JP6060297B2 - Anode-supported half cell and anode-supported cell using the same - Google Patents
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Description
本発明は、アノード支持型ハーフセルに関するものであり、特に周縁部の反りを低減したアノード支持型ハーフセルに関するものである。 The present invention relates to an anode-supported half cell, and more particularly to an anode-supported half cell with reduced peripheral edge warpage.
燃料電池はクリーンエネルギー源として注目されており、その用途は家庭用発電から業務用発電、さらには自動車用発電等を主体にして、急速に改良研究及び実用化研究が進められている。 Fuel cells are attracting attention as a source of clean energy, and their use is rapidly being studied for improvement and practical application mainly from household power generation to commercial power generation, and further to power generation for automobiles.
固体酸化物形燃料電池の代表的な構造は、平板状固体電解質膜の片面側にアノード電極、他方面側にカソード電極を設けたセルを縦方向に多数積層したスタックが基本となっている。ここで、固体酸化物形燃料電池の発電性能を高めるためには、固体電解質膜を緻密且つ薄肉化することが有効とされている。これは、固体電解質膜には発電源となる燃料ガスと空気の混合を確実に阻止する緻密性と、導電ロスを極力抑えることのできる優れたイオン導電性が求められるためである。しかしながら、固体電解質膜を薄肉化するほど、セルを多数積層した場合に積層荷重によって割れが生じやすくなる傾向がある。そこで固体電解質膜をより薄肉化するために、固体電解質のアノード電極側に、アノード電極及び固体電解質膜を支持するアノード支持基板を設けたアノード支持型セルが提案されている。 A typical structure of a solid oxide fuel cell is basically a stack in which a large number of cells each provided with an anode electrode on one side and a cathode electrode on the other side are stacked in the vertical direction. Here, in order to improve the power generation performance of the solid oxide fuel cell, it is effective to make the solid electrolyte membrane dense and thin. This is because the solid electrolyte membrane is required to be dense enough to reliably prevent the mixing of fuel gas and air serving as a power generation source and to have excellent ionic conductivity capable of suppressing conduction loss as much as possible. However, as the thickness of the solid electrolyte membrane is reduced, there is a tendency that cracks are likely to occur due to the stacking load when a large number of cells are stacked. Therefore, in order to make the solid electrolyte membrane thinner, an anode support type cell in which an anode support substrate for supporting the anode electrode and the solid electrolyte membrane is provided on the anode electrode side of the solid electrolyte has been proposed.
このようなアノード支持型セルについて、その性能を改良する技術が種々検討されている。例えば、特許文献1には、アノード支持基板の周縁端部のバリ高さを低くすることにより、耐積層荷重性や、電極印刷や固体電解質膜を形成する際の印刷適正においても優れた特性が得られることが記載されている(特許文献1(第16頁第10〜19行)参照)。しかし、特許文献1は、アノード支持基板単層のバリ高さに関するものであり、アノード支持基板にアノード層や電解質層を形成したアノード支持型ハーフセルに関しては検討されていない。
また、アノード支持基板に関するものではないが、特許文献2には、固体電解質自立膜に使用されるセラミックシートについて、その周縁端部のバリ高さを±100μm以下にすることで、燃料電池の性能を向上できることが記載されている(特許文献2(段落[0016])参照)。
Various techniques for improving the performance of such anode-supported cells have been studied. For example,
Further, although not related to the anode support substrate,
従来、アノード支持型セルにおいて、電解質層や電極が印刷されるアノード支持基板の周縁端部のバリ高さを低くすることにより電池性能を高めていた。すなわち、アノード支持基板の周縁端部のバリ高さを低くして、周縁部を平滑にすれば、最終的に得られるアノード支持型セルにおいても周縁部を平滑にできると考えられていた。これは、一度焼成されたアノード支持基板は、充分に強度が高められているため、その後の工程においても変形することはないと考えられていたためである。そのため、従来は、アノード支持基板単層の状態での周縁部の平滑性のみを検討しており、これに電解質層が積層された後については、周縁部の反り等は一切検討されていなかった。 Conventionally, in an anode-supported cell, battery performance has been improved by reducing the burr height at the peripheral edge of the anode support substrate on which the electrolyte layer and electrodes are printed. That is, it has been considered that the peripheral edge portion can be smoothed even in the finally obtained anode support type cell by reducing the burr height at the peripheral edge portion of the anode support substrate and smoothing the peripheral edge portion. This is because the anode support substrate that has been fired once has been sufficiently strengthened, so that it was considered that the anode support substrate would not be deformed in the subsequent steps. Therefore, conventionally, only the smoothness of the peripheral portion in the state of the single layer of the anode support substrate has been examined, and after the electrolyte layer is laminated thereon, the warpage of the peripheral portion has not been studied at all. .
しかしながら、本発明者らが検討したところ、アノード支持基板の周縁部を平滑にした場合でも、このアノード支持基板を用いて作製されるアノード支持型セルの周縁部に反りが生じることが確認された。そして、このアノード支持型セルの周縁部の反りは、アノード支持基板又はアノード支持基板グリーンシートと電解質層前駆体との積層体を焼成する際に、電解質層前駆体が収縮して、アノード支持基板の周縁端部が電解質膜側に引っ張られ、反り上がることで生じることが判明した。 However, as a result of investigations by the present inventors, it was confirmed that even when the peripheral portion of the anode support substrate was smoothed, the peripheral portion of the anode support cell manufactured using the anode support substrate was warped. . The warpage of the peripheral edge of the anode-supporting cell is caused by the shrinkage of the electrolyte layer precursor when the anode support substrate or the laminate of the anode support substrate green sheet and the electrolyte layer precursor is fired. It has been found that the peripheral edge of the film is pulled to the electrolyte membrane side and warps up.
このように、アノード支持型セルの周縁部に反りが存在すると、セルスタックとして多層積層されて大きな積層荷重を受けた際に、反りに起因する局部的な応力集中による割れや破損等を生じることがあり、また、燃料電池を構成する際の単セルとガス管との接合部、単セル同士の接合部又は単セル間に配置されるインターコネクタ(セパレータ)と単セルとの接合部等のシール性が悪くなり、動作時にガス漏れを生じることがあった。さらに、アノード支持型ハーフセルの段階で、その周縁部に反りが存在すると、スクリーン印刷によりカソード層を印刷する際に、アノード支持型ハーフセルと印刷版との接触が不均一となり、カソード層の厚さムラや印刷抜けを生じるという問題があった。 In this way, if there is a warp at the periphery of the anode-supported cell, when the cell stack is multi-layered and subjected to a large stacking load, cracking or breakage due to local stress concentration caused by the warp may occur. In addition, there are joints between single cells and gas pipes when configuring a fuel cell, joints between single cells or interconnectors (separators) arranged between single cells and joints between single cells, etc. The sealing performance deteriorates and gas leakage may occur during operation. Further, if there is a warp at the peripheral edge at the stage of the anode-supporting half-cell, when the cathode layer is printed by screen printing, the contact between the anode-supporting half-cell and the printing plate becomes uneven, and the thickness of the cathode layer There was a problem of causing unevenness and missing prints.
本発明者らは、上記のようなアノード支持型セル又はアノード支持型ハーフセルの周縁部の反りによって生じる問題を解決するべく、研究を進めた結果、アノード支持基板と電解質層とを有するアノード支持型ハーフセルの周縁部の反りを低減することにより、最終的に得られるアノード支持型セルの周縁部の反りを低減できることを見出し、本発明を完成した。 As a result of advancing research to solve the problems caused by the warping of the peripheral edge of the anode-supporting cell or the anode-supporting half-cell as described above, the present inventors have found that the anode-supporting cell having an anode-supporting substrate and an electrolyte layer. The inventors have found that by reducing the warpage of the peripheral portion of the half cell, the warpage of the peripheral portion of the finally obtained anode-supporting cell can be reduced, and the present invention has been completed.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、アノード支持基板と電解質層とを有するアノード支持型ハーフセルであって、その周縁部の反り上がりが低減されており、スクリーン印刷によりカソード層を安定して形成できるアノード支持型ハーフセルを提供することを目的とする。また、本発明は、セルスタックとして多層積層した場合でも割れや破損を生じ難く、且つ、周縁部のシール性に優れたアノード支持型セルを提供することも目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and is an anode-supported half cell having an anode support substrate and an electrolyte layer, in which warpage of the peripheral portion thereof is reduced, and the cathode layer is stabilized by screen printing. It is an object to provide an anode-supported half cell that can be formed in this manner. It is another object of the present invention to provide an anode-supported cell that is unlikely to be cracked or damaged even when multilayered as a cell stack, and that has excellent peripheral edge sealing properties.
上記課題を解決することができた本発明のアノード支持型ハーフセルは、アノード支持基板と、前記アノード支持基板に積層された電解質層とを有するアノード支持型ハーフセルであって、電解質層が上面となるように載置し、レーザー光学式三次元形状測定装置を使用し、電解質層表面にレーザー光を照射してその反射光を三次元解析することにより求められる電解質層周縁端部の高さ(h1)と、その周縁端部からハーフセルの中心方向に3mmの位置における電解質層の高さ(h2)との差(Δh)が100μm以下であることを特徴とする。アノード支持型ハーフセルにおいて、その周縁部の反りを低減すれば、スクリーン印刷によりカソード層を形成する際に、電解質層と印刷版とが均一に接触するため、カソード層の膜厚の均一性が向上し、且つ、印刷抜けが低減される。さらに、ハーフセルの周縁部の反りを低減しておくことにより、最終的に得られるアノード支持型セルの周縁部の反りも低減できるため、多層積層した場合でも割れや破損を生じ難く、且つ、周縁部のシール性に優れたアノード支持型セルが得られる。 The anode-supporting half cell of the present invention that has solved the above problems is an anode-supporting half-cell having an anode supporting substrate and an electrolyte layer laminated on the anode supporting substrate, and the electrolyte layer is the upper surface. The height of the peripheral edge of the electrolyte layer (h1) obtained by irradiating the surface of the electrolyte layer with laser light and analyzing the reflected light three-dimensionally using a laser optical three-dimensional shape measuring device ) And the height (h2) of the electrolyte layer at a position of 3 mm from the peripheral edge to the center of the half cell, the difference (Δh) is 100 μm or less. In the anode-supported half cell, if the curvature of the peripheral edge is reduced, the electrolyte layer and the printing plate come into uniform contact with each other when the cathode layer is formed by screen printing, improving the uniformity of the cathode layer thickness. In addition, printing omission is reduced. Furthermore, by reducing the warpage of the peripheral edge of the half cell, the warpage of the peripheral edge of the finally obtained anode-supporting cell can also be reduced. As a result, an anode-supported cell having excellent part sealing properties can be obtained.
前記アノード支持基板は、ニッケル、コバルト、鉄及びこれらの酸化物よりなる群から選択される少なくとも1種と、安定化ジルコニア、セリア及びランタンガレートよりなる群から選択される少なくとも1種とを含むことが好ましく、前記電解質層が安定化ジルコニア、セリア及びランタンガレートよりなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。前記アノード支持基板の厚さ(T1)と前記電解質層の厚さ(T2)との比(T2/T1)は0.003〜0.35であることが好ましい。 The anode support substrate includes at least one selected from the group consisting of nickel, cobalt, iron and oxides thereof, and at least one selected from the group consisting of stabilized zirconia, ceria and lanthanum gallate. Preferably, the electrolyte layer contains at least one selected from the group consisting of stabilized zirconia, ceria and lanthanum gallate. The ratio (T2 / T1) between the thickness (T1) of the anode support substrate and the thickness (T2) of the electrolyte layer is preferably 0.003 to 0.35.
本発明には、前記アノード支持型ハーフセルにカソード層を形成したアノード支持型セル;このアノード支持型セルを有する固体酸化物形燃料電池も含まれる。上記アノード支持型セルを有する固体酸化物形燃料電池は、アノード支持型セルの割れによる劣化が抑制され、長寿命であるとともに、周縁部のシール性に優れ、動作時のガス漏れが抑制され、発電効率が向上する。 The present invention also includes an anode-supported cell in which a cathode layer is formed on the anode-supported half cell; and a solid oxide fuel cell having the anode-supported cell. The solid oxide fuel cell having the anode-supported cell is prevented from being deteriorated by cracking of the anode-supported cell, has a long life, and has excellent sealing performance at the periphery, and gas leakage during operation is suppressed. Power generation efficiency is improved.
本発明のアノード支持型ハーフセルは、アノード支持基板と電解質層とを有し、その周縁部の反り上がりが低減されている。そのため、本発明のアノード支持型ハーフセルは、スクリーン印刷によりカソード層を安定して形成できる。また、本発明のアノード支持型ハーフセルを用いて作製されるアノード支持型セルは、周縁部の反りが低減されており、セルスタックとして多層積層した場合でも割れや破損を生じ難く、且つ、周縁部のシール性に優れたものとなる。 The anode-supporting half cell of the present invention has an anode support substrate and an electrolyte layer, and the warping of the peripheral edge portion is reduced. Therefore, the anode supported half cell of the present invention can stably form the cathode layer by screen printing. In addition, the anode-supported cell produced using the anode-supported half cell of the present invention has reduced warpage at the peripheral edge, and is less likely to crack or break even when multilayered as a cell stack. Excellent sealing performance.
本発明のアノード支持型ハーフセルは、アノード支持基板と、前記アノード支持基板に積層された電解質層とを有しており、電解質層周縁端部の高さ(h1)と、その周縁端部からハーフセルの中心方向に3mmの位置における電解質層の高さ(h2)との差(Δh)が100μm以下であることを特徴とする。なお、差(Δh)とは、高さ(h1)と高さ(h2)との差の絶対値である。前記差(Δh)は、50μm以下が好ましく、より好ましくは20μm以下、さらに好ましくは10μm以下、特に好ましくは5μm以下である。 The anode-supporting half cell of the present invention includes an anode support substrate and an electrolyte layer laminated on the anode support substrate, and the height (h1) of the electrolyte layer peripheral edge and the half cell from the peripheral edge. The difference (Δh) from the height (h2) of the electrolyte layer at a position of 3 mm in the center direction is 100 μm or less. The difference (Δh) is the absolute value of the difference between the height (h1) and the height (h2). The difference (Δh) is preferably 50 μm or less, more preferably 20 μm or less, still more preferably 10 μm or less, and particularly preferably 5 μm or less.
電解質層は、その前駆体を焼成により緻密層と変化させるため、焼成時の収縮量が非常に大きくなる。そのため、アノード支持基板又はそのグリーンシートと電解質層前駆体とを積層して焼成を行うと、アノード支持基板の周縁端部が電解質層の収縮により引っ張られ、電解質層側に反り上がるようになる。本発明のアノード支持型ハーフセルは、このように反り上がった周縁部を除去することにより、周縁部の反りを低減したものである。 Since the electrolyte layer changes its precursor into a dense layer by firing, the amount of shrinkage during firing becomes very large. Therefore, when the anode support substrate or its green sheet and the electrolyte layer precursor are laminated and fired, the peripheral edge portion of the anode support substrate is pulled by the shrinkage of the electrolyte layer and warps to the electrolyte layer side. The anode-supporting half cell of the present invention is obtained by reducing the warpage of the peripheral portion by removing the peripheral portion that has warped in this manner.
本発明のアノード支持型ハーフセルは、周縁部の反りが低減されているため、スクリーン印刷によりカソード層を印刷する場合に、アノード支持型ハーフセルと印刷版とを均一に接触させることができる。そのため、スクリーン印刷により、厚さの均一性の高いカソード層を形成することができ、且つ、印刷抜けを抑制できる。また、本発明のアノード支持型ハーフセルを用いてアノード支持型セルを作製する場合、電解質層上にカソード層前駆体を形成し焼成することとなる。ここで、カソード層前駆体の焼成時の収縮量は小さいので、この焼成によってアノード支持基板や電解質層がカソード層側に反り上がることはない。よって、本発明のアノード支持型ハーフセルを用いれば、周縁部の反りが低減されたアノード支持型セルが得られる。 In the anode-supporting half cell of the present invention, since the warpage of the peripheral portion is reduced, when the cathode layer is printed by screen printing, the anode-supporting half cell and the printing plate can be uniformly contacted. Therefore, a cathode layer with high uniformity in thickness can be formed by screen printing, and printing omission can be suppressed. When an anode-supported cell is produced using the anode-supported half cell of the present invention, a cathode layer precursor is formed on the electrolyte layer and fired. Here, since the amount of shrinkage at the time of firing the cathode layer precursor is small, the firing does not cause the anode support substrate or the electrolyte layer to warp to the cathode layer side. Therefore, when the anode-supported half cell of the present invention is used, an anode-supported cell with reduced peripheral edge warpage can be obtained.
前記アノード支持型ハーフセルの厚さ(T)に対する前記差(Δh)の比(Δh/T)は0.5以下が好ましく、より好ましくは0.35以下、さらに好ましくは0.3以下、特に好ましくは0.2以下である。前記比(Δh/T)が小さい程、セルスタックとして多層積層した場合でも割れや破損を生じ難く、且つ、周縁部のシール性に優れたアノード支持型セルとなる傾向がある。なお、前記比(Δh/T)の下限は、当然0である。 The ratio (Δh / T) of the difference (Δh) to the thickness (T) of the anode-supported half cell is preferably 0.5 or less, more preferably 0.35 or less, still more preferably 0.3 or less, particularly preferably. Is 0.2 or less. The smaller the ratio (Δh / T), the easier it is to produce an anode-supported cell that is less susceptible to cracking and breakage even when multilayered as a cell stack, and that has excellent peripheral edge sealing properties. The lower limit of the ratio (Δh / T) is naturally zero.
前記アノード支持型ハーフセルの厚さ(T)は、110μm以上が好ましく、より好ましくは130μm以上、さらに好ましくは160μm以上であり、3mm以下が好ましく、より好ましくは1mm以下、さらに好ましくは0.5mm以下である。アノード支持型ハーフセルの厚さが上記範囲内であれば、アノード支持型セルとした場合に、機械的強度が十分であるとともに、燃料ガスの拡散性も良好なものとなる。 The thickness (T) of the anode-supporting half cell is preferably 110 μm or more, more preferably 130 μm or more, further preferably 160 μm or more, preferably 3 mm or less, more preferably 1 mm or less, still more preferably 0.5 mm or less. It is. If the thickness of the anode-supporting half cell is within the above range, the anode-supporting cell has sufficient mechanical strength and good fuel gas diffusibility.
前記アノード支持型ハーフセルにおいて、アノード支持基板の厚さ(T1)と電解質層の厚さ(T2)との比(T2/T1)は、0.003以上が好ましく、より好ましくは0.01以上、さらに好ましくは0.04以上であり、0.35以下が好ましく、より好ましくは0.2以下、さらに好ましくは0.1以下である。アノード支持基板の厚さに対する電解質層の厚さが大きくなるほど、電解質層の焼成収縮による反り上がりが大きくなるため、本発明の効果が一層顕著になる。 In the anode-supporting half cell, the ratio (T2 / T1) between the thickness (T1) of the anode support substrate and the thickness (T2) of the electrolyte layer is preferably 0.003 or more, more preferably 0.01 or more. More preferably, it is 0.04 or more, 0.35 or less is preferable, More preferably, it is 0.2 or less, More preferably, it is 0.1 or less. As the thickness of the electrolyte layer with respect to the thickness of the anode support substrate is increased, the warpage due to firing shrinkage of the electrolyte layer is increased, and thus the effect of the present invention becomes more remarkable.
前記アノード支持基板は、導電性を与えるための導電成分と、支持基板の骨格成分となるセラミック質を主たる構成素材とする。 The anode support substrate is mainly composed of a conductive component for imparting conductivity and a ceramic material which is a skeleton component of the support substrate.
前記導電成分は、アノード支持基板に導電性を与える上で必須の成分であり、ニッケル、コバルト、鉄、白金、パラジウム、ルテニウム等の金属;酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄のように燃料電池稼動時の還元性雰囲気で導電性金属に変化する金属酸化物;あるいはこれらの酸化物を2種以上含有するニッケルフェライトやコバルトフェライトのような複合金属酸化物が挙げられる。これらは単独で使用し得るほか、必要により2種以上を適宜組み合わせて使用できる。これらの中でも、金属ニッケル、金属コバルト、金属鉄又はこれらの酸化物が好ましい。 The conductive component is an essential component for imparting conductivity to the anode support substrate, and is a metal such as nickel, cobalt, iron, platinum, palladium, ruthenium; and fuel cell operation such as nickel oxide, cobalt oxide, and iron oxide. Metal oxides that change to conductive metals in the reducing atmosphere at the time; or composite metal oxides such as nickel ferrite and cobalt ferrite containing two or more of these oxides. These may be used alone or in combination of two or more as necessary. Among these, metallic nickel, metallic cobalt, metallic iron, or oxides thereof are preferable.
前記骨格成分は、アノード層及びアノード支持基板の耐積層荷重強度と耐レドックス性を確保する上で重要な成分である。前記骨格成分としては、ジルコニア、アルミナ、マグネシア、チタニア、窒化アルミニウム、ムライト等の単独もしくは複合物が使用される。これらの中でも最も汎用性の高いのは安定化ジルコニアであり、該安定化ジルコニアとしては、ジルコニアに、安定化剤としてMgO、CaO、SrO、BaO等のアルカリ土類金属の酸化物;Y2O3、La2O3、CeO2、Pr2O3、Nd2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Tb2O3、Dy2O3、Er2O3、Tm2O3、Yb2O3等の希土類元素の酸化物;Sc2O3、Bi2O3、In2O3等から選ばれる1種若しくは2種以上の酸化物を固溶させたもの、あるいは更に、これらに分散強化剤としてアルミナ、チタニア、Ta2O5、Nb2O5等が添加された分散強化型ジルコニア等が好ましいものとして例示される。また、骨格成分として、CeO2やBi2O3にCaO、SrO、BaO、Y2O3、La2O3、Ce2O3、Pr2O3、Nb2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Tb2O3、Dr2O3、Ho2O3、Er2O3、YbO3、PbO、WO3、MoO3、V2O5、Ta2O5、Nb2O5の1種もしくは2種以上を添加したセリア系又はビスマス系、更には、LaGaO3の如きガレート系セラミックも使用可能である。これらは単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、骨格成分としては、安定化ジルコニア、セリア系、ランタンガレートが好ましく、安定化ジルコニアがより好ましく、特に好ましいのは2.5〜12モル%のイットリアで安定化されたジルコニア、3〜15モル%のスカンジアで安定化されたジルコニアである。 The skeletal component is an important component in securing the lamination load strength and redox resistance of the anode layer and the anode support substrate. As the skeletal component, zirconia, alumina, magnesia, titania, aluminum nitride, mullite or the like is used alone or in combination. Among these, the most versatile is stabilized zirconia. As the stabilized zirconia, zirconia is used, and oxides of alkaline earth metals such as MgO, CaO, SrO, BaO as stabilizers; Y 2 O 3 , La 2 O 3 , CeO 2 , Pr 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Er 2 O 3 , Oxides of rare earth elements such as Tm 2 O 3 and Yb 2 O 3 ; one or more oxides selected from Sc 2 O 3 , Bi 2 O 3 , In 2 O 3, etc. Or, furthermore, dispersion strengthened zirconia or the like to which alumina, titania, Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 or the like is added as a dispersion strengthening agent is exemplified. Further, as the skeleton component, CeO 2 and Bi 2 O 3 are added to CaO, SrO, BaO, Y 2 O 3 , La 2 O 3 , Ce 2 O 3 , Pr 2 O 3 , Nb 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dr 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , YbO 3 , PbO, WO 3 , MoO 3 , V 2 O 5 , Ta 2 O 5 Further, a ceria-based or bismuth-based ceramic added with one or more of Nb 2 O 5 and a gallate-based ceramic such as LaGaO 3 can also be used. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, as the skeleton component, stabilized zirconia, ceria, and lanthanum gallate are preferable, stabilized zirconia is more preferable, and particularly preferable is zirconia stabilized with 2.5 to 12 mol% yttria, 3 to Zirconia stabilized with 15 mol% scandia.
前記導電成分と骨格成分との比率は、これらの合計を100質量%としたとき、導電成分と骨格成分との比(導電成分/骨格成分)を30質量%/70質量%以上、80質量%/20質量%以下が好ましく、より好ましくは40質量%/60質量%以上、70質量%/30質量%以下である。ここで言う導電成分の量は、導電成分が酸化物として存在するときの量で、酸化物に換算した量である。 The ratio of the conductive component to the skeletal component is 30% by mass / 70% by mass or more and 80% by mass when the total of these components is 100% by mass. / 20 mass% or less is preferable, More preferably, it is 40 mass% / 60 mass% or more and 70 mass% / 30 mass% or less. The amount of the conductive component referred to here is an amount when the conductive component exists as an oxide, and is an amount converted to an oxide.
アノード支持基板の厚さ(T1)は、100μm以上が好ましく、より好ましくは120μm以上、さらに好ましくは150μm以上であり、3mm以下が好ましく、より好ましくは2mm以下、さらに好ましくは1mm以下、特に好ましくは500μm以下である。アノード支持基板の厚さが上記範囲内であれば、アノード支持基板の機械的強度とガス通過性をバランス良く両立できる。 The thickness (T1) of the anode support substrate is preferably 100 μm or more, more preferably 120 μm or more, further preferably 150 μm or more, preferably 3 mm or less, more preferably 2 mm or less, still more preferably 1 mm or less, particularly preferably. 500 μm or less. As long as the thickness of the anode support substrate is within the above range, the mechanical strength and gas permeability of the anode support substrate can be balanced.
また、アノード支持基板の空隙率は、20%以上が好ましく、より好ましくは25%以上、さらに好ましくは30%以上であり、50%以下が好ましく、より好ましくは45%以下、さらに好ましくは40%以下である。アノード支持基板の空隙率が上記範囲内であれば、アノード支持基板の機械的強度とガス通過性をバランス良く両立できる。 Further, the porosity of the anode support substrate is preferably 20% or more, more preferably 25% or more, further preferably 30% or more, preferably 50% or less, more preferably 45% or less, still more preferably 40%. It is as follows. If the porosity of the anode support substrate is within the above range, the mechanical strength and gas permeability of the anode support substrate can be achieved in a balanced manner.
アノード支持基板上に電解質層が形成されるが、この際、アノード支持基板と電解質層との間にアノード層を設けてもよい。なお、アノード支持基板がアノードとして作用し得る場合には、アノード層は設けなくてもよい。
前記アノード層は、前記アノード支持基板と同様に、導電性を与えるための導電成分と、支持基板の骨格成分となるセラミック質を主たる構成素材とする。導電成分、骨格成分としては、前記アノード支持基板と同様のものが挙げられる。
An electrolyte layer is formed on the anode support substrate. At this time, an anode layer may be provided between the anode support substrate and the electrolyte layer. When the anode support substrate can act as an anode, the anode layer may not be provided.
Similar to the anode support substrate, the anode layer is mainly composed of a conductive component for providing conductivity and a ceramic material which is a skeleton component of the support substrate. Examples of the conductive component and the skeleton component are the same as those for the anode support substrate.
アノード層の厚さは、5μm以上が好ましく、より好ましくは10μm以上、さらに好ましくは15μm以上であり、100μm以下が好ましく、より好ましくは50μm以下、さらに好ましくは30μm以下である。アノード層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、アノード支持型セルとした場合に、発電性能がより良好となる。 The thickness of the anode layer is preferably 5 μm or more, more preferably 10 μm or more, further preferably 15 μm or more, preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less, and further preferably 30 μm or less. When the thickness of the anode layer is within the above range, the electrode reaction is efficiently performed, and the power generation performance is better when the anode-supported cell is used.
前記電解質層は、セラミックス質を主成分とする。前記セラミックス質としては、通常電解質層の材料として用いられるものであればとくに限定されず、例えば、酸化イットリウム、酸化セリウム、酸化スカンジウム、酸化イッテルビウム等で安定化されたジルコニア;イットリア、サマリア、ガドリニア等でドープされたセリア;ランタンガレート、及びランタンガレートのランタン又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型ペロブスカイト構造酸化物等を使用することができる。これらは単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、酸化イットリウム、酸化スカンジウム、酸化イッテルビウム等で安定化されたジルコニアが好適である。 The electrolyte layer is mainly composed of a ceramic material. The ceramic material is not particularly limited as long as it is usually used as a material for the electrolyte layer. For example, zirconia stabilized with yttrium oxide, cerium oxide, scandium oxide, ytterbium oxide, etc .; yttria, samaria, gadolinia, etc. Doped ceria; lanthanum gallate and lanthanum gallate perovskite structure oxidation in which lanthanum or gallium part of lanthanum gallate is substituted with strontium, calcium, barium, magnesium, aluminum, indium, cobalt, iron, nickel, copper, etc. Things can be used. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, zirconia stabilized with yttrium oxide, scandium oxide, ytterbium oxide, or the like is preferable.
特に、セラミックス質として、3モル%以上10モル%以下の酸化イットリウムで安定化されたジルコニア、4モル%以上12モル%以下の酸化スカンジウムで安定化されたジルコニア、8モル%以上12モル%以下の酸化スカンジウムと4モル%以上15モル%以下の酸化イッテルビウムで安定化されたジルコニアを用いることが好ましい。また、これらの安定化ジルコニアに、アルミナ、シリカ、チタニア等を焼結助剤や分散強化剤として添加した材料も好適に用いることができる。 In particular, as a ceramic material, zirconia stabilized with 3 to 10 mol% yttrium oxide, 4 to 12 mol% zirconia stabilized with scandium oxide, 8 to 12 mol% It is preferable to use zirconia stabilized with 4 mol% or more and 15 mol% or less of ytterbium oxide. A material obtained by adding alumina, silica, titania or the like as a sintering aid or dispersion strengthening agent to these stabilized zirconia can also be suitably used.
電解質層の厚さ(T2)は、5μm以上が好ましく、より好ましくは7μm以上、さらに好ましくは10μm以上であり、50μm以下が好ましく、より好ましくは30μm以下、さらに好ましくは20μm以下である。電解質層の厚さが上記範囲内であれば、アノード支持型セルとした場合に、発電性能がより良好となる。 The thickness (T2) of the electrolyte layer is preferably 5 μm or more, more preferably 7 μm or more, further preferably 10 μm or more, preferably 50 μm or less, more preferably 30 μm or less, and still more preferably 20 μm or less. When the thickness of the electrolyte layer is within the above range, the power generation performance is better when an anode-supported cell is used.
電解質層の空隙率は、10%以下が好ましく、より好ましくは7%以下、さらに好ましくは5%以下である。電解質層の空隙率が上記範囲内であれば、電解質層の機械的強度が十分となるとともに、燃料ガスや空気のガスタイト性も良好となる。 The porosity of the electrolyte layer is preferably 10% or less, more preferably 7% or less, and still more preferably 5% or less. If the porosity of the electrolyte layer is within the above range, the mechanical strength of the electrolyte layer will be sufficient, and the gas tightness of fuel gas and air will be good.
本発明のアノード支持型ハーフセルの製造方法としては、例えば、アノード支持基板と電解質層とを含む多層焼成体(積層体)を作製する工程;この多層焼成体の周縁部を切断除去する工程を含む方法が挙げられる。多層焼成体の周縁部を切断除去することにより、反り上がった部分が除去され、周縁部の反りが低減されたアノード支持型ハーフセルが得られる。 The method for producing an anode-supported half cell of the present invention includes, for example, a step of producing a multilayer fired body (laminated body) including an anode support substrate and an electrolyte layer; and a step of cutting and removing a peripheral portion of the multilayer fired body. A method is mentioned. By cutting and removing the peripheral edge portion of the multilayer fired body, the warped portion is removed, and an anode-supporting half cell in which the peripheral edge warpage is reduced is obtained.
前記アノード支持基板と電解質層とを含む積層体を作製する方法としては、例えば、アノード支持基板グリーンシートと電解質層前駆体とを積層した積層体を形成した後、一括して焼成する方法(態様1);アノード支持基板グリーンシート、アノード層グリーンシート及び電解質層前駆体をこの順で積層した積層体を形成した後、一括して焼成する方法(態様2);アノード支持基板グリーンシートを焼成し、アノード支持基板を作製し、この上に電解質層前駆体を積層し、この積層体を焼成する方法(態様3);アノード支持基板グリーンシートを焼成し、アノード支持基板を作製し、この上にアノード層グリーンシートを積層し、さらにその上に電解質層前駆体を積層し、この積層体を焼成する方法(態様4);等が挙げられる。これらの中でも、態様2が好ましい。以下、前記積層体を形成する方法の一例として前記態様2を説明する。
Examples of a method for producing a laminate including the anode support substrate and the electrolyte layer include, for example, a method of forming a laminate in which an anode support substrate green sheet and an electrolyte layer precursor are laminated and then firing them together (mode) 1): A method of firing the anode supporting substrate green sheet, the anode layer green sheet, and the electrolyte layer precursor in this order and then firing them together (Aspect 2); firing the anode supporting substrate green sheet A method of producing an anode support substrate, laminating an electrolyte layer precursor thereon, and firing the laminate (Aspect 3); firing an anode support substrate green sheet, producing an anode support substrate, and Examples include a method of laminating an anode layer green sheet, further laminating an electrolyte layer precursor thereon, and firing the laminate (Aspect 4). Among these,
前記アノード層グリーンシート及びアノード支持基板グリーンシートは、導電成分の粉末、骨格成分の粉末及び気孔形成剤を、バインダーと溶媒、及び必要により分散剤や可塑剤等と共に均一に混合してスラリーを調製し、調製したスラリーを、ドクターブレード法、カレンダーロール法、押出し法等任意の方法で平滑なシート(例えばポリエステルシート等)上に適当な厚みで敷き延べ、乾燥して溶剤を揮発除去することにより得られる。 The anode layer green sheet and the anode support substrate green sheet are prepared by uniformly mixing a conductive component powder, a skeletal component powder, and a pore forming agent together with a binder, a solvent, and, if necessary, a dispersant, a plasticizer, and the like. Then, the prepared slurry is spread on a smooth sheet (for example, a polyester sheet) at an appropriate thickness by an arbitrary method such as a doctor blade method, a calender roll method, or an extrusion method, and dried to volatilize and remove the solvent. can get.
前記導電成分粉末は、平均粒子径(D50)が0.2μm以上、5μm以下で90体積%径(D90)が15μm以下が好ましく、より好ましくは平均粒子径が0.3μm以上、3μm以下で90体積%径が10μm以下、さらに好ましくは平均粒子径が0.4μm以上、2μm以下で90体積%径が8μm以下が好ましい。なお、本発明における平均粒子径とは、粒度分布から求められるメジアン径、すなわち50体積%径(D50)をいうものとする。これら平均粒子径と90体積%径は、堀場製作所製のLA−920等のレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置を用い、0.2質量%メタリン酸ナトリウム水溶液を分散媒として測定した粒度分布から求めることができる。 The conductive component powder preferably has an average particle diameter (D 50 ) of 0.2 μm or more and 5 μm or less and a 90 volume% diameter (D 90 ) of 15 μm or less, more preferably an average particle diameter of 0.3 μm or more and 3 μm or less. The 90 volume% diameter is 10 μm or less, more preferably the average particle diameter is 0.4 μm or more and 2 μm or less, and the 90 volume% diameter is 8 μm or less. Incidentally, the average particle diameter in the present invention, the median diameter determined from the particle size distribution, that is, shall refer to 50 volume% diameter (D 50). These average particle diameter and 90 volume% diameter were obtained from a particle size distribution measured using a 0.2% by mass sodium metaphosphate aqueous solution as a dispersion medium using a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring apparatus such as LA-920 manufactured by Horiba Seisakusho. Can be sought.
前記骨格成分粉末は、平均粒子径(D50)が0.1μm以上、3μm以下で90体積%径(D90)が6μm以下が好ましく、より好ましくは平均粒子径が0.1μm以上、1.5μm以下で90体積%径が3μm以下、さらに好ましくは平均粒子径が0.2μm以上、1μm以下で90体積%径が2μm以下が好ましい。 The skeletal component powder preferably has an average particle diameter (D 50 ) of 0.1 μm or more and 3 μm or less and a 90 volume% diameter (D 90 ) of 6 μm or less, more preferably an average particle diameter of 0.1 μm or more. 5 μm or less and 90% by volume of 3 μm or less, more preferably 0.2 μm or more and 1 μm or less and 90% by volume of 2 μm or less are preferable.
前記気孔形成剤としては、グリーンシート焼成時に焼失するものであればその種類は問わず、アクリル系樹脂等からなる架橋微粒子集合体;小麦粉、トウモロコシ澱粉(コーンスターチ)、甘藷澱粉、馬鈴薯澱粉、タピオカ澱粉等の天然有機質粉体;メラミンシアヌレート等の熱分解性もしくは昇華性の樹脂粉体;カーボンブラックや活性炭等の炭素質粉体等が挙げられる。これらは単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。 The pore-forming agent is not particularly limited as long as it burns down when the green sheet is fired, and is an aggregate of crosslinked fine particles made of an acrylic resin or the like; wheat flour, corn starch (corn starch), sweet potato starch, potato starch, tapioca starch Natural organic powders such as: thermally decomposable or sublimable resin powders such as melamine cyanurate; carbonaceous powders such as carbon black and activated carbon. These may be used alone or in combination of two or more.
前記気孔形成剤の平均粒子径は0.5μm以上、100μm以下が好ましく、より好ましくは3μm以上、50μm以下が好ましい。また。前記気孔形成剤の10体積%径は0.1μm以上、10μm以下が好ましく、より好ましくは1μm以上、5μm以下である。 The average particle diameter of the pore forming agent is preferably 0.5 μm or more and 100 μm or less, more preferably 3 μm or more and 50 μm or less. Also. The 10% by volume diameter of the pore forming agent is preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less, more preferably 1 μm or more and 5 μm or less.
前記気孔形成剤の使用量は、前記導電成分粉末と骨格成分粉末との合計100質量部に対して、2質量部以上が好ましく、より好ましくは5質量部以上であり、40質量部以下が好ましく、より好ましくは30質量部以下である。気孔形成剤の使用量を上記範囲内とすることにより、焼成時の熱分解によって適度に気孔が形成され、アノード支持基板及びアノード層のガス透過性や物理的強度がより良好となる。 The amount of the pore-forming agent used is preferably 2 parts by mass or more, more preferably 5 parts by mass or more, and preferably 40 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass in total of the conductive component powder and the skeleton component powder. More preferably, it is 30 parts by mass or less. By setting the use amount of the pore forming agent within the above range, pores are appropriately formed by thermal decomposition during firing, and the gas permeability and physical strength of the anode support substrate and the anode layer become better.
前記バインダーとしては、特に限定されず、従来公知の有機質のバインダーを適宜選択して使用することができる。有機質バインダーとしては、例えば、エチレン系共重合体、スチレン系共重合体、アクリレート系及びメタクリレート系共重合体、酢酸ビニル系共重合体、マレイン酸系共重合体、ビニルブチラール系樹脂、ビニルアセタール系樹脂、ビニルホルマール系樹脂、ビニルアルコール系樹脂、ワックス類、エチルセルロース等のセルロース類等が挙げられる。これらは単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。 The binder is not particularly limited, and a conventionally known organic binder can be appropriately selected and used. Examples of organic binders include ethylene copolymers, styrene copolymers, acrylate and methacrylate copolymers, vinyl acetate copolymers, maleic acid copolymers, vinyl butyral resins, and vinyl acetal series. Examples thereof include resins, vinyl formal resins, vinyl alcohol resins, waxes, and celluloses such as ethyl cellulose. These may be used alone or in combination of two or more.
前記溶媒としては、特に限定されず、アルコール類、グリコールエーテル類、脂肪族炭化水素系、ケトン類、エステル類等多種の有機溶剤を使用することができる。前記有機溶剤としては、具体的には、α−テルピネオール、ジヒドロターピネオール、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、1−ブタノール、1−ヘキサノール、グリセリン、ポリエチレングリコール等のアルコール類;ブチルカルビトールアセテート、ブチルカルビトール等のグリコールエーテル類;ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、ケロシン、シクロヘキサン等の脂肪族炭化水素類;アセトン、2−ブタノン等のケトン類;酢酸エチル、酢酸メチル、酢酸ブチル、ターピネオールアセテート、ジヒドロターピネオールアセテート等のエステル類;トルエン、キシレン等が挙げられる。これらは単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも塗工後の乾燥を早めるために、酢酸エチル、酢酸メチル、酢酸ブチル、メタノール、エタノール、アセトン、キシレン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン等が好ましい。 The solvent is not particularly limited, and various organic solvents such as alcohols, glycol ethers, aliphatic hydrocarbons, ketones, and esters can be used. Specific examples of the organic solvent include α-terpineol, dihydroterpineol, alcohols such as methanol, ethanol, isopropyl alcohol, 1-butanol, 1-hexanol, glycerin, and polyethylene glycol; butyl carbitol acetate, butyl carbitol Glycol ethers such as pentane, hexane, heptane, kerosene, cyclohexane, etc .; ketones such as acetone, 2-butanone, etc .; ethyl acetate, methyl acetate, butyl acetate, terpineol acetate, dihydroterpineol acetate, etc. Esters such as toluene and xylene. These may be used alone or in combination of two or more. Of these, ethyl acetate, methyl acetate, butyl acetate, methanol, ethanol, acetone, xylene, pentane, hexane, heptane and the like are preferable in order to accelerate drying after coating.
前記分散剤はセラミックス粉末の解膠や分散を促進するものである。前記分散剤としては、例えば、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸アンモニウム等の高分子電解質;クエン酸、酒石酸等の有機酸;イソブチレン又はスチレンと無水マレイン酸との共重合体及びそのアンモニウム塩あるいはアミン塩;ブタジエンと無水マレイン酸との共重合体及びそのアンモニウム塩等が挙げられる。 The dispersant promotes peptization and dispersion of the ceramic powder. Examples of the dispersant include polyelectrolytes such as polyacrylic acid and ammonium polyacrylate; organic acids such as citric acid and tartaric acid; copolymers of isobutylene or styrene and maleic anhydride and ammonium salts or amine salts thereof. A copolymer of butadiene and maleic anhydride, and an ammonium salt thereof;
前記可塑剤は、電解質層に柔軟性を付与するものである。前記可塑剤としては、フタル酸ジブチル、フタル酸ジオクチル、フタル酸ジトリデシル等のフタル酸エステル類;プロピレングリコール等のグリコール類やグリコールエーテル類;フタル酸系ポリエステル、アジピン酸系ポリエステル、セバチン酸系ポリエステル等のポリエステル類が挙げられる。 The plasticizer imparts flexibility to the electrolyte layer. Examples of the plasticizer include phthalic acid esters such as dibutyl phthalate, dioctyl phthalate and ditridecyl phthalate; glycols and glycol ethers such as propylene glycol; phthalic acid polyester, adipic acid polyester, sebacic acid polyester, and the like. Polyesters.
なお、アノード層用スラリー及びアノード支持基板用スラリーの各原料の配合量は、所望の物性に応じて適宜調製すればよい。またスラリーから得られたシートの乾燥条件は、溶媒を蒸発できる程度にすればよく、例えば70℃以上120℃以下程度で1時間以上10時間以下程度加熱すればよい。 In addition, what is necessary is just to prepare suitably the compounding quantity of each raw material of the slurry for anode layers, and the slurry for anode support substrates according to a desired physical property. Moreover, the drying conditions of the sheet | seat obtained from the slurry should just be a grade which can evaporate a solvent, for example, what is necessary is just to heat for about 1 hour or more and 10 hours or less at about 70 degreeC or more and 120 degrees C or less.
そして、アノード層グリーンシートとアノード支持基板グリーンシートの積層体を作製する方法としては、アノード層グリーンシート及びアノード支持基板グリーンシートそれぞれ別々に作製し、これらを積層し、加熱プレスすることにより積層体とする方法;アノード支持基板グリーンシートを作製した後、この上にアノード層グリーンシートをスクリーン印刷で形成する方法;等が挙げられる。加熱プレスの条件は、特に限定されず、例えば30℃以上100℃以下程度で、0.2MPa以上2MPa以下、10秒間以上5分間以下プレスすればよい。また、アノード支持基板については、所望の強度を確保するために、複数枚のグリーンシートを積層して用いてもよい。スクリーン印刷は、アノード支持基板グリーンシートあるいは複数のアノード支持基板グリーンシートを積層した積層体の上に、アノード層ペーストをスクリーン印刷する。 And as a method of producing a laminate of the anode layer green sheet and the anode support substrate green sheet, the anode layer green sheet and the anode support substrate green sheet are separately produced, laminated, and heated and pressed to obtain a laminate. And a method of forming an anode layer green sheet by screen printing on the anode supporting substrate green sheet. The conditions for the heat press are not particularly limited, and may be, for example, about 30 ° C. or higher and 100 ° C. or lower, and 0.2 MPa or higher and 2 MPa or lower for 10 seconds or longer and 5 minutes or shorter. As for the anode support substrate, a plurality of green sheets may be laminated and used in order to ensure a desired strength. In the screen printing, an anode layer paste is screen-printed on an anode supporting substrate green sheet or a laminate in which a plurality of anode supporting substrate green sheets are laminated.
次に、得られた積層体のアノード層グリーンシート上に前記電解質ペーストをスクリーン印刷する。前記電解質ペーストは、少なくともセラミックス質の原料となるセラミックス粉末及び溶媒を混合して電解質ペーストを調製する。 Next, the electrolyte paste is screen-printed on the anode layer green sheet of the obtained laminate. The electrolyte paste is prepared by mixing at least ceramic powder as a ceramic raw material and a solvent.
前記セラミックス粉末は、平均粒子径が0.3μm以上、0.7μm以下と微細なものを用いることが好ましい。また、セラミックス粉末としては、粒径分布の小さいものが好適である。具体的には、平均粒子径が0.3μm以上、0.7μm以下であり、且つ、90体積%径(D90)が1.2μm以下であるものが好ましく、より好ましくは平均粒子径が0.4μm以上、0.6μm以下であり、90体積%径が1.0μm以下である。 The ceramic powder preferably has a fine average particle diameter of 0.3 μm or more and 0.7 μm or less. Further, as the ceramic powder, those having a small particle size distribution are suitable. Specifically, those having an average particle diameter of 0.3 μm or more and 0.7 μm or less and a 90 volume% diameter (D 90 ) of 1.2 μm or less are preferable, and more preferably the average particle diameter is 0. .4 μm or more and 0.6 μm or less, and 90% by volume diameter is 1.0 μm or less.
前記溶媒としては、特に限定されず、前記アノード層用スラリーの材料として挙げたものから選択して使用することができる。溶媒は単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。なお、スクリーン印刷により電解質層前駆体を形成する場合、溶媒としては特に限定されず、アルコール類、グリコールエーテル類、脂肪族炭化水素類、ケトン類、エステル類等多種の有機溶剤を使用することができる。前記有機溶剤の具体例としては、α−テルピネオール、ジヒドロターピネオール、ターピネオールアセテート、ジヒドロターピネオールアセテート、ケロシン、1−ブタノール、1−ヘキサノール、2−ブタノン、イソプロピルアルコール、ポリエチレングリコール、グリセリン、ブチルカルビトールアセテート、ブチルカルビトール、トルエン、シクロヘキサン、メチルエチルケトン等が好ましい。溶媒の使用量は、特に限定されず、スクリーン印刷を行う際の電解質ペーストの粘度を考慮して適宜調節すればよい。 It does not specifically limit as said solvent, It can select and use from what was mentioned as a material of the said slurry for anode layers. A solvent may be used independently and may use 2 or more types together. In addition, when forming the electrolyte layer precursor by screen printing, the solvent is not particularly limited, and various organic solvents such as alcohols, glycol ethers, aliphatic hydrocarbons, ketones, esters may be used. it can. Specific examples of the organic solvent include α-terpineol, dihydroterpineol, terpineol acetate, dihydroterpineol acetate, kerosene, 1-butanol, 1-hexanol, 2-butanone, isopropyl alcohol, polyethylene glycol, glycerin, butyl carbitol acetate, Butyl carbitol, toluene, cyclohexane, methyl ethyl ketone and the like are preferable. The amount of the solvent used is not particularly limited, and may be appropriately adjusted in consideration of the viscosity of the electrolyte paste during screen printing.
前記電解質ペーストには、セラミックス粒子及び溶媒に加えて、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。前記バインダー、分散剤や可塑剤は、成膜する電解質前駆体の材料に合わせて、前記アノード層用スラリーの材料として挙げたものから選択して使用することができる。電解質ペーストは、上記成分を適量混合することにより調製する。その際、各粒子を細かくしたり粒子径を均一化するために、ボールミル等を用いて粉砕しつつ混合してもよい。また、各成分の添加の順番は特に制限されず、従来方法に従えばよい。 In addition to the ceramic particles and the solvent, a binder, a dispersant, a plasticizer, a surfactant, an antifoaming agent, and the like may be added to the electrolyte paste. The binder, dispersant, and plasticizer can be selected from those listed as materials for the anode layer slurry according to the material of the electrolyte precursor to be formed. The electrolyte paste is prepared by mixing an appropriate amount of the above components. At that time, in order to make each particle fine or to make the particle diameter uniform, the particles may be mixed while being pulverized using a ball mill or the like. Moreover, the order of addition of each component is not particularly limited, and may be according to a conventional method.
アノード層グリーンシート上に電解質ペーストを成膜する際のスクリーン印刷は、従来行われている方法と同様に行えばよい。アノード層グリーンシート上に塗工された電解質ペーストは、乾燥して溶剤を揮発除去する。電解質ペーストの乾燥条件は、溶媒を蒸発できる程度にすればよく、例えば70℃以上120℃以下程度で15分間以上10時間以下程度加熱すればよい。 Screen printing when forming the electrolyte paste on the anode layer green sheet may be performed in the same manner as a conventional method. The electrolyte paste coated on the anode layer green sheet is dried to volatilize and remove the solvent. The drying condition of the electrolyte paste may be such that the solvent can be evaporated, and for example, it may be heated at 70 ° C. or higher and 120 ° C. or lower for 15 minutes or longer and 10 hours or shorter.
アノード支持基板グリーンシート、アノード層グリーンシート及び電解質層前駆体をこの順で積層した積層体の焼成温度は、1100℃以上が好ましく、より好ましくは1200℃以上、さらに好ましくは1290℃以上であり、1500℃以下が好ましく、より好ましくは1400℃以下、さらに好ましくは1330℃以下である。また、焼成時の焼成時間は、0.1時間以上が好ましく、より好ましくは0.5時間以上、さらに好ましくは1時間以上であり、10時間以下が好ましく、より好ましくは7時間以下、さらに好ましくは5時間以下である。 The firing temperature of the laminate in which the anode support substrate green sheet, the anode layer green sheet, and the electrolyte layer precursor are laminated in this order is preferably 1100 ° C. or higher, more preferably 1200 ° C. or higher, and still more preferably 1290 ° C. or higher. 1500 degrees C or less is preferable, More preferably, it is 1400 degrees C or less, More preferably, it is 1330 degrees C or less. The firing time during firing is preferably 0.1 hour or longer, more preferably 0.5 hour or longer, further preferably 1 hour or longer, preferably 10 hours or shorter, more preferably 7 hours or shorter, still more preferably. Is 5 hours or less.
多層焼成体の周縁部を切断する方法としては、レーザー切断装置、ダイヤモンドカッターを用いる方法が挙げられる。これらの中でもレーザー切断装置を用いることが好ましい。レーザー切断装置を用いることにより、切断後の断面への微小クラックの発生を抑制でき、また、曲面加工も容易に行うことができる。なお、レーザー切断装置を用いた場合、レーザーによって局所的に加熱されることで、アノード支持基板と電解質層との熱膨張差に起因する反りを生じることがある。しかし、アノード支持基板や電解質層の空隙率を調整することにより、この熱膨張差に起因する反りの発生を低減することができる。 Examples of the method for cutting the peripheral edge of the multilayer fired body include a method using a laser cutting device and a diamond cutter. Among these, it is preferable to use a laser cutting device. By using a laser cutting device, generation of microcracks in the cross section after cutting can be suppressed, and curved surface processing can be easily performed. In the case of using a laser cutting device, warping due to a difference in thermal expansion between the anode support substrate and the electrolyte layer may occur due to local heating by the laser. However, by adjusting the porosity of the anode support substrate and the electrolyte layer, it is possible to reduce the occurrence of warping due to this difference in thermal expansion.
切断除去においては、焼成後の多層焼成体の全長を100%としたとき、周縁端部から切断部までの距離を5%以上とすることが好ましく、より好ましくは7%以上、さらに好ましくは9%以上であり、20%以下とすることが好ましく、より好ましくは17%以下、さらに好ましくは15%以下である。周縁端部から切断部までの距離を上記範囲内とすれば、反り上がりを十分に低減することができ、且つ、多層焼成体の無駄を抑えることができる。 In cutting and removal, when the total length of the fired multilayer fired body is 100%, the distance from the peripheral edge to the cut portion is preferably 5% or more, more preferably 7% or more, and still more preferably 9 % Or more, preferably 20% or less, more preferably 17% or less, and still more preferably 15% or less. If the distance from the peripheral edge part to the cut part is within the above range, warping can be sufficiently reduced and waste of the multilayer fired body can be suppressed.
周縁部の切断除去は、多層焼成体の全周について行うが、周縁端部から切断部までの距離は、全周縁について統一することが好ましい。焼成後の多層焼成体は、その周縁部が全周にわたって同程度の反り上がりが生じている。よって、全周を同程度に切断除去することにより、切断処理後のアノード支持型ハーフセルの周縁部も、その周縁部が全周にわたって同程度の反りが残存するようになる。このように、全周縁端の反りが同程度であれば、セルスタックとして多層積層した場合の割れや破損を一層抑制できる。なお、周縁部の一部分を除去した場合や、多層焼成体の中央部で分割した場合には、切断処理後のアノード支持型ハーフセルは、周縁部の反りに偏りが生じることとなり、セルスタックとして多層積層されて大きな積層荷重を受けた際に、反りに起因する局部的な応力集中による割れや破損等を生じることがある。 Although the peripheral portion is cut and removed for the entire circumference of the multilayer fired body, it is preferable that the distance from the peripheral edge portion to the cut portion is unified for the entire periphery. The fired multilayer fired body has the same degree of warpage over its entire periphery. Therefore, by cutting and removing the entire circumference to the same degree, the peripheral edge of the anode-supporting half cell after the cutting process also has the same degree of warpage over the entire circumference. Thus, if the warpage of the entire peripheral edge is approximately the same, it is possible to further suppress cracking and breakage when multilayered as a cell stack. In addition, when a part of the peripheral part is removed or divided at the center part of the multilayer fired body, the anode-supported half cell after the cutting treatment is biased in the warp of the peripheral part, and a multilayer is formed as a cell stack. When laminated and subjected to a large lamination load, cracks or breakage due to local stress concentration caused by warping may occur.
アノード支持型セル
本発明のアノード支持型セルは、前記アノード支持型ハーフセルにおいて、前記電解質の前記アノード層が積層された面と反対の面に、カソード層が形成されている。上述したように前記アノード支持型ハーフセルは、周縁部の反りが低減されているため、スクリーン印刷によりカソード層を安定して形成できる。よって、本発明のアノード支持型セルは、カソード層の厚さが均一であり、且つ、印刷抜けによる欠陥が低減されている。また、本発明のアノード支持型セルは、周縁部の反りが低減されており、セルスタックとして多層積層した場合でも割れや破損を生じ難く、且つ、周縁部のシール性に優れている。
Anode-supported cell In the anode-supported cell of the present invention, in the anode-supported half cell, a cathode layer is formed on the surface opposite to the surface on which the anode layer of the electrolyte is laminated. As described above, in the anode-supporting half cell, the warpage of the peripheral portion is reduced, so that the cathode layer can be stably formed by screen printing. Therefore, in the anode-supported cell of the present invention, the cathode layer has a uniform thickness, and defects due to printing failure are reduced. Further, the anode-supported cell of the present invention has a reduced warp at the peripheral edge, and even when multilayered as a cell stack, it does not easily crack or break, and has excellent sealing performance at the peripheral edge.
前記カソード層は、カソード層材料を、バインダーと溶媒、及び必要により分散剤や可塑剤等と共に均一に混合してペーストを調製し、調製したペーストを電解質層上にスクリーン印刷等により塗工し、乾燥、焼成することで形成できる。 The cathode layer is prepared by uniformly mixing a cathode layer material with a binder, a solvent, and, if necessary, a dispersant, a plasticizer, and the like to prepare a paste, and coating the prepared paste on the electrolyte layer by screen printing or the like. It can be formed by drying and baking.
前記カソード層材料としては、電子導電性に優れ、酸化雰囲気下でも安定なペロブスカイト形酸化物からなるものが一般的に用いられる。具体的には、La0.8Sr0.2MnO3、La0.6Sr0.4CoO3、La0.6Sr0.4FeO3、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3等、ランタンの一部をストロンチウムで置換したランタンマンガナイト、ランタンフェライトやランタンコバルタイト等がカソード層材料として好ましい。また、カソード層に酸素イオン導電性を付与するために、希土類元素等をドープしたセリアを適宜混合してもよい。 As the cathode layer material, a material made of a perovskite oxide which is excellent in electronic conductivity and stable even in an oxidizing atmosphere is generally used. Specifically, La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 , La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 , La 0.6 Sr 0.4 FeO 3 , La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3, etc., lanthanum manganite in which part of lanthanum is substituted with strontium Lanthanum ferrite, lanthanum cobaltite and the like are preferable as the cathode layer material. In addition, in order to impart oxygen ion conductivity to the cathode layer, ceria doped with a rare earth element or the like may be appropriately mixed.
カソード層用のペーストに用いられるバインダー、溶媒、分散剤、可塑剤等は、電解質ペーストと同様のものを使用すればよい。なお、各原料の配合量は、所望の物性に応じて適宜調製すればよい。得られたペーストを電解質層上に塗工する方法は、特に限定されないが、スクリーン印刷が好適である。スクリーン印刷は、従来行われている方法と同様に行えばよい。 The binder, solvent, dispersant, plasticizer and the like used for the cathode layer paste may be the same as those used for the electrolyte paste. In addition, what is necessary is just to prepare the compounding quantity of each raw material suitably according to a desired physical property. A method for coating the obtained paste on the electrolyte layer is not particularly limited, but screen printing is preferable. Screen printing may be performed in the same manner as a conventional method.
電解質層上に塗工されたカソード層用ペーストを、乾燥、焼成してカソード層を形成する。カソード用ペーストの乾燥条件は、溶媒を蒸発できる程度にすればよく、例えば70℃以上120℃以下程度で15分間以上10時間以下程度加熱すればよい。またカソード層前駆体の焼成条件は、その原料及び厚さに応じて適宜調節すればよいが、例えば、700℃以上1300℃以下程度で2時間以上10時間以下程度焼成すればよい。電解質上に形成されるカソード層の厚さは10μm以上80μm以下が好ましい。 The cathode layer paste applied on the electrolyte layer is dried and fired to form the cathode layer. The drying condition of the cathode paste may be such that the solvent can be evaporated, and for example, it may be heated at about 70 ° C. to 120 ° C. for about 15 minutes to about 10 hours. The cathode layer precursor firing conditions may be appropriately adjusted according to the raw material and thickness thereof. For example, the cathode layer precursor may be fired at about 700 ° C. to 1300 ° C. for about 2 hours to 10 hours. The thickness of the cathode layer formed on the electrolyte is preferably 10 μm or more and 80 μm or less.
固体酸化物形燃料電池
本発明の固体酸化物形燃料電池は、上記アノード支持型セルを有することを特徴とする。上記アノード支持型セルは、その周縁部の反りが低減されている。そのため、上記アノード支持型セルを有する固体酸化物型燃料電池は、アノード支持型セルの割れによる劣化が抑制され、長寿命であるとともに、周縁部のシール性に優れ、動作時のガス漏れが抑制され、発電効率が向上する。
Solid oxide fuel cell The solid oxide fuel cell of the present invention is characterized by having the anode-supported cell. The anode-supported cell has a reduced warp at its peripheral edge. For this reason, the solid oxide fuel cell having the anode-supported cell is prevented from being deteriorated by cracking of the anode-supported cell, has a long life, has excellent sealing performance at the periphery, and suppresses gas leakage during operation. As a result, power generation efficiency is improved.
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は、下記実施例によって限定されるものではなく、前・後記の趣旨に適合しうる範囲で適宜変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention will be described more specifically with reference to the following examples. However, the present invention is not limited to the following examples, and may be appropriately modified and implemented within a range that can meet the purpose described above and below. All of which are within the scope of the present invention.
1.周縁部の反り
アノード支持型ハーフセルを電解質層が上面となるように載置し、レーザー光学式非接触三次元形状測定装置(UBM社製、商品名「UBM1−14型」マイクロフォーカス エキスパート)を使用し、電解質層表面にレーザー光を照射してその反射光を三次元解析することにより、電解質層周縁端部の高さ(h1)と、その周縁端部からハーフセルの中心方向に3mmの位置における電解質層の高さ(h2)を測定し、差(Δh)を求めた。
なお、測定装置の仕様は、光源;半導体レーザー(780nm)、スポット径;1μm、垂直分離能;0.01μmであり、スキャンピッチは0.2mmとした。
1. Peripheral warpage Place the anode-supported half cell so that the electrolyte layer is on top, and use a laser optical non-contact three-dimensional shape measuring device (trade name “UBM1-14”, Micro Focus Expert, manufactured by UBM) Then, by irradiating the surface of the electrolyte layer with laser light and analyzing the reflected light in a three-dimensional manner, the height (h1) of the peripheral edge of the electrolyte layer and the position of 3 mm from the peripheral edge to the center of the half cell The height (h2) of the electrolyte layer was measured and the difference (Δh) was determined.
The specifications of the measuring apparatus were: light source: semiconductor laser (780 nm), spot diameter: 1 μm, vertical separation power: 0.01 μm, and scan pitch was 0.2 mm.
2.アノード支持基板、電解質の空隙率
製造例で作製したアノード支持型ハーフセルを切断し、走査型電子顕微鏡を用いて断面の10,000倍拡大写真を撮影した。得られた断面拡大写真における任意の厚さ方向5μm×平面方向10μmの領域をMicrosoft社の画像作成用ソフトであるペイント(登録商標)Ver.5.1に取り込み、白黒表示に変換した。かかる画像では、空隙部分は黒色で表示され、充填部分は白色で表示される。得られた画像をImage Metrology社製のイメージ解析ソフトである走査型プローブイメージプロセッサーVer.4.5.1.0(以下、「SPIP」という)を用いて、画像に占める空隙部分の割合を求めた。なお、処理前の画像では黒色と白色の中間である灰色部分が存在するが、誤差を低減するために、SPIPにおける0〜20,000のグレースケールを8,000に設定することにより黒色部分と白色部分とのコントラストを明確にした。
2. Anode support substrate, porosity of electrolyte The anode support half-cell produced in the production example was cut, and a 10,000 times magnified photograph of the cross section was taken using a scanning electron microscope. An arbitrary area of 5 μm in the thickness direction × 10 μm in the planar direction in the enlarged cross-sectional photograph obtained was applied to a paint (registered trademark) Ver. It was imported into 5.1 and converted to black and white display. In such an image, the void portion is displayed in black and the filled portion is displayed in white. The obtained image was scanned with a scanning probe image processor Ver., Which is image analysis software manufactured by Image Metrology. Using 4.5.1.0 (hereinafter referred to as “SPIP”), the ratio of the void portion in the image was obtained. In the image before processing, there is a gray portion that is intermediate between black and white, but in order to reduce the error, by setting the gray scale of 0 to 20,000 in SPIP to 8,000, The contrast with the white part was clarified.
3.荷重割れ試験
表面が平滑で平行度を保った2枚のアルミナ板(ニッカトー社製、「SSA−S」)にハーフセルを挟んだ状態で設置した。上部アルミナ板の上から、材料試験機(インストロン社製、「4301型」)を用いて圧縮荷重をかけていき、ハーフセルが割れた際の圧縮荷重を測定した。圧縮荷重は、2.0kN(200kgf)を最大とし、圧縮荷重2.0kNでも割れない場合は、「割れなし」と評価した。
3. Load cracking test It was installed in a state where a half cell was sandwiched between two alumina plates ("SSA-S" manufactured by Nikkato Co., Ltd.) whose surfaces were smooth and kept parallel. A compressive load was applied from above the upper alumina plate using a material tester (Instron, “4301 type”), and the compressive load when the half cell was cracked was measured. The maximum compressive load was 2.0 kN (200 kgf), and “no cracking” was evaluated when no cracking occurred even at a compressive load of 2.0 kN.
4.スクリーン印刷によるカソード電極形成の安定性及びアノード支持型セルのシール
性
製造例で得られた一辺75mmの正方形のアノード支持型ハーフセル上に、カソード層ペーストを、一辺60mmの正方形にスクリーン印刷することで、カソード層グリーンシートを形成した。
ここでカソードペーストは以下の様にして調整した。カソード粉末としてLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3粒子(セイミケミカル社製)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)5質量部、溶媒としてα−テルピネオール(和光純薬工業社製)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)6質量部、分散剤としてソルビタン酸エステル系界面活性剤(三洋化成社製、商品名「イオネット(登録商標)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。
4). Cathode electrode formation stability by screen printing and anode-supporting cell sealing performance Cathode layer paste is screen-printed on a square of 60 mm on a square on a 75 mm square anode-supporting half-cell obtained in the production example. A cathode layer green sheet was formed.
Here, the cathode paste was prepared as follows. 60 parts by mass of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 particles (manufactured by Seimi Chemical Co., Ltd.) as the cathode powder, 5 parts by mass of ethyl cellulose (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as the binder, and α-terpineol (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as the solvent 40 parts by mass, 6 parts by mass of dibutyl phthalate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a plasticizer, and a sorbitan acid-based surfactant (manufactured by Sanyo Kasei Co., Ltd., trade name “IONET (registered trademark) S-80” as a dispersant. “) 5 parts by mass were mixed using a mortar, and then pulverized using a three-roll mill (EXAKT technologies, model“ M-80S ”, roll material: alumina).
製膜後、100℃で30分間乾燥した後のカソード層グリーンシートの厚さをマイクロメータで測定した。測定は、カソード層を1片1cmの正方形の格子に区分して、この格子点上について、1枚あたり計25点測定した。なお、測定では、アノード支持型ハーフセルとカソード層グリーンシートの合計厚さを測定し、その値からアノード支持型ハーフセルの厚さを減じてカソード層グリーンシートの厚さとした。測定した厚さの標準偏差を求めることで、カソード層形成の安定性の評価とした。 After film formation, the thickness of the cathode layer green sheet after drying at 100 ° C. for 30 minutes was measured with a micrometer. In the measurement, the cathode layer was divided into square grids each having a size of 1 cm, and a total of 25 points were measured on each grid point. In the measurement, the total thickness of the anode-supporting half cell and the cathode layer green sheet was measured, and the thickness of the anode-supporting half cell was subtracted from that value to obtain the thickness of the cathode layer green sheet. The stability of the cathode layer formation was evaluated by obtaining the standard deviation of the measured thickness.
また、このカソード層を1000℃で2時間焼成して、アノード支持型セルを作製した。このセルのシール性を評価するため、セル周縁部3mmの部分にシール材としてガラスペーストを塗布し、インターコネクタで挟んでセルの電気性能評価装置にセットした。その後、セルを800℃まで昇温し、3%加湿水素をアノード側へ導入して、開回路起電圧(OCV)を測定した。理論起電圧は、約1.10Vである。OCVが理論起電圧より大きく低下しているものは、シール部分が十分に機能していないため燃料ガスがリークしている。よって、OCVが小さいものほど、シール性が悪いと判断できる。 Further, this cathode layer was baked at 1000 ° C. for 2 hours to produce an anode-supported cell. In order to evaluate the sealing performance of the cell, a glass paste was applied as a sealing material to a 3 mm peripheral portion of the cell, and was sandwiched between interconnectors and set in a cell electrical performance evaluation apparatus. Thereafter, the cell was heated to 800 ° C., 3% humidified hydrogen was introduced into the anode side, and the open circuit electromotive voltage (OCV) was measured. The theoretical electromotive voltage is about 1.10V. When the OCV is significantly lower than the theoretical electromotive voltage, the fuel gas leaks because the seal portion does not function sufficiently. Therefore, it can be determined that the smaller the OCV, the worse the sealing performance.
5.アノード支持基板、アノード層、電解質層の厚さ
製造例で得たアノード支持型ハーフセルを厚さ方向に切断し、切断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察することにより、各層の厚さを測定した。
5. Anode Support Substrate, Anode Layer, and Electrolyte Layer Thickness The anode supported half cell obtained in the production example was cut in the thickness direction, and the cut surface was observed with a scanning electron microscope (SEM) to determine the thickness of each layer. It was measured.
製造例1
1−1.アノード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(正同化学社製、平均粒子径0.7μm、90体積%径1.2μm)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(第一希元素社製、商品名「HSY−3.0」、平均粒子径0.7μm、90体積%径1.9μm)40質量部、空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、平均粒子径3.3μm、10体積%径1.5μm)10質量部、溶媒としてのトルエン60質量部とエタノール40質量部の混合溶剤、バインダーとしてのブチラール樹脂(積水化学社製、品名「BM−S」)10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)3質量部、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2質量部を、ボールミルにより混合し、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、厚さ300μmのアノード支持基板グリーンシートを作製した。
Production Example 1
1-1. Production of anode support substrate green sheet 60 parts by mass of nickel oxide (manufactured by Shodo Chemical Co., Ltd., average particle diameter 0.7 μm, 90 vol% diameter 1.2 μm) as conductive component, 3 mol% yttria stabilized zirconia as skeletal component 40 parts by mass of powder (manufactured by Daiichi Rare Element Co., Ltd., trade name “HSY-3.0”, average particle diameter 0.7 μm, 90 volume% diameter 1.9 μm), carbon black as a pore forming agent (manufactured by SEC Carbon Co., Ltd.) , SGP-3, average particle diameter 3.3 μm, 10 volume% diameter 1.5 μm) 10 parts by mass, mixed solvent of 60 parts by mass of toluene and 40 parts by mass of ethanol, butyral resin as a binder (manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd.) , Product name “BM-S”) 10 parts by mass, 3 parts by mass of dibutyl phthalate as a plasticizer (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), sorbitan fatty acid ester based surface activity as a dispersant A slurry was prepared by mixing 2 parts by mass of a sex agent with a ball mill.
Using the obtained slurry, a sheet was formed by a doctor blade method and dried at 70 ° C. for 5 hours to prepare a 300 μm thick anode supporting substrate green sheet.
1−2.アノード層グリーンシートの作製
導電成分としての酸化ニッケル(キシダ化学社製、平均粒子径0.75μm、90体積%径1.4μm)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(第一希元素社製、商品名「HSY−3.0」、平均粒子径0.7μm、90体積%径1.9μm)40質量部、空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、平均粒子径3.3μm、10体積%径1.5μm)6質量部、溶媒としてのトルエン60質量部とエタノール40質量部の混合溶剤、バインダーとしてのブチラール樹脂(積水化学社製、品名「BM−S」)10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)3質量部、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2質量部を、ボールミルにより混合し、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、100℃で1時間乾燥させて、厚さ20μmのアノード層グリーンシートを作製した。
1-2. Preparation of Anode Layer Green Sheet 60 parts by mass of nickel oxide (made by Kishida Chemical Co., Ltd., average particle diameter of 0.75 μm, 90 vol% diameter of 1.4 μm) as a conductive component, 3 mol% yttria-stabilized zirconia powder as a skeletal component ( Product name “HSY-3.0” manufactured by Daiichi Rare Element Co., Ltd., 40 parts by mass of average particle diameter 0.7 μm, 90 volume% diameter 1.9 μm, carbon black as a pore forming agent (manufactured by SEC Carbon, SGP -3, 6 parts by mass of an average particle size of 3.3 μm, 10% by volume of 1.5 μm), a mixed solvent of 60 parts by mass of toluene as a solvent and 40 parts by mass of ethanol, butyral resin as a binder (manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd., product name) "BM-S") 10 parts by weight, 3 parts by weight of dibutyl phthalate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a plasticizer, sorbitan fatty acid ester surfactant as a dispersant Two parts by mass 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 100 ° C. for 1 hour to prepare an anode layer green sheet having a thickness of 20 μm.
1−3.アノード層グリーンシートとアノード支持基板グリーンシートの積層体の作製 上記で得たアノード支持基板グリーンシートの上部に上記で得たアノード層グリーンシートを積層した。アノード支持基板グリーンシートとアノード層グリーンシートを積層したものを、ホットプレス機を用いて、60℃、0.5MPa、30秒間熱プレスし、積層体を作製した。 1-3. Production of Laminate of Anode Layer Green Sheet and Anode Support Substrate Green Sheet The anode layer green sheet obtained above was laminated on the anode support substrate green sheet obtained above. A laminate of the anode support substrate green sheet and the anode layer green sheet was hot-pressed at 60 ° C. and 0.5 MPa for 30 seconds using a hot press machine.
1−4.電解質膜の形成
セラミックス粉末として、スカンジア安定化ジルコニア未焼結粉末(第一希元素社製、商品名「10Sc1CeSZ」、平均粒子径0.60μm)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、溶媒として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、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。
1-4. Formation of Electrolyte Film As ceramic powder, scandia-stabilized zirconia unsintered powder (trade name “10Sc1CeSZ”, average particle diameter 0.60 μm, manufactured by Daiichi Rare Element Co., Ltd.) 60 parts by mass, ethyl cellulose (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a binder ) 5 parts by mass, α-terpineol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) as a solvent, 40 parts by mass, 6 parts by mass of dibutyl phthalate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) as a plasticizer, and sorbitan acid ester-based interface as a dispersant After mixing 5 parts by mass of an activator (manufactured by Sanyo Kasei Co., Ltd., trade name “Ionet S-80”) using a mortar, a three-roll mill (manufactured by EXAKT technologies, model “M-80S”, roll material: alumina ).
解砕後の電解質ペーストをスクリーン印刷により、上記で得た積層体のアノード層グリーンシート上に、厚さ15μmとなるように印刷し、100℃で30分間乾燥させた。乾燥後、一辺が100mmの正方形状に打抜き、アノード支持基板グリーンシート、アノード層前駆体及び電解質層前駆体の積層体を作製した。該積層体を1300℃、2時間焼成して、多層焼成体を作製した。焼成後の多層焼成体は、一辺が85mmの正方形状であった。また、アノード支持基板の厚さは250μm、アノード層の厚さは15μm、電解質層の厚さは10μmであった。アノード支持基板の厚さ(T1)と電解質層の厚さ(T2)との比(T2/T1)は、0.04であった。また、アノード支持基板の空隙率は32%、電解質層の空隙率は5%であった。作製した多層焼成体の内2枚(それぞれ多層焼成体A、多層焼成体Bとする。)について、周縁部の反りを測定した。結果を図1、3に示した。 The pulverized electrolyte paste was printed on the anode layer green sheet of the laminate obtained above by screen printing so as to have a thickness of 15 μm, and dried at 100 ° C. for 30 minutes. After drying, the substrate was punched into a square shape with a side of 100 mm to prepare a laminate of an anode support substrate green sheet, an anode layer precursor, and an electrolyte layer precursor. The laminate was fired at 1300 ° C. for 2 hours to produce a multilayer fired body. The fired multilayer fired body had a square shape with a side of 85 mm. The anode support substrate had a thickness of 250 μm, the anode layer had a thickness of 15 μm, and the electrolyte layer had a thickness of 10 μm. The ratio (T2 / T1) between the thickness (T1) of the anode support substrate and the thickness (T2) of the electrolyte layer was 0.04. Further, the porosity of the anode support substrate was 32%, and the porosity of the electrolyte layer was 5%. The warpage of the peripheral part was measured for two of the produced multilayer fired bodies (referred to as multilayer fired body A and multilayer fired body B, respectively). The results are shown in FIGS.
レーザー切断装置(住友重機械メカトロニクス社製YAGレーザ装置、型式「JK702H」)を用いて、焼成後の多層焼成体の周縁部を切断除去してアノード支持型ハーフセルを得た。具体的には、焼成後のアノード支持型ハーフセルの周縁端から10mmの部分を、全て除去した。上記多層焼成体Aの周縁部を除去したアノード支持型ハーフセルA、上記多層焼成体Bの周縁部を除去したアノード支持型ハーフセルBについて、周縁端部の反りを測定した。結果を図2、4に示した。 Using a laser cutting device (YAG laser device manufactured by Sumitomo Heavy Industries Mechatronics, model “JK702H”), the peripheral portion of the fired multilayer fired body was cut and removed to obtain an anode-supported half cell. Specifically, all the 10 mm portions from the peripheral edge of the fired anode-supported half cell were removed. For the anode-supported half cell A from which the peripheral edge of the multilayer fired body A was removed and the anode-supported half cell B from which the peripheral edge of the multilayer fired body B was removed, the warpage of the peripheral edge was measured. The results are shown in FIGS.
製造例2
製造例1と同様にして、アノード支持基板グリーンシート、アノード層前駆体及び電解質層前駆体の積層体を作製した。ただし、打ち抜く大きさを、一辺が77mmの正方形状にした。その後、製造例1と同様に、該積層体を1300℃、2時間焼成して、多層焼成体を作製した。焼成後の多層焼成体は、一辺が65mmの正方形状であった。また、アノード支持基板の厚さは、250μm、アノード層の厚さは15μm、電解質層の厚さは10μmであった。
Production Example 2
In the same manner as in Production Example 1, a laminate of an anode support substrate green sheet, an anode layer precursor, and an electrolyte layer precursor was produced. However, the punching size was a square shape with a side of 77 mm. Then, like the manufacture example 1, this laminated body was baked at 1300 degreeC for 2 hours, and the multilayer baked body was produced. The fired multilayer fired body had a square shape with a side of 65 mm. The anode support substrate had a thickness of 250 μm, the anode layer had a thickness of 15 μm, and the electrolyte layer had a thickness of 10 μm.
前記製造例1に記載した方法でアノード支持型ハーフセルを複数枚作製し、製造例2に記載した方法で多層焼成体を複数枚作製した。得られたアノード支持型ハーフセル、多層焼成体について、周縁部の反り等を評価し、結果を表1〜3に示した。 A plurality of anode-supported half cells were produced by the method described in Production Example 1, and a plurality of multilayer fired bodies were produced by the method described in Production Example 2. The obtained anode-supported half cell and multilayer fired body were evaluated for the warpage of the peripheral edge and the results are shown in Tables 1 to 3.
表1に示したように、Δhが100μm以下である製造例1で得られたアノード支持型ハーフセルは、いずれも圧縮荷重2.0kNでも割れなかった。これに対してΔhが100μmを超える製造例2の多層焼成体では、1.5kN、1.7kNで割れてしまった。これらの結果から、Δhを100μm以下とすることにより、セルスタックとして多層積層されて大きな積層荷重を受けた際にも、割れや破損等を生じることを抑制できることがわかる。 As shown in Table 1, none of the anode-supported half cells obtained in Production Example 1 having Δh of 100 μm or less was cracked even at a compression load of 2.0 kN. On the other hand, in the multilayer fired body of Production Example 2 in which Δh exceeds 100 μm, it was cracked at 1.5 kN and 1.7 kN. From these results, it can be seen that by setting Δh to 100 μm or less, it is possible to suppress the occurrence of cracks, breakage, and the like even when the cell stack is multi-layered and receives a large stacking load.
表2に示したように、Δhが100μm以下である製造例1で得られたアノード支持型ハーフセルは、カソード層厚さの標準偏差が3μm以下であり、厚さの均一性に優れていることがわかる。これに対して、Δhが100μmを超える製造例2の多層焼成体では、カソード層厚さの標準偏差が5μmを超えており、その厚さが非常にバラついていることがわかる。これらの結果から、Δhを100μm以下とすることにより、スクリーン印刷によりカソード層を安定して形成できることがわかる。 As shown in Table 2, the anode-supported half cell obtained in Production Example 1 in which Δh is 100 μm or less has a standard deviation of the cathode layer thickness of 3 μm or less, and is excellent in thickness uniformity. I understand. In contrast, in the multilayer fired body of Production Example 2 in which Δh exceeds 100 μm, the standard deviation of the cathode layer thickness exceeds 5 μm, and it can be seen that the thickness varies greatly. From these results, it can be seen that by setting Δh to 100 μm or less, the cathode layer can be stably formed by screen printing.
表3に示したように、Δhが100μm以下である製造例1で得られたアノード支持型ハーフセルは、いずれもOCVが1V以上であり、シール性に優れていることがわかる。これに対して、Δhが100μmを超える製造例2の多層焼成体では、いずれもOCVが0.8未満と小さく、シール性が悪いことがわかる。これらの結果から、Δhを100μm以下とすることにより、周縁部のシール性に優れたアノード支持型セルが得られることがわかる。 As shown in Table 3, it can be seen that all of the anode-supported half cells obtained in Production Example 1 having Δh of 100 μm or less have an OCV of 1 V or more and have excellent sealing properties. On the other hand, in the multilayer fired body of Production Example 2 in which Δh exceeds 100 μm, the OCV is as small as less than 0.8, indicating that the sealing performance is poor. From these results, it can be seen that by setting Δh to 100 μm or less, it is possible to obtain an anode-supported cell having excellent peripheral edge sealing performance.
Claims (12)
前記アノード支持基板と前記アノード層は導電成分と骨格成分とを含み、
前記導電成分は、金属ニッケル、金属コバルト、金属鉄、及びこれらの酸化物よりなる群から選択される1種以上、
前記アノード支持基板の前記骨格成分は、安定化ジルコニア、
前記アノード層の前記骨格成分は、安定化ジルコニア(但し、2.5〜12モル%のイットリアで安定化されたジルコニア、及び3〜15モル%のスカンジアで安定化されたジルコニアを除く)であり、
前記導電成分と前記骨格成分の比率は、前記導電成分と前記骨格成分の合計を100質量%としたとき、前記導電成分と前記骨格成分との比(導電成分/骨格成分)が30質量%/70質量%以上、80質量%/20質量%以下であり、
前記電解質層は、セラミックス質を主成分として含み、
前記セラミックス質は、酸化イットリウム、酸化スカンジウム、及び酸化イッテルビウムよりなる群から選ばれる少なくとも1種で安定化されたジルコニアであり、
前記アノード支持型ハーフセルの前記電解質層が上面となるように載置し、レーザー光学式三次元形状測定装置を使用し、電解質層表面にレーザー光を照射してその反射光を三次元解析することにより求められる電解質層周縁端部の高さ(h1)と、その周縁端部からハーフセルの中心方向に3mmの位置における電解質層の高さ(h2)との差(Δh)が100μm以下であることを特徴とするアノード支持型ハーフセル。 An anode-supported half cell having an anode support substrate, an anode layer, and an electrolyte layer in this order,
The anode support substrate and the anode layer include a conductive component and a skeleton component,
The conductive component is one or more selected from the group consisting of metallic nickel, metallic cobalt, metallic iron, and oxides thereof,
The skeletal component of the anode support substrate is stabilized zirconia,
The skeletal component of the anode layer is stabilized zirconia (except for zirconia stabilized with 2.5-12 mol% yttria and zirconia stabilized with 3-15 mol% scandia). ,
The ratio of the conductive component and the skeletal component is such that the ratio of the conductive component to the skeletal component (conductive component / skeleton component) is 30% by mass, where the total of the conductive component and the skeletal component is 100% by mass. 70% by mass or more and 80% by mass / 20% by mass or less,
The electrolyte layer includes a ceramic as a main component,
The ceramic material is zirconia stabilized with at least one selected from the group consisting of yttrium oxide, scandium oxide, and ytterbium oxide,
Place the anode-supported half cell so that the electrolyte layer is on the top surface, and use a laser optical three-dimensional shape measuring device to irradiate the electrolyte layer surface with laser light and analyze the reflected light in three dimensions. The difference (Δh) between the height (h1) of the peripheral edge of the electrolyte layer obtained by the above and the height (h2) of the electrolyte layer at a position of 3 mm from the peripheral edge to the center of the half cell is 100 μm or less. An anode-supported half-cell characterized by
前記アノード層の厚さは5μm以上、100μm以下、
前記電解質層の厚さは5μm以上、50μm以下、
である請求項1〜4のいずれか1項に記載のアノード支持型ハーフセル。 The anode support substrate has a thickness of 100 μm or more and 3 mm or less,
The anode layer has a thickness of 5 μm or more and 100 μm or less,
The thickness of the electrolyte layer is 5 μm or more and 50 μm or less,
The anode-supported half cell according to any one of claims 1 to 4.
前記アノード支持基板と前記電解質層とを含む多層焼成体を作製する工程と、
前記多層焼成体の周縁部を切断除去する工程と、
を有することを特徴とするアノード支持型ハーフセルの製造方法。 It is a manufacturing method of the anode support type half cell according to any one of claims 1 to 6,
Producing a multilayer fired body including the anode support substrate and the electrolyte layer;
Cutting and removing the peripheral edge of the multilayer fired body;
A process for producing an anode-supported half cell, comprising:
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