirconium butoxide, or the like is preferably used as the metal alkoxide (zirconium alkoxide) containing zirconium (Zr). As the organic solvent for dispersing (dissolving) the organic metal compound, toluene, xylene, various alcohols, and the like are preferably used.
Next, a catalyst metal (for example, noble metal particles) serving as a core is added to the obtained solution or dispersion (sol) and dispersed (suspended). By standing or stirring this suspension for a predetermined time, the surface of the core in the suspension can be coated with the organometallic compound.
Next, the core coated with the organic metal compound is heat-treated (typically 350 ° C. to 700 ° C.) in an air atmosphere. As a result, the organic compound is removed from the organic metal compound, and the metal element contained in the organic metal compound is oxidized to form a ceramic (metal oxide). At this time, the portion where the organic compound or the dispersion medium that has escaped from the organic metal compound is disposed becomes a micropore, and a porous structure is formed in the ceramic covering the core. In this way, ceramic coated particles are obtained in which the surface of the core is coated with a ceramic in a porous state.

II.複合材料の作製
上記セラミックコーティング粒子とFe系ペロブスカイト粒子とからなる混合粉末から複合材料を得るには、先ず、混合粉体に対してアニール処理を行う。アニール処理の温度は700℃〜900℃(好ましくは800±50℃)に設定するとよく、時間は、30分〜4時間(好ましくは30分〜2時間)に設定するとよい。
次に、上記アニール処理の結果物を粉砕する。これによって、Fe系ペロブスカイト粒子とセラミックコーティング粒子とを含有する粉末状の複合材料が得られる。この粉砕処理には、例えば、ボールミル、ジェットミルなどを用いることができる。また、粉砕処理は、平均粒径0.5μm〜2μm(好ましくは0.5μm〜1.5μm)の粉末状の複合材料が得られるように、粉砕速度や粉砕時間を調節するとよい。
II. Production of Composite Material To obtain a composite material from a mixed powder composed of the ceramic coating particles and Fe-based perovskite particles, first, the mixed powder is annealed. The annealing temperature may be set to 700 ° C. to 900 ° C. (preferably 800 ± 50 ° C.), and the time may be set to 30 minutes to 4 hours (preferably 30 minutes to 2 hours).
Next, the result of the annealing treatment is pulverized. As a result, a powdery composite material containing Fe-based perovskite particles and ceramic coating particles is obtained. For this pulverization treatment, for example, a ball mill, a jet mill or the like can be used. In the pulverization treatment, the pulverization speed and the pulverization time may be adjusted so that a powdery composite material having an average particle diameter of 0.5 μm to 2 μm (preferably 0.5 μm to 1.5 μm) is obtained.

III.ペースト状複合材料の調製
また、上記「3.その他の添加物」の項で述べたように、ここでは、上記複合材料をペースト状に調製してもよい。かかるペースト状の複合材料を調製する場合には、上記粉砕処理によって得られた粉末状の複合材料に、分散媒(例えばテルピネオール)と増粘剤(例えばエチルセルロース)などの添加物を添加して混練するとよい。この混練処理には、例えば、ロールミル、ミキサーなどを用いることができる。また、かかる混練処理において、上記粉末状の複合材料と、その他の添加物とを50rpm〜300rpmの攪拌速度で、0.5時間〜1時間混練することによって、粉末状の複合材料が好適に分散したペースト状の複合材料が得られる。
III. Preparation of Paste Composite Material As described in the section “3. Other Additives”, the composite material may be prepared in a paste form here. When preparing such a paste-like composite material, additives such as a dispersion medium (for example, terpineol) and a thickener (for example, ethyl cellulose) are added to the powdered composite material obtained by the above pulverization treatment and kneaded. Good. For this kneading treatment, for example, a roll mill, a mixer or the like can be used. In such a kneading process, the powdery composite material and other additives are kneaded at a stirring speed of 50 rpm to 300 rpm for 0.5 hour to 1 hour, so that the powdery composite material is suitably dispersed. A pasty composite material is obtained.

<SOFCセル>
以上、ここで開示される複合材料について説明した。かかる複合材料は、例えば、固体酸化物形燃料電池(即ちSOFCセル)のカソード用材料として好適に用いることができる。以下では、上記複合材料でカソードを形成したSOFCセルについて、図1を参照しながら説明する。図1は、SOFCセル50を備えたSOFCシステム100の断面構成を模式的に示した図である。図1に示す構成のSOFCセル50は、アノード支持型のSOFCセルである。かかるSOFCセル50は、アノード(燃料極)10と、固体電解質20と、カソード(空気極)30とからなる積層構造を有している。
<SOFC cell>
The composite material disclosed here has been described above. Such a composite material can be suitably used, for example, as a cathode material for a solid oxide fuel cell (ie, SOFC cell). Hereinafter, an SOFC cell in which a cathode is formed of the composite material will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a cross-sectional configuration of an SOFC system 100 including the SOFC cell 50. The SOFC cell 50 having the configuration shown in FIG. 1 is an anode-supported SOFC cell. The SOFC cell 50 has a laminated structure including an anode (fuel electrode) 10, a solid electrolyte 20, and a cathode (air electrode) 30.

A.アノード
上記SOFCセルを構成するアノードは多孔質構造を有している。かかるアノードを構成する材料としては、例えば、ニッケル(Ni)やルテニウム(Ru)などの8族〜10族の金属元素(若しくは白金族元素)と、セラミック(例えば、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、カルシア安定化ジルコニア(CSZ)、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)など)とのサーメットからなる多孔質材料が好適に採用される。
アノードは、SOFCセルに供給される燃料ガスに接触できるように構成されていればよく、その形状はSOFCセルの形状に応じて適宜選択し得る。例えば、シート状(または平板状)、もしくは燃料ガスをアノード内に流入させるための中空部(ガス流路)を備えた中空箱型状や筒状形状、または中空扁平状(フラットチューブラ−状)などが挙げられる。図1に示す構成のSOFCセル50では、厚く形成されたシート状のアノード10がSOFCセル50の支持体として形成されている。かかる支持体としてのアノード10の厚みは、典型的には0.1mm〜10mm程度であり、好ましくは0.5mm〜5mm程度であるが、かかる厚みに限定されるものではない。
A. Anode The anode constituting the SOFC cell has a porous structure. Examples of the material constituting the anode include a group 8 to group 10 metal element (or platinum group element) such as nickel (Ni) and ruthenium (Ru), and a ceramic (for example, yttria stabilized zirconia (YSZ)). A porous material composed of cermet with calcia-stabilized zirconia (CSZ), scandia-stabilized zirconia (ScSZ), etc. is preferably employed.
The anode should just be comprised so that it can contact the fuel gas supplied to a SOFC cell, and the shape can be suitably selected according to the shape of a SOFC cell. For example, a sheet shape (or flat plate shape), a hollow box shape or a cylindrical shape provided with a hollow portion (gas flow path) for allowing fuel gas to flow into the anode, or a hollow flat shape (flat tubular shape) Etc. In the SOFC cell 50 having the configuration shown in FIG. 1, a thick sheet-like anode 10 is formed as a support for the SOFC cell 50. The thickness of the anode 10 as such a support is typically about 0.1 mm to 10 mm, and preferably about 0.5 mm to 5 mm, but is not limited to this thickness.

B.固体電解質
固体電解質は緻密構造を有している。固体電解質を構成する材料としては、例えば、ジルコニウム(Zr),セリウム(Ce),ランタン(La),ガリウム(Ga)の金属元素を含む酸化物が使用でき、この中でも、ジルコニウムの酸化物である酸化ジルコニウム(ジルコニア:ZrO)を好ましく用いることができる。さらに、固体電解質用の材料としては、希土類の酸化物を上記酸化ジルコニウムに固溶させることによって結晶構造を安定化させた安定化ジルコニアをより好ましく用いることができる。この安定化ジルコニアの中でも、イットリウム(Y)の酸化物(例えば、イットリア(Y))を固溶させたイットリア安定化ジルコニア(YSZ)や、スカンジウム(Sc)の酸化物(例えばスカンジア(Sc))を固溶させたスカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)などを特に好ましく用いることができる。
固体電解質は、上記アノードの上に積層されており、アノードの形状に応じてその形状を適宜変更することができる。図1に示す構成のSOFCセル50では、シート状のアノード10の上に、膜状の固体電解質20が積層されている。かかる固体電解質20の膜厚は、典型的には5μm〜100μm程度であり、好ましくは10μm〜30μm程度であるが、かかる膜厚に限定されるものではない。
B. Solid electrolyte The solid electrolyte has a dense structure. As a material constituting the solid electrolyte, for example, an oxide containing a metal element of zirconium (Zr), cerium (Ce), lanthanum (La), gallium (Ga) can be used, and among these, an oxide of zirconium. Zirconium oxide (zirconia: ZrO 2 ) can be preferably used. Furthermore, as the material for the solid electrolyte, stabilized zirconia in which the crystal structure is stabilized by dissolving a rare earth oxide in the zirconium oxide can be more preferably used. Among these stabilized zirconia, yttria stabilized zirconia (YSZ) in which an oxide of yttrium (Y) (for example, yttria (Y 2 O 3 )) is dissolved, and scandium (Sc) oxide (for example, scandia ( Scandia-stabilized zirconia (ScSZ) in which Sc 2 O 3 )) is dissolved can be particularly preferably used.
The solid electrolyte is laminated on the anode, and the shape can be appropriately changed according to the shape of the anode. In the SOFC cell 50 having the configuration shown in FIG. 1, a membrane-like solid electrolyte 20 is laminated on a sheet-like anode 10. The thickness of the solid electrolyte 20 is typically about 5 μm to 100 μm, and preferably about 10 μm to 30 μm, but is not limited to this thickness.

C.カソード
カソードは、上記アノードと同様に多孔質構造を有している。ここで開示されるSOFCセルでは、上記複合材料でカソードが形成されている。なお、「複合材料」の構成については、上記<複合材料の構成>の項で説明しているため、本項での説明を省略する。
上記複合材料に含まれるセラミックコーティング粒子のセラミックは、上記固体電解質層との間で良好な接合相性を有する素材(例えば、酸化ジルコニウム,酸化アルミニウム,酸化チタンなど)で構成されている。このため、比較的に低温(例えば900℃以下、典型的には700℃〜900℃、好ましくは800±50℃)でカソードを焼成した場合であっても固体電解質から剥離しにくいカソードを形成できる。
また、さらに剥離しにくいカソードを形成するには、固体電解質を構成する金属酸化物と同種のセラミックでコアをコーティングしたセラミックコーティング粒子を用いるとよい。例えば、固体電解質に酸化ジルコニウム(YSZなど)が含まれている場合、セラミックコーティング粒子のセラミックに酸化ジルコニウムを用いると好ましい。この場合、固体電解質とカソードの両方に酸化ジルコニウムが存在しているため、固体電解質−カソード間の界面抵抗が低くなり、固体電解質とカソードとの接合性をさらに向上させることができる。
また、カソードは、上記固体電解質層上に積層されているとともに、酸素含有ガス(例えば空気)と接触可能に形成されている。かかるカソードの形状は、アノードや固体電解質の形状に応じて適宜変更することができる。例えば、図1に示す構成のSOFCセル50では、固体電解質20の上にシート状のカソード30が積層されている。このとき、カソード30の固体電解質20に接する面の反対側の面は、酸素含有ガスである外気(空気)に晒されている。かかるカソード30の膜厚は、5μm〜100μm(好ましくは10μm〜50μm)程度であると好ましい。
C. Cathode The cathode has a porous structure like the anode. In the SOFC cell disclosed here, the cathode is formed of the composite material. Note that the configuration of the “composite material” has been described in the above section <Composition of the composite material>, and thus the description in this section is omitted.
The ceramic of the ceramic coating particles contained in the composite material is composed of a material (for example, zirconium oxide, aluminum oxide, titanium oxide, etc.) having a good bonding phase with the solid electrolyte layer. For this reason, even when the cathode is fired at a relatively low temperature (for example, 900 ° C. or lower, typically 700 ° C. to 900 ° C., preferably 800 ± 50 ° C.), it is possible to form a cathode that does not easily peel off from the solid electrolyte. .
Further, in order to form a cathode that is more difficult to peel, it is preferable to use ceramic coated particles in which the core is coated with the same kind of ceramic as the metal oxide constituting the solid electrolyte. For example, when zirconium oxide (such as YSZ) is contained in the solid electrolyte, it is preferable to use zirconium oxide for the ceramic of the ceramic coating particles. In this case, since zirconium oxide exists in both the solid electrolyte and the cathode, the interface resistance between the solid electrolyte and the cathode is lowered, and the joining property between the solid electrolyte and the cathode can be further improved.
The cathode is laminated on the solid electrolyte layer and is formed so as to be in contact with an oxygen-containing gas (for example, air). The shape of the cathode can be appropriately changed according to the shape of the anode or the solid electrolyte. For example, in the SOFC cell 50 configured as shown in FIG. 1, a sheet-like cathode 30 is laminated on the solid electrolyte 20. At this time, the surface of the cathode 30 opposite to the surface in contact with the solid electrolyte 20 is exposed to outside air (air) that is an oxygen-containing gas. The thickness of the cathode 30 is preferably about 5 μm to 100 μm (preferably 10 μm to 50 μm).

<SOFCシステム>
上記構成のSOFCセルを用いることによって、当該セルを単数または複数有するSOFCシステムを構築することができる。具体的には、SOFCシステムは、上記SOFCセル同士あるいは、該セルと該セルに接続される接続部材を接合することによって構築することができる。
<SOFC system>
By using the SOFC cell having the above-described configuration, an SOFC system having one or a plurality of the cells can be constructed. Specifically, the SOFC system can be constructed by joining the SOFC cells to each other or a connection member connected to the cells.

D.接続部材
本明細書における接続部材とは、SOFCシステムを構築するにあたり、上記SOFCセルに接続させる部材全般を指すものである。かかる接続部材の一例としては、セルにガスを供給するためのガス管や、セル同士を接続したスタックにおいてセル間に介在させるインターコネクタなどが挙げられる。このような接続部材は、後述の接合部40によりSOFCセルに接続される。図1に示す構成のSOFCシステム100では、接続部材としてガス管60が用いられており、該ガス管60とSOFCセル50とが接合部40によって接合されている。
D. Connection member The connection member in this specification refers to all members to be connected to the SOFC cell in constructing the SOFC system. Examples of such connection members include a gas pipe for supplying gas to the cells, and an interconnector interposed between the cells in a stack in which the cells are connected to each other. Such a connection member is connected to the SOFC cell by a joint 40 described later. In the SOFC system 100 having the configuration shown in FIG. 1, a gas pipe 60 is used as a connection member, and the gas pipe 60 and the SOFC cell 50 are joined by a joint portion 40.

D−1.ガス管
ガス管について説明する。当該ガス管は、セル(若しくは、該セルを複数連結させたスタック)にガス(燃料ガス若しくは酸素含有ガス)を供給するために用いられる。かかるガス管の構造は、従来のガス管と同様でよく、特に制限されない。例えば、固体電解質と同質材料であるYSZ等のジルコニア系酸化物の緻密体を成形してなる配管や、SOFCシステム用として市販されているSUS430金属等からなる金属配管などが好ましく用いられる。なかでも、ジルコニア系酸化物の緻密体からなるガス管は、アノード・固体電解質との接合相性がよいため好適に用いることができる。ガス管の形状、サイズについては、連結されるセル(スタック)の形状に応じて適宜変更することができる。
図1に示す構成のSOFCシステム100では、SOFCセル50のアノード10の連結面12と、筒状のガス管60の端面62とが接続されている。
D-1. Gas pipe The gas pipe will be described. The gas pipe is used to supply gas (fuel gas or oxygen-containing gas) to a cell (or a stack in which a plurality of the cells are connected). The structure of such a gas pipe may be the same as that of a conventional gas pipe, and is not particularly limited. For example, a pipe formed by molding a dense body of zirconia-based oxide such as YSZ, which is the same material as the solid electrolyte, or a metal pipe made of SUS430 metal that is commercially available for SOFC systems is preferably used. Among them, a gas pipe made of a dense body of zirconia-based oxide can be suitably used because of its good bonding compatibility with the anode / solid electrolyte. About the shape and size of a gas pipe, it can change suitably according to the shape of the cell (stack) connected.
In the SOFC system 100 having the configuration shown in FIG. 1, the connecting surface 12 of the anode 10 of the SOFC cell 50 and the end surface 62 of the cylindrical gas pipe 60 are connected.

D−2.インターコネクタ
また、SOFCシステムが備える他の接続部材としては、インターコネクタ(セパレータ)が挙げられる。インターコネクタとしては、複数のセル同士を電気的に接続する際に、該セル間に配置される部材である。上記インターコネクタとしては、酸素供給ガス(例えば空気)と燃料ガスとを物理的に遮断し且つ電子伝導性がある平板状の部材(図示省略)を好ましく用いることができる。かかるインターコネクタを構成する材料としては、ランタンクロマイト系酸化物、SUS430等の耐熱金属などを用いることができる。
上記インターコネクタを構成するランタンクロマイト系酸化物は、
一般式:La(1−x)Ma(x)Cr(1−y)Mb(y) (2)
で表すことができる。上記一般式(2)中の「Ma」及び「Mb」は同一か又は相互に異なる1種又は2種以上のアルカリ土類金属であり、「x」及び「y」はそれぞれ0≦x<1、0≦y<1である。好適例として、LaCrO或いはMa又はMbがカルシウムであるLCC酸化物(ランタンカルシアクロマイト:La(1−x)Ca(x)CrO(0<x<1))が挙げられる。なお、上記一般式において酸素原子数は3であるように表示されているが、実際には組成比において酸素原子の数は3以下(典型的には3未満)であり得る。
D-2. Interconnector Moreover, an interconnector (separator) is mentioned as another connection member with which a SOFC system is provided. The interconnector is a member disposed between the cells when the cells are electrically connected to each other. As the interconnector, a flat plate member (not shown) that physically blocks oxygen supply gas (for example, air) and fuel gas and has electronic conductivity can be preferably used. As a material constituting such an interconnector, a lanthanum chromite oxide, a refractory metal such as SUS430, or the like can be used.
The lanthanum chromite oxide constituting the interconnector is
General formula: La (1-x) Ma (x) Cr (1-y) Mb (y) O 3 (2)
It can be expressed as In the general formula (2), “Ma” and “Mb” are the same or different alkaline earth metals, and “x” and “y” are 0 ≦ x <1 respectively. 0 ≦ y <1. Preferable examples include LCC oxide (lanthanum calcia chromite: La (1-x) Ca (x) CrO 3 (0 <x <1)) in which LaCrO 3 or Ma or Mb is calcium. In the above general formula, the number of oxygen atoms is shown to be 3, but in actuality, the number of oxygen atoms in the composition ratio may be 3 or less (typically less than 3).

E.接合部
接合部は、上述の接続部材とSOFCセル(あるいは該セル同士)を接合する。接合部は、上述の接合箇所から気体(燃料ガス若しくは空気)が流出(流入)しないように、SOFCセルと接続部材との間(あるいはセル間)を封止する。図1に示す構成のSOFCシステム100では、アノード10とガス管60との接続箇所(連結面12と端面62との境界)を覆うように接合部40が形成されている。
接合部は、例えば、ガラスを主体として構成された接合材を焼成することによって形成できる。この接合材の焼成温度は、上記カソード用材料(複合材料)の焼成温度に近い温度であると好ましく、例えば900℃以下(典型的には700℃〜900℃、好ましくは800±50℃)であるとよい。
E. Junction part A junction part joins the above-mentioned connection member and SOFC cell (or these cells). The joining portion seals between the SOFC cell and the connection member (or between the cells) so that gas (fuel gas or air) does not flow out (inflow) from the joining portion described above. In the SOFC system 100 having the configuration shown in FIG. 1, the joint 40 is formed so as to cover a connection portion (a boundary between the coupling surface 12 and the end surface 62) between the anode 10 and the gas pipe 60.
The joining portion can be formed, for example, by firing a joining material composed mainly of glass. The firing temperature of the bonding material is preferably close to the firing temperature of the cathode material (composite material), for example, 900 ° C. or lower (typically 700 ° C. to 900 ° C., preferably 800 ± 50 ° C.). There should be.

E−1.接合材用ガラス
上記接合部(接合材)として用いられ得るガラスについて説明する。かかる接合材用ガラスには、例えば、構成成分としてSiO、Al、KO、NaOおよび任意添加物(MgO、CaO、Bなど)が含まれているとよい。また、かかる接合材用ガラスのマトリックス中には、クリストバライト結晶及び/又はリューサイト結晶が析出していると好ましい。なお、接合剤用ガラスの説明において、構成成分の「含有率」とは接合剤用ガラス全体に対する酸化物換算の質量比を示す値である。
上述の構成成分のうちSiOは、ガラスの主成分であり、上記クリストバライト結晶(リューサイト結晶)の結晶格子を構成する成分である。SiOの含有率は、55mass%〜75mass%(好ましくは60mass%〜70mass%)の範囲内であるとよい。上記数値範囲内でSiOを含むガラスは、軟化点(焼成温度)が高くなりすぎず(例えば900℃以下)、且つ、十分な耐水性や耐化学性を有しているため好ましい。
Alは、ガラスの流動性を制御して付着安定性に関与する成分である。上記ガラスマトリックス中にリューサイト結晶が析出している場合、Alは、上記リューサイト結晶の結晶格子を構成する成分となる。Alの含有率は、10mass%〜20mass%(好ましくは10mass%〜15mass%)の範囲内であるとよい。上記数値範囲内でAlを含むガラスは、付着安定性が高いため付与が容易であり、且つ、十分な耐化学性を有しているため好ましい。
OおよびNaOは、ガラスの熱膨張係数(熱膨張率)を高める成分である。また、ガラス中にリューサイト結晶が析出している場合、KOは、上記リューサイト結晶の結晶格子を構成する成分となる。また、KOの含有率は、1mass%〜15mass%(好ましくは5mass%〜15mass%)であるとよい。一方、NaOの含有率は、1mass%〜15mass%(好ましくは5mass%〜15mass%)の範囲内であるとよい。さらに、KOとNaOの含有率の合計は、5mass%〜25mass%(好ましくは10mass%〜20mass%)であると特に好ましい。
任意添加物として含まれ得るMgO、CaOは、ガラス中へ添加することによって、熱膨張係数の調整を行うことができる。例えば、MgOはガラス溶融時の粘度調整を行うことができる成分であり、CaOはガラスマトリックスの硬度を上げて耐摩耗性を向上させ得る成分である。MgO(若しくはCaO)の含有率は、0mass%(無添加)〜5mass%(好ましくは1mass%〜5mass%)の範囲内であると好ましい。
また、他の任意添加成分として、Bが挙げられる。Bはガラス中でAlと同様の作用を示すと考えられ、ガラスマトリックスの多成分化に貢献し得る。また、接合材調製時の溶融性の向上に寄与する成分である。Bの含有率は、0mass%(無添加)〜5mass%(好ましくは1mass%〜5mass%)の範囲内であることが好ましい。
また、上記接合材用ガラスには、上述した成分以外に、ZnO、LiO、Bi、SrO、SnO、SnO、CuO、CuO、TiO、ZrO、La等が含まれていてもよい。
E-1. Glass for bonding material The glass that can be used as the bonding portion (bonding material) will be described. Such glass for bonding materials may contain, for example, SiO 2 , Al 2 O 3 , K 2 O, Na 2 O and optional additives (MgO, CaO, B 2 O 3, etc.) as constituent components. . Further, it is preferable that cristobalite crystals and / or leucite crystals are precipitated in the matrix of the bonding material glass. In the description of the bonding agent glass, the “content ratio” of the constituent component is a value indicating a mass ratio in terms of oxide with respect to the entire bonding agent glass.
Of the above-described constituent components, SiO 2 is a main component of glass and is a component constituting the crystal lattice of the cristobalite crystal (leucite crystal). The content of SiO 2 may When it is within the scope of 55mass% ~75mass% (preferably 60mass% ~70mass%). A glass containing SiO 2 within the above numerical range is preferable because the softening point (firing temperature) does not become too high (for example, 900 ° C. or less) and has sufficient water resistance and chemical resistance.
Al 2 O 3 is a component involved in adhesion stability by controlling the fluidity of glass. When leucite crystals are precipitated in the glass matrix, Al 2 O 3 becomes a component constituting the crystal lattice of the leucite crystals. The content of Al 2 O 3, may in the range of from 10mass% ~20mass% (preferably 10mass% ~15mass%). A glass containing Al 2 O 3 within the above numerical range is preferable because it has high adhesion stability and can be easily applied and has sufficient chemical resistance.
K 2 O and Na 2 O are components that increase the thermal expansion coefficient (thermal expansion coefficient) of the glass. When a leucite crystal is precipitated in the glass, K 2 O is a component constituting the crystal lattice of the leucite crystal. The content of K 2 O is, may is 1mass% ~15mass% (preferably 5mass% ~15mass%). On the other hand, the content of Na 2 O may When it is within the scope of 1mass% ~15mass% (preferably 5mass% ~15mass%). Furthermore, the total content of K 2 O and Na 2 O is particularly preferably 5 mass% to 25 mass% (preferably 10 mass% to 20 mass%).
MgO and CaO, which can be included as optional additives, can be adjusted in the thermal expansion coefficient by adding them to the glass. For example, MgO is a component capable of adjusting the viscosity at the time of glass melting, and CaO is a component capable of improving the wear resistance by increasing the hardness of the glass matrix. The content of MgO (or CaO) is preferably in the range of 0 mass% (no addition) to 5 mass% (preferably 1 mass% to 5 mass%).
Another optional additive component is B 2 O 3 . B 2 O 3 is considered to exhibit the same action as Al 2 O 3 in glass, and can contribute to the multi-componentization of the glass matrix. Moreover, it is a component which contributes to the improvement of the meltability at the time of bonding material preparation. The content of B 2 O 3 is preferably in the range of 0 mass% (no addition) to 5 mass% (preferably 1 mass% to 5 mass%).
In addition to the components described above, the glass for bonding material includes ZnO, Li 2 O, Bi 2 O 3 , SrO, SnO, SnO 2 , CuO, Cu 2 O, TiO 2 , ZrO 2 , La 2 O 3. Etc. may be included.

<SOFCシステムの製造方法>
次に、本発明の他の側面であるSOFCシステムの製造方法について説明する。かかる製造方法は、
(a)アノードと、該アノード上に形成された固体電解質とからなるアノード−固体電解質積層体を用意すること;
(b)該積層体の固体電解質側の表面に上述の複合材料を付与すること;
(c)接合部を構成する接合材を、積層体同士あるいは該積層体と接続部材とを接合する箇所に付与すること;
(d)複合材料および接合材が付与された積層体を焼成することによって、カソードおよび接合部を同時に形成すること;を包含している。以下、かかる製造方法について図2(a)〜図2(d)を参照しながら詳しく説明する。
<Manufacturing method of SOFC system>
Next, a method for manufacturing an SOFC system according to another aspect of the present invention will be described. Such a manufacturing method includes:
(A) preparing an anode-solid electrolyte laminate comprising an anode and a solid electrolyte formed on the anode;
(B) applying the above-mentioned composite material to the surface of the laminate on the solid electrolyte side;
(C) Applying a bonding material that constitutes a bonding portion to a position where the laminated bodies or the laminated body and the connection member are joined;
(D) forming the cathode and the joint at the same time by firing the laminate to which the composite material and the joint material have been applied. Hereinafter, this manufacturing method will be described in detail with reference to FIGS. 2 (a) to 2 (d).

a.アノード−固体電解質積層体の用意
本明細書において、「アノード−固体電解質積層体」とは、アノードと固体電解質とが積層した状態を示すものであり、SOFCセルの作製過程において形成される。なお、アノード−固体電解質積層体を用意する方法について特に制限はない。従って、従来知られているSOFCシステム(SOFCセル)の製造方法における「アノードの作製方法」と「固体電解質の作製方法」をそのまま適用することができる。
以下、「アノード−固体電解質積層体を用意する方法」の一例として、図1に示す構成のアノード支持型SOFCセル50のアノード10を形成する方法と、固体電解質20を形成する方法とを説明する。
a. Preparation of Anode-Solid Electrolyte Laminate In the present specification, the “anode-solid electrolyte laminate” refers to a state in which an anode and a solid electrolyte are laminated, and is formed in the manufacturing process of the SOFC cell. In addition, there is no restriction | limiting in particular about the method of preparing an anode-solid electrolyte laminated body. Therefore, the “anode manufacturing method” and the “solid electrolyte manufacturing method” in the conventionally known SOFC system (SOFC cell) manufacturing method can be applied as they are.
Hereinafter, as an example of “a method for preparing an anode-solid electrolyte laminate”, a method for forming the anode 10 of the anode-supported SOFC cell 50 having the configuration shown in FIG. 1 and a method for forming the solid electrolyte 20 will be described. .

a−1.アノードの形成
ここでは、図2(a)に示すように、支持基材(支持体)として多孔質構造のアノード10を形成する。ここでは、8族〜10族の金属元素の粒子(例えばニッケル粒子)とセラミック(例えばYSZ)とを混合し、サーメット材料を調製する。このとき、金属粒子の平均粒径は1μm〜10μm程度であるとよく、セラミックの平均粒径は0.1μm〜10μm程度であるとよい。そして、上記サーメット材料を、バインダー(例えばメタクリル酸エステル系ポリマー)と分散剤(例えばソルビタントリオレエート)とともに溶媒(例えばキシレン)に分散させて、ペースト状(スラリー状)のアノード用材料を調製する。次いで、かかるアノード用材料を成形し、該成形体を焼成することによってシート状のアノード10を形成する(図2(a)参照)。このとき、アノード用材料の成形には、例えば、シート成形等を用いることができる。また、上記成形体の焼成処理は、1200℃〜1400℃の温度で1時間〜5時間加熱することによって行うとよい。なお、アノード用材料の焼成処理は、後述の「a−2.固体電解質の形成」における固体電解質用材料の焼成処理と同時に行ってもよい。
a-1. Formation of Anode Here, as shown in FIG. 2A, the anode 10 having a porous structure is formed as a support substrate (support). Here, particles of group 8 to group 10 metal elements (for example, nickel particles) and ceramic (for example, YSZ) are mixed to prepare a cermet material. At this time, the average particle diameter of the metal particles is preferably about 1 μm to 10 μm, and the average particle diameter of the ceramic is preferably about 0.1 μm to 10 μm. And the said cermet material is disperse | distributed to a solvent (for example, xylene) with a binder (for example, methacrylate polymer) and a dispersing agent (for example, sorbitan trioleate), and the paste-form (slurry) anode material is prepared. Next, the anode material is molded, and the molded body is fired to form a sheet-like anode 10 (see FIG. 2A). At this time, for example, sheet molding or the like can be used for molding the anode material. Moreover, it is good to perform the baking process of the said molded object by heating at the temperature of 1200 to 1400 degreeC for 1 hour-5 hours. In addition, you may perform the baking process of the material for anodes simultaneously with the baking process of the material for solid electrolytes in "a-2. Formation of a solid electrolyte" mentioned later.

a−2.固体電解質の形成
次に、上記アノード10上に固体電解質20を形成する。ここでは、固体電解質20の原料(例えばYSZ)をバインダー(例えばメタクリル酸エステル系ポリマー)と分散剤(例えばソルビタントリオレエート)とともに溶媒(例えばキシレン)に分散させて、ペースト状(スラリー状)の固体電解質用材料を調製する。このとき、固体電解質の原料の平均粒径は0.1μm〜10μm程度であるとよい。次に、調製された固体電解質用材料をアノード10(若しくはアノード用材料の成形体)上に付与し、固体電解質用材料の成形体を形成する。かかる固体電解質用材料の成形には、印刷成形などを用いることができる。
そして、固体電解質用材料の成形体を乾燥させた後に、該成形体を大気雰囲気下で焼成する。このときの焼成温度は、例えば1200℃〜1400℃の範囲内であるとよく、焼成時間は、例えば1時間〜5時間の範囲内であるとよい。この焼成処理が行われると、アノード10の上に膜状の固体電解質20が形成される。これによって、アノード10と、該アノード10上に形成された固体電解質20とからなるアノード−固体電解質積層体110(図2(b)参照)が得られる。
a-2. Formation of Solid Electrolyte Next, the solid electrolyte 20 is formed on the anode 10. Here, a raw material (for example, YSZ) of the solid electrolyte 20 is dispersed in a solvent (for example, xylene) together with a binder (for example, a methacrylic ester-based polymer) and a dispersant (for example, sorbitan trioleate) to obtain a paste-like (slurry) solid. An electrolyte material is prepared. At this time, the average particle diameter of the raw material of the solid electrolyte is preferably about 0.1 μm to 10 μm. Next, the prepared solid electrolyte material is applied onto the anode 10 (or a molded body of the anode material) to form a molded body of the solid electrolyte material. For molding of the solid electrolyte material, printing molding or the like can be used.
And after drying the molded object of the material for solid electrolytes, this molded object is baked in air | atmosphere atmosphere. The firing temperature at this time is preferably in the range of 1200 ° C. to 1400 ° C., for example, and the firing time is preferably in the range of 1 hour to 5 hours, for example. When this firing process is performed, a film-like solid electrolyte 20 is formed on the anode 10. As a result, an anode-solid electrolyte laminate 110 (see FIG. 2B) including the anode 10 and the solid electrolyte 20 formed on the anode 10 is obtained.

b.複合材料の付与
ここで開示される製造方法では、次に、アノード−固体電解質積層体110の固体電解質20側の表面に上述の複合材料を付与する。このとき、「3.その他の添加物」の項で説明したようなペースト状の複合材料を用いると、複合材料を均質に付与することが容易になるため好ましい。ペースト状の複合材料を用いる場合、固体電解質20上に複合材料を付与する方法として、印刷成形などを用いることができる。これによって、アノード−固体電解質積層体110の固体電解質20側の表面に、複合材料からなるカソード用材料成形体31(図2(c)参照)が形成される。
b. Application of Composite Material Next, in the manufacturing method disclosed herein, the above-described composite material is applied to the surface of the anode-solid electrolyte laminate 110 on the solid electrolyte 20 side. At this time, it is preferable to use a paste-like composite material as described in the section “3. Other additives” because it is easy to uniformly apply the composite material. When a paste-like composite material is used, as a method for providing the composite material on the solid electrolyte 20, printing molding or the like can be used. As a result, a cathode material molded body 31 (see FIG. 2C) made of a composite material is formed on the surface of the anode-solid electrolyte laminate 110 on the solid electrolyte 20 side.

c.接合材の付与
次に、接合部を構成する接合材を、上記積層体と接続部材とを接合する箇所(あるいは成形体同士を接合する箇所)に付与する。具体的には、図3(d)に示すように、上記アノード−固体電解質積層体110のアノード10の一方の連結面12とガス管(接続部材)60の端面62とを当接させた状態で、かかる当接面を覆うようにして接合材41を付与する。さらにここでは、当接面を越えて固体電解質膜20の端部にまで及ぶように接合材41を付与するとよい。このとき、接合材41は、ガス管60とアノード10との当接面を塞ぐとともに、多孔質構造を有するアノード10を覆うように付与される。そして、アノード10の他方についても、連結面12とガス管60の端面62を覆うように接合材41を付与する。このようにして接合材41を付与することにより、アノード10とガス管60との当接面で生じ得る隙間が塞がれるとともに、多孔質構造を有するアノード10が接合材41によって覆われる。
c. Application of bonding material Next, the bonding material constituting the bonding portion is applied to a position where the laminated body and the connection member are bonded (or a position where the formed bodies are bonded to each other). Specifically, as shown in FIG. 3 (d), the connecting surface 12 of the anode 10 of the anode-solid electrolyte laminate 110 and the end surface 62 of the gas pipe (connecting member) 60 are in contact with each other. Then, the bonding material 41 is applied so as to cover the contact surface. Further, here, the bonding material 41 may be applied so as to extend beyond the contact surface to the end of the solid electrolyte membrane 20. At this time, the bonding material 41 is applied so as to block the contact surface between the gas pipe 60 and the anode 10 and to cover the anode 10 having a porous structure. Then, the bonding material 41 is applied to the other side of the anode 10 so as to cover the connection surface 12 and the end surface 62 of the gas pipe 60. By applying the bonding material 41 in this manner, a gap that may be generated at the contact surface between the anode 10 and the gas pipe 60 is closed, and the anode 10 having a porous structure is covered with the bonding material 41.

d.複合材料および接合材の焼成
次に、複合材料および接合材が付与された積層体を同時に焼成する。具体的には、複合材料31と接合材41とが付与された積層体110を、接合材41が接合部分から流出しない程度の温度(例えば700℃〜900℃、好ましくは800±50℃)で焼成する。
上記焼成処理が行われると、カソード用材料成形体(複合材料)31が焼成されることによりカソード30になり、アノード10と固体電解質20とカソード30とが積層されたSOFCセル50が形成される。一方、上記接合材41も上記焼成処理により焼成されて接合部40となる。これにより、アノード10とガス管60との当接面と、多孔質構造を有するアノード10とが封止され、SOFCセル50に接続部材であるガス管60が接続されたSOFCシステム100(図1参照)が構築される。このように、ここで開示される製造方法では、カソード用材料成形体31と接合剤41とを同時に焼成する。
d. Next, the laminate to which the composite material and the bonding material are applied is simultaneously fired. Specifically, the laminated body 110 provided with the composite material 31 and the bonding material 41 is heated to a temperature at which the bonding material 41 does not flow out of the bonded portion (for example, 700 ° C. to 900 ° C., preferably 800 ± 50 ° C.). Bake.
When the firing process is performed, the cathode material molded body (composite material) 31 is fired to become the cathode 30, and the SOFC cell 50 in which the anode 10, the solid electrolyte 20, and the cathode 30 are laminated is formed. . On the other hand, the bonding material 41 is also fired by the firing process to become the joint 40. Thereby, the contact surface of the anode 10 and the gas pipe 60 and the anode 10 having a porous structure are sealed, and the SOFC system 100 in which the gas pipe 60 as a connecting member is connected to the SOFC cell 50 (FIG. 1). Reference) is constructed. Thus, in the manufacturing method disclosed here, the cathode material molded body 31 and the bonding agent 41 are fired simultaneously.

以上、ここで開示されるSOFCシステムの製造方法について説明した。
上述の製造方法によれば、カソードおよび接合部を同時に焼成しているため、従来の製造方法よりも製造工程数を減らすことができる。このとき、カソード用材料として用いられる複合材料には、セラミックコーティング粒子が含まれている。かかるセラミックコーティング粒子のセラミックの存在により、ここで開示されるSOFCシステムのカソードは、従来のカソードよりも固体電解質との接合相性がよく、接合材とカソード用材料(複合材料)とを同時に焼成した場合であっても、固体電解質から剥離しにくい。したがって、ここで開示される製造方法では、SOFCシステムの品質を損なわずに、製造工程数を減らし、製造コストの削減や製造効率の向上を実現することができる。
In the above, the manufacturing method of the SOFC system disclosed here was demonstrated.
According to the above manufacturing method, since the cathode and the joint are fired simultaneously, the number of manufacturing steps can be reduced as compared with the conventional manufacturing method. At this time, the composite material used as the cathode material contains ceramic coating particles. Due to the presence of the ceramic of the ceramic coating particles, the cathode of the SOFC system disclosed herein has better bonding compatibility with the solid electrolyte than the conventional cathode, and the bonding material and the cathode material (composite material) are fired simultaneously. Even in this case, it is difficult to peel off from the solid electrolyte. Therefore, in the manufacturing method disclosed here, the number of manufacturing steps can be reduced without reducing the quality of the SOFC system, and the manufacturing cost can be reduced and the manufacturing efficiency can be improved.

<SOFCシステムの使用>
図1に示すようなSOFCシステム100では、SOFCセル50のカソード30において、酸素含有ガス(空気)中の酸素から酸化物イオンを得る(酸素をイオン化させる)。このとき、カソード30には、セラミックスコーティング粒子が含まれており、該粒子中に存在するコア(触媒金属)によって、上記酸素のイオン化が促進されている。
カソードでイオン化された酸化物イオンは、カソード30から固体電解質20へと運ばれ、固体電解質20内を通ってアノード10に到達し、アノード10に供給されている燃料ガス中の水素(H)と反応し電子を放出する。このようにして、上記構成の発電システムは発電を行う。ここで開示されるSOFCシステムでは、上述の複合材料でカソードが形成されているため、カソード−固体電解質間における固相反応が好適に防止されているとともに、高い電極触媒能力を有するカソードを有している。このため、SOFCシステム100は、高い電池性能を発揮することができる。
<Use of SOFC system>
In the SOFC system 100 as shown in FIG. 1, oxide ions are obtained from oxygen in an oxygen-containing gas (air) at the cathode 30 of the SOFC cell 50 (oxygen is ionized). At this time, the cathode 30 contains ceramic coating particles, and the ionization of the oxygen is promoted by the core (catalyst metal) present in the particles.
The oxide ions ionized at the cathode are transported from the cathode 30 to the solid electrolyte 20, reach the anode 10 through the solid electrolyte 20, and hydrogen (H 2 ) in the fuel gas supplied to the anode 10. Reacts with and emits electrons. In this way, the power generation system configured as described above generates power. In the SOFC system disclosed herein, since the cathode is formed of the above-described composite material, a solid-state reaction between the cathode and the solid electrolyte is preferably prevented, and the cathode having a high electrocatalytic ability is included. ing. For this reason, the SOFC system 100 can exhibit high battery performance.

<実施例>
次に、本発明に関する実施例を説明する。この実施例では、構成材料が異なるカソードを有した15種類の固体酸化物形燃料電池を作製し、その性能を評価した。なお、以下で説明する実施例は、本発明を限定することを意図したものではない。
<Example>
Next, examples relating to the present invention will be described. In this example, 15 types of solid oxide fuel cells having cathodes with different constituent materials were produced and their performance was evaluated. Note that the examples described below are not intended to limit the present invention.

(サンプル1)
先ず、平均粒径1μmのイットリア安定化ジルコニア(YSZ)粉末と、平均粒径3μmの酸化ニッケル(NiO)粉末とを混ぜ合わせた混合粒子に、バインダー(メタクリル酸エステル系ポリマー)と分散剤(ソルビタントリオレエート)と溶媒(キシレン)を添加し、混練することによって、スラリー状のアノード用材料を調製した。そして、シート成形によって上記アノード用材料を成形し、φ20mm、厚み1mm程度のアノード用成形体を得た。
(Sample 1)
First, mixed particles of yttria-stabilized zirconia (YSZ) powder having an average particle diameter of 1 μm and nickel oxide (NiO) powder having an average particle diameter of 3 μm are mixed with a binder (methacrylic ester polymer) and a dispersant (sorbitan). Trioleate) and a solvent (xylene) were added and kneaded to prepare a slurry anode material. And the said anode material was shape | molded by sheet molding, and the molded object for anodes of (phi) 20mm and thickness about 1mm was obtained.

次に、平均粒径1μmのイットリア安定化ジルコニア(YSZ)にバインダー(メタクリル酸エステル系ポリマー)と分散剤(ソルビタントリオレエート)と溶媒(キシレン)を添加し、混練することによってスラリー状の固体電解質用材料を調製した。そして、当該固体電解質用材料を上記アノード用成形体の上に印刷成形して、φ20mmの固体電解質成形体を形成した。なお、このときの固体電解質成形体の厚みは10μm〜30μmであった。そして、積層した2つの成形体を乾燥させた後に、焼成(温度:1200℃〜1400℃、時間:3時間)することによって、アノードと固体電解質とからなるアノード−固体電解質積層体を作製した。   Next, a binder (methacrylic ester polymer), a dispersant (sorbitan trioleate) and a solvent (xylene) are added to yttria-stabilized zirconia (YSZ) having an average particle diameter of 1 μm and kneaded to form a slurry solid electrolyte. Preparation materials were prepared. Then, the solid electrolyte material was printed on the anode molded body to form a solid electrolyte molded body having a diameter of 20 mm. In addition, the thickness of the solid electrolyte molded body at this time was 10 μm to 30 μm. Then, after drying the two formed compacts, firing (temperature: 1200 ° C. to 1400 ° C., time: 3 hours) was performed to produce an anode-solid electrolyte laminate including an anode and a solid electrolyte.

次に、カソードに添加する触媒粉末として、銀(Ag)粒子の表面を酸化ジルコニウム(ジルコニア:ZrO)で被覆したセラミックコーティング粒子(以下、「Zr被覆Ag粉末」と称する。)を作製した。このZr被覆Ag粉末と、Fe系ペロブスカイト型酸化物であるLNF酸化物(LaNi0.6Fe0.4)粒子との複合材料を作製した。
具体的には、Zr被覆Ag粉末(粒径1μm〜3μm)と、LNF酸化物粒子(平均粒径1μm)とを混合することで混合粉末を得た。このとき、LNF酸化物粒子100質量部に対してZr被覆Ag粉末が5質量部の割合で含まれるように、LNF酸化物粒子とZr被覆Ag粉末の混合割合を調整した。次に、かかる混合粉末に対し、大気雰囲気下において800℃、1時間でアニール処理を行った。そして、粉砕処理を1時間行った。これによって、LNF酸化物粒子とZr被覆Ag粉末を含み、LNF酸化物粒子100質量部に対して5質量部の割合でZr被覆Ag粉末が含まれた粉末状の複合材料(平均粒径1.5μm)を得た。
Next, as the catalyst powder to be added to the cathode, ceramic coated particles (hereinafter referred to as “Zr-coated Ag powder”) in which the surface of silver (Ag) particles was coated with zirconium oxide (zirconia: ZrO 2 ) were prepared. A composite material of this Zr-coated Ag powder and LNF oxide (LaNi 0.6 Fe 0.4 O 3 ) particles that are Fe-based perovskite oxides was produced.
Specifically, mixed powder was obtained by mixing Zr-coated Ag powder (particle size: 1 μm to 3 μm) and LNF oxide particles (average particle size: 1 μm). At this time, the mixing ratio of the LNF oxide particles and the Zr-coated Ag powder was adjusted so that the Zr-coated Ag powder was included at a ratio of 5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the LNF oxide particles. Next, the mixed powder was annealed at 800 ° C. for 1 hour in an air atmosphere. The grinding process was performed for 1 hour. Thus, a powdery composite material (average particle diameter of 1. .mu.m) containing LNF oxide particles and Zr-coated Ag powder and containing Zr-coated Ag powder at a ratio of 5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of LNF oxide particles. 5 μm) was obtained.

次に、上記粉末状の複合材料を増粘剤(エチルセルロース)とともに分散媒(テルピネオール)に添加し、ロールミルで0.5時間混練し、スラリー状の複合材料得た。そして、このスラリー状の複合材料をカソード用材料として、上記固体電解質層上にスクリーン成形して、φ16mmのカソード用成形体を固体電解質層の上に形成した。なお、このときのカソード用成形体の厚みは、10μm〜50μm程度であった。そして、当該カソード用成形体を焼成(800℃、1時間)することによってカソードを形成した。
これによって、アノード、固体電解質、カソードの順に積層したアノード支持型のSOFCセルを得た。以下、かかるSOFCセルをサンプル1と称する。
Next, the powdery composite material was added to a dispersion medium (terpineol) together with a thickener (ethyl cellulose), and kneaded in a roll mill for 0.5 hours to obtain a slurry-like composite material. Then, this slurry-like composite material was used as a cathode material and screen-molded on the solid electrolyte layer to form a 16 mm cathode molded body on the solid electrolyte layer. In addition, the thickness of the molded object for cathodes at this time was about 10 micrometers-50 micrometers. And the cathode was formed by baking the said molded object for cathodes (800 degreeC, 1 hour).
As a result, an anode-supported SOFC cell in which the anode, the solid electrolyte, and the cathode were laminated in this order was obtained. Hereinafter, this SOFC cell is referred to as Sample 1.

次に、上記サンプル1から作製条件(カソードの構成)を変更して作製したサンプル2〜15に係るSOFCセルについて説明する。なお、サンプル2〜15の作製の説明において、特に言及していないプロセスについては、上記サンプル1と同様のプロセスを行っているものとする。   Next, SOFC cells according to Samples 2 to 15 manufactured by changing the manufacturing conditions (the cathode configuration) from Sample 1 will be described. In addition, in the description of the production of Samples 2 to 15, processes that are not particularly mentioned are assumed to be performed in the same manner as Sample 1 described above.

(サンプル2)
サンプル2では、LNF酸化物粒子100質量部に対して、Zr被覆Ag粉末が10質量部含まれるように、LNF酸化物とZr被覆Ag粉末の混合割合を調整した。
(Sample 2)
In sample 2, the mixing ratio of the LNF oxide and the Zr-coated Ag powder was adjusted so that 10 parts by mass of the Zr-coated Ag powder was contained with respect to 100 parts by mass of the LNF oxide particles.

(サンプル3)
サンプル3では、LNF酸化物粒子100質量部に対して、Zr被覆Ag粉末が70質量部含まれるように、LNF酸化物とZr被覆Ag粉末の混合割合を調整した。
(Sample 3)
In Sample 3, the mixing ratio of the LNF oxide and the Zr-coated Ag powder was adjusted so that 70 parts by mass of the Zr-coated Ag powder was contained with respect to 100 parts by mass of the LNF oxide particles.

(サンプル4)
サンプル4は、LNF酸化物粒子100質量部に対して、Zr被覆Ag粉末が90質量部含まれるように、LNF酸化物とZr被覆Ag粉末の混合割合を調整した。
(Sample 4)
In Sample 4, the mixing ratio of the LNF oxide and the Zr-coated Ag powder was adjusted so that 90 parts by mass of the Zr-coated Ag powder was contained with respect to 100 parts by mass of the LNF oxide particles.

(サンプル5)
サンプル5では、LNF酸化物粒子100質量部に対して、Zr被覆Ag粉末が95質量部含まれるように、LNF酸化物とZr被覆Ag粉末の混合割合を調整した。
(Sample 5)
In Sample 5, the mixing ratio of the LNF oxide and the Zr-coated Ag powder was adjusted so that 95 parts by mass of the Zr-coated Ag powder was contained with respect to 100 parts by mass of the LNF oxide particles.

(サンプル6)
サンプル6では、複合材料に含まれるセラミックコーティング粒子(触媒粉末)として、銀粒子の表面をアルミナ(Al)で被覆した「Al被覆Ag粉末」(粒径1μm〜3μm)を作製した。そして、LNF酸化物粒子100質量部に対して、Al被覆Ag粉末が80質量部含まれるように、LNF酸化物とAl被覆Ag粉末の混合割合を調整した。
(Sample 6)
In sample 6, “Al-coated Ag powder” (particle size: 1 μm to 3 μm) in which the surface of silver particles was coated with alumina (Al 3 O 2 ) was produced as ceramic coating particles (catalyst powder) contained in the composite material. And the mixing ratio of LNF oxide and Al coating Ag powder was adjusted so that 80 mass parts of Al coating Ag powder might be contained with respect to 100 mass parts of LNF oxide particles.

(サンプル7)
サンプル7では、Fe系ペロブスカイト粒子として平均粒径1μmのLSTF酸化物(La0.6Sr0.4Ti0.1Fe0.9)粒子を用いた。また、セラミックコーティング粒子として粒径1μm〜3μmのZr被覆Ag粉末を用い、LSTF酸化物100質量部に対してZr被覆Ag粉末が70質量部の割合で含まれるように、LSTF酸化物粒子とZr被覆Ag粉末との混合割合を調整した。
(Sample 7)
In Sample 7, LSTF oxide (La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.1 Fe 0.9 O 3 ) particles having an average particle diameter of 1 μm were used as Fe-based perovskite particles. Further, Zr-coated Ag powder having a particle diameter of 1 μm to 3 μm is used as the ceramic coating particle, and the LSTF oxide particle and Zr are contained so that the Zr-coated Ag powder is contained in a ratio of 70 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the LSTF oxide. The mixing ratio with the coated Ag powder was adjusted.

(サンプル8)
サンプル8では、Fe系ペロブスカイト粒子として平均粒径1μmのLSTF酸化物粒子を用い、セラミックコーティング粒子として粒径1μm〜3μmのAl被覆Ag粉末を用いた。また、LSTF酸化物粒子100質量部に対してAl被覆Ag粉末が70質量部の割合で含まれるように、LSTF酸化物粒子とAl被覆Ag粉末との混合割合を調整した。
(Sample 8)
In sample 8, LSTF oxide particles having an average particle diameter of 1 μm were used as Fe-based perovskite particles, and Al-coated Ag powder having a particle diameter of 1 μm to 3 μm was used as ceramic coating particles. Moreover, the mixing ratio of the LSTF oxide particles and the Al-coated Ag powder was adjusted so that the Al-coated Ag powder was contained in a proportion of 70 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the LSTF oxide particles.

(サンプル9)
サンプル9では、Fe系ペロブスカイト粒子として平均粒径1μmのLSZF酸化物(La0.6Sr0.4Zr0.2Fe0.8)粒子を用いた。また、セラミックコーティング粒子として粒径1μm〜3μmのZr被覆Ag粉末を用いた。そして、LSZF酸化物粒子100質量部に対してZr被覆Ag粉末が70質量部の割合で含まれるように、LSZF酸化物とZr被覆Ag粉末との混合割合を調整した。
(Sample 9)
In Sample 9, LSZF oxide (La 0.6 Sr 0.4 Zr 0.2 Fe 0.8 O 3 ) particles having an average particle diameter of 1 μm were used as Fe-based perovskite particles. Further, Zr-coated Ag powder having a particle diameter of 1 μm to 3 μm was used as ceramic coating particles. Then, the mixing ratio of the LSZF oxide and the Zr-coated Ag powder was adjusted so that the Zr-coated Ag powder was contained at a ratio of 70 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the LSZF oxide particles.

(サンプル10)
サンプル10では、Fe系ペロブスカイト粒子として平均粒径1μmのLBAF酸化物(La0.6Ba0.4Al0.1Fe0.9)粒子を用いた。また、セラミックコーティング粒子として粒径1μm〜3μmのZr被覆Ag粉末を用いた。そして、LBAF酸化物粒子100質量部に対してZr被覆Ag粉末が70質量部の割合で含まれるように、LBAF酸化物とZr被覆Ag粉末との混合割合を調整した。
(Sample 10)
In sample 10, LBAF oxide (La 0.6 Ba 0.4 Al 0.1 Fe 0.9 O 3 ) particles having an average particle diameter of 1 μm were used as Fe-based perovskite particles. Further, Zr-coated Ag powder having a particle diameter of 1 μm to 3 μm was used as ceramic coating particles. Then, the mixing ratio of the LBAF oxide and the Zr-coated Ag powder was adjusted so that the Zr-coated Ag powder was contained at a ratio of 70 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the LBAF oxide particles.

(サンプル11)
サンプル11では、Fe系ペロブスカイト粒子として平均粒径1μmのLNF酸化物粒子を用いた。また、このサンプルでは、カソードに添加する触媒粉末として粒径1μm〜3μmのAg粉末(被覆無しAg粉末)を用いた。そして、LNF酸化物粒子100質量部に対して被覆無しAg粉末が80質量部の割合で含まれるように、LNF酸化物と被覆無しAg粉末との混合割合を調整した。
(Sample 11)
In sample 11, LNF oxide particles having an average particle diameter of 1 μm were used as Fe-based perovskite particles. In this sample, Ag powder (uncoated Ag powder) having a particle size of 1 to 3 μm was used as a catalyst powder to be added to the cathode. Then, the mixing ratio of the LNF oxide and the uncoated Ag powder was adjusted so that the uncoated Ag powder was included at a ratio of 80 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the LNF oxide particles.

(サンプル12)
サンプル12では、触媒粉末をカソードに添加せず、平均粒径1μmのLNF酸化物粒子のみでカソードを形成した。
(Sample 12)
In sample 12, the catalyst powder was not added to the cathode, and the cathode was formed only from LNF oxide particles having an average particle diameter of 1 μm.

(サンプル13)
サンプル13では、触媒粉末をカソードに添加せず、平均粒径1μmのLSTF酸化物粒子のみでカソードを形成した。
(Sample 13)
In Sample 13, the catalyst powder was not added to the cathode, and the cathode was formed only from LSTF oxide particles having an average particle diameter of 1 μm.

(サンプル14)
サンプル14では、触媒粉末をカソードに添加せず、コバルト(Co)系のペロブスカイト型酸化物であるLSCF酸化物(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8)の粒子(平均粒径1μm)のみでカソードを形成した。
(Sample 14)
In Sample 14, particles of LSCF oxide (La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 ), which is a cobalt (Co) -based perovskite oxide, without adding catalyst powder to the cathode A cathode was formed only with (average particle diameter of 1 μm).

(サンプル15)
サンプル15では、触媒粉末をカソードに添加せず、マンガン(Mn)系のペロブスカイト型酸化物であるLSM酸化物(La0.6Sr0.4MnO)の粒子(平均粒径1μm)のみでカソードを形成した。
(Sample 15)
In sample 15, the catalyst powder was not added to the cathode, and only the particles (average particle diameter 1 μm) of LSM oxide (La 0.6 Sr 0.4 MnO 3 ) which is a manganese (Mn) -based perovskite oxide. A cathode was formed.

以上、本実施例で作製したサンプル1〜15について説明した。サンプル1〜15に係るSOFCセルが有するカソードの構成を表1にまとめる。   In the above, the samples 1-15 produced by the present Example were demonstrated. Table 1 summarizes the cathode configurations of the SOFC cells according to Samples 1-15.

Figure 0005285115
Figure 0005285115

<各サンプル1〜15の性能評価>
次に、上述のサンプル1〜15の性能を評価した。ここでは、各サンプルの評価項目として、「発電性能」と「接合状態」と「焼結状態」と「固相反応」とを調べた。上記各評価項目の結果を表2に示す。
<Performance evaluation of each sample 1-15>
Next, the performance of the above samples 1 to 15 was evaluated. Here, “power generation performance”, “joining state”, “sintered state”, and “solid phase reaction” were examined as evaluation items of each sample. Table 2 shows the results of the above evaluation items.

Figure 0005285115
Figure 0005285115

(発電性能)
ここでは、各サンプル1〜15を動作温度700℃、電圧0.6V〜0.8Vで動作させ、上記条件下での各サンプルの電力密度(W/cm)を測定した。この項目では、得られた電力密度(W/cm)を各サンプルの「発電性能」として評価した。
(Power generation performance)
Here, each sample 1-15 was operated at an operating temperature of 700 ° C. and a voltage of 0.6 V to 0.8 V, and the power density (W / cm 2 ) of each sample under the above conditions was measured. In this item, the obtained power density (W / cm 2 ) was evaluated as “power generation performance” of each sample.

表2に示すように、サンプル1〜10のSOFCは、0.15W/cmを上回る高い電力密度を示した。このことから、セラミックコーティング粒子(Zr被覆Ag粉末若しくはAl被覆Ag粉末)を含む複合材料でカソードを形成することによって、高い発電性能を有したSOFCセルが得られることが分かった。
また、セラミックコーティング粒子(Zr被覆Ag粉末)の含有割合が異なるサンプル1〜5を比較すると、サンプル2〜4において非常に高い電池性能(0.3W/cm以上)を示していた。このことから、Fe系ペロブスカイト粒子100質量部に対するセラミックコーティング粒子の割合を10質量部〜90質量部の範囲内に調整すると、特に高い発電性能を有したSOFCセルが得られることが分かった。
As shown in Table 2, the SOFCs of Samples 1 to 10 showed a high power density exceeding 0.15 W / cm 2 . From this, it was found that a SOFC cell having high power generation performance can be obtained by forming the cathode with a composite material containing ceramic coating particles (Zr-coated Ag powder or Al-coated Ag powder).
Further, when samples 1 to 5 having different content ratios of the ceramic coating particles (Zr-coated Ag powder) were compared, the samples 2 to 4 showed very high battery performance (0.3 W / cm 2 or more). From this, it was found that when the ratio of the ceramic coating particles to 100 parts by mass of the Fe-based perovskite particles is adjusted within the range of 10 parts by mass to 90 parts by mass, an SOFC cell having particularly high power generation performance can be obtained.

(固体電解質との接合状態)
各サンプル1〜15のカソードの表面を走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)で観察し、カソードにおいて固体電解質から剥離した剥離部が確認されたか否かでカソードの「接合状態」を評価した。表2における「接合状態」が「○」とは、上記剥離部が確認されなかった(すなわち、接合状態が良好である)状態を示している。一方、「×」とは、剥離部が確認された(すなわち、接合状態が不良である)状態を示している。
(Joint state with solid electrolyte)
The surface of the cathode of each sample 1 to 15 was observed with a scanning electron microscope (SEM), and the “bonding state” of the cathode was evaluated based on whether or not a peeled portion was peeled off from the solid electrolyte at the cathode. . The “joined state” in Table 2 is “◯”, which indicates a state where the peeled portion is not confirmed (that is, the joined state is good). On the other hand, “x” indicates a state in which the peeled portion is confirmed (that is, the bonding state is poor).

表2に示すように、サンプル1〜11では剥離部が確認されなかったため、カソードと固体電解質との接合状態が良好(○)であると考えられる。一方、サンプル12〜15では剥離部が確認されたため、カソードと固体電解質との接合状態が不良(×)であると考えられる。接合状態が良好(○)であったサンプル1〜11には、ペロブスカイト型酸化物以外の材料(セラミックコーティング粒子若しくは銀)が共通して含まれていた。
上述のように、この実施例においては一般的なカソードの焼成温度(1000℃〜1200℃)よりも低い温度(800℃)でカソードの焼成を行っている。サンプル1〜11では、このような低い温度でカソードを焼成した場合でも、良好な接合状態が得られることから、カソード用材料に添加物(例えばセラミックコーティング粒子)を加えることによって固体電解質とカソードとの接合性を向上させることができると考えられる。
As shown in Table 2, since the peeled portion was not confirmed in Samples 1 to 11, it is considered that the bonding state between the cathode and the solid electrolyte is good (◯). On the other hand, in Samples 12 to 15, since the peeled portion was confirmed, it is considered that the bonding state between the cathode and the solid electrolyte is poor (x). Samples 1 to 11 in which the bonding state was good (◯) contained materials (ceramic coating particles or silver) other than the perovskite oxide in common.
As described above, in this embodiment, the cathode is fired at a temperature (800 ° C.) lower than a general cathode firing temperature (1000 ° C. to 1200 ° C.). In Samples 1 to 11, even when the cathode is fired at such a low temperature, a good bonded state can be obtained. Therefore, by adding an additive (for example, ceramic coating particles) to the cathode material, the solid electrolyte and the cathode It is thought that the bondability of the can be improved.

(カソードの焼結状態)
次に、各サンプル1〜11を700℃で稼働させた後に、各サンプルのカソードを走査型電子顕微鏡で観察し、カソードの「焼結状態」を評価した。具体的には、ペロブスカイト型酸化物以外の材料(ここでは、Zr被覆Ag粉末、Al被覆Ag粉末、被覆無しAg粉末)に凝集部が観察されたか否かを評価基準とした。表2における「焼結状態」が「○」とは、上記凝集部が確認されていない(すなわち、上記ペロブスカイト型酸化物以外の材料が焼結している)状態を示し、「×」とは上記凝集部が確認された(すなわち、上記ペロブスカイト型酸化物以外の材料が焼結している)状態を示している。なお、サンプル12〜15については、ペロブスカイト型酸化物以外の材料をカソードに添加していないため、本項目の評価を行っていない。
(Sintered cathode)
Next, after operating each sample 1-11 at 700 degreeC, the cathode of each sample was observed with the scanning electron microscope, and the "sintered state" of the cathode was evaluated. Specifically, the evaluation criterion was whether or not aggregated portions were observed in materials other than the perovskite oxide (here, Zr-coated Ag powder, Al-coated Ag powder, uncoated Ag powder). The “sintered state” in Table 2 is “◯”, which indicates a state in which the agglomerated part is not confirmed (that is, a material other than the perovskite oxide is sintered). A state in which the agglomerated part is confirmed (that is, a material other than the perovskite oxide is sintered) is shown. In addition, about samples 12-15, since materials other than a perovskite type oxide were not added to the cathode, this item was not evaluated.

表2に示すように、サンプル11においてのみ、銀粒子の焼結による凝集部が観察された。このことから、被覆無しAg粉末を添加すると、SOFCの稼働により被覆無しAg粉末の焼結が進行してしまうことが分かった。一方、サンプル1〜10のカソードには凝集部が確認されなかった。このことから、セラミック(典型的にはジルコニア若しくはアルミナ)でコア(ここでは、銀)の表面を被覆してなるセラミックコーティング粒子では、加熱されてもコアが焼結せず、カソードの劣化を好適に防止できることが分かった。   As shown in Table 2, only in sample 11, agglomerated parts due to the sintering of silver particles were observed. From this, it was found that when the uncoated Ag powder was added, the sintering of the uncoated Ag powder proceeded due to the operation of the SOFC. On the other hand, no agglomerated part was observed in the cathodes of Samples 1 to 10. For this reason, ceramic coated particles formed by coating the surface of the core (here, silver) with ceramic (typically zirconia or alumina) do not sinter the core even when heated, which is suitable for deterioration of the cathode. It was found that it can be prevented.

(固相反応)
次に、各サンプル1〜15に係るSOFCセルからカソードを剥離し、固体電解質とカソードとが接触していた面をSEM及びEDXで観察することによって「固相反応」の項目について評価した。表2における「固相反応」の項目が「○」とは上記接触面において固相反応の発生が認められなかった状態を示し、「×」とは上記固相反応の発生が認められた状態を示している。
(Solid phase reaction)
Next, the cathode was peeled from the SOFC cells according to Samples 1 to 15, and the surface where the solid electrolyte and the cathode were in contact was observed with SEM and EDX to evaluate the item of “solid phase reaction”. In Table 2, the item “Solid State” in “Solid State” indicates that no solid phase reaction has occurred on the contact surface, and “X” indicates that the above solid phase reaction has occurred. Is shown.

表2に示すように、サンプル14,15では固相反応の発生が確認されたのに対し、サンプル1〜13では固相反応の発生が確認されなかった。これは、サンプル1〜13では、カソードの構成材料にFe系ペロブスカイト型酸化物が含まれていたためと解される。このことから、カソードの構成材料にFe系ペロブスカイト型酸化物を用いることによって、固体電解質−カソード間の固相反応を好適に防止することができることが分かった。   As shown in Table 2, the occurrence of solid phase reaction was confirmed in samples 14 and 15, whereas the occurrence of solid phase reaction was not confirmed in samples 1 to 13. This is understood that in Samples 1 to 13, the constituent material of the cathode contained an Fe-based perovskite oxide. From this, it was found that the solid-state reaction between the solid electrolyte and the cathode can be suitably prevented by using the Fe-based perovskite oxide as the constituent material of the cathode.

上述の評価結果を纏めると、サンプル1〜10に係るSOFCは、発電性能が高く、固体電解質との接合性が良好で、好適な多孔質構造を有した上、カソード−固体電解質間の固相反応が好適に防止されているため、他のサンプル11〜15に比べて高性能であると言える。かかるサンプル1〜10は、セラミックコーティング粒子とFe系ペロブスカイト粒子とを含む複合材料をカソード用材料として用いている。このことから、かかる構成の複合材料は、SOFCの高性能化を実現することができると解される。   Summarizing the above evaluation results, the SOFCs according to Samples 1 to 10 have high power generation performance, good bondability with the solid electrolyte, a suitable porous structure, and a solid phase between the cathode and the solid electrolyte. Since reaction is suitably prevented, it can be said that it is high performance compared with the other samples 11-15. Samples 1 to 10 use a composite material containing ceramic coating particles and Fe-based perovskite particles as a cathode material. From this, it is understood that the composite material having such a configuration can realize high performance of SOFC.

本発明の複合材料は、Fe系ペロブスカイト型酸化物からなる粒子と、酸素のイオン化反応に対して触媒機能を有するコアの表面をセラミックで被覆したセラミックコーティング粒子とを含んでいる。かかる複合材料からなるカソードは、固体電解質との間での固相反応が好適に防止されており、且つ、高い電極触媒能力発能を有している。このため、本発明の複合材料は、高性能なSOFCセル(若しくはSOFCシステム)の構築に貢献することができる。また、かかる複合材料を用いると、発電性能の高いSOFCセルが構築できるため、SOFCシステムの稼働温度を低下させることにも貢献できる。さらに、上記複合材料からなるカソードは、従来よりも低い温度で好適に焼成させることができ、焼成後に固体電解質から剥離しにくい。したがって、SOFCシステムの製造工程において、カソードの焼成と接合材の焼成を同時に行うことができるため、SOFCシステムの製造における製造プロセスの減少に貢献することもできる。   The composite material of the present invention includes particles made of an Fe-based perovskite oxide and ceramic coated particles in which the surface of a core having a catalytic function for oxygen ionization reaction is coated with ceramic. The cathode made of such a composite material is suitably prevented from a solid phase reaction with a solid electrolyte, and has a high electrocatalytic ability. Therefore, the composite material of the present invention can contribute to the construction of a high performance SOFC cell (or SOFC system). In addition, when such a composite material is used, an SOFC cell with high power generation performance can be constructed, which can contribute to lowering the operating temperature of the SOFC system. Furthermore, the cathode made of the composite material can be suitably fired at a temperature lower than that of the conventional material, and hardly peels from the solid electrolyte after firing. Therefore, since the cathode and the bonding material can be fired simultaneously in the manufacturing process of the SOFC system, it is possible to contribute to the reduction of the manufacturing process in the manufacturing of the SOFC system.

10 アノード
20 固体電解質
30 カソード(カソード)
31 複合材料(カソード用材料成形体)
40 接合部
41 接合材
60 ガス管
100 固体酸化物形燃料電池(SOFC)
110 アノード−固体電解質成形体
10 Anode 20 Solid electrolyte 30 Cathode (Cathode)
31 Composite material (Cathode material molding)
40 Joining part 41 Joining material 60 Gas pipe 100 Solid oxide fuel cell (SOFC)
110 Anode-solid electrolyte molded body

Claims (11)

以下の一般式(1):
(Ln1−xAe)(M1−yFe)O3−δ (1)
(ここでLnはランタノイドから選択される少なくとも1種の元素であり、AeはSr,Ba及びCaからなる群から選択される1種又は2種以上の元素であり、MはTi,Ni,Al,Zr,Ga,Mg,Cu,In,Sn,V,Cr,Zn,Ge,Sc及びYからなる群から選択される1種又は2種以上の元素であり、xは0≦x<1を満たす実数であり、yは0<y≦1を満たす実数であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)
で示されるFe系ペロブスカイト型酸化物からなる粒子と、
酸素のイオン化を触媒する金属からなるコアの表面がセラミックで多孔質状態に被覆されたセラミックコーティング粒子と
を含む、複合材料。
The following general formula (1):
(Ln 1-x Ae x ) (M 1-y Fe y ) O 3-δ (1)
(Here, Ln is at least one element selected from lanthanoids, Ae is one or more elements selected from the group consisting of Sr, Ba and Ca, and M is Ti, Ni, Al) , Zr, Ga, Mg, Cu, In, Sn, V, Cr, Zn, Ge, Sc, and Y are one or more elements, and x is 0 ≦ x <1 (Y is a real number satisfying 0 <y ≦ 1, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition.)
Particles composed of an Fe-based perovskite oxide represented by:
A composite material comprising ceramic coated particles in which a surface of a core made of a metal that catalyzes ionization of oxygen is coated with a ceramic in a porous state.
前記セラミックコーティング粒子は、前記Fe系ペロブスカイト型酸化物粒子100質量部に対して10質量部〜90質量部の割合で含まれている、請求項1に記載の複合材料。   2. The composite material according to claim 1, wherein the ceramic coating particles are contained at a ratio of 10 parts by mass to 90 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the Fe-based perovskite oxide particles. 前記コアは、銀(Ag)で構成されている、請求項1又は2に記載の複合材料。   The composite material according to claim 1, wherein the core is made of silver (Ag). 前記セラミックは、酸化アルミニウムまたは酸化ジルコニウムで構成されている、請求項1〜3の何れか一項に記載の複合材料。   The composite material according to claim 1, wherein the ceramic is made of aluminum oxide or zirconium oxide. 少なくとも1種の分散媒を含み、ペースト状に調製された、請求項1〜4の何れか一項に記載の複合材料。   The composite material according to any one of claims 1 to 4, comprising at least one dispersion medium and prepared in a paste form. 固体酸化物形燃料電池セルのカソードを形成するために用いられる、請求項1〜5の何れか一項に記載の複合材料。 The composite material according to any one of claims 1 to 5, which is used to form a cathode of a solid oxide fuel cell. アノードと固体電解質とカソードとを備えた固体酸化物形燃料電池セルであって、
前記カソードが請求項1〜6の何れか一項に記載の複合材料から作製されている、固体酸化物形燃料電池セル。
A solid oxide fuel cell comprising an anode, a solid electrolyte and a cathode,
A solid oxide fuel cell, wherein the cathode is made of the composite material according to claim 1.
前記固体電解質に酸化ジルコニウムが含まれており、前記セラミックコーティング粒子を構成する該セラミックが酸化ジルコニウムである、請求項7に記載の固体酸化物形燃料電池セル。   The solid oxide fuel cell according to claim 7, wherein zirconium oxide is contained in the solid electrolyte, and the ceramic constituting the ceramic coating particle is zirconium oxide. アノードとカソードと固体電解質とを備えた固体酸化物形燃料電池セルを単数または複数有し、該セル同士あるいは該セルと該セルに接続される接続部材とを接合してなる接合部を有する固体酸化物形燃料電池システムの製造方法であって、
アノードと、前記アノード上に形成された固体電解質とからなるアノード−固体電解質積層体を用意すること;
前記積層体の固体電解質側の表面に請求項1〜6の何れか一項に記載の複合材料を付与すること;
前記接合部を構成する接合材を、前記積層体同士あるいは該積層体と前記接続部材とを接合する箇所に付与すること;
前記複合材料および前記接合材が付与された前記積層体を焼成することによって、前記カソードおよび前記接合部を同時に形成すること;
を包含する、製造方法。
A solid having one or a plurality of solid oxide fuel cells each including an anode, a cathode, and a solid electrolyte, and having a joint formed by joining the cells or the cells and a connection member connected to the cells. A method for manufacturing an oxide fuel cell system, comprising:
Providing an anode-solid electrolyte laminate comprising an anode and a solid electrolyte formed on the anode;
Applying the composite material according to any one of claims 1 to 6 to the surface of the laminate on the solid electrolyte side;
Imparting a bonding material constituting the bonding portion to a position where the stacked bodies or the stacked body and the connecting member are bonded;
Forming the cathode and the joint at the same time by firing the laminate to which the composite material and the joining material have been applied;
Manufacturing method.
前記固体電解質が酸化ジルコニウムを含んでおり、前記セラミックコーティング粒子を構成する該セラミックが酸化ジルコニウムである、請求項9に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 9, wherein the solid electrolyte contains zirconium oxide, and the ceramic constituting the ceramic coating particles is zirconium oxide. 前記複合材料と前記接合材の焼成温度を700℃〜900℃に設定することを特徴とする、請求項9又は10に記載の製造方法。

The manufacturing method according to claim 9 or 10, wherein a firing temperature of the composite material and the bonding material is set to 700C to 900C.

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