JP6779745B2 - Solid oxide fuel cell and material for forming the cathode of the fuel cell - Google Patents

Solid oxide fuel cell and material for forming the cathode of the fuel cell Download PDF

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Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池のカソード(空気極)形成に用いられる材料、および該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に関する。 The present invention relates to a material used for forming a cathode (air electrode) of a solid oxide fuel cell, and a solid oxide fuel cell including a cathode formed by using the material.

固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell;以下、単に「SOFC」ということもある。)は、種々のタイプの燃料電池の中でも、発電効率が高く、また多様な燃料の使用が可能なため、環境負荷の少ない次世代の発電装置として開発が進められている。
SOFCの典型的な構造は、酸素イオン伝導体(典型的には酸素イオン伝導性のセラミック体)から成る緻密な固体電解質(例えば緻密膜層)の一方の面に多孔質構造のカソード(空気極)が形成され、他方の面に多孔質構造のアノード(燃料極)が形成(例えば積層)されることにより構成されている。
Solid oxide fuel cells (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell; hereinafter, also referred to simply as "SOFC") have high power generation efficiency and can use various fuels among various types of fuel cells. Therefore, it is being developed as a next-generation power generation device with less environmental load.
A typical structure of SOFC is a cathode (air electrode) having a porous structure on one surface of a dense solid electrolyte (for example, a dense film layer) composed of an oxygen ion conductor (typically an oxygen ion conductive ceramic body). ) Is formed, and an anode (fuel electrode) having a porous structure is formed (for example, laminated) on the other surface.

従来、SOFCは、700℃以上、典型的には800℃〜1000℃程度の高温域で作動させていたが、耐久性の向上や低コスト化の観点から、近年ではかかる作動温度をより低温化することが望まれている。例えば、SOFCの作動温度を600℃程度にまで低減することが検討されている。
低温作動化を効果的に実現する一助としてカソード材料が検討されている。例えば、電子導電性と酸素イオン導電性とを示すいわゆる電子−酸素イオン混合導電体材料を用いてカソードを構成することによって、電極/電解質/気相の接する三相界面だけでなく、カソード表面においても電極反応を進行させ、電極活性を高めることが期待されている。かかるカソード材料として、ペロブスカイト型酸化物材料であるランタンコバルテート系材料(例えばLaSrCoO3−δ系材料)やランタンストロンチウムコバルトフェライト(LSCF)系材料が挙げられる。これらに関する従来技術としては、特許文献1、2が挙げられる。
Conventionally, SOFCs have been operated in a high temperature range of 700 ° C. or higher, typically 800 ° C. to 1000 ° C., but from the viewpoint of improving durability and reducing costs, the operating temperature has been lowered in recent years. It is desired to do. For example, it is being studied to reduce the operating temperature of SOFC to about 600 ° C.
Cathode materials are being studied as an aid to effectively achieving low temperature operation. For example, by constructing the cathode using a so-called electron-oxygen ion mixed conductor material exhibiting electron conductivity and oxygen ion conductivity, not only at the three-phase interface where the electrode / electrolyte / gas phase is in contact, but also at the cathode surface. It is expected that the electrode reaction will proceed and the electrode activity will be enhanced. Examples of such a cathode material include a lanthanum cobaltate - based material (for example, LaSrCoO 3-δ- based material) and a lanternstrontium cobalt ferrite (LSCF) -based material, which are perovskite-type oxide materials. Patent Documents 1 and 2 are examples of conventional techniques relating to these.

特開2013−84529号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-84529 特開2008−234915号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-234915

特許文献1には、SOFCの空気極材料としてLaSr1−xMnOとCeOとの混合物を用いることが記載されている。同公報には、かかる構成によって、空気極と固体電解質とを二次反応相の生成を抑制して共焼成により積層一体化できることが記載されている。しかしながら、CeOのようなセリウム酸化物は、一般に耐熱性が低く、例えばSOFCの作動温度である600℃〜1000℃の温度域では耐熱性不足によって空気極粒子の焼結が生じ、電極の緻密化が進行する。その結果、電極のポーラス状態を維持できず、三相界面が十分に形成されなくなり、所望の電極活性が得られない虞があった。 Patent Document 1 describes that a mixture of La x Sr 1-x MnO 3 and CeO 2 is used as an air electrode material for SOFC. The publication describes that the air electrode and the solid electrolyte can be laminated and integrated by co-firing while suppressing the formation of a secondary reaction phase by such a configuration. However, cerium oxides such as CeO 2 generally have low heat resistance. For example, in the temperature range of 600 ° C to 1000 ° C, which is the operating temperature of SOFC, air electrode particles are sintered due to insufficient heat resistance, resulting in dense electrodes. The conversion progresses. As a result, the porous state of the electrode could not be maintained, the three-phase interface was not sufficiently formed, and there was a risk that the desired electrode activity could not be obtained.

本発明は、かかる課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、セリウム含有粒子の耐熱性を高めて発電時のカソードの緻密化を防ぎ、所望の電極活性が長期にわたって発揮され得るSOFCのカソード形成用材料を提供することである。また、本発明は、他の側面として、上記材料を用いてカソードを構成したSOFCを提供する。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to increase the heat resistance of cerium-containing particles to prevent densification of the cathode during power generation, and to obtain SOFC capable of exhibiting desired electrode activity for a long period of time. It is to provide a material for forming a cathode. Further, as another aspect, the present invention provides an SOFC in which a cathode is formed by using the above-mentioned material.

上記目的を実現するべく、本発明によって、固体酸化物形燃料電池(SOFC)のカソード形成用材料が提供される。このカソード形成用材料は、粒状のセリウム含有酸化物粒子を含む。前記セリウム含有酸化物粒子は、該粒子の表面部が中心部に比べてCeの濃度が高い。このように表面部と中心部とでCe濃度に適度な差を設けたセリウム含有酸化物粒子を用いることにより、セリウム含有粒子の耐熱性を高めて発電時のカソードの緻密化を防ぎ、所望の電極活性が長期にわたって維持され得る。 In order to realize the above object, the present invention provides a material for forming a cathode of a solid oxide fuel cell (SOFC). This cathode forming material contains granular cerium-containing oxide particles. In the cerium-containing oxide particles, the surface portion of the particles has a higher concentration of Ce than the central portion. By using the cerium-containing oxide particles having an appropriate difference in Ce concentration between the surface portion and the central portion in this way, the heat resistance of the cerium-containing particles is enhanced and the densification of the cathode during power generation is prevented, which is desired. Electrode activity can be maintained for a long period of time.

ここで開示されるカソード形成用材料の好ましい一態様では、前記セリウム含有酸化物粒子の前記中心部は、Ce、La、NdおよびZrからなる群の中から選択される1種または2種以上を構成金属元素として有する酸化物を含む。上記のような構成金属元素を有する酸化物をセリウム含有酸化物粒子の中心部に含むことにより、セリウム含有酸化物粒子の耐熱性をより良く向上させることができる。このため、例えばSOFCの一般的な作動温度である600℃〜1000℃の温度域において耐熱性不足によってカソードの緻密化が進行する事象が解消または緩和され、発電時における性能劣化が少ない耐久性に優れたSOFCを製造することができる。 In a preferred embodiment of the cathode forming material disclosed herein, the central portion of the cerium-containing oxide particles is one or more selected from the group consisting of Ce, La, Nd and Zr. Contains oxides as constituent metal elements. By including the oxide having the constituent metal elements as described above in the central portion of the cerium-containing oxide particles, the heat resistance of the cerium-containing oxide particles can be further improved. For this reason, for example, in the temperature range of 600 ° C to 1000 ° C, which is the general operating temperature of SOFC, the phenomenon that the densification of the cathode progresses due to insufficient heat resistance is eliminated or alleviated, and the durability with little performance deterioration during power generation is achieved. An excellent SOFC can be produced.

ここで開示されるカソード形成用材料の好ましい一態様では、酸素イオン導電性を示すペロブスカイト型酸化物粒子をさらに含む。上記ペロブスカイト型酸化物をカソードに含有させることで、三相界面だけでなく、電極表面も優れた反応場となり得る。このため、比較的低い温度領域(例えば600℃〜800℃)においても電極として高い性能を発揮し得る。その一方で、上記ペロブスカイト型酸化物粒子は、固体電解質材料との熱膨張係数との差が大きく、SOFCの一般的な作動温度において繰り返し使用すると接合部にクラックが生じてカソードが剥離しがちである。これに対して、該ペロブスカイト型酸化物粒子と前記セリウム含有酸化物粒子とを併用することで、熱膨張係数を低減することができ、ペロブスカイト型酸化物粒子を単独で用いる場合に比べて、ヒートサイクル耐久性を高めることができる。 A preferred embodiment of the cathode forming material disclosed herein further comprises perovskite-type oxide particles exhibiting oxygen ion conductivity. By incorporating the perovskite-type oxide in the cathode, not only the three-phase interface but also the electrode surface can be an excellent reaction field. Therefore, it can exhibit high performance as an electrode even in a relatively low temperature range (for example, 600 ° C. to 800 ° C.). On the other hand, the perovskite-type oxide particles have a large difference from the coefficient of thermal expansion of the solid electrolyte material, and when repeatedly used at the general operating temperature of SOFC, cracks occur in the joint and the cathode tends to peel off. is there. On the other hand, by using the perovskite type oxide particles and the cerium-containing oxide particles in combination, the coefficient of thermal expansion can be reduced, and the heat can be reduced as compared with the case where the perovskite type oxide particles are used alone. Cycle durability can be improved.

ここで開示されるカソード形成用材料の好ましい一態様では、前記ペロブスカイト型酸化物粒子の量が、該ペロブスカイト型酸化物粒子と前記セリウム含有酸化物粒子との合計質量に対して10質量%〜90質量%に相当する量である。より好ましくは、前記ペロブスカイト型酸化物粒子の量が、該ペロブスカイト型酸化物粒子と前記セリウム含有酸化物粒子との合計質量に対して20質量%〜80質量%に相当する量である。このようなペロブスカイト型酸化物粒子の量の範囲内であると、上述した性能向上効果(例えば低温作動化効果やヒートサイクル耐久性向上効果)がより良く発揮され得る。 In a preferred embodiment of the cathode forming material disclosed herein, the amount of the perovskite-type oxide particles is 10% by mass to 90% by mass with respect to the total mass of the perovskite-type oxide particles and the cerium-containing oxide particles. It is an amount corresponding to mass%. More preferably, the amount of the perovskite-type oxide particles is an amount corresponding to 20% by mass to 80% by mass with respect to the total mass of the perovskite-type oxide particles and the cerium-containing oxide particles. When the amount is within the range of such perovskite-type oxide particles, the above-mentioned performance improving effect (for example, low temperature operation effect and heat cycle durability improving effect) can be more effectively exhibited.

ここで開示されるカソード形成用材料の好ましい一態様では、少なくとも1種の分散溶媒を含み、ペースト状(スラリー状、インク状を含む。)に調製されていることが挙げられる。ここで開示される材料は、SOFCのカソードを形成するために用いられる。かかる用途においては、該カソードの構成材料を1種以上の分散溶媒に分散(もしくは溶解)させペースト状に調製したものを用いることで、均質なカソード層を安定して作製することができる。 A preferred embodiment of the cathode forming material disclosed herein is that it contains at least one dispersion solvent and is prepared in a paste form (including a slurry form and an ink form). The materials disclosed herein are used to form the cathode of SOFCs. In such an application, a homogeneous cathode layer can be stably produced by using a material prepared as a paste by dispersing (or dissolving) the constituent material of the cathode in one or more kinds of dispersion solvents.

また本発明により、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であって、上記カソードは、ここで開示されるいずれかのカソード形成用材料(典型的には上述したセリウム含有酸化物粒子を含む材料)の焼成体からなる、固体酸化物形燃料電池(SOFC)が提供される。
上記カソードでは、発電時において電極の緻密化が進行しにくい。このため、かかるカソードを備えたSOFCは、高い耐久性を発揮し得る。
Further, according to the present invention, a solid oxide fuel cell including an anode, a solid electrolyte and a cathode, wherein the cathode is one of the cathode forming materials disclosed herein (typically, the above-mentioned cerium-containing material). A solid oxide fuel cell (SOFC) comprising a calcined product of a material containing oxide particles) is provided.
With the above cathode, it is difficult for the electrodes to become densified during power generation. Therefore, the SOFC provided with such a cathode can exhibit high durability.

本発明の一実施形態に係るアノード支持型のSOFCを模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the anode support type SOFC which concerns on one Embodiment of this invention. ここで開示されるセリウム含有酸化物粒子を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cerium-containing oxide particles disclosed here. 本発明の一実施形態に係るSOFCの製造工程を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the manufacturing process of SOFC which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るSOFCの製造工程を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the manufacturing process of SOFC which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るSOFCの製造工程を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the manufacturing process of SOFC which concerns on one Embodiment of this 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以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、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. Matters other than those specifically mentioned in the present specification and necessary for carrying out the present invention can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in the art. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in the present specification and common general technical knowledge in the art.

ここで開示されるカソード形成用材料は、表面部が中心部に比べてCeの濃度が高い粒状のセリウム含有酸化物粒子を含むことにより特徴付けられる。よって、他の構成成分の内容や組成等については、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。 The cathode-forming material disclosed herein is characterized by the fact that the surface portion contains granular cerium-containing oxide particles having a higher concentration of Ce than the central portion. Therefore, the content, composition, and the like of the other constituents can be determined in light of various criteria as long as the object of the present invention is not deviated.

本構成により、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であって、上記カソードは、ここで開示されるカソード形成用材料を備えた固体酸化物形燃料電池(SOFC)が提供される。ここで開示される材料を用いたカソードは、種々の構造のSOFC、例えば、従来公知の平板型(Planar)、MOLB型、縦縞円筒型(Tubular)、あるいは円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒型(Flat tubular)、一体積層型等のSOFCに対して好適に用いることができ、形状やサイズは特に限定されない。また、支持体(基材)についても特に限定はなく、例えばアノードやカソード、固体電解質等であり得る。 According to this configuration, a solid oxide fuel cell provided with an anode, a solid electrolyte, and a cathode, wherein the cathode is a solid oxide fuel cell (SOFC) provided with a cathode forming material disclosed herein. Provided. Cathodes using the materials disclosed herein are SOFCs of various structures, for example, conventionally known flat plate type (Planar), MOLB type, vertical stripe type (Tubular), or the peripheral side surface of the cylinder is vertically crushed. It can be suitably used for SOFCs such as a flat cylindrical type and an integrally laminated type, and the shape and size are not particularly limited. Further, the support (base material) is not particularly limited, and may be, for example, an anode, a cathode, a solid electrolyte, or the like.

一例として、図1を参照しながら説明する。図1は、ここで開示されるSOFC50を備えた発電システムの一部を模式的に示した断面構成図である。ここに示す構成のSOFC50はアノード支持型のSOFCであり、支持体となる薄板状あるいはシート状のアノード(燃料極)10と、該アノード10の少なくとも一部の表面上に形成された(膜状の)固体電解質20と、該固体電解質20の表面上に形成された薄板状あるいはシート状のカソード(空気極)30とが積層された構造を有している。そして、アノード10の端部12と、燃料ガス(典型的には水素(H)だが、燃焼するものであれば例えば炭化水素(メタン(CH))等でもよい。)を供給するガス管60の接合面とが接続部材40によって接合され、気体(燃料ガスもしくは空気)が流出(流入)しないように封止されている。また、カソード30には酸素(O)を含む気体に曝される構造(典型的には、外気に露出した構造)を有している。
かかるSOFCに電流を印加すると、カソード30において、酸素含有ガス(典型的には空気)中の酸素が、酸素イオン(O2−)となる。該酸素イオンは、カソード30から固体電解質20を介してアノード10に供給される。そして該アノード10において、燃料ガスと反応して水(HO)を生成し、電子を放出することにより、発電が行われる。
As an example, it will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional configuration diagram schematically showing a part of a power generation system including the SOFC 50 disclosed here. The SOFC 50 having the configuration shown here is an anode-supported SOFC, and is formed on a thin plate-shaped or sheet-shaped anode (fuel electrode) 10 as a support and at least a part of the surface of the anode 10 (film-like). The solid electrolyte 20 and the thin plate-shaped or sheet-shaped cathode (air electrode) 30 formed on the surface of the solid electrolyte 20 are laminated. Then, an end portion 12 of the anode 10 and a gas pipe for supplying fuel gas (typically hydrogen (H 2 ), but for example, hydrocarbon (methane (CH 4 )) or the like as long as it burns). The joint surface of 60 is joined by the connecting member 40, and is sealed so that gas (fuel gas or air) does not flow out (inflow). Further, the cathode 30 has a structure exposed to a gas containing oxygen (O 2 ) (typically, a structure exposed to the outside air).
When an electric current is applied to such an SOFC, oxygen in an oxygen-containing gas (typically air) becomes oxygen ions ( O2- ) at the cathode 30. The oxygen ions are supplied from the cathode 30 to the anode 10 via the solid electrolyte 20. Then, at the anode 10, water (H 2 O) is generated by reacting with the fuel gas, and electrons are emitted to generate electricity.

ここで開示されるSOFC50を構成するアノード(燃料極)10は多孔質構造を有している。アノードの形状は、SOFC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、上述したSOFCの形状に応じて適宜選択し得る。図1に示す構成のSOFC50は、いわゆるアノード支持型であるため、比較的厚く形成された薄板状あるいはシート状のアノード10がSOFC50の支持体として形成されている。上記支持体としてのアノード10の厚みは、取扱い性、耐久性、熱膨張率等を考慮して設定することが好ましい。典型的には0.1mm〜10mm程度であり、好ましくは0.3mm〜1mm程度であるが、かかる厚みに限定されるものではない。 The anode (fuel electrode) 10 constituting the SOFC 50 disclosed here has a porous structure. The shape of the anode may be configured so as to be in contact with the fuel gas supplied to the SOFC, and can be appropriately selected depending on the shape of the SOFC described above. Since the SOFC 50 having the configuration shown in FIG. 1 is a so-called anode support type, a relatively thick thin plate-shaped or sheet-shaped anode 10 is formed as a support for the SOFC 50. The thickness of the anode 10 as the support is preferably set in consideration of handleability, durability, coefficient of thermal expansion, and the like. It is typically about 0.1 mm to 10 mm, preferably about 0.3 mm to 1 mm, but is not limited to such a thickness.

かかるアノードを構成する材料としては、従来からSOFCに用いられている材料の一種または二種以上を特に限定することなく使用することができる。例えば、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、金(Au)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)その他の白金族元素、コバルト(Co)、ランタン(La)、ストロンチウム(Sr)、チタン(Ti)等からなる金属および/または金属元素のうちの1種類以上から構成される金属酸化物が挙げられる。具体例として、Ni、Co、Ru等の白金族元素からなる、金属や金属酸化物が挙げられる。例えば、Niは他の金属に比べて安価であり、且つ水素等の燃料ガスとの反応性が十分に大きいことから特に好適な金属種である。また、これらの金属や金属酸化物を混合した複合物を用いることもできる。さらに、例えば、上記アノード構成材料(金属や金属酸化物)と、後述する固体電解質構成材料との複合物を用いることもできる。具体的には、例えばニッケル(Ni)またはルテニウム(Ru)と、安定化ジルコニア(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)等)とのサーメットが好適例として挙げられる。特に限定するものではないが、例えば上記アノード構成材料と後述する固体電解質構成材料との混合比率(質量比)が、凡そ90:10〜40:60(より好ましくは、凡そ80:20〜45:55)の範囲にあることが好適である。 As the material constituting such an anode, one or more of the materials conventionally used for SOFC can be used without particular limitation. For example, nickel (Ni), copper (Cu), gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru) and other platinum group elements, cobalt (Co), lanthanum (La), strontium (Sr). ), Titanium (Ti) and the like, and / or a metal oxide composed of one or more of metal elements. Specific examples include metals and metal oxides composed of platinum group elements such as Ni, Co, and Ru. For example, Ni is a particularly suitable metal species because it is cheaper than other metals and has sufficiently high reactivity with a fuel gas such as hydrogen. Further, a composite in which these metals and metal oxides are mixed can also be used. Further, for example, a composite of the anode constituent material (metal or metal oxide) and the solid electrolyte constituent material described later can also be used. Specifically, for example, nickel (Ni) or ruthenium (Ru) and stabilized zirconia (for example, yttria-stabilized zirconia (YSZ), calcia-stabilized zirconia (CSZ), scandia-stabilized zirconia (ScSZ), etc.) Cermet is a good example. Although not particularly limited, for example, the mixing ratio (mass ratio) of the anode constituent material and the solid electrolyte constituent material described later is about 90: 10 to 40:60 (more preferably, about 80:20 to 45: It is preferably in the range of 55).

ここで開示されるSOFC50を構成する固体電解質20は緻密構造を有している。固体電解質20は、上記アノード10の上に積層されており、アノード10の形状に応じてその形状を適宜変更することができる。また、固体電解質20の膜厚は、固体電解質層の緻密性が維持される程度に厚くする一方、SOFCとして好ましい酸素イオン伝導度を供し得る程度に薄くなるよう、両者をバランスさせて厚さ寸法を設定することが好ましい。典型的には0.1μm〜50μm程度であり、好ましくは1μm〜40μm程度であり、より好ましくは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。 The solid electrolyte 20 constituting the SOFC 50 disclosed here has a dense structure. The solid electrolyte 20 is laminated on the anode 10, and its shape can be appropriately changed according to the shape of the anode 10. Further, the thickness of the solid electrolyte 20 is thickened to the extent that the denseness of the solid electrolyte layer is maintained, while being thinned to the extent that oxygen ion conductivity preferable for SOFC can be provided. It is preferable to set. It is typically about 0.1 μm to 50 μm, preferably about 1 μm to 40 μm, more preferably about 10 μm to 30 μm, but is not limited to such a film thickness.

かかる固体電解質を構成する材料としては、従来からSOFCに用いられている材料の一種または二種以上を特に限定することなく使用することができ、例えば、高い酸素イオン伝導性を有する化合物が好ましく用いられる。例えば、セリウム(Ce)、ジルコニウム(Zr)、マグネシウム(Mg)、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、イットリウム(Y)、カルシウム(Ca)、ガドリニウム(Gd)、サマリウム(Sm)、バリウム(Ba)、ランタン(La)、ストロンチウム(Sr)、ガリウム(Ga)、ビスマス(Bi)、ニオブ(Nb)、タングステン(W)等のうちから選択される元素を含む、酸化物であることが好ましい。具体的には、安定化剤(例えば、イットリア(Y)、カルシア(CaO)、スカンジア(Sc)、マグネシア(MgO)、イッテルビア(Yb)、エルビア(Er))で結晶構造を安定化させたジルコニア(ZrO)や、ドープ剤(例えば、ガドリニア(Gd)、ランタニア(La)、サマリア(Sm)、イットリア(Y))をドープしたセリウム酸化物(CeO)が、好適例として挙げられる。例えば、イットリウム(Y)の酸化物(例えば、イットリア(Y))をドープし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))をドープしたスカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)等を好ましく用いることができる。 As the material constituting such a solid electrolyte, one or more of the materials conventionally used for SOFC can be used without particular limitation, and for example, a compound having high oxygen ion conductivity is preferably used. Be done. For example, cerium (Ce), zirconium (Zr), magnesium (Mg), scandium (Sc), titanium (Ti), aluminum (Al), yttrium (Y), calcium (Ca), gadolinium (Gd), samarium (Sm). ), Barium (Ba), Lantern (La), Strontium (Sr), Gallium (Ga), Bismus (Bi), Niob (Nb), Tungsten (W), etc. It is preferable to have. Specifically, stabilizers (for example, Itria (Y 2 O 3 ), Calcia (CaO), Scandia (Sc 2 O 3 ), Magnesia (Mg O), Ittervia (Yb 2 O 3 ), Elvia (Er 2 O 3 ). Zirconia (ZrO 2 ) whose crystal structure is stabilized by 3 )), dope (for example, gadlinia (Gd 2 O 3 ), lanthania (La 2 O 3 ), sammaria (Sm 2 O 3 ), ytria (Y) 2 O 3)) doped with cerium oxide (CeO 2) may be mentioned as preferable examples. For example, yttria-stabilized zirconia (YSZ) doped with an oxide of yttrium (Y) (for example, yttria (Y 2 O 3 )) or an oxide of scandium (Sc) (for example, scandia (Sc 2 O 3 )). Dopeed Scandia-stabilized zirconia (ScSZ) and the like can be preferably used.

ここで開示されるSOFCを構成するカソード(空気極)30は、上記アノード10と同様に多孔質構造を有している。カソード30は、上記固体電解質20の上に積層されており、固体電解質20の形状に応じてその形状を適宜変更することができる。カソード30の厚みは、典型的には1μm〜200μm程度であり、好ましくは5μm〜100μm程度、より好ましくは10μm〜100μm、さらに好ましくは20μm〜50μmであるが、かかる厚みに限定されるものではない。 The cathode (air electrode) 30 constituting the SOFC disclosed here has a porous structure like the anode 10. The cathode 30 is laminated on the solid electrolyte 20, and its shape can be appropriately changed according to the shape of the solid electrolyte 20. The thickness of the cathode 30 is typically about 1 μm to 200 μm, preferably about 5 μm to 100 μm, more preferably 10 μm to 100 μm, still more preferably 20 μm to 50 μm, but is not limited to such thickness. ..

<セリウム含有酸化物粒子>
かかるカソード30を構成する材料としては、粒状のセリウム含有酸化物粒子が挙げられる。かかるカソード形成用材料は、図2に示すように、セリウム含有酸化物粒子1を含む。セリウム含有酸化物粒子1は、該粒子1の表面部が中心部に比べてCeの濃度が高い。この実施形態では、セリウム含有酸化物粒子1は、相対的にCeの濃度が低いコア2と、相対的にCeの濃度が高いシェル3とからなるコアシェル構造を有する。このように表面部と中心部とでCe濃度に差を設けたセリウム含有酸化物粒子1を用いることで、セリウム含有粒子1の耐熱性を高めて発電時のカソード30の緻密化を防ぎ、所望の電極活性が長期にわたって維持され得る。また、上記コアシェル構造を有するセリウム含有酸化物粒子1は、表面部の凹凸が多く、比表面積が大きい。そのため、該セリウム含有酸化物粒子を用いて構築されたカソードは、電極/電解質/気相の接する三相界面が従来に比して多く、電極活性がより良く向上する。かかるカソードを用いたSOFCは、高い発電性能が長期にわたって発揮し得る。
<Cerium-containing oxide particles>
Examples of the material constituting the cathode 30 include granular cerium-containing oxide particles. As shown in FIG. 2, such a cathode forming material contains cerium-containing oxide particles 1. In the cerium-containing oxide particles 1, the surface portion of the particles 1 has a higher concentration of Ce than the central portion. In this embodiment, the cerium-containing oxide particles 1 have a core-shell structure including a core 2 having a relatively low concentration of Ce and a shell 3 having a relatively high concentration of Ce. By using the cerium-containing oxide particles 1 having a difference in Ce concentration between the surface portion and the central portion in this way, the heat resistance of the cerium-containing particles 1 is enhanced to prevent the cathode 30 from becoming densified during power generation, which is desired. Electrode activity can be maintained for a long period of time. Further, the cerium-containing oxide particles 1 having the core-shell structure have many irregularities on the surface portion and a large specific surface area. Therefore, the cathode constructed by using the cerium-containing oxide particles has more three-phase interfaces in which the electrode / electrolyte / gas phase is in contact with each other, and the electrode activity is further improved. SOFCs using such cathodes can exhibit high power generation performance for a long period of time.

セリウム含有酸化物粒子1の表面部におけるCeの濃度(以下、単に「Cshell」と表記することがある。)は、中心部におけるCeの濃度(以下、単に「Ccore」と表記することがある。)よりも高ければよく(すなわち、Cshell>Ccoreであればよく)、とくに限定されない。Cshellは、例えば10モル%以上にすることが適当であり、耐熱性向上等の観点から、好ましくは15モル%以上、より好ましくは20モル%以上である。Cshellは、例えば30モル%以上、典型的には40モル%以上(例えば50モル%以上)であってもよい。Cshellの上限値は特に制限されないが、90モル%以下であることが好ましく、85モル%以下であることがより好ましく、80モル%以下であることが特に好ましい。表面部のCshellが70モル%以下のセリウム含有酸化物粒子であってもよく、Cshellが60モル%以下のものであってもよい。 The concentration of Ce on the surface of the cerium-containing oxide particles 1 (hereinafter, may be simply referred to as “C shell ”) may be referred to as the concentration of Ce on the central portion (hereinafter, simply referred to as “C core ”). It may be higher than (that is, C shell > C core ), and is not particularly limited. The C shell is preferably 10 mol% or more, for example, preferably 15 mol% or more, and more preferably 20 mol% or more from the viewpoint of improving heat resistance. The C shell may be, for example, 30 mol% or more, typically 40 mol% or more (for example, 50 mol% or more). The upper limit of the C shell is not particularly limited, but is preferably 90 mol% or less, more preferably 85 mol% or less, and particularly preferably 80 mol% or less. The C shell on the surface may be 70 mol% or less of cerium-containing oxide particles, and the C shell may be 60 mol% or less.

一方、セリウム含有酸化物粒子1の中心部としては、そのCe濃度CcoreがCshellよりも低ければよく、特に限定されない。耐熱性向上等の観点から、セリウム含有酸化物粒子1としては、中心部のCcoreが50モル%以下のものを好ましく採用することができる。Ccoreは、例えば40モル%以下、典型的には20モル%以下(例えば10モル%以下)であってもよい。例えば、Ccoreが0モル%、すなわち中心部に実質的にCeを含まないセリウム含有酸化物粒子1であることが特に好ましい。 On the other hand, the central portion of the cerium-containing oxide particles 1 is not particularly limited as long as its Ce concentration C core is lower than that of the C shell . From the viewpoint of improving heat resistance and the like, cerium-containing oxide particles 1 having a C core of 50 mol% or less at the center can be preferably used. The C core may be, for example, 40 mol% or less, typically 20 mol% or less (for example, 10 mol% or less). For example, it is particularly preferable that the C core is 0 mol%, that is, the cerium-containing oxide particles 1 that do not substantially contain Ce in the central portion.

セリウム含有酸化物粒子1の中心部と表面部とでCe濃度に差を設けることによる効果をより良く発揮させる観点から、CcoreとCshellとの関係が0≦(Ccore/Cshell)<1を満たすことが好ましい。中心部と表面部とが特定のCe濃度比となるようにCeが偏在したセリウム含有酸化物粒子1を用いることにより、セリウム含有酸化物粒子の耐熱性をより良く向上させることができる。ここで開示される技術は、CcoreとCshellとの関係が0≦(Ccore/Cshell)≦0.5、より好ましくは0≦(Ccore/Cshell)≦0.3、さらに好ましくは0≦(Ccore/Cshell)≦0.2、特に好ましくは0≦(Ccore/Cshell)≦0.1である態様で好ましく実施され得る。 From the viewpoint of better exerting the effect of providing a difference in Ce concentration between the central portion and the surface portion of the cerium-containing oxide particles 1, the relationship between C core and C shell is 0 ≦ (C core / C shell ) < It is preferable to satisfy 1. By using the cerium-containing oxide particles 1 in which Ce is unevenly distributed so that the central portion and the surface portion have a specific Ce concentration ratio, the heat resistance of the cerium-containing oxide particles can be further improved. In the technique disclosed here, the relationship between the C core and the C shell is 0 ≦ (C core / C shell ) ≦ 0.5, more preferably 0 ≦ (C core / C shell ) ≦ 0.3, and further preferably. Can be preferably carried out in an embodiment of 0 ≦ (C core / C shell ) ≦ 0.2, particularly preferably 0 ≦ (C core / C shell ) ≦ 0.1.

より耐熱性の高いセリウム含有酸化物粒子を実現する等の観点から、CshellはCcoreよりも10モル%以上高いことが好ましく、20モル%以上高いことがより好ましい。また、CshellからCcoreを減した値は(すなわち、Cshell−Ccore)は、好ましくは90モル%以下であり、より好ましくは80モル%以下、さらに好ましくは70モル%以下である。例えば、Cshell−Ccoreが50モル%以下であってもよい。 From the viewpoint of realizing cerium-containing oxide particles having higher heat resistance, the C shell is preferably 10 mol% or more higher than the C core, and more preferably 20 mol% or more higher. The value obtained by subtracting the C core from the C shell (that is, the C shell −C core ) is preferably 90 mol% or less, more preferably 80 mol% or less, and further preferably 70 mol% or less. For example, the C shell −C core may be 50 mol% or less.

なお、セリウム含有酸化物粒子1のCe濃度は、表面部については、例えば、TEM−EDS法に基づく分析機器を用いて、セリウム含有酸化物粒子の最表面部(表面から数nm程度、例えば表面から5nm程度)を構成する元素全体に占めるCe元素の平均割合(mol%)を測定して把握することができる。また、中心部については、例えばTEM−EDS法に基づく分析機器を用いて、セリウム含有酸化物粒子の上記最表面部を除いた部位を構成する元素全体に占めるCe元素の平均割合(mol%)を測定して把握することができる。なお、Ceがセリウム含有酸化物粒子の表面部に中心部よりも偏在していることは、例えばSEM(走査型電子顕微鏡)−EDX(エネルギー分散型X線分光法)によるCeのマッピングにより把握してもよい。 Regarding the Ce concentration of the cerium-containing oxide particles 1, for the surface portion, for example, using an analytical instrument based on the TEM-EDS method, the outermost surface portion of the cerium-containing oxide particles (about several nm from the surface, for example, the surface). The average ratio (mol%) of the Ce element to the total elements constituting (from about 5 nm) can be measured and grasped. As for the central portion, for example, using an analytical instrument based on the TEM-EDS method, the average ratio (mol%) of the Ce element to the total elements constituting the portion of the cerium-containing oxide particles excluding the outermost surface portion. Can be measured and grasped. It should be noted that the fact that Ce is unevenly distributed on the surface of the cerium-containing oxide particles from the central portion can be grasped by mapping Ce by, for example, SEM (scanning electron microscope) -EDX (energy dispersive X-ray spectroscopy). You may.

セリウム含有酸化物粒子1のコア2に用いられる材料としては、中心部のCe濃度CcoreがCshellとの間で前記関係(Cshell>Ccore)を満たす限りにおいて特に制限されない。例えば、ランタン(La)、セリウム(Ce)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ガドリニウム(Gd)等の希土類元素;ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、イットリウム(Y)等の3族〜4族の金属元素を含む金属化合物材料;等を用いることができる。なかでもCe、La、NdおよびZrのうちの1種または2種以上を構成金属元素として有する酸化物が好適である。セリウム含有酸化物粒子1のコア2に用いられる材料の好適例として、ランタン酸化物、ネオジム酸化物、ジルコニウム酸化物(例えばジルコニア(ZrO))、希土類元素がドープされたジルコニウム酸化物、希土類元素がドープされたセリウム酸化物等が挙げられる。希土類元素がドープされたジルコニウム酸化物の例としては、ランタンがドープされたジルコニア、セリウムがドープされたジルコニア、ネオジムがドープされたジルコニア、ランタンおよびネオジムがドープされたジルコニア等が例示される。希土類元素がドープされたセリウム酸化物の例としては、ランタンがドープされたセリア等が例示される。好適な希土類元素のドープ量は、20モル%〜80モル%(好ましくは30モル%〜70モル%)程度である。このような酸化物成分から成るコア2を含むセリウム含有酸化物粒子1を用いてカソードを形成することにより、発電時のカソードの緻密化を防いで所望の発電性能を長期にわたって維持することができる。 The material used in the core 2 of the cerium-containing oxide particles 1 is not particularly limited Ce concentration C core in the center portion is as long as satisfying the above relationship (C shell> C core) with the C shell. For example, rare earth elements such as lantern (La), cerium (Ce), neodymium (Nd), samarium (Sm), and gadolinium (Gd); group 3 such as zirconium (Zr), titanium (Ti), and ittrium (Y). A metal compound material containing a metal element of Group 4; or the like can be used. Of these, oxides containing one or more of Ce, La, Nd and Zr as constituent metal elements are preferable. Preferable examples of the material used for the core 2 of the cerium-containing oxide particles 1 include lanthanum oxide, neodymium oxide, zirconium oxide (for example, zirconia (ZrO 2 )), zirconium oxide doped with rare earth elements, and rare earth elements. Examples thereof include cerium oxide doped with. Examples of rare earth element-doped zirconium oxides include lanthanum-doped zirconia, cerium-doped zirconia, neodymium-doped zirconia, and lanthanum-neodymium-doped zirconia. Examples of cerium oxides doped with rare earth elements include ceria doped with lanthanum. The suitable doping amount of the rare earth element is about 20 mol% to 80 mol% (preferably 30 mol% to 70 mol%). By forming the cathode using the cerium-containing oxide particles 1 containing the core 2 composed of such an oxide component, it is possible to prevent the cathode from becoming densified during power generation and maintain the desired power generation performance for a long period of time. ..

セリウム含有酸化物粒子1のシェル3に用いられる材料としては、表面部のCe濃度CshellがCcoreとの間で前記関係(Cshell>Ccore)を満たす限りにおいて特に制限されない。例えば、セリウム酸化物(例えばセリア(CeO))、セリア−ジルコニア複合酸化物(CeO−ZrO複合酸化物)等が挙げられる。セリウム含有酸化物粒子1の表面部においては、シェル3を構成する材料(例えばセリウム酸化物)がコア2を構成する材料(例えば希土類元素がドープされたジルコニア)と混在していてもよい。あるいは、シェル3を構成する材料がコア2を構成する材料と焼成により反応し、その一部が固溶体を形成していてもよい。 As a material used for the shell 3 of the cerium-containing oxide particles 1 is not particularly limited as long as it satisfies the relationship between the Ce concentration C shell surface portion and C core (C shell> C core ). For example, cerium oxide (for example, ceria (CeO 2 )), ceria-zirconia composite oxide (CeO 2- ZrO 2 composite oxide) and the like can be mentioned. On the surface of the cerium-containing oxide particles 1, the material constituting the shell 3 (for example, cerium oxide) may be mixed with the material constituting the core 2 (for example, zirconia doped with a rare earth element). Alternatively, the material constituting the shell 3 may react with the material constituting the core 2 by firing, and a part thereof may form a solid solution.

セリウム含有酸化物粒子1の性状は特に限定されないが、例えば平均粒子径(D50)は通常は5μm以下であるものが好ましく、特には2μm以下のものが好ましい。取扱性、カソードの焼結性、カソードと固体電解質層との間の界面接着性を高める等の観点から、セリウム含有酸化物粒子1として、平均粒子径が1μm以下の粒子を好ましく採用することができる。例えば、平均粒子径が0.005μm以上3μm以下のセリウム含有酸化物粒子が好ましく、0.01μm以上2μm以下のものがより好ましく、0.05μm以上0.8μm以下のものが特に好ましい。なお、本明細書において「平均粒子径」は、レーザ回折・散乱法に基づく粒度分布測定装置により測定された粒度分布における積算値50%での粒径(50%累積体積平均粒子径(メジアン径);D50)を意味する。 The properties of the cerium-containing oxide particles 1 are not particularly limited, but for example, the average particle diameter (D50) is usually preferably 5 μm or less, and particularly preferably 2 μm or less. From the viewpoints of handleability, sinterability of the cathode, enhancement of interfacial adhesion between the cathode and the solid electrolyte layer, etc., particles having an average particle diameter of 1 μm or less are preferably adopted as the cerium-containing oxide particles 1. it can. For example, cerium-containing oxide particles having an average particle diameter of 0.005 μm or more and 3 μm or less are preferable, those having an average particle diameter of 0.01 μm or more and 2 μm or less are more preferable, and those having an average particle diameter of 0.05 μm or more and 0.8 μm or less are particularly preferable. In the present specification, the "average particle size" is the particle size at an integrated value of 50% in the particle size distribution measured by a particle size distribution measuring device based on the laser diffraction / scattering method (50% cumulative volume average particle size (Median diameter). ); D50).

このような粒子状のセリウム含有酸化物粒子の製造方法は特に限定されないが、例えば、湿式法によってCeを除く金属元素の水酸化物を析出させ、この水酸化物を仮焼成して焼成物(前駆体)を得ること(前駆体の生成工程)、得られた前駆体に適当なセリウム源(酸溶液)を加え、前駆体の表面にセリウムの水酸化物を析出させること(セリウム析出工程)、上記セリウムが析出した前駆体を所定の温度で焼成すること(焼成工程)、により製造することができる。なお、以下では平均組成がLaZrで表されるコア2にセリアがシェル3として担持されたセリウム含有酸化物粒子1を例として、セリウム含有酸化物粒子の製造方法を説明する場合があるが、本発明をかかる具体的態様に限定する意図ではない。 The method for producing such particulate cerium-containing oxide particles is not particularly limited. For example, a hydroxide of a metal element other than Ce is precipitated by a wet method, and this hydroxide is tentatively fired to produce a fired product (a calcined product (). Obtaining a precursor) (precursor formation step), adding an appropriate cerium source (acid solution) to the obtained precursor, and precipitating a hydroxide of cerium on the surface of the precursor (cerium precipitation step). , The precursor in which cerium is precipitated can be produced by firing at a predetermined temperature (baking step). Incidentally, if the average composition in the following ceria in the core 2 which is represented by La x Zr y O 2 is as an example a supported cerium-containing oxide particles 1 as a shell 3, a method for manufacturing a cerium-containing oxide particles However, it is not intended to limit the present invention to such specific embodiments.

上記前駆体の生成工程では、典型的には、出発原料としてのランタン(La)源およびジルコニウム(Zr)源を含む水性溶液を用意し、これらをアルカリ性条件下(pH>7の条件下)で混合することにより、上記金属元素の水酸化物を析出(晶析)させる。水性溶液としては、金属元素源(La源、Zr源。典型的には水溶性のイオン化合物。)をそれぞれ所定量、水性溶媒に溶解させて調製することができる。これら金属元素源を水性溶媒に添加する順番は特に制限されない。また、各金属元素源を含む水性溶液を別々に用意して、かかる水溶液を混合することにより調製してもよい。金属元素源のアニオンは該金属元素源が水溶性となるように適宜選択することができ、例えば硫酸イオン、硝酸イオン、炭酸イオン、水酸化物イオン、塩化物イオン等であり得る。これら金属元素源のアニオンは、全てまたは一部が同じであってもよく、互いに異なってもよい。また、これらの金属元素源はそれぞれ水和物等の溶媒和された状態のものであり得る。 In the process of producing the precursor, an aqueous solution containing a lanthanum (La) source and a zirconium (Zr) source as starting materials is typically prepared, and these are prepared under alkaline conditions (pH> 7 conditions). By mixing, the hydroxide of the above metal element is precipitated (crystallized). The aqueous solution can be prepared by dissolving a predetermined amount of each of a metal element source (La source, Zr source, typically a water-soluble ionic compound) in an aqueous solvent. The order in which these metal element sources are added to the aqueous solvent is not particularly limited. Alternatively, an aqueous solution containing each metal element source may be prepared separately and prepared by mixing such an aqueous solution. The anion of the metal element source can be appropriately selected so that the metal element source becomes water-soluble, and may be, for example, sulfate ion, nitrate ion, carbonate ion, hydroxide ion, chloride ion or the like. The anions of these metal element sources may be all or part of the same or different from each other. Further, each of these metal element sources may be in a solvated state such as hydrate.

上記水性溶液を調製する際に使用する水性溶媒は、典型的には水であるが、水を主体とする混合溶媒を用いることもできる。該混合溶媒を構成する水以外の溶媒としては、水と均一に混合し得る有機溶剤(例えば低級アルコール、低級ケトン等)の一種または二種以上を適宜選択して用いることができる。また、使用する原料化合物の水溶解性が低い場合等は、該溶解性を向上させ得る化合物(酸、塩基等)等を水性溶媒中に適宜添加することもできる。 The aqueous solvent used when preparing the aqueous solution is typically water, but a mixed solvent mainly composed of water can also be used. As the solvent other than water constituting the mixed solvent, one or more kinds of organic solvents (for example, lower alcohols, lower ketones, etc.) that can be uniformly mixed with water can be appropriately selected and used. When the raw material compound to be used has low water solubility, a compound (acid, base, etc.) capable of improving the solubility can be appropriately added to the aqueous solvent.

上記水性溶液をアルカリ性にし得る化合物としては、強塩基(アルカリ金属の水酸化物等)および/または弱塩基(アンモニア等)を含み、上記水酸化物の生成(析出)を阻害しないものを好ましく使用し得る。例えば、水酸化ナトリウム(NaOH)、水酸化カリウム(KOH)、水酸化アンモニウム(NHOH)、水酸化リチウム(LiOH)、炭酸ナトリウム(NaCO)、炭酸カリウム(KCO)、炭酸リチウム(LiCO)、炭酸アンモニウム((NHCO)、硝酸アンモニウム(NHNO)、アンモニア(NH)等から選択される一種または二種以上を用いることができる。なかでもアンモニアの使用が好ましい。 As the compound capable of making the aqueous solution alkaline, a compound containing a strong base (a hydroxide of an alkali metal or the like) and / or a weak base (ammonia or the like) and which does not inhibit the formation (precipitation) of the hydroxide is preferably used. Can be. For example, sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), ammonium hydroxide (NH 4 OH), lithium hydroxide (LiOH), sodium carbonate (NaCO 3), potassium carbonate (KCO 3), lithium carbonate (LiCO 3 ), ammonium carbonate ((NH 4 ) 2 CO 3 ), ammonium nitrate (NH 4 NO 3 ), ammonia (NH 3 ) and the like can be selected from one or more. Of these, the use of ammonia is preferable.

上記前駆体の生成工程では、上記水性溶液に該水性溶液をアルカリ性にし得る化合物(例えばアンモニウム)を添加し、適当な速度で混合・攪拌することにより、金属元素(ここではLaおよびZr)の水酸化物を析出(晶析)させる。次に、得られた水酸化物を仮焼成することにより、前駆体を形成する。 In the process of producing the precursor, a compound (for example, ammonium) that can make the aqueous solution alkaline is added to the aqueous solution, and the mixture and stirring are mixed and stirred at an appropriate rate to form water of a metal element (here, La and Zr). The oxide is precipitated (crystallized). Next, the obtained hydroxide is calcined to form a precursor.

上記セリウム析出工程では、上記得られた前駆体に適当なセリウム源(酸溶液)を加え、前駆体の表面にセリウムの水酸化物を析出させる。セリウム源のアニオンは該金属元素源が水溶性となるように適宜選択することができ、例えば硫酸イオン、硝酸イオン、炭酸イオン等の酸性イオンであり得る。上記セリウム析出工程では、まず、上記セリウム源を水性溶媒に溶解させた溶解液(酸溶液)に上記得られた前駆体を混合する。そして、該溶解液に該溶解液をアルカリ性にし得る化合物(例えばアンモニア)を加えて攪拌することによって、その溶解液をアルカリ性(pH>7)にすることにより、上記セリウムの水酸化物を前駆体の表面に析出(晶析)させる。セリウム析出工程で用いられる水溶性溶媒およびアルカリ性にし得る化合物としては、前述した前駆体の生成工程で用いられるものと同じものを使用することができる。 In the cerium precipitation step, an appropriate cerium source (acid solution) is added to the obtained precursor to precipitate a hydroxide of cerium on the surface of the precursor. The anion of the cerium source can be appropriately selected so that the metal element source becomes water-soluble, and may be, for example, an acidic ion such as a sulfate ion, a nitrate ion, or a carbonate ion. In the cerium precipitation step, first, the obtained precursor is mixed with a solution (acid solution) in which the cerium source is dissolved in an aqueous solvent. Then, a compound (for example, ammonia) capable of making the solution alkaline is added to the solution and stirred to make the solution alkaline (pH> 7), whereby the hydroxide of cerium is used as a precursor. Precipitate (crystallize) on the surface of. As the water-soluble solvent and the compound that can be made alkaline used in the cerium precipitation step, the same compounds as those used in the precursor production step described above can be used.

上記焼成工程では、上記セリウムが析出した前駆体を所定の温度で焼成することにより、ここに開示されるセリウム含有酸化物粒子1を製造することができる。焼成温度は特に限定されないが、例えば700℃以上(典型的には800℃以上)であって、1300℃以下(典型的には1200℃以下)とすることができる。そして、得られた焼成物を、典型的には粉砕した後、必要に応じて所望の粒子径に篩い分けしセリウム含有酸化物粒子1として用いることができる。このようにして、平均組成がLaZrで表されるコア2にセリアがシェル3として担持された(すなわち中心部よりもCeの濃度が高い表面部を有する)セリウム含有酸化物粒子1を製造することができる。 In the firing step, the cerium-containing oxide particles 1 disclosed herein can be produced by firing the precursor in which the cerium is precipitated at a predetermined temperature. The firing temperature is not particularly limited, but can be, for example, 700 ° C. or higher (typically 800 ° C. or higher) and 1300 ° C. or lower (typically 1200 ° C. or lower). Then, the obtained calcined product is typically pulverized and then sieved to a desired particle size as needed and used as the cerium-containing oxide particles 1. In this way, the average composition (ie has a surface portion concentration of Ce higher than the center portion) La x Zr y O 2 ceria in the core 2 which is represented by is supported as a shell 3 cerium-containing oxide particles 1 can be manufactured.

ここに開示されるカソード形成用材料は、本発明の効果を損なわない範囲で、上述したセリウム含有酸化物粒子、すなわち表面部のCe濃度が中心部よりも高い表面Ce濃化型セリウム含有酸化物粒子以外のセリウム含有酸化物粒子(すなわち、非表面Ce濃化型セリウム含有酸化物粒子)を含有していてもよい。そのような非表面Ce濃化型セリウム含有酸化物粒子の例として、ガドリニウムがドープされたセリア粒子(GDC)、ランタンをドープしたセリア粒子、サマリウムをドープしたセリア粒子等のいずれかから実質的に構成される粒子が挙げられる。 The material for forming a cathode disclosed herein is the above-mentioned cerium-containing oxide particles, that is, a surface Ce-enriched cerium-containing oxide having a higher Ce concentration on the surface than in the center, as long as the effects of the present invention are not impaired. Cerium-containing oxide particles other than the particles (that is, non-surface Ce-enriched cerium-containing oxide particles) may be contained. Examples of such non-surface Ce-enriched cerium-containing oxide particles are substantially from any of gadolinium-doped ceria particles (GDC), lanthanum-doped ceria particles, samarium-doped ceria particles, and the like. Examples include particles that are composed.

上記非表面Ce濃化型セリウム含有酸化物粒子の含有量は、カソード形成用材料に含まれるセリウム含有酸化物粒子の全質量のうち、例えば50質量%以下とすることが適当であり、好ましくは30質量%以下、より好ましくは10質量%以下である。
ここに開示される技術は、カソード形成用材料に含まれるセリウム含有酸化物粒子の全質量のうち表面Ce濃化型セリウム含有酸化物粒子の合計割合が90質量%よりも大きい態様で好ましく実施され得る。上記表面Ce濃化型セリウム含有酸化物粒子の割合は、より好ましくは95質量%以上、さらに好ましくは98質量%以上、特に好ましくは99質量%以上である。なかでも、カソード形成用材料に含まれるセリウム含有酸化物粒子の100質量%(すなわち全部)が表面Ce濃化型セリウム含有酸化物粒子であるカソード形成用材料が好ましい。
The content of the non-surface Ce-enriched cerium-containing oxide particles is preferably, for example, 50% by mass or less of the total mass of the cerium-containing oxide particles contained in the cathode forming material, and is preferable. It is 30% by mass or less, more preferably 10% by mass or less.
The technique disclosed herein is preferably carried out in an embodiment in which the total ratio of the surface Ce-enriched cerium-containing oxide particles to the total mass of the cerium-containing oxide particles contained in the cathode forming material is larger than 90% by mass. obtain. The proportion of the surface Ce-enriched cerium-containing oxide particles is more preferably 95% by mass or more, further preferably 98% by mass or more, and particularly preferably 99% by mass or more. Among them, a cathode forming material in which 100% by mass (that is, all) of the cerium-containing oxide particles contained in the cathode forming material is the surface Ce-enriched cerium-containing oxide particles is preferable.

<ペロブスカイト型酸化物粒子>
ここに開示されるカソード形成用材料は、酸素イオン導電性を示すペロブスカイト型酸化物粒子を含むことが好ましい。ペロブスカイト型酸化物粒子としては、ランタンコバルテート(例えばLaSrCoO3−δ系材料)、ランタンストロンチウムコバルトフェライト(LSCF)系材料、ランタンマンガネート(例えばLaSrMnO3−δ)系材料、ランタンフェライト(例えばLaSrFeO3−δ)系材料、ランタンニッケラート(例えばLaSrNiO3−δ)系材料等が挙げられる。
<Perovskite type oxide particles>
The cathode forming material disclosed herein preferably contains perovskite-type oxide particles exhibiting oxygen ion conductivity. Examples of the perovskite-type oxide particles include lanthanum covalent (for example, LaSrCoO 3-δ material), lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF) material, lanthanum manganate (for example, LaSrMnO 3-δ ) material, and lanthanum ferrite (for example, LaSrFeO 3). −δ ) -based materials, lanthanum nikelate (for example, LaSrNiO 3-δ ) -based materials, and the like can be mentioned.

ここに開示されるペロブスカイト型酸化物粒子を構成する酸化物材料の好ましい組成として、下記一般式(1):
LnAe3−δ (1)
で示されるペロブスカイト型酸化物が例示される。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1種または2種以上の元素であり、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)等)のうちのいずれか1種または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、アルカリ土類金属を示すものである。典型的には、ストロンチウム(Sr)、カルシウム(Ca)およびバリウム(Ba)からなる群から選択される1種または2種以上の元素である。なかでも、Srが含まれているものが好ましい。さらに、Srの含有率の高い組成のものが好適であり、例えば、Srのみから構成されている、あるいはSrが高い含有率で含まれている(例えば、「Ae」中においてSrが40モル%以上含まれている)と特に好ましい。
また、上記一般式(1)中の「M」は、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、チタン(Ti)、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)、スズ(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)およびイットリウム(Y)からなる群から選択される1種または2種以上の元素である。なかでも、Co、Mn、Ni、Fe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。上記元素を含む場合、他のペロブスカイト型酸化物に比べ、高い反応性や酸素イオン伝導性を有しているため、比較的低い温度領域においても電極として優れた性能を発揮することができる。
As a preferable composition of the oxide material constituting the perovskite-type oxide particles disclosed herein, the following general formula (1):
Ln a Ae b M c O 3-δ (1)
An example is a perovskite-type oxide represented by. Here, "Ln" in the general formula (1) is one kind or two or more kinds of elements selected from lanthanoids, and elements having atomic numbers 57 to 71 (for example, lanthanum (La), samarium (Ce)). ), Praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), etc.), or one or more of them can be selected. Among these, La can be used particularly preferably, and when two or more kinds of elements are contained as "Ln", it is preferable that the content of La is high.
Further, "Ae" in the above general formula (1) indicates an alkaline earth metal. Typically, it is one or more elements selected from the group consisting of strontium (Sr), calcium (Ca) and barium (Ba). Among them, those containing Sr are preferable. Further, a composition having a high content of Sr is preferable, for example, it is composed of only Sr or contains Sr at a high content (for example, 40 mol% of Sr in "Ae"). (Included above) is particularly preferable.
Further, "M" in the general formula (1) is cobalt (Co), manganese (Mn), nickel (Ni), iron (Fe), titanium (Ti), 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 ittium (Y). Of these, any one of Co, Mn, Ni, and Fe, or a combination of any two of these is preferable. When the above element is contained, it has higher reactivity and oxygen ion conductivity than other perovskite-type oxides, so that it can exhibit excellent performance as an electrode even in a relatively low temperature range.

また、上記一般式(1)中のa,b,cは、0.3≦a≦0.7、0.3≦b≦0.7、1.7≦a+b+c≦2.0を満たす実数である。即ち、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上記の範囲内であれば、いずれの実数をとってもよい。0.5≦a≦0.7がより好ましい。0.3≦b≦0.6(例えば0.4≦b≦0.5)がより好ましい。0.8≦c≦1.2(典型的にはc=1)がより好ましい。 上記ペロブスカイト型酸化物の具体例としては、例えば、「Ln」としてLaを選択し、「Ae」としてSrを選択し、「M」としてCoを選択した「LaSrCo3−δや、「Ln」としてLaを選択し、「Ae」としてSrを選択し、「M」としてCoおよびFeを選択した「LaSr(CoFe)3−δや、「Ln」としてLaを選択し、「Ae」としてSrを選択し、「M」としてFeを選択した「LaSrFe3−δや、「Ln」としてLaを選択し、「Ae」としてSrを選択し、「M」としてMnを選択した「LaSrMn3−δ等が挙げられる。 Further, a, b, and c in the general formula (1) are real numbers satisfying 0.3 ≦ a ≦ 0.7, 0.3 ≦ b ≦ 0.7, 1.7 ≦ a + b + c ≦ 2.0. is there. That is, any real number may be taken as long as it is within the above range as long as the structure can be maintained without breaking the perovskite type structure. More preferably, 0.5 ≦ a ≦ 0.7. More preferably, 0.3 ≦ b ≦ 0.6 (for example, 0.4 ≦ b ≦ 0.5). More preferably 0.8 ≦ c ≦ 1.2 (typically c = 1). As a specific example of the perovskite-type oxide, for example, "La a Sr b Co c O 3-δ " in which La is selected as "Ln", Sr is selected as "Ae", and Co is selected as "M". Or, "La a Sr b (CoFe) c O 3-δ " in which La was selected as "Ln", Sr was selected as "Ae", and Co and Fe were selected as "M", and La was selected as "Ln". Select Sr as "Ae", select Fe as "M", select "La a Sr b Fe c O 3-δ ", select La as "Ln", and select Sr as "Ae". Then, “La a Sr b Mn c O 3-δ ” in which Mn is selected as “M” can be mentioned.

上記ペロブスカイト型酸化物粒子は、酸素イオン伝導性と電子伝導性を兼ね備えた混合伝導体(酸素イオン−電子混合伝導体)であるため、いわゆる三相界面(カソード電極(電子伝導体)と電解質(イオン伝導体)と気相の接する界面)だけでなく、電極表面をも優れた反応場となり得る。このため、比較的低い温度領域(例えば600℃〜800℃)においても電極として高い性能を発揮し得る。その一方で、上記ペロブスカイト型酸化物粒子は、固体電解質材料との熱膨張係数との差が大きく、SOFCの一般的な作動温度である600℃〜1000℃の温度域において繰り返し使用すると接合部にクラックが生じてカソードが剥離しがちである。これに対して、該ペロブスカイト型酸化物粒子と前記セリウム含有酸化物粒子とを併用することで、熱膨張係数を低減することができ、ペロブスカイト型酸化物粒子を単独で用いる場合に比べて、ヒートサイクル耐久性を高めることができる。 Since the perovskite type oxide particles are mixed conductors (oxygen ion-electron mixed conductors) having both oxygen ion conductivity and electron conductivity, they are so-called three-phase interfaces (cathode electrodes (electron conductors) and electrolytes (. Not only the interface between the ionic conductor) and the gas phase), but also the electrode surface can be an excellent reaction field. Therefore, it can exhibit high performance as an electrode even in a relatively low temperature range (for example, 600 ° C. to 800 ° C.). On the other hand, the perovskite-type oxide particles have a large difference from the coefficient of thermal expansion of the solid electrolyte material, and when repeatedly used in the temperature range of 600 ° C. to 1000 ° C., which is the general operating temperature of SOFC, the joints are formed. Cracks tend to occur and the cathode tends to peel off. On the other hand, by using the perovskite type oxide particles and the cerium-containing oxide particles in combination, the coefficient of thermal expansion can be reduced, and the heat can be reduced as compared with the case where the perovskite type oxide particles are used alone. Cycle durability can be improved.

特に限定するものではないが、上記ペロブスカイト型酸化物粒子の量は、該ペロブスカイト型酸化物粒子とセリウム含有酸化物粒子との合計質量に対して10質量%〜90質量%に相当する量であり、好ましくは20質量%〜80質量%に相当する量である。このようなペロブスカイト型酸化物粒子の量の範囲内であると、上述した性能向上効果(例えば低温作動化効果やヒートサイクル耐久性向上効果)がより良く発揮され得る。 Although not particularly limited, the amount of the perovskite-type oxide particles is an amount corresponding to 10% by mass to 90% by mass with respect to the total mass of the perovskite-type oxide particles and the cerium-containing oxide particles. It is preferably an amount corresponding to 20% by mass to 80% by mass. When the amount is within the range of such perovskite-type oxide particles, the above-mentioned performance improving effect (for example, low temperature operation effect and heat cycle durability improving effect) can be more effectively exhibited.

上記ペロブスカイト型酸化物粒子と前記セリウム含有酸化物粒子とは、相互に接着しておらず、それぞれ独立した粒子として存在していてもよい。あるいは、上記ペロブスカイト型酸化物粒子と前記セリウム含有酸化物粒子とは、相互に接着して複合化していてもよい。すなわち、カソード形成用材料は、上記ペロブスカイト型酸化物粒子と前記セリウム含有酸化物粒子とを含むコンポジット状態(典型的には混合状態)からなる複合材料であってもよい。カソード形成用材料を複合材料とする場合、上記ペロブスカイト型酸化物粒子と前記セリウム含有酸化物粒子とを所定の配合比になるよう秤量し、適当な混合機(例えばボールミル)に投入して混合する。かかる混合粉末を適当な高温条件下で焼成する。該焼成は、900℃〜1600℃(例えば、1000℃〜1200℃)の温度で凡そ2時間〜48時間とすることが好ましい。そして、上記焼成した混合粉末を適宜、粉砕および/または分級処理することで、目的物たるペロブスカイト型酸化物とセリウム含有酸化物からなる複合材料を得ることができる。 The perovskite-type oxide particles and the cerium-containing oxide particles are not adhered to each other and may exist as independent particles. Alternatively, the perovskite-type oxide particles and the cerium-containing oxide particles may be bonded to each other and composited. That is, the cathode forming material may be a composite material in a composite state (typically a mixed state) containing the perovskite-type oxide particles and the cerium-containing oxide particles. When the material for forming a cathode is used as a composite material, the perovskite-type oxide particles and the cerium-containing oxide particles are weighed so as to have a predetermined blending ratio, and are charged into an appropriate mixer (for example, a ball mill) to be mixed. .. The mixed powder is fired under suitable high temperature conditions. The firing is preferably carried out at a temperature of 900 ° C. to 1600 ° C. (for example, 1000 ° C. to 1200 ° C.) for about 2 hours to 48 hours. Then, by appropriately pulverizing and / or classifying the calcined mixed powder, a composite material composed of a perovskite-type oxide and a cerium-containing oxide, which are the target substances, can be obtained.

ここで開示されるカソード形成用材料の形態は、例えば、上述した粉末状であっても、該粉体と任意の分散溶媒とを含むペースト状(スラリー状、インク状を含む。)であっても、該スラリーを乾燥(もしくは焼成)した固体状であってもよい。
該分散溶媒としては、上記カソード形成用材料の構成素材を好適に分散できるもののうち、一種または二種以上を特に限定することなく用いることができる。かかる溶媒は有機系溶媒、無機系溶媒のいずれを用いてもよい。有機系分散溶媒としては、例えば、エーテル系溶剤、エステル系溶剤、ケトン系溶剤、または他の有機溶剤が挙げられる。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等が好適に用いられる。また、無機系分散溶媒としては、水または水を主体とする混合溶媒であることが好ましい。該混合溶媒を構成する水以外の溶媒としては、例えば、水と均一に混合し得る有機溶剤(低級アルコール、低級ケトン等)の一種または二種以上を適宜選択して用いることができる。かかるペーストにおける溶媒の含有率は、特に限定されないが、スラリー全体の凡そ1質量%〜50質量%(典型的には5質量%〜35質量%)が好ましい。
The form of the cathode forming material disclosed here is, for example, a paste (including a slurry and an ink) containing the powder and an arbitrary dispersion solvent even if it is in the powder form described above. Also, the slurry may be in the form of a dried (or fired) solid.
As the dispersion solvent, one or more of those capable of preferably dispersing the constituent material of the cathode forming material can be used without particular limitation. As the solvent, either an organic solvent or an inorganic solvent may be used. Examples of the organic dispersion solvent include an ether solvent, an ester solvent, a ketone solvent, and other organic solvents. For example, terpineol, butyl diglycol acetate, isobutyl alcohol and the like are preferably used. The inorganic dispersion solvent is preferably water or a mixed solvent mainly composed of water. As the solvent other than water constituting the mixed solvent, for example, one kind or two or more kinds of organic solvents (lower alcohol, lower ketone, etc.) that can be uniformly mixed with water can be appropriately selected and used. The content of the solvent in such a paste is not particularly limited, but is preferably about 1% by mass to 50% by mass (typically 5% by mass to 35% by mass) of the entire slurry.

ここで開示される上記ペースト状のカソード形成用材料には、必要に応じて、バインダや任意で付加し得る他の成分(例えば、増粘剤や分散剤等の添加剤)を添加することもできる。なお、ペーストに用いられるバインダ、添加剤等は、特に限定されるものではなく、ペースト製造において従来公知のものから適宜選択して用いることができる。該バインダとしては、例えば、セルロースまたはその誘導体が挙げられる。具体的には、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、カルボキシエチルセルロース、カルボキシエチルメチルセルロース、セルロース、エチルセルロース、メチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、ブチラールおよびこれらの塩が挙げられる。バインダの含有率は特に限定されないが、スラリー全体の2質量%〜20質量%の範囲で含まれることが好ましい。 If necessary, a binder or other components that can be optionally added (for example, additives such as a thickener and a dispersant) may be added to the paste-like cathode forming material disclosed herein. it can. The binder, additives, etc. used in the paste are not particularly limited, and can be appropriately selected from conventionally known ones in paste production. Examples of the binder include cellulose or a derivative thereof. Specific examples thereof include hydroxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, carboxymethyl cellulose, carboxyethyl cellulose, carboxyethyl methyl cellulose, cellulose, ethyl cellulose, methyl cellulose, ethyl hydroxyethyl cellulose, butyral and salts thereof. The content of the binder is not particularly limited, but is preferably contained in the range of 2% by mass to 20% by mass of the entire slurry.

ここで開示される技術では、上述したSOFCを好適に製造する方法が提供される。すなわち、この製造方法は、多孔質構造のアノードと、酸素イオン伝導体からなる固体電解質と、多孔質構造のカソードとからなる積層構造を有した固体酸化物形燃料電池を製造する方法である。 The technique disclosed herein provides a method for suitably producing the SOFC described above. That is, this manufacturing method is a method for manufacturing a solid oxide fuel cell having a laminated structure including an anode having a porous structure, a solid electrolyte composed of an oxygen ion conductor, and a cathode having a porous structure.

具体的な製造方法を、図3A〜図3Cを用いて詳細に説明する。かかる製造方法は、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を用意すること、上記積層体110の固体電解質側の表面に、ここで開示されるいずれかのカソード形成用材料(典型的には上述したセリウム含有酸化物粒子とペロブスカイト型酸化物粒子)を付与すること、上記材料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30を形成すること、を包含する。ここで開示される製造方法では、より簡便に、発電性能および耐久性に優れたSOFC50を製造することができる。 A specific manufacturing method will be described in detail with reference to FIGS. 3A to 3C. Such a manufacturing method is disclosed here by preparing an anode-solid electrolyte laminate 110 composed of an anode 10 and a solid electrolyte 20 formed on the anode 10 on the surface of the laminate 110 on the solid electrolyte side. By applying any of the cathode-forming materials (typically, the above-mentioned cerium-containing oxide particles and the perovskite-type oxide particles), and by firing the above-mentioned laminate to which the above-mentioned material is applied, the above-mentioned cathode Includes forming 30. With the manufacturing method disclosed here, SOFC50 having excellent power generation performance and durability can be manufactured more easily.

<アノード−固体電解質積層体110の用意>
ここで「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された状態を示すものであり、該アノード−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」を用いることができる。
例えば、まず、図3A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。具体的には、例えば、上述した8族〜10族の金属元素の材料(例えばニッケル材料)と安定化ジルコニア(例えばYSZ)とを混合し、サーメット材料を得る。次に、該サーメット材料を、バインダ(例えばメタクリル酸エステル系ポリマー)と分散剤等(例えばソルビタントリオレエート)とともに適当な溶媒(例えばキシレン)に分散させ、ペースト状のアノード用材料を調製する。そして、かかるアノード用材料を適当な成形方法(例えばシート成形)で成形し、該成形体を焼成することによって薄板状あるいはシート状のアノード10を形成することができる。上記成形体の焼成処理は、1200℃〜1400℃の温度で1時間〜5時間程度行うとよい。なお、アノード用材料の焼成処理は、後述の固体電解質用材料の焼成処理と同時に行ってもよい。
<Preparation of anode-solid electrolyte laminate 110>
Here, the "anode-solid electrolyte laminate" indicates a state in which the anode and the solid electrolyte are laminated, and there is no particular limitation on the method for preparing the anode-solid electrolyte laminate. Therefore, the "method for producing an anode" and the "method for producing a solid electrolyte" in the conventionally known methods for producing SOFC can be used.
For example, first, as shown in FIG. 3A, an anode 10 having a porous structure is formed as a supporting base material (support). Specifically, for example, the above-mentioned group 8 to 10 metal element materials (for example, nickel materials) and stabilized zirconia (for example, YSZ) are mixed to obtain a cermet material. Next, the cermet material is dispersed in an appropriate solvent (for example, xylene) together with a binder (for example, a methacrylic acid ester polymer) and a dispersant (for example, sorbitan trioleate) to prepare a paste-like material for an anode. Then, the anode material can be molded by an appropriate molding method (for example, sheet molding), and the molded body is fired to form a thin plate-shaped or sheet-shaped anode 10. The firing treatment of the molded product is preferably performed at a temperature of 1200 ° C. to 1400 ° C. for about 1 hour to 5 hours. The firing treatment of the anode material may be performed at the same time as the firing treatment of the solid electrolyte material described later.

次に、図3Bに示すように、上記アノード10上に固体電解質20を形成する。ここでは、上述した固体電解質20の原料(例えばYSZ)をバインダ(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)とともに適当な溶媒(例えばキシレン)に分散させて、ペースト状の固体電解質用材料を調製する。次に、調製された固体電解質用材料をアノード10(もしくはアノード用材料の成形体)上に適当な手法(例えば印刷成形)で付与し、固体電解質用材料の成形体を形成する。そして固体電解質用材料を付与した成形体を乾燥させた後に、大気雰囲気下で焼成する。このときの焼成温度は、例えば1000℃〜1500℃(好ましくは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。この焼成処理によってアノード10の上に固体電解質20が形成され、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からなる、アノード−固体電解質積層体110を得ることができる。 Next, as shown in FIG. 3B, the solid electrolyte 20 is formed on the anode 10. Here, the raw material (for example, YSZ) of the above-mentioned solid electrolyte 20 is dispersed in an appropriate solvent (for example, xylene) together with a binder (for example, a methacrylic acid ester polymer) and a dispersant (for example, sorbitan trioleate) to form a paste-like solid. Prepare materials for electrolytes. Next, the prepared solid electrolyte material is applied onto the anode 10 (or a molded body of the anode material) by an appropriate method (for example, printing molding) to form a molded body of the solid electrolyte material. Then, after the molded product to which the material for the solid electrolyte is applied is dried, it is fired in an air atmosphere. The firing temperature at this time is preferably in the range of, for example, 1000 ° C. to 1500 ° C. (preferably 1200 ° C. to 1400 ° C.), and the firing time is preferably in the range of, for example, 1 hour to 5 hours. By this firing treatment, the solid electrolyte 20 is formed on the anode 10, and the anode-solid electrolyte laminate 110 composed of the anode 10 and the solid electrolyte 20 formed on the anode 10 can be obtained.

<カソード形成用材料の付与>
次に、図3Cに示すように、アノード−固体電解質積層体110の固体電解質20側の表面に前述のカソード形成用材料を付与する。この際、均質な電極を安定して作製するために、構成材料を1種以上の分散溶媒に分散(もしくは溶解)させ、調製したものを好ましく用いることができる。例えば、先ず、ここで開示されるセリウム含有酸化物粒子およびペロブスカイト型酸化物粒子と、分散溶媒(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)等の添加剤と、を任意の混練手法(例えば、ロールミル、ミキサー等)によって混練し、ペースト状に調製する手法を用いることができる。例えば、かかる混練処理において、上記粉末状の複合材料等を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、粉末状のカソード形成用材料が好適に分散したペースト状のカソード形成用材料が得られる。
そして任意の手法(例えば印刷成形)を用いて、ペースト状のカソード形成用材料を固体電解質20上に付与する。なお、かかるカソード形成用材料の付与を行う前に、必要に応じて固体電解質20の表面に、例えば固体電解質や電極の構成成分等で構成されるバッファ層(反応抑止層、中間層等ともいう。)を設けることもできる。
<Adding material for cathode formation>
Next, as shown in FIG. 3C, the above-mentioned cathode forming material is applied to the surface of the anode-solid electrolyte laminate 110 on the solid electrolyte 20 side. At this time, in order to stably produce a homogeneous electrode, a material prepared by dispersing (or dissolving) the constituent material in one or more kinds of dispersion solvents can be preferably used. For example, first, the cerium-containing oxide particles and perovskite-type oxide particles disclosed here, a dispersion solvent (for example, terpineol), and an additive such as a thickener (for example, ethyl cellulose) are kneaded by an arbitrary kneading method (for example). , Roll mill, mixer, etc.) and knead to form a paste. For example, in such a kneading process, the powdery composite material or the like is kneaded at a stirring speed of 50 rpm to 300 rpm for 0.5 hours to 1 hour to form a paste in which the powdery cathode forming material is suitably dispersed. A material for forming a cathode is obtained.
Then, an arbitrary method (for example, print molding) is used to apply a paste-like cathode forming material onto the solid electrolyte 20. Before applying the cathode forming material, a buffer layer (also referred to as a reaction suppression layer, an intermediate layer, etc.) composed of, for example, a solid electrolyte or a component of an electrode is formed on the surface of the solid electrolyte 20 as needed. .) Can also be provided.

<カソード30の焼成>
次に、該カソード形成用材料が付与された積層体を焼成する。焼成の方法等は特に限定されないが、例えば、カソード形成用材料が付与された積層体110を、700℃〜900℃(好ましくは750℃〜850℃)で焼成することができる。上記焼成によりカソード30が形成され、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SOFC50を得ることができる。
かかるSOFC50は、表面部のCe濃度が中心部よりも高い表面Ce濃化型セリウム含有酸化物粒子を含むカソード形成用材料を焼成して得られたカソードを備えている。そのため、得られたSOFC50は、従来に比して発電性能が高く、かつ、耐久性に優れたものであり得る。
<Cathode 30 firing>
Next, the laminate to which the cathode forming material is applied is fired. The firing method and the like are not particularly limited, but for example, the laminate 110 to which the cathode forming material is applied can be fired at 700 ° C. to 900 ° C. (preferably 750 ° C. to 850 ° C.). The cathode 30 is formed by the above firing, and the SOFC 50 in which the anode 10, the solid electrolyte 20, and the cathode 30 are laminated can be obtained.
The SOFC 50 includes a cathode obtained by firing a cathode forming material containing surface Ce-enriched cerium-containing oxide particles having a Ce concentration on the surface portion higher than that in the central portion. Therefore, the obtained SOFC 50 can have high power generation performance and excellent durability as compared with the conventional one.

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。
本実施例では、カソード構成材料の種類、比率が異なる固体酸化物形燃料電池(SOFC)を作製し、その性能を評価した。なお、以下の説明において、「%」は特に断りがない限り質量基準(質量%)である。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the present invention is not intended to be limited to those shown in such specific examples.
In this example, solid oxide fuel cells (SOFCs) having different types and ratios of cathode constituent materials were produced and their performances were evaluated. In the following description, "%" is a mass reference (mass%) unless otherwise specified.

<表面Ce濃化型セリウム含有酸化物粒子の作製>
出発原料としてのセリウム含有酸化物粒子のコアを構成する金属源(Zr、La、NdおよびCeの何れか1種または2種以上の金属元素)を含む水性溶液(塩溶液)を用意した。この塩溶液にアンモニア(NH)を添加し、適当な速度で混合・攪拌することにより、上記金属元素の水酸化物を析出させた。得られた水酸化物を洗浄、乾燥して仮焼成することにより、前駆体を形成した。次いで、所定量のCe源を水に溶解させた溶解液(酸溶液)に上記得られた前駆体を混合し、アンモニア(NH)を添加し、適当な速度で混合・攪拌することにより、Ceの水酸化物を前駆体の表面に析出させた。次いで、Ceの水酸化物が析出した前駆体を洗浄、乾燥して焼成することにより、表面部が中心部に比べてCeの濃度が高い例1〜7の表面Ce濃化型セリウム含有酸化物粒子(コアシェル粒子)を作製した。各例のセリウム含有酸化物粒子の表面部では、シェルを構成するセリウム酸化物(典型的にはセリア)とコアを構成する金属酸化物とが混在もしくは固溶している。ここでは、セリウム含有酸化物粒子の表面部におけるセリアの量(ひいてはCe濃度)は、前駆体に対するCe源の添加量を変えることによって調整した。すなわち、前駆体に対するCe源の添加量が増えるに従いセリウム含有酸化物粒子の表面部におけるセリアの量(ひいてはCe濃度)は増大傾向となる。ここでは、セリウム含有酸化物粒子の表面部におけるCe濃度は、80モル%とした。
<Preparation of surface Ce-enriched cerium-containing oxide particles>
An aqueous solution (salt solution) containing a metal source (any one or more metal elements of Zr, La, Nd and Ce) constituting the core of the cerium-containing oxide particles as a starting material was prepared. Ammonia (NH 3 ) was added to this salt solution, and the mixture was mixed and stirred at an appropriate speed to precipitate the hydroxide of the above metal element. The obtained hydroxide was washed, dried and calcined to form a precursor. Next, the precursor obtained above is mixed with a solution (acid solution) in which a predetermined amount of Ce source is dissolved in water, ammonia (NH 3 ) is added, and the mixture and stirring are performed at an appropriate rate. A hydroxide of Ce was deposited on the surface of the precursor. Next, the precursor in which the hydroxide of Ce was precipitated was washed, dried, and calcined, so that the surface portion had a higher concentration of Ce than the central portion, and the surface Ce-enriched cerium-containing oxide of Examples 1 to 7 was obtained. Particles (core-shell particles) were prepared. On the surface of the cerium-containing oxide particles of each example, the cerium oxide (typically ceria) constituting the shell and the metal oxide constituting the core are mixed or solid-solved. Here, the amount of ceria (and thus the Ce concentration) on the surface of the cerium-containing oxide particles was adjusted by changing the amount of the Ce source added to the precursor. That is, as the amount of the Ce source added to the precursor increases, the amount of ceria (and thus the Ce concentration) on the surface of the cerium-containing oxide particles tends to increase. Here, the Ce concentration on the surface of the cerium-containing oxide particles was 80 mol%.

また、非表面Ce濃化型セリウム含有酸化物粒子として、10mol%のガドリニウムをドープしたセリア粒子(例8、例9)と、10mol%のランタンをドープしたセリア粒子(例10)とを用意した。 Further, as non-surface Ce-enriched cerium-containing oxide particles, 10 mol% gadolinium-doped ceria particles (Examples 8 and 9) and 10 mol% lanthanum-doped ceria particles (Example 10) were prepared. ..

<複合材料粉末の作製>
例1〜10のセリウム含有酸化物粒子の各々と、ペロブスカイト型酸化物粉末とを表1に示す割合になるよう秤量し、ボールミルを用いて混合した。かかる混合粉末を大気雰囲気下において1300℃で24時間焼成し、粉砕および分級処理することで、粉末状複合材料(例1〜10)を得た。各例の複合材料粉末について、使用したセリウム含有酸化物の構成元素、ペロブスカイト型酸化物の組成、ペロブスカイト型酸化物の含有量、比表面積を表1に纏めて示す。例8では、コアシェル粒子とGdドープセリア粒子とを50:50の質量比で混合したものを用いた。また、例11では、セリウム含有酸化物粒子を用いずに、ペロブスカイト型酸化物を単独で使用した。なお、複合材料粉末の比表面積は窒素吸着法を用いて測定した。
<Preparation of composite material powder>
Each of the cerium-containing oxide particles of Examples 1 to 10 and the perovskite-type oxide powder were weighed in the proportions shown in Table 1 and mixed using a ball mill. The mixed powder was calcined at 1300 ° C. for 24 hours in an air atmosphere, pulverized and classified to obtain a powdery composite material (Examples 1 to 10). Table 1 summarizes the constituent elements of the cerium-containing oxide used, the composition of the perovskite-type oxide, the content of the perovskite-type oxide, and the specific surface area of the composite material powder of each example. In Example 8, a mixture of core-shell particles and Gd-doped ceria particles at a mass ratio of 50:50 was used. Further, in Example 11, the perovskite type oxide was used alone without using the cerium-containing oxide particles. The specific surface area of the composite material powder was measured using the nitrogen adsorption method.

Figure 0006779745
Figure 0006779745

各例の複合材料粉末を用いて、アノード(燃料極)φ20mm−カソード(空気極)φ10mm程度の円形の燃料極支持型のSOFCを以下の手順で作製した。 Using the composite material powder of each example, a circular fuel electrode support type SOFC having an anode (fuel electrode) of φ20 mm and a cathode (air electrode) of about φ10 mm was produced by the following procedure.

燃料極支持体材料として、平均粒子径0.5μmの酸化ニッケル(NiO)粉末と平均粒子径0.5μmの8mol%イットリア安定化ジルコニア(8mol%Y‐ZrO;以下、8YSZ)粉末とを、NiO:8YSZ=60:40の質量比で混合し、混合粉末とした。この混合粉末と、バインダ(ポリビニルブチラール;PVB)と、造孔材(カーボン粒子、平均粒子径:約5μm)と、可塑剤(フタル酸オクチル)と、溶剤(トルエン:エタノール=1:3)とを、58:8.5:5:4.5:24の質量比で配合し、混合することで、ペースト状の燃料極支持体形成用組成物を調製した。次いで、この燃料極支持体形成用組成物をドクターブレード法によりシート状に塗布、乾燥させて、厚みが0.5mm〜1mmの燃料極支持体グリーンシートを形成した。 As a fuel electrode support material, the average nickel oxide particle size 0.5 [mu] m (NiO) powder and the average particle diameter of 0.5 [mu] m 8 mol% yttria-stabilized zirconia (8mol% Y 2 O 3 -ZrO 2; hereinafter, 8YSZ) powder Was mixed at a mass ratio of NiO: 8YSZ = 60:40 to obtain a mixed powder. This mixed powder, binder (polyvinyl butyral; PVB), pore-forming material (carbon particles, average particle size: about 5 μm), plasticizer (octyl phthalate), solvent (toluene: ethanol = 1: 3) Was blended in a mass ratio of 58: 8.5: 5: 4.5: 24 and mixed to prepare a paste-like composition for forming a fuel electrode support. Next, this composition for forming a fuel electrode support was applied in a sheet shape by a doctor blade method and dried to form a fuel electrode support green sheet having a thickness of 0.5 mm to 1 mm.

次に、燃料極材料として、平均粒子径0.4μmの酸化ニッケル(NiO)粉末と、平均粒子径0.3μmの8YSZ粉末と、バインダ(エチルセルロース;EC)と、溶媒(α−テルピネオール;TE)とを、48:32:2:18の質量比率で混練することにより、ペースト状の燃料極形成用組成物を調製した。これを上記燃料極支持体グリーンシートの上にスクリーン印刷法によってシート状に供給することで、燃料極グリーンシートを形成した。 Next, as fuel electrode materials, nickel oxide (NiO) powder having an average particle diameter of 0.4 μm, 8YSZ powder having an average particle diameter of 0.3 μm, binder (ethyl cellulose; EC), and a solvent (α-terpineol; TE). And were kneaded at a mass ratio of 48:32: 2:18 to prepare a paste-like composition for forming a fuel electrode. A fuel electrode green sheet was formed by supplying this in the form of a sheet on the fuel electrode support green sheet by a screen printing method.

次に、固体電解質材料として、平均粒子径0.5μmの8YSZ粉末と、バインダ(エチルセルロース;EC)と、溶媒(テルピネ系)とを、65:4:31の質量比率で混練することにより、ペースト状の固体電解質層形成用組成物を調製した。これを上記燃料極グリーンシートの上にスクリーン印刷法によってシート状に供給することで、厚みが約10μmの固体電解質層グリーンシートを形成した。このようにして用意した積層グリーンシートを、1350℃で共焼成することで、SOFCのハーフセルを得た。 Next, as a solid electrolyte material, 8YSZ powder having an average particle diameter of 0.5 μm, a binder (ethyl cellulose; EC), and a solvent (terpine type) are kneaded at a mass ratio of 65: 4: 31 to make a paste. A composition for forming a solid electrolyte layer in the form of a solid electrolyte layer was prepared. By supplying this in the form of a sheet on the fuel electrode green sheet by a screen printing method, a solid electrolyte layer green sheet having a thickness of about 10 μm was formed. The laminated green sheet prepared in this manner was co-baked at 1350 ° C. to obtain SOFC half cells.

次いで、カソード形成用材料として、例1〜11の複合材料粉末の各々と、バインダ(エチルセルロース)と、溶剤(アルコール系)とを、80:3:17の質量比率で混練することにより、ペースト状のカソード形成用組成物を調製した。これを上記ハーフセルの固体電解質層の上にスクリーン印刷法によってシート状に供給することで、空気極グリーンシートを形成した。次いで、これを1100℃で焼成して空気極を焼成し、例1〜11に係るSOFCを得た。 Next, as a material for forming a cathode, each of the composite material powders of Examples 1 to 11, a binder (ethyl cellulose), and a solvent (alcohol-based) are kneaded at a mass ratio of 80: 3: 17 to form a paste. A composition for forming a cathode was prepared. By supplying this in the form of a sheet on the solid electrolyte layer of the half cell by a screen printing method, an air electrode green sheet was formed. Next, this was fired at 1100 ° C. to fire the air electrode to obtain SOFCs according to Examples 1 to 11.

<初期の発電性能>
上記作製した例1〜11のSOFCを下記の条件で運転させた際の出力密度を測定し、電圧0.8Vにおける出力(W/cm)を初期の発電性能として、表1に示した。
運転温度:700℃
燃料極供給ガス:Hガス(50ml/min)
空気極供給ガス:Air(100ml/min)
<Initial power generation performance>
The output densities when the SOFCs of Examples 1 to 11 produced above were operated under the following conditions were measured, and the output (W / cm 2 ) at a voltage of 0.8 V is shown in Table 1 as the initial power generation performance.
Operating temperature: 700 ° C
Fuel electrode supply gas: H 2 gas (50 ml / min)
Air electrode supply gas: Air (100 ml / min)

<耐久試験>
また、例1〜11のSOFCを上記の条件で1000時間連続して運転を行う耐久試験を実施した。そして、上記耐久試験後における出力密度を電圧0.8Vで測定し、[(初期の発電性能−耐久試験後の発電性能)/初期の発電性能]×100により劣化率(%)を算出した。結果を表1の該当欄に示す。
<Durability test>
In addition, a durability test was conducted in which the SOFCs of Examples 1 to 11 were continuously operated for 1000 hours under the above conditions. Then, the output density after the durability test was measured at a voltage of 0.8 V, and the deterioration rate (%) was calculated by [(initial power generation performance-power generation performance after the durability test) / initial power generation performance] × 100. The results are shown in the corresponding columns of Table 1.

表1に示すように、表面部が中心部に比べてCeの濃度が高いコアシェル粒子を用いた例1〜8のSOFCは、初期の発電性能が0.38W/cm以上であり、発電性能が良好であった。また、耐久試験後における劣化率も0.32%以下(例えば0.2%以下)であり、希土類元素ドープセリア粒子を用いた例9、10やペロブスカイト型酸化物を単独で用いた例11に比べて耐久性に優れていた。この結果から、表面部が中心部に比べてCeの濃度が高いコアシェル粒子を用いてカソードを形成することによって、高い発電性能が長期にわたって維持され得るSOFCを実現し得ることが確認された。ここで供試したSOFCの場合、ペロブスカイト型酸化物の含有量を20質量%〜80質量%にすることによって、0.42W/cm以上という極めて高い発電性能を達成できた。発電性能の観点からは、ペロブスカイト型酸化物の含有量を20質量%〜80質量%にすることが好ましい。 As shown in Table 1, the SOFCs of Examples 1 to 8 using core-shell particles whose surface portion has a higher concentration of Ce than the central portion have an initial power generation performance of 0.38 W / cm 2 or more, and the power generation performance. Was good. The deterioration rate after the durability test is also 0.32% or less (for example, 0.2% or less), which is compared with Examples 9 and 10 using rare earth element-doped ceria particles and Example 11 using perovskite-type oxide alone. It was excellent in durability. From this result, it was confirmed that SOFC capable of maintaining high power generation performance for a long period of time can be realized by forming a cathode using core-shell particles whose surface portion has a higher concentration of Ce than that of the central portion. In the case of the SOFC tested here, by setting the content of the perovskite-type oxide to 20% by mass to 80% by mass, an extremely high power generation performance of 0.42 W / cm 2 or more could be achieved. From the viewpoint of power generation performance, the content of the perovskite type oxide is preferably 20% by mass to 80% by mass.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of claims. The techniques described in the claims include various modifications and modifications of the specific examples illustrated above.

1 セリウム含有酸化物粒子
2 コア
3 シェル
10 アノード
20 固体電解質
30 カソード
1 Cerium-containing oxide particles 2 Core 3 Shell 10 Anode 20 Solid electrolyte 30 Cathode

Claims (6)

固体酸化物形燃料電池のカソード形成用材料であって、
表面部が中心部に比べてCeの濃度が高い粒状のセリウム含有酸化物粒子を含み、
前記セリウム含有酸化物粒子は、相対的にCeの濃度が低いコアと、相対的にCeの濃度が高いシェルとからなるコアシェル粒子であって、
該コアが、ランタン、セリウムまたはネオジムがドープされたジルコニウム酸化物またはランタンがドープされたセリウム酸化物で構成されるコアシェル粒子である、カソード形成用材料。
A material for forming the cathode of solid oxide fuel cells.
The surface portion contains granular cerium-containing oxide particles having a higher concentration of Ce than the central portion.
The cerium-containing oxide particles are core-shell particles composed of a core having a relatively low concentration of Ce and a shell having a relatively high concentration of Ce.
A material for forming a cathode , wherein the core is a core-shell particle composed of a lanthanum, cerium or neodymium- doped zirconium oxide or a lanthanum- doped cerium oxide.
酸素イオン導電性を示すペロブスカイト型酸化物粒子をさらに含む、請求項1に記載のカソード形成用材料。 The cathode forming material according to claim 1, further comprising perovskite-type oxide particles exhibiting oxygen ion conductivity. 前記ペロブスカイト型酸化物粒子の量が、該ペロブスカイト型酸化物粒子と前記セリウム含有酸化物粒子との合計質量に対して10質量%〜90質量%に相当する量である、請求項2に記載のカソード形成用材料。 The amount according to claim 2, wherein the amount of the perovskite-type oxide particles is an amount corresponding to 10% by mass to 90% by mass with respect to the total mass of the perovskite-type oxide particles and the cerium-containing oxide particles. Material for forming the cathode. 前記ペロブスカイト型酸化物粒子の量が、該ペロブスカイト型酸化物粒子と前記セリウム含有酸化物粒子との合計質量に対して20質量%〜80質量%に相当する量である、請求項2または3に記載のカソード形成用材料。 The amount of the perovskite type oxide particles is an amount corresponding to 20% by mass to 80% by mass with respect to the total mass of the perovskite type oxide particles and the cerium-containing oxide particles, according to claim 2 or 3. The material for forming a cathode according to the above. 少なくとも1種の分散溶媒を含み、ペースト状に調製されている、請求項1〜4の何れか一つに記載のカソード形成用材料。 The cathode forming material according to any one of claims 1 to 4, which contains at least one dispersion solvent and is prepared in the form of a paste. 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であって、
前記カソードは、請求項1〜5の何れか一つに記載の材料の焼成体からなる、固体酸化物形燃料電池。
A solid oxide fuel cell having an anode, a solid electrolyte, and a cathode.
The cathode is a solid oxide fuel cell made of a fired body of the material according to any one of claims 1 to 5.
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