JP6891008B2 - Ion conductive materials and solid oxide electrochemical cells - Google Patents
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Description
本発明は、イオン伝導性材料と、固体酸化物形電気化学セルとに関する。 The present invention relates to ionic conductive materials and solid oxide electrochemical cells.
近年、燃料電池は、クリーンエネルギー源として注目されている。燃料電池のうち、電解質に固体のセラミックを使用している固体酸化物形燃料電池(以下、「SOFC」と記載する。)は、作動温度が高いため排熱を利用でき、さらに高効率で電力を得ることができる等の長所を有しており、家庭用電源から大規模発電まで幅広い分野での活用が期待されている。 In recent years, fuel cells have been attracting attention as a clean energy source. Of the fuel cells, solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as "SOFC") that use solid ceramics as the electrolyte can utilize exhaust heat due to their high operating temperature, and are more efficient in power generation. It has the advantage of being able to obtain fuel cells, and is expected to be used in a wide range of fields from household power sources to large-scale power generation.
SOFCは、基本構造として、空気極と燃料極との間にセラミックからなる固体電解質層が配置された構造を有する。例えば平型のSOFCは、空気極、固体電解質層及び燃料極を重ね合わせたものを単セルとし、この単セルがインターコネクタ等を挟んで複数積み重ねられることによって高出力を得る。 As a basic structure, SOFC has a structure in which a solid electrolyte layer made of ceramic is arranged between an air electrode and a fuel electrode. For example, in a flat SOFC, a single cell is formed by stacking an air electrode, a solid electrolyte layer, and a fuel electrode, and a plurality of these single cells are stacked with an interconnector or the like in between to obtain a high output.
SOFCでは、空気極に導入された空気中の酸素が電子を受け取って酸素イオン(O2-)となり、この酸素イオンが固体電解質層中を移動して燃料極へ到達する。燃料極に到達した酸素イオンが、燃料極に供給される燃料ガスに含まれる水素や一酸化炭素などと電気化学的に反応することによって、電子が放出されて電気出力が得られる。 In SOFC, oxygen in the air introduced into the air electrode receives electrons and becomes oxygen ions ( O2- ), and these oxygen ions move in the solid electrolyte layer and reach the fuel electrode. Oxygen ions that reach the fuel electrode electrochemically react with hydrogen, carbon monoxide, etc. contained in the fuel gas supplied to the fuel electrode, so that electrons are emitted and an electric output is obtained.
このような発電メカニズムでは、固体電解質層には、酸素イオン伝導性が高いこと及び材料強度が高いこと等の特性が要求される。したがって、固体電解質層には、一般的に、イットリア(Y2O3)が添加されたジルコニア(イットリア安定化ジルコニア(YSZ))及びスカンジア(Sc2O3)が添加されたジルコニア(スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ))のようなジルコニア系酸化物等の焼結体が用いられている。例えば、特許文献1には、高い酸素イオン伝導性及び高い材料強度に加え、安定した結晶相の実現も可能とする固体電解質層の材料として、5〜15モル%のスカンジア(Sc2O3)を固溶したジルコニア(スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ))に、スカンジア以外の希土類酸化物が0.5〜5モル%の範囲内で含まれる材料が提案されている。 In such a power generation mechanism, the solid electrolyte layer is required to have characteristics such as high oxygen ion conductivity and high material strength. Therefore, the solid electrolyte layer generally contains zirconia (yttria-stabilized zirconia (YSZ)) to which yttria (Y 2 O 3 ) is added and zirconia (scandia-stabilized) to which scandia (Sc 2 O 3 ) is added. A sintered body such as a zirconia-based oxide such as zirconia (ScSZ)) is used. For example, Patent Document 1 states that 5 to 15 mol% of scandia (Sc 2 O 3 ) is used as a material for a solid electrolyte layer that enables the realization of a stable crystal phase in addition to high oxygen ion conductivity and high material strength. A material has been proposed in which a solid solution of zirconia (scandia-stabilized zirconia (ScSZ)) contains a rare earth oxide other than scandia in the range of 0.5 to 5 mol%.
また、近年、SOFCと同様の基本構造を有するセルを、固体酸化物形電解セル(SOEC)として利用することも提案されている。SOECは、SOFCとは逆反応を動作原理とするセルであり、高温の水蒸気を電気分解することにより水素と酸素とを得るセルである。SOECについても、SOFCと同様に、固体電解質層は酸素イオン伝導性が高いこと及び材料強度が高いこと等の特性を有することが望ましい。したがって、SOFCの固体電解質層に好適な材料は、SOECの固体電解質層の材料としても好適に利用できる。なお、SOFC及びSOECとして機能し得るセルは、一般に、固体酸化物形電気化学セルと呼ばれている。 Further, in recent years, it has been proposed to use a cell having a basic structure similar to that of SOFC as a solid oxide fuel cell (SOEC). SOEC is a cell whose operating principle is the reverse reaction of SOFC, and is a cell that obtains hydrogen and oxygen by electrolyzing high-temperature water vapor. As for SOEC, as with SOFC, it is desirable that the solid electrolyte layer has characteristics such as high oxygen ion conductivity and high material strength. Therefore, a material suitable for the SOFC solid electrolyte layer can also be suitably used as a material for the SOEC solid electrolyte layer. The cells capable of functioning as SOFC and SOEC are generally called solid oxide-type electrochemical cells.
SOFCの発電効率を上げるための1つの手段として、燃料の使用率、すなわち、燃料利用率を高める方法が挙げられる。しかし、SOFCの燃料極に供給される燃料ガスには水素又は一酸化炭素が多く含まれているので、燃料利用率を高めると、固体電解質層における燃料極との界面近傍、さらに燃料極で、酸素イオンと水素との反応又は酸素イオンと一酸化炭素との反応によって生じる水蒸気又は二酸化炭素が多くなり、その結果、燃料ガスにおける水蒸気濃度又は二酸化炭素濃度が高くなってしまう。燃料ガスにおける水蒸気濃度や二酸化炭素濃度が高くなると、燃料である水素や一酸化炭素が反応場まで十分にいきわたりにくくなる。その結果、水素や一酸化炭素の一部が、燃料極の材料(例えばNi)を酸化して酸化物(燃料極の材料がNiである場合はNiO)が生じてしまい、燃料極の導電性が低下し、電極の内部抵抗が増加することで出力が低下する、すなわち電流電圧特性が悪くなる。また、燃料ガスにおける水蒸気濃度や二酸化炭素濃度の上昇によって、燃料極の抵抗が増加して出力が低下したり、燃料極及び固体電解質層の劣化の進行が促進されたりする。これらのような理由から、燃料利用率を高めると、SOFCの電池性能が低下してしまうという問題が生じる。 As one means for increasing the power generation efficiency of SOFC, there is a method of increasing the fuel usage rate, that is, the fuel utilization rate. However, since the fuel gas supplied to the fuel electrode of SOFC contains a large amount of hydrogen or carbon monoxide, if the fuel utilization rate is increased, the vicinity of the interface with the fuel electrode in the solid electrolyte layer, and further at the fuel electrode, The amount of water vapor or carbon dioxide generated by the reaction between oxygen ions and hydrogen or the reaction between oxygen ions and carbon monoxide increases, and as a result, the water vapor concentration or carbon dioxide concentration in the fuel gas increases. When the water vapor concentration and carbon dioxide concentration in the fuel gas increase, it becomes difficult for hydrogen and carbon monoxide, which are fuels, to reach the reaction field sufficiently. As a result, a part of hydrogen or carbon monoxide oxidizes the material of the fuel electrode (for example, Ni) to generate an oxide (NiO when the material of the fuel electrode is Ni), and the conductivity of the fuel electrode Is reduced and the internal resistance of the electrode is increased, so that the output is reduced, that is, the current-voltage characteristics are deteriorated. Further, due to an increase in the water vapor concentration and the carbon dioxide concentration in the fuel gas, the resistance of the fuel electrode increases and the output decreases, and the progress of deterioration of the fuel electrode and the solid electrolyte layer is promoted. For these reasons, increasing the fuel utilization rate causes a problem that the battery performance of the SOFC deteriorates.
また、SOECの場合でも、水の電気分解を高効率で行うためには水素極(SOFCの燃料極に相当する電極)は高濃度の水蒸気と接触することになり、高濃度の水蒸気と接触することによる燃料極(水素極)及び固体電解質層の劣化がセルの性能低下につながる。 Further, even in the case of SOEC, in order to perform electrolysis of water with high efficiency, the hydrogen electrode (the electrode corresponding to the fuel electrode of SOFC) comes into contact with high-concentration water vapor, and comes into contact with high-concentration water vapor. As a result, deterioration of the fuel electrode (hydrogen electrode) and the solid electrolyte layer leads to deterioration of cell performance.
そこで、本発明は、高い燃料利用率によって燃料ガスにおける水蒸気濃度が高くなった場合でも高い電流電圧特性を実現できる高出力のSOFC、及び、優れた性能を有するSOECを実現できる、燃料極(水素極)及び固体電解質層に用いることができるイオン伝導性材料を提供することを目的とする。さらに、本発明は、高い燃料利用率によって燃料ガスにおける水蒸気濃度が高くなった場合でも、高い電流電圧特性を実現できる高出力のSOFC、及び、優れた性能を有するSOECとして機能し得る固体酸化物形電気化学セルを提供することも目的とする。 Therefore, the present invention provides a high-output SOFC capable of achieving high current-voltage characteristics even when the water vapor concentration in the fuel gas is high due to a high fuel utilization rate, and a fuel electrode (hydrogen) capable of realizing an SOIC having excellent performance. It is an object of the present invention to provide an ionic conductive material that can be used for a (pole) and a solid electrolyte layer. Further, the present invention provides a high output SOFC capable of achieving high current-voltage characteristics and a solid oxide capable of functioning as an SOEC having excellent performance even when the water vapor concentration in the fuel gas becomes high due to a high fuel utilization rate. It is also an object to provide a form electrochemical cell.
本発明の第1の態様は、
ジルコニア系酸化物を含むイオン伝導性材料であって、
前記ジルコニア系酸化物は、YbをZr100モルに対して6モル以上30モル以下の範囲内で含み、かつイッテルビウム以外の希土類元素をZr100モルに対して0.005モル以上8モル以下の範囲内で含んでおり、
前記ジルコニア系酸化物は、立方晶を主相とする結晶構造を有する、
イオン伝導性材料を提供する。
The first aspect of the present invention is
An ionic conductive material containing a zirconia oxide,
The zirconia oxide contains Yb in the range of 6 mol or more and 30 mol or less with respect to 100 mol of Zr, and contains rare earth elements other than ytterbium in the range of 0.005 mol or more and 8 mol or less with respect to 100 mol of Zr. Includes
The zirconia-based oxide has a crystal structure having a cubic crystal as a main phase.
An ionic conductive material is provided.
本発明の第2の態様は、
空気極(酸素極を含む)と、燃料極(水素極を含む)と、前記空気極と前記燃料極との間に配置された固体電解質層と、を備えた固体酸化物形電気化学セルであって、
前記固体電解質層は、ジルコニア系酸化物を含んでおり、
前記ジルコニア系酸化物は、YbをZr100モルに対して6モル以上30モル以下の範囲内で含み、かつイッテルビウム以外の希土類元素をZr100モルに対して0.005モル以上8モル以下の範囲内で含んでおり、
前記ジルコニア系酸化物は、立方晶を主相とする結晶構造を有する、
固体酸化物形電気化学セルを提供する。
A second aspect of the present invention is
A solid oxide-type electrochemical cell comprising an air electrode (including an oxygen electrode), a fuel electrode (including a hydrogen electrode), and a solid electrolyte layer arranged between the air electrode and the fuel electrode. There,
The solid electrolyte layer contains a zirconia-based oxide and
The zirconia oxide contains Yb in the range of 6 mol or more and 30 mol or less with respect to 100 mol of Zr, and contains rare earth elements other than ytterbium in the range of 0.005 mol or more and 8 mol or less with respect to 100 mol of Zr. Includes
The zirconia-based oxide has a crystal structure having a cubic crystal as a main phase.
A solid oxide-type electrochemical cell is provided.
本発明の第3の態様は、
空気極(酸素極を含む)と、燃料極(水素極を含む)と、前記空気極と前記燃料極との間に配置された固体電解質層と、を備えた固体酸化物形電気化学セルであって、
前記燃料極は、ジルコニア系酸化物を含んでおり、
前記ジルコニア系酸化物は、YbをZr100モルに対して6モル以上30モル以の範囲内で含み、かつイッテルビウム以外の希土類元素をZr100モルに対して0.005モル以上8モル以下の範囲内で含んでおり、
前記ジルコニア系酸化物は、立方晶を主相とする結晶構造を有する、
固体酸化物形電気化学セルを提供する。
A third aspect of the present invention is
A solid oxide-type electrochemical cell comprising an air electrode (including an oxygen electrode), a fuel electrode (including a hydrogen electrode), and a solid electrolyte layer arranged between the air electrode and the fuel electrode. There,
The fuel electrode contains a zirconia-based oxide and
The zirconia oxide contains Yb in the range of 6 mol or more and 30 mol or more with respect to 100 mol of Zr, and contains rare earth elements other than ytterbium in the range of 0.005 mol or more and 8 mol or less with respect to 100 mol of Zr. Includes
The zirconia-based oxide has a crystal structure having a cubic crystal as a main phase.
A solid oxide-type electrochemical cell is provided.
本発明の第1の態様に係るイオン伝導性材料を、固体酸化物形電気化学セルの燃料極(水素極を含む)の電解質成分及び/又は固体電解質層の材料として用いることにより、高い燃料利用率によって燃料ガスにおける水蒸気濃度が高くなった場合でも高い電流電圧特性を実現できる高出力のSOFC、及び、優れた性能を有するSOECとして機能し得る固体酸化物形電気化学セルを実現できる。また、本発明の第2の態様及び第3の態様に係る固体酸化物形電気化学セルは、高い燃料利用率によって燃料ガスにおける水蒸気濃度が多くなった場合でも、高い電流電圧特性を実現できる高出力のSOFC、及び、優れた性能を有するSOECとして機能し得る。 High fuel utilization by using the ionic conductive material according to the first aspect of the present invention as an electrolyte component of a fuel electrode (including a hydrogen electrode) of a solid oxide-type electrochemical cell and / or a material of a solid electrolyte layer. It is possible to realize a high-output SOFC that can realize high current and voltage characteristics even when the water vapor concentration in the fuel gas becomes high depending on the rate, and a solid oxide-type electrochemical cell that can function as a SOEC having excellent performance. Further, the solid oxide-type electrochemical cell according to the second aspect and the third aspect of the present invention has a high current-voltage characteristic that can realize a high current-voltage characteristic even when the water vapor concentration in the fuel gas increases due to the high fuel utilization rate. It can function as an output SOFC and an SOEC with excellent performance.
(実施形態1)
本発明のイオン伝導性材料の実施形態について、具体的に説明する。
(Embodiment 1)
An embodiment of the ionic conductive material of the present invention will be specifically described.
本実施形態のイオン伝導性材料は、ジルコニア系酸化物を含む。このジルコニア系酸化物は、YbをZr100モルに対して6モル以上30モル以下の範囲内で含み、かつイッテルビウム以外の希土類元素をZr100モルに対して0.005モル以上8モル以下の範囲内で含む。さらにこのジルコニア系酸化物は、立方晶を主相とする結晶構造を有する。ここで、本明細書において、「YbをZr100モルに対して6モル以上30モル以下の範囲内で含むジルコニア系酸化物」とは、ジルコニア系酸化物において、Yb原子の数が、Zr原子100モルに対して6モル以上30モル以下であることを意味する。また、本明細書において、「ジルコニア系酸化物が、イッテルビウム以外の希土類元素をZr100モルに対して0.005モル以上8モル以下の範囲内で含む」とは、ジルコニア系酸化物において、イッテルビウム以外の希土類元素の合計量が、Zr100モルに対して0.005モル以上8モル以下であるということを意味する。すなわち、たとえばジルコニア系酸化物にイッテルビウム以外の希土類元素が2種以上含まれる場合、当該希土類元素の量とは、2種以上の希土類元素の合計量を意味する。本明細書における以降の記載についても、ジルコニア系酸化物におけるイッテルビウム以外の希土類元素のZr100モルに対する量については、全て同じである。 The ionic conductive material of this embodiment contains a zirconia-based oxide. This zirconia oxide contains Yb in the range of 6 mol or more and 30 mol or less with respect to 100 mol of Zr, and contains rare earth elements other than ytterbium in the range of 0.005 mol or more and 8 mol or less with respect to 100 mol of Zr. Including. Further, this zirconia-based oxide has a crystal structure having a cubic crystal as a main phase. Here, in the present specification, "a zirconia-based oxide containing Yb in the range of 6 mol or more and 30 mol or less with respect to 100 mol of Zr" means that the number of Yb atoms in the zirconia-based oxide is 100 Zr atoms. It means that it is 6 mol or more and 30 mol or less with respect to mol. Further, in the present specification, "the zirconia oxide contains a rare earth element other than ytterbium within the range of 0.005 mol or more and 8 mol or less with respect to 100 mol of Zr" means that the zirconia oxide contains other than ytterbium. It means that the total amount of rare earth elements in the above is 0.005 mol or more and 8 mol or less with respect to 100 mol of Zr. That is, for example, when the zirconia oxide contains two or more rare earth elements other than ytterbium, the amount of the rare earth element means the total amount of the two or more rare earth elements. In the following description in the present specification, the amounts of rare earth elements other than ytterbium in the zirconia oxide with respect to 100 mol of Zr are all the same.
本実施形態のイオン伝導性材料は、例えば、固体酸化物形電気化学セルの燃料極の電解質成分及び/又は固体電解質層の材料として使用できる。なお、本実施形態において、固体酸化物形電気化学セルの「燃料極」との用語は「水素極」も含む意味で用いられているが、以下、便宜上単に「燃料極」とのみ記載する。また、固体酸化物形電気化学セルの「空気極」との用語は「酸素極」も含む意味で用いられているが、以下、便宜上単に「空気極」とのみ記載する。 The ionic conductive material of the present embodiment can be used, for example, as an electrolyte component of a fuel electrode of a solid oxide-type electrochemical cell and / or a material of a solid electrolyte layer. In the present embodiment, the term "fuel electrode" of the solid oxide-type electrochemical cell is used to mean that it also includes "hydrogen electrode", but hereinafter, for convenience, it is simply described as "fuel electrode". Further, although the term "air electrode" of the solid oxide-type electrochemical cell is used in the sense of including "oxygen electrode", hereinafter, for convenience, it is simply described as "air electrode".
本実施形態のイオン伝導性材料を用いて形成された燃料極及び/又は固体電解質層は、水蒸気濃度が高い雰囲気に接した際の劣化を小さく抑えることができる。したがって、本実施形態のイオン伝導性材料によれば、高い燃料利用率によって燃料ガスにおける水蒸気濃度が高くなった場合でも、高い電流電圧特性を実現できる高出力のSOFC、及び、優れた性能を有するSOECとして機能し得る固体酸化物形電気化学セルの実現が可能となる。 The fuel electrode and / or the solid electrolyte layer formed by using the ionic conductive material of the present embodiment can suppress deterioration when exposed to an atmosphere having a high water vapor concentration. Therefore, the ionic conductive material of the present embodiment has a high output SOFC capable of achieving high current-voltage characteristics and excellent performance even when the water vapor concentration in the fuel gas is high due to a high fuel utilization rate. It is possible to realize a solid oxide-type electrochemical cell that can function as a SOEC.
上記効果をより確実に実現するために、本実施形態のイオン伝導性材料は、上記ジルコニア系酸化物を90質量%以上含むことが好ましく、95質量%以上含むことがより好ましく、実質的に上記ジルコニア系酸化物からなることが特に好ましい。なお、「本実施形態のイオン伝導性材料が実質的に上記ジルコニア系酸化物からなる」とは、イオン伝導性材料が製造上不可避な不純物を除いて上記ジルコニア系酸化物以外の成分を含まないことを意味しており、上記ジルコニア系酸化物が98質量%以上含まれることをいう。本実施形態のイオン伝導性材料は、上記ジルコニア系酸化物のみからなっていてもよい。 In order to more reliably realize the above effect, the ionic conductive material of the present embodiment preferably contains 90% by mass or more of the zirconia-based oxide, more preferably 95% by mass or more, and substantially the above. It is particularly preferably composed of a zirconia-based oxide. The phrase "the ionic conductive material of the present embodiment is substantially composed of the above zirconia oxide" does not mean that the ionic conductive material contains components other than the above zirconia oxide except for impurities that are unavoidable in production. This means that the zirconia-based oxide is contained in an amount of 98% by mass or more. The ionic conductive material of the present embodiment may consist only of the above-mentioned zirconia-based oxide.
本実施形態のイオン伝導性材料は、上記ジルコニア系酸化物以外の成分を含んでいてもよい。本実施形態のイオン伝導性材料は、焼結助剤として機能する成分を含んでいてもよく、例えば、酸化アルミニウム(Al2O3)や酸化チタニウム(TiO2)等を含んでいてもよい。 The ionic conductive material of the present embodiment may contain components other than the above-mentioned zirconia-based oxide. The ionic conductive material of the present embodiment may contain a component that functions as a sintering aid, and may contain, for example, aluminum oxide (Al 2 O 3 ), titanium oxide (TIO 2 ), and the like.
本実施形態におけるイオン伝導性材料の形態は、特には限定されず、例えば、粉体、焼結体等のあらゆる形態が含まれる。 The form of the ionic conductive material in the present embodiment is not particularly limited, and includes all forms such as powder and sintered body.
本実施形態におけるジルコニア系酸化物は、上記のとおり、YbをZr100モルに対して6モル以上30モル以下の範囲内で含む。ジルコニア系酸化物がイッテルビウム(Yb)を上記範囲内で含むことにより、本実施形態のイオン伝導性材料を固体酸化物形電気化学セルの燃料極の電解質成分及び/又は固体電解質層の材料として用いた場合に、高いイオン伝導性を実現しつつも、反応抵抗を抑制できるため、内部抵抗の少ない高性能なセルを得ることができる。ジルコニア系酸化物は、イッテルビウム(Yb)をZr100モルに対して12モル以上含むことが好ましく、13モル以上含むことがより好ましい。一方、ジルコニア系酸化物は、イッテルビウム(Yb)をZr100モルに対して28モル以下含むことが好ましく、25モル以下含むことがより好ましい。ジルコニア系酸化物におけるイッテルビウム(Yb)の含有形態は特に限定されないが、酸化ジルコニウムに固溶していることが好ましい。 As described above, the zirconia-based oxide in the present embodiment contains Yb in the range of 6 mol or more and 30 mol or less with respect to 100 mol of Zr. When the zirconia oxide contains itterbium (Yb) within the above range, the ionic conductive material of the present embodiment is used as an electrolyte component of the fuel electrode of the solid oxide electrochemical cell and / or as a material of the solid electrolyte layer. If this is the case, the reaction resistance can be suppressed while achieving high ionic conductivity, so that a high-performance cell with low internal resistance can be obtained. The zirconia-based oxide preferably contains ytterbium (Yb) in an amount of 12 mol or more, more preferably 13 mol or more, based on 100 mol of Zr. On the other hand, the zirconia-based oxide preferably contains ytterbium (Yb) in an amount of 28 mol or less, more preferably 25 mol or less, based on 100 mol of Zr. The content form of ytterbium (Yb) in the zirconia oxide is not particularly limited, but it is preferably dissolved in zirconium oxide.
本実施形態におけるジルコニア系酸化物は、上記のとおり、イッテルビウム以外の希土類元素をさらに含んでいる。イッテルビウム以外の希土類元素としては、例えば、Ce及びEr等のランタノイド系元素、Y並びにScからなる群から選択される少なくともいずれか1種の元素が挙げられる。それらの中でも、Y、Sc、Ce,Er,Lu、Tm、Nd及びHoからなる群から選択される少なくともいずれか1種の元素が好ましい。ジルコニア系酸化物におけるイッテルビウム以外の希土類元素の含有形態は特に限定されないが、酸化ジルコニウムに固溶していることが好ましい。 As described above, the zirconia-based oxide in the present embodiment further contains a rare earth element other than ytterbium. Examples of rare earth elements other than ytterbium include lanthanoid elements such as Ce and Er, and at least one element selected from the group consisting of Y and Sc. Among them, at least one element selected from the group consisting of Y, Sc, Ce, Er, Lu, Tm, Nd and Ho is preferable. The content form of the rare earth element other than ytterbium in the zirconia oxide is not particularly limited, but it is preferably dissolved in zirconium oxide.
本実施形態におけるジルコニア系酸化物は、イッテルビウム以外の希土類元素を、Zr100モルに対して0.005モル以上、8モル以下の範囲内で含む。ジルコニア系酸化物がイッテルビウム以外の希土類元素を上記範囲内で含むことにより、結晶相が安定な立方晶になりやすい。このため、高い燃料利用率の条件下、すなわち、水蒸気や一酸化炭素が多く含まれる条件下で電気化学反応を行っても、長時間にわたり高いイオン伝導性を保つことができる。このため、材料が劣化することに起因する電気化学セルの性能の低下を抑制することができる。ジルコニア系酸化物は、イッテルビウム以外の希土類元素を、Zr100モルに対して0.01モル以上含むことが好ましく、0.02モル以上含むことがより好ましい。一方、ジルコニア系酸化物は、イッテルビウム以外の希土類元素をZr100モルに対して7モル以下含むことが好ましく、5モル以下含むことがより好ましい。 The zirconia-based oxide in the present embodiment contains a rare earth element other than ytterbium in the range of 0.005 mol or more and 8 mol or less with respect to 100 mol of Zr. When the zirconia oxide contains a rare earth element other than ytterbium within the above range, the crystal phase tends to be a stable cubic crystal. Therefore, even if the electrochemical reaction is carried out under the condition of high fuel utilization rate, that is, the condition containing a large amount of water vapor and carbon monoxide, high ionic conductivity can be maintained for a long period of time. Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the performance of the electrochemical cell due to the deterioration of the material. The zirconia oxide preferably contains a rare earth element other than ytterbium in an amount of 0.01 mol or more, more preferably 0.02 mol or more, based on 100 mol of Zr. On the other hand, the zirconia oxide preferably contains 7 mol or less of a rare earth element other than ytterbium with respect to 100 mol of Zr, and more preferably 5 mol or less.
本実施形態におけるジルコニア系酸化物は、上記のとおり、立方晶を主相とする結晶構造を有する。ジルコニア系酸化物が立方晶を主相とする結晶構造を有するとは、ジルコニア系酸化物のX線回折パターンから各ピーク強度を求め、各強度値と下記式から求められた立方晶比率(%)が、50%以上であることである。立方晶を主相とするジルコニア系酸化物は、立方晶比率が90%以上であることが好ましく、95%以上であることがより好ましく、97%以上がさらに好ましい。
立方晶比率(%)=(100−単斜晶比率)×[c(400)]÷[t(400)+t(004)+c(400)]
[式中、c(400)は立方晶(400)面のピーク強度を示し、t(400)は正方晶(400)面のピーク強度を示し、t(004)は正方晶(004)面のピーク強度を示す]
As described above, the zirconia-based oxide in the present embodiment has a crystal structure having cubic crystals as the main phase. When a zirconia oxide has a crystal structure having a cubic crystal as a main phase, each peak intensity is obtained from the X-ray diffraction pattern of the zirconia oxide, and each intensity value and the cubic crystal ratio (%) obtained from the following formula are obtained. ) Is 50% or more. The zirconia-based oxide having a cubic crystal as the main phase preferably has a cubic crystal ratio of 90% or more, more preferably 95% or more, and further preferably 97% or more.
Cubic crystal ratio (%) = (100-monoclinic crystal ratio) x [c (400)] ÷ [t (400) + t (004) + c (400)]
[In the formula, c (400) indicates the peak intensity of the cubic (400) plane, t (400) indicates the peak intensity of the tetragonal (400) plane, and t (004) indicates the peak intensity of the tetragonal (004) plane. Shows peak intensity]
本実施形態のイオン伝導性材料は、例えば以下のような方法で製造できる。ここでは、イオン伝導性材料がジルコニア系酸化物からなる粉末である場合を例に挙げて説明する。 The ionic conductive material of the present embodiment can be produced by, for example, the following method. Here, a case where the ionic conductive material is a powder made of a zirconia-based oxide will be described as an example.
ジルコニア系酸化物の粉末は、例えば共沈法を用いて作製できる。例えば、イッテルビウム化合物(例えば塩化イッテルビウム)、イッテルビウム以外の希土類元素の化合物(例えば塩化物)、及び、ジルコニウム化合物(例えば塩化ジルコニウム)を、焼成後にYbをZr100モルに対して6モル以上30モル以下、Yb以外の希土類元素をZr100モルに対して0.005モル以上8モル以下の範囲で含むジルコニア系酸化物となるような比率で混合し、得られた混合物に例えば水を溶媒として添加して、イッテルビウム化合物、希土類元素の化合物及びジルコニウム化合物が溶解した混合水溶液を作製する。次に、この混合水溶液に共沈剤(例えばアンモニア水)を加え、得られた沈殿物を洗浄及び乾燥させた後に仮焼し、得られた粉末を解砕して、原料粉末を得る。得られた原料粉末をボールミル処理等により粉砕し、その後焼成することにより、ジルコニア系酸化物の粉末を得ることができる。得られたジルコニア系酸化物の粉末の粒子径を、用途に応じて適宜調整してもよい。ここで、粉末の平均粒子径は、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置によって測定される値であり、平均粒子径とは体積基準の累積粒度分布から求められるメジアン径、すなわち体積累積が50%に相当する粒子径(D50)のことである。以下、特に言及しない限り、本明細書において特定される粉末の平均粒子径は、同様の方法によって求められる値である。 The zirconia-based oxide powder can be produced, for example, by using the coprecipitation method. For example, a ytterbium compound (for example, ytterbium chloride), a compound of a rare earth element other than ytterbium (for example, chloride), and a zirconium compound (for example, zirconium chloride) are subjected to Yb of 6 mol or more and 30 mol or less based on 100 mol of Zr after firing. Rare earth elements other than Yb were mixed at a ratio of 0.005 mol or more and 8 mol or less with respect to 100 mol of Zr so as to form a zirconia-based oxide, and water was added as a solvent to the obtained mixture. A mixed aqueous solution in which a ytterbium compound, a rare earth element compound, and a zirconium compound is dissolved is prepared. Next, a co-precipitant (for example, aqueous ammonia) is added to this mixed aqueous solution, the obtained precipitate is washed and dried, and then calcined, and the obtained powder is crushed to obtain a raw material powder. The obtained raw material powder is pulverized by a ball mill treatment or the like and then calcined to obtain a zirconia oxide powder. The particle size of the obtained zirconia-based oxide powder may be appropriately adjusted according to the intended use. Here, the average particle size of the powder is a value measured by a laser diffraction / scattering type particle size distribution measuring device, and the average particle size is the median size obtained from the volume-based cumulative particle size distribution, that is, the volume accumulation is 50%. It is a particle size (D50) corresponding to. Hereinafter, unless otherwise specified, the average particle size of the powder specified in the present specification is a value obtained by the same method.
本実施形態のイオン伝導性材料を用いて、固体酸化物形電気化学セルの燃料極及び/又は固体電解質層を作製することが可能である。すなわち、本実施形態のイオン伝導性材料を用いる固体酸化物形電気化学セルの製造方法は、例えば、
空気極と、燃料極と、前記空気極と前記燃料極との間に配置された固体電解質層と、を備えた固体酸化物形電気化学セルを製造する方法であって、前記燃料極及び前記固体電解質層の少なくともいずれか一方を作製する工程において、本実施形態におけるイオン伝導性材料が用いられる、固体酸化物形電気化学セルの製造方法、
と特定することができる。なお、ここでの燃料極とは、固体電解質層に接する燃料極部分を指す。したがって、後述するSOFC用単セルの一例である燃料極支持型セルのように燃料極が燃料極支持基板と燃料極層とによって構成されている場合は、固体電解質層側に配置される燃料極層の作製に本実施形態のイオン伝導性材料を用いる。以下に、本実施形態のイオン伝導性材料を用いて固体酸化物形電気化学セルを製造する方法について説明する。ここでは、一例として、SOFC用単セルを製造する方法について説明する。
Using the ionic conductive material of the present embodiment, it is possible to prepare a fuel electrode and / or a solid electrolyte layer of a solid oxide-type electrochemical cell. That is, the method for producing a solid oxide-type electrochemical cell using the ion conductive material of the present embodiment is, for example,
A method for producing a solid oxide-type electrochemical cell including an air electrode, a fuel electrode, and a solid electrolyte layer arranged between the air electrode and the fuel electrode, wherein the fuel electrode and the fuel electrode are provided. A method for producing a solid oxide-type electrochemical cell, wherein the ionic conductive material of the present embodiment is used in the step of producing at least one of the solid electrolyte layers.
Can be specified. The fuel electrode here refers to a fuel electrode portion in contact with the solid electrolyte layer. Therefore, when the fuel electrode is composed of the fuel electrode support substrate and the fuel electrode layer as in the fuel electrode support type cell which is an example of the SOFC single cell described later, the fuel electrode is arranged on the solid electrolyte layer side. The ionic conductive material of the present embodiment is used to prepare the layer. Hereinafter, a method for producing a solid oxide-type electrochemical cell using the ionic conductive material of the present embodiment will be described. Here, as an example, a method for manufacturing a single cell for SOFC will be described.
まず、本実施形態のイオン伝導性材料を用いて製造されるSOFC用単セルの一例について説明する。なお、本実施形態のイオン伝導性材料を用いて製造されるSOFC用単セルは、電解質支持型セルであっても、燃料極支持型セルであってもよく、その種類は特には限定されない。ここでは、燃料極支持型セルの場合を例に挙げて、図1を参照しながら説明する。 First, an example of a single cell for SOFC manufactured by using the ionic conductive material of the present embodiment will be described. The SOFC single cell produced by using the ion conductive material of the present embodiment may be an electrolyte-supported cell or a fuel electrode-supported cell, and the type thereof is not particularly limited. Here, the case of the fuel electrode support type cell will be described as an example with reference to FIG.
図1に、燃料極支持型セルであるSOFC用単セル1の断面図を示す。SOFC用単セル1は、燃料極11と、空気極12と、燃料極11と空気極12との間に配置された固体電解質層13と、を備えている。固体電解質層13と空気極12との間には、さらにバリア層14が設けられている。なお、バリア層14は、必要に応じて設けられればよいため、設けられなくてもよい。
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a single cell 1 for SOFC, which is a fuel electrode support type cell. The SOFC single cell 1 includes a
燃料極11は、燃料極支持基板111と、燃料極支持基板111の固体電解質層13側の面上に配置された燃料極層112と、によって形成されている。なお、燃料極支持基板111自体が電極として十分に作用し得る場合には、燃料極層112が設けられない場合もある。固体電解質層13、バリア層14及び空気極12は、燃料極支持基板111によって支持されている。
The
燃料極支持型セルであるSOFC用単セル1を製造する方法の一例は、燃料極11、固体電解質層13及びバリア層14を含み、且つ所定の形状を有する多層焼成体を作製する工程と、所定の形状を有する多層焼成体において、燃料極11と反対側の面に空気極12を作製する工程と、を含む方法である。
An example of a method for producing a single cell 1 for SOFC, which is a fuel electrode support type cell, includes a step of producing a multilayer fired body containing a
多層焼成体は、
(1)燃料極支持基板111用のグリーンシート上に、燃料極層112用のグリーン層(燃料極層112を設けない構成の場合は不要)と、固体電解質層13用のグリーン層と、バリア層14用のグリーン層(バリア層14を設けない構成の場合は不要)と、が順に積み重ねられた積層体を形成した後、これら全体を一括して焼成する方法、
又は、
(2)燃料極支持基板111用のグリーンシートを焼成して燃料極支持基板111を作製し、その上に燃料極層112用のグリーン層(燃料極層112を設けない構成の場合は不要)と、固体電解質層13用のグリーン層と、バリア層14用のグリーン層(バリア層14を設けない構成の場合は不要)と、が順に積み重ねられた積層体を形成した後、これらを焼成する方法、
を用いて作製できる。ここでは、(1)の方法を例に挙げて、多層焼成体の作製方法を説明する。
The multi-layer fired body is
(1) On the green sheet for the fuel
Or
(2) The green sheet for the fuel
Can be produced using. Here, a method for producing a multi-layer fired body will be described by taking the method (1) as an example.
まず、燃料極支持基板111用のグリーンシートを準備する。燃料極支持基板111用のグリーンシートは、SOFC用の燃料極支持基板用の原料粉末と、気孔形成剤と、バインダー及び溶剤とを混合し、さらに必要に応じて分散剤及び可塑剤等を添加してスラリーを調製し、このスラリーをドクターブレード法、カレンダーロール法、押出し法等の任意の方法で所定の厚さを有するシート状に成形し、これを乾燥させて溶剤を揮発除去することによって得られる。燃料極支持基板111は、導電性を与えるための導電成分と、骨格成分となるセラミック質(電解質成分)とを含む。したがって、燃料極支持基板用の原料粉末は、導電成分用の材料と、骨格成分用の材料とを含む。導電成分用の材料及び骨格成分用の材料には、それぞれ、SOFC用の燃料極支持基板用の導電成分用の材料及び骨格成分用の材料として公知の材料を用いることができる。また、燃料極支持基板用の骨格成分用の材料として、本実施形態のイオン伝導性材料を用いることも可能である。燃料極支持基板111用グリーンシートの作製に用いられる気孔形成剤、バインダー、溶剤、分散剤及び可塑剤等は、SOFCの燃料極支持基板の製造方法において公知となっている気孔形成剤、バインダー、溶剤、分散剤及び可塑剤等の中から適宜選択できる。燃料極支持基板111用のグリーンシートは、焼成後に燃料極支持基板111の厚さが目的の厚さとなるように形成されるとよい。
First, a green sheet for the fuel
燃料極支持基板111用のグリーンシート上に、燃料極層112用のペーストを用いて、燃料極層112用のグリーン層が形成される。燃料極層112用のペーストは、SOFC用の燃料極層用の原料粉末と、気孔形成剤と、バインダー及び溶剤とを混合し、さらに必要に応じて分散剤及び可塑剤等を添加することによって、調製される。このペーストを燃料極支持基板111用のグリーンシート上に、スクリーン印刷等の方法を用いて塗布し、これを乾燥させることによって、燃料極層112用のグリーン層が形成される。燃料極層112は、導電性を与えるための導電成分と、骨格成分となるセラミック質(電解質成分)とを含む。したがって、燃料極層112用のグリーン層の形成に用いられる燃料極層用の原料粉末は、導電成分用の材料と、骨格成分用の材料とを含む。導電成分用の材料には、SOFC用の燃料極層用の導電成分用の材料として公知の材料を用いることができる。また、燃料極層用の骨格成分用の材料には、本実施形態のイオン伝導性材料が用いられる。なお、燃料極層用の骨格成分用の材料として、本実施形態のイオン伝導性材料以外の材料がさらに含まれていてもよいが、水蒸気や二酸化炭素の濃度が高い条件下の発電であっても高い電流電圧特性を実現するためには、燃料極層用の骨格成分用の材料として、本実施形態のイオン伝導性材料のみを用いることが好ましい。また、気孔形成剤、バインダー、溶剤、分散剤及び可塑剤等は、SOFCの燃料極層の製造方法において公知となっている気孔形成剤、バインダー、溶剤、分散剤及び可塑剤等の中から適宜選択できる。燃料極層112用のグリーン層は、焼成後に燃料極層112の厚さが目的の厚さとなるように形成されるとよい。
A green layer for the
燃料極層112用のグリーン層の上に、固体電解質層13用のペーストを用いて、固体電解質層13用のグリーン層が形成される。固体電解質層13用のペーストは、少なくとも、本実施形態のイオン伝導性材料の粉末と、溶媒とを混合して作製される。なお、固体電解質層13用のペーストは、本実施形態のイオン伝導性材料以外のイオン伝導性材料をさらに含んでいてもよいが、水蒸気や二酸化炭素の濃度が高い条件下の発電であっても高い電流電圧特性を実現するためには、電解質成分として本実施形態のイオン伝導性材料のみを含むことが好ましい。固体電解質層13用のペーストに用いられる溶媒は、特に限定されず、SOFC用単セルの固体電解質層の製造方法において公知となっている溶媒の中から適宜選択できる。固体電解質層13用のグリーン層は、焼成後の固体電解質層13の厚さが目的の厚さとなるように形成されるとよい。
The green layer for the
固体電解質層13用のペーストには、本実施形態のイオン伝導性材料の粉末及び溶媒に加えて、バインダー、分散剤、可塑剤、界面活性剤、消泡剤等を添加してもよい。バインダー、分散剤及び可塑剤は、成膜する固体電解質層13の材料に合わせて、SOFC用単セルの固体電解質層の製造方法において公知となっているバインダー、分散剤、可塑剤、界面活性剤、消泡剤等の中から適宜選択できる。
In addition to the powder and solvent of the ion conductive material of the present embodiment, a binder, a dispersant, a plasticizer, a surfactant, a defoaming agent and the like may be added to the paste for the
固体電解質層13用のグリーン層上に、バリア層14用のグリーン層を形成する。バリア層14用のグリーン層も、燃料極層112及び固体電解質層13と同様に、バリア層14を構成する原料粉末を含むペーストを調製し、それを固体電解質層13用のグリーン層上に塗布し、乾燥させることによって形成できる。バリア層14を構成する原料粉末としては、SOFC用単セルのバリア層の材料として公知の材料を用いることができる。
A green layer for the
燃料極支持基板111用のグリーンシート上に、燃料極層112用のグリーン層と、固体電解質層13用のグリーン層と、バリア層14用のグリーン層と、が順に積み重ねられることによって形成された積層体が、一括して焼成される。積層体の焼成温度は、特に限定されないが、1100℃以上が好ましく、1200℃以上がより好ましく、1250℃以上がさらに好ましい。また、焼成温度は、1500℃以下が好ましく、1450℃以下がより好ましく、1400℃以下がさらに好ましい。また、焼成時の焼成時間は、特に限定されないが、0.1時間以上が好ましく、0.5時間以上がより好ましく、1時間以上がさらに好ましい。また、焼成時間は、10時間以下が好ましく、7時間以下がより好ましく、5時間以下がさらに好ましい。
The green layer for the
以上のような方法によって、多層焼成体が得られる。所定の形状を有する多層焼成体を得る方法は特に限定されないが、焼成後の収縮を考慮して、焼成後に目的の形状になるように、燃料極支持基板111用のグリーンシート上に、燃料極層112用のグリーン層と、固体電解質層13用のグリーン層と、バリア層14用のグリーン層とが順に積み重ねられることによって形成された積層体を、切断及び/又は打ち抜きしてから焼成してもよいし、前記積層体を焼成して得られた多層焼成体をレーザ又はセラミックカッターを用いて切断してもよい。
By the above method, a multi-layer fired body can be obtained. The method for obtaining the multi-layer fired body having a predetermined shape is not particularly limited, but in consideration of shrinkage after firing, the fuel pole is placed on the green sheet for the fuel
次に、所定の形状を有する多層焼成体において、燃料極11と反対側の面上に、空気極12を作製する。空気極12用のペーストを用いて空気極12用のグリーン層を形成し、それを焼成することによって空気極12が作製される。空気極12用のペーストは、空気極12を構成する原料粉末、バインダー及び溶剤と、必要により気孔形成剤、分散剤及び可塑剤等とを共に均一に混合することによって、調製される。空気極12を構成する原料粉末、バインダー、溶剤、気孔形成剤、分散剤及び可塑剤等は、SOFC用単セルの空気極の製造方法において公知となっている空気極材料、バインダー、溶剤、気孔形成剤、分散剤及び可塑剤等の中から適宜選択できる。調製したペーストを、多層焼成体上にスクリーン印刷等により塗布し、乾燥させることによって、空気極12用のグリーン層が形成される。これを焼成することによって、空気極12が作製される。焼成温度は、特に限定されないが、800℃以上が好ましく、850℃以上がより好ましく、950℃以上がさらに好ましい。また、焼成温度は、1300℃以下が好ましく、1250℃以下がより好ましく、1200℃以下がさらに好ましい。また、焼成時の焼成時間は、特に限定されないが、0.1時間以上が好ましく、0.5時間以上がより好ましく、1時間以上がさらに好ましい。また、焼成時間は、10時間以下が好ましく、7時間以下がより好ましく、5時間以下がさらに好ましい。空気極12用のグリーン層は、焼成後の空気極12の厚さが目的の厚さとなるように形成されるとよい。
Next, in the multilayer fired body having a predetermined shape, the
以上のような方法によって、本実施形態のイオン伝導性材料を用いて、SOFC用単セル1を製造することができる。 By the above method, the SOFC single cell 1 can be manufactured by using the ion conductive material of the present embodiment.
なお、本実施形態では、燃料極(燃料極層)及び固体電解質層の両方に本実施形態のイオン伝導性材料を用いる製造方法の例を説明したが、燃料極層及び固体電解質層の少なくともいずれか1つの作製に本実施形態のイオン伝導性材料を用いれば、水蒸気や二酸化炭素が高い条件下の発電であっても高い電流電圧特性を実現できる高出力のSOFC用単セルを製造できる。また、本実施形態では燃料極支持型セルについて説明したが、本実施形態のイオン伝導性材料は、電解質支持型セルの製造にも用いることができることはいうまでもない。 In this embodiment, an example of a production method using the ion conductive material of the present embodiment for both the fuel electrode (fuel electrode layer) and the solid electrolyte layer has been described, but at least one of the fuel electrode layer and the solid electrolyte layer has been described. If the ionic conductive material of the present embodiment is used for one of the productions, a single cell for SOFC with high output capable of realizing high current and voltage characteristics even in power generation under conditions of high water vapor and carbon dioxide can be manufactured. Further, although the fuel electrode support type cell has been described in the present embodiment, it goes without saying that the ion conductive material of the present embodiment can also be used for manufacturing the electrolyte support type cell.
(実施形態2)
本発明の固体酸化物形電気化学セルの実施形態について、具体的に説明する。
(Embodiment 2)
An embodiment of the solid oxide electrochemical cell of the present invention will be specifically described.
本実施形態の固体酸化物形電気化学セルは、空気極と、燃料極と、空気極と燃料極との間に配置された固体電解質層と、を備える。以下、本実施形態の固体酸化物形電気化学セルの一例として、図1に示したSOFC用単セル1について詳しく説明する。 The solid oxide-type electrochemical cell of the present embodiment includes an air electrode, a fuel electrode, and a solid electrolyte layer arranged between the air electrode and the fuel electrode. Hereinafter, the SOFC single cell 1 shown in FIG. 1 will be described in detail as an example of the solid oxide fuel cell electrochemical cell of the present embodiment.
実施形態1でも説明したように、図1は、燃料極支持型セルであるSOFC用単セル1の断面図を示している。SOFC用単セル1は、燃料極11と、空気極12と、燃料極11と空気極12との間に配置された固体電解質層13と、を備えている。固体電解質層13と空気極12との間には、さらにバリア層14が設けられている。なお、バリア層14は、必要に応じて設けられればよいため、設けられなくてもよい。
As described in the first embodiment, FIG. 1 shows a cross-sectional view of a single cell 1 for SOFC, which is a fuel electrode support type cell. The SOFC single cell 1 includes a
燃料極支持基板111は、導電性を与えるための導電成分と、骨格成分となるセラミック質(電解質成分)とを含んでいる。導電成分としては、SOFC用単セルの燃料極支持基板の導電成分として公知のものを含むことができる。燃料極支持基板111は、骨格成分となるセラミック質として、SOFC用単セルの燃料極支持基板の骨格成分として公知のものを含むことができる。なお、燃料極支持基板111は、骨格成分として、後述の燃料極層112に含まれるジルコニア系酸化物として説明されるジルコニア系酸化物を含むことも可能である。
The fuel
燃料極支持基板111の厚さは、特に限定されないが、例えば100μm以上が好ましく、120μm以上がより好ましく、150μm以上がさらに好ましい。また、燃料極支持基板111の厚さは、3mm以下が好ましく、2mm以下がより好ましく、1.5mm以下がさらに好ましく、1mm以下が特に好ましい。燃料極支持基板111の厚さが上記範囲内であれば、燃料極支持基板111の機械的強度とガス通過性とをバランス良く両立しやすくなる。
The thickness of the fuel
燃料極層112は、導電性を与えるための導電成分と、骨格成分となるセラミック質(電解質成分)とを含んでいる。導電成分としては、SOFC用単セルの燃料極層の導電成分として、Ni等の公知のものを含むことができる。燃料極層112は、骨格成分となるセラミック質として、ジルコニア系酸化物を含む。このジルコニア系酸化物は、YbをZr100モルに対して6モル以上30モル以下の範囲内で含み、かつイッテルビウム以外の希土類元素をZr100モルに対して0.005モル以上8モル以下の範囲内で含んでおり、さらに、立方晶を主相とする結晶構造を有する。
The
燃料極層112に含まれるジルコニア系酸化物は、上記のとおり、YbをZr100モルに対して6モル以上30モル以下の範囲内で含む。ジルコニア系酸化物がイッテルビウム(Yb)を上記範囲内で含むことにより、高いイオン伝導性とジルコニア−導電成分(例えばNi)間の剥離とを抑制できるので、電流電圧特性が良好な電気化学セルとなる。ジルコニア系酸化物は、YbをZr100モルに対して12モル以上含むことが好ましく、13モル以上含むことがより好ましい。一方、ジルコニア系酸化物は、YbをZr100モルに対して28モル以下含むことが好ましく、25モル以下含むことがより好ましい。燃料極層112に含まれるジルコニア系酸化物におけるイッテルビウム(Yb)の含有形態は特に限定されないが、酸化ジルコニウムに固溶していることが好ましい。
As described above, the zirconia-based oxide contained in the
燃料極層112に含まれるジルコニア系酸化物は、上記のとおり、イッテルビウム以外の希土類元素をさらに含んでいる。イッテルビウム以外の希土類元素としては、例えば、Ce及びEr等のランタノイド系元素、Y並びにScからなる群から選択される少なくともいずれか1種の元素が挙げられる。それらの中でも、Y、Sc、Ce,Er、Lu、Tm、Nd及びHoからなる群から選択される少なくともいずれか1種の元素が好ましい。
As described above, the zirconia-based oxide contained in the
燃料極層112に含まれるジルコニア系酸化物は、イッテルビウム以外の希土類元素を、Zr100モルに対して0.005モル以上8モル以下の範囲内で含む。ジルコニア系酸化物がイッテルビウム以外の希土類元素を上記範囲内で含むことにより、結晶相が立方晶になる。このため、高い燃料利用率の条件下すなわち、水蒸気や一酸化炭素が多く含まれる条件下で電気化学反応を行った場合でも、高い電流電圧特性が得られる電気化学セルとなる。ジルコニア系酸化物は、イッテルビウム以外の希土類元素をZr100モルに対して0.01モル以上含むことが好ましく、0.02モル以上含むことがより好ましい。一方、ジルコニア系酸化物は、イッテルビウム以外の希土類元素をZr100モルに対して7モル以下含むことが好ましく、5モル以下含むことがより好ましい。燃料極層112に含まれるジルコニア系酸化物におけるイッテルビウム以外の希土類元素の含有形態は特に限定されないが、酸化ジルコニウムに固溶していることが好ましい。
The zirconia-based oxide contained in the
燃料極層112に含まれるジルコニア系酸化物は、走査型電子顕微鏡(SEM)などで断面の2次元画像を解析した際に、ジルコニア系酸化物にのみに内包される気孔の気孔率が10%以下であることが好ましく、8%以下であることがより好ましく、7%以下であることがさらに好ましく、5%以下であることが最も好ましい。このような場合、酸化物イオンの伝導が損なわれることなく、良好に行われるため、高い電流−電圧特性を発揮することができる。なお、ここで記載したジルコニア系酸化物にのみに内包される気孔とは、例えば、SEMなどの機器で2次元画像を取得した際に、ジルコニア系酸化物のみで囲まれていることが確認される気孔のことを言う。また、ジルコニア系酸化物にのみに内包される気孔の気孔率とは、燃料極層のうちの、取得した視野中の解析した領域のうちのジルコニア系酸化物のみで囲まれている気孔の面積を、解析した領域の面積で除した値で求めることができる。なお、酸化ニッケルとジルコニア系酸化物と気孔とは、2次元画像を取得するに当たり、反射電子像を取得したり、2次電子像とエネルギー分散型X線分析(EDX)を併用したりすることで、特定することができる。
The zirconia-based oxide contained in the
なお、燃料極層112は、上記ジルコニア系酸化物に加えて、骨格成分として機能する他のセラミック質をさらに含んでいてもよい。他のセラミック質としては、SOFC用単セルの燃料極層用の材料として公知の材料を用いることができる。
In addition to the zirconia-based oxide, the
燃料極層112の厚さは、特に限定されないが、例えば5μm以上が好ましく、6μm以上がより好ましく、7μm以上がさらに好ましい。また、燃料極層112の厚さは、100μm以下が好ましく、50μm以下がより好ましく、30μm以下がさらに好ましい。燃料極層112の厚さが上記範囲内であれば、電極反応が効率的に行われ、燃料極支持型セルとした場合に、電池性能がより良好となる。
The thickness of the
固体電解質層13は、YbをZr100モルに対して6モル以上30モル以下の範囲内で含み、かつイッテルビウム以外の希土類元素をZr100モルに対して0.005モル以上8モル以下の範囲内で含んでおり、さらに、立方晶を主相とする結晶構造を有する、ジルコニア系酸化物を含んでいる。
The
固体電解質層13に含まれるジルコニア系酸化物は、上記のとおり、YbをZr100モルに対して6モル以上30モル以下の範囲内で含む。ジルコニア系酸化物がイッテルビウム(Yb)を上記範囲内で含むことにより、高いイオン伝導性とジルコニア−Ni等の燃料極層112に含まれる成分間との剥離を抑制できるので、電流電圧特性が良好な電気化学セルとなる。ジルコニア系酸化物は、YbをZr100モルに対して12モル以上含むことが好ましく、13モル以上含むことがより好ましい。一方、ジルコニア系酸化物は、YbをZr100モルに対して28モル以下含むことが好ましく、25モル以下含むことがより好ましい。固体電解質層13に含まれるジルコニア系酸化物におけるイッテルビウム(Yb)の含有形態は特に限定されないが、酸化ジルコニウムに固溶していることが好ましい
As described above, the zirconia-based oxide contained in the
固体電解質層13に含まれるジルコニア系酸化物は、上記のとおり、イッテルビウム以外の希土類元素の酸化物をさらに含んでいる。イッテルビウム以外の希土類元素としては、例えば、Ce及びErなどのランタノイド系元素、Y並びにScからなる群から選択される少なくともいずれか1種の元素が挙げられる。それらの中でも、Y、Sc、Ce,Er,Lu、Tm、Nd及びHoからなる群から選択される少なくともいずれか1種の元素が好ましい。
As described above, the zirconia-based oxide contained in the
固体電解質層13に含まれるジルコニア系酸化物は、イッテルビウム以外の希土類元素を、Zr100モルに対して0.005モル以上8モル以下の範囲内で含む。ジルコニア系酸化物がイッテルビウム以外の希土類元素を上記範囲内で含むことにより、高いイオン伝導性とジルコニア−Ni間の剥離を抑制できるので、電流−電圧特性が良好な電気化学セルとなる。ジルコニア系酸化物は、イッテルビウム以外の希土類元素をZr100モルに対して0.01モル以上含むことが好ましく、0.02モル以上含むことがより好ましい。一方、ジルコニア系酸化物は、イッテルビウム以外の希土類元素をZr100モルに対して7モル以下含むことが好ましく、5モル以下含むことがより好ましい。固体電解質層13に含まれるジルコニア系酸化物におけるイッテルビウム以外の希土類元素の含有形態は特に限定されないが、酸化ジルコニウムに固溶していることが好ましい。
The zirconia-based oxide contained in the
固体電解質層13に含まれるジルコニア系酸化物は、SEMなどで断面を観察した際に、気孔率が10%以下であることが好ましく、7%以下であることがより好ましく、5%以下であることがさらに好ましい。また、固体電解質層13に含まれるジルコニア系酸化物は、SEMなどで観察した際に平均粒子径が0.8μm以上であることが好ましく、0.9μm以上であることがより好ましく、1.0μm以上であることがさらに好ましい。このような場合、酸化物イオンの伝導が損なわれることなく、良好に行われるため、高い電流−電圧特性を発揮することができる。
The zirconia-based oxide contained in the
固体電解質層13における上記ジルコニア系酸化物の含有割合は、例えば90質量%以上であってよく、好ましくは95質量%以上、より好ましくは98質量%以上である。固体電解質層13は、製造上不可避な不純物を除き、上記ジルコニア系酸化物からなるものであってもよい。
The content ratio of the zirconia-based oxide in the
固体電解質層13は、上記ジルコニア系酸化物以外の材料をさらに含んでいてもよい。そのような材料として、例えば、SOFC用単セルの固体電解質層の材料として公知の材料を用いることが可能である。
The
固体電解質層13の厚さは、特に限定されないが、例えば1μm以上が好ましく、1.5μm以上がより好ましく、2μm以上がさらに好ましい。また、固体電解質層13の厚さは、50μm以下が好ましく、30μm以下がより好ましく、20μm以下がさらに好ましい。固体電解質層13の厚さが上記範囲内であれば、燃料極支持型セルとした場合に、ガスのクロスリークを防ぎつつも、内部抵抗を小さくすることができるので、SOFC用単セル1の電池性能がより良好となる。また、固体電解質層13は、単層であってもよいし多層構造であってもよい。
The thickness of the
空気極12は、電子伝導体を必須成分として含み、かつ、イオン伝導体を任意成分として含んでいる。例えば、電子伝導体は、電子伝導体とイオン伝導体との合計に対して25〜100質量%の割合となるように、空気極12に含まれている。より低い電気抵抗率を有する空気極12を実現するために、電子伝導体は、電子伝導体とイオン伝導体との合計に対して30質量%以上であることが望ましく、50質量%以上であることがより望ましい。ただし、空気極として使用する電子伝導体が、十分なイオン伝導性を有する場合(混合伝導帯の場合)には、イオン伝導体を含まなくてもよい。
The
空気極12に含まれる電子伝導体は、特には限定されず、SOFC用単セルの空気極用の電子伝導体として公知の材料を適宜用いることができる。例えば、電子伝導性に優れ、酸化雰囲気下でも安定な、ペロブスカイト形酸化物が好適に用いられる。
The electron conductor contained in the
空気極12に含まれるイオン伝導体は、特には限定されず、SOFC用単セルの空気極用のイオン伝導体として公知の材料を用いることができる。
The ionic conductor contained in the
バリア層14には、公知のSOFC用単セルのバリア層を適用することができるため、その材料は特に限定されない。一般的に、バリア層14には酸化物イオン伝導性を有する材料が用いられ、例えばGd、Sm、Y及びYb等の希土類元素の酸化物等がドープされたセリアが用いられる。また、バリア層14の厚さは、20μm以下であることが好ましい。20μm以下であれば、空気極12と固体電解質層13との材料の熱膨張率差が大きい場合であっても空気極形成時に空気極12に発生するクラック及び剥離等の欠陥を一層低減することができる。バリア層14の厚さは、10μm以下がより好ましく、7μm以下がさらに好ましく、5μm以下が特に好ましい。また、セル作製時又は発電中の高温雰囲気下において、固体電解質層13と空気極12との間で起こる絶縁物質の生成を抑えつつ、発電を促進させる高い効果が期待できることから、バリア層14の厚さは、特に限定されないが、例えば0.1μm以上が好ましく、0.2μm以上がより好ましく、0.5μm以上がさらに好ましい。なお、バリア層14は、電気化学セルの作製時や反応時に、空気極と電解質層とが直接接していることで絶縁物質が生成しやすく、この絶縁物質の生成を抑制することを目的として、空気極と電解質層との間に設けられている。絶縁物質の生成が十分に抑制されている場合には、バリア層14は設けられなくてもよい。
Since a known single-cell barrier layer for SOFC can be applied to the
本実施形態のSOFC用単セルは、実施形態1で説明したSOFC用単セルの製造方法を用いて製造することが可能である。 The SOFC single cell of the present embodiment can be manufactured by using the SOFC single cell manufacturing method described in the first embodiment.
本実施形態では、燃料極(燃料極層)及び固体電解質層の両方が、YbをZr100モルに対して6モル以上30モル以下の範囲内で含み、かつイッテルビウム以外の希土類元素をZr100モルに対して0.005モル以上8モル以下の範囲内で含んでおり、さらに立方晶を主相とする結晶構造を有するジルコニア系酸化物を含むSOFC用単セルの例について説明したが、燃料極(燃料極層)及び固体電解質層の少なくともいずれか1つが上記ジルコニア系酸化物を含んでいればよい。このようなSOFC用単セルは、高い燃料利用率によって燃料ガスにおける水蒸気濃度が多くなった場合でも、高い電流電圧特性を実現できる。 In the present embodiment, both the fuel electrode (fuel electrode layer) and the solid electrolyte layer contain Yb in the range of 6 mol or more and 30 mol or less with respect to 100 mol of Zr, and rare earth elements other than ytterbium are contained with respect to 100 mol of Zr. An example of a single cell for SOFC containing a zirconia oxide having a crystal structure having a cubic crystal as a main phase, which is contained in the range of 0.005 mol or more and 8 mol or less, has been described. It is sufficient that at least one of the polar layer) and the solid electrolyte layer contains the above-mentioned zirconia oxide. Such a single cell for SOFC can realize high current-voltage characteristics even when the water vapor concentration in the fuel gas increases due to the high fuel utilization rate.
固体電解質層が上記ジルコニア系酸化物を含む形態(上述の本発明の第2の態様に係る固体酸化物形電気化学セルに相当)について、燃料極(燃料極層)において使用し得るイオン伝導性材料としては、上記ジルコニア系酸化物以外に、たとえば、Yb以外のSc、Y、Er等の希土類元素を含むジルコニア系酸化物、Gd、Sm、Y、Yb等の希土類元素を含むセリア系酸化物、ランタンガレート、及び、ランタンガレートのランタンまたはガリウムの一部がストロンチウム、カルシウム、バリウム、マグネシウム、アルミニウム、インジウム、コバルト、鉄、ニッケル、銅等で置換されたランタンガレート系ペロブスカイト構造酸化物等を例示することができる。また、燃料極(燃料極層)が上記ジルコニア系酸化物を含む形態(上述の本発明の第3の態様に係る固体酸化物形電気化学セルに相当)について、固体電解質層において使用し得る、上記ジルコニア系酸化物に代えて使用し得るイオン伝導性材料についても同様である。 Ion conductivity that can be used in the fuel electrode (fuel electrode layer) in the form in which the solid electrolyte layer contains the zirconia-based oxide (corresponding to the solid oxide-type electrochemical cell according to the second aspect of the present invention). Examples of the material include zirconia oxides containing rare earth elements such as Sc, Y, and Er other than Yb, and ceria oxides containing rare earth elements such as Gd, Sm, Y, and Yb, in addition to the above zirconia oxides. , Lantangalate, and lanthanum gallate-based perovskite structural oxides in which a part of the lanthanum or gallium of the lanthanum gallate is replaced with strontium, calcium, barium, magnesium, aluminum, indium, cobalt, iron, nickel, copper, etc. can do. Further, in a form in which the fuel electrode (fuel electrode layer) contains the above-mentioned zirconia-based oxide (corresponding to the above-mentioned solid oxide-type electrochemical cell according to the third aspect of the present invention), it can be used in the solid electrolyte layer. The same applies to the ionic conductive material that can be used in place of the zirconia-based oxide.
上記の実施形態では、本発明の固体酸化物形電気化学セルの実施形態として、SOFCを例に挙げて詳しく説明したが、本発明の固体酸化物形電気化学セルはSOFCに限定されずSOECとしても機能し得ることは言うまでもない。 In the above embodiment, SOFC has been described in detail as an embodiment of the solid oxide electrochemical cell of the present invention, but the solid oxide electrochemical cell of the present invention is not limited to SOFC and is designated as SOEC. Needless to say, it can also work.
以下では、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施例によって何ら限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. The present invention is not limited to the examples shown below.
<実施例1>
(燃料極支持基板グリーンシートの作製)
導電成分としての酸化ニッケル(正同化学工業社製、商品名「Green」)60質量部、骨格成分としての3モル%イットリア安定化ジルコニア粉末(東ソー社製、商品名「TZ3Y」)40質量部、気孔形成剤としてのカーボンブラック(SECカーボン社製、SGP−3)10質量部、メタクリレート系共重合体からなるバインダー(分子量:30,000、ガラス転移温度:−8℃、固形分濃度:50質量部)30質量部、可塑剤としてジブチルフタレート2質量部及び分散媒としてトルエン/イソプロピルアルコール(質量比=3/2)の混合溶剤80質量部を、ボールミルにより混合して、スラリーを調製した。得られたスラリーを使用し、ドクターブレード法によりシート成形し、70℃で5時間乾燥させて、燃料極支持基板グリーンシートを作製した。なお、グリーンシートの厚さについては、同じ組成のスラリーを用いて予備実験を行い、グリーンシートと焼成後のシートとの厚さの関係を考慮して、焼成後のシートの厚さが400μmになるようにコントロールしてグリーンシート(1)を作製した。
<Example 1>
(Preparation of fuel electrode support substrate green sheet)
60 parts by mass of nickel oxide (manufactured by Shodo Chemical Industry Co., Ltd., trade name "Green") as a conductive component, 40 parts by mass of 3 mol% itria stabilized zirconia powder (manufactured by Toso Co., Ltd., trade name "TZ3Y") as a skeletal component , 10 parts by mass of carbon black (manufactured by SEC Carbon Co., Ltd., SGP-3) as a pore-forming agent, a binder composed of a methacrylate-based copolymer (molecular weight: 30,000, glass transition temperature: -8 ° C., solid content concentration: 50) 30 parts by mass), 2 parts by mass of dibutylphthalate as a plasticizer, and 80 parts by mass of a mixed solvent of toluene / isopropyl alcohol (mass ratio = 3/2) as a dispersion medium were mixed by a ball mill to prepare a slurry. Using the obtained slurry, a sheet was formed by a doctor blade method and dried at 70 ° C. for 5 hours to prepare a fuel electrode support substrate green sheet. Regarding the thickness of the green sheet, a preliminary experiment was conducted using a slurry having the same composition, and the thickness of the sheet after firing was set to 400 μm in consideration of the relationship between the thickness of the green sheet and the sheet after firing. A green sheet (1) was produced under the control of the above.
(ジルコニア系酸化物粉末(1)の作製)
塩化イッテルビウム(III)水和物(和光純薬工業製)、塩化スカンジウム(III)六水和物(和光純薬工業製)及び塩化ジルコニウム(IV)(和光純薬工業製)を、焼成後に8モル%イッテルビア1モル%スカンジア安定化ジルコニア(8Yb1ScSZ:(Yb2O3)0.08(Sc2O3)0.01(ZrO2)0.91、すなわち、Zr100モルに対して、Ybが18モル、Scが2.2モル含まれるジルコニア系酸化物)になるように計量した。超純水(抵抗率:17.5MΩ・cm)を用意し、加温機能付きのマグネチックスターラーを用いて水温が20℃になるようにコントロールし、上記塩化物を溶解させた。なお、30分経っても溶解しない場合には、さらに超純水を加え、目視で、塩化物が溶解するまで溶解させた。目視で塩化物が溶解したことを確認した後、それまで溶解に必要とした超純水の10質量%に当たる量の超純水をさらに加え、水溶液を25℃になるように加温・保温しながらさらに1時間攪拌して、塩化物を完全に溶解させた。得られた水溶液をアンモニア水に滴下して得られた沈殿物を、洗浄及び乾燥後、800℃で1時間仮焼した。仮焼した粉末にエタノールを加え、ボールミルで10時間粉砕混合してから乾燥させて、さらに乳鉢にて解砕を行い、解砕した粉を1200℃で焼成して焼成粉末を得た。得られた焼成粉末にエタノールを加え、ボールミルで平均粒径が0.5μm程度になるように粉砕し、乾燥させて、ジルコニア系酸化物粉末(1)として8Yb1ScSZ粉末を得た。なお、作製したジルコニア系酸化物粉末(1)は、後述の<粉末の組成の評価>により、目的の組成すなわちZr100モルに対して、Ybが18モル、Scが2.2モルになっていることを確認した。
(Preparation of zirconia-based oxide powder (1))
Ytterbium (III) chloride hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), scandium (III) chloride hexahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and zirconium chloride (IV) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) after firing 8 Mol% ytterbium 1 mol% Scandia-stabilized zirconia (8Yb1ScSZ: (Yb 2 O 3 ) 0.08 (Sc 2 O 3 ) 0.01 (ZrO 2 ) 0.91 , that is, for 100 mol of Zr, 18 mol of Yb and 2. It was weighed so as to be (zirconia-based oxide contained in 2 mol). Ultrapure water (resistivity: 17.5 MΩ · cm) was prepared, and the water temperature was controlled to 20 ° C. using a magnetic stirrer with a heating function to dissolve the above chloride. If it did not dissolve even after 30 minutes, ultrapure water was further added and the chloride was visually dissolved until the chloride was dissolved. After visually confirming that the chloride has been dissolved, add 10% by mass of the ultrapure water required for dissolution, and heat and keep the aqueous solution at 25 ° C. While stirring for another hour, the chloride was completely dissolved. The obtained aqueous solution was added dropwise to aqueous ammonia, and the obtained precipitate was washed and dried, and then calcined at 800 ° C. for 1 hour. Ethanol was added to the calcined powder, pulverized and mixed in a ball mill for 10 hours, dried, and further crushed in a mortar, and the crushed powder was calcined at 1200 ° C. to obtain a calcined powder. Ethanol was added to the obtained calcined powder, pulverized with a ball mill so that the average particle size was about 0.5 μm, and dried to obtain 8Yb1ScSZ powder as a zirconia-based oxide powder (1). The produced zirconia-based oxide powder (1) has 18 mol of Yb and 2.2 mol of Sc with respect to the target composition, that is, 100 mol of Zr, according to <evaluation of powder composition> described later. It was confirmed.
(燃料極層用粉末のボールミル処理)
ポリ容器に、導電成分としての酸化ニッケル(日興リカ株式会社、商品名「高純度酸化ニッケルF」)60質量部、骨格成分であり、かつイオン伝導成分としてのジルコニア系酸化物粉末(1)(8Yb1ScSZ粉末)40質量部、さらに分散媒としてのエタノールを加え、これをボールミルで粉砕混合してから乾燥させて、混合粉末(1b)(NiO/8Yb1ScSZ混合粉末)を得た。
(Ball mill processing of powder for fuel electrode layer)
In a plastic container, 60 parts by mass of nickel oxide (Nikko Rika Co., Ltd., trade name "high-purity nickel oxide F") as a conductive component, zirconia-based oxide powder as a skeletal component and an ionic conductive component (1) ( 40 parts by mass of 8Yb1ScSZ powder) and ethanol as a dispersion medium were further added, and this was pulverized and mixed with a ball mill and then dried to obtain a mixed powder (1b) (NiO / 8Yb1ScSZ mixed powder).
(燃料極層用ペースト(1)の作製)
上記のボールミル処理により得られた混合粉末(1b)60質量部、溶剤としてのα−テルピネオール(和光純薬工業社製)36質量部、バインダーとしてのエチルセルロース(和光純薬工業製)4質量部、可塑剤としてのジブチルフタレート(和光純薬工業社製)6質量部及び分散剤としてのソルビタン脂肪酸エステル系界面活性剤4質量部を、乳鉢を用いて混合した後、3本ロールミル(EXAKT technologies社製、型式「M−80S」、ロール材質:アルミナ)を用いて解砕し、燃料極層用ペースト(1)を作製した。なお、このペースト化処理では、3本ロールミル間のギャップと回転速度とを調整することによって、後述の<ペースト中の凝集物の評価>に記載されたグラインドメータで計測される最大粒子径の大きさが10μm以下になるまで解砕/混練した。
(Preparation of paste (1) for fuel electrode layer)
60 parts by mass of the mixed powder (1b) obtained by the above ball mill treatment, 36 parts by mass of α-terpineol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a solvent, 4 parts by mass of ethyl cellulose (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a binder, After mixing 6 parts by mass of dibutylphthalate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a plasticizer and 4 parts by mass of a sorbitan fatty acid ester-based surfactant as a dispersant using a dairy pot, a 3-roll mill (manufactured by EXAKT technologies) , Model "M-80S", roll material: alumina) was crushed to prepare a paste (1) for the fuel electrode layer. In this pasting process, by adjusting the gap between the three roll mills and the rotation speed, the maximum particle size measured by the grind meter described in <Evaluation of agglomerates in paste> described later is large. It was crushed / kneaded until the size became 10 μm or less.
(電解質用粉末のボールミル処理)
ポリ容器に、ジルコニア系酸化物粉末(1)、さらに分散媒としてのエタノールを加え、これをボールミルで粉砕してから乾燥させて、ボールミル処理したジルコニア系酸化物粉末(1b)を得た。なお、このボールミル処理では、回転時間を調整して、平均粒子径(D50)が0.24μmの粉末を得た。
(Ball mill treatment of electrolyte powder)
A zirconia-based oxide powder (1) and ethanol as a dispersion medium were further added to a plastic container, which was pulverized with a ball mill and then dried to obtain a ball-milled zirconia-based oxide powder (1b). In this ball mill treatment, the rotation time was adjusted to obtain a powder having an average particle size (D50) of 0.24 μm.
(固体電解質層用ペースト(1)の作製)
上記のボールミル処理により得られたジルコニア系酸化物粉末(1b)を60質量部、バインダーとしてエチルセルロース(和光純薬工業社製)を5質量部、溶剤としてα−テルピネオール(和光純薬工業社製)を40質量部、可塑剤としてジブチルフタレート(和光純薬工業社製)を6質量部及び分散剤としてソルビタン酸エステル系界面活性剤(三洋化成工業株式会社製、商品名「イオネットS−80」)5質量部を、乳鉢を用いて混合した後、3本ロールミル(EXAKT technologies社製、型式「M−80S」ロール材質:アルミナ)を用いて解砕し、固体電解質層用ペースト(1)を作製した。なお、このペースト化処理では、3本ロールミル間のギャップと回転速度を調整することによって、後述の<ペースト中の凝集物の評価>に記載されたグラインドメータで計測される最大粒子径の大きさが10μm以下になるまで解砕/混練した。
(Preparation of paste (1) for solid electrolyte layer)
60 parts by mass of zirconia oxide powder (1b) obtained by the above ball mill treatment, 5 parts by mass of ethyl cellulose (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a binder, and α-terpineol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a solvent. 40 parts by mass, 6 parts by mass of dibutylphthalate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a plasticizer, and a sorbitan acid ester-based surfactant (manufactured by Sanyo Kasei Kogyo Co., Ltd., trade name "Ionet S-80") as a dispersant. After mixing 5 parts by mass using a dairy pot, it is crushed using a 3-roll mill (manufactured by EXAKT technologies, model "M-80S" roll material: alumina) to prepare a paste (1) for a solid electrolyte layer. did. In this pasting process, the size of the maximum particle size measured by the grind meter described in <Evaluation of agglomerates in paste> described later by adjusting the gap between the three roll mills and the rotation speed. Was crushed / kneaded until the value was 10 μm or less.
(バリア層用のペースト(1)の作製)
セラミック質として、10モル%ガドリニアがドープされているセリア粉末(阿南化成株式会社製)60質量部、バインダーとしてのエチルセルロース(和光純薬工業株式会社製)5質量部、溶剤としてのα−テルピネオール(和光純薬工業株式会社製)40質量部、可塑剤としてのジブチルフタレート(和光純薬工業株式会社製)6質量部及び分散剤としてのソルビタン酸エステル系界面活性剤(三洋化成工業株式会社製、商品名「イオネットS−80」)5質量部、を乳鉢を用いて混合した後、3本ロールミル(EXAKT technologies社製、型式「M−80S」、ロール材質:アルミナ)を用いて解砕した。これにより、バリア層用ペースト(1)を得た。なお、このペースト化処理では、3本ロールミル間のギャップと回転速度を調整することによって、後述の<ペースト中の凝集物の評価>に記載されたグラインドメータで計測される最大粒子径の大きさが10μm以下になるまで解砕/混練した。
(Preparation of paste (1) for barrier layer)
60 parts by mass of ceria powder (manufactured by Anan Kasei Co., Ltd.) doped with 10 mol% gadlinear as a ceramic, 5 parts by mass of ethyl cellulose (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a binder, α-terpineol as a solvent 40 parts by mass of Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 6 parts by mass of dibutylphthalate as a plasticizer (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and sorbitanoic acid ester-based surfactant as a dispersant (manufactured by Sanyo Kasei Kogyo Co., Ltd., 5 parts by mass of trade name "Ionet S-80") was mixed using a dairy pot, and then crushed using a 3-roll mill (manufactured by EXAKT technologies, model "M-80S", roll material: alumina). As a result, the barrier layer paste (1) was obtained. In this pasting process, the size of the maximum particle size measured by the grind meter described in <Evaluation of agglomerates in paste> described later by adjusting the gap between the three roll mills and the rotation speed. Was crushed / kneaded until the value was 10 μm or less.
(燃料極層用グリーン層の形成)
8Yb1ScSZ燃料極層用ペースト(1)をスクリーン印刷により、上記で得た燃料極支持基板グリーンシート(1)に、焼成後の厚さが20μmとなるように印刷し、100℃で30分間乾燥させ、燃料極層用グリーン層(1)を形成した。
(Formation of green layer for fuel electrode layer)
The 8Yb1ScSZ fuel electrode layer paste (1) is printed on the fuel electrode support substrate green sheet (1) obtained above by screen printing so that the thickness after firing is 20 μm, and dried at 100 ° C. for 30 minutes. , A green layer (1) for the fuel electrode layer was formed.
(固体電解質層用グリーン層の形成)
上記で得た燃料極層用グリーン層(1)上に、上記固体電解質層用ペースト(1)をスクリーン印刷により、焼成後の厚さが7μmとなるように印刷し、100℃で30分間乾燥させ、固体電解質層用グリーン層(1)を形成した。
(Formation of green layer for solid electrolyte layer)
The paste (1) for the solid electrolyte layer is printed on the green layer (1) for the fuel electrode layer obtained above by screen printing so that the thickness after firing is 7 μm, and dried at 100 ° C. for 30 minutes. The green layer (1) for the solid electrolyte layer was formed.
(バリア層用グリーン層の形成)
上記で得た固体電解質層用グリーン層(1)上に、上記バリア層用ペースト(1)をスクリーン印刷により、焼成後の厚さが3μmとなるように印刷した。これを100℃で30分間乾燥させることによって、バリア層用グリーン層(1)を形成した。
(Formation of green layer for barrier layer)
On the green layer (1) for the solid electrolyte layer obtained above, the paste (1) for the barrier layer was printed by screen printing so that the thickness after firing was 3 μm. This was dried at 100 ° C. for 30 minutes to form a green layer (1) for a barrier layer.
(焼成)
バリア層用グリーン層(1)の乾燥後、上記で得たバリア層用グリーン層(1)、固体電解質層用グリーン層(1)、燃料極層用グリーン層(1)が形成された燃料極支持基板グリーンシート(1)を、焼成後の1辺が60mmの正方形になるように打ち抜いた。打ち抜いた後、1300℃で2時間焼成して燃料極支持基板上に燃料極層、固体電解質層およびバリア層をこの順に有するハーフセル(1)を得た。
(Baking)
After the barrier layer green layer (1) is dried, the fuel electrode on which the barrier layer green layer (1), the solid electrolyte layer green layer (1), and the fuel electrode layer green layer (1) are formed. The support substrate green sheet (1) was punched out so that one side after firing would be a square of 60 mm. After punching, it was fired at 1300 ° C. for 2 hours to obtain a half cell (1) having a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer and a barrier layer in this order on a fuel electrode support substrate.
なお、後述する<結晶構造の評価>を行うに当たり、以下のハーフセル(ア)及び(イ)のサンプルも準備した。以下の実施例及び比較例においても同様である。
(ア)「SOFC用単セルの固体電解質層におけるジルコニア系酸化物の結晶構造」を調べるために、燃料極支持基板グリーンシートに(バリア層グリーン層を形成せず)、燃料極層用グリーン層および電解質層グリーン層の形成を行ったものを作製し、焼成することで、燃料極基板上に燃料極層、固体電解質層をこの順に有するハーフセル(ア)のサンプルを得た。
(イ)「SOFC用単セルの燃料極層におけるジルコニア系酸化物の結晶構造」を調べるために、燃料極支持基板グリーンシートに(バリア層グリーン層及び電解質層グリーン層を形成せず)、燃料極層用グリーン層の形成を行ったものを作製し、焼成することで、燃料極基板上に燃料極層を有するハーフセル(イ)のサンプルを得た。
The following samples of half cells (a) and (b) were also prepared for the <evaluation of crystal structure> described later. The same applies to the following examples and comparative examples.
(A) In order to investigate the "crystal structure of zirconia oxide in the solid electrolyte layer of a single cell for SOFC", the green layer for the fuel electrode layer was placed on the fuel electrode support substrate green sheet (without forming the barrier layer green layer). A sample of a half cell (a) having a fuel electrode layer and a solid electrolyte layer on the fuel electrode substrate in this order was obtained by preparing a product in which a green layer was formed and firing the mixture.
(B) In order to investigate the "crystal structure of zirconia oxide in the fuel electrode layer of a single cell for SOFC", the fuel was put on the fuel electrode support substrate green sheet (without forming the barrier layer green layer and the electrolyte layer green layer). A sample of a half cell (a) having a fuel electrode layer on a fuel electrode substrate was obtained by producing a product in which a green layer for an electrode layer was formed and firing it.
(空気極層用のLSCF粉末の調製)
空気極層の原料となる粉末材料として、LSCFの粉末(1)を以下のようにして調製した。すなわち、市販の純度99.9%のLa2O3、SrCO3、純度99%のCoO及びFe2O3の粉末を元素比がLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8となるように混合した。得られた混合物にエタノールを加えて、これをビーズミルで1時間粉砕混合した。次いで、得られた混合物を乾燥させてから、800℃で1時間仮焼した。仮焼後の混合物に対し、さらにエタノールを加えてビーズミルで1時間粉砕混合してから、乾燥させた。その後、1200℃で混合物を5時間加熱することにより粉末を得た。得られた粉末にエタノールを加え、さらにこれをボールミルで10時間粉砕混合してから乾燥させて、粉末を得た。なお、得られた粉末は、XRD(スペクトリス株式会社製:X PERT−MPD)によって、ペロブスカイトからなる単一相であることが確認された。さらにその後、遊星ボールミルを用い、回転数と回転時間を調製しながら粉砕することによって、平均粒子径(D50)が0.52μmである、LSCF粉末(1)を得た。なお、得られたLSCF粉末は後述の<粉末の組成の評価>により、目的の組成すなわち、元素比がLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8であることを確認した。
(Preparation of LSCF powder for air electrode layer)
As a powder material as a raw material for the air electrode layer, LSCF powder (1) was prepared as follows. That is, commercially available powders of La 2 O 3 and SrCO 3 having a purity of 99.9% and CoO and Fe 2 O 3 having a purity of 99% were mixed so that the element ratio was La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8. Ethanol was added to the obtained mixture, and this was pulverized and mixed in a bead mill for 1 hour. The resulting mixture was then dried and then calcined at 800 ° C. for 1 hour. Ethanol was further added to the mixture after calcining, and the mixture was pulverized and mixed with a bead mill for 1 hour, and then dried. The mixture was then heated at 1200 ° C. for 5 hours to give a powder. Ethanol was added to the obtained powder, which was further pulverized and mixed in a ball mill for 10 hours and then dried to obtain a powder. The obtained powder was confirmed by XRD (manufactured by Spectris Co., Ltd .: X PERT-MPD) to be a single phase composed of perovskite. After that, the LSCF powder (1) having an average particle size (D50) of 0.52 μm was obtained by pulverizing while adjusting the rotation speed and the rotation time using a planetary ball mill. It was confirmed that the obtained LSCF powder had a target composition, that is, an element ratio of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 by <evaluation of powder composition> described later.
(空気極層用ペースト(1)の調製)
上記の方法で調製されたLSCF粉末(1)100質量部に対して、バインダーとしてのエチルセルロースが3質量%、溶剤としてのα−テルピネオールが30質量%の割合となるように加え、これを乳鉢を用いて予備混合した。その後、3本ロールミル(EXAKT technologies社製、型式「M−80S」、ロール材質:アルミナ)を用いて混練し、空気極層用ペースト(1)を得た。
(Preparation of paste (1) for air electrode layer)
To 100 parts by mass of the LSCF powder (1) prepared by the above method, add 3% by mass of ethyl cellulose as a binder and 30% by mass of α-terpineol as a solvent, and add this to a mortar. Premixed using. Then, it was kneaded using a three-roll mill (manufactured by EXAKT technologies, model "M-80S", roll material: alumina) to obtain a paste (1) for an air electrode layer.
(空気極の形成)
上記バリア層を有する燃料極支持型ハーフセル(1)のバリア層の表面に、スクリーン印刷により、上記空気極層用ペースト(1)を1cm×1cmの正方形に塗布し、90℃で1時間乾燥させ、空気極層用グリーン層(1)を形成した。この空気極層用グリーン層(1)を1000℃で2時間焼成して空気極を形成し、実施例1に係るSOFC用単セル(1)を得た。
(Formation of air pole)
The paste for the air electrode layer (1) is applied to a square of 1 cm × 1 cm by screen printing on the surface of the barrier layer of the fuel electrode support type half cell (1) having the barrier layer, and dried at 90 ° C. for 1 hour. , A green layer (1) for the air electrode layer was formed. The green layer (1) for the air electrode layer was fired at 1000 ° C. for 2 hours to form an air electrode, and a single cell (1) for SOFC according to Example 1 was obtained.
<実施例2>
実施例1におけるジルコニア系酸化物粉末(1)の作製において、塩化イッテルビウム(III)水和物(和光純薬工業製)、塩化スカンジウム(III)六水和物(和光純薬工業製)及び塩化ジルコニウム(IV)(和光純薬工業製)を、焼成後に7モル%イッテルビア2モル%スカンジア安定化ジルコニア(7Yb2ScSZ:(Yb2O3)0.07(Sc2O3)0.02(ZrO2)0.91、すなわち、Zr100モルに対してYbが15モル、Scが4.4モル含まれるジルコニア系酸化物)になるように計量した以外は、実施例1と同様の方法でジルコニア系酸化物粉末(2)(7Yb2ScSZ粉末)を製造し、さらに実施例1と同様にして、実施例2のSOFC用単セル(2)を作製した。
<Example 2>
In the preparation of the zirconia-based oxide powder (1) in Example 1, itterbium chloride (III) hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), scandium chloride (III) hexahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and chloride. zirconium (IV) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), after firing the 7 mol% ytterbia 2 mol% scandia-stabilized zirconia (7Yb2ScSZ: (Yb 2 O 3 ) 0.07 (Sc 2 O 3) 0.02 (ZrO 2) 0.91, i.e. , Zirconia oxide powder (2) (2) in the same manner as in Example 1 except that the zirconia oxide containing 15 mol of Yb and 4.4 mol of Sc was measured with respect to 100 mol of Zr. 7Yb2ScSZ powder) was produced, and a single cell (2) for SOFC of Example 2 was produced in the same manner as in Example 1.
<実施例3>
実施例1におけるジルコニア系酸化物粉末(1)の作製において、塩化イッテルビウム(III)水和物(和光純薬工業製)、塩化スカンジウム(III)六水和物(和光純薬工業製)及び塩化ジルコニウム(IV)(和光純薬工業製)を、焼成後に11モル%イッテルビア0.5モル%スカンジア安定化ジルコニア(11Yb0.5ScSZ:(Yb2O3)0.11(Sc2O3)0.005(ZrO2)0.885、すなわち、Zr100モルに対して、Ybが25モル、Scが1.1モル含まれるジルコニア系酸化物)になるように計量した以外は、実施例1と同様の方法でジルコニア系酸化物粉末(3)(11Yb0.5ScSZ粉末)を製造し、さらに実施例1と同様にして、実施例3のSOFC用単セル(3)を作製した。
<Example 3>
In the preparation of the zirconia-based oxide powder (1) in Example 1, itterbium chloride (III) hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), scandium chloride (III) hexahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and chloride. After firing zirconium (IV) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 11 mol% ittervia 0.5 mol% scandia-stabilized zirconia (11Yb0.5ScSZ: (Yb 2 O 3 ) 0.11 (Sc 2 O 3 ) 0.005 (ZrO 2) ) 0.885 , that is, a zirconia oxide containing 25 mol of Yb and 1.1 mol of Sc with respect to 100 mol of Zr), except that the zirconia oxide was measured in the same manner as in Example 1. Powder (3) (11Yb0.5ScSZ powder) was produced, and further, in the same manner as in Example 1, a single cell (3) for SOFC of Example 3 was produced.
<実施例4>
実施例1におけるジルコニア系酸化物粉末(1)の作製において、塩化イッテルビウム(III)水和物(和光純薬工業製)、塩化イットリウム(III)無水物(和光純薬工業製)及び塩化ジルコニウム(IV)(和光純薬工業製)を、焼成後に8モル%イッテルビア1モル%イットリア安定化ジルコニア(8Yb1YSZ:(Yb2O3)0.08(Y2O3)0.01(ZrO2)0.91、すなわち、Zr100モルに対して、Ybが18モル、Yが2.2モル含まれるジルコニア系酸化物)になるように計量した以外は、実施例1と同様の方法でジルコニア系酸化物粉末(4)(8Yb1YSZ粉末)を製造し、さらに実施例1と同様にして、実施例4のSOFC用単セル(4)を作製した。
<Example 4>
In the preparation of the zirconia-based oxide powder (1) in Example 1, yttria-stabil chloride (III) hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), yttrium (III) chloride anhydride (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and zirconium chloride (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) IV) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) after firing 8 mol% ittervia 1 mol% yttria-stabilized zirconia (8Yb1YSZ: (Yb 2 O 3 ) 0.08 (Y 2 O 3 ) 0.01 (ZrO 2 ) 0.91 , that is, Zr100 Zirconia oxide powder (4) (8Yb1YSZ) in the same manner as in Example 1 except that the zirconia oxide containing 18 mol of Yb and 2.2 mol of Y was weighed with respect to the mol. Powder) was produced, and a single cell (4) for SOFC of Example 4 was produced in the same manner as in Example 1.
<実施例5>
実施例1におけるジルコニア系酸化物粉末(1)の作製において、塩化イッテルビウム(III)水和物(和光純薬工業製)、塩化セリウム(III)水和物(和光純薬工業製)及び塩化ジルコニウム(IV)(和光純薬工業製)を、焼成後に8モル%イッテルビア1モル%セリア安定化ジルコニア(8Yb1CeSZ:(Yb2O3)0.08(CeO2)0.01(ZrO2)0.91、すなわち、Zr100モルに対して、Ybが18モル、Ceが1.1モル含まれるジルコニア系酸化物)になるように計量した以外は、実施例1と同様の方法でジルコニア系酸化物粉末(5)(8Yb1CeSZ粉末)を製造し、さらに実施例1と同様にして、実施例5のSOFC用単セル(5)を作製した。
<Example 5>
In the preparation of the zirconia-based oxide powder (1) in Example 1, yttria-stabil chloride (III) hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), cerium (III) chloride hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and zirconium chloride. (IV) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) after firing 8 mol% yttria 1 mol% ceria-stabilized zirconia (8Yb1CeSZ: (Yb 2 O 3 ) 0.08 (CeO 2 ) 0.01 (ZrO 2 ) 0.91 , that is, Zr 100 mol Zirconia oxide powder (5) (8Yb1CeSZ powder) in the same manner as in Example 1 except that the zirconia oxide containing 18 mol of Yb and 1.1 mol of Ce) was weighed. ) Was manufactured, and further, in the same manner as in Example 1, a single cell (5) for SOFC of Example 5 was prepared.
<実施例6>
実施例1におけるジルコニア系酸化物粉末(1)の作製において、塩化イッテルビウム(III)水和物(和光純薬工業製)、塩化エルビウム(III)無水物(和光純薬工業製)及び塩化ジルコニウム(IV)(和光純薬工業製)を、焼成後に8モル%イッテルビア1モル%酸化エルビウム安定化ジルコニア(8Yb1ErSZ:(Yb2O3)0.08(Er2O3)0.01(ZrO2)0.91、すなわち、Zr100モルに対して、Ybが18モル、Erが2.2モル含まれるジルコニア系酸化物)になるように計量した以外は、実施例6と同様の方法でジルコニア系酸化物粉末(6)(8Yb1ErSZ粉末)を製造し、さらに実施例1と同様にして、実施例6のSOFC用単セル(6)を作製した。
<Example 6>
In the preparation of the zirconia-based oxide powder (1) in Example 1, itterbium chloride (III) hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), erbium (III) chloride anhydride (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and zirconium chloride (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). IV) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) after firing 8 mol% ittervia 1 mol% erbium oxide stabilized zirconia (8Yb1ErSZ: (Yb 2 O 3 ) 0.08 (Er 2 O 3 ) 0.01 (ZrO 2 ) 0.91 , that is, Zirconia oxide powder (6) (6) in the same manner as in Example 6 except that the zirconia oxide containing 18 mol of Yb and 2.2 mol of Er was measured with respect to 100 mol of Zr. 8Yb1ErSZ powder) was produced, and a single cell (6) for SOFC of Example 6 was produced in the same manner as in Example 1.
<実施例7>
実施例1におけるジルコニア系酸化物粉末(1)の作製において、塩化イッテルビウム(III)水和物(和光純薬工業製)、塩化ルテチウム(III)無水物(和光純薬工業製)及び塩化ジルコニウム(IV)(和光純薬工業製)を、焼成後に8モル%イッテルビア1モル%酸化ルテチウム安定化ジルコニア(8Yb1LuSZ:(Yb2O3)0.08(Lu2O3)0.01(ZrO2)0.91、すなわち、Zr100モルに対して、Ybが18モル、Luが2.2モル含まれるジルコニア系酸化物)になるように計量した以外は、実施例1と同様の方法でジルコニア系酸化物粉末(7)(8Yb1LuSZ粉末)を製造し、さらに実施例1と同様にして、実施例7のSOFC用単セル(7)を作製した。
<Example 7>
In the preparation of the zirconia-based oxide powder (1) in Example 1, itterbium chloride (III) hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), lutetium (III) chloride anhydride (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and zirconium chloride (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). IV) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) after firing 8 mol% ittervia 1 mol% lutetium oxide stabilized zirconia (8Yb1LuSZ: (Yb 2 O 3 ) 0.08 (Lu 2 O 3 ) 0.01 (ZrO 2 ) 0.91 , that is, Zirconia oxide powder (7) (7) in the same manner as in Example 1 except that the zirconia oxide containing 18 mol of Yb and 2.2 mol of Lu was measured with respect to 100 mol of Zr. 8Yb1LuSZ powder) was produced, and a single cell (7) for SOFC of Example 7 was further produced in the same manner as in Example 1.
<実施例8>
実施例1におけるジルコニア系酸化物粉末(1)の作製において、塩化イッテルビウム(III)水和物(和光純薬工業製)、塩化ツリウム(III)無水物(和光純薬工業製)及び塩化ジルコニウム(IV)(和光純薬工業製)を、焼成後に8モル%イッテルビア1モル%酸化ツリウム安定化ジルコニア(8Yb1TmSZ:(Yb2O3)0.08(Tm2O3)0.01(ZrO2)0.91、すなわち、Zr100モルに対して、Ybが18モル、Tmが2.2モル含まれるジルコニア系酸化物)になるように計量した以外は、実施例1と同様の方法でジルコニア系酸化物粉末(8)(8Yb1TmSZ粉末)を製造し、さらに実施例1と同様にして、実施例8のSOFC用単セル(8)を作製した。
<Example 8>
In the preparation of the zirconia-based oxide powder (1) in Example 1, itterbium chloride (III) hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), thulium (III) chloride anhydride (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and zirconium chloride (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) IV) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) after firing 8 mol% ittervia 1 mol% thulium oxide stabilized zirconia (8Yb1TmSZ: (Yb 2 O 3 ) 0.08 (Tm 2 O 3 ) 0.01 (ZrO 2 ) 0.91 , that is, Zirconia oxide powder (8) (8) in the same manner as in Example 1 except that the zirconia oxide containing 18 mol of Yb and 2.2 mol of Tm was measured with respect to 100 mol of Zr. 8Yb1TmSZ powder) was produced, and a single cell (8) for SOFC of Example 8 was further produced in the same manner as in Example 1.
<実施例9>
実施例1におけるジルコニア系酸化物粉末(1)の作製において、塩化イッテルビウム(III)水和物(和光純薬工業製)、塩化ネオジム(III)六水和物(和光純薬工業製)及び塩化ジルコニウム(IV)(和光純薬工業製)を、焼成後に8モル%イッテルビア1モル%酸化ネオジム安定化ジルコニア(8Yb1NdSZ:(Yb2O3)0.08(Nd2O3)0.01(ZrO2)0.91、すなわち、Zr100モルに対して、Ybが18モル、Ndが2.2モル含まれるジルコニア系酸化物)になるように計量した以外は、実施例1と同様の方法でジルコニア系酸化物粉末(9)(8Yb1NdSZ粉末)を製造し、さらに実施例1と同様にして、実施例9のSOFC用単セル(9)を作製した。
<Example 9>
In the preparation of the zirconia-based oxide powder (1) in Example 1, itterbium chloride (III) hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), neodymium chloride (III) hexahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and chloride. Zirconium (IV) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) is fired to 8 mol% ittervia 1 mol% neodymium oxide stabilized zirconia (8Yb1NdSZ: (Yb 2 O 3 ) 0.08 (Nd 2 O 3 ) 0.01 (ZrO 2 ) 0.91 , That is, the zirconia-based oxide powder (9) was measured in the same manner as in Example 1 except that the zirconia-based oxide containing 18 mol of Yb and 2.2 mol of Nd was measured with respect to 100 mol of Zr. ) (8Yb1NdSZ powder) was further produced, and a single cell (9) for SOFC of Example 9 was produced in the same manner as in Example 1.
<実施例10>
実施例1におけるジルコニア系酸化物粉末(1)の作製において、塩化イッテルビウム(III)水和物(和光純薬工業製)、塩化ホルミウム(III)無水物(和光純薬工業製)及び塩化ジルコニウム(IV)(和光純薬工業製)を、焼成後に8モル%イッテルビア1モル%酸化ホルミウム安定化ジルコニア(8Yb1HoSZ:(Yb2O3)0.08(Ho2O3)0.01(ZrO2)0.91、すなわち、Zr100モルに対して、Ybが18モル、Hoが2.2モル含まれるジルコニア系酸化物)になるように計量した以外は、実施例1と同様の方法でジルコニア系酸化物粉末(10)(8Yb1HoSZ粉末)を製造し、さらに実施例1と同様にして、実施例10のSOFC用単セル(10)を作製した。
<Example 10>
In the preparation of the zirconia-based oxide powder (1) in Example 1, itterbium chloride (III) hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), holmium (III) chloride anhydride (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and zirconium chloride (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). IV) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) after firing 8 mol% ittervia 1 mol% holmium oxide stabilized zirconia (8Yb1HoSZ: (Yb 2 O 3 ) 0.08 (Ho 2 O 3 ) 0.01 (ZrO 2 ) 0.91 , that is, Zirconia oxide powder (10) (10) in the same manner as in Example 1 except that the zirconia oxide containing 18 mol of Yb and 2.2 mol of Ho was measured with respect to 100 mol of Zr. 8Yb1HoSZ powder) was produced, and a single cell (10) for SOFC of Example 10 was further produced in the same manner as in Example 1.
<実施例11>
実施例1におけるジルコニア系酸化物粉末(1)の作製において、塩化イッテルビウム(III)水和物(和光純薬工業製)、塩化スカンジウム(III)六水和物(和光純薬工業製)及び塩化ジルコニウム(IV)(和光純薬工業製)を、焼成後に8モル%イッテルビア0.01モル%スカンジア安定化ジルコニア(8Yb0.01ScSZ:(Yb2O3)0.08(Sc2O3)0.0001(ZrO2)0.9199、すなわち、Zr100モルに対して、Ybが17モル、Scが0.022モル含まれるジルコニア系酸化物)になるように計量した以外は、実施例1と同様の方法でジルコニア系酸化物粉末(11)(8Yb0.01ScSZ粉末)を製造し、さらに実施例1と同様にして、実施例11のSOFC用単セル(11)を作製した。
<Example 11>
In the preparation of the zirconia-based oxide powder (1) in Example 1, itterbium chloride (III) hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), scandium chloride (III) hexahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and chloride. After firing zirconium (IV) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 8 mol% ittervia 0.01 mol% scandia-stabilized zirconia (8Yb 0.01ScSZ: (Yb 2 O 3 ) 0.08 (Sc 2 O 3 ) 0.0001 (ZrO 2) ) 0.9199 , that is, a zirconia oxide containing 17 mol of Yb and 0.022 mol of Sc with respect to 100 mol of Zr), except that the zirconia oxide was measured in the same manner as in Example 1. Powders (11) (8Yb0.01ScSZ powder) were produced, and further, in the same manner as in Example 1, a single cell (11) for SOFC of Example 11 was produced.
<実施例12>
実施例1におけるジルコニア系酸化物粉末(1)の作製において、塩化イッテルビウム(III)水和物(和光純薬工業製)、塩化ルテチウム(III)無水物(和光純薬工業製)及び塩化ジルコニウム(IV)(和光純薬工業製)を、焼成後に8モル%イッテルビア0.02モル%酸化ルテチウム安定化ジルコニア(8Yb0.02LuSZ:(Yb2O3)0.08(Lu2O3)0.0002(ZrO2)0.9198、すなわち、Zr100モルに対して、Ybが17モル、Luが0.043モル含まれるジルコニア系酸化物)になるように計量した以外は、実施例1と同様の方法でジルコニア系酸化物粉末(12)(8Yb0.02LuSZ粉末)を製造し、さらに実施例1と同様にして、実施例7のSOFC用単セル(12)を作製した。
<Example 12>
In the preparation of the zirconia-based oxide powder (1) in Example 1, itterbium chloride (III) hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), lutetium (III) chloride anhydride (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and zirconium chloride (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). IV) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) after firing 8 mol% ittervia 0.02 mol% lutetium oxide stabilized zirconia (8Yb0.02LuSZ: (Yb 2 O 3 ) 0.08 (Lu 2 O 3 ) 0.0002 (ZrO 2 ) The zirconia oxide powder was measured in the same manner as in Example 1 except that it was measured so as to be 0.9198, that is, a zirconia oxide containing 17 mol of Yb and 0.043 mol of Lu with respect to 100 mol of Zr. (12) (8Yb0.02LuSZ powder) was produced, and further, in the same manner as in Example 1, a single cell (12) for SOFC of Example 7 was produced.
<実施例13>
実施例1における燃料極層用グリーン層の形成において、燃料極層用ペーストとして、実施例11で作製した8Yb0.01ScSZ燃料極層用ペーストを使用した以外は、実施例1と同様の方法で製造して、実施例13のSOFC用単セル(13)を得た。
<Example 13>
In the formation of the green layer for the fuel electrode layer in Example 1, the paste was produced in the same manner as in Example 1 except that the 8Yb0.01ScSZ fuel electrode layer paste produced in Example 11 was used as the paste for the fuel electrode layer. Then, a single cell (13) for SOFC of Example 13 was obtained.
<実施例14>
実施例11における燃料極層用グリーン層の形成において、燃料極層用ペーストとして、実施例1で作製した8Yb1ScSZ燃料極層用ペーストを使用した以外は、実施例1と同様の方法で製造して、実施例14のSOFC用単セル(14)を得た。
<Example 14>
In the formation of the green layer for the fuel electrode layer in Example 11, the paste was produced in the same manner as in Example 1 except that the 8Yb1ScSZ fuel electrode layer paste produced in Example 1 was used as the paste for the fuel electrode layer. , A single cell (14) for SOFC of Example 14 was obtained.
<実施例15>
実施例1における燃料極層用グリーン層の形成において、燃料極層用ペーストとして、実施例4で作製した8Yb1YSZ燃料極層用ペーストを使用した以外は、実施例1と同様の方法で製造して、実施例15のSOFC用単セル(15)を得た。
<Example 15>
In the formation of the green layer for the fuel electrode layer in Example 1, the paste was produced in the same manner as in Example 1 except that the 8Yb1YSZ fuel electrode layer paste prepared in Example 4 was used as the paste for the fuel electrode layer. , A single cell (15) for SOFC of Example 15 was obtained.
<比較例1>
実施例1におけるジルコニア系酸化物粉末(1)の作製において、塩化イッテルビウム(III)水和物(和光純薬工業製)及び塩化ジルコニウム(IV)(和光純薬工業製)を、焼成後に7モル%イッテルビア安定化ジルコニア(7YbSZ:(Yb2O3)0.07(ZrO2)0.93、すなわち、Zr100モルに対して、Ybが15モル含まれるジルコニア系酸化物)になるように計量した以外は、実施例1と同様の方法でジルコニア系酸化物粉末(c1)(7YbSZ粉末)を製造し、さらに実施例1と同様にして、比較例1のSOFC用単セル(c1)を作製した。すなわち、比較例1のジルコニア系酸化物粉末(c1)は、イッテルビウム以外の希土類元素の酸化物を含んでいなかった。
<Comparative example 1>
In the preparation of the zirconia-based oxide powder (1) in Example 1, 7 mol of yttria-stabil chloride (III) hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and zirconium chloride (IV) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were fired. % Yttria-stabilized zirconia (7YbSZ: (Yb 2 O 3 ) 0.07 (ZrO 2 ) 0.93 , that is, zirconia oxide containing 15 mol of Yb for 100 mol of Zr) Zirconia oxide powder (c1) (7YbSZ powder) was produced in the same manner as in Example 1, and a single cell (c1) for SOFC of Comparative Example 1 was further produced in the same manner as in Example 1. That is, the zirconia-based oxide powder (c1) of Comparative Example 1 did not contain oxides of rare earth elements other than ytterbium.
<比較例2>
実施例1におけるジルコニア系酸化物粉末(1)の作製において、塩化イッテルビウム(III)水和物(和光純薬工業製)及び塩化ジルコニウム(IV)(和光純薬工業製)を、焼成後に11モル%イッテルビア安定化ジルコニア(11YbSZ:(Yb2O3)0.11(ZrO2)0.89、すなわち、Zr100モルに対して、Ybが25モル含まれるジルコニア系酸化物)になるように計量した以外は、実施例1と同様の方法でジルコニア系酸化物粉末(c2)(11YbSZ粉末)を製造し、さらに実施例1と同様にして、比較例2のSOFC用単セル(c2)を作製した。すなわち、比較例2のジルコニア系酸化物粉末(c2)は、イッテルビウム以外の希土類元素の酸化物を含んでいなかった。
<Comparative example 2>
In the preparation of the zirconia-based oxide powder (1) in Example 1, 11 mol of yttria-stabil chloride (III) hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and zirconium chloride (IV) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were added after firing. % Yttria-stabilized zirconia (11YbSZ: (Yb 2 O 3 ) 0.11 (ZrO 2 ) 0.89 , that is, zirconia oxide containing 25 mol of Yb for 100 mol of Zr) A zirconia-based oxide powder (c2) (11YbSZ powder) was produced in the same manner as in Example 1, and a single cell (c2) for SOFC of Comparative Example 2 was further produced in the same manner as in Example 1. That is, the zirconia-based oxide powder (c2) of Comparative Example 2 did not contain oxides of rare earth elements other than ytterbium.
<比較例3>
実施例1におけるジルコニア系酸化物粉末(1)の作製において、塩化イッテルビウム(III)水和物(和光純薬工業製)、塩化スカンジウム(III)六水和物(和光純薬工業製)及び塩化ジルコニウム(IV)(和光純薬工業製)を、焼成後に8モル%イッテルビア4モル%スカンジア安定化ジルコニア(8Yb4ScSZ:(Yb2O3)0.08(Sc2O3)0.04(ZrO2)0.88、すなわち、Zr100モルに対して、Ybが18モル、Scが9.1モル含まれるジルコニア系酸化物)になるように計量した以外は、実施例1と同様の方法でジルコニア系酸化物粉末(c3)(8Yb4ScSZ粉末)を製造し、さらに実施例1と同様にして、比較例3のSOFC用単セル(c3)を作製した。すなわち、比較例3のジルコニア系酸化物粉末(c3)は、イッテルビウム以外の希土類元素を、Zr100モルに対して8モルを超えて含んでいた。
<Comparative example 3>
In the preparation of the zirconia-based oxide powder (1) in Example 1, itterbium chloride (III) hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), scandium chloride (III) hexahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and chloride. After firing zirconium (IV) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 8 mol% ittervia 4 mol% scandia-stabilized zirconia (8Yb4ScSZ: (Yb 2 O 3 ) 0.08 (Sc 2 O 3 ) 0.04 (ZrO 2 ) 0.88 , that is, , Zrconia oxide powder (c3) in the same manner as in Example 1 except that the zirconia oxide containing 18 mol of Yb and 9.1 mol of Sc was measured with respect to 100 mol of Zr. (8Yb4ScSZ powder) was produced, and further, in the same manner as in Example 1, a single cell (c3) for SOFC of Comparative Example 3 was produced. That is, the zirconia-based oxide powder (c3) of Comparative Example 3 contained a rare earth element other than ytterbium in an amount of more than 8 mol with respect to 100 mol of Zr.
<比較例4>
実施例1におけるジルコニア系酸化物粉末(1)の作製において、塩化イッテルビウム(III)水和物(和光純薬工業製)、塩化スカンジウム(III)六水和物(和光純薬工業製)及び塩化ジルコニウム(IV)(和光純薬工業製)を、焼成後に7モル%イッテルビア5モル%スカンジア安定化ジルコニア(7Yb5ScSZ:(Yb2O3)0.07(Sc2O3)0.05(ZrO2)0.88、すなわち、Zr100モルに対して、Ybが16モル、Scが11モル含まれるジルコニア系酸化物)になるように計量した以外は、実施例1と同様の方法でジルコニア系酸化物粉末(c4)(7Yb5ScSZ粉末)を製造し、さらに実施例1と同様にして、比較例4のSOFC用単セル(c4)を作製した。すなわち、比較例4のジルコニア系酸化物粉末(c4)は、イッテルビウム以外の希土類元素を、Zr100モルに対して8モルを超えて含んでいた。
<Comparative example 4>
In the preparation of the zirconia-based oxide powder (1) in Example 1, itterbium chloride (III) hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), scandium chloride (III) hexahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and chloride. After firing zirconium (IV) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 7 mol% ittervia 5 mol% scandia-stabilized zirconia (7Yb5ScSZ: (Yb 2 O 3 ) 0.07 (Sc 2 O 3 ) 0.05 (ZrO 2 ) 0.88 , that is, , Zrconia oxide powder (c4) (7Yb5ScSZ) in the same manner as in Example 1 except that the zirconia oxide containing 16 mol of Yb and 11 mol of Sc was measured with respect to 100 mol of Zr. Powder) was produced, and a single cell (c4) for SOFC of Comparative Example 4 was produced in the same manner as in Example 1. That is, the zirconia-based oxide powder (c4) of Comparative Example 4 contained a rare earth element other than ytterbium in an amount of more than 8 mol with respect to 100 mol of Zr.
<比較例5>
実施例1におけるジルコニア系酸化物粉末(1)の作製において、塩化イッテルビウム(III)水和物(和光純薬工業製)、塩化スカンジウム(III)六水和物(和光純薬工業製)及び塩化ジルコニウム(IV)(和光純薬工業製)を、焼成後に10モル%イッテルビア2モル%スカンジア安定化ジルコニア(10Yb3ScSZ:(Yb2O3)0.10(Sc2O3)0.03(ZrO2)0.87、すなわち、Zr100モルに対して、Ybが23モル、Scが9.6モル含まれるジルコニア系酸化物)になるように計量した以外は、実施例1と同様の方法でジルコニア系酸化物粉末(c5)(10Yb3ScSZ粉末)を製造し、さらに実施例1と同様にして、比較例5のSOFC用単セル(c5)を作製した。すなわち、比較例5のジルコニア系酸化物粉末(c5)は、イッテルビウム以外の希土類元素を、Zr100モルに対して8モルを超えて含んでいた。
<Comparative example 5>
In the preparation of the zirconia-based oxide powder (1) in Example 1, itterbium chloride (III) hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), scandium chloride (III) hexahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and chloride. After firing zirconium (IV) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 10 mol% ittervia 2 mol% scandia-stabilized zirconia (10Yb3ScSZ: (Yb 2 O 3 ) 0.10 (Sc 2 O 3 ) 0.03 (ZrO 2 ) 0.87 , that is, , Zrconia oxide powder (c5) in the same manner as in Example 1 except that the zirconia oxide containing 23 mol of Yb and 9.6 mol of Sc was measured with respect to 100 mol of Zr. (10Yb3ScSZ powder) was produced, and further, in the same manner as in Example 1, a single cell (c5) for SOFC of Comparative Example 5 was produced. That is, the zirconia-based oxide powder (c5) of Comparative Example 5 contained a rare earth element other than ytterbium in an amount of more than 8 mol with respect to 100 mol of Zr.
<比較例6>
実施例1におけるジルコニア系酸化物粉末(1)の作製において、塩化イッテルビウム(III)水和物(和光純薬工業製)、塩化スカンジウム(III)六水和物(和光純薬工業製)及び塩化ジルコニウム(IV)(和光純薬工業製)を、焼成後に16モル%イッテルビア0.5モル%スカンジア安定化ジルコニア(16Yb0.5ScSZ:(Yb2O3)0.16(Sc2O3)0.005(ZrO2)0.835、すなわち、Zr100モルに対して、Ybが38モル、Scが1.2モル含まれるジルコニア系酸化物)になるように計量した以外は、実施例1と同様の方法でジルコニア系酸化物粉末(c6)(16Yb0.5ScSZ粉末)を製造し、さらに実施例1と同様にして、比較例6のSOFC用単セル(c6)を作製した。すなわち、比較例6のジルコニア系酸化物粉末(c6)は、イッテルビウムを、Zr100モルに対して30モルを超えて含んでいた。
<Comparative Example 6>
In the preparation of the zirconia-based oxide powder (1) in Example 1, itterbium chloride (III) hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), scandium chloride (III) hexahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and chloride. After firing zirconium (IV) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 16 mol% ittervia 0.5 mol% scandia-stabilized zirconia (16Yb0.5ScSZ: (Yb 2 O 3 ) 0.16 (Sc 2 O 3 ) 0.005 (ZrO 2) ) 0.835 , that is, a zirconia oxide containing 38 mol of Yb and 1.2 mol of Sc with respect to 100 mol of Zr), except that the zirconia oxide was measured in the same manner as in Example 1. Powder (c6) (16Yb0.5ScSZ powder) was produced, and further, in the same manner as in Example 1, a single cell (c6) for SOFC of Comparative Example 6 was produced. That is, the zirconia-based oxide powder (c6) of Comparative Example 6 contained ytterbium in an amount of more than 30 mol with respect to 100 mol of Zr.
<比較例7>
実施例1におけるジルコニア系酸化物粉末(1)作製において、塩化イッテルビウム(III)水和物(和光純薬工業製)、塩化スカンジウム(III)六水和物(和光純薬工業製)及び塩化ジルコニウム(IV)(和光純薬工業製)を、焼成後に5モル%イッテルビア1モル%スカンジア安定化ジルコニア(5Yb1ScSZ:(Yb2O3)0.05(Sc2O3)0.01(ZrO2)0.94、すなわち、Zr100モルに対して、Ybが11モル、Scが2.1モル)になるように計量した以外は、実施例1と同様の方法でジルコニア系酸化物粉末(c7)(5Yb1ScSZ粉末)を製造し、さらに実施例1と同様にして、比較例7のSOFC用単セル(c7)を作製した。
<Comparative Example 7>
In the preparation of the zirconia oxide powder (1) in Example 1, ytterbium (III) chloride hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), scandium (III) chloride hexahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and zirconium chloride. (IV) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) is subjected to 5 mol% ytterbium 1 mol% scandia-stabilized zirconia (5Yb1ScSZ: (Yb 2 O 3 ) 0.05 (Sc 2 O 3 ) 0.01 (ZrO 2 ) 0.94 , that is, Zirconia oxide powder (c7) (5Yb1ScSZ powder) was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of Yb was 11 mol and Sc was 2.1 mol with respect to 100 mol of Zr. Further, in the same manner as in Example 1, a single cell (c7) for SOFC of Comparative Example 7 was produced.
以下に、実施例及び比較例において実施した測定方法及び評価方法について説明する。 The measurement method and evaluation method carried out in Examples and Comparative Examples will be described below.
<粉末の平均粒子径の測定方法>
ピロリン酸ナトリウム(和光純薬製、商品名「ピロリン酸ナトリウム+水和物」)を0.2重量%になるように純水に溶解し、分散媒とした。この分散媒に粉末を分散させ、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置(堀場製作所製、型番LA−920)を用いて、粉末の平均粒子径を測定した。なお、ここで測定された平均粒子径とは、体積基準の累積粒度分布から求められるメジアン径、すなわち体積累積が50%に相当する粒子径(D50)のことである。
<Measuring method of average particle size of powder>
Sodium pyrophosphate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., trade name "sodium pyrophosphate + hydrate") was dissolved in pure water to a concentration of 0.2% by weight to prepare a dispersion medium. The powder was dispersed in this dispersion medium, and the average particle size of the powder was measured using a laser diffraction / scattering type particle size distribution measuring device (manufactured by HORIBA, Ltd., model number LA-920). The average particle size measured here is the median size obtained from the volume-based cumulative particle size distribution, that is, the particle size (D50) at which the volume accumulation corresponds to 50%.
<ペースト中の凝集物の最大粒子径の評価>
ペースト中の凝集物の最大粒子径は、JIS K5600−2−5.分散度に従い、グラインドメータを用いて測定した。具体的には、グラインドメータ(BYK社製)の溝にペーストを垂らし、スクレーバーを用いてしごき溝の中に厚さが連続して変化したペースト層を作る。この時、ペースト中の凝集物による顕著な斑点が現れ始めた箇所の層の厚さを読み取り、凝集物の最大粒子径とする。なお、この測定を3回行い、3回の平均値を求めてペースト中の凝集物の最大粒子径とした。
<Evaluation of maximum particle size of aggregates in paste>
The maximum particle size of the agglomerates in the paste is JIS K5600-2-5. It was measured using a grind meter according to the degree of dispersion. Specifically, a paste is dropped in a groove of a grind meter (manufactured by BYK), and a paste layer having a continuously changed thickness is formed in the ironing groove using a scraper. At this time, the thickness of the layer at the place where remarkable spots due to the agglomerates in the paste began to appear is read and used as the maximum particle size of the agglomerates. This measurement was performed three times, and the average value of the three times was calculated to obtain the maximum particle size of the agglomerates in the paste.
<粉末の組成の評価>
作製したジルコニア系酸化物粉末及びLSCF粉末は以下の方法で分析を行い、目的の組成物であることを確認した。
・0.5mol%より大きな元素については、XRF(BRUKER社製:S8 TIGER)を用いて、粉体をペレット状に圧縮成型したものについて、分析を行ない、組成を求めた。
・0.5mol%以下の元素についてはICP(Thermo scientific社製:iCAP−6000series)を用いて、測定を行った。具体的には、得られたジルコニア系酸化物粉末:250mgと、硫酸アンモニウム(和光純薬製):4g、硫酸(和光純薬:超微量分析用):5mlを白金るつぼに入れ、550℃に設定したホットプレートにて加熱して溶解し、得られた溶液を超純水で希釈し、その希釈液を分析して、組成を求めた。
<Evaluation of powder composition>
The produced zirconia-based oxide powder and LSCF powder were analyzed by the following methods, and it was confirmed that they were the desired composition.
-For elements larger than 0.5 mol%, XRF (manufactured by BRUKER: S8 TIGER) was used to compress and mold the powder into pellets, and the composition was determined.
-For elements of 0.5 mol% or less, measurement was carried out using ICP (Thermo Scientific: iCAP-6000 series). Specifically, 250 mg of the obtained zirconia oxide powder, 4 g of ammonium sulfate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and 5 ml of sulfuric acid (for ultrapure water analysis) were placed in a platinum crucible and set at 550 ° C. The solution was dissolved by heating on a hot plate, and the obtained solution was diluted with ultrapure water, and the diluted solution was analyzed to determine the composition.
<電池性能評価試験>
各実施例及び比較例のSOFC用単セルについて、以下の方法で電池性能を評価した。SOFC用単セルの燃料極に100mL/分の窒素を、空気極に100mL/分の空気を供給しつつ、100℃/時間の速度で測定温度(750℃)まで昇温した。昇温後、燃料極、空気極の出口側のガスについて、流量計で、流量を測定し、漏れが無いことを確認した。次いで、水温25℃のバブラーにより加湿した、水素6mL/分及び窒素194mL/分の混合ガス(水蒸気3vol%)を燃料極へ、400mL/分の空気を空気極へ供給した。10分以上経過後に起電力が発生し、漏れが無いことを再度確認した後、燃料極側のガスを、水温25℃のバブラーにより加湿した水素194mL/分に変更した。起電力が安定してから、10分以上経過後に、電流−電圧特性による電池性能評価試験を実施した。得られた電流−電圧特性から、0.4A/cm2における出力密度WH2O=3%を求めた。続けて燃料極側のガスを、水素/水蒸気が20/80vol%であって、かつ水素及び水蒸気の合計の流量が200mL/分になるようにバブラーの温度と水素流量とを調整して変更し、燃料極へ供給した。起電力が安定してから、10分以上経過後に、電流−電圧特性による電池性能評価試験を実施した。得られた電流−電圧特性から、0.4A/cm2における出力密度:WH2O=80%を求めた。上記により得られたWH2O=3%とWH2O=80%から、水蒸気濃度が3%から80%へ変化した際の出力低下率ΔWを以下の式により求めた。各実施例及び各比較例の電池性能評価試験の結果を表1及び表2に示す。
出力低下率:ΔW(%)=[{(WH2O=80%)−(WH2O=3%)}÷(WH2O=3%)]×100
<Battery performance evaluation test>
The battery performance of each SOFC single cell of each example and comparative example was evaluated by the following method. While supplying 100 mL / min of nitrogen to the fuel electrode of the single cell for SOFC and 100 mL / min of air to the air electrode, the temperature was raised to the measured temperature (750 ° C.) at a rate of 100 ° C./hour. After the temperature was raised, the flow rate of the gas on the outlet side of the fuel electrode and the air electrode was measured with a flow meter, and it was confirmed that there was no leakage. Next, a mixed gas of 6 mL / min of hydrogen and 194 mL / min of nitrogen (3 vol% of water vapor) humidified by a bubbler at a water temperature of 25 ° C. was supplied to the fuel electrode, and 400 mL / min of air was supplied to the air electrode. After reconfirming that electromotive force was generated after 10 minutes or more and there was no leakage, the gas on the fuel electrode side was changed to 194 mL / min of hydrogen humidified by a bubbler having a water temperature of 25 ° C. A battery performance evaluation test based on the current-voltage characteristics was carried out 10 minutes or more after the electromotive force became stable. From the obtained current-voltage characteristics, the output density WH2O = 3% at 0.4 A / cm 2 was determined. Subsequently, the gas on the fuel electrode side was changed by adjusting the bubbler temperature and the hydrogen flow rate so that the hydrogen / steam content was 20/80 vol% and the total flow rate of hydrogen and steam was 200 mL / min. , Supply to the fuel electrode. A battery performance evaluation test based on the current-voltage characteristics was carried out 10 minutes or more after the electromotive force became stable. From the obtained current-voltage characteristics, the output density at 0.4 A / cm 2 : WH2O = 80% was determined. From WH2O = 3% and WH2O = 80% obtained above, the output reduction rate ΔW when the water vapor concentration changed from 3% to 80% was calculated by the following formula. The results of the battery performance evaluation tests of each example and each comparative example are shown in Tables 1 and 2.
Output reduction rate: ΔW (%) = [{(W H2O = 80% )-(W H2O = 3% )} ÷ (W H2O = 3% )] × 100
<結晶構造の評価>
(1)ジルコニア系酸化物粉末の結晶構造
得られたジルコニア系酸化物粉末の、結晶構造については、XRD(スペクトリス株式会社製:X PERT−MPD)により、分析を行った。
(2)SOFC用単セルの固体電解質層におけるジルコニア系酸化物の結晶構造
SOFC用単セルの固体電解質層におけるジルコニア系酸化物の結晶構造については、ハーフセル(ア)を用い、電解質層について、XRD(スペクトリス株式会社製:X PERT−MPD)により、分析を行った。
(3)SOFC用単セルの燃料極層におけるジルコニア系酸化物の結晶構造
SOFC用単セルの燃料極におけるジルコニア系酸化物の結晶構造については、ハーフセル(イ)を用い、燃料極層について、XRD(スペクトリス株式会社製:X PERT−MPD)により、分析を行った。
なお、実施例1〜12については、(1)ジルコニア系酸化物粉末の結晶構造、(2)固体電解質層におけるジルコニア系酸化物の結晶構造、及び、(3)燃料極層におけるジルコニア系酸化物の結晶構造が全て同じであった。したがって、実施例1〜12について、表1には、これら(1)〜(3)の全ての結晶構造を「結晶相」の欄にまとめて示す。表2における比較例1〜7も同様である。また、実施例13〜15については、固体電解質層におけるジルコニア系酸化物の結晶構造と、その固体電解質層の作製に用いたジルコニア系酸化物粉末の結晶構造とは同じであり、さらに燃料極層におけるジルコニア系酸化物の結晶構造と、その燃料極層の作製に用いたジルコニア系酸化物粉末の結晶構造とは同じであった。したがって、実施例13〜15について、表1には、電解質層のジルコニア系酸化物及びその作製に用いられたジルコニア系酸化物粉末の結晶構造、並びに、燃料極層のジルコニア系酸化物及びその作製に用いられたジルコニア系酸化物粉末の結晶構造を、それぞれ「結晶相」の欄にまとめて示す。
<Evaluation of crystal structure>
(1) Crystal Structure of Zirconia Oxide Powder The crystal structure of the obtained zirconia oxide powder was analyzed by XRD (Spectris Co., Ltd .: X PERT-MPD).
(2) Crystal structure of zirconia oxide in solid electrolyte layer of single cell for SOFC Half cell (a) is used for the crystal structure of zirconia oxide in solid electrolyte layer of single cell for SOFC, and XRD is used for the electrolyte layer. The analysis was performed by (Spectris Co., Ltd .: X PERT-MPD).
(3) Crystal structure of zirconia oxide in the fuel electrode layer of the SOFC single cell For the crystal structure of the zirconia oxide in the fuel electrode of the SOFC single cell, half cell (a) is used, and for the fuel electrode layer, XRD The analysis was performed by (Spectris Co., Ltd .: X PERT-MPD).
Regarding Examples 1 to 12, (1) the crystal structure of the zirconia-based oxide powder, (2) the crystal structure of the zirconia-based oxide in the solid electrolyte layer, and (3) the zirconia-based oxide in the fuel electrode layer. The crystal structures of all of them were the same. Therefore, for Examples 1 to 12, Table 1 summarizes all the crystal structures of (1) to (3) in the column of "crystal phase". The same applies to Comparative Examples 1 to 7 in Table 2. Further, in Examples 13 to 15, the crystal structure of the zirconia-based oxide in the solid electrolyte layer and the crystal structure of the zirconia-based oxide powder used for producing the solid electrolyte layer are the same, and further, the fuel electrode layer. The crystal structure of the zirconia-based oxide in the above was the same as the crystal structure of the zirconia-based oxide powder used for producing the fuel electrode layer thereof. Therefore, for Examples 13 to 15, Table 1 shows the crystal structures of the zirconia-based oxide of the electrolyte layer and the zirconia-based oxide powder used for the preparation thereof, and the zirconia-based oxide of the fuel electrode layer and its preparation. The crystal structures of the zirconia-based oxide powders used in the above are summarized in the column of "Crystal phase".
本発明のイオン伝導性材料及びSOFC用単セルによれば、水蒸気や二酸化炭素が高い条件下の発電であっても、SOFCの高い電流電圧特性を実現できる。したがって、本発明は、SOFCの高出力化に寄与できるものである。 According to the ionic conductive material of the present invention and a single cell for SOFC, high current-voltage characteristics of SOFC can be realized even in power generation under conditions of high water vapor and carbon dioxide. Therefore, the present invention can contribute to increasing the output of SOFC.
1 SOFC用単セル
11 燃料極
12 空気極
13 固体電解質層
14 バリア層
111 燃料極支持基板
112 燃料極層
1 Single cell for
Claims (3)
前記ジルコニア系酸化物は、YbをZr100モルに対して6モル以上30モル以下の範囲内で含み、かつイッテルビウム以外の希土類元素をZr100モルに対して0.005モル以上2.2モル以下の範囲内で含んでおり、
前記ジルコニア系酸化物は、立方晶を主相とする結晶構造を有する、
イオン伝導性材料。 An ionic conductive material containing a zirconia oxide,
The zirconia oxide contains Yb in the range of 6 mol or more and 30 mol or less with respect to 100 mol of Zr, and contains rare earth elements other than ytterbium in the range of 0.005 mol or more and 2.2 mol or less with respect to 100 mol of Zr. Included in
The zirconia-based oxide has a crystal structure having a cubic crystal as a main phase.
Ion conductive material.
前記固体電解質層は、ジルコニア系酸化物を含んでおり、
前記ジルコニア系酸化物は、YbをZr100モルに対して6モル以上30モル以下の範囲内で含み、かつイッテルビウム以外の希土類元素をZr100モルに対して0.005モル以上2.2モル以下の範囲内で含んでおり、
前記ジルコニア系酸化物は、立方晶を主相とする結晶構造を有する、
固体酸化物形電気化学セル。 A solid oxide-type electrochemical cell comprising an air electrode (including an oxygen electrode), a fuel electrode (including a hydrogen electrode), and a solid electrolyte layer arranged between the air electrode and the fuel electrode. There,
The solid electrolyte layer contains a zirconia-based oxide and
The zirconia oxide contains Yb in the range of 6 mol or more and 30 mol or less with respect to 100 mol of Zr, and contains rare earth elements other than ytterbium in the range of 0.005 mol or more and 2.2 mol or less with respect to 100 mol of Zr. Included in
The zirconia-based oxide has a crystal structure having a cubic crystal as a main phase.
Solid oxide electrochemical cell.
前記燃料極は、ジルコニア系酸化物を含んでおり、
前記ジルコニア系酸化物は、YbをZr100モルに対して6モル以上30モル以の範囲内で含み、かつイッテルビウム以外の希土類元素をZr100モルに対して0.005モル以上8モル以下の範囲内で含んでおり、
前記ジルコニア系酸化物は、立方晶を主相とする結晶構造を有する、
固体酸化物形電気化学セル。 A solid oxide-type electrochemical cell comprising an air electrode (including an oxygen electrode), a fuel electrode (including a hydrogen electrode), and a solid electrolyte layer arranged between the air electrode and the fuel electrode. There,
The fuel electrode contains a zirconia-based oxide and
The zirconia oxide contains Yb in the range of 6 mol or more and 30 mol or more with respect to 100 mol of Zr, and contains rare earth elements other than ytterbium in the range of 0.005 mol or more and 8 mol or less with respect to 100 mol of Zr. Includes
The zirconia-based oxide has a crystal structure having a cubic crystal as a main phase.
Solid oxide electrochemical cell.
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