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JP6199680B2 - Solid oxide fuel cell half cell and solid oxide fuel cell - Google Patents

Solid oxide fuel cell half cell and solid oxide fuel cell Download PDF

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JP6199680B2 JP2013202723A JP2013202723A JP6199680B2 JP 6199680 B2 JP6199680 B2 JP 6199680B2 JP 2013202723 A JP2013202723 A JP 2013202723A JP 2013202723 A JP2013202723 A JP 2013202723A JP 6199680 B2 JP6199680 B2 JP 6199680B2
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Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池のハーフセル及び固体酸化物形燃料電池セルに関する。   The present invention relates to a half cell of a solid oxide fuel cell and a solid oxide fuel cell.

近年、燃料電池は、クリーンエネルギー源として注目されている。燃料電池のうち、電解質に固体のセラミックスを使用している固体酸化物形燃料電池(以下、「SOFC」と記載することがある)は、作動温度が高いため排熱を利用でき、さらに高効率で電力を得ることができる等の長所を有しており、家庭用電源から大規模発電まで幅広い分野での活用が期待されている。   In recent years, fuel cells have attracted attention as clean energy sources. Among fuel cells, solid oxide fuel cells that use solid ceramics as the electrolyte (hereinafter sometimes referred to as “SOFC”) can use exhaust heat because of their high operating temperature, and are even more efficient. It has the advantage of being able to obtain electric power, and is expected to be used in a wide range of fields from household power sources to large-scale power generation.

SOFCは、基本構造として、カソード(空気極)とアノード(燃料極)との間にセラミックスからなる固体電解質層が配置された構造を有する。例えば平型のSOFCは、カソード、固体電解質層及びアノードを重ね合せたものを単セルとし、この単セルがインターコネクターを挟んで複数積み重ねられることによって高出力を得る。このような平型のSOFCには、電解質を支持体としてセルの強度を維持する電解質支持型セル(ESC)、アノードを支持体としてセルの強度を維持するアノード支持型セル(ASC)及びカソードを支持体とするカソード支持型セル(CSC)等がある。   The SOFC has a structure in which a solid electrolyte layer made of ceramics is disposed between a cathode (air electrode) and an anode (fuel electrode) as a basic structure. For example, in a flat SOFC, a single cell is formed by superposing a cathode, a solid electrolyte layer, and an anode, and a plurality of the single cells are stacked with an interconnector interposed therebetween to obtain high output. Such a flat SOFC includes an electrolyte support cell (ESC) that maintains the strength of the cell with an electrolyte as a support, an anode support cell (ASC) that maintains the strength of the cell with an anode as a support, and a cathode. There is a cathode support cell (CSC) as a support.

SOFCのアノードとしては例えばニッケル−ジルコニアのサーメット(焼結体)が一般的に用いられている。SOFCの使用のたびに燃料極が高温雰囲気にさらされるので、燃料極中のニッケルが凝集し、燃料極の導電性が低下するためSOFCの発電性能が低下してしまうという問題が指摘されている。こうした問題を解決するために、特許文献1では、固体酸化物形燃料電池セルの燃料極材料として、酸化アルミニウム(Al23)などの酸化金属添加剤を含む材料が提案されている(特許文献1参照)。 For example, nickel-zirconia cermet (sintered body) is generally used as the anode of the SOFC. Each time the SOFC is used, the fuel electrode is exposed to a high-temperature atmosphere, so that nickel in the fuel electrode aggregates and the conductivity of the fuel electrode decreases, so the problem is that the power generation performance of the SOFC decreases. . In order to solve such problems, Patent Document 1 proposes a material containing a metal oxide additive such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ) as a fuel electrode material of a solid oxide fuel cell (patent). Reference 1).

特許文献2には、アノードの骨格構造としてNiに代えてNi−Mn合金又はNi−Mo合金からなる骨格構造を採用したSOFCセルが提案されている。このSOFCセルにおいては、骨格構造の合金の凝集が抑制されており、長期間運転してもセル電圧低下率が小さい。   Patent Document 2 proposes an SOFC cell that employs a skeleton structure made of a Ni—Mn alloy or a Ni—Mo alloy instead of Ni as the skeleton structure of the anode. In this SOFC cell, the agglomeration of the skeletal structure alloy is suppressed, and the cell voltage drop rate is small even when operated for a long time.

特開2011−198758号公報JP 2011-198758 A 特開2010−232135号公報JP 2010-232135 A

ところで、SOFCの発電性能に関しては、運転初期において出力電圧が低下してしまうことがあるという問題があった。   By the way, regarding the power generation performance of the SOFC, there is a problem that the output voltage may decrease in the initial operation.

そこで、本発明は、SOFCの運転初期において出力電圧の低下を抑制し得るSOFCのハーフセル及びSOFCセルを提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a SOFC half cell and a SOFC cell capable of suppressing a decrease in output voltage in the initial operation of the SOFC.

本発明は、
固体酸化物形燃料電池のハーフセルであって、
導電成分及び電解質成分を含むアノードと、
前記アノードの一方の主面に形成された電解質層と、を備え、
2とN2との体積比が1:9、気圧1atmの混合気体の雰囲気にあり、温度750℃である電気炉の内部で前記ハーフセルを4時間静置した後に、前記導電成分の前記電解質成分に対する剥離度が10%以下である、ハーフセルを提供する。
The present invention
A half cell of a solid oxide fuel cell,
An anode including a conductive component and an electrolyte component;
An electrolyte layer formed on one main surface of the anode,
The half cell is left in an electric furnace at a temperature of 750 ° C. in a mixed gas atmosphere with a volume ratio of H 2 and N 2 of 1: 9 and a pressure of 1 atm, and then the electrolyte of the conductive component Provided is a half-cell having a peeling degree of 10% or less with respect to components.

また、本発明は、上記のハーフセルにカソードが形成されている、固体酸化物形燃料電池セルを提供する。   The present invention also provides a solid oxide fuel cell in which the cathode is formed in the above half cell.

本発明のハーフセルでは、所定条件下でアノードを還元処理した後の、導電成分の電解質成分に対する剥離度が10%以下となっている。このため、アノードの導電成分が燃料である水素によって還元され収縮しても、電解質成分から剥離する程度が低く抑えられている。これによって、導電成分、電解質成分及び気相との三相界面が少なくなることを抑制でき、SOFCの運転初期における出力電圧の低下が抑制され得る。   In the half cell of the present invention, the degree of peeling of the conductive component with respect to the electrolyte component after reducing the anode under predetermined conditions is 10% or less. For this reason, even if the conductive component of the anode is reduced and contracted by hydrogen as a fuel, the degree of separation from the electrolyte component is kept low. Thereby, it is possible to suppress a decrease in the three-phase interface between the conductive component, the electrolyte component, and the gas phase, and it is possible to suppress a decrease in output voltage in the initial operation of the SOFC.

SOFCのハーフセルの一実施形態を示す断面図Sectional drawing which shows one Embodiment of half cell of SOFC SOFCセルの一実施形態を示す断面図Sectional drawing which shows one Embodiment of SOFC cell 水素還元処理後の実施例3に係るアノード活性層断面のSEM写真SEM photograph of cross section of anode active layer according to Example 3 after hydrogen reduction treatment 水素還元処理後の比較例5に係るアノード活性層断面のSEM写真SEM photograph of cross section of anode active layer according to Comparative Example 5 after hydrogen reduction treatment

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらによって限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The following description relates to an example of the present invention, and the present invention is not limited to these.

図1Aに示す通り、ハーフセル1は、アノード10と、アノード10の一方の主面に形成された電解質層20と、電解質層20のアノード10と接する面と反対側の面に形成されたバリア層30とを有している。図1Bは、ハーフセル1にカソード40が形成されたSOFCセル2を示している。   As shown in FIG. 1A, the half cell 1 includes an anode 10, an electrolyte layer 20 formed on one main surface of the anode 10, and a barrier layer formed on the surface of the electrolyte layer 20 opposite to the surface in contact with the anode 10. 30. FIG. 1B shows the SOFC cell 2 in which the cathode 40 is formed in the half cell 1.

アノード10は、アノード活性層11とアノード支持基板12とからなる。アノード活性層11は導電成分と電解質成分とを主な成分としており、電気化学反応が実質的に行われる層である。電解質成分はセラミックス質からなる骨格成分ということもできる。アノード支持基板12は、導電成分と電解質成分とを主な成分としており、アノード活性層11に水素などの燃料ガスを導くとともに、電解質層20及びカソード10を支持し、ハーフセル1又はSOFCセル2全体の支持体として機能するものである。つまり、本実施形態のハーフセルはアノード支持型セル(ASC)のハーフセルである。アノード支持基板12に含まれる電解質成分はセラミックス質からなる骨格成分でもある。アノード支持基板12がアノードとして十分に機能する場合には、アノード活性層11は省略してもよい。   The anode 10 includes an anode active layer 11 and an anode support substrate 12. The anode active layer 11 includes a conductive component and an electrolyte component as main components, and is a layer in which an electrochemical reaction is substantially performed. The electrolyte component can also be referred to as a skeleton component made of a ceramic material. The anode support substrate 12 includes a conductive component and an electrolyte component as main components, guides a fuel gas such as hydrogen to the anode active layer 11, supports the electrolyte layer 20 and the cathode 10, and the half cell 1 or the SOFC cell 2 as a whole. It functions as a support. That is, the half cell of this embodiment is an anode supported cell (ASC) half cell. The electrolyte component contained in the anode support substrate 12 is also a skeleton component made of a ceramic material. When the anode support substrate 12 functions sufficiently as an anode, the anode active layer 11 may be omitted.

アノード10(アノード活性層11又はアノード支持基板12)は、導電成分の粉体と電解質成分の粉体とを含む混合物の焼成体として構成されている。この混合物において、導電成分の粉体及び電解質成分の粉体が800〜1050℃で、0.2〜3時間の条件で仮焼処理されている。これにより、後述する剥離度が低い値を示す。   The anode 10 (the anode active layer 11 or the anode support substrate 12) is configured as a fired body of a mixture containing a conductive component powder and an electrolyte component powder. In this mixture, the conductive component powder and the electrolyte component powder are calcined at 800 to 1050 ° C. for 0.2 to 3 hours. Thereby, the peeling degree mentioned later shows a low value.

本実施形態のハーフセル1を所定の条件で水素還元処理して走査型電子顕微鏡(SEM)で観察して以下のようにして剥離度を求めると、本実施形態のハーフセル1のアノード活性層11の導電成分の電解質成分に対する剥離度は10%以下を示す。ハーフセル1の水素還元処理は、水素と窒素との体積比が1:9、気圧1atmの混合気体の雰囲気にあり、温度750℃である電気炉の内部でハーフセル1を4時間静置することにより行われる。   When the half cell 1 of this embodiment is subjected to hydrogen reduction treatment under a predetermined condition and observed with a scanning electron microscope (SEM) and the degree of peeling is determined as follows, the anode active layer 11 of the half cell 1 of this embodiment is determined. The degree of peeling of the conductive component with respect to the electrolyte component is 10% or less. The hydrogen reduction treatment of the half cell 1 is performed by allowing the half cell 1 to stand for 4 hours in an electric furnace having a volume ratio of hydrogen to nitrogen of 1: 9 and a pressure of 1 atm and a temperature of 750 ° C. Done.

また剥離度は、水素還元処理後のハーフセル1のアノード活性層11の断面を20000倍に拡大した4.5μm×6μmの領域をSEMで観察した写真において、任意の6個以上の導電成分の粒体の周長(空孔と接している部分を除く)の総和をLaとし、導電成分の粒体が電解質成分の粒体と接していない部分の長さの総和をLbとしたときに、以下の式で定義される。
剥離度[%]=(Lb/La)×100
Also, the degree of exfoliation was measured with a SEM image of a 4.5 μm × 6 μm region obtained by magnifying the cross section of the anode active layer 11 of the half cell 1 after the hydrogen reduction treatment by 20000 times. When the total perimeter of the body (excluding the part in contact with the vacancies) is La, and the total length of the parts of the conductive component granules not in contact with the electrolyte component granules is Lb, It is defined by the formula of
Peel degree [%] = (Lb / La) × 100

アノード活性層11において導電成分の電解質成分に対する剥離度が10%以下を示すハーフセルを用いたSOFCは、剥離度が10%よりも大きいハーフセルを用いたSOFCに比べて、運転初期における発電性能の低下が抑制されている。   In the anode active layer 11, the SOFC using a half cell in which the degree of exfoliation of the conductive component with respect to the electrolyte component is 10% or less is lower than the SOFC using the half cell in which the degree of exfoliation is greater than 10%. Is suppressed.

アノード活性層11の導電成分が運転初期に燃料である水素によって還元されて収縮することにより、導電成分が電解質成分から剥離することがあると考えられる。この導電成分と電解質成分との剥離は、導電成分、電解質成分及び気相との三相界面を減少させるので、運転初期の発電性能(出力電圧)の低下をもたらすものと考えられる。本実施形態においては、アノード活性層11の導電成分が、運転初期に燃料である水素によって還元されて収縮しても、導電成分の電解質成分からの剥離が抑制されているので、運転初期の発電性能の低下が抑制されている。   It is considered that the conductive component of the anode active layer 11 may be peeled off from the electrolyte component when the conductive component of the anode active layer 11 is reduced and contracted by hydrogen as a fuel in the initial stage of operation. The separation between the conductive component and the electrolyte component reduces the three-phase interface between the conductive component, the electrolyte component, and the gas phase, and is considered to cause a decrease in power generation performance (output voltage) at the initial stage of operation. In this embodiment, even if the conductive component of the anode active layer 11 is reduced and contracted by hydrogen as a fuel in the initial stage of operation, separation of the conductive component from the electrolyte component is suppressed. The decrease in performance is suppressed.

アノード活性層11に含まれる導電成分は、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄のように燃料電池稼働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、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄が好ましい。   The conductive component contained in the anode active layer 11 is a metal oxide that changes into a conductive metal in a reducing atmosphere during fuel cell operation, such as nickel oxide, cobalt oxide, or iron oxide; or two or more of these oxides Examples thereof include composite metal oxides such as nickel ferrite and cobalt ferrite. These may be used alone or in combination of two or more as necessary. Among these, nickel oxide, cobalt oxide, and iron oxide are preferable.

アノード活性層11に含まれる電解質成分としては、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。また、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る。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;Y23、La23、CeO2、Pr23、Nd23、Sm23、Eu23、Gd23、Tb23、Dy23、Er23、Tm23、Yb23等の希土類元素の酸化物;Sc23;Bi23;及びIn23等から選ばれる少なくとも何れか1種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、Ta25及びNb25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、電解質成分として、CeO2又はBi23に、CaO、SrO、BaO、Y23、La23、Ce23、Pr23、Nb23、Sm23、Eu23、Gd23、Tb23、Dr23、Ho23、Er23、Yb23、PbO、WO3、MoO3、V25、Ta25及びNb25から選ばれる少なくとも何れか1種を添加した、セリア系又はビスマス系セラミックスも使用可能である。また、LaGaO3のようなガレート系セラミックスも使用可能である。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、3〜10mol%のイットリアで安定化されたジルコニア、3〜10mol%のイッテルビアで安定化されたジルコニアが好ましく、具体的には、3mol%イットリア安定化ジルコニア(3YSZ)、8mol%イットリア安定化ジルコニア(8YSZ)、10mol%イットリア安定化ジルコニア(10YSZ)、3mol%イッテルビア安定化ジルコニア(3YbSZ)、8mol%イッテルビア安定化ジルコニア(8YbSZ)及び10mol%イッテルビア安定化ジルコニア(10YbSZ)を用いることが好ましい。 As the electrolyte component contained in the anode active layer 11, zirconia, alumina, magnesia, titania, aluminum nitride, mullite or the like is used alone or in combination. Of these, stabilized zirconia is the most versatile. Examples of the stabilized zirconia include zirconia, oxides of alkaline earth metals such as MgO, CaO, SrO, and BaO; Y 2 O 3 , La 2 O 3 , CeO 2 , Pr 2 O 3 , Nd 2 Oxides of rare earth elements such as 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 , Tm 2 O 3 , Yb 2 O 3 ; One in which at least one oxide selected from Sc 2 O 3 ; Bi 2 O 3 ; and In 2 O 3 is dissolved, or further, alumina, titania, Ta 2 O as a dispersion strengthening agent. Dispersion strengthened zirconia to which 5 and Nb 2 O 5 are added is exemplified as a preferable example. Further, as an electrolyte component, CeO 2 or Bi 2 O 3 , 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 are used. Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dr 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Yb 2 O 3 , PbO, WO 3 , MoO 3 , V 2 O 5 , Ta Ceria-based or bismuth-based ceramics to which at least one selected from 2 O 5 and Nb 2 O 5 is added can also be used. A gallate ceramic such as LaGaO 3 can also be used. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, zirconia stabilized with 3 to 10 mol% yttria and zirconia stabilized with 3 to 10 mol% ytterbia are preferable, and specifically, 3 mol% yttria stabilized zirconia (3YSZ), 8 mol% yttria. Stabilized zirconia (8YSZ), 10 mol% yttria stabilized zirconia (10YSZ), 3 mol% ytterbia stabilized zirconia (3YbSZ), 8 mol% ytterbia stabilized zirconia (8YbSZ) and 10 mol% ytterbia stabilized zirconia (10YbSZ) may be used. preferable.

アノード支持基板12に含まれる導電成分及び電解質成分は、アノード活性層11について述べたのと同様の成分が選択されうる。アノード支持基板12に含まれる導電成分及び電解質成分は、アノード活性層11に含まれる導電成分及び電解質成分と同じであってもよいし、異なっていてもよい。   As the conductive component and the electrolyte component included in the anode support substrate 12, the same components as those described for the anode active layer 11 can be selected. The conductive component and the electrolyte component included in the anode support substrate 12 may be the same as or different from the conductive component and the electrolyte component included in the anode active layer 11.

アノード活性層11の厚さは特に限定されないが、例えば5μm〜30μmである。アノード支持基板12に厚さは特に限定されないが、例えば150μm〜1500μmである。   Although the thickness of the anode active layer 11 is not specifically limited, For example, they are 5 micrometers-30 micrometers. Although the thickness is not specifically limited to the anode support substrate 12, For example, they are 150 micrometers-1500 micrometers.

電解質層13には、一般的なSOFCの電解質層が適用できるので、その材料は特に限定されない。詳しくは、電解質層13は、セラミックス質を主成分として含む。セラミックス質としては、通常、SOFCの電解質層の材料として用いられるものであれば特に限定されず、例えば、イットリア、セリア、スカンジア、イッテルビア等で安定化されたジルコニア;イットリア、サマリア、ガドリニア等が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、イットリア、スカンジア、イッテルビア等で安定化されたジルコニアが好適である。   Since a general SOFC electrolyte layer can be applied to the electrolyte layer 13, the material is not particularly limited. Specifically, the electrolyte layer 13 contains a ceramic material as a main component. The ceramic material is not particularly limited as long as it is normally used as a material for the SOFC electrolyte layer. For example, zirconia stabilized with yttria, ceria, scandia, ytterbia, etc .; doped with yttria, samaria, gadolinia, etc. Lanthanum gallate, lanthanum gallate, and lanthanum gallate perovskite structure oxide in which part of lanthanum or gallium in lanthanum gallate is substituted with strontium, calcium, barium, magnesium, aluminum, indium, cobalt, iron, nickel, copper, etc. Can be used. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, zirconia stabilized with yttria, scandia, ytterbia and the like is preferable.

特に、セラミックス質として、3〜10mol%のイットリアで安定化されたジルコニア、3〜12mol%のスカンジアで安定化されたジルコニア、3〜15mol%のイッテルビアで安定化されたジルコニア、8〜12mol%のスカンジアと0.5〜5mol%のセリア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。これらの中でも、セラミックス質として例えば、10mol%スカンジア1mol%セリア安定化ジルコニアを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% yttria, zirconia stabilized with 3 to 12 mol% scandia, zirconia stabilized with 3 to 15 mol% ytterbia, 8 to 12 mol% Preference is given to using zirconia stabilized with scandia and 0.5-5 mol% ceria. 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. Among these, for example, 10 mol% scandia 1 mol% ceria stabilized zirconia can be suitably used as the ceramic material.

電解質層20の厚みは特に限定されないが、例えば5〜30μmである。   Although the thickness of the electrolyte layer 20 is not specifically limited, For example, it is 5-30 micrometers.

バリア層30は、SOFCセル2の作製過程においてカソード40を焼成する際や、SOFCの運転中に電解質層20とカソード40とが反応して高抵抗物質層が形成され発電性能低下が起こることを防ぐ役割を担う。バリア層の材料としてはCeO及び希土類元素を主成分とする材料を用いることができる。例えば、ガドリニアをドープしたセリア(GDC)、サマリアをドープしたセリア(SDC)等を用いることができる。バリア層30の厚みは特に限定されないが、例えば1〜20μmである。また、バリア層30は必須の構成ではなく、電解質20とカソード40との組み合わせによっては省略してもよい。   When the cathode 40 is fired in the manufacturing process of the SOFC cell 2 or during the operation of the SOFC, the barrier layer 30 reacts with the electrolyte layer 20 and the cathode 40 to form a high resistance material layer, resulting in a decrease in power generation performance. Play a role to prevent. As a material of the barrier layer, a material mainly containing CeO and a rare earth element can be used. For example, ceria (GDC) doped with gadolinia, ceria (SDC) doped with samaria can be used. Although the thickness of the barrier layer 30 is not specifically limited, For example, it is 1-20 micrometers. Further, the barrier layer 30 is not an essential component and may be omitted depending on the combination of the electrolyte 20 and the cathode 40.

カソード40の材料としては、例えば金属、金属の酸化物、金属の複合酸化物等を用いることができる。このうち金属としては、Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ru、Ru等の金属又は2種以上の金属を含有する合金を挙げることができる。また、金属の酸化物としては、La、Sr、Ce、Co、Mn、Fe等の酸化物(例えば、La23、SrO、Ce23、Co23、MnO2、FeO等)を挙げることができる。また、金属の複合酸化物としては、La、Pr、Sm、Sr、Ba、Co、Fe、Mn等のうちの少なくとも1種を含有する各種の複合酸化物(例えば、La1-xSrxCoO3系複合酸化物、La1-xSrxFeO3系複合酸化物、La1-xSrxCo1-yFey3系複合酸化物、La1-xSrxMnO3系複合酸化物、Pr1-xBaxCoO3系複合酸化物、Sm1-xSrxCoO3系複合酸化物等)を挙げることができる。ここで、0<x<1、0<y<1である。これらの中でも、カソード40の材料としては、La1-xSrxCo1-yFey3系複合酸化物(以下、「LSCF」ということがある)が好ましく用いられる。この場合、熱膨張によるバリア層30との剥離の抑制及び酸化物イオンのイオン伝導度の向上のために、カソード40は、GDC又はSDCを含んでいてもよい。 As a material of the cathode 40, for example, a metal, a metal oxide, a metal composite oxide, or the like can be used. Among these, examples of the metal include metals such as Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, Ru, and alloys containing two or more metals. In addition, examples of metal oxides include oxides such as La, Sr, Ce, Co, Mn, and Fe (for example, La 2 O 3 , SrO, Ce 2 O 3 , Co 2 O 3 , MnO 2 , FeO, and the like). Can be mentioned. Examples of the metal complex oxide include various complex oxides containing at least one of La, Pr, Sm, Sr, Ba, Co, Fe, Mn, and the like (for example, La 1-x Sr x CoO 3 type composite oxide, La 1-x Sr x FeO 3 type composite oxide, La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 type composite oxide, La 1-x Sr x MnO 3 type composite oxide Pr 1-x Ba x CoO 3 composite oxide, Sm 1-x Sr x CoO 3 composite oxide, and the like. Here, 0 <x <1, 0 <y <1. Among these, as a material of the cathode 40, a La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 composite oxide (hereinafter sometimes referred to as “LSCF”) is preferably used. In this case, the cathode 40 may contain GDC or SDC in order to suppress separation from the barrier layer 30 due to thermal expansion and to improve the ionic conductivity of oxide ions.

次に、本実施形態のハーフセル1及びSOFCセル2の製造方法について説明する。アノード支持基板12、アノード活性層11、電解質層20、バリア層30及びカソード40は、それぞれ、これらを構成する原料の粉体にバインダー及び溶剤を添加し、さらに必要に応じて分散剤、可塑剤、潤滑剤及び消泡剤等を添加してスラリー又はペーストを調製し、このスラリー又はペーストを乾燥させてグリーンシート又はグリーン層を形成し、これを焼成することによって得ることができる。アノード支持基板12、アノード活性層11、電解質層20、バリア層30及びカソード40を作製するために調製されるスラリー又はペーストのバインダー及び溶剤としては、従来の製造方法で公知となってバインダー及び溶剤の中から適宜選択できる。   Next, a method for manufacturing the half cell 1 and the SOFC cell 2 of the present embodiment will be described. The anode support substrate 12, the anode active layer 11, the electrolyte layer 20, the barrier layer 30 and the cathode 40 are respectively added with a binder and a solvent to the raw material powder constituting them, and further, if necessary, a dispersant, a plasticizer A slurry or paste is prepared by adding a lubricant, an antifoaming agent, and the like, and the slurry or paste is dried to form a green sheet or a green layer, which is then fired. As the binder and solvent of the slurry or paste prepared for producing the anode support substrate 12, the anode active layer 11, the electrolyte layer 20, the barrier layer 30, and the cathode 40, the binder and solvent become known in the conventional manufacturing method. Can be selected as appropriate.

ASCにおいては、まずアノード10が準備される。アノード支持基板12は、導電成分を構成する材料の粉体、電解質成分を構成する材料の粉体、バインダー及び溶剤を添加し、さらに必要に応じて空孔形成剤、分散剤、可塑剤、潤滑剤及び消泡剤等を添加してスラリーを調整し、このスラリーをシート状に形成した後に乾燥させて、アノード支持基板12用のグリーンシートを作製する。   In ASC, the anode 10 is first prepared. The anode support substrate 12 is added with a powder of a material constituting a conductive component, a powder of a material constituting an electrolyte component, a binder and a solvent, and further, as necessary, a pore forming agent, a dispersant, a plasticizer, a lubrication A slurry is prepared by adding an agent, an antifoaming agent, and the like, and the slurry is formed into a sheet and then dried to prepare a green sheet for the anode support substrate 12.

続いて、アノード支持基板12用のグリーンシートの一方の主面に、アノード活性層11を構成する導電成分及び電解質成分、バインダー及び溶剤を添加し、さらに必要に応じて空孔形成剤、分散剤、可塑剤、潤滑剤及び消泡剤等を添加して調整したアノード活性層用ペーストを所定の厚さで塗布し、その塗膜を乾燥させることによってアノード活性層11用のグリーン層を形成する。   Subsequently, a conductive component, an electrolyte component, a binder and a solvent constituting the anode active layer 11 are added to one main surface of the green sheet for the anode support substrate 12, and a pore forming agent and a dispersing agent are added as necessary. Then, the anode active layer paste prepared by adding a plasticizer, a lubricant, an antifoaming agent and the like is applied at a predetermined thickness, and the coating film is dried to form a green layer for the anode active layer 11. .

アノード活性層11用のペーストは、アノード活性層11を構成する導電成分の粉体原料及び電解質成分の粉体原料を含み、バインダー、溶剤等が添加された混合物を所定の条件で解砕・混練することにより得られる。この解砕・混練に用いる導電成分の粉体原料及び電解質成分の粉体原料としては、仮焼処理されたものが用いられる。これにより、本実施形態のハーフセル1のアノード活性層11における上述の剥離度が低い値を示すものと考えられる。導電成分の粉体原料及び電解質成分の粉体原料の仮焼の温度は、例えば、800〜1050℃であり、850〜1000℃が好ましく、900〜950℃がより好ましい。また、仮焼の時間は、例えば0.2〜3時間であり、0.5〜2時間が好ましく、1〜1.5時間がより好ましい。導電成分の粉体原料及び電解質成分の粉体原料の仮焼は、導電成分の粉体原料と電解質成分の粉体原料との混合物を仮焼することにより実施してもよい。また、導電成分の粉体原料の仮焼と電解質成分の粉体原料の仮焼とを別々に行ってもよい。   The paste for the anode active layer 11 includes a powder material of a conductive component and a powder material of an electrolyte component constituting the anode active layer 11, and a mixture to which a binder, a solvent and the like are added is crushed and kneaded under predetermined conditions. Can be obtained. As the powder raw material for the conductive component and the powder raw material for the electrolyte component used for the crushing / kneading, those calcined are used. Thereby, it is thought that the above-mentioned peeling degree in the anode active layer 11 of the half cell 1 of this embodiment shows a low value. The temperature of the calcination of the conductive material powder raw material and the electrolyte component powder raw material is, for example, 800 to 1050 ° C., preferably 850 to 1000 ° C., and more preferably 900 to 950 ° C. The calcining time is, for example, 0.2 to 3 hours, preferably 0.5 to 2 hours, and more preferably 1 to 1.5 hours. The calcining of the powder material of the conductive component and the powder material of the electrolyte component may be performed by calcining a mixture of the powder material of the conductive component and the powder material of the electrolyte component. Also, the calcination of the conductive material powder material and the calcination of the electrolyte component powder material may be performed separately.

続いて、アノード活性層11用のグリーン層の上に、電解質層20用のペーストを所定の厚さで塗布し、その塗膜を乾燥させることによって電解質層20用のグリーン層を形成する。また、電解質層20用のグリーン層の上に、バリア層30用のペーストを所定の厚さで塗布し、その塗膜を乾燥させることによってバリア層20用のグリーン層を形成する。   Subsequently, a paste for the electrolyte layer 20 is applied at a predetermined thickness on the green layer for the anode active layer 11, and the coating layer is dried to form a green layer for the electrolyte layer 20. Moreover, the green layer for barrier layers 20 is formed by apply | coating the paste for barrier layers 30 by predetermined thickness on the green layer for electrolyte layers 20, and drying the coating film.

続いて、アノード活性層11のグリーン層、電解質層20のグリーン層及びバリア層30のグリーン層が形成されたアノード支持基板12のグリーンシートを焼成することにより、本実施形態のハーフセル1が得られる。   Subsequently, by firing the green sheet of the anode support substrate 12 on which the green layer of the anode active layer 11, the green layer of the electrolyte layer 20, and the green layer of the barrier layer 30 are formed, the half cell 1 of this embodiment is obtained. .

上述のようにして得られたハーフセル1のバリア層30上にカソード40用のペーストを塗布して、この塗膜を乾燥させることによりカソード40用のグリーン層を形成する。その後、カソード40用のグリーン層が形成されたハーフセルを焼成することにより、本実施形態のSOFCセル2が得られる。   A paste for the cathode 40 is applied on the barrier layer 30 of the half cell 1 obtained as described above, and this coating film is dried to form a green layer for the cathode 40. Then, the SOFC cell 2 of this embodiment is obtained by baking the half cell in which the green layer for cathodes 40 was formed.

上述の実施形態ではASCについて説明したが、本発明は電解質支持型セル(ESC)として実施することもできる。この場合、ESCのハーフセル及びESCタイプのSOFCセルは例えば以下の方法により製造するとよい。まず、ボールミル等で電解質用スラリーを調整する。この電解質用スラリーをドクターブレード法で塗工・乾燥することにより電解質グリーンシートを作製する。次に、その電解質グリーンシートを所定の温度で焼成して、電解質シートを得る。その後、この電解質シートの一方の主面にアノード用のペーストを塗布し、この塗膜を乾燥させてアノード用のグリーン層を形成する。また、必要に応じて電解質層用のグリーンシートの他方の主面にバリア層用のペーストを塗布してこの塗膜を乾燥させてバリア層用のグリーン層を形成する。アノード用のグリーン層及びバリア層用のグリーン層が形成された電解質シートを焼成することにより、ESCのハーフセルを得ることができる。また、このESCのハーフセルのバリア層上にカソード用のペーストを塗布し、この塗膜を乾燥させてカソード用のグリーン層を形成し、これを焼成することにより、ESCタイプのSOFCセルを得ることができる。   Although ASC has been described in the above embodiment, the present invention can also be implemented as an electrolyte-supported cell (ESC). In this case, the ESC half cell and the ESC type SOFC cell may be manufactured by the following method, for example. First, an electrolyte slurry is prepared with a ball mill or the like. An electrolyte green sheet is prepared by coating and drying the electrolyte slurry by a doctor blade method. Next, the electrolyte green sheet is fired at a predetermined temperature to obtain an electrolyte sheet. Thereafter, an anode paste is applied to one main surface of the electrolyte sheet, and the coating film is dried to form an anode green layer. Further, if necessary, a barrier layer paste is applied to the other main surface of the electrolyte layer green sheet, and this coating film is dried to form a barrier layer green layer. An ESC half-cell can be obtained by firing an electrolyte sheet on which a green layer for an anode and a green layer for a barrier layer are formed. Moreover, an ESC type SOFC cell is obtained by applying a paste for cathode on the barrier layer of this ESC half-cell, drying this coating film to form a green layer for cathode, and firing it. Can do.

次に、実施例により本発明を詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Next, the present invention will be described in detail by way of examples. In addition, this invention is not limited to a following example.

<剥離度の測定方法>
まず、実施例及び比較例の評価方法を説明する。剥離度の測定は、以下で説明する水素還元処理後のハーフセルの、アノード支持基板、アノード活性層、電解質層及びバリア層の積層方向に沿った断面をSEMで観察することによって実施した。水素還元処理は、ハーフセルを、H2とN2との体積比が1:9、気圧1atmの混合気体の雰囲気にあり、温度750℃である電気炉(光洋サーモシステム社製、KTF045N)の内部に4時間静置することにより、実施した。
<Measurement method of degree of peeling>
First, evaluation methods of Examples and Comparative Examples will be described. The degree of exfoliation was measured by observing a cross section along the stacking direction of the anode support substrate, the anode active layer, the electrolyte layer, and the barrier layer of the half cell after the hydrogen reduction treatment described below with an SEM. In the hydrogen reduction treatment, the inside of an electric furnace (manufactured by Koyo Thermo Systems Co., Ltd., KTF045N) having a half cell in a mixed gas atmosphere with a volume ratio of H 2 and N 2 of 1: 9 and a pressure of 1 atm and a temperature of 750 ° C. For 4 hours.

水素還元処理したハーフセルの断面をSEMにより2万倍の倍率で撮影した。撮影した画像において、アノード活性層でみられる導電成分の粒体に注目し、画像解析ソフト(Media Cybernetics社製、Image−Pro)を用いて画像解析を行った。まず、撮影画像において任意に選んだ7個のアノード活性層における導電成分の粒体の周長の総和Laを求めた。ここで、導電成分の粒体の周長からは、空孔と接している部分の長さを除いた。次に、その7個の導電成分の粒体の周長のうち、電解質成分の粒体と接していない部分の長さの総和Lbを求めた。そして、以下の式により、導電成分の電解質成分に対する剥離度を算出した。
剥離度=(Lb/La)×100
A cross section of the half cell subjected to hydrogen reduction treatment was photographed with a SEM at a magnification of 20,000 times. In the photographed image, attention was paid to particles of the conductive component found in the anode active layer, and image analysis was performed using image analysis software (Image-Pro, manufactured by Media Cybernetics). First, the total sum La of the circumferences of the conductive component grains in the seven anode active layers arbitrarily selected in the photographed image was obtained. Here, the length of the portion in contact with the pores was excluded from the peripheral length of the particles of the conductive component. Next, among the circumferences of the seven conductive component granules, the total length Lb of the portions not in contact with the electrolyte component granules was determined. And the peeling degree with respect to the electrolyte component of a conductive component was computed with the following formula | equation.
Peeling degree = (Lb / La) × 100

<初期発電性能評価>
各実施例及び各比較例に係るSOFCセルに対して以下の通り初期発電性能の評価を行った。まず、SOFCセルのアノードに窒素を100mL/分、SOFCセルのカソードに空気を100mL/分で供給しつつ、100℃/時間の速度で750℃までSOFCセルを昇温させた。昇温後、アノードの出口側のガスの流量及びカソードの出口側のガスの流量を流量計により測定し、漏れがないことを確認した。次に、水素6mL/分と窒素194mL/分の加湿した混合ガスをアノードに供給し、空気を400mL/分でカソードへ供給した。10分以上経過した後に、起電力の発生とガスの漏れがないことを確認した。その後、加湿した水素を200mL/分の流量でアノードへ供給した。起電力が安定してから電流密度を0.4A/cm2で一定とし、SOFCセルの出力電圧の計測を開始した。計測開始から50時間、SOFCセルの出力電圧を測定した。SOFCセルの計測開始時の出力電圧をV0、50時間後のSOFCセルの出力電圧をV50とし、以下の式で50時間後の電圧低下率を求めた。
電圧低下率[%]={(V0−V50)/V0}×100
<Evaluation of initial power generation performance>
The initial power generation performance was evaluated as follows for the SOFC cells according to the examples and the comparative examples. First, the temperature of the SOFC cell was raised to 750 ° C. at a rate of 100 ° C./hour while supplying nitrogen to the anode of the SOFC cell at 100 mL / min and air to the cathode of the SOFC cell at 100 mL / min. After raising the temperature, the flow rate of the gas on the outlet side of the anode and the flow rate of the gas on the outlet side of the cathode were measured with a flow meter to confirm that there was no leakage. Next, a humidified mixed gas of 6 mL / min of hydrogen and 194 mL / min of nitrogen was supplied to the anode, and air was supplied to the cathode at 400 mL / min. After 10 minutes or more, it was confirmed that no electromotive force was generated and no gas leaked. Thereafter, humidified hydrogen was supplied to the anode at a flow rate of 200 mL / min. After the electromotive force was stabilized, the current density was kept constant at 0.4 A / cm 2 and measurement of the output voltage of the SOFC cell was started. The output voltage of the SOFC cell was measured for 50 hours from the start of measurement. The output voltage at the start of SOFC cell measurement was V0, the output voltage of the SOFC cell after 50 hours was V50, and the voltage drop rate after 50 hours was determined by the following equation.
Voltage drop rate [%] = {(V0−V50) / V0} × 100

<実施例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の粉体(正同化学社製、商品名:「GREEN」)60質量部、電解質成分としての3mol%イットリア安定化ジルコニアの粉体(東ソー社製、商品名:「TZ3Y」)40質量部、空孔形成剤であるカーボンブラック(SECカーボン社製、SGP−3)10質量部、メタクリレート系共重合体からなるバインダー(分子量:30,000、ガラス転移温度:−8℃、固形分濃度:50質量部)30質量部、可塑剤であるジブチルフタレート2質量部及び分散媒であるトルエン/イソプロピルアルコール(質量比=3/2)の混合溶剤80質量部を、ボールミルにより混合して、スラリーを調製した。このスラリーをドクターブレード法によりシート状に成形し、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。
<Example 1>
(Preparation of anode support substrate green sheet)
60 parts by mass of nickel oxide powder (trade name: “GREEN” manufactured by Shodo Chemical Co., Ltd.) as a conductive component, 3 mol% yttria stabilized zirconia powder (trade name: “TZ3Y” manufactured by Tosoh Corporation) as an electrolyte component ") 40 parts by mass, 10 parts by mass of carbon black (SEC Carbon Co., SGP-3) as a pore forming agent, a binder made of a methacrylate copolymer (molecular weight: 30,000, glass transition temperature: -8 ° C). , Solid content concentration: 50 parts by mass) 30 parts by mass, 2 parts by mass of dibutyl phthalate as a plasticizer and 80 parts by mass of a mixed solvent of toluene / isopropyl alcohol (mass ratio = 3/2) as a dispersion medium are mixed by a ball mill. Thus, a slurry was prepared. This slurry was formed into a sheet by a doctor blade method and dried at 70 ° C. for 5 hours to prepare a 300 μm thick anode supporting substrate green sheet.

(アノード層用ペーストの作製)
500mlのボールミル用ポットに、導電成分としての酸化ニッケルの粉体(キシダ化学社製)120g、電解質成分としての3mol%イットリア安定化ジルコニアの粉体(東ソー製、商品名「TZ3Y」)80g、及び粉砕メディアであるジルコニアボール500gを入れ、10時間乾式ミルを行った。その後、ポットから粉体を取り出し、950℃で1時間仮焼した。仮焼した粉体をほぐした後、仮焼した粉体60質量部、空孔形成剤であるカーボンブラック(SECカーボン社製、SGP−3)2質量部、溶剤であるα−テルピネオール(和光純薬工業社製)36質量部、バインダーであるエチルセルロース(和光純薬工業製)4質量部、可塑剤であるジブチルフタレート(和光純薬工業社製)6質量部及び分散剤としての市販のソルビタン脂肪酸エステル系界面活性剤4質量部を、乳鉢を用いて混合した後、3本ロールミル(EXAKT technologies社製、型式:「M−80S」)を用いて解砕・混練し、アノード層用ペーストを作製した。
(Preparation of anode layer paste)
In a 500 ml pot for ball mill, 120 g of nickel oxide powder (manufactured by Kishida Chemical Co.) as a conductive component, 80 g of 3 mol% yttria stabilized zirconia powder (manufactured by Tosoh, trade name “TZ3Y”) as an electrolyte component, and 500 g of zirconia balls as grinding media were put and dry milled for 10 hours. Thereafter, the powder was taken out from the pot and calcined at 950 ° C. for 1 hour. After loosening the calcined powder, 60 parts by mass of the calcined powder, 2 parts by mass of carbon black (SGP-3, manufactured by SEC Carbon Co.) as a pore-forming agent, α-terpineol as a solvent (Wako Pure) 36 parts by mass of Yaku Kogyo Co., Ltd., 4 parts by mass of ethyl cellulose (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) as a binder, 6 parts by mass of dibutyl phthalate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a plasticizer, and a commercially available sorbitan fatty acid as a dispersant 4 parts by mass of an ester surfactant is mixed using a mortar, and then pulverized and kneaded using a three-roll mill (EXAKT technologies, model: “M-80S”) to produce an anode layer paste. did.

(電解質層用ペーストの作製)
10mol%スカンジア1mol%セリア安定化ジルコニアの粉体(第一稀元素化学工業株式会社製、商品名「10Sc1CeSZ」)60質量部に対し、バインダーであるエチルセルロース(和光純薬工業社製)を5質量部、溶剤であるα−テルピネオール(和光純薬工業社製)を40質量部、可塑剤であるジブチルフタレート(和光純薬工業社製)を6質量部及び分散剤である市販のソルビタン酸エステル系界面活性剤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」)を用いて解砕・混練し、電解質層用ペーストを作製した。
(Preparation of electrolyte layer paste)
5 parts by mass of ethyl cellulose (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a binder with respect to 60 parts by mass of 10 mol% scandia 1 mol% ceria stabilized zirconia powder (Daiichi Rare Element Chemical Co., Ltd., trade name “10Sc1CeSZ”) 40 parts by mass of α-terpineol (made by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a solvent, 6 parts by mass of dibutyl phthalate (made by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a plasticizer, and a commercially available sorbitan acid ester system as a dispersant 5 parts by mass of a surfactant was mixed using a mortar, and then pulverized and kneaded using a three-roll mill (EXAKT technologies, model “M-80S”) to prepare an electrolyte layer paste.

(バリア層用ペーストの作製)
20mol%サマリウムドープセリア(セイミケミカル社製、比表面積:5.8m2/g、50体積%径D50:0.8μm、90体積%径D90:2.2μm)60質量部に対し、バインダーであるエチルセルロース(和光純薬工業社製)を5質量部、溶剤であるα−テルピネオール(和光純薬工業社製)を40質量部、可塑剤であるジブチルフタレート(和光純薬工業社製)を6質量部及び分散剤である市販のソルビタン酸エステル系界面活性剤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」)を用いて解砕・混練し、バリア層用ペーストを作製した。
(Preparation of barrier layer paste)
20 mol% samarium-doped ceria (manufactured by Seimi Chemical Co., Ltd., specific surface area: 5.8 m 2 / g, 50 volume% diameter D50: 0.8 μm, 90 volume% diameter D90: 2.2 μm) is a binder for 60 parts by mass. 5 parts by mass of ethyl cellulose (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 40 parts by mass of α-terpineol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a solvent, and 6 masses of dibutyl phthalate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a plasticizer And 5 parts by mass of a commercially available sorbitan acid ester surfactant that is a dispersant are mixed using a mortar and then crushed using a three-roll mill (EXAKT technologies, model “M-80S”). The mixture was kneaded to produce a barrier layer paste.

(アノード層用グリーン層の形成)
アノード層用ペーストをスクリーン印刷により、上述のアノード支持基板グリーンシートに、厚さ20μmとなるように印刷し、100℃で30分間乾燥させ、アノード層用グリーン層を形成した。
(Formation of green layer for anode layer)
The anode layer paste was printed on the above-mentioned anode supporting substrate green sheet by screen printing so as to have a thickness of 20 μm, and dried at 100 ° C. for 30 minutes to form an anode layer green layer.

(電解質層用グリーン層の形成)
電解質層用ペーストをスクリーン印刷により、上述のアノード層用グリーン層上に、厚さ15μmとなるように印刷し、100℃で30分間乾燥させ、電解質層用グリーン層を形成した。
(Formation of green layer for electrolyte layer)
The electrolyte layer paste was printed on the above-described anode layer green layer by screen printing so as to have a thickness of 15 μm, and dried at 100 ° C. for 30 minutes to form an electrolyte layer green layer.

(バリア層用グリーン層の形成)
バリア層用ペーストをスクリーン印刷により、上述の電解質層用グリーン層上に、厚さ8μmとなるように印刷し、100℃で30分間乾燥させ、バリア層用グリーン層を形成した。
(Formation of green layer for barrier layer)
The barrier layer paste was printed on the above-described electrolyte layer green layer by screen printing so as to have a thickness of 8 μm, and dried at 100 ° C. for 30 minutes to form a barrier layer green layer.

(ハーフセル焼成)
バリア層用ペーストの乾燥後、バリア層用グリーン層、電解質層用グリーン層及びアノード層用グリーン層が形成されたアノード支持基板グリーンシートを、正方形状に打ち抜いた。その後、1300℃で2時間焼成して実施例1に係るハーフセルを得た。焼成後のハーフセルは6cm×6cmの正方形であった。ハーフセルを複数枚作製し、そのうちの1枚のハーフセルについて上述の剥離度の測定を行った。その測定結果を表1に示す。また、残りのハーフセルについて以下の通りカソードを形成した。
(Half cell firing)
After drying the barrier layer paste, the anode support substrate green sheet on which the barrier layer green layer, the electrolyte layer green layer, and the anode layer green layer were formed was punched into a square shape. Then, the half cell which concerns on Example 1 was obtained by baking at 1300 degreeC for 2 hours. The half cell after firing was a 6 cm × 6 cm square. A plurality of half cells were produced, and the above-described peeling degree was measured for one half cell. The measurement results are shown in Table 1. Moreover, the cathode was formed as follows about the remaining half cells.

(カソード用のペーストの調製)
La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.83の粉体(セイミケミカル社製)80質量部、20mol%サマリアドープセリア(セイミケミカル社製)20質量部、バインダーであるエチルセルロース3質量部及び溶剤であるα−テルピネオール30質量部を、乳鉢を用いて混合した。その後、3本ロールミル(EXAKT technologies社製、型式「M−80S」)を用いて混練し、カソード用ペーストを得た。
(Preparation of cathode paste)
80 parts by mass of powder of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 (manufactured by Seimi Chemical Co., Ltd.), 20 parts by mass of 20 mol% samaria dope ceria (manufactured by Seimi Chemical Co., Ltd.), 3 parts by mass of ethyl cellulose as a binder and α as a solvent -30 parts by mass of terpineol was mixed using a mortar. Thereafter, the mixture was kneaded using a three roll mill (manufactured by EXAKT technologies, model “M-80S”) to obtain a cathode paste.

(カソードの形成)
上述のハーフセルの電解質層の表面に、スクリーン印刷により、カソード用ペーストを1cm×1cmの正方形に厚さ20μm塗布し、90℃で1時間乾燥させてカソード用グリーン層を形成した。その後、カソード用グリーン層を形成したハーフセルを1150℃で2時間焼成して実施例1に係るSOFCセルを得た。このSOFCセルについて上述の通り、初期発電性能評価を実施し、50時間後の電圧低下率を求めた。
(Cathode formation)
The cathode paste was applied to the surface of the above-mentioned half-cell electrolyte layer by screen printing in a 1 cm × 1 cm square with a thickness of 20 μm and dried at 90 ° C. for 1 hour to form a cathode green layer. Thereafter, the half cell on which the cathode green layer was formed was fired at 1150 ° C. for 2 hours to obtain the SOFC cell according to Example 1. As described above, this SOFC cell was subjected to initial power generation performance evaluation, and the voltage drop rate after 50 hours was obtained.

<実施例2>
電解質成分として8mol%イットリア安定化ジルコニアの粉体(東ソー社製、商品名:「TZ8Y」)を用いてアノード層用ペーストを作製した以外は実施例1と同様にして、実施例2に係るハーフセル及びSOFCセルを得た。
<Example 2>
A half cell according to Example 2 in the same manner as in Example 1 except that an anode layer paste was prepared using 8 mol% yttria-stabilized zirconia powder (product name: “TZ8Y”) as an electrolyte component. And an SOFC cell was obtained.

<実施例3>
電解質成分として10mol%イットリア安定化ジルコニアの粉体(東ソー社製、商品名:「TZ10Y」)を用いてアノード層用ペーストを作製した以外は実施例1と同様にして、実施例3に係るハーフセル及びSOFCセルを得た。
<Example 3>
Half-cell according to Example 3 in the same manner as in Example 1 except that the anode layer paste was prepared using 10 mol% yttria-stabilized zirconia powder (trade name: “TZ10Y”, manufactured by Tosoh Corporation) as the electrolyte component. And an SOFC cell was obtained.

<実施例4>
電解質成分として3mol%イッテルビア安定化ジルコニアの粉体を用いてアノード層用ペーストを作製した以外は実施例1と同様にして、実施例4に係るハーフセル及びSOFCセルを得た。
<Example 4>
A half cell and an SOFC cell according to Example 4 were obtained in the same manner as in Example 1 except that an anode layer paste was prepared using 3 mol% ytterbia stabilized zirconia powder as an electrolyte component.

<実施例5>
電解質成分として8mol%イッテルビア安定化ジルコニアの粉体を用いてアノード層用ペーストを作製した以外は実施例1と同様にして、実施例5に係るハーフセル及びSOFCセルを得た。
<Example 5>
A half cell and a SOFC cell according to Example 5 were obtained in the same manner as in Example 1 except that an anode layer paste was prepared using 8 mol% ytterbia stabilized zirconia powder as an electrolyte component.

<実施例6>
電解質成分として10mol%イッテルビア安定化ジルコニアの粉体を用いてアノード層用ペーストを作製した以外は実施例1と同様にして、実施例6に係るハーフセル及びSOFCセルを得た。
<Example 6>
A half cell and a SOFC cell according to Example 6 were obtained in the same manner as in Example 1 except that an anode layer paste was prepared using 10 mol% ytterbia stabilized zirconia powder as an electrolyte component.

<比較例1>
電解質成分として10mol%スカンジア1mol%セリア安定化ジルコニアの粉体(第一稀元素社製)を用いてアノード層用ペーストを作製し、電解質成分の粉体及び酸化ニッケルの粉体の仮焼処理を行わなかったこと以外は、実施例1と同様にして比較例1に係るハーフセル及びSOFCセルを得た。
<Comparative Example 1>
Anode layer paste was prepared using 10 mol% scandia 1 mol% ceria stabilized zirconia powder (manufactured by Daiichi Rare Element Co., Ltd.) as the electrolyte component, and calcining of the electrolyte component powder and the nickel oxide powder was performed. A half cell and a SOFC cell according to Comparative Example 1 were obtained in the same manner as in Example 1 except that it was not performed.

<比較例2>
電解質成分として6mol%スカンジア安定化ジルコニアの粉体(第一稀元素社製)を用いてアノード層用ペーストを作製し、電解質成分の粉体及び酸化ニッケルの粉体の仮焼処理を行わなかったこと以外は、実施例1と同様にして比較例2に係るハーフセル及びSOFCセルを得た。
<Comparative example 2>
An anode layer paste was prepared using 6 mol% scandia-stabilized zirconia powder (manufactured by Daiichi Rare Element Co., Ltd.) as the electrolyte component, and the calcination treatment of the electrolyte component powder and the nickel oxide powder was not performed. Except for this, a half cell and a SOFC cell according to Comparative Example 2 were obtained in the same manner as in Example 1.

<比較例3>
電解質成分として11mol%スカンジア安定化ジルコニアの粉体(第一稀元素社製)を用いてアノード層用ペーストを作製し、電解質成分の粉体及び酸化ニッケルの粉体の仮焼処理を行わなかったこと以外は、実施例1と同様にして比較例3に係るハーフセル及びSOFCセルを得た。
<Comparative Example 3>
An anode layer paste was prepared using 11 mol% scandia-stabilized zirconia powder (manufactured by Daiichi Rare Element Co., Ltd.) as the electrolyte component, and the calcination treatment of the electrolyte component powder and the nickel oxide powder was not performed. Except for this, a half cell and a SOFC cell according to Comparative Example 3 were obtained in the same manner as in Example 1.

<比較例4>
電解質成分の粉体と酸化ニッケルの粉体の仮焼処理を行わなかったこと以外は、実施例2と同様にして比較例4に係るハーフセル及びSOFCセルを得た。
<Comparative example 4>
A half cell and a SOFC cell according to Comparative Example 4 were obtained in the same manner as in Example 2 except that the calcination treatment of the electrolyte component powder and the nickel oxide powder was not performed.

<比較例5>
電解質成分の粉体と酸化ニッケルの粉体の仮焼処理を行わなかったこと以外は、実施例3と同様にして比較例5に係るハーフセル及びSOFCセルを得た。
<Comparative Example 5>
A half cell and a SOFC cell according to Comparative Example 5 were obtained in the same manner as in Example 3 except that the calcination treatment of the electrolyte component powder and the nickel oxide powder was not performed.

<比較例6>
電解質成分の粉体と酸化ニッケルの粉体の仮焼処理を行わなかったこと以外は、実施例5と同様にして比較例6に係るハーフセル及びSOFCセルを得た。
<Comparative Example 6>
A half cell and SOFC cell according to Comparative Example 6 were obtained in the same manner as in Example 5 except that the calcination treatment of the electrolyte component powder and the nickel oxide powder was not performed.

各実施例及び各比較例に係るハーフセルについて、上述の通り剥離度の測定を実施した。測定結果を表1に示す。実施例3のハーフセルの剥離度の測定に用いたSEM写真を図2に示す。比較例5のハーフセルの剥離度の測定に用いたSEM写真を図3に示す。   About the half cell which concerns on each Example and each comparative example, the measurement of the peeling degree was implemented as mentioned above. The measurement results are shown in Table 1. The SEM photograph used for the measurement of the peeling degree of the half cell of Example 3 is shown in FIG. The SEM photograph used for the measurement of the peeling degree of the half cell of the comparative example 5 is shown in FIG.

各実施例及び各比較例に係るSOFCセルについて、上述の通り初期発電性能評価を行った。結果を表1に示す。   The SOFC cell according to each example and each comparative example was evaluated for initial power generation performance as described above. The results are shown in Table 1.

表1に示す通り、実施例1〜6に係るハーフセルの剥離度は2〜7%であり、10%以下であった。これに対し、比較例1〜3に係るハーフセルの剥離度はいずれも10%よりも大きな値を示した。実施例1〜6に係るSOFCセルの電圧低下率が1.1〜2.5%であったのに対し、比較例1〜3に係るSOFCセルの電圧低下率は、4.2〜7.3%であった。すなわち、実施例に係るSOFCセルは、比較例に係るSOFCセルよりも電圧低下率が低く、良好な初期発電性能を示した。   As shown in Table 1, the degree of peeling of the half cells according to Examples 1 to 6 was 2 to 7%, which was 10% or less. On the other hand, the peeling degrees of the half cells according to Comparative Examples 1 to 3 all showed a value larger than 10%. While the voltage drop rate of the SOFC cells according to Examples 1 to 6 was 1.1 to 2.5%, the voltage drop rate of the SOFC cells according to Comparative Examples 1 to 3 was 4.2 to 7%. 3%. That is, the SOFC cell according to the example had a lower voltage drop rate than the SOFC cell according to the comparative example, and showed good initial power generation performance.

Figure 0006199680
Figure 0006199680

Claims (4)

固体酸化物形燃料電池のハーフセルであって、
導電成分及び電解質成分を含むアノードと、
前記アノードの一方の主面に形成された電解質層と、を備え、
2とN2との体積比が1:9、気圧1atmの混合気体の雰囲気にあり、温度750℃
である電気炉の内部で前記ハーフセルを4時間静置した後に、前記導電成分の前記電解質
成分に対する剥離度が10%以下であり、
前記電解質成分が、イッテルビア安定化ジルコニアである、
ハーフセル。
A half cell of a solid oxide fuel cell,
An anode including a conductive component and an electrolyte component;
An electrolyte layer formed on one main surface of the anode,
The volume ratio of H 2 and N 2 is 1: 9, and the atmosphere is a mixed gas with a pressure of 1 atm, and the temperature is 750 ° C.
After 4 hours left the half-cell in the interior of the electric furnace is state, and are peeling degree of 10% or less with respect to the electrolyte component of the conductive component,
The electrolyte component is ytterbia-stabilized zirconia;
Half-cell.
前記アノードは、前記導電成分の粉体と前記電解質成分の粉体とを含む混合物の焼成体
であり、
前記混合物において、前記導電成分の粉体及び前記電解質成分の粉体が800〜105
0℃で、0.2〜3時間の条件で仮焼処理されている、請求項1に記載のハーフセル。
The anode is a fired body of a mixture containing the conductive component powder and the electrolyte component powder;
In the mixture, the conductive component powder and the electrolyte component powder are 800-105.
The half cell according to claim 1, which is calcined at 0 ° C. for 0.2 to 3 hours.
前記導電成分が酸化ニッケルである、請求項1又は2に記載のハーフセル。   The half cell according to claim 1, wherein the conductive component is nickel oxide. 請求項1〜のいずれか1項に記載のハーフセルにカソードが形成された、固体酸化物
形燃料電池セル。
Cathode is formed on the half-cell according to any one of claims 1 to 3 solid oxide fuel cell.
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