JP6228147B2

JP6228147B2 - Electrode materials for solid oxide fuel cells and their applications

Info

Publication number: JP6228147B2
Application number: JP2015029869A
Authority: JP
Inventors: 高橋　洋祐; 洋祐高橋
Original assignee: Noritake Co Ltd
Current assignee: Noritake Co Ltd
Priority date: 2015-02-18
Filing date: 2015-02-18
Publication date: 2017-11-08
Anticipated expiration: 2035-02-18
Also published as: JP2016152161A

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池の電極の構築に好適に用いることができる電極材料とその利用に関する。 The present invention relates to an electrode material that can be suitably used for the construction of an electrode of a solid oxide fuel cell and its use.

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell，以下、単に「ＳＯＦＣ」という場合がある。）は、種々のタイプの燃料電池の中でも、発電効率が高い、環境への負荷が低い、そして、多様な燃料の使用が可能であるなどの利点を有している。ＳＯＦＣの単セルは、本質的な構成として、酸素イオン伝導体からなる緻密な層状の固体電解質を基本とし、この固体電解質の一方の面に多孔質構造の空気極（カソード）が形成され、他方の面に多孔質構造の燃料極（アノード）が形成されている。ここで、空気極が形成された側の固体電解質の表面には、空気等に代表されるＯ_２（酸素）含有ガスが供給され、燃料極が形成された側の固体電解質の表面には、Ｈ_２（水素）に代表される可燃性燃料ガスが供給される。そして一般的な動作においては、空気中のＯ_２ガスがカソードで還元されてＯ^２−イオンとなり、固体電解質を通過して、アノードにおいてＨ_２ガス燃料を酸化するのに伴い、電気エネルギーを発生させている。 A solid oxide fuel cell (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell, hereinafter simply referred to as “SOFC”) has a high power generation efficiency and a low environmental load among various types of fuel cells. It has the advantage that various fuels can be used. An SOFC single cell is essentially composed of a dense layered solid electrolyte made of oxygen ion conductor, and a porous structure air electrode (cathode) is formed on one side of the solid electrolyte, A fuel electrode (anode) having a porous structure is formed on the surface. Here, an O ₂ (oxygen) -containing gas typified by air or the like is supplied to the surface of the solid electrolyte on the side where the air electrode is formed, and the surface of the solid electrolyte on the side where the fuel electrode is formed, A combustible fuel gas represented by H ₂ (hydrogen) is supplied. In general operation, O ₂ gas in the air is reduced at the cathode to become O ²⁻ ions, passes through the solid electrolyte, and generates electrical energy as the H ₂ gas fuel is oxidized at the anode. I am letting.

このようなＳＯＦＣにおいては、固体電解質を構成する材料として、典型的には、ジルコニア系酸化物やセリア等の酸素イオン導電性材料が使用されている。また、空気極材料としては、電子−酸素イオン混合導電性を示す希土類元素含有ペロブスカイト型酸化物が、燃料極材料としては、高い水素酸化活性を示すＮｉ含有材料が、広く一般的に使用されている。
ここで、空気極材料として古くから利用されている希土類元素含有ペロブスカイト型酸化物は、高温においてより良好な導電率・電極活性を示すことから、従来よりＳＯＦＣは８００℃〜１０００℃程度の高温で作動されていた。しかしながら、耐久性の向上、低コスト化の観点等から、近年ではより作動温度を低温化（例えば、６００℃〜８００℃程度）し、高効率に発電を行えるＳＯＦＣを実現することが望まれている。 In such SOFCs, oxygen ion conductive materials such as zirconia-based oxides and ceria are typically used as materials constituting the solid electrolyte. Moreover, rare earth element-containing perovskite oxides that exhibit electron-oxygen ion mixed conductivity are widely used as air electrode materials, and Ni 2 -containing materials that exhibit high hydrogen oxidation activity are widely used as fuel electrode materials. Yes.
Here, since the rare earth element-containing perovskite oxide, which has been used for a long time as an air electrode material, exhibits better conductivity and electrode activity at high temperatures, SOFC has conventionally been at a high temperature of about 800 ° C. to 1000 ° C. It was operating. However, from the viewpoint of improving durability and reducing costs, in recent years, it has been desired to lower the operating temperature (for example, about 600 ° C. to 800 ° C.) and realize an SOFC capable of generating power with high efficiency. Yes.

特開２００７−１１２６９６号公報JP 2007-112696 A

ここで、希土類元素含有ペロブスカイト型酸化物は、その結晶構造に由来して電子−酸素イオン導電性を示すことから、結晶性の高い材料を用いることで、より高効率な発電が可能となるといわれている。また、電子−酸素イオン混合導電体材料を用いて空気極を構成することで、電極／電解質／気相の接する三相界面だけでなく、電極（空気極）表面においても電極反応を進行させ得ることから、空気極を構成する材料はより比表面積の高い微細なものを用いるのが好ましいと考えられている。しかしながら、ペロブスカイト型酸化物は、溶融法や固相反応法で作製すると結晶性の高いものが得られやすいが、この結晶を粉砕することで１００ｎｍ程度以下の微細な粒径のものを得るのは困難であった。また、ペロブスカイト型酸化物を液相合成法で作製すると、微細な粒径のものを好適に得ることができるが、結晶性の高いものについては得られ難いという問題があった。また、微細な粒径のペロブスカイト型酸化物を高温焼成して結晶性を高めようとすると、粒子が著しく凝集して粗大化してしまうという問題があった。 Here, since the rare earth element-containing perovskite oxide exhibits electron-oxygen ion conductivity due to its crystal structure, it is said that more efficient power generation is possible by using a material with high crystallinity. ing. Further, by forming the air electrode using the electron-oxygen ion mixed conductor material, the electrode reaction can be advanced not only at the three-phase interface where the electrode / electrolyte / gas phase contacts but also at the electrode (air electrode) surface. For this reason, it is considered preferable to use a fine material having a higher specific surface area as the material constituting the air electrode. However, perovskite type oxides can easily be obtained with a high crystallinity when produced by a melting method or a solid phase reaction method, but it is possible to obtain a fine particle size of about 100 nm or less by grinding this crystal. It was difficult. Further, when a perovskite oxide is produced by a liquid phase synthesis method, a fine particle size can be suitably obtained, but a high crystallinity oxide is difficult to obtain. In addition, when the perovskite oxide having a fine particle size is fired at a high temperature to increase the crystallinity, there is a problem that the particles are remarkably aggregated and coarsened.

本発明は上記の従来の問題を解決すべく創出されたものであり、その目的は、例えば、ＳＯＦＣの空気極等を構成するのに好適に用いることができ、より発電性能に優れたＳＯＦＣを実現し得る電極材料を提供することである。また、本発明の他の目的は、この電極材料を用いてなるＳＯＦＣ用の構成部材と、さらにはこの構成部材を備えたＳＯＦＣとを提供することである。 The present invention was created to solve the above-described conventional problems, and the purpose thereof is, for example, an SOFC that can be suitably used to configure an SOFC air electrode and the like. It is to provide an electrode material that can be realized. Another object of the present invention is to provide a component for SOFC using this electrode material, and further a SOFC provided with this component.

上記の課題を解決するものとして、ここに開示される発明は、ＳＯＦＣを形成するのに用いられるＳＯＦＣ用の電極材料を提供する。この電極材料は、一般式：（Ｌｎ_１−ｘＡｅ_ｘ）ＢＯ_３−δ；で表されるペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物（以下、単に、「ペロブスカイト型酸化物」という場合がある。）を含んでいる。ここで、Ｌｎは少なくとも１種のランタノイド元素を示す。また、ＡｅはＳｒ，ＣａおよびＢａからなる群から選択される少なくとも１種の元素を示す。そしてＢは、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｃｕ，ＦｅおよびＴｉからなる群から選択される少なくとも１種の元素を含む。また、０≦ｘ≦０．９であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。そして、この酸化物は、カーボンナノチューブと、上記Ｌｎ源，Ａｅ源およびＢ源とを含む原料溶液を用いて、液相合成法により形成されることを特徴としている。 In order to solve the above problems, the invention disclosed herein provides an electrode material for SOFC that is used to form SOFC. This electrode material is sometimes referred to as an oxide having a perovskite crystal structure represented by the general formula: (Ln _1-x Ae _x ) BO _{3 -δ} ; (hereinafter simply referred to as “perovskite oxide”). ) Is included. Here, Ln represents at least one lanthanoid element. Ae represents at least one element selected from the group consisting of Sr, Ca, and Ba. B contains at least one element selected from the group consisting of Ni, Co, Mn, Cr, Cu, Fe and Ti. Further, 0 ≦ x ≦ 0.9, and δ is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition. The oxide is formed by a liquid phase synthesis method using a raw material solution containing carbon nanotubes and the Ln source, the Ae source, and the B source.

かかるペロブスカイト型酸化物は、詳細は定かではないものの、例えば、カーボンナノチューブの表面を核生成の場とし得る。そして、カーボンナノチューブの隙間を核成長の場として、作製される。このようにして得られるペロブスカイト型酸化物は、結晶性の高い微細な粉末であり得る。そして、ＳＯＦＣの作動温度範囲における、電子−酸素イオン伝導性が向上されている。これにより、平均粒子径が例えば５００ｎｍ以下と微細かつ均一であって、ＳＯＦＣの空気極を形成した場合の発電性能（例えば、出力密度）を好適に高め得る電極材料が提供される。 The details of such a perovskite oxide are not clear, but for example, the surface of a carbon nanotube can be used as a nucleation field. And it is produced by using the gap between the carbon nanotubes as a nucleus growth field. The perovskite oxide thus obtained can be a fine powder with high crystallinity. And the electron-oxygen ion conductivity in the operating temperature range of SOFC is improved. This provides an electrode material that has a fine and uniform average particle diameter of, for example, 500 nm or less, and can suitably improve power generation performance (for example, output density) when an SOFC air electrode is formed.

なお、特許文献１には、結晶格子中に貴金属元素を含むペロブスカイト型複合金属酸化物微粒子を担持した微粒子担持カーボン粒子や、この粒子を電極用触媒として用いた燃料電池用電極が開示されている。ここで、特許文献１における燃料電池とは、比較的低温雰囲気下（３００℃以下）で用いられる固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）であって、高温雰囲気での使用を前提とした固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）ではないことを明確に示している（００２０段落参照）。また、この特許文献１のペロブスカイト型複合金属酸化物微粒子担持カーボン粒子の機能は、かかる低温雰囲気下で用いられ、且つ、導電性をも必要とされる電極用触媒である。すなわち、引用文献１は、例えば、ＳＯＦＣの空気極環境である、高温での高酸素分圧条件における、ペロブスカイト型酸化物の特性（例えば、電子−酸素イオン導電性）については何ら検討していない。この点において、特許文献１の微粒子担持カーボン粒子は、ここに開示される技術と完全に区別される。 Patent Document 1 discloses fine particle-supporting carbon particles in which perovskite-type composite metal oxide fine particles containing a noble metal element in a crystal lattice are supported, and a fuel cell electrode using the particles as an electrode catalyst. . Here, the fuel cell in Patent Document 1 is a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) used in a relatively low temperature atmosphere (300 ° C. or less), and is a solid oxide premised on use in a high temperature atmosphere. It clearly shows that it is not a fuel cell (SOFC) (see paragraph 0020). The function of the perovskite-type composite metal oxide fine particle-supported carbon particles disclosed in Patent Document 1 is an electrode catalyst that is used in such a low-temperature atmosphere and also requires electrical conductivity. That is, for example, the cited document 1 does not consider any characteristics (for example, electron-oxygen ion conductivity) of the perovskite oxide in a high oxygen partial pressure condition at a high temperature, which is the SOFC air electrode environment. . In this respect, the particulate-supporting carbon particles of Patent Document 1 are completely distinguished from the technology disclosed herein.

ここに開示される電極材料の好ましい一態様においては、上記カーボンナノチューブは、平均直径が０．４ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることを特徴としている。これにより、ペロブスカイト型酸化物の一次粒子同士の凝集および結合等が適度に抑制され、結晶性が良好で、さらにＳＯＦＣを形成した場合に発電性能を好適に高め得る電極材料を得ることができる。 In a preferred embodiment of the electrode material disclosed herein, the carbon nanotube has a mean diameter of 0.4 nm or more and 50 nm or less. As a result, it is possible to obtain an electrode material in which the aggregation and bonding between the primary particles of the perovskite oxide are moderately suppressed, the crystallinity is good, and the power generation performance can be suitably improved when SOFC is formed.

ここに開示される電極材料の好ましい一態様においては、上記カーボンナノチューブは、上記原料溶液中に、１質量％以上９０質量％以下の割合で含まれることを特徴としている。これにより、液相合成法によってペロブスカイト型酸化物を作製するに際し、原料容器中にカーボンナノチューブを好適に分散させることができ、ＳＯＦＣ形成用材料としてより好適な電極材料が提供される。 In a preferred embodiment of the electrode material disclosed herein, the carbon nanotube is contained in the raw material solution at a ratio of 1% by mass to 90% by mass. Thereby, when producing a perovskite oxide by a liquid phase synthesis method, carbon nanotubes can be suitably dispersed in a raw material container, and an electrode material more suitable as a material for forming SOFC is provided.

ここに開示される電極材料の好ましい一態様においては、上記酸化物は、平均粒子径が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴としている。これにより、例えば、ＳＯＦＣの空気極を構成した場合に、三相界面および電極表面からなる反応場を増大させることができる。延いては、発電性能の高いＳＯＦＣを実現し得る電極材料が提供される。 In a preferred embodiment of the electrode material disclosed herein, the oxide has an average particle diameter of 1 nm to 100 nm. Thereby, for example, when an SOFC air electrode is configured, the reaction field composed of the three-phase interface and the electrode surface can be increased. As a result, an electrode material capable of realizing SOFC with high power generation performance is provided.

ここに開示される電極材料の好ましい一態様においては、上記結晶構造のＢサイトには、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｃｕ，ＦｅおよびＴｉからなる群から選択される２種以上の元素が含まれることを特徴としている。ペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物は、Ｂサイトに種々の組み合わせの元素を含むことができる。上記の元素を組み合わせることで、例えば低温でも大きな出力密度を有する高性能な電極材料を構成することができる。 In a preferred embodiment of the electrode material disclosed herein, the B site having the crystal structure includes two or more elements selected from the group consisting of Ni, Co, Mn, Cr, Cu, Fe, and Ti. It is characterized by that. An oxide having a perovskite crystal structure can contain various combinations of elements at the B site. By combining the above elements, for example, a high-performance electrode material having a large output density even at a low temperature can be configured.

ここに開示される電極材料の好ましい一態様においては、上記酸化物が分散媒に分散されていることを特徴としている。すなわち、ここに開示される電極材料は、ペロブスカイト型酸化物の粉末の形態であっても良いし、かかる粉末が分散媒に分散されたいわゆるペーストの形態に調製されたものであっても良い。これにより、例えばＳＯＦＣの空気極等を簡便に形成できる電極材料が提供される。 In a preferred embodiment of the electrode material disclosed herein, the oxide is dispersed in a dispersion medium. That is, the electrode material disclosed herein may be in the form of a perovskite-type oxide powder, or may be prepared in the form of a so-called paste in which such a powder is dispersed in a dispersion medium. Thereby, for example, an electrode material capable of easily forming an SOFC air electrode or the like is provided.

ここに開示される電極材料の好ましい一態様においては、ＳＯＦＣの空気極または空気極コンタクト層を形成するために用いられることを特徴としている。かかる電極材料で空気極を構成することにより、上記のとおり、ＳＯＦＣの発電性能の向上に寄与することができる。また、かかる電極材料で空気極コンタクト層を構成することで、空気極とセパレータとの接触抵抗を低減させることができ、ＳＯＦＣの集電効率の向上を図ることができる。 In a preferred embodiment of the electrode material disclosed herein, the electrode material is used to form an SOFC cathode or cathode contact layer. By constituting the air electrode with such an electrode material, it is possible to contribute to the improvement of the power generation performance of the SOFC as described above. In addition, by forming the air electrode contact layer with such an electrode material, the contact resistance between the air electrode and the separator can be reduced, and the SOFC current collection efficiency can be improved.

他の側面において、ここに開示される発明は、ＳＯＦＣの構成部材を提供する。この構成部材は、上記のいずれかの電極材料を用いて構成されていることを特徴としている。したがって、例えば、かかる構成部材がＳＯＦＣの空気極の場合、高い発電性能（出力密度等）を有するＳＯＦＣを実現することができる。また、かかる構成部材が空気極コンタクト層である場合、集電効率に優れたＳＯＦＣを実現することができる。したがって、ここに開示される技術によると、例えば、発電性能に優れ、集電効率が向上されたＳＯＦＣが実現される。 In another aspect, the invention disclosed herein provides a SOFC component. This constituent member is characterized by being configured using any one of the electrode materials described above. Therefore, for example, when such a constituent member is an SOFC air electrode, an SOFC having high power generation performance (power density or the like) can be realized. In addition, when the constituent member is an air electrode contact layer, an SOFC excellent in current collection efficiency can be realized. Therefore, according to the technology disclosed herein, for example, an SOFC with excellent power generation performance and improved current collection efficiency is realized.

アノード支持型のＳＯＦＣを備えたＳＯＦＣシステムの一形態を模式的に示す側面図である。It is a side view showing typically one form of SOFC system provided with anode support type SOFC. スタック状のＳＯＦＣを備えたＳＯＦＣシステムの一形態を模式的に示す分解斜視図である。It is an exploded perspective view showing typically one form of SOFC system provided with stack-like SOFC.

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、本発明を特徴付けないＳＯＦＣの他の構成材料やＳＯＦＣの構成、製造プロセス、ＳＯＦＣの作動方法等）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. It should be noted that matters other than those particularly mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention (for example, other constituent materials of SOFC that do not characterize the present invention, configurations of SOFC, manufacturing processes, SOFC Can be understood as a design matter of those skilled in the art based on the prior art in the field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.

ここに開示される電極材料は、本質的に、一般式：（Ｌｎ_１−ｘＡｅ_ｘ）ＢＯ_３−δ；で表されるペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物を含んでいる。
ここで、上記一般式中、ＬｎおよびＡｅは、ペロブスカイト型結晶構造のいわゆるＡサイトを占める元素である。そして、Ｌｎはランタノイド元素の少なくとも１種を示す。Ａｅは、ストロンチウム（Ｓｒ），カルシウム（Ｃａ）およびバリウム（Ｂａ）からなる群から選択される少なくとも１種の元素を示す。また、Ｂは、ペロブスカイト型結晶構造のいわゆるＢサイトを占める元素である。そしてＢは、上記のとおり、ニッケル（Ｎｉ），コバルト（Ｃｏ），マンガン（Ｍｎ），クロム（Ｃｒ），銅（Ｃｕ），鉄（Ｆｅ）およびチタン（Ｔｉ）からなる群から選択される少なくとも１種の元素を含む。 Electrode material disclosed herein is essentially the general _{formula: (Ln 1-x Ae x} ) BO 3-δ; includes an oxide having a perovskite type crystal structure represented by.
Here, in the above general formula, Ln and Ae are elements occupying a so-called A site of a perovskite crystal structure. Ln represents at least one lanthanoid element. Ae represents at least one element selected from the group consisting of strontium (Sr), calcium (Ca), and barium (Ba). B is an element occupying a so-called B site of a perovskite crystal structure. B is at least selected from the group consisting of nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), chromium (Cr), copper (Cu), iron (Fe), and titanium (Ti), as described above. Contains one element.

ここに開示されるペロブスカイト型酸化物のＡサイトは、例えば、Ｌｎの一部がＡｅにより置換された形態であると理解することができる。かかるＬｎとしては、原子番号５７のランタン（Ｌｎ）から原子番号７１のルテチウム（Ｌｕ）までの１５種の元素を好ましく考慮することができる。Ｌｎは、これら１５種類のランタノイド元素からいずれか１種が単独で含まれていても良いし、２種以上が組み合わされて含まれていても良い。かかるランタノイド元素としては、より具体的には、例えば、ランタン（Ｌａ），セリウム（Ｃｅ），プラセオジム（Ｐｒ），ネオジム（Ｎｄ），サマリウム（Ｓｍ）等の比較的イオン半径の大きな元素であることが好ましい。中でも、かかるランタノイド元素がＬａまたはＳｍ、なかでもＬａであると、より安定した結晶構造を構成し得るために好ましい。ランタノイド元素としてＬａと共にＬａ以外の元素を含む場合には、かかるＬａの割合が高いことが好ましい。なお、本明細書におけるイオン半径とは、ｓｈａｎｎｏｎのイオン半径を意味している。 It can be understood that the A site of the perovskite oxide disclosed here is, for example, a form in which a part of Ln is substituted with Ae. As such Ln, 15 elements from lanthanum (Ln) of atomic number 57 to lutetium (Lu) of atomic number 71 can be preferably considered. Ln may be contained alone from any one of these 15 types of lanthanoid elements, or may be contained in combination of two or more. More specifically, the lanthanoid element is an element having a relatively large ionic radius, such as lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), and the like. Is preferred. Among them, it is preferable that the lanthanoid element is La or Sm, especially La because a more stable crystal structure can be formed. When the lanthanoid element includes an element other than La together with La, the ratio of La is preferably high. In addition, the ionic radius in this specification means the ionic radius of Shannon.

Ａｅは、上記の通りランタノイド（Ｌｎ）と置換され得る元素であって、Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａであり得る。これらの元素はいずれか１種が単独で含まれていても良いし、２種以上が組み合わされて含まれていても良い。なかでも、Ａｅとしては、Ｓｒが含まれている形態が好ましい。Ａｅとして２種以上の元素が含まれる場合には、さらに、Ｓｒがより高い含有率で含まれているのが好適である。 Ae is an element that can be substituted for the lanthanoid (Ln) as described above, and can be Sr, Ca, Ba. Any one of these elements may be contained alone, or two or more of these elements may be contained in combination. Especially, as Ae, the form in which Sr is contained is preferable. When two or more elements are included as Ae, it is further preferable that Sr is included at a higher content.

なお、Ａｅの置換可能な割合を示すｘは、０以上０．９以下の値をとることができる。すなわち、Ａサイトはランタノイド元素のみにより占有されていても良い。しかしながら、例えば、Ｂサイトの元素との兼ね合いで、Ａｅを含むようにするのも好ましい。この場合、このペロブスカイト型酸化物は、高温においても良好な電気伝導性および電極活性を示し得る。ここで、ｘは、０以上０．８以下程度の範囲とするのが適当であり、好ましくは０以上０．７以下、例えば０．１以上０．５以下とすることができる。ＡサイトとＢサイトの元素の組み合わせ等にもよるために一概には言えないが、ｘの値が０．１以上０．３以下、例えば０．２５近傍（例えば、０．２５±０．０２）である場合に、Ａサイトがおよそ３：１〜４：１の割合で２種以上のイオン（ＬｎとＡｅ）により秩序化して占有されたＡサイト秩序型ペロブスカイト構造となるために好ましい形態であり得る。また、ＡｅがＳｒである場合においては、例えば、ｘが０．３以上０．５以下程度の範囲のものが好ましい形態であり得る。 Note that x indicating the replaceable ratio of Ae can take a value of 0 or more and 0.9 or less. That is, the A site may be occupied only by the lanthanoid element. However, for example, it is preferable to include Ae in consideration of the elements of the B site. In this case, the perovskite oxide can exhibit good electrical conductivity and electrode activity even at high temperatures. Here, x is suitably in the range of about 0 or more and 0.8 or less, preferably 0 or more and 0.7 or less, for example, 0.1 or more and 0.5 or less. The value of x is not less than 0.1 and not more than 0.3, for example, in the vicinity of 0.25 (for example, 0.25 ± 0.02) although it cannot be generally stated because it depends on the combination of elements at the A site and the B site. ), The A site is in a preferred form because it becomes an A site ordered perovskite structure that is ordered and occupied by two or more ions (Ln and Ae) in a ratio of about 3: 1 to 4: 1. possible. In the case where Ae is Sr, for example, x may be in a range of about 0.3 to 0.5.

Ｂは、上記の通りのペロブスカイト型酸化物のＢサイトを構成し、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｔｉを含み得る。なかでも、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｆｅのうちのいずれかが含まれているのが好ましい。これらの元素はいずれか１種が単独で含まれていても良いし、２種以上が組み合わされて含まれていても良い。ここに開示されるペロブスカイト型酸化物においては、これらのうちから２種または３種以上の元素が含まれることが好ましい。このような元素Ｂの組み合わせは特に制限されないが、例えば、ＣｏとＦｅ，ＣｏとＴｉ，ＮｉとＦｅ，ＮｉとＴｉ，ＣｏとＦｅとＴｉ等の組み合わせが好ましいものとして例示される。このように元素Ｂが２種以上含まれる場合、各元素の割合は特に制限されず、所望の特性に応じて適宜決定することができる。なお、ペロブスカイト型酸化物の元素Ｂとしては、本発明の目的から逸脱しない限りにおいて、これら具体的に列挙した以外の元素が含まれていても良い。このような元素としては、典型的には、上記で具体的に例示した以外の元素であって、元素周期律表の第３族から第１１族の間に存在する遷移金属元素が好適なものとして挙げられる。 B constitutes the B site of the perovskite oxide as described above, and may contain Ni, Co, Mn, Cr, Cu, Fe, and Ti. Among these, it is preferable that any one of Co, Mn, Ni, and Fe is contained. Any one of these elements may be contained alone, or two or more of these elements may be contained in combination. The perovskite oxide disclosed herein preferably contains two or more elements among these. Such a combination of element B is not particularly limited, but for example, a combination of Co and Fe, Co and Ti, Ni and Fe, Ni and Ti, Co, Fe and Ti, and the like is preferable. Thus, when 2 or more types of element B are contained, the ratio of each element is not restrict | limited in particular, It can determine suitably according to a desired characteristic. The element B of the perovskite oxide may contain elements other than those specifically listed without departing from the object of the present invention. Such an element is typically an element other than those specifically exemplified above, and a transition metal element existing between Group 3 and Group 11 of the Periodic Table of Elements is preferable. As mentioned.

そしてδは、以上のペロブスカイト型酸化物における電荷中性条件を満たすように定まる値である。即ち、このペロブスカイト型酸化物は、ペロブスカイト型結晶構造における酸素欠陥量を、δ値により示すものと理解できる。かかるδは、ペロブスカイト型結晶構造の一部を置換する原子の種類、置換割合の他、環境条件等により変動するため正確に表示することは困難である。このため、酸素原子数を決定する変数であるδは、典型的には１を超えない正の数（０≦δ＜１）を採用し、（３−δ）と表示している。ただし、本明細書では、便宜上「δ」を省略して「３」と記載する場合もあるが、かかる場合においても異なる化合物を表しているわけではない（例えば、下記の実施例の表１等）。即ち、上記一般式中の（３−δ）は、本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではない。 Δ is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition in the perovskite oxide described above. That is, it can be understood that this perovskite oxide shows the oxygen defect amount in the perovskite crystal structure by a δ value. Such δ varies depending on the type of atom substituting a part of the perovskite crystal structure, the substitution ratio, environmental conditions, and the like, and thus it is difficult to display accurately. For this reason, δ, which is a variable for determining the number of oxygen atoms, typically employs a positive number not exceeding 1 (0 ≦ δ <1) and is expressed as (3-δ). However, in this specification, “δ” may be omitted for convenience and described as “3”, but even in such a case, it does not represent a different compound (for example, Table 1 in the following Examples, etc.) ). That is, (3-δ) in the above general formula is not intended to limit the technical scope of the present invention.

ここに開示されるペロブスカイト型酸化物は、上記のとおり元素Ｂとして示される特定の元素を含むことから、これら遷移金属イオンのｄ電子が被局在化するために高い電気伝導性を示し得る。また、この元素Ｂは周辺環境によりイオンの価数が変化し、例えば、高温の還元雰囲気下では酸素の量が３より減じて空孔（酸素欠陥）が形成され得る。また、ＡサイトおよびＢサイトの金属のイオンの価数の和が意図的に＋６からわずかに減少されることによっても酸素欠陥が導入され得る。このように酸素欠陥が導入されたペロブスカイト型酸化物は、酸素欠陥を介して酸素イオンが速やかに動く酸素イオン導電体ともなり得る。すなわち、ここに開示される電極材料は、例えば、ＳＯＦＣの電極材料として有用なペロブスカイト型酸化物イオン電子混合伝導材料を構成し得る。 Since the perovskite oxide disclosed here includes a specific element shown as the element B as described above, the d electrons of these transition metal ions are localized, and thus can exhibit high electrical conductivity. Further, the valence of ions of this element B varies depending on the surrounding environment. For example, in a high-temperature reducing atmosphere, the amount of oxygen can be reduced from 3 to form vacancies (oxygen defects). An oxygen defect can also be introduced by intentionally reducing the sum of the valences of the metal ions at the A site and the B site slightly from +6. The perovskite oxide in which oxygen defects are introduced in this way can also be an oxygen ion conductor in which oxygen ions move quickly through oxygen defects. That is, the electrode material disclosed here can constitute, for example, a perovskite oxide oxide ion mixed conductive material useful as an electrode material for SOFC.

そしてここに開示されるペロブスカイト型酸化物は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）と、上記Ｌｎ元素を含むＬｎ源，Ａｅ元素を含むＡｅ源およびＢ元素を含むＢ源を含む原料溶液を用いて、液相合成法により形成されることにより特徴づけられる。液相合成法とは、湿式法等とも呼ばれ、当該ペロブスカイト型酸化物の構成成分を化学量論比で全て含む原料溶液を用意し、かかる原料溶液から目的の組成のペロブスカイト型酸化物を合成する方法である。代表的には、共沈法や噴霧法、ゾルゲル法等が挙げられる。 The perovskite oxide disclosed herein is a liquid phase using a carbon nanotube (CNT), a raw material solution containing an Ln source containing the Ln element, an Ae source containing the Ae element, and a B source containing the B element. It is characterized by being formed by a synthetic method. The liquid phase synthesis method is also called a wet method, and prepares a raw material solution containing all the constituents of the perovskite oxide in a stoichiometric ratio, and synthesizes the perovskite oxide of the desired composition from the raw material solution. It is a method to do. Typically, a coprecipitation method, a spray method, a sol-gel method, and the like can be given.

ここに開示される液相合成法について、例えば共沈法を例にして以下に説明する。すなわち、まず、目的のペロブスカイト型酸化物を調製するために、常法に従って、上記のＬｎ、ＡｅおよびＢの各元素を化学量論比で含む原料溶液を用意する。原料溶液を調製するために用いるＬｎ、ＡｅおよびＢの元素を含む化合物（上記のＬｎ源、Ａｅ源、Ｂ源）は、特に限定されるものではないが、Ｌｎ、ＡｅおよびＢの各元素の酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩、蟻酸塩、蓚酸塩等を用いることができる。 The liquid phase synthesis method disclosed herein will be described below, taking the coprecipitation method as an example. That is, first, in order to prepare the target perovskite oxide, a raw material solution containing the above-described elements of Ln, Ae and B in a stoichiometric ratio is prepared according to a conventional method. The compounds containing the elements of Ln, Ae, and B used for preparing the raw material solution (the above-mentioned Ln source, Ae source, B source) are not particularly limited, but each of the elements of Ln, Ae, and B Oxides, hydroxides, carbonates, nitrates, acetates, formates, oxalates, and the like can be used.

次いで、この原料溶液に対し、ＣＮＴを添加する。ＣＮＴとしては、その製法等に依らず、各種の単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）や多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）を特に制限なく使用することができる。例えば、ＣＮＴ製造時の触媒等の不純物の少ないＣＮＴ（例えば、純度９０質量％以上）であるのがより好ましい。ＣＮＴの形態は特に制限されないが、例えば、平均直径（平均チューブ径）が０．４ｎｍ以上５０ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、例えば２ｎｍ以上２０ｎｍ以下程度のものを好ましく使用することができる。また、ＣＮＴの長さについては、原料溶液中で好適な分散状態が実現できれば特に制限はなく、例えば、１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下、例えば５０ｎｍ以上３０μｍ以下程度のものを好ましく使用することができる。
なお、これらカーボンナノチューブの寸法は、電子顕微鏡観察に基づき１００個以上のＣＮＴについて求められた直径および長さの算術平均値であり得る。 Next, CNT is added to this raw material solution. As the CNTs, various single-walled carbon nanotubes (SWNT) and multi-walled carbon nanotubes (MWNT) can be used without particular limitation, regardless of the production method. For example, it is more preferable that it is CNT with few impurities, such as a catalyst at the time of CNT manufacture (for example, purity 90 mass% or more). Although the form of CNT is not particularly limited, for example, an average diameter (average tube diameter) of 0.4 nm to 50 nm, preferably 1 nm to 50 nm, for example, about 2 nm to 20 nm can be preferably used. Further, the length of the CNT is not particularly limited as long as a suitable dispersed state can be realized in the raw material solution. For example, a length of about 100 μm or less, preferably 50 μm or less, for example, about 50 nm to 30 μm can be preferably used. .
In addition, the dimension of these carbon nanotubes may be the arithmetic average value of the diameter and length calculated | required about 100 or more CNT based on the electron microscope observation.

ＣＮＴは原料溶液中に極少量でも添加することで、形成されるペロブスカイト型酸化物の性状を整え得るため、その添加量は特に制限されない。例えば、ＣＮＴの添加量は１質量％以上とすることができ、好ましくは５質量％以上、例えば１０質量％以上とすることができる。しかしながら、ＣＮＴの添加量が増大することは即ち原料溶液の量が相対的に減少することを意味し、多すぎる添加量はペロブスカイト型酸化物の生産性を損ね得るために好ましくない。かかる観点から、ＣＮＴの添加量は９９質量％以下とすることができ、好ましくは９５質量％以下、例えば７５質量％以下、好ましくは５０質量％以下とすることができる。 The addition amount of CNT is not particularly limited because the properties of the perovskite oxide formed can be adjusted by adding even a very small amount to the raw material solution. For example, the amount of CNT added can be 1% by mass or more, preferably 5% by mass or more, for example, 10% by mass or more. However, an increase in the amount of CNT added means that the amount of the raw material solution is relatively decreased, and an excessive amount added is not preferable because the productivity of the perovskite oxide can be impaired. From this point of view, the amount of CNT added can be 99% by mass or less, preferably 95% by mass or less, for example, 75% by mass or less, preferably 50% by mass or less.

ＣＮＴは、原料溶液中にほぼ均一に分散させることが好ましい。ＣＮＴの分散には、各種の撹拌装置、分散装置を使用することができる。また、原料溶液には、ＣＮＴを分散させる作用を有する分散剤を添加するようにしても良い。必ずしも必要ではないが、ＣＮＴを分散させる際に、原料溶液を６０℃〜８０℃程度に加熱するようにしてもよい。このように加熱することで、ＣＮＴの分散性を向上させることができる。 CNTs are preferably dispersed almost uniformly in the raw material solution. Various agitation devices and dispersion devices can be used for the dispersion of CNTs. Moreover, you may make it add the dispersing agent which has the effect | action which disperse | distributes CNT to a raw material solution. Although not necessarily required, when the CNTs are dispersed, the raw material solution may be heated to about 60 ° C to 80 ° C. By heating in this way, the dispersibility of CNTs can be improved.

このように、原料溶液がＣＮＴの表面と良好に接触した状態で、原料溶液から、目的のペロブスカイト型酸化物の構成金属元素を化学量論比で含む前駆体（典型的には、水酸化物）を析出（この場合は共沈）させる。共沈に際しては、例えば原料溶液にアルカリ等の沈殿剤を添加し、溶液中の金属イオン濃度を過飽和の状態に調製すればよい。これにより、複数種類のペロブスカイト型酸化物の構成金属元素が上記の前駆体として同時に析出し、沈殿する。典型的には、原料溶液のｐＨを調整することで、前駆体を共沈させることができる。このとき、詳細な機構は明らかではないが、原料溶液に含まれる金属イオンが、ＣＮＴのチューブ壁を構成する炭素六員環の規則性表面あるいは欠陥構造等に分散性よく吸着されて、結晶核を生成する。そして、規則的な炭素六員環表面上で結晶核を成長させてゆくものと考えられる。このとき、例えば、複数のＣＮＴにより形成された空間を核成長の場となり得る。したがって、各々の前駆体粒子は、互いに干渉したり、凝集することなく、分散状態を保って核成長し得る。これにより、結晶性が均質なペロブスカイト型酸化物が作成されると考えられる。 In this way, a precursor (typically a hydroxide) containing a constituent metal element of the target perovskite oxide in a stoichiometric ratio from the raw material solution in a state where the raw material solution is in good contact with the surface of the CNT. ) Is precipitated (in this case, co-precipitated). For coprecipitation, for example, a precipitating agent such as an alkali may be added to the raw material solution to adjust the metal ion concentration in the solution to a supersaturated state. Thereby, the constituent metal elements of a plurality of types of perovskite oxides are simultaneously deposited and precipitated as the precursor. Typically, the precursor can be coprecipitated by adjusting the pH of the raw material solution. At this time, although the detailed mechanism is not clear, the metal ions contained in the raw material solution are adsorbed with good dispersibility on the regular surface or defect structure of the carbon six-membered ring constituting the tube wall of the CNT, and the crystal nucleus Is generated. It is thought that crystal nuclei grow on the regular carbon six-membered ring surface. At this time, for example, a space formed by a plurality of CNTs can be a place for nuclear growth. Therefore, each precursor particle can nucleate in a dispersed state without interfering with each other or agglomerating. Thereby, it is considered that a perovskite oxide having uniform crystallinity is produced.

この前駆体は、濾過や遠心分離、乾燥などの操作により溶媒を除去することでＣＮＴと共に回収することができる。そして、この前駆体を十分に洗浄した後、乾燥させ、６００℃〜１０００℃程度（例えば、７００℃〜９００℃程度）の温度で、およそ１時間〜１０時間程度仮焼する。これにより、前駆体と共に回収されたＣＮＴが消失し、前駆体が酸化物へと酸化されて、目的のペロブスカイト型酸化物を得ることができる。
なお、上記の共沈法以外にも、例えば、原料溶液を乾燥させるなどして分散媒を除去することによっても、上記の前駆体を析出させることができる。また、噴霧法は、上記と同様のＣＮＴが添加された原料溶液を、アトマイザー等を利用して噴霧し、液滴化した状態で、かかる液滴を乾燥、仮焼する方法である。かかる噴霧法を採用することでも、目的のペロブスカイト型酸化物を得ることができる。これにより、ＳＯＦＣ構成材料として好適な結晶構造を有するペロブスカイト型酸化物を含む電極材料が提供される。 This precursor can be recovered together with the CNTs by removing the solvent by operations such as filtration, centrifugation, and drying. The precursor is thoroughly washed, dried, and calcined at a temperature of about 600 ° C. to 1000 ° C. (for example, about 700 ° C. to 900 ° C.) for about 1 hour to 10 hours. As a result, the CNT recovered together with the precursor disappears, and the precursor is oxidized into an oxide, whereby the target perovskite oxide can be obtained.
In addition to the coprecipitation method described above, the precursor can also be precipitated by, for example, drying the raw material solution and removing the dispersion medium. The spraying method is a method in which a raw material solution to which CNTs similar to those described above are added is sprayed using an atomizer or the like to form droplets, and the droplets are dried and calcined. By adopting such a spraying method, the target perovskite oxide can be obtained. This provides an electrode material containing a perovskite oxide having a crystal structure suitable as a SOFC constituent material.

この様にして得られるペロブスカイト型酸化物は、粉末の形態であるが、一部の粉末が軽く焼結している場合があり得る。したがって、必要に応じて、得られたペロブスカイト型酸化物を粉砕（解砕であり得る）および／または分級処理してもよい。かかる粉砕処理では、従来用いられる装置のうち１種または２種以上を特に限定なく用いることができる。例えば、ジェットミル、プラネタリーミル等の非媒体型分散機や、ボールミル等の媒体型分散機を用いることができる。また、粉砕処理の条件（例えば、粉砕速度や粉砕時間等）は、所望の粒径が得られるよう、適宜を調節するとよい。 The perovskite oxide thus obtained is in the form of a powder, but some powder may be slightly sintered. Therefore, the obtained perovskite oxide may be pulverized (can be pulverized) and / or classified as necessary. In the pulverization treatment, one or more kinds of conventionally used apparatuses can be used without any particular limitation. For example, a non-media type dispersing machine such as a jet mill or a planetary mill, or a medium type dispersing machine such as a ball mill can be used. The conditions for the pulverization treatment (for example, the pulverization speed and the pulverization time) may be appropriately adjusted so that a desired particle size can be obtained.

このペロブスカイト型酸化物の外形については特に限定されない。典型的には、粉末形態のものが扱いやすいことから好ましく用いられる。かかる粉末の形態は、代表的には、略球状であるが、いわゆる真球状のものに限られない。球状以外には、例えば、フレーク形状や破砕形状、造粒形状、不規則形状のものであっても良い。なお、ここに開示されるペロブスカイト型酸化物は、１次元ナノ構造物であるＣＮＴの存在下、ＣＮＴの結晶構造を鋳型として核形成すると考えられ、ペロブスカイト型酸化物自体の結晶構造も整えられたものとなり得る。例えば、一般的な固相法で作製されたものよりも十分に微細となり得る。そしてこの粒子は、一次粒子であっても良いが、二次粒子の形態であってもよい。このようなペロブスカイト型酸の平均粒子径は、１００ｎｍ以下であるものが適当であり、好ましくは８０ｎｍ以下であり、より好ましくは５０ｎｍ以下であり得る。平均粒子径の下限については特に制限されないが、例えば、１ｎｍ以上であるのが好ましく、例えば５ｎｍ以上、より好ましくは１０ｎｍ以上であり得る。なお、ここでいう平均粒子径とは、電子顕微鏡観察に基づき１００個以上のペロブスカイト型酸化物粒子について測定される円相当径の算術平均値である。 The outer shape of the perovskite oxide is not particularly limited. Typically, a powder form is preferably used because it is easy to handle. The form of the powder is typically substantially spherical, but is not limited to a so-called true spherical shape. Other than the spherical shape, for example, a flake shape, a crushed shape, a granulated shape, or an irregular shape may be used. The perovskite oxide disclosed herein is considered to nucleate using the CNT crystal structure as a template in the presence of CNT, which is a one-dimensional nanostructure, and the crystal structure of the perovskite oxide itself has been arranged. Can be a thing. For example, it can be sufficiently finer than that produced by a general solid phase method. The particles may be primary particles, but may be in the form of secondary particles. The average particle size of such a perovskite acid is suitably 100 nm or less, preferably 80 nm or less, more preferably 50 nm or less. The lower limit of the average particle diameter is not particularly limited, but is preferably 1 nm or more, for example, 5 nm or more, more preferably 10 nm or more. Here, the average particle diameter is an arithmetic average value of equivalent circle diameters measured for 100 or more perovskite oxide particles based on observation with an electron microscope.

一般的にペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物は、組成に関する自由度が比較的高く、例えばＡサイトおよびＢサイトの元素として様々な元素を考慮することができる。また、ペロブスカイト型酸化物は、理想的には立方晶系の単位格子を有するものであるが、一般的に、Ａサイト元素との相互関係によってＢＯ_６八面体の向きが傾くことにより、単位格子がより対称性の低い斜方晶や正方晶へと歪んだものとなり得る。そして、ここに開示されるペロブスカイト型酸化物は、さらに、上記のとおりの組成を有し、また、液相合成法によりＣＮＴの存在下で作製されている。したがって、例えば、ＳＯＦＣの空気極を形成するに適した程度に電子伝導性および酸素イオン伝導性が向上され、その反応抵抗を低く抑えることが可能となり得る。 In general, an oxide having a perovskite crystal structure has a relatively high degree of freedom regarding the composition. For example, various elements can be considered as elements of the A site and the B site. The perovskite type oxide ideally has a cubic unit cell, but generally, the unit cell is formed by tilting the direction of the BO ₆ octahedron due to the correlation with the A site element. May be distorted into orthorhombic or tetragonal crystals with lower symmetry. The perovskite oxide disclosed here has the composition as described above, and is produced in the presence of CNTs by a liquid phase synthesis method. Therefore, for example, the electron conductivity and the oxygen ion conductivity can be improved to an extent suitable for forming an SOFC air electrode, and the reaction resistance can be kept low.

なお、特に制限されるものではないが、このようなペロブスカイト型酸化物の好ましい一態様として、例えば、具体的には、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３，Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘ（Ｃｏ_１−ｙＦｅ_ｙ）Ｏ_３，Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘ（Ｃｏ_１−ｙＮｉ_ｙ）Ｏ_３，Ｓｍ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３，Ｓｍ_１−ｘＳｒ_ｘ（Ｃｏ_１−ｙＮｉ_ｙ）Ｏ_３，Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３，Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘ（Ｃｏ_{１−ｙ−ｚ}Ｆｅ_ｙＭｎ_ｚ）Ｏ_３，Ｌａ（Ｎｉ_１−ｙＦｅ_ｙ）Ｏ_３等として示される組成のものが挙げられる。なお、式中のｘ，ｙは、０≦ｘ≦０．９，０≦ｙ，ｚ≦１を満たす。 Although not particularly limited, as a preferable embodiment of such a perovskite oxide, specifically, for example, La _1-x Sr _x CoO ₃ , La _1-x Sr _x (Co _{1- 1 y} Fe _y ) O ₃ , La _1-x Sr _x (Co _1-y Ni _y ) O ₃ , Sm _1-x Sr _x CoO ₃ , Sm _1-x Sr _x (Co _1-y Ni _y ) O ₃ , _Examples include La _1-x Sr _x MnO ₃ , La _1-x Sr _x (Co _1-yz Fe _y Mn _z ) O ₃ , La (Ni _1-y Fe _y ) O _{3, and the} like. It is done. Note that x and y in the formula satisfy 0 ≦ x ≦ 0.9, 0 ≦ y, and z ≦ 1.

以上の電極材料は、ペロブスカイト型酸化物の組成および結晶構造が制御されている。したがって、例えば、６００℃〜９００℃程度の高温域において比較的高い電気伝導性を示し、なおかつ、高温の還元雰囲気下で高い酸素イオン伝導性を示し得る。また、かかる電極材料は、ペロブスカイト型酸化物の平均粒子径が微細なものであり得る。したがって、ＳＯＦＣの空気極を形成するために用いることで、電極（空気極）／電解質／気相（酸素含有ガス）が接する三相界面だけでなく、電極（空気極）自体の表面においても電極反応が進行し得るため、反応場が増大されるために好ましい。したがって、このような電極材料を用いて構築されるＳＯＦＣは、電極反応抵抗が低減されて、発電性能が向上され得る。すなわち、ここに開示される電極材料は、ＳＯＦＣの高性能および高品質な空気極を実現し得る材料であり得る。 In the above electrode materials, the composition and crystal structure of the perovskite oxide are controlled. Therefore, for example, relatively high electrical conductivity can be exhibited in a high temperature range of about 600 ° C. to 900 ° C., and high oxygen ion conductivity can be exhibited in a high temperature reducing atmosphere. In addition, such an electrode material may be one in which the average particle size of the perovskite oxide is fine. Therefore, the electrode is used not only on the three-phase interface where the electrode (air electrode) / electrolyte / gas phase (oxygen-containing gas) contact but also on the surface of the electrode (air electrode) itself by using it to form the SOFC air electrode. Since the reaction can proceed, it is preferable because the reaction field is increased. Therefore, the SOFC constructed using such an electrode material can reduce the electrode reaction resistance and improve the power generation performance. That is, the electrode material disclosed herein can be a material that can realize the high-performance and high-quality air electrode of SOFC.

また、ＳＯＦＣは、固体電解質層を空気極および燃料極で挟んだ構成の単セルが、セパレータを介して複数積層（スタック）されたスタック構造を備えるＳＯＦＣシステムとしても構築され得る。セパレータは、単セル同士を電気的に接続することに加え、ＳＯＦＣの燃料極と空気極とを気密に仕切る隔壁としての役目も併せ持っている。ここで、セパレータと空気極との気密を確保するために、セパレータと空気極との間に空気極コンタクト層が形成される。この空気極コンタクト層は、高い電気導電性に加え、高温での酸化性雰囲気に対して耐性を備えていることが求められる。かかる点において、空気極コンタクト層を構成する材料として、ここに開示される電極材料を好ましく用いることができる。なお、本明細書でいう「セパレータ」とは、ＳＯＦＣシステムにおいては、インターコネクタ、集電体などとも呼ばれる構成部材を包含する。 The SOFC can also be constructed as an SOFC system having a stack structure in which a single cell having a structure in which a solid electrolyte layer is sandwiched between an air electrode and a fuel electrode is stacked via a separator. In addition to electrically connecting the single cells, the separator also has a role as a partition that hermetically partitions the SOFC fuel electrode and air electrode. Here, in order to ensure airtightness between the separator and the air electrode, an air electrode contact layer is formed between the separator and the air electrode. The air electrode contact layer is required to have resistance to an oxidizing atmosphere at a high temperature in addition to high electrical conductivity. In this respect, the electrode material disclosed herein can be preferably used as the material constituting the air electrode contact layer. In the present specification, the “separator” includes components called interconnectors, current collectors, etc. in the SOFC system.

以上の電極材料は、上記のペロブスカイト型酸化物をそのまま単独で、あるいは焼結助剤、造孔材等の添加剤と共に所望の形態に成形し、焼成することで、目的の空気極や空気極コンタクト層等の構成部材を作製することができる。
かかる成形に際しては、例えば、粉末状の電極材料をそのまま成形してもよいし、あるいは、粉末状の電極材料を分散媒中に分散したペースト（インク、スラリーなどを包含する）の形態に調製して用いるようにしても良い。すなわち、ここに開示される電極材料は、実質的に電極を構成する成分以外の成分として、例えば、上記のペロブスカイト型酸化物を分散し得る分散媒を含んでいても良い。かかる分散媒としては、ここに開示されるペロブスカイト型酸化物を良好に分散させ得るものであればよく、従来のこの種のペーストに用いられている各種の分散媒を特に制限なく使用することができる。典型的には、かかる分散媒としては、ビヒクルと、粘度調整のための有機溶媒との混合物を考慮することができる。かかる有機溶媒としては、例えば、エチレングリコールおよびジエチレングリコール誘導体（グリコールエーテル系溶剤）、トルエン、キシレン、ブチルカルビトール（ＢＣ）、ターピネオール等の高沸点有機溶剤の１種を単独で、または、２種以上を組み合わせて使用することができる。また、ビヒクルは、有機バインダとして種々の樹脂成分を含むことができる。かかる樹脂成分はペーストを調製するのに良好な粘性および塗膜形成能（例えば、印刷性や、基板に対する付着性等を含む。）を付与し得るものであればよく、従来のこの種のペーストに用いられているものを特に制限なく使用することができる。例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アルキド樹脂、セルロース系高分子、ポリビニルアルコール、ロジン樹脂等を主体とするものが挙げられる。このうち、特にエチルセルロース等のセルロース系高分子が含まれているのが好ましい。なお、かかる分散媒には、分散剤や可塑剤等のこの種の分散媒に一般的に使用され得る任意の添加剤が含まれていても良い。 The electrode material described above can be obtained by forming the above perovskite oxide alone or together with additives such as sintering aids and pore formers into a desired form and firing it to obtain the desired air electrode or air electrode. Components such as contact layers can be produced.
In such molding, for example, the powdered electrode material may be molded as it is, or prepared in the form of a paste (including ink, slurry, etc.) in which the powdered electrode material is dispersed in a dispersion medium. May be used. That is, the electrode material disclosed herein may contain, for example, a dispersion medium capable of dispersing the perovskite oxide as a component other than the components that substantially constitute the electrode. As such a dispersion medium, any dispersion medium that can disperse the perovskite oxide disclosed herein can be used, and various dispersion media used in this type of conventional paste can be used without any particular limitation. it can. Typically, as such a dispersion medium, a mixture of a vehicle and an organic solvent for viscosity adjustment can be considered. As such an organic solvent, for example, one kind of high-boiling organic solvents such as ethylene glycol and diethylene glycol derivatives (glycol ether solvents), toluene, xylene, butyl carbitol (BC), terpineol, or two or more kinds are used. Can be used in combination. In addition, the vehicle can contain various resin components as an organic binder. Such a resin component is not limited as long as it can impart a good viscosity and film-forming ability (for example, including printability and adhesion to a substrate) in preparing a paste. What is used for can be used without a restriction | limiting in particular. Examples thereof include those mainly composed of acrylic resin, epoxy resin, phenol resin, alkyd resin, cellulosic polymer, polyvinyl alcohol, rosin resin and the like. Among these, it is particularly preferable that a cellulosic polymer such as ethyl cellulose is contained. The dispersion medium may contain any additive that can be generally used for this type of dispersion medium, such as a dispersant and a plasticizer.

ペーストに占める分散媒の割合は、電極材料の使用目的に応じて適宜調整することができる。例えば、ＳＯＦＣ構成部材の形態（典型的には、空気極または空気極コンタクト層）や、その構成部材の成形に採用する手法等に応じて、適宜調整することができる。例えば、かかるペースト状の形態の電極材料は、印刷等の手法により上記のＳＯＦＣの構成部材を形成するのに好ましく用いることができる。具体的には、スクリーン印刷やドクターブレード法等の手法により空気極を作製する場合を例にすると、ペースト全体（すなわち、例えば、ペロブスカイト型酸化物と、造孔材と、分散媒との合計）に占める分散媒の割合は、５質量％以上６０質量％以下程度とすることができ、好ましくは７質量％以上５０質量％以下、より好ましくは１０質量％以上４０質量％以下である。また、ビヒクルに含まれる有機バインダは、例えば、ペースト全体の１質量％以上１５質量％以下程度、好ましくは１質量％以上１０質量％以下程度、より好ましくは１質量％以上７質量％以下程度の割合とすることが例示される。かかる構成とすることで、例えば、粉末状の電極材料を均一な厚さの層状体（例えば、塗膜）として形成（塗布）し易く、取扱いが容易であり、さらにかかる成形体から溶媒を除去するのに長時間を要することがないために好適である。これにより、空気極を作製するためのグリーンシート（未焼成段階の成形体）、特に薄層化が進められるＳＯＦＣの空気極のグリーンシートを、好適に形成することができる。 The proportion of the dispersion medium in the paste can be appropriately adjusted according to the intended use of the electrode material. For example, it can be appropriately adjusted according to the form of the SOFC constituent member (typically, the air electrode or the air electrode contact layer), the method employed for molding the constituent member, and the like. For example, such a paste-like electrode material can be preferably used to form the above-mentioned SOFC constituent member by printing or the like. Specifically, in the case of producing an air electrode by a method such as screen printing or a doctor blade method, the paste as a whole (ie, for example, the sum of perovskite oxide, pore former, and dispersion medium) The ratio of the dispersion medium occupying can be about 5% by mass or more and 60% by mass or less, preferably 7% by mass or more and 50% by mass or less, more preferably 10% by mass or more and 40% by mass or less. The organic binder contained in the vehicle is, for example, about 1% by mass to 15% by mass of the entire paste, preferably about 1% by mass to 10% by mass, and more preferably about 1% by mass to 7% by mass. The ratio is exemplified. With this configuration, for example, a powdered electrode material can be easily formed (applied) as a layered body (for example, a coating film) with a uniform thickness, is easy to handle, and further removes the solvent from the molded body. It is suitable because it does not take a long time to do. Thereby, a green sheet for forming an air electrode (a green body in an unfired stage), in particular, a green sheet for an SOFC air electrode for which thinning is promoted can be suitably formed.

なお、電極材料をペースト状に調製するに際し、ペロブスカイト型酸化物と分散媒との混合には、例えば、公知の三本ロールミル等を用いることができる。ペースト状の電極材料は、所望の用途に応じて適切な粘度に調整することによって、塗布または印刷等の形態で電極材料を所望の位置に所望の形態にて簡便に供給することが可能となる。例えば、精密に寸法が管理されたＳＯＦＣの空気極や、複雑な形状を有するセパレータと空気極とを気密に接続する空気極コンタクト層等を形成するための成形体を、簡便かつ好適に成形することができる。
なお、ここに開示される電極材料でＳＯＦＣの空気極を形成する場合、空気極の全体をかかる電極材料で構成しても良いし、その一部のみをかかる空気材料で構成するようにしても良い。また、空気極の全体をかかる電極材料で構成しても良いし、その一部のみをかかる空気材料で構成するようにしても良い。さらに、ここに開示される電極材料で空気極コンタクト層を形成する場合、ペロブスカイト型酸化物の他に、銀や銅等の導電性金属粉末を含むようにしても良い。ここに開示される電極材料は、粉末状のものを所定の形態に圧縮成形する等して成形体（例えば、所望の形状のペレット）として用いることもできる。 In preparing the electrode material in a paste, for example, a known three-roll mill can be used for mixing the perovskite oxide and the dispersion medium. By adjusting the viscosity of the paste-like electrode material to an appropriate viscosity according to the desired application, the electrode material can be easily supplied to the desired position in the desired form in the form of coating or printing. . For example, a molded body for forming a SOFC air electrode with precisely controlled dimensions, an air electrode contact layer for airtightly connecting a separator having a complicated shape and an air electrode, and the like is simply and suitably formed. be able to.
In addition, when forming the SOFC air electrode with the electrode material disclosed herein, the entire air electrode may be composed of the electrode material, or only part of the air electrode may be composed of the air material. good. Further, the entire air electrode may be made of such an electrode material, or only a part thereof may be made of such an air material. Further, when the air electrode contact layer is formed of the electrode material disclosed herein, in addition to the perovskite oxide, a conductive metal powder such as silver or copper may be included. The electrode material disclosed herein can be used as a molded body (for example, a pellet having a desired shape) by compression molding a powdery material into a predetermined form.

上記のようにして準備した電極材料の成形体は、従来のこの種の構成部材と同様に焼成することができる。この場合の焼成温度は、例えば１０００℃〜１４００℃程度とすることができる。ただし、かかる焼成を、他の構成部材の焼成と同時に行う場合等には、焼成温度を適宜変更することができる。これによって、例えば、ＳＯＦＣの空気極や空気極コンタクト層等の、所望の燃料電池構成部材を作製することができる。 The molded body of the electrode material prepared as described above can be fired in the same manner as this conventional component member. In this case, the firing temperature can be, for example, about 1000 ° C. to 1400 ° C. However, when such firing is performed simultaneously with firing of other constituent members, the firing temperature can be appropriately changed. Thereby, for example, a desired fuel cell component such as an SOFC air electrode or an air electrode contact layer can be produced.

［実施態様１］
ここに開示される実施態様における固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムは、図１に示される、アノード支持型のＳＯＦＣ（単セル）１０を備えている。この単セル１０は、多孔質構造の燃料極（アノード）４０の表面（図では上面）に、順に、酸化物イオン伝導体からなる緻密な層状の固体電解質３０、多孔質構造の空気極２０（カソード）が形成されることで構成されている。なお、この実施態様においては、固体電解質３０と空気極２０との間に、両者の反応を防止する反応防止層２５が設けられている。このＳＯＦＣ１０の作動時には、燃料極４０を通じて燃料極４０側の固体電解質３０表面に燃料ガス（典型的には水素（Ｈ_２））が、空気極２０を通じて空気極２０側の固体電解質３０表面に酸素（Ｏ_２）含有ガス（典型的には空気）が、それぞれ供給される。一般的な動作においては、酸素（Ｏ_２）含有ガス中のＯ_２ガスが空気極２０で還元されてＯ^２−アニオンとなり、固体電解質を通って燃料極４０に移動し、Ｈ_２ガス燃料を酸化する。そしてかかる酸化反応に伴い、電気エネルギーを発生させている。 [Embodiment 1]
The solid oxide fuel cell (SOFC) system in the embodiment disclosed herein includes an anode-supported SOFC (single cell) 10 shown in FIG. This single cell 10 has a dense layered solid electrolyte 30 made of an oxide ion conductor and a porous structure air electrode 20 (in order) on the surface (upper surface in the figure) of a fuel electrode (anode) 40 having a porous structure. (Cathode) is formed. In this embodiment, a reaction preventing layer 25 for preventing the reaction between the solid electrolyte 30 and the air electrode 20 is provided. During the operation of the SOFC 10, fuel gas (typically hydrogen (H ₂ )) is supplied to the surface of the solid electrolyte 30 on the fuel electrode 40 side through the fuel electrode 40, and oxygen is supplied to the surface of the solid electrolyte 30 on the air electrode 20 side through the air electrode 20. A gas containing (O ₂ ) (typically air) is supplied. In general operation, the O ₂ gas in the oxygen (O ₂ ) -containing gas is reduced at the air electrode 20 to become an O ² -anion, moves to the fuel electrode 40 through the solid electrolyte, and the H ₂ gas fuel is supplied. Oxidize. And with this oxidation reaction, electric energy is generated.

ここで空気極２０を構成する材料として、ここに開示される電極材料を用いることができる。固体電解質３０としては、一例として、８％イットリア安定化ジルコニア（８ＹＳＺ）ランタンガレード（ＬａＧａＯ_３）からなるものが例示される。反応防止層２５としては、一例として、ガドリニアドープセリア（ＧＤＣ）等に代表されるセリア系の酸化物からなるものが例示される。燃料極４０としては、一例として、ニッケル（Ｎｉ）とＹＳＺのサーメットからなるものが例示される。
なお、例えば、この図１に示されるように、アノード支持型のセル１０を構築する場合、ここに開示されるペースト状に調製された電極材料を、固体電解質３０あるいは反応防止層２５の上面にシート状に塗布して焼成することが好適である。 Here, as a material constituting the air electrode 20, the electrode material disclosed herein can be used. As an example, the solid electrolyte 30 is made of 8% yttria-stabilized zirconia (8YSZ) lanthanum garade (LaGaO ₃ ). As an example, the reaction preventing layer 25 is made of a ceria-based oxide typified by gadolinia-doped ceria (GDC). As an example of the fuel electrode 40, an electrode made of cermet of nickel (Ni) and YSZ is exemplified.
For example, as shown in FIG. 1, when an anode-supported cell 10 is constructed, the electrode material prepared in a paste form disclosed herein is applied to the upper surface of the solid electrolyte 30 or the reaction preventing layer 25. It is preferable to apply it in a sheet form and fire it.

［実施態様２］
ここに開示される実施態様における固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムは、ＳＯＦＣのスタックセル１００を備えている。図２に、スタックセル１００の一形態の分解斜視図を模式的に示す。かかるスタックセル１００は、ＳＯＦＣ（単セル）１０Ａ，１０Ｂが、セパレータ５０を介して複数層積み重なったスタックとして構成されている。単セル１０Ａ，１０Ｂは、層状の固体電解質３０の両面が、それぞれ層状の空気極（カソード）２０と燃料極（アノード）４０とで挟まれたサンドイッチ構造を備えている。図面中央に配されるセパレータ５０Ａは、その両面を二つの単セル１０Ａ，１０Ｂで挟まれており、一方のセル対向面５２がセル１０Ａの空気極２０と対向（隣接）し、他方のセル対向面５４がセル１０Ｂの燃料極４０と対向（隣接）している。 [Embodiment 2]
The solid oxide fuel cell (SOFC) system in the embodiment disclosed herein includes an SOFC stack cell 100. FIG. 2 schematically shows an exploded perspective view of one embodiment of the stack cell 100. The stack cell 100 is configured as a stack in which a plurality of SOFCs (single cells) 10A and 10B are stacked via a separator 50. The single cells 10A and 10B have a sandwich structure in which both surfaces of a layered solid electrolyte 30 are sandwiched between a layered air electrode (cathode) 20 and a fuel electrode (anode) 40, respectively. The separator 50A disposed in the center of the drawing is sandwiched between two single cells 10A and 10B, one cell facing surface 52 faces (adjacent) the air electrode 20 of the cell 10A, and the other cell faces. The surface 54 faces (adjacent) the fuel electrode 40 of the cell 10B.

インターコネクタ５０の、セル対向面５２には複数の溝が形成されており、供給された酸素含有ガス（典型的には空気）が流れる空気流路５３を構成している。同様に、反対側のセル対向面５４にも複数の溝が形成されており、供給された燃料ガス（典型的にはＨ_２ガス）が流れるための燃料ガス流路５５を構成している。かかる形態のセパレータ５０では、典型的には空気流路５３と燃料ガス流路５５とが互いに直交するように形成されている。 A plurality of grooves are formed in the cell facing surface 52 of the interconnector 50 to form an air flow path 53 through which the supplied oxygen-containing gas (typically air) flows. Similarly, a plurality of grooves are also formed in the opposite cell facing surface 54 to constitute a fuel gas passage 55 through which the supplied fuel gas (typically H ₂ gas) flows. In the separator 50 having such a configuration, the air passage 53 and the fuel gas passage 55 are typically formed so as to be orthogonal to each other.

なお、具体的に示していないが、スタックセル１００が組み立てられるとき、セパレータ５０Ａのセル対向面５２と空気極２０との間には、空気極コンタクト層（図示せず）が形成されて、セル対向面５２と空気極２０とを電気的かつ気密に接合するようにしても良い。また、スタックセル１００が組み立てられるとき、セパレータ５０Ａのセル対向面５４と燃料極４０との間には、燃料極コンタクト層（図示せず）が形成されて、セル対向面５４と燃料極４０とを電気的かつ気密に接合するようにしても良い。ここで、空気極２０および空気極コンタクト層は、例えば、ここに開示される電極材料から構成される。空気極２０とセパレータ５０との接合に際しては、例えば、空気極２０の表面にここに開示されたペースト状の電極材料を塗布した後、セパレータ５０を重ね合わせ、両者に間隙が生じて酸素（Ｏ_２）含有ガス（ここでは空気（Ａｉｒ））の漏れが生じないよう、気密に接合する。一般的な動作においては、酸素（Ｏ_２）含有ガス中のＯ_２ガスが空気極２０で還元されてＯ^２−アニオンとなり、固体電解質３０を通って燃料極４０に移動し、Ｈ_２ガス燃料を酸化する。そしてかかる酸化反応に伴い、外部負荷において電気エネルギーを発生させている。 Although not specifically shown, when the stack cell 100 is assembled, an air electrode contact layer (not shown) is formed between the cell facing surface 52 of the separator 50A and the air electrode 20, and the cell You may make it join the opposing surface 52 and the air electrode 20 electrically and airtightly. When the stack cell 100 is assembled, a fuel electrode contact layer (not shown) is formed between the cell facing surface 54 of the separator 50A and the fuel electrode 40, and the cell facing surface 54 and the fuel electrode 40 are May be electrically and airtightly joined. Here, the air electrode 20 and the air electrode contact layer are made of, for example, an electrode material disclosed herein. When joining the air electrode 20 and the separator 50, for example, after applying the paste-like electrode material disclosed here on the surface of the air electrode 20, the separator 50 is overlapped, and a gap is created between the two, thereby forming oxygen (O ₂ ) Airtight joining is performed so that leakage of the contained gas (here, air (Air)) does not occur. In general operation, the O ₂ gas in the oxygen (O ₂ ) -containing gas is reduced at the air electrode 20 to become an O ²⁻ anion, moves to the fuel electrode 40 through the solid electrolyte 30, and is supplied with the H ₂ gas fuel. Oxidize. Along with this oxidation reaction, electric energy is generated in an external load.

なお、以上のＳＯＦＣシステムの製造方法は、従来公知の製造方法に準じればよく特別な処理を必要としないため、詳細な説明は省略する。また、ここで開示される電極材料を用いたＳＯＦＣの空気極は、例えば、平板型、円筒型、積層型等の従来公知の種々の構造のＳＯＦＣに適用でき、形状やサイズ等は特に限定されない。また、支持体（基材）についても特に限定はなく、例えばアノードやカソード、固体電解質等であり得る。なお、平板型ＳＯＦＣは、内部抵抗が比較的小さいことから、発電効率が高く、かつ、薄い単セルを積層することで単位容積当たりの出力密度を高め得るという利点を有している。 The manufacturing method of the SOFC system described above may be in accordance with a conventionally known manufacturing method and does not require special processing, and thus detailed description thereof is omitted. In addition, the SOFC air electrode using the electrode material disclosed herein can be applied to SOFCs having various known structures such as a flat plate type, a cylindrical type, and a laminated type, and the shape and size are not particularly limited. . The support (base material) is not particularly limited, and may be, for example, an anode, a cathode, a solid electrolyte, or the like. Since the flat SOFC has a relatively low internal resistance, it has an advantage that the power generation efficiency is high and the power density per unit volume can be increased by stacking thin single cells.

以下、本発明に関する幾つかの試験例を説明するが、本発明をかかる試験例に示すものに限定することを意図したものではない。 Hereinafter, some test examples relating to the present invention will be described, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the test examples.

［電極材料の用意］
Ｌａ源としてＬａ（ＮＯ_３）_３・６Ｈ_２Ｏを、Ｓｒ源としてＳｒ（ＮＯ_３）_２を、Ｃｏ源としてＣｏ（ＮＯ_３）_３・６Ｈ_２Ｏを、Ｆｅ源としてＦｅ（ＮＯ_３）_３・９Ｈ_２Ｏを用い、原料調製用溶液として、０．０６ｍｏｌ／ＬのＬａ（ＮＯ_３）_３溶液、０．０４ｍｏｌ／ＬのＳｒ（ＮＯ_３）_２溶液、０．０２ｍｏｌ／ＬのＣｏ（ＮＯ_３）_３溶液、および０．０８ｍｏｌ／ＬのＦｅ（ＮＯ_３）_３溶液を用意した。そして、これらの溶液を下記の表１に示す組成のペロブスカイト型酸化物が得られるよう化学量論比で配合することで、各例の原料溶液を調製した。 [Preparation of electrode material]
La (NO ₃ ) ₃ .6H ₂ O as the La source, Sr (NO ₃ ) ₂ as the Sr source, Co (NO ₃ ) ₃ · 6H ₂ O as the Co source, and Fe (NO ₃ ) ₃ as the Fe source Using 9H ₂ O, 0.06 mol / L La (NO ₃ ) ₃ solution, 0.04 mol / L Sr (NO ₃ ) ₂ solution, 0.02 mol / L Co (NO ₃ ) _Three solutions and a 0.08 mol / L Fe (NO ₃ ) ₃ solution were prepared. And the raw material solution of each example was prepared by mix | blending these solutions by stoichiometric ratio so that the perovskite type oxide of the composition shown in following Table 1 may be obtained.

次いで、この原料溶液に、下記の表１に示すとおりカーボン材料を所定の割合で添加し、原料溶液を７０℃に温めながら３０分間の撹拌を行うことで、カーボン材料を原料溶液に均一に分散させた。なお、表１に示す「カーボン材料の添加量」は、原料溶液の質量に対するカーボン材料の質量割合を示している。また、カーボン材料としては、多層カーボンナノチューブ（ＣＮＴ；シーナノ社製，ＦｌｏＴｕｂｅ９０００，平均チューブ径１１ｎｍ，平均チューブ長さ１０μｍ）と、カーボンブラック（ＣＢ；三菱化学（株）製，ＭＡ６００，平均粒径２０ｎｍ）とを用いた。 Next, as shown in Table 1 below, a carbon material is added to the raw material solution at a predetermined ratio, and the raw material solution is stirred at 30 ° C. for 30 minutes to uniformly disperse the carbon material in the raw material solution. I let you. The “addition amount of the carbon material” shown in Table 1 indicates the mass ratio of the carbon material to the mass of the raw material solution. The carbon materials include multi-walled carbon nanotubes (CNT; manufactured by Seanano Corporation, FloTube 9000, average tube diameter 11 nm, average tube length 10 μm), and carbon black (CB; manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, MA 600, average particle diameter 20 nm). ) Was used.

その後、各原料溶液に０．５ｍｏｌ／ＬのＫＯＨ溶液を加えてｐＨを８に調整した後、さらに１時間の撹拌を行った。撹拌後、原料溶液中に析出した析出物を遠心分離により回収し、蒸留水でよく洗浄した後、乾燥させ、８００℃で仮焼した。
これらの析出物のＸ線回折分析の結果から、各原料溶液から、所望の組成のペロブスカイト型酸化物が得られたことが確認できた。また、各例のペロブスカイト型酸化物の平均粒子径を、ＳＥＭ観察により測定した。その結果を、表１に示した。 Then, after adding 0.5 mol / L KOH solution to each raw material solution and adjusting pH to 8, stirring was further performed for 1 hour. After stirring, the precipitate deposited in the raw material solution was collected by centrifugation, washed well with distilled water, dried, and calcined at 800 ° C.
From the results of X-ray diffraction analysis of these precipitates, it was confirmed that perovskite oxides having a desired composition were obtained from each raw material solution. Moreover, the average particle diameter of the perovskite type oxide of each example was measured by SEM observation. The results are shown in Table 1.

得られた各例のペロブスカイト型酸化物に対し、バインダとしてのエチルセルロースおよび分散媒としてのテルピネオールを添加し、三本ロールミルで混合することで、ペースト状の電極ペーストを調製した。
この電極ペーストを空気極形成用材料とし、ＳＯＦＣハーフセルの固体電解質層側の表面に印刷して、１１００℃で５時間焼成することで、厚さ約３０μｍの空気極を形成した。これにより、評価用のＳＯＦＣセルを得た。
なお、ＳＯＦＣハーフセルとしては、酸化ニッケルおよび８％イットリア安定化ジルコニア（８ＹＳＺ）からなる厚み約１ｍｍの燃料極支持体の上に、８ＹＳＺからなる厚み約１０μｍの固体電解質層、および、１０％ガドリニウムドープセリア（１０ＧＤＣ）からなる厚み約５μｍの反応防止層が備えられたアノード支持型の円盤型のハーフセルを用いた。 A paste-like electrode paste was prepared by adding ethyl cellulose as a binder and terpineol as a dispersion medium to the perovskite oxide of each example obtained and mixing with a three-roll mill.
This electrode paste was used as an air electrode forming material, printed on the surface of the SOFC half cell on the solid electrolyte layer side, and baked at 1100 ° C. for 5 hours to form an air electrode having a thickness of about 30 μm. Thereby, an SOFC cell for evaluation was obtained.
The SOFC half cell includes a solid electrode layer made of 8YSZ and a thickness of about 10 μm on a fuel electrode support made of nickel oxide and 8% yttria stabilized zirconia (8YSZ), and 10% gadolinium doped. An anode-supported disc-shaped half cell provided with a reaction prevention layer made of ceria (10 GDC) and having a thickness of about 5 μm was used.

［発電性能］
上記で得られた評価用のＳＯＦＣセルを、下記の条件で運転させた際の電力密度を測定した。その結果、電流密度を０．５Ａ／ｃｍ^２としたときに得られた最大出力密度（Ｗ／ｃｍ^２）を発電性能として、表１の「発電性能」の欄に示した。
燃料極供給ガス：水素ガス（５０ｍｌ／ｍｉｎ）
空気極供給ガス：空気（１００ｍｌ／ｍｉｎ）
運転温度：７００℃ [Power generation performance]
The power density when the SOFC cell for evaluation obtained above was operated under the following conditions was measured. As a result, the maximum output density (W / cm ² ) obtained when the current density was 0.5 A / cm ² was shown as the power generation performance in the column “Power generation performance” in Table 1.
Fuel electrode supply gas: Hydrogen gas (50 ml / min)
Air electrode supply gas: Air (100 ml / min)
Operating temperature: 700 ° C

［評価］
表１に示されるように、液相合成法によると、各例で平均粒子径がナノメートルオーダー（例えば、５００ｎｍ以下）の微細なペロブスカイト型酸化物を作製することができることが確認できた。そして、さらにカーボン材料の存在下で作製する例１〜６，例８〜１１では、平均粒子径のより小さいペロブスカイト型酸化物が合成されることが確認された。しかしながら、カーボン材料としてカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いた例１〜３は、ペロブスカイト型酸化物が概ね一次粒子のみから構成されており、平均粒子径が１００ｎｍ以下で比較的粒径の揃っていたのに対し、カーボン材料としてカーボンブラック（ＣＢ）を用いた例４〜６では平均粒子径が１５０ｎｍ以上の比較的粗大な粒子で、かつ、粒径にバラつきのみられるペロブスカイト型酸化物が得られたことが確認された。 [Evaluation]
As shown in Table 1, according to the liquid phase synthesis method, it was confirmed that a fine perovskite oxide having an average particle diameter of nanometer order (for example, 500 nm or less) can be produced in each example. Further, in Examples 1 to 6 and Examples 8 to 11 produced in the presence of a carbon material, it was confirmed that a perovskite oxide having a smaller average particle diameter was synthesized. However, in Examples 1 to 3, in which carbon nanotubes (CNT) are used as the carbon material, the perovskite type oxide is generally composed of only primary particles, and the average particle size is 100 nm or less and the particle size is relatively uniform. On the other hand, in Examples 4 to 6 using carbon black (CB) as the carbon material, perovskite oxides having relatively coarse particles having an average particle size of 150 nm or more and having a variation in particle size were obtained. Was confirmed.

また、さらにカーボン材料の存在下で作製することで、ＳＯＦＣの発電性能の向上に寄与するペロブスカイト型酸化物が得られることがわかった。なお、カーボン材料としては、ＣＢよりも、ＣＮＴを用いて作製した方が、発電性能が２０％〜４０％程度向上されることが確認できた。これは、ＣＮＴを用いた場合に、より微細なペロブスカイト型酸化物が得られてＳＯＦＣの電極反応における三相界面が拡大されることや、ＳＯＦＣの電極材料としてより適した結晶構造を有するペロブスカイト型酸化物が得られたことによるものと考えられる。このような傾向は、例えば例１〜３に示すように、特定の組成のペロブスカイト型酸化物にのみにみられる現象ではなく、イオン−電子導電性を示し得る組成のペロブスカイト型酸化物に広く当てはまる事項であると考えられる。 Further, it was found that a perovskite oxide that contributes to the improvement of the power generation performance of SOFC can be obtained by producing in the presence of a carbon material. In addition, as a carbon material, it has confirmed that the direction produced using CNT rather than CB improved power generation performance about 20 to 40%. This is because, when CNT is used, a finer perovskite oxide is obtained and the three-phase interface in the electrode reaction of SOFC is expanded, and a perovskite type having a crystal structure more suitable as an electrode material for SOFC This is probably because the oxide was obtained. Such a tendency is widely applied to perovskite oxides having a composition capable of exhibiting ion-electron conductivity, rather than a phenomenon seen only in perovskite oxides having a specific composition, as shown in Examples 1 to 3, for example. It is considered to be a matter.

なお、例８〜１１は、原料調製用溶液に含ませるＣＮＴの量を変化させた例である。これらのうち例８と例１１については、一次粒子が凝集している様子がうかがえたため、平均粒子径を括弧（）内に記した。表１に示されるように、ＣＮＴの添加量がごく僅かの場合（例えば例８）と、非常に大量の場合（例えば例１１）とは、ペロブスカイト型酸化物の粒子が凝集状態で合成されたが、各々の粒子（一次粒子）については１００ｎｍよりも十分に小さいことが確認できた。したがって、原料調製用溶液に含ませるＣＮＴは、少なくても（例えば１質量％）多くても（例えば９０質量％）とすることで、平均粒子径のより小さいペロブスカイト型酸化物を合成できることが確認できた。また、例８および例１１のいずれの場合においても、例７と比較して、ＳＯＦＣの発電性能を向上させ得るペロブスカイト型酸化物が得られたことがわかった。しかしながら、凝集を抑えて分散状態の良いペロブスカイト型酸化物粒子を得るには、原料調製用溶液中のＣＮＴの添加量を１質量％を超えて９０質量％未満、例えば２質量％以上８５質量％以下、より好ましくは５質量％以上７５質量％以下とするのが良いことが確認できた。そして例えば、ＣＮＴの添加量が５〜７５質量％と液相中にＣＮＴがより適切に分散されている方が、ＳＯＦＣの発電性能向上に関してより好適な結晶構造のペロブスカイト型酸化物が形成されることがわかった。 Examples 8 to 11 are examples in which the amount of CNT included in the raw material preparation solution was changed. Among these, in Examples 8 and 11, since it was observed that the primary particles were aggregated, the average particle diameter was shown in parentheses (). As shown in Table 1, perovskite oxide particles were synthesized in an agglomerated state when the amount of CNT added was very small (for example, Example 8) and when it was very large (for example, Example 11). However, it was confirmed that each particle (primary particle) was sufficiently smaller than 100 nm. Therefore, it is confirmed that a perovskite oxide having a smaller average particle diameter can be synthesized by using at least (for example, 1% by mass) and at most (for example, 90% by mass) CNT to be included in the raw material preparation solution. did it. Further, it was found that in both cases of Example 8 and Example 11, a perovskite oxide capable of improving the power generation performance of SOFC was obtained as compared with Example 7. However, in order to obtain perovskite oxide particles having a good dispersion state by suppressing aggregation, the amount of CNT added in the raw material preparation solution is more than 1% by mass and less than 90% by mass, for example, 2% by mass to 85% by mass. In the following, it was confirmed that the content is preferably 5% by mass or more and 75% by mass or less. For example, when the amount of CNT added is 5 to 75% by mass and CNT is more appropriately dispersed in the liquid phase, a perovskite oxide having a more suitable crystal structure is formed with respect to improving the power generation performance of SOFC. I understood it.

ベロブスカイト型酸化物のイオン−電子伝導特性は、結晶性や粒子形状、および、電子的欠陥および格子欠陥の存在形態や濃度等により影響され得る。そしてＣＮＴは、その表面に炭素の６員環構造が規則正しく配置される。これらのことから、かかるＣＮＴの結晶構造が鋳型となって、イオン−電子伝導特性が効果的に向上されたベロブスカイト型酸化物が形成されるものと考えられる。 The ion-electron conduction characteristics of the velovskite oxide can be influenced by crystallinity, particle shape, and the presence and concentration of electronic defects and lattice defects. CNTs are regularly arranged on the surface with a six-membered ring structure of carbon. From these facts, it is considered that such a CNT crystal structure is used as a template to form a velovskite oxide having improved ion-electron conduction characteristics effectively.

以上のことから、ここに開示される電極材料を用いて、例えば、ＳＯＦＣの空気極を形成することで、発電性能に優れたＳＯＦＣが実現できることが確認された。なお、このような電極材料は、ＳＯＦＣの空気極を構成するのに好適なのはもちろんのこと、例えば、この空気極とセパレータとの間に配設される空気極コンタクト層や、セパレータ自体を構成するのにも、好ましく用いることができる。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 From the above, it was confirmed that an SOFC excellent in power generation performance can be realized, for example, by forming an SOFC air electrode using the electrode material disclosed herein. Such an electrode material is suitable for forming an SOFC air electrode, for example, an air electrode contact layer disposed between the air electrode and the separator, or a separator itself. Also, it can be preferably used.
As mentioned above, although the specific example of this invention was demonstrated in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.

１０，１０Ａ，１０ＢＳＯＦＣ（単セル）
２０空気極（カソード）
２５反応防止層
３０固体電解質
４０燃料極（アノード）
５０，５０Ａセパレータ
５２，５４セル対向面
５３空気流路
５５燃料ガス流路
１００スタックセル 10, 10A, 10B SOFC (single cell)
20 Air electrode (cathode)
25 Reaction prevention layer 30 Solid electrolyte 40 Fuel electrode (anode)
50, 50A Separator 52, 54 Cell facing surface 53 Air channel 55 Fuel gas channel 100 Stack cell

Claims

固体酸化物形燃料電池を形成するのに用いられる電極材料であって、
一般式：（Ｌｎ_１−ｘＡｅ_ｘ）ＢＯ_３−δ；
（ここで、Ｌｎは少なくとも１種のランタノイド元素を示し、ＡｅはＳｒ，ＣａおよびＢａからなる群から選択される少なくとも１種の元素であり、ＢはＮｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｃｕ，ＦｅおよびＴｉからなる群から選択される少なくとも１種の元素を含み、０≦ｘ≦０．９であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である）で表されるペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物の粉末を含み、
前記酸化物の粉末は、カーボンナノチューブと、上記Ｌｎ源，Ａｅ源およびＢ源とを含む原料溶液を用いた液相合成法により前記カーボンナノチューブの表面に形成されたものであり、かつ、前記カーボンナノチューブは消失されている、電極材料。 An electrode material used to form a solid oxide fuel cell comprising:
General _{_{formula: (Ln 1-x Ae x}} ) BO 3-δ;
(Here, Ln represents at least one lanthanoid element, Ae is at least one element selected from the group consisting of Sr, Ca and Ba, and B is Ni, Co, Mn, Cr, Cu, Fe. And at least one element selected from the group consisting of Ti, 0 ≦ x ≦ 0.9, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition) An oxide powder having a structure,
The oxide powder is formed on the surface of the carbon nanotubes by a liquid phase synthesis method using a raw material solution containing carbon nanotubes and the Ln source, the Ae source, and the B source , and the carbon Nanotubes have disappeared , electrode material.

前記カーボンナノチューブは、平均直径が０．４ｎｍ以上５０ｎｍ以下である、請求項１に記載の電極材料。 The electrode material according to claim 1, wherein the carbon nanotube has an average diameter of 0.4 nm to 50 nm.

前記カーボンナノチューブは、前記原料溶液中に、１質量％以上９０質量％以下の割合で含まれる、請求項１または２に記載の電極材料。 3. The electrode material according to claim 1, wherein the carbon nanotubes are contained in the raw material solution at a ratio of 1% by mass or more and 90% by mass or less.

前記酸化物は、平均粒子径が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電極材料。 The electrode material according to claim 1, wherein the oxide has an average particle diameter of 1 nm to 100 nm.

前記結晶構造のＢサイトには、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｃｕ，ＦｅおよびＴｉからなる群から選択される２種以上の元素が含まれる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電極材料。 The B site having the crystal structure includes two or more elements selected from the group consisting of Ni, Co, Mn, Cr, Cu, Fe, and Ti. Electrode material.

前記酸化物が分散媒に分散されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電極材料。 The electrode material according to claim 1, wherein the oxide is dispersed in a dispersion medium.

固体酸化物形燃料電池の空気極または空気極コンタクト層を形成するために用いられる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電極材料。 The electrode material according to claim 1, which is used for forming an air electrode or an air electrode contact layer of a solid oxide fuel cell.

固体酸化物形燃料電池用の構成部材であって、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電極材料を用いて構成されている空気極および空気極コンタクト層の少なくとも１つである、構成部材。 A component for a solid oxide fuel cell, which is at least one of an air electrode and an air electrode contact layer configured using the electrode material according to any one of claims 1 to 7. Constituent member.

請求項１〜７のいずれか１項に記載の電極材料を用いて構成された、空気極および空気極コンタクト層の少なくとも１つを備えている、固体酸化物形燃料電池。 Claim 1-7 constructed using the electrode material according to any one of comprises at least one of the air electrode and the air electrode contact layer, the solid oxide fuel cell.

固体酸化物形燃料電池を形成するのに用いられる電極材料の製造方法であって、  A method for producing an electrode material used to form a solid oxide fuel cell, comprising:
一般式：（Ｌｎ  General formula: (Ln _１−ｘ1-x ＡｅAe _ｘx ）ＢＯ) BO _３−δ3-δ ；;
（ここで、Ｌｎは少なくとも１種のランタノイド元素を示し、ＡｅはＳｒ，ＣａおよびＢａからなる群から選択される少なくとも１種の元素であり、ＢはＮｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｃｕ，ＦｅおよびＴｉからなる群から選択される少なくとも１種の元素を含み、０≦ｘ≦０．９であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である）で表されるペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物が得られるように前記Ｌｎ源，前記Ａｅ源および前記Ｂ源を含み、さらにカーボンナノチューブを含む原料溶液を用意すること、(Here, Ln represents at least one lanthanoid element, Ae is at least one element selected from the group consisting of Sr, Ca and Ba, and B is Ni, Co, Mn, Cr, Cu, Fe. And at least one element selected from the group consisting of Ti, 0 ≦ x ≦ 0.9, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition) Preparing a raw material solution containing the Ln source, the Ae source, and the B source so as to obtain an oxide having a structure, and further containing carbon nanotubes;
液相合成法により、前記原料溶液から、前記カーボンナノチューブの表面に前記酸化物の前駆体を形成すること、および、  Forming the precursor of the oxide on the surface of the carbon nanotubes from the raw material solution by a liquid phase synthesis method; and
前記前駆体および前記カーボンナノチューブを加熱して、前記ペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物の粉末を得ると共に、前記カーボンナノチューブを消失させること、  Heating the precursor and the carbon nanotube to obtain an oxide powder having the perovskite-type crystal structure, and eliminating the carbon nanotube;
を含む、製造方法。Manufacturing method.