JP5699911B2 - Electrolyte membrane and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、電解質膜およびその製造方法に関する。   The present invention relates to an electrolyte membrane and a manufacturing method thereof.

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。   A fuel cell is a device that generally obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. Since this fuel cell is excellent in terms of the environment and can realize high energy efficiency, it has been widely developed as a future energy supply system.

固体酸化物型燃料電池(SOFC)は、固体酸化物電解質が燃料極と酸素極とによって挟持された構造を有する。ここで、セリア系電解質は、高い酸素イオン伝導性を有することで知られている。しかしながら、セリア系電解質は、還元性雰囲気下で電子伝導性を有する。そこで、特許文献1は、セリア系電解質を含有する固体電解質層と燃料極層との間に、燃料極層以上の緻密性を有する還元防止層を備え、還元防止層としてイットリア安定化ジルコニアを用いる技術を開示している。   A solid oxide fuel cell (SOFC) has a structure in which a solid oxide electrolyte is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode. Here, the ceria-based electrolyte is known to have high oxygen ion conductivity. However, the ceria-based electrolyte has electronic conductivity in a reducing atmosphere. Therefore, Patent Document 1 includes a reduction preventing layer having a density higher than that of the fuel electrode layer between the solid electrolyte layer containing the ceria-based electrolyte and the fuel electrode layer, and uses yttria-stabilized zirconia as the reduction preventing layer. The technology is disclosed.

特開2006−185698号公報JP 2006-185698 A

しかしながら、特許文献1の技術を利用して、イットリア安定化ジルコニアおよびセリア系電解質の2層電解質を焼結法で作製する際に高温焼成すると、イットリア安定化ジルコニアとセリア系電解質とが互いに固溶することによって低イオン伝導性層が形成されるおそれがある。この場合、電解質膜の導電率が低下する。   However, when the two-layer electrolyte of yttria-stabilized zirconia and ceria-based electrolyte is produced by sintering using the technique of Patent Document 1, yttria-stabilized zirconia and ceria-based electrolyte are dissolved in each other. As a result, a low ion conductive layer may be formed. In this case, the conductivity of the electrolyte membrane decreases.

本発明は、ジルコニア系電解質およびセリア系電解質を備える電解質膜において導電率低下を抑制することを目的とする。   An object of this invention is to suppress the electrical conductivity fall in the electrolyte membrane provided with a zirconia type electrolyte and a ceria type electrolyte.

本発明に係る電解質膜の製造方法は、セリア系電解質グリーン層とジルコニア系電解質グリーン層との間に、前記セリア系電解質と前記ジルコニア系電解質とに対して共通して添加されるドーパント元素の酸化物層が配置された積層体を準備する準備工程と、前記積層体を焼成する焼成工程と、を含む電解質膜の製造方法において、前記ドーパント元素は、3価の希土類元素であることを特徴とする。本発明に係る電解質膜の製造方法によれば、ジルコニア系電解質およびセリア系電解質を備える電解質膜において導電率低下を抑制することができる。 The method for producing an electrolyte membrane according to the present invention includes oxidizing a dopant element commonly added to the ceria-based electrolyte and the zirconia-based electrolyte between the ceria-based electrolyte green layer and the zirconia-based electrolyte green layer. In the manufacturing method of an electrolyte membrane including a preparation step of preparing a laminate in which a physical layer is disposed and a firing step of firing the laminate , the dopant element is a trivalent rare earth element, To do. According to the method for manufacturing an electrolyte membrane according to the present invention, a decrease in conductivity can be suppressed in an electrolyte membrane including a zirconia-based electrolyte and a ceria-based electrolyte.

記ドーパント元素の酸化物層は、イットリアとすることができる。前記準備工程において、前記ドーパント元素の酸化物層と前記セリア系電解質グリーン層との間にセリアからなるグリーン層を配置し、前記ドーパント元素の酸化物層と前記ジルコニア系電解質グリーン層との間にジルコニアからなるグリーン層を配置してもよい。 Oxide layer before Symbol dopant element may be a yttria. In the preparation step, a green layer made of ceria is disposed between the oxide layer of the dopant element and the ceria-based electrolyte green layer, and between the oxide layer of the dopant element and the zirconia-based electrolyte green layer. A green layer made of zirconia may be disposed.

本発明に係る電解質膜は、セリア系電解質層と、ジルコニア系電解質層と、前記セリア系電解質層と前記ジルコニア系電解質層との界面に形成された固溶層であって、前記セリア系電解質と前記ジルコニア系電解質とが互いに固溶した固溶層と、を備え、前記セリア系電解質層のドーパント元素は、前記ジルコニア系電解質層のドーパント元素と同一である電解質膜において、前記ドーパント元素は、3価の希土類元素であることを特徴とする。本発明に係る電解質膜においては、導電率低下を抑制することができる。前記ドーパント元素は、イットリウムとすることができる。前記セリア系電解質層と前記固溶層の界面及び前記ジルコニア系電解質層と前記固溶層の界面において、前記セリア系電解質層はCe(1−x)(M=Y、x=0.1〜0.2、y=0.06〜0.12)の組成を有し、前記ジルコニア系電解質はZr(1−y)(M=Y、y=0.06〜0.12)の組成を有していてもよい。 The electrolyte membrane according to the present invention is a ceria-based electrolyte layer, a zirconia-based electrolyte layer, a solid solution layer formed at an interface between the ceria-based electrolyte layer and the zirconia-based electrolyte layer, and the ceria-based electrolyte A solid solution layer in which the zirconia-based electrolyte is solid-solved with each other, wherein the dopant element of the ceria-based electrolyte layer is the same as the dopant element of the zirconia-based electrolyte layer , and the dopant element is 3 It is characterized by being a rare earth element . In the electrolyte membrane according to the present invention, a decrease in conductivity can be suppressed . Before Symbol dopant element may be a yttrium. At the interface between the ceria-based electrolyte layer and the solid solution layer and at the interface between the zirconia-based electrolyte layer and the solid solution layer , the ceria-based electrolyte layer is Ce (1-x) M x O 2 (M = Y, x = 0.1 to 0.2, y = 0.06 to 0.12), and the zirconia-based electrolyte is Zr (1-y) M y O 2 (M = Y, y = 0.06 to It may have the composition of 0.12).

本発明によれば、ジルコニア系電解質およびセリア系電解質を備える電解質膜において導電率低下を抑制することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, electrical conductivity fall can be suppressed in the electrolyte membrane provided with a zirconia type electrolyte and a ceria type electrolyte.

固体酸化物形の燃料電池の模式的断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a solid oxide fuel cell. 第1の実施形態に係る電解質膜の製造方法を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the manufacturing method of the electrolyte membrane which concerns on 1st Embodiment. 第2の実施形態に係る電解質膜の製造方法を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the manufacturing method of the electrolyte membrane which concerns on 2nd Embodiment.

以下、本発明を実施するための形態を説明する。まず、以下の各実施形態で対象とする燃料電池の構成について説明し、次いで、各実施形態に係る製造方法について説明する。   Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described. First, a configuration of a fuel cell that is a target in each of the following embodiments will be described, and then a manufacturing method according to each embodiment will be described.

(燃料電池の構成)
図1は、以下の実施形態で対象とする固体酸化物形の燃料電池100の模式的断面図である。燃料電池100は、支持体10、一方の電極、電解質膜30および他方の電極がこの順に積層された構造を有している。本実施例において燃料電池100は、一例として、支持体10、アノード20、電解質膜30およびカソード40がこの順に積層された構造を有している。
(Configuration of fuel cell)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a solid oxide fuel cell 100 targeted in the following embodiment. The fuel cell 100 has a structure in which the support 10, one electrode, the electrolyte membrane 30, and the other electrode are stacked in this order. In this embodiment, as an example, the fuel cell 100 has a structure in which the support 10, the anode 20, the electrolyte membrane 30, and the cathode 40 are laminated in this order.

支持体10は、ガス透過性を有するとともに、電解質膜30を支持可能な部材を用いることができる。本実施例においては、支持体10の一例として多孔質基材を用いる。多孔質基材の一例として、上面および下面を連通する孔11を複数有する多孔質金属板を用いる。多孔質金属板の材質としては、特に限定されないが、例えば酸化によって表面に絶縁性の酸化被膜が形成される成分を含んだ材質(ステンレス等)が用いられる。   As the support 10, a member having gas permeability and capable of supporting the electrolyte membrane 30 can be used. In this embodiment, a porous substrate is used as an example of the support 10. As an example of the porous substrate, a porous metal plate having a plurality of holes 11 communicating with the upper surface and the lower surface is used. The material of the porous metal plate is not particularly limited. For example, a material (such as stainless steel) containing a component that forms an insulating oxide film on the surface by oxidation is used.

アノード20の材質は、アノードとしての電極活性を有するものであれば特に限定されないが、例えばNiO/ZrO系、NiO/CeO系、NiO/BaZrO系等の固体酸化物を含む電極構成材料を用いることができる。カソード40の材質は、カソードとしての電極活性を有するものであれば特に限定されないが、例えばLaMnO系、LaCoO系、LaNiO系、SmCoO系等の固体酸化物を含む電極構成材料を用いることができる。 The material of the anode 20 is not particularly limited as long as it has electrode activity as an anode. For example, an electrode constituent material containing a solid oxide such as NiO / ZrO 2 , NiO / CeO 2 , NiO / BaZrO 3 Can be used. The material of the cathode 40 is not particularly limited as long as it has electrode activity as a cathode. For example, an electrode constituent material containing a solid oxide such as LaMnO 3 , LaCoO 3 , La 2 NiO 4 , or SmCoO 3 Can be used.

電解質膜30は、酸素イオン伝導性を有する固体酸化物電解質である。具体的には、電解質膜30は、セリア系電解質およびジルコニア系電解質を含む。セリア系電解質として、Ce1−x(0≦x<1、M=Y(イットリウム),Yb(イッテルビウム),Sm(サマリウム),Sc(スカンジウム)などの3価希土類元素)を用いることができる。ジルコニア系電解質として、Zr1−x(0≦x<1、M=Y(イットリウム),Yb(イッテルビウム),Sm(サマリウム),Sc(スカンジウム)などの3価希土類元素)を用いることができる。セリア系電解質に添加されているドーパントとジルコニア系電解質に添加されているドーパントとは、同一である。 The electrolyte membrane 30 is a solid oxide electrolyte having oxygen ion conductivity. Specifically, the electrolyte membrane 30 includes a ceria-based electrolyte and a zirconia-based electrolyte. As the ceria-based electrolyte, Ce 1-x M x O 2 (0 ≦ x <1, M = Y (yttrium), Yb (ytterbium), Sm (samarium), Sc (scandium), etc.) is used. be able to. As the zirconia-based electrolyte, Zr 1-x M x O 2 (0 ≦ x <1, M = Y (yttrium), Yb (ytterbium), Sm (samarium), Sc (scandium), etc.) is used. be able to. The dopant added to the ceria-based electrolyte and the dopant added to the zirconia-based electrolyte are the same.

なお、アノード20は、電解質膜30に含まれる成分を含んでいることが好ましい。この場合、アノード20の熱膨張係数が電解質膜30の熱膨張係数に近くなり、アノード20と電解質膜30との剥離をより抑制することができる。例えば、したがって、アノード20の材質はNiO/ZrO系またはNiO/CeO系であることが好ましい。 Note that the anode 20 preferably includes a component included in the electrolyte membrane 30. In this case, the thermal expansion coefficient of the anode 20 becomes close to the thermal expansion coefficient of the electrolyte membrane 30, and the separation between the anode 20 and the electrolyte membrane 30 can be further suppressed. For example, therefore, the material of the anode 20 is preferably NiO / ZrO 2 or NiO / CeO 2 .

燃料電池100は、以下の作用によって発電する。まず、支持体10には、水素(H)が供給され、カソード40には、酸素(O)が供給される。カソード40においては、カソード40に供給された酸素と、外部電気回路から供給される電子と、が反応して酸素イオンになる。酸素イオンは、電解質膜30を伝導してアノード20側に移動する。 The fuel cell 100 generates power by the following action. First, hydrogen (H 2 ) is supplied to the support 10, and oxygen (O 2 ) is supplied to the cathode 40. In the cathode 40, oxygen supplied to the cathode 40 and electrons supplied from the external electric circuit react to form oxygen ions. The oxygen ions are transferred to the anode 20 side through the electrolyte membrane 30.

一方、支持体10に供給された水素は、支持体10の孔11を通過して、アノード20に到達する。アノード20に到達した水素は、アノード20において電子を放出するとともに、カソード40側から電解質膜30を伝導してくる酸素イオンと反応して水(HO)になる。放出された電子は、外部電気回路によって外部に取り出される。外部に取り出された電子は、電気的な仕事をした後に、カソード40に供給される。以上の作用によって、発電が行われる。 On the other hand, the hydrogen supplied to the support 10 passes through the holes 11 of the support 10 and reaches the anode 20. The hydrogen that has reached the anode 20 emits electrons at the anode 20 and reacts with oxygen ions conducted through the electrolyte membrane 30 from the cathode 40 side to become water (H 2 O). The emitted electrons are taken out by an external electric circuit. The electrons extracted outside are supplied to the cathode 40 after performing electrical work. Power generation is performed by the above operation.

セリア系電解質は、中温域(600℃前後)で高い酸素イオン伝導性を有する。セリア系電解質は、中温域では電子伝導性も併せ持つため、燃料電池100の発電時のリーク電流増加に伴う発電効率低下の要因ともなる。しかしながら、電解質膜30は、ほとんど電子伝導性を持たないジルコニア系電解質を含むことから、電解質膜30における電子伝導が抑制される。したがって、電解質膜30は、燃料電池100の発電効率を高めることができる。しかしながら、セリア系電解質およびジルコニア系電解質を高温焼成すると、セリア系電解質とジルコニア系電解質とが互いに固溶することによって低イオン伝導性層が形成される。この場合、電解質膜30の導電率が低下するおそれがある。以下の実施形態においては、導電率低下を抑制することができる、電解質膜30の製造方法について説明する。   The ceria-based electrolyte has high oxygen ion conductivity in the middle temperature range (around 600 ° C.). Since the ceria-based electrolyte also has electronic conductivity in the middle temperature range, it also causes a decrease in power generation efficiency due to an increase in leakage current when the fuel cell 100 generates power. However, since the electrolyte membrane 30 includes a zirconia-based electrolyte having almost no electron conductivity, the electron conduction in the electrolyte membrane 30 is suppressed. Therefore, the electrolyte membrane 30 can increase the power generation efficiency of the fuel cell 100. However, when the ceria-based electrolyte and the zirconia-based electrolyte are fired at a high temperature, the ceria-based electrolyte and the zirconia-based electrolyte are dissolved in each other, thereby forming a low ion conductive layer. In this case, the conductivity of the electrolyte membrane 30 may be reduced. In the following embodiments, a method for manufacturing the electrolyte membrane 30 that can suppress a decrease in conductivity will be described.

(第1の実施形態)
図2(a)〜図2(c)は、第1の実施形態に係る電解質膜30の製造方法を説明するための模式図である。本実施形態においては、セリア系電解質とジルコニア系電解質とに、同一のドーパントとしてY(イットリウム)を添加する例について説明する。図2(a)に示すように、イットリアが添加されたセリア(以下、YDCと称する)からなるYDCグリーン層31上に、Yからなるイットリアグリーン層32を積層し、イットリアグリーン層32上に、イットリア安定化ジルコニア(以下、YSZと称する)からなるYSZグリーン層33を積層する。YDCグリーン層31、イットリアグリーン層32およびYSZグリーン層33は、一例として粉末状の層である。
(First embodiment)
FIG. 2A to FIG. 2C are schematic views for explaining the manufacturing method of the electrolyte membrane 30 according to the first embodiment. In the present embodiment, an example in which Y (yttrium) is added as the same dopant to the ceria-based electrolyte and the zirconia-based electrolyte will be described. As shown in FIG. 2A, an yttria green layer 32 made of Y 2 O 3 is laminated on a YDC green layer 31 made of ceria to which yttria is added (hereinafter referred to as YDC). A YSZ green layer 33 made of yttria stabilized zirconia (hereinafter referred to as YSZ) is laminated thereon. The YDC green layer 31, the yttria green layer 32, and the YSZ green layer 33 are, for example, powder layers.

次に、図2(b)に示すように、図2(a)の積層体に対して焼成処理を実施する。具体的には、図2(a)の積層体を1300℃程度まで加熱する。焼成処理を実施することによって、各電解質粉末は焼結し、緻密化する。図2(c)は、焼成処理によって得られる電解質膜30の構成を示す図である。図2(c)に示すように、YDCグリーン層31が焼結し、当該焼結体にイットリアグリーン層32の一部が拡散することによって、YDC電解質層41が形成される。また、YSZグリーン層33が焼結し、当該焼結体にイットリアグリーン層32の一部が拡散することによってYSZ電解質層42が形成される。また、焼成処理の際、YDCとYSZとの間で相互拡散が生じるため、YDC電解質層41とYSZ電解質層42との間に、YDCとYSZとが互いに固溶した固溶層43が形成される。   Next, as shown in FIG.2 (b), a baking process is implemented with respect to the laminated body of Fig.2 (a). Specifically, the laminate of FIG. 2A is heated to about 1300 ° C. By performing the firing treatment, each electrolyte powder is sintered and densified. FIG. 2C is a diagram showing the configuration of the electrolyte membrane 30 obtained by the firing process. As shown in FIG. 2C, the YDC green layer 31 is sintered, and a part of the yttria green layer 32 diffuses into the sintered body, whereby the YDC electrolyte layer 41 is formed. Further, the YSZ green layer 33 is sintered, and a part of the yttria green layer 32 is diffused into the sintered body, whereby the YSZ electrolyte layer 42 is formed. In addition, since mutual diffusion occurs between YDC and YSZ during the firing process, a solid solution layer 43 in which YDC and YSZ are dissolved together is formed between the YDC electrolyte layer 41 and the YSZ electrolyte layer 42. The

ところで、欠陥平衡論によれば、ドーパントは、完全に自由分散したときに最大の効果を発揮する。異なる種類のドーパントA,Bの両方を導入した場合には、固溶体のなかで会合体ABが形成され、完全自由分散が阻害される。したがって、複数種類のドーパントを同時に導入することによって、線形予測よりも導電率が低下することになる。本実施形態においては、セリア系電解質に対するドーパントとジルコニア系電解質に対するドーパントとが同一であるため、固溶層43が形成されたとしても電解質膜30の導電率低下が抑制される。したがって、本実施形態に係る製造方法によれば、ジルコニア系電解質およびセリア系電解質を備える電解質膜30において導電率低下を抑制することができる。   By the way, according to the defect equilibrium theory, the dopant exhibits the maximum effect when completely dispersed freely. When both different types of dopants A and B are introduced, aggregate AB is formed in the solid solution, and complete free dispersion is inhibited. Therefore, by introducing a plurality of types of dopants at the same time, the conductivity is lowered as compared with the linear prediction. In this embodiment, since the dopant for the ceria-based electrolyte and the dopant for the zirconia-based electrolyte are the same, even if the solid solution layer 43 is formed, a decrease in the conductivity of the electrolyte membrane 30 is suppressed. Therefore, according to the manufacturing method according to the present embodiment, a decrease in conductivity can be suppressed in the electrolyte membrane 30 including the zirconia-based electrolyte and the ceria-based electrolyte.

また、電解質膜30においては、YDC電解質層41が高い酸素イオン伝導性を有し、YSZ電解質層42が電解質膜30における電子伝導を抑制する。さらに、YDCグリーン層31とYSZグリーン層33との間にイットリアグリーン層32が配置されていることから、焼成処理の際に固溶層43の形成を抑制することができる。以上のことから、電解質膜30は、高いイオン伝導性と低い電子伝導性とを両立することができる。   In the electrolyte membrane 30, the YDC electrolyte layer 41 has high oxygen ion conductivity, and the YSZ electrolyte layer 42 suppresses electron conduction in the electrolyte membrane 30. Furthermore, since the yttria green layer 32 is disposed between the YDC green layer 31 and the YSZ green layer 33, the formation of the solid solution layer 43 can be suppressed during the firing process. From the above, the electrolyte membrane 30 can achieve both high ionic conductivity and low electronic conductivity.

(第2の実施形態)
図3(a)〜図3(c)は、第2の実施形態に係る電解質膜30の製造方法を説明するための模式図である。本実施形態においても、セリア系電解質とジルコニア系電解質とに、同一のドーパントとしてY(イットリウム)を添加する例について説明する。図3(a)に示すように、YDCグリーン層31上に、CeOからなるセリアグリーン層34を積層する。セリアグリーン層34上には、イットリアグリーン層32を積層する。イットリアグリーン層32上には、ZrOからなるジルコニアグリーン層35を積層する。ジルコニアグリーン層35上には、YSZグリーン層33を積層する。各層は、一例として粉末状の層である。
(Second Embodiment)
FIG. 3A to FIG. 3C are schematic views for explaining a manufacturing method of the electrolyte membrane 30 according to the second embodiment. Also in this embodiment, an example in which Y (yttrium) is added as the same dopant to the ceria-based electrolyte and the zirconia-based electrolyte will be described. As shown in FIG. 3A, a ceria green layer 34 made of CeO 2 is laminated on the YDC green layer 31. On the ceria green layer 34, the yttria green layer 32 is laminated. On the yttria green layer 32, a zirconia green layer 35 made of ZrO 2 is laminated. A YSZ green layer 33 is stacked on the zirconia green layer 35. Each layer is a powder layer as an example.

次に、図3(b)に示すように、図3(a)の積層体に対して焼成処理を実施する。焼成処理を実施することによって、各電解質粉末は焼結し、緻密化する。図3(c)は、焼成処理によって得られる電解質膜30の構成を示す図である。図3(c)に示すように、YDCグリーン層31が焼結することによってYDC電解質層41が形成され、YSZグリーン層33が焼結することによってYSZ電解質層42が形成される。   Next, as shown in FIG.3 (b), a baking process is implemented with respect to the laminated body of Fig.3 (a). By performing the firing treatment, each electrolyte powder is sintered and densified. FIG. 3C is a diagram showing the configuration of the electrolyte membrane 30 obtained by the firing process. As shown in FIG. 3C, a YDC electrolyte layer 41 is formed by sintering the YDC green layer 31, and a YSZ electrolyte layer 42 is formed by sintering the YSZ green layer 33.

また、イットリアグリーン層32のYがセリアグリーン層34のCeOにドープされることから、セリアグリーン層34は、焼成処理によってYDC電解質層41の一部を構成する。また、イットリアグリーン層32のYがジルコニアグリーン層35のZrOにドープされることから、ジルコニアグリーン層35は、焼成処理によってYSZ電解質層42の一部を構成する。ただし、YDCとYSZとの間で相互拡散が生じるため、YDC電解質層41とYSZ電解質層42との間に、YDCとYSZとが互いに固溶した固溶層43が形成される。 In addition, since Y 2 O 3 of the yttria green layer 32 is doped into CeO 2 of the ceria green layer 34, the ceria green layer 34 constitutes a part of the YDC electrolyte layer 41 by a firing process. Further, since Y 2 O 3 of the yttria green layer 32 is doped into ZrO 2 of the zirconia green layer 35, the zirconia green layer 35 constitutes a part of the YSZ electrolyte layer 42 by the firing treatment. However, since mutual diffusion occurs between YDC and YSZ, a solid solution layer 43 in which YDC and YSZ are dissolved together is formed between the YDC electrolyte layer 41 and the YSZ electrolyte layer 42.

本実施例においても、セリア系電解質に対するドーパントとジルコニア系電解質に対するドーパントが同一であるため、固溶層43が形成されたとしても電解質膜30の導電率低下が抑制される。したがって、本実施形態に係る製造方法によれば、ジルコニア系電解質およびセリア系電解質を備える電解質膜30において導電率低下を抑制することができるまた、電解質膜30においては、YDC電解質層41が高い酸素イオン伝導性を有し、YSZ電解質層42が電解質膜30における電子伝導を抑制する。さらに、YDCグリーン層31とYSZグリーン層33との間にイットリアグリーン層32が配置されていることから、焼成処理の際に固溶層43の形成を抑制することができる。以上のことから、電解質膜30は、高いイオン伝導性と低い電子伝導性とを両立することができる。   Also in this embodiment, since the dopant for the ceria-based electrolyte and the dopant for the zirconia-based electrolyte are the same, even if the solid solution layer 43 is formed, a decrease in the conductivity of the electrolyte membrane 30 is suppressed. Therefore, according to the manufacturing method according to the present embodiment, a decrease in conductivity can be suppressed in the electrolyte membrane 30 including the zirconia-based electrolyte and the ceria-based electrolyte. In the electrolyte membrane 30, the YDC electrolyte layer 41 has a high oxygen content. It has ion conductivity, and the YSZ electrolyte layer 42 suppresses electronic conduction in the electrolyte membrane 30. Furthermore, since the yttria green layer 32 is disposed between the YDC green layer 31 and the YSZ green layer 33, the formation of the solid solution layer 43 can be suppressed during the firing process. From the above, the electrolyte membrane 30 can achieve both high ionic conductivity and low electronic conductivity.

(他の例)
ジルコニア系電解質およびセリア系電解質は、共に、ドーパント元素種に依存して導電率が大きく変わる。一般に、以下の条件を満たすドーパント元素が高い導電率を示す。
(1)母体元素より価数が1少ない(Zr,Ceに対しては、+3)。
(2)母体イオン(Zr4+,Ce4+)とイオン半径が近い。
以上の条件を満たす元素として、Y(イットリウム),Yb(イッテルビウム),Sm(サマリウム),Sc(スカンジウム)などが挙げられる。
(Other examples)
Both the zirconia-based electrolyte and the ceria-based electrolyte vary greatly in conductivity depending on the dopant element type. In general, a dopant element that satisfies the following conditions exhibits high conductivity.
(1) The valence is one less than the parent element (+3 for Zr, Ce).
(2) The ion radius is close to the base ions (Zr 4+ , Ce 4+ ).
Examples of elements that satisfy the above conditions include Y (yttrium), Yb (ytterbium), Sm (samarium), Sc (scandium), and the like.

また、ジルコニア系電解質の導電率はセリア系電解質の導電率と比較して小さいため、ジルコニア/セリア系の複合膜の全抵抗は、ジルコニア系の抵抗に大きく依存する。このため、ジルコニア系電解質の導電率を高めるドーパントを選択することが好ましい。以上の観点から、Y(イットリウム)を用いることが特に好ましい。   Further, since the conductivity of the zirconia-based electrolyte is smaller than the conductivity of the ceria-based electrolyte, the total resistance of the zirconia / ceria-based composite film depends greatly on the zirconia-based resistance. For this reason, it is preferable to select a dopant that increases the conductivity of the zirconia-based electrolyte. From the above viewpoint, it is particularly preferable to use Y (yttrium).

なお、焼成によって得られるセリア系電解質膜とジルコニア系電解質膜との界面において、セリア系電解質はCe(1−x)(M=Y、x=0.1〜0.2、y=0.06〜0.12)の組成を有し、ジルコニア系電解質はZr(1−y)(M=Y、y=0.06〜0.12)の組成を有していることが好ましい。この組成範囲において、セリア系電解質およびジルコニア系電解質が高い導電率を発揮するからである。 Note that, at the interface between the ceria-based electrolyte film and the zirconia-based electrolyte film obtained by firing, the ceria-based electrolyte is Ce (1-x) M x O 2 (M = Y, x = 0.1 to 0.2, y = has a composition of 0.06 to 0.12), zirconia electrolytes had a composition of Zr (1-y) M y O 2 (M = Y, y = 0.06~0.12) Preferably it is. This is because in this composition range, the ceria-based electrolyte and the zirconia-based electrolyte exhibit high conductivity.

また、Y(イットリウム)の拡散を抑制するために、YDCグリーン層31およびYSZグリーン層33におけるドーパント濃度はできるだけ一致していることが好ましい。そこで、YSZを(ZrO(1−x)(Y)xとし、YDCをCe(1−x)2−δとした場合、x=0.03〜0.12とすることが好ましく、x=0.06〜0.10とすることがより好ましい。 In order to suppress the diffusion of Y (yttrium), it is preferable that the dopant concentrations in the YDC green layer 31 and the YSZ green layer 33 match as much as possible. Therefore, when YSZ is (ZrO 2 ) (1-x) (Y 2 O 3 ) x and YDC is Ce (1-x) Y x O 2-δ , x = 0.03 to 0.12. It is preferable that x = 0.06 to 0.10.

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。   The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, but the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims.・ Change is possible.

10 支持体
20 アノード
30 電解質膜
31 YDCグリーン層
32 イットリアグリーン層
33 YSZグリーン層
34 セリアグリーン層
35 ジルコニアグリーン層
41 YDC電解質層
42 YSZ電解質層
43 固溶層
100 燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Support body 20 Anode 30 Electrolyte membrane 31 YDC green layer 32 Yttria green layer 33 YSZ green layer 34 Ceria green layer 35 Zirconia green layer 41 YDC electrolyte layer 42 YSZ electrolyte layer 43 Solid solution layer 100 Fuel cell

Claims (6)

セリア系電解質グリーン層とジルコニア系電解質グリーン層との間に、前記セリア系電解質と前記ジルコニア系電解質とに対して共通して添加されるドーパント元素の酸化物層が配置された積層体を準備する準備工程と、
前記積層体を焼成する焼成工程と、を含む電解質膜の製造方法において、前記ドーパント元素は、3価の希土類元素であることを特徴とする電解質膜の製造方法。
A laminate is prepared in which an oxide layer of a dopant element added in common to the ceria-based electrolyte and the zirconia-based electrolyte is disposed between the ceria-based electrolyte green layer and the zirconia-based electrolyte green layer. A preparation process;
A method for producing an electrolyte membrane, comprising: a firing step of firing the laminate , wherein the dopant element is a trivalent rare earth element .
前記ドーパント元素の酸化物層は、イットリアであることを特徴とする請求項1記載の電解質膜の製造方法。 2. The method for producing an electrolyte membrane according to claim 1 , wherein the oxide layer of the dopant element is yttria. 前記準備工程において、前記ドーパント元素の酸化物層と前記セリア系電解質グリーン層との間にセリアからなるグリーン層を配置し、前記ドーパント元素の酸化物層と前記ジルコニア系電解質グリーン層との間にジルコニアからなるグリーン層を配置することを特徴とする請求項1または2に記載の電解質膜の製造方法。 In the preparation step, a green layer made of ceria is disposed between the oxide layer of the dopant element and the ceria-based electrolyte green layer, and between the oxide layer of the dopant element and the zirconia-based electrolyte green layer. The method for producing an electrolyte membrane according to claim 1 , wherein a green layer made of zirconia is disposed. セリア系電解質層と、
ジルコニア系電解質層と、
前記セリア系電解質層と前記ジルコニア系電解質層との界面に形成された固溶層であって、前記セリア系電解質と前記ジルコニア系電解質とが互いに固溶した固溶層と、を備え、
前記セリア系電解質層のドーパント元素は、前記ジルコニア系電解質層のドーパント元素と同一である電解質膜において、前記ドーパント元素は、3価の希土類元素であることを特徴とする電解質膜。
A ceria-based electrolyte layer;
A zirconia-based electrolyte layer;
A solid solution layer formed at an interface between the ceria-based electrolyte layer and the zirconia-based electrolyte layer, wherein the ceria-based electrolyte and the zirconia-based electrolyte are in solid solution with each other, and
In the electrolyte membrane in which the dopant element of the ceria-based electrolyte layer is the same as the dopant element of the zirconia-based electrolyte layer , the dopant element is a trivalent rare earth element .
前記ドーパント元素は、イットリウムであることを特徴とする請求項4記載の電解質膜。 The electrolyte membrane according to claim 4 , wherein the dopant element is yttrium. 前記セリア系電解質層と前記固溶層の界面及び前記ジルコニア系電解質層と前記固溶層の界面において、前記セリア系電解質層はCe(1−x)(M=Y、x=0.1〜0.2、y=0.06〜0.12)の組成を有し、前記ジルコニア系電解質はZr(1−y)(M=Y、y=0.06〜0.12)の組成を有していることを特徴とする請求項5記載の電解質膜。 At the interface between the ceria-based electrolyte layer and the solid solution layer and at the interface between the zirconia-based electrolyte layer and the solid solution layer , the ceria-based electrolyte layer is Ce (1-x) M x O 2 (M = Y, x = 0.1 to 0.2, y = 0.06 to 0.12), and the zirconia-based electrolyte is Zr (1-y) M y O 2 (M = Y, y = 0.06 to The electrolyte membrane according to claim 5, which has a composition of 0.12).
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