JP2006286607A - Solid oxide type fuel cell - Google Patents

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邦聡 芳片
Hiroyuki Kobori
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide type fuel cell capable of reducing grain boundaries disturbing movement of oxide ion in an electrolyte layer. <P>SOLUTION: The solid oxide type fuel cell (10) has an electrolyte layer (11) and a pair of porous electrode layers (12, 13), interposing at least one part of the electrolyte layer (11). The region of the electrolyte layer (11) interposed between the pair of porous electrode layers (12, 13) contains an aggregate of crystals (11a) of metal oxide, and the crystal (11a) has a columnar structure elongated, in a direction substantially normal to the surface (12a) of the porous electrode layer (12) on one side. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、電解質層と、電解質層の少なくとも一部を挟持する一対の多孔質電極層とを有する固体酸化物形燃料電池に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell having an electrolyte layer and a pair of porous electrode layers that sandwich at least a part of the electrolyte layer.

固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、現在、第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでおり、円筒型、モノリス型及び平板積層型の3種類が提案されている。そのいずれもが、酸化物イオン伝導体からなる固体電解質(電解質層)を空気極層(カソード)と燃料極層(アノード)との間に挟んだ積層体を有する。通常、この積層体からなる単セルがセパレータと交互に積層されて、燃料電池スタックが構成されている(例えば特許文献1参照)。   Solid oxide fuel cells (SOFCs) are currently being developed as third-generation power generation fuel cells, and three types are proposed: cylindrical, monolith, and flat plate stack. Each of them has a laminate in which a solid electrolyte (electrolyte layer) made of an oxide ion conductor is sandwiched between an air electrode layer (cathode) and a fuel electrode layer (anode). Usually, the single cell which consists of this laminated body is laminated | stacked alternately with a separator, and the fuel cell stack is comprised (for example, refer patent document 1).

固体酸化物形燃料電池では、空気極層側に酸素(空気)が、燃料極層側に燃料ガス(H2、CO、CH4等)が供給される。空気極層及び燃料極層は、ガスが電解質層との界面に到達することができるように、いずれも多孔質の層からなる。空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン(O2-)にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層の方向に向かって電解質層内を移動(拡散)する。そして、燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で燃料ガスと反応して反応生成物(H2O、CO2等)となり、同時に電子を放出する。この電子は、外部電気回路を通って電気的な仕事をした後、空気極層に到達する。 In the solid oxide fuel cell, oxygen (air) is supplied to the air electrode layer side, and fuel gas (H 2 , CO, CH 4, etc.) is supplied to the fuel electrode layer side. The air electrode layer and the fuel electrode layer are both porous layers so that the gas can reach the interface with the electrolyte layer. Oxygen supplied to the air electrode layer passes through the pores in the air electrode layer and reaches the vicinity of the interface with the electrolyte layer, and receives electrons from the air electrode layer at this portion to form oxide ions (O 2− ). Ionized. The oxide ions move (diffuse) in the electrolyte layer toward the fuel electrode layer. The oxide ions that reach the vicinity of the interface with the fuel electrode layer react with the fuel gas at this portion to become reaction products (H 2 O, CO 2, etc.), and simultaneously release electrons. The electrons reach the air electrode layer after performing electrical work through an external electric circuit.

空気極層側で起こる電極反応、即ち酸素分子から酸化物イオンへのイオン化反応(1/2O2+2e-→O2-)は、酸素分子、電子及び酸化物イオンの三者が関与することから、酸化物イオンを運ぶ電解質層と、電子を運ぶ空気極層と、酸素分子を供給する気相(空気)との三相の界面で起こる。燃料極層側でも同様に、電解質層と、燃料極層と、気相(燃料ガス)との三相の界面で電極反応が起こる。従って、この三相の界面を増大させることが電極反応の円滑な進行に有利であると考えられている。 The electrode reaction that occurs on the air electrode layer side, that is, the ionization reaction from oxygen molecules to oxide ions (1 / 2O 2 + 2e → O 2− ), involves the three components of oxygen molecules, electrons, and oxide ions. It occurs at a three-phase interface between an electrolyte layer that carries oxide ions, an air electrode layer that carries electrons, and a gas phase (air) that supplies oxygen molecules. Similarly, on the fuel electrode layer side, an electrode reaction occurs at the three-phase interface of the electrolyte layer, the fuel electrode layer, and the gas phase (fuel gas). Therefore, it is considered that increasing the three-phase interface is advantageous for smooth progress of the electrode reaction.

電解質層は、酸化物イオンの移動媒体であると同時に、燃料ガスと空気とを直接接触させないための隔壁としても機能するので、ガス不透過性の緻密な構造となっている。この電解質層は、酸化物イオン伝導性が高く、空気極層側の酸化性雰囲気から燃料極層側の還元性雰囲気までの条件下で化学的に安定で、かつ、熱衝撃に強い材料から構成する必要があり、かかる要件を満たす材料として、イットリアを添加した安定化ジルコニア(以下、「YSZ」と略称する)等からなる金属酸化物膜が一般的に使用されている。   The electrolyte layer is a moving medium for oxide ions and also functions as a partition wall for preventing the fuel gas and air from coming into direct contact with each other. Therefore, the electrolyte layer has a dense structure that is impermeable to gas. This electrolyte layer is composed of a material that has high oxide ion conductivity, is chemically stable under conditions from the oxidizing atmosphere on the air electrode layer side to the reducing atmosphere on the fuel electrode layer side, and is resistant to thermal shock. As a material that satisfies this requirement, a metal oxide film made of stabilized zirconia (hereinafter abbreviated as “YSZ”) to which yttria is added is generally used.

一方、空気極層及び燃料極層は、いずれも電子伝導性の高い材料から構成する必要がある。空気極層の材料は、1000℃前後の酸化性雰囲気中で化学的に安定でなければならないため、金属は不適当であり、例えば電子伝導性を持つペロブスカイト型酸化物材料、具体的にはLaMnO3やLaCoO3、又は、これらの材料におけるLaの一部をSr、Ca等に置換した固溶体が一般に使用されている。また、燃料極層の材料としては、Ni等の金属や、Ni−YSZ等のサーメットが一般的に使用されている。尚、Ni等の金属は、燃料極層の形成時には、通常、NiO等の酸化物の状態であるが、燃料電池の運転時(発電時)には金属(Ni等)に還元される。 On the other hand, both the air electrode layer and the fuel electrode layer need to be made of a material having high electron conductivity. Since the material of the air electrode layer must be chemically stable in an oxidizing atmosphere at around 1000 ° C., metals are inappropriate. For example, perovskite type oxide materials having electronic conductivity, specifically LaMnO 3 or LaCoO 3 or a solid solution in which a part of La in these materials is substituted with Sr, Ca or the like is generally used. Further, as a material for the fuel electrode layer, a metal such as Ni or a cermet such as Ni—YSZ is generally used. It should be noted that the metal such as Ni is normally in an oxide state such as NiO when the fuel electrode layer is formed, but is reduced to metal (Ni or the like) during operation of the fuel cell (during power generation).

この種の固体酸化物形燃料電池としては、例えば一方の電極層(燃料極層又は空気極層)を兼ねる多孔質支持基板上に、薄膜状の電解質層と他方の電極層(燃料極層又は空気極層)とを順次形成したものがある(例えば特許文献2参照)。電解質層がガスの隔壁としての機能を果たすには、緻密に形成されていることが望ましく、また、電解質層がイオン伝導膜としての機能を果たすには、その膜厚をより薄くすることが望ましい。   As this type of solid oxide fuel cell, for example, on a porous support substrate that also serves as one electrode layer (fuel electrode layer or air electrode layer), a thin-film electrolyte layer and the other electrode layer (fuel electrode layer or And an air electrode layer) are formed sequentially (see, for example, Patent Document 2). In order for the electrolyte layer to function as a gas partition, it is desirable that the electrolyte layer be densely formed. In addition, in order for the electrolyte layer to function as an ion conductive film, it is desirable to make the film thickness thinner. .

電解質層を形成する方法としては、例えば、多孔質支持基板上にスクリーン印刷法等によりスラリーを塗布し、これを焼成して電解質層を形成する方法がある。この方法では、一般的に1200〜1700℃で焼結を行うことにより緻密な電解質層を形成している。この際、基板と電解質層との熱収縮率の差を考慮して、基板の破損を防止し、かつ電解質層を緻密に形成することが重要である。例えば、特許文献3には、比表面積(平均粒径)の異なる複数種の粉末を含むスラリーを塗布することにより、電解質層を形成する方法が提案されている。この方法によれば、経済性や量産性が向上し、かつ電解質層の大面積化が容易となる。また、特許文献4には、均質で緻密な電解質層を形成することができるスラリーが提案されている。   As a method for forming the electrolyte layer, for example, there is a method in which a slurry is applied on a porous support substrate by a screen printing method or the like, and this is baked to form an electrolyte layer. In this method, a dense electrolyte layer is generally formed by sintering at 1200 to 1700 ° C. At this time, it is important to prevent the substrate from being damaged and to form the electrolyte layer densely in consideration of the difference in thermal shrinkage between the substrate and the electrolyte layer. For example, Patent Document 3 proposes a method of forming an electrolyte layer by applying a slurry containing a plurality of types of powders having different specific surface areas (average particle diameters). According to this method, economic efficiency and mass productivity are improved, and it is easy to increase the area of the electrolyte layer. Patent Document 4 proposes a slurry capable of forming a homogeneous and dense electrolyte layer.

図7に、スクリーン印刷法を用いて電解質層を形成した従来の固体酸化物形燃料電池の模式断面図を示す。図7に示すように、固体酸化物形燃料電池100は、電解質層101と、電解質層101を挟持する燃料極層102及び空気極層103とを有する。電解質層101は、スクリーン印刷法により形成されているため、幾つもの結晶101aが電解質層101の厚み方向に積み重なった構造を有している。
特開2004−79332号公報 特開2002−323362号公報 特開2001−23653号公報 特開2002−15757号公報
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a conventional solid oxide fuel cell in which an electrolyte layer is formed using a screen printing method. As shown in FIG. 7, the solid oxide fuel cell 100 includes an electrolyte layer 101, and a fuel electrode layer 102 and an air electrode layer 103 that sandwich the electrolyte layer 101. Since the electrolyte layer 101 is formed by a screen printing method, it has a structure in which several crystals 101a are stacked in the thickness direction of the electrolyte layer 101.
JP 2004-79332 A JP 2002-323362 A JP 2001-23653 A JP 2002-15757 A

通常、図7に示す電解質層101を構成する金属成分の一部は、電解質層101内の結晶粒界101bに金属イオンとして固溶する。この結晶粒界101bに固溶した金属イオンは、酸化物イオンの移動(拡散)を妨げる。よって、図7に示す電解質層101のように、酸化物イオンの移動方向(電解質層101の厚み方向)に対しほぼ直交する方向に結晶粒界101bが存在する場合は、酸化物イオンの移動を妨げる粒界が増加し、酸化物イオン伝導性が低下する。その結果、固体酸化物形燃料電池100内の電気抵抗(内部抵抗)が増大するおそれがある。   Usually, a part of the metal component constituting the electrolyte layer 101 shown in FIG. 7 is dissolved as a metal ion in the crystal grain boundary 101b in the electrolyte layer 101. The metal ions dissolved in the crystal grain boundaries 101b hinder the movement (diffusion) of the oxide ions. Therefore, as in the electrolyte layer 101 shown in FIG. 7, when the crystal grain boundary 101b exists in a direction substantially perpendicular to the moving direction of the oxide ions (the thickness direction of the electrolyte layer 101), the movement of the oxide ions is prevented. Interfering grain boundaries increase and oxide ion conductivity decreases. As a result, the electrical resistance (internal resistance) in the solid oxide fuel cell 100 may increase.

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、電解質層内における酸化物イオンの移動を妨げる粒界の低減が可能な固体酸化物形燃料電池を提供する。   The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a solid oxide fuel cell capable of reducing grain boundaries that hinder the movement of oxide ions in an electrolyte layer.

本発明の固体酸化物形燃料電池は、電解質層と、前記電解質層の少なくとも一部を挟持する一対の多孔質電極層とを有する固体酸化物形燃料電池であって、
前記電解質層のうち前記一対の多孔質電極層で挟持された領域は、金属酸化物からなる結晶の集合体を含み、
前記結晶は、一方の前記多孔質電極層の表面の略法線方向に沿って延出した柱状構造を有することを特徴とする。
The solid oxide fuel cell of the present invention is a solid oxide fuel cell having an electrolyte layer and a pair of porous electrode layers sandwiching at least a part of the electrolyte layer,
The region sandwiched between the pair of porous electrode layers in the electrolyte layer includes an aggregate of crystals made of a metal oxide,
The crystal has a columnar structure extending along a substantially normal direction of the surface of one of the porous electrode layers.

本発明の固体酸化物形燃料電池は、電解質層のうち一対の多孔質電極層で挟持された領域が結晶の集合体を含み、この結晶が一方の多孔質電極層の表面の略法線方向に沿って延出した柱状構造を有するため、電解質層内における酸化物イオンの移動を妨げる粒界を低減することができる。これにより、電解質層の酸化物イオン伝導性を向上させることができるため、例えば内部抵抗の低減が可能な固体酸化物形燃料電池を提供することができる。   In the solid oxide fuel cell of the present invention, the region sandwiched between the pair of porous electrode layers in the electrolyte layer includes an aggregate of crystals, and the crystal is in a substantially normal direction of the surface of one of the porous electrode layers. Therefore, grain boundaries that hinder the movement of oxide ions in the electrolyte layer can be reduced. Thereby, since the oxide ion conductivity of the electrolyte layer can be improved, for example, a solid oxide fuel cell capable of reducing the internal resistance can be provided.

本発明の固体酸化物形燃料電池は、電解質層と、この電解質層の少なくとも一部を挟持する一対の多孔質電極層とを有し、上記電解質層のうち上記一対の多孔質電極層で挟持された領域が、金属酸化物からなる結晶の集合体を含み、上記結晶が、一方の上記多孔質電極層の表面の略法線方向に沿って延出した柱状構造を有する。よって、電解質層内における酸化物イオンの移動を妨げる粒界(例えば、酸化物イオンの移動方向に対し直交する方向の粒界)を低減することができる。これにより、電解質層の酸化物イオン伝導性を向上させることができるため、例えば内部抵抗の低減が可能な固体酸化物形燃料電池を提供することができる。また、従来に比べ電解質層内の粒界を低減できるため、電解質層におけるガスリ−クを防止することができる。   The solid oxide fuel cell of the present invention has an electrolyte layer and a pair of porous electrode layers that sandwich at least a part of the electrolyte layer, and is sandwiched by the pair of porous electrode layers among the electrolyte layers. The formed region includes an aggregate of crystals made of a metal oxide, and the crystal has a columnar structure extending along a substantially normal direction of the surface of one of the porous electrode layers. Therefore, it is possible to reduce grain boundaries that hinder the movement of oxide ions in the electrolyte layer (for example, grain boundaries in a direction orthogonal to the moving direction of oxide ions). Thereby, since the oxide ion conductivity of the electrolyte layer can be improved, for example, a solid oxide fuel cell capable of reducing the internal resistance can be provided. Further, since the grain boundary in the electrolyte layer can be reduced as compared with the conventional case, gas leak in the electrolyte layer can be prevented.

上記一対の多孔質電極層としては、燃料極層及び空気極層を使用することができる。この場合、上記結晶は、燃料極層及び空気極層のうちいずれか一方の表面の略法線方向に沿って延出した柱状構造を有する。また、上記一対の多孔質電極層は、上記電解質層の少なくとも一部を挟持していればよい。よって、後述するように、例えば上記電解質層の一部が、上記一対の多孔質電極層のいずれか一方の内部に形成されていてもよい。   As the pair of porous electrode layers, a fuel electrode layer and an air electrode layer can be used. In this case, the crystal has a columnar structure extending along the substantially normal direction of the surface of one of the fuel electrode layer and the air electrode layer. The pair of porous electrode layers only need to sandwich at least part of the electrolyte layer. Therefore, as described later, for example, a part of the electrolyte layer may be formed inside one of the pair of porous electrode layers.

上記結晶を構成する金属酸化物としては、例えば、固体酸化物形燃料電池用の電解質材料として広く知られている酸化ジルコニウム、酸化セリウム及び酸化ランタンから選ばれる少なくとも一つを含む複合金属酸化物を使用できる。このような金属酸化物の具体例としては、YSZ、スカンジア安定化ジルコニア(以下、「ScSZ」と略称する)、サマリアドープドセリア(以下、「SDC」と略称する)、ガドリニウムドープドセリア(以下、「GDC」と略称する)、ランタン・ガレード等が挙げられる。また、上記複合金属酸化物は、酸化物イオン伝導性の観点から、蛍石型又はペロブスカイト型の結晶構造を有することが好ましい。   As the metal oxide constituting the crystal, for example, a composite metal oxide containing at least one selected from zirconium oxide, cerium oxide, and lanthanum oxide, which is widely known as an electrolyte material for a solid oxide fuel cell, is used. Can be used. Specific examples of such metal oxides include YSZ, scandia-stabilized zirconia (hereinafter abbreviated as “ScSZ”), Samaria doped ceria (hereinafter abbreviated as “SDC”), gadolinium doped ceria (hereinafter abbreviated as “ScSZ”). , Abbreviated as “GDC”), lanthanum garade and the like. The composite metal oxide preferably has a fluorite-type or perovskite-type crystal structure from the viewpoint of oxide ion conductivity.

上記燃料極層の材料には、例えば、セラミックス粉末材料等の酸化物イオン伝導体と金属触媒との混合物を用いることができる。酸化物イオン伝導体としては、蛍石型又はペロブスカイト型の結晶構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型の結晶構造を有するものとしては、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物等を挙げることができる。また、ペロブスカイト型の結晶構造を有するものとしては、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物を挙げることができる。金属触媒を構成する金属としては、還元性雰囲気中で安定であり、かつ、水素酸化活性を有する材料を用いることができ、例えば、ニッケル、鉄、コバルト等や、貴金属(白金、ルテニウム、パラジウム等)等が使用できる。上記材料の中では、水素酸化の活性が高いニッケルが好ましい。よって、酸化物イオン伝導体とニッケルとの混合物で燃料極層を形成することが好ましい。なお、酸化物イオン伝導体からなるセラミックス粉末材料とニッケルとの混合物は、両者を単に混ぜ合わせただけのものであってもよいし、セラミックス粉末をニッケルへ修飾させたものであってもよい。また、上述したセラミックス粉末材料は、1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を混合して使用してもよい。また、燃料極層は、金属触媒のみから構成することもできる。なお、燃料極層の気孔率は、通常20〜50体積%であり、望ましくは30〜40体積%である。また、燃料極層の厚みは、通常5〜50μmである。また、燃料極層内の気孔の平均径は、1μm以上100μm以下が好ましく、1μm以上10μm以下がより好ましい。上記気孔の平均径が1μm未満の場合、燃料極層のガス透過性が低下する場合がある。一方、上記気孔の平均径が、100μmを超える場合、燃料極層の強度が低下する場合がある。   As the material for the fuel electrode layer, for example, a mixture of an oxide ion conductor such as a ceramic powder material and a metal catalyst can be used. As the oxide ion conductor, one having a fluorite-type or perovskite-type crystal structure can be preferably used. Examples of those having a fluorite-type crystal structure include ceria-based oxides doped with samarium and gadolinium, zirconia-based oxides containing scandium and yttrium, and the like. Further, examples of those having a perovskite crystal structure include lanthanum galide oxides doped with strontium and magnesium. As a metal constituting the metal catalyst, a material that is stable in a reducing atmosphere and has a hydrogen oxidation activity can be used. For example, nickel, iron, cobalt, or the like, or a noble metal (platinum, ruthenium, palladium, or the like) ) Etc. can be used. Among the above materials, nickel having high hydrogen oxidation activity is preferable. Therefore, it is preferable to form the fuel electrode layer with a mixture of the oxide ion conductor and nickel. Note that the mixture of the ceramic powder material made of an oxide ion conductor and nickel may be a mixture of both, or a modification of the ceramic powder to nickel. Moreover, the ceramic powder material mentioned above may be used individually by 1 type, and may mix and use 2 or more types. Further, the fuel electrode layer can be composed of only a metal catalyst. The porosity of the fuel electrode layer is usually 20 to 50% by volume, and preferably 30 to 40% by volume. The thickness of the fuel electrode layer is usually 5 to 50 μm. Moreover, the average diameter of the pores in the fuel electrode layer is preferably 1 μm or more and 100 μm or less, and more preferably 1 μm or more and 10 μm or less. When the average diameter of the pores is less than 1 μm, the gas permeability of the fuel electrode layer may be lowered. On the other hand, when the average diameter of the pores exceeds 100 μm, the strength of the fuel electrode layer may decrease.

上記空気極層の材料には、例えば、ペロブスカイト型の結晶構造を有する金属酸化物を用いることができる。具体的には(Sm,Sr)CoO3、(La,Sr)MnO3、(La,Sr)CoO3、(La,Sr)(Fe,Co)O3、(La,Sr)(Fe,Co,Ni)O3等の金属酸化物が挙げられ、酸化性雰囲気下の安定性の観点から(La,Sr)MnO3を使用することが好ましい。上述した金属酸化物は、1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を混合して使用してもよい。また、空気極層を形成する材料として、白金、ルテニウム、パラジウム等の貴金属を使用することもできる。なお、空気極層の気孔率は、通常20〜50体積%であり、望ましくは30〜40体積%である。また、空気極層の厚みは、通常5〜50μmである。また、空気極層内の気孔の平均径は、1μm以上100μm以下が好ましく、1μm以上10μm以下がより好ましい。上記気孔の平均径が1μm未満の場合、空気極層のガス透過性が低下する場合がある。一方、上記気孔の平均径が、100μmを超える場合、空気極層の強度が低下する場合がある。 As the material of the air electrode layer, for example, a metal oxide having a perovskite crystal structure can be used. Specifically, (Sm, Sr) CoO 3 , (La, Sr) MnO 3 , (La, Sr) CoO 3 , (La, Sr) (Fe, Co) O 3 , (La, Sr) (Fe, Co , Ni) O 3 and the like, and (La, Sr) MnO 3 is preferably used from the viewpoint of stability in an oxidizing atmosphere. One kind of the metal oxides described above may be used alone, or two or more kinds may be mixed and used. Moreover, noble metals, such as platinum, ruthenium, and palladium, can also be used as a material for forming the air electrode layer. In addition, the porosity of an air electrode layer is 20-50 volume% normally, Preferably it is 30-40 volume%. The thickness of the air electrode layer is usually 5 to 50 μm. Moreover, the average diameter of the pores in the air electrode layer is preferably 1 μm or more and 100 μm or less, and more preferably 1 μm or more and 10 μm or less. When the average diameter of the pores is less than 1 μm, the gas permeability of the air electrode layer may be lowered. On the other hand, when the average diameter of the pores exceeds 100 μm, the strength of the air electrode layer may decrease.

また、本発明において電解質層の酸化物イオン伝導性をより向上させるには、上記結晶のアスペクト比が2以上であることが好ましい。ここで「アスペクト比」とは、上記結晶における上記一方の多孔質電極層の表面の略法線方向の結晶長さを、上記結晶における上記略法線方向と直交する方向の結晶径で除した値をいう。なお、上記結晶における上記略法線方向の結晶長さは、例えば10nm〜50μm程度であり、上記結晶における上記略法線方向と直交する方向の結晶径は、例えば5nm〜25nm程度である。   In the present invention, the aspect ratio of the crystal is preferably 2 or more in order to further improve the oxide ion conductivity of the electrolyte layer. Here, the “aspect ratio” is obtained by dividing the crystal length in the substantially normal direction of the surface of the one porous electrode layer in the crystal by the crystal diameter in the direction orthogonal to the approximately normal direction in the crystal. Value. The crystal length in the substantially normal direction of the crystal is, for example, about 10 nm to 50 μm, and the crystal diameter of the crystal in the direction orthogonal to the substantially normal direction is, for example, about 5 nm to 25 nm.

また、本発明において電解質層の酸化物イオン伝導性を更に向上させるには、上記結晶が単結晶であることが好ましい。特に、この単結晶の両端が上記一対の多孔質電極層のそれぞれの表面に接していると、酸化物イオン伝導性をより一層向上させることができるため好ましい。   In the present invention, in order to further improve the oxide ion conductivity of the electrolyte layer, the crystal is preferably a single crystal. In particular, it is preferable that both ends of the single crystal are in contact with the respective surfaces of the pair of porous electrode layers because the oxide ion conductivity can be further improved.

また、上記集合体は、上記結晶が上記一方の多孔質電極層の表面に沿って配列した集合体であってもよい。この構成によれば、上記結晶同士が密接するため、電解質層の緻密性が向上する。これにより、電解質層のガス不透過性を向上させることができる。   The aggregate may be an aggregate in which the crystals are arranged along the surface of the one porous electrode layer. According to this configuration, since the crystals are in close contact with each other, the denseness of the electrolyte layer is improved. Thereby, the gas impermeability of the electrolyte layer can be improved.

また、本発明においては、上記電解質層が、上記一方の多孔質電極層の表面に沿って形成された上記金属酸化物からなる第1被膜を更に含み、上記集合体が、上記第1被膜の表面に沿って配列した上記結晶の集合体であってもよい。この構成によれば、上記第1被膜に含まれる結晶を結晶核とし、この結晶核から柱状構造に結晶成長した上記結晶の集合体を得ることができるため、上記結晶同士がより密接した上記集合体とすることができる。これにより、電解質層のガス不透過性をより向上させることができる。なお、上記効果を確実に発揮させるためには、上記第1被膜の厚みが、10nm以上50μm以下であることが好ましく、10nm以上1μm以下であることがより好ましい。   In the present invention, the electrolyte layer further includes a first film made of the metal oxide formed along the surface of the one porous electrode layer, and the assembly includes the first film. It may be an aggregate of the crystals arranged along the surface. According to this configuration, since the crystal contained in the first film is a crystal nucleus and an aggregate of the crystal grown from the crystal nucleus into a columnar structure can be obtained, the aggregate in which the crystals are closer to each other can be obtained. It can be a body. Thereby, the gas impermeability of the electrolyte layer can be further improved. In addition, in order to exhibit the said effect reliably, it is preferable that the thickness of the said 1st coating film is 10 nm or more and 50 micrometers or less, and it is more preferable that they are 10 nm or more and 1 micrometer or less.

また、上記電解質層は、上記一方の多孔質電極層内の気孔を形成する壁面の少なくとも一部を被覆する第2被膜を更に含んでいてもよい。例えば、上記多孔質電極層と上記電解質層との界面近傍に位置する上記多孔質電極層の表面層に上記第2被膜が存在すると、上記多孔質電極層と上記電解質層との密着性が向上するため好ましい。また、上記第2被膜が存在すると、上述した三相の界面が増大するため、電極反応の円滑化が可能となる。上記効果をより確実に発揮させるためには、上記多孔質電極層と上記電解質層との界面から、上記多孔質電極層の深さ方向に少なくとも10nm(より好ましくは少なくとも100nm、特に好ましくは少なくとも1μm)までの範囲に存在する上記気孔内に、上記第2被膜が存在していることが好ましい。また、上記第2被膜の厚みは、10nm以上50μm以下であることが好ましく、10nm以上1μm以下であることがより好ましい。この範囲内であれば、上記多孔質電極層のガス透過性を良好に維持した上で、上述した三相の界面を増大させることができる。なお、上記第2被膜の材料は、例えば上記第1被膜と同様であればよい。   The electrolyte layer may further include a second coating that covers at least a part of a wall surface that forms pores in the one porous electrode layer. For example, when the second coating is present on the surface layer of the porous electrode layer located near the interface between the porous electrode layer and the electrolyte layer, the adhesion between the porous electrode layer and the electrolyte layer is improved. Therefore, it is preferable. In addition, when the second coating is present, the above-described three-phase interface increases, so that the electrode reaction can be facilitated. In order to exhibit the effect more reliably, at least 10 nm (more preferably at least 100 nm, particularly preferably at least 1 μm) in the depth direction of the porous electrode layer from the interface between the porous electrode layer and the electrolyte layer. It is preferable that the second coating is present in the pores existing in the range up to. The thickness of the second coating is preferably 10 nm or more and 50 μm or less, and more preferably 10 nm or more and 1 μm or less. Within this range, the above-described three-phase interface can be increased while maintaining good gas permeability of the porous electrode layer. In addition, the material of the said 2nd film should just be the same as that of the said 1st film, for example.

上記電解質層のうち上記一対の多孔質電極層に挟持された領域の厚みは、通常10nm以上50μm以下であり、好ましくは10nm以上10μm以下であり、さらに好ましくは100nm以上5μm以下であり、最も好ましくは、100nm以上1μm以下である。上記厚みが10nm未満の場合、上記一対の多孔質電極層同士が接触するおそれがある。一方、上記厚みが50μmを超えると、上記電解質層の酸化物イオン伝導性が低下するおそれがある。なお、上記電解質層の上記領域において、上記柱状構造を有する結晶の集合体が占める割合は、例えば95体積%以上であり、酸化物イオン伝導性をより向上させるには、98体積%以上であることが好ましく、最も好ましくは100体積%である。   The thickness of the region sandwiched between the pair of porous electrode layers in the electrolyte layer is usually 10 nm to 50 μm, preferably 10 nm to 10 μm, more preferably 100 nm to 5 μm, and most preferably. Is 100 nm or more and 1 μm or less. When the thickness is less than 10 nm, the pair of porous electrode layers may come into contact with each other. On the other hand, if the thickness exceeds 50 μm, the oxide ion conductivity of the electrolyte layer may be reduced. The ratio of the aggregate of crystals having the columnar structure in the region of the electrolyte layer is, for example, 95% by volume or more, and 98% by volume or more in order to further improve the oxide ion conductivity. Preferably, it is 100% by volume.

次に、上述した本発明の固体酸化物形燃料電池の好適な製造方法の一例(以下、「第1製造方法」ともいう)について説明する。   Next, an example of a preferred method for producing the above-described solid oxide fuel cell of the present invention (hereinafter also referred to as “first production method”) will be described.

まず、多孔質電極層上に接触する電解質層を形成する方法について説明する。第1製造方法では、多孔質電極層(燃料極層又は空気極層)を金属酸化物膜形成温度以上に加熱した状態で、この多孔質電極層上に金属源を含む金属酸化物膜形成用溶液を噴霧することにより金属酸化物膜からなる電解質層を形成する。本方法により得られる電解質層は、上記多孔質電極層の表面の略法線方向に沿って延出した柱状構造を有する結晶の集合体を含む。また、本方法によれば、例えば1000℃以上の高温での熱処理工程が不要となり、電解質層の緻密化を容易に行うことができるため、製造工程をより簡便にすることができる。なお「金属酸化物膜形成温度」とは、上記金属源を構成する金属元素が酸素と結合して上記多孔質電極層上に金属酸化物膜が形成される最低温度のことである。上記金属酸化物膜形成温度は、金属源の種類や溶媒等の上記金属酸化物膜形成用溶液の組成によって大きく異なり、通常300〜1000℃の範囲内である。特に、生産性の観点から、400〜700℃の範囲内となるように、金属源の種類や溶媒等を選択するのが好ましい。一方、上記金属酸化物膜形成用溶液が、後述する酸化剤や還元剤を含む場合、上記金属酸化物膜形成温度は、通常150〜800℃の範囲内であり、特に、生産性の観点から、300〜500℃の範囲内となるように、金属源の種類や溶媒等を選択するのが好ましい。   First, a method for forming an electrolyte layer in contact with the porous electrode layer will be described. In the first production method, the porous electrode layer (fuel electrode layer or air electrode layer) is heated to a temperature higher than or equal to the metal oxide film formation temperature, and is used for forming a metal oxide film containing a metal source on the porous electrode layer. An electrolyte layer made of a metal oxide film is formed by spraying the solution. The electrolyte layer obtained by this method includes an aggregate of crystals having a columnar structure extending along a substantially normal direction of the surface of the porous electrode layer. In addition, according to this method, for example, a heat treatment step at a high temperature of 1000 ° C. or higher is not required, and the electrolyte layer can be easily densified, so that the manufacturing process can be further simplified. The “metal oxide film formation temperature” is the lowest temperature at which a metal element constituting the metal source is combined with oxygen to form a metal oxide film on the porous electrode layer. The metal oxide film formation temperature varies greatly depending on the composition of the metal oxide film formation solution such as the type of metal source and solvent, and is usually in the range of 300 to 1000 ° C. In particular, from the viewpoint of productivity, it is preferable to select the type of metal source, the solvent, and the like so as to be within a range of 400 to 700 ° C. On the other hand, when the metal oxide film forming solution contains an oxidizing agent or a reducing agent, which will be described later, the metal oxide film forming temperature is usually in the range of 150 to 800 ° C., particularly from the viewpoint of productivity. It is preferable to select the type of metal source, the solvent, and the like so that the temperature is in the range of 300 to 500 ° C.

上記金属酸化物膜形成温度は、以下の方法により測定することができる。まず、所望の金属源を含む金属酸化物膜形成用溶液を調製する。次に、多孔質電極層の加熱温度を変化させて、上記多孔質電極層上に上記金属酸化物膜形成用溶液を接触させることにより、金属酸化物膜を形成することができる多孔質電極層の加熱温度のうち、最低の加熱温度を測定する。この最低の加熱温度を本明細書における「金属酸化物膜形成温度」とすることができる。この際、金属酸化物膜が形成したか否かは、例えばX線回折装置(リガク製、RINT−1500)により得られた結果から判断することができる。   The metal oxide film formation temperature can be measured by the following method. First, a metal oxide film forming solution containing a desired metal source is prepared. Next, by changing the heating temperature of the porous electrode layer and bringing the metal oxide film forming solution into contact with the porous electrode layer, a porous electrode layer capable of forming a metal oxide film Of these heating temperatures, the lowest heating temperature is measured. This minimum heating temperature can be referred to as a “metal oxide film forming temperature” in this specification. At this time, whether or not the metal oxide film is formed can be determined from a result obtained by, for example, an X-ray diffractometer (RINT-1500, manufactured by Rigaku).

また、多孔質電極層の加熱方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、ホットプレート、オーブン、焼成炉、赤外線ランプ、熱風送風機等による加熱方法を挙げることができ、中でも、ホットプレートを使用すると、多孔質電極層の温度を所望の温度に確実に保持できるため好ましい。   The heating method for the porous electrode layer is not particularly limited, and examples thereof include a heating method using a hot plate, oven, firing furnace, infrared lamp, hot air blower, etc. Is preferable because the temperature of the porous electrode layer can be reliably maintained at a desired temperature.

上記電解質層を形成する際の支持基板として使用する上記多孔質電極層は、上述した燃料極層又は空気極層が使用できる。その構成材料等については、上述と同様であるため省略する。なお、上記多孔質電極層は、それ自体を上記電解質層の形成用の支持基板として使用してもよいし、多孔質な支持基板上に電極層の材料をコーティングしたものを多孔質電極層とし、これを上記電解質層の形成用の支持基板として使用してもよい。多孔質な支持基板の材料としては、耐熱性セラミックスや耐熱性金属等を使用することができる。   As the porous electrode layer used as a support substrate when forming the electrolyte layer, the above-described fuel electrode layer or air electrode layer can be used. The constituent materials and the like are the same as described above, and will be omitted. The porous electrode layer itself may be used as a support substrate for forming the electrolyte layer, or a porous support layer coated with a material for the electrode layer is used as the porous electrode layer. This may be used as a support substrate for forming the electrolyte layer. As a material for the porous support substrate, heat-resistant ceramics, heat-resistant metals, or the like can be used.

上記金属源としては、上記金属酸化物膜を構成する金属を含み、かつ後述する溶媒に溶解するものであればよい。例えば、金属塩、金属イオンに対して無機物又は有機物が配位した金属錯体、分子中に金属−炭素結合を有する有機金属化合物等を使用することができる。上記金属源は、1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を混合して使用してもよい。   Any metal source may be used as long as it contains the metal constituting the metal oxide film and dissolves in a solvent described later. For example, a metal salt, a metal complex in which an inorganic substance or an organic substance is coordinated with a metal ion, an organometallic compound having a metal-carbon bond in the molecule, or the like can be used. The said metal source may be used individually by 1 type, and may mix and use 2 or more types.

上記金属源を構成する金属元素としては、所望の金属組成の金属酸化物膜を得ることができれば特に限定されるものではないが、Ca、Cr、Sr、Nb、Mo、Sb、Te、Ba、W、Mg、Al、Si、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Ag、In、Sn、Ce、Sm、Pb、La、Hf、Sc、Gd、Ga及びTaから選ばれる少なくとも一つの金属元素であることが好ましい。上記金属元素は、プールベ線図において、金属酸化物として存在する領域(以下、「金属酸化物領域」という)、又は金属水酸化物として存在する領域(以下、「金属水酸化物領域」という)を有しているため、金属酸化物膜の主用構成元素として適している。更に好ましくは、電解質材料として広く知られているZr、Ce、Laが適している。上記金属源(1種又は複数種)は、上記金属元素を2種類以上含有していてもよい。通常、固体酸化物形燃料電池用の電解質層には、複数種の金属元素が使用されている。   The metal element constituting the metal source is not particularly limited as long as a metal oxide film having a desired metal composition can be obtained, but Ca, Cr, Sr, Nb, Mo, Sb, Te, Ba, W, Mg, Al, Si, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Ag, In, Sn, Ce, Sm, Pb, La, Hf, Sc, Gd, Ga and It is preferably at least one metal element selected from Ta. In the Pourbaille diagram, the metal element is a region present as a metal oxide (hereinafter referred to as “metal oxide region”) or a region present as a metal hydroxide (hereinafter referred to as “metal hydroxide region”). Therefore, it is suitable as a main constituent element of the metal oxide film. More preferably, Zr, Ce, La widely known as electrolyte materials are suitable. The said metal source (1 type or multiple types) may contain 2 or more types of the said metal element. Usually, a plurality of types of metal elements are used in an electrolyte layer for a solid oxide fuel cell.

上記金属塩としては、上記金属元素を含む塩化物、硝酸塩、硫酸塩、過塩素酸塩、酢酸塩、リン酸塩、臭素酸塩等を挙げることができる。中でも、本発明においては、塩化物、硝酸塩、酢酸塩を使用することが好ましい。これらの化合物は汎用品として入手が容易だからである。   Examples of the metal salt include chlorides, nitrates, sulfates, perchlorates, acetates, phosphates, bromates and the like containing the above metal elements. Among these, in the present invention, it is preferable to use chloride, nitrate, and acetate. This is because these compounds are easily available as general-purpose products.

また、上記金属錯体や上記有機金属化合物の具体例としては、カルシウムアセチルアセトナート二水和物、クロム(III)アセチルアセトナート、トリフルオロメタンスルホン酸ガリウム(III)、ストロンチウムジピバロイルメタナート、五塩化ニオブ、モリブデニルアセチルアセトナート、パラジウム(II)アセチルアセトナート、塩化アンチモン(III)、テルル酸ナトリウム、塩化バリウム二水和物、塩化タングステン(IV)、マグネシウムジエトキシド、アルミニウムアセチルアセトナート、カルシウムジ(メトキシエトキシド)、グルコン酸カルシウム一水和物、クエン酸カルシウム四水和物、サリチル酸カルシウム二水和物、チタンラクテート、チタンアセチルアセトネート、テトライソプロピルチタネート、テトラノルマルブチルチタネート、テトラ(2−エチルヘキシル)チタネート、ブチルチタネートダイマー、チタニウムビス(エチルヘキソキシ)ビス(2−エチル−3−ヒドロキシヘキソキシド)、ジイソプロポキシチタンビス(トリエタノールアミネート)、ジヒドロキシビス(アンモニウムラクテート)チタニウム、ジイソプロポキシチタンビス(エチルアセトアセテート)、チタンペロキソクエン酸アンモニウム四水和物、ジシクロペンタジエニル鉄(II)、乳酸鉄(II)三水和物、鉄(III)アセチルアセトナート、コバルト(II)アセチルアセトナート、ニッケル(II)アセチルアセトナート二水和物、銅(II)アセチルアセトナート、銅(II)ジピバロイルメタナート、エチルアセト酢酸銅(II)、亜鉛アセチルアセトナート、乳酸亜鉛三水和物、サリチル酸亜鉛三水和物、ステアリン酸亜鉛、ストロンチウムジピバロイルメタナート、イットリウムジピバロイルメタナート、ジルコニウムテトラ−n−ブトキシド、ジルコニウム(IV)エトキシド、ジルコニウムノルマルプロピレート、ジルコニウムノルマルブチレート、ジルコニウムテトラアセチルアセトネート、ジルコニウムモノアセチルアセトネート、ジルコニウムアセチルアセトネートビスエチルアセトアセテート、ジルコニウムアセテート、ジルコニウムモノステアレート、ペンタ−n−ブトキシニオブ、ペンタエトキシニオブ、ペンタイソプロポキシニオブ、トリス(アセチルアセトナト)インジウム(III)、2−エチルヘキサン酸インジウム(III)、テトラエチルすず、酸化ジブチルすず(IV)、トリシクロヘキシルすず(IV)ヒドロキシド、ランタンアセチルアセトナート二水和物、トリ(メトキシエトキシ)ランタン、ペンタイソプロポキシタンタル、ペンタエトキシタンタル、タンタル(V)エトキシド、セリウム(III)アセチルアセトナート、クエン酸鉛(II)三水和物、シクロヘキサン酪酸鉛等を挙げることができる。中でも、入手が容易で扱いやすい点から、マグネシウムジエトキシド、アルミニウムアセチルアセトナート、カルシウムアセチルアセトナート二水和物、チタンラクテート、チタンアセチルアセトネート、テトライソプロピルチタネート、テトラノルマルブチルチタネート、テトラ(2−エチルヘキシル)チタネート、ブチルチタネートダイマー、ジイソプロポキシチタンビス(エチルアセトアセテート)、乳酸鉄(II)三水和物、鉄(III)アセチルアセトナート、亜鉛アセチルアセトナート、乳酸亜鉛三水和物、ストロンチウムジピバロイルメタナート、ペンタエトキシニオブ、トリス(アセチルアセトナト)インジウム(III)、2−エチルヘキサン酸インジウム(III)、テトラエチルすず、酸化ジブチルすず(IV)、ランタンアセチルアセトナート二水和物、トリ(メトキシエトキシ)ランタン、セリウム(III)アセチルアセトナートを使用することが好ましい。   Specific examples of the metal complex and the organometallic compound include calcium acetylacetonate dihydrate, chromium (III) acetylacetonate, gallium (III) trifluoromethanesulfonate, strontium dipivaloylmethanate, Niobium pentachloride, molybdenyl acetylacetonate, palladium (II) acetylacetonate, antimony (III) chloride, sodium tellurate, barium chloride dihydrate, tungsten (IV) chloride, magnesium diethoxide, aluminum acetylacetonate , Calcium di (methoxyethoxide), calcium gluconate monohydrate, calcium citrate tetrahydrate, calcium salicylate dihydrate, titanium lactate, titanium acetylacetonate, tetraisopropyl titanate, tetranormal butyl titanate, Tra (2-ethylhexyl) titanate, butyl titanate dimer, titanium bis (ethylhexoxy) bis (2-ethyl-3-hydroxyhexoxide), diisopropoxytitanium bis (triethanolamate), dihydroxybis (ammonium lactate) titanium, Diisopropoxytitanium bis (ethyl acetoacetate), titanium peroxo ammonium citrate tetrahydrate, dicyclopentadienyl iron (II), iron (II) lactate trihydrate, iron (III) acetylacetonate, cobalt (II) acetylacetonate, nickel (II) acetylacetonate dihydrate, copper (II) acetylacetonate, copper (II) dipivaloylmethanate, copper (II) ethylacetoacetate, zinc acetylacetonate, Zinc lactate trihydrate, zinc salicylate trihydrate, zinc stearate Strontium dipivaloylmethanate, yttrium dipivaloylmethanate, zirconium tetra-n-butoxide, zirconium (IV) ethoxide, zirconium normal propyrate, zirconium normal butyrate, zirconium tetraacetylacetonate, zirconium monoacetylacetonate , Zirconium acetylacetonate bisethylacetoacetate, zirconium acetate, zirconium monostearate, penta-n-butoxyniobium, pentaethoxyniobium, pentaisopropoxyniobium, tris (acetylacetonato) indium (III), 2-ethylhexanoic acid Indium (III), tetraethyltin, dibutyltin oxide (IV), tricyclohexyltin (IV) hydroxide, lanthanum acetylacetona Dihydrate, tri (methoxyethoxy) lanthanum, pentaisopropoxytantalum, pentaethoxytantalum, tantalum (V) ethoxide, cerium (III) acetylacetonate, lead (II) citrate trihydrate, cyclohexanebutyric acid Lead etc. can be mentioned. Among these, magnesium diethoxide, aluminum acetylacetonate, calcium acetylacetonate dihydrate, titanium lactate, titanium acetylacetonate, tetraisopropyl titanate, tetranormal butyl titanate, tetra (2) are easily available and easy to handle. -Ethylhexyl) titanate, butyl titanate dimer, diisopropoxytitanium bis (ethyl acetoacetate), iron (II) lactate trihydrate, iron (III) acetylacetonate, zinc acetylacetonate, zinc lactate trihydrate, strontium Dipivaloylmethanate, pentaethoxyniobium, tris (acetylacetonato) indium (III), indium (III) 2-ethylhexanoate, tetraethyltin, dibutyltin oxide (IV), lanthanum acetylacetate Over preparative dihydrate, tri (methoxyethoxy) lanthanum, it is preferable to use a cerium (III) acetylacetonate.

上記金属源を適宜選択することによって、例えば、固体酸化物形燃料電池用の電解質材料として広く知られている酸化ジルコニウム、酸化セリウム及び酸化ランタンから選ばれる少なくとも一つを含む複合金属酸化物から構成された金属酸化物膜を形成することができる。   By appropriately selecting the metal source, for example, a composite metal oxide containing at least one selected from zirconium oxide, cerium oxide, and lanthanum oxide, which is widely known as an electrolyte material for a solid oxide fuel cell. The formed metal oxide film can be formed.

上記金属酸化物膜形成用溶液に用いられる溶媒は、上述した金属源を溶解することができるものであれば、特に限定されるものではない。例えば、金属源が金属塩の場合は、メタノール、エタノール、2−プロパノール、1−プロパノール、ブタノール等の総炭素数が5以下の低級アルコール、水、トルエン、これらの混合溶媒等を使用することができ、金属源が金属錯体又は有機金属化合物の場合は、水、上述した低級アルコール、トルエン、これらの混合溶媒等を使用することができる。また、本発明においては、上記溶媒を組み合わせて使用してもよい。例えば、水への溶解性は低いが有機溶媒への溶解性は高い金属錯体と、有機溶媒への溶解性は低いが水への溶解性は高い材料(例えば後述する還元剤)とを使用する場合は、水と有機溶媒との混合溶媒を使用して両者を溶解させ、均一な金属酸化物膜形成用溶液とすることができる。   The solvent used in the metal oxide film forming solution is not particularly limited as long as it can dissolve the metal source described above. For example, when the metal source is a metal salt, a lower alcohol having a total carbon number of 5 or less such as methanol, ethanol, 2-propanol, 1-propanol, butanol, water, toluene, a mixed solvent thereof or the like may be used. In the case where the metal source is a metal complex or an organometallic compound, water, the above-described lower alcohol, toluene, a mixed solvent thereof or the like can be used. In the present invention, the above solvents may be used in combination. For example, a metal complex having low solubility in water but high solubility in an organic solvent and a material having low solubility in an organic solvent but high solubility in water (for example, a reducing agent described later) are used. In the case, a mixed solvent of water and an organic solvent is used to dissolve both of them, and a uniform metal oxide film forming solution can be obtained.

上記金属酸化物膜形成用溶液における上記金属源の濃度としては、通常0.001〜10mol/リットルであり、中でも0.01〜1mol/リットルであることが好ましい。濃度が0.001mol/リットル未満であると、金属酸化物膜の成膜反応が起こり難く、所望の金属酸化物膜を得ることができない可能性があり、濃度が10mol/リットルを超えると、沈殿物が生成する可能性があるからである。   The concentration of the metal source in the metal oxide film forming solution is usually 0.001 to 10 mol / liter, and preferably 0.01 to 1 mol / liter. If the concentration is less than 0.001 mol / liter, the metal oxide film formation reaction hardly occurs and the desired metal oxide film may not be obtained. If the concentration exceeds 10 mol / liter, precipitation occurs. This is because things may be generated.

上記金属酸化物膜形成用溶液は、酸化剤及び還元剤から選ばれる少なくとも一つを更に含んでいてもよい。金属酸化物膜の成膜反応を促進させることができるからである。例えば、上記金属酸化物膜形成用溶液に酸化剤が含まれていると、上記金属源が溶解してなる金属イオン等の酸化が速やかに行われるため、金属酸化物膜の成膜反応が促進する。また、例えば、上記金属酸化物膜形成用溶液に還元剤が含まれていると、この還元剤が分解して電子を放出することにより水(溶媒)の電気分解反応を誘発すると考えられる。水の電気分解反応が起こると水酸化物イオンが発生し、これにより、金属酸化物膜形成用溶液のpHが上昇し、プールベ線図における金属酸化物領域又は金属水酸化物領域へとシフトするため、金属酸化物膜の成膜反応が促進する。   The metal oxide film forming solution may further contain at least one selected from an oxidizing agent and a reducing agent. This is because the deposition reaction of the metal oxide film can be promoted. For example, if the metal oxide film forming solution contains an oxidizing agent, the metal ions dissolved by the metal source are rapidly oxidized, which accelerates the metal oxide film formation reaction. To do. Further, for example, if a reducing agent is contained in the metal oxide film forming solution, it is considered that the reducing agent decomposes and emits electrons, thereby inducing an electrolysis reaction of water (solvent). When water electrolysis occurs, hydroxide ions are generated, which increases the pH of the metal oxide film forming solution and shifts to the metal oxide region or metal hydroxide region in the Pourbaix diagram. Therefore, the film formation reaction of the metal oxide film is promoted.

上記酸化剤としては、上述した溶媒に溶解し、かつ上記金属源が溶解してなる金属イオン等を酸化することができるものであれば特に限定されず、例えば、過酸化水素、亜硝酸ナトリウム、亜硝酸カリウム、臭素酸ナトリウム、臭素酸カリウム、酸化銀、二クロム酸、過マンガン酸カリウム等が挙げられ、中でも過酸化水素、亜硝酸カリウムを使用するのが好ましい。   The oxidizing agent is not particularly limited as long as it can be dissolved in the above-described solvent and can oxidize a metal ion or the like formed by dissolving the metal source. For example, hydrogen peroxide, sodium nitrite, Examples thereof include potassium nitrite, sodium bromate, potassium bromate, silver oxide, dichromic acid, and potassium permanganate. Among them, hydrogen peroxide and potassium nitrite are preferably used.

上記金属酸化物膜形成用溶液における上記酸化剤の濃度は、酸化剤の種類に応じて異なるが、通常0.001〜1mol/リットルであり、中でも0.01〜0.1mol/リットルであることが好ましい。濃度が0.001mol/リットル未満であると、金属酸化物膜の成膜反応を促進させる効果を充分に発揮することができない可能性があり、濃度が1mol/リットルを超えると、濃度の増加に見合う効果が得られず、コスト上好ましくないからである。   The concentration of the oxidizing agent in the metal oxide film forming solution varies depending on the type of the oxidizing agent, but is usually 0.001 to 1 mol / liter, particularly 0.01 to 0.1 mol / liter. Is preferred. If the concentration is less than 0.001 mol / liter, there is a possibility that the effect of promoting the film formation reaction of the metal oxide film may not be sufficiently exhibited. If the concentration exceeds 1 mol / liter, the concentration increases. This is because a suitable effect cannot be obtained and this is not preferable in terms of cost.

上記還元剤としては、上述した溶媒に溶解し、かつ分解反応により電子を放出することができるものであれば、特に限定されず、例えば、ボラン−tert−ブチルアミン錯体、ボラン−N,Nジエチルアニリン錯体、ボラン−ジメチルアミン錯体、ボラン−トリメチルアミン錯体等のボラン系錯体、水酸化シアノホウ素ナトリウム、水酸化ホウ素ナトリウム等を挙げることができ、中でもボラン系錯体を使用することが好ましい。   The reducing agent is not particularly limited as long as it is soluble in the above-described solvent and can release electrons by a decomposition reaction. For example, borane-tert-butylamine complex, borane-N, N diethylaniline. Examples include complexes, borane complexes such as borane-dimethylamine complex and borane-trimethylamine complex, sodium cyanoborohydride, sodium borohydride, etc. Among them, it is preferable to use borane complex.

上記金属酸化物膜形成用溶液における上記還元剤の濃度は、還元剤の種類に応じて異なるが、通常0.001〜1mol/リットルであり、中でも0.01〜0.1mol/リットルであることが好ましい。濃度が0.001mol/リットル未満であると、金属酸化物膜の成膜反応を促進させる効果を充分に発揮することができない可能性があり、濃度が1mol/リットルを超えると、濃度の増加に見合う効果が得られず、コスト上好ましくないからである。   The concentration of the reducing agent in the metal oxide film forming solution varies depending on the type of the reducing agent, but is usually 0.001 to 1 mol / liter, particularly 0.01 to 0.1 mol / liter. Is preferred. If the concentration is less than 0.001 mol / liter, there is a possibility that the effect of promoting the film formation reaction of the metal oxide film may not be sufficiently exhibited. If the concentration exceeds 1 mol / liter, the concentration increases. This is because a suitable effect cannot be obtained and this is not preferable in terms of cost.

また、上記金属酸化物膜形成用溶液は、補助イオン源や界面活性剤等の添加剤を含有していても良い。   The metal oxide film forming solution may contain additives such as an auxiliary ion source and a surfactant.

上記補助イオン源は、電子と反応して水酸化物イオンを発生するものであり、金属酸化物膜形成用溶液のpHを上昇させ、金属酸化物膜の成膜反応を促進させることができる。これは、プールベ線図において、金属酸化物領域や金属水酸化物領域へと誘導する働きのことである。従って、上記補助イオン源は、熱で分解して電子を放出する還元剤と組み合わせることで効果を発揮するが、金属酸化物膜形成用溶液に還元剤が含まれていなくても、加熱により酸素と分離するため、単独で酸化剤としても使用できる。なお、上記補助イオン源の使用量は、使用する金属源等に応じて適宜設定すればよい。   The auxiliary ion source generates hydroxide ions by reacting with electrons, and can increase the pH of the metal oxide film forming solution and promote the film forming reaction of the metal oxide film. This is a function of guiding to a metal oxide region or a metal hydroxide region in the Pourbaix diagram. Therefore, the auxiliary ion source is effective when combined with a reducing agent that decomposes by heat and emits electrons. Even if the reducing agent is not contained in the metal oxide film forming solution, oxygen is generated by heating. Can be used alone as an oxidizing agent. In addition, what is necessary is just to set the usage-amount of the said auxiliary ion source suitably according to the metal source etc. to be used.

このような補助イオン源としては、具体的には、塩素酸イオン、過塩素酸イオン、亜塩素酸イオン、次亜塩素酸イオン、臭素酸イオン、次臭素酸イオン、硝酸イオン、亜硝酸イオン等のイオン種を挙げることができる。これらの補助イオン源は、溶液中で下記の反応を起こすと考えられている。   Specific examples of such auxiliary ion sources include chlorate ions, perchlorate ions, chlorite ions, hypochlorite ions, bromate ions, hypobromate ions, nitrate ions, nitrite ions, etc. Can be mentioned. These auxiliary ion sources are believed to cause the following reactions in solution.

(化1) ClO4 - + H2O + 2e- ⇔ ClO3 - + 2OH-
(化2) ClO3 - + H2O + 2e- ⇔ ClO2 - + 2OH-
(化3) ClO2 - + H2O + 2e- ⇔ ClO- + 2OH-
(化4) 2ClO- + 2H2O + 2e- ⇔ Cl2 + 4OH-
(化5) BrO3 - + 2H2O + 4e- ⇔ BrO- + 4OH-
(化6) 2BrO- + 2H2O + 2e- ⇔ Br2 + 4OH-
(化7) NO3 - + H2O + 2e- ⇔ NO2 - + 2OH-
(化8) NO2 - + 3H2O + 3e- ⇔ NH3 + 3OH-
(Chemical formula 1) ClO 4 + H 2 O + 2e ⇔ ClO 3 + 2OH
(Chemical Formula 2) ClO 3 + H 2 O + 2e ⇔ ClO 2 + 2OH
(Chemical Formula 3) ClO 2 + H 2 O + 2e ⇔ ClO + 2OH
(Formula 4) 2ClO - + 2H 2 O + 2e - ⇔ Cl 2 + 4OH -
(Formula 5) BrO 3 - + 2H 2 O + 4e - ⇔ BrO - + 4OH -
(Of 6) 2BrO - + 2H 2 O + 2e - ⇔ Br 2 + 4OH -
(Chemical Formula 7) NO 3 + H 2 O + 2e NO NO 2 + 2OH
(Chemical Formula 8) NO 2 + 3H 2 O + 3e NH NH 3 + 3OH

上記界面活性剤は、多孔質電極層表面に対する金属酸化物膜形成用溶液の濡れ性を向上させ、金属酸化物膜の成膜反応を促進させることができる。このような界面活性剤としては、具体的にはサーフィノール485、サーフィノールSE、サーフィノールSE−F、サーフィノール504、サーフィノールGA、サーフィノール104A、サーフィノール104BC、サーフィノール104PPM、サーフィノール104E、サーフィノール104PA等のサーフィノールシリーズ(以上、全て日信化学工業社製商品名)、NIKKOL AM301、NIKKOL AM313ON(以上、全て日光ケミカル社製商品名)等を挙げることができる。なお、上記界面活性剤の使用量は、使用する金属源等に応じて適宜設定すればよい。   The surfactant can improve the wettability of the metal oxide film forming solution with respect to the surface of the porous electrode layer and promote the film formation reaction of the metal oxide film. Specific examples of such surfactants include Surfinol 485, Surfinol SE, Surfinol SE-F, Surfinol 504, Surfinol GA, Surfinol 104A, Surfinol 104BC, Surfinol 104PPM, Surfinol 104E. Surfynol series such as Surfinol 104PA (all are trade names manufactured by Nissin Chemical Industry Co., Ltd.), NIKKOL AM301, NIKKOL AM313ON (all are trade names manufactured by Nikko Chemical Co., Ltd.), and the like. In addition, what is necessary is just to set the usage-amount of the said surfactant suitably according to the metal source etc. to be used.

上記金属酸化物膜形成用溶液を上記多孔質電極層上に噴霧する方法は、例えばスプレー装置等を用いて噴霧する方法等が挙げられる。上記スプレー装置等を用いて噴霧する場合、液滴の径は、通常0.001〜1000μmであり、中でも0.01〜100μmであることが好ましい。液滴の径が上記範囲内にあれば、噴霧による上記多孔質電極層の温度の低下を抑制することができ、均一な金属酸化物膜を得ることができるからである。   Examples of the method of spraying the metal oxide film forming solution onto the porous electrode layer include a method of spraying using a spray device or the like. When spraying using the said spray apparatus etc., the diameter of a droplet is 0.001-1000 micrometers normally, and it is preferable that it is 0.01-100 micrometers especially. This is because if the diameter of the droplet is within the above range, a decrease in the temperature of the porous electrode layer due to spraying can be suppressed, and a uniform metal oxide film can be obtained.

また、上記スプレー装置の噴射ガスとしては、金属酸化物膜の形成を阻害しない限り特に限定されるものではないが、例えば、空気、窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素等を挙げることができ、中でも不活性な気体である窒素、アルゴン、ヘリウムが好ましい。また、金属酸化物膜形成用溶液の噴射量としては、通常0.001〜1リットル/minであり、得られる金属酸化物膜の緻密性をより向上させるためには、0.001〜0.05リットル/minであることが好ましい。この際、形成される金属酸化物膜の厚みは、繰り返し噴霧することによって任意に調整できる。また、上記スプレー装置は、固定されているもの、可動式のもの、回転によって上記溶液を噴射させるもの、圧力によって上記溶液を噴射させるもの等であってもよい。このようなスプレー装置としては、一般的に用いられるスプレー装置を用いることができ、例えばハンドスプレー(アズワン社製)、超音波ネプライザ(オムロン社製)等を用いることができる。   The spray gas of the spray device is not particularly limited as long as it does not inhibit the formation of the metal oxide film, and examples thereof include air, nitrogen, argon, helium, oxygen and the like. Active gases such as nitrogen, argon and helium are preferred. Further, the injection amount of the solution for forming a metal oxide film is usually 0.001 to 1 liter / min. In order to further improve the denseness of the resulting metal oxide film, 0.001 to 0.001. It is preferably 05 liter / min. At this time, the thickness of the formed metal oxide film can be arbitrarily adjusted by spraying repeatedly. The spray device may be a fixed device, a movable device, a device that ejects the solution by rotation, a device that ejects the solution by pressure, or the like. As such a spray device, a commonly used spray device can be used. For example, a hand spray (manufactured by ASONE), an ultrasonic nepriser (manufactured by OMRON), or the like can be used.

また、上記方法によって金属酸化物膜、即ち電解質層を形成した後、この電解質層の洗浄及び乾燥を行ってもよい。上記電解質層の洗浄は、電解質層の表面等に存在する不純物を取り除くために行われるものである。洗浄方法としては、例えば、金属酸化物膜形成用溶液に使用した溶媒を用いて洗浄する方法等を挙げることができる。また、上記電解質層の乾燥を行う際は、常温で放置することにより乾燥してもよいが、オーブン等の加熱装置中で乾燥してもよい。   Further, after forming a metal oxide film, that is, an electrolyte layer by the above method, the electrolyte layer may be washed and dried. The washing of the electrolyte layer is performed to remove impurities present on the surface of the electrolyte layer. Examples of the cleaning method include a method of cleaning using a solvent used in the metal oxide film forming solution. When the electrolyte layer is dried, the electrolyte layer may be left at room temperature to dry, or may be dried in a heating apparatus such as an oven.

次に、上述の方法で得られた電解質層上に、上記電解質層を形成する際の支持基板として使用した多孔質電極層と対をなす多孔質電極層(燃料極層又は空気極層)を形成する方法について説明する。まず、電極層の材料とバインダーとを溶媒に加えてペーストを調製し、このペーストをスクリーン印刷法、ドクターブレード法等の塗布方法により上記電解質層上に塗布する。そして、これらを例えば1000℃以上の温度で数時間焼結することにより、上記電解質層上に燃料極層又は空気極層を形成する。以上の方法により、本発明の固体酸化物形燃料電池が得られる。   Next, on the electrolyte layer obtained by the above method, a porous electrode layer (fuel electrode layer or air electrode layer) paired with the porous electrode layer used as a support substrate when forming the electrolyte layer is formed. A method of forming will be described. First, a paste is prepared by adding the electrode layer material and a binder to a solvent, and this paste is applied onto the electrolyte layer by an application method such as a screen printing method or a doctor blade method. And these are sintered for several hours, for example at the temperature of 1000 degreeC or more, and a fuel electrode layer or an air electrode layer is formed on the said electrolyte layer. With the above method, the solid oxide fuel cell of the present invention is obtained.

次に、本発明の固体酸化物形燃料電池の好適な製造方法の一例であって、上記第1製造方法とは異なる製造方法(以下、「第2製造方法」ともいう)について説明する。この第2製造方法は、電解質層の形成方法のみが上記第1製造方法と異なる。第2製造方法における電解質層の形成方法は、まず、(1)金属源と、酸化剤又は還元剤とを含む第1金属酸化物膜形成用溶液に、多孔質電極層(燃料極層又は空気極層)を浸漬することにより、この多孔質電極層上に接触する第1金属酸化物膜を形成する。次に、(2)第1金属酸化物膜を金属酸化物膜形成温度以上に加熱した状態で、この第1金属酸化物膜上に金属源を含む第2金属酸化物膜形成用溶液を噴霧することにより第2金属酸化物膜を形成して、上記第1金属酸化物膜と上記第2金属酸化物膜とからなる電解質層を得る。これにより、上述した第1製造方法と同様の効果を発揮させることができる上、上記第2金属酸化物膜を形成する際、上記第1金属酸化物膜に含まれる結晶を結晶核として柱状構造に結晶を成長させることができるため、上記柱状構造からなる結晶同士が密接した集合体を含む第2金属酸化物膜を得ることができる。よって、得られる電解質層のガス不透過性をより向上させることができる。なお、上記第1金属酸化物膜のうち上記多孔質電極層上に形成された領域は、上記「第1被膜」に相当する。   Next, a preferred production method of the solid oxide fuel cell of the present invention, which is a production method different from the first production method (hereinafter also referred to as “second production method”) will be described. This second manufacturing method differs from the first manufacturing method only in the method for forming the electrolyte layer. The electrolyte layer forming method in the second production method is as follows. First, (1) a porous electrode layer (fuel electrode layer or air) is added to a first metal oxide film forming solution containing a metal source and an oxidizing agent or a reducing agent. A first metal oxide film in contact with the porous electrode layer is formed by immersing the electrode layer). Next, (2) in a state where the first metal oxide film is heated to the metal oxide film formation temperature or higher, a second metal oxide film forming solution containing a metal source is sprayed on the first metal oxide film. By doing so, a second metal oxide film is formed, and an electrolyte layer composed of the first metal oxide film and the second metal oxide film is obtained. As a result, the same effects as those of the first manufacturing method described above can be exhibited, and when the second metal oxide film is formed, a columnar structure with crystals contained in the first metal oxide film as crystal nuclei. Therefore, a second metal oxide film including an aggregate in which the crystals having the columnar structure are in close contact with each other can be obtained. Therefore, the gas impermeability of the obtained electrolyte layer can be further improved. Note that a region of the first metal oxide film formed on the porous electrode layer corresponds to the “first coating”.

また、上述した方法によれば、第1金属酸化物膜を多孔質電極層の表面だけでなく、多孔質電極層内の気孔を形成する壁面上にも形成することができる。通常、上述した方法により得られる第1金属酸化物膜の一部は、上記多孔質電極層の上記壁面の少なくとも一部に沿って形成される。なお、上記多孔質電極層内の気孔を形成する壁面に沿って形成された上記第1金属酸化物膜の一部は、上記「第2被膜」に相当する。   Further, according to the above-described method, the first metal oxide film can be formed not only on the surface of the porous electrode layer but also on the wall surface forming the pores in the porous electrode layer. Usually, a part of the first metal oxide film obtained by the above-described method is formed along at least a part of the wall surface of the porous electrode layer. A part of the first metal oxide film formed along the wall surface forming pores in the porous electrode layer corresponds to the “second coating”.

以下、第2製造方法の詳細について説明するが、上記(1)工程以外は上述した第1製造方法と同様であるため、以下、上記(1)工程についてのみ説明し、重複する説明は省略する。   Hereinafter, although the detail of a 2nd manufacturing method is demonstrated, since it is the same as that of the 1st manufacturing method mentioned above except the said (1) process, hereafter, only the said (1) process is demonstrated and the overlapping description is abbreviate | omitted. .

上記(1)工程で使用する第1金属酸化物膜形成用溶液は、金属源と、酸化剤又は還元剤とを含む。金属源、酸化剤及び還元剤の具体例は、上述した第1製造方法の場合と同様なので、説明を省略する。また、第1金属酸化物膜形成用溶液のその他の成分(溶媒、添加剤等)についても、上述した第1製造方法の場合と同様なので、説明を省略する。なお、上記第1金属酸化物膜形成用溶液と、上記第2金属酸化物膜形成用溶液とは、同じものを使用してもよいし、それぞれ異なるものを使用してもよい。上記第1金属酸化物膜形成用溶液と、上記第2金属酸化物膜形成用溶液とが相違する場合、上記第1金属酸化物膜形成用溶液により得られる上記第1金属酸化物膜の結晶系と、上記第2金属酸化物膜形成用溶液により得られる上記第2金属酸化物膜の結晶系とが近似する(又は一致する)ように、それぞれの溶液組成を選択するのが好ましい。   The first metal oxide film forming solution used in the step (1) includes a metal source and an oxidizing agent or a reducing agent. Specific examples of the metal source, the oxidizing agent, and the reducing agent are the same as in the case of the first manufacturing method described above, and thus the description thereof is omitted. Further, the other components (solvent, additive, etc.) of the first metal oxide film forming solution are the same as in the case of the first manufacturing method described above, and thus the description thereof is omitted. The first metal oxide film forming solution and the second metal oxide film forming solution may be the same or different from each other. When the first metal oxide film forming solution is different from the second metal oxide film forming solution, the crystal of the first metal oxide film obtained by the first metal oxide film forming solution It is preferable to select each solution composition so that the system and the crystal system of the second metal oxide film obtained by the second metal oxide film forming solution are approximated (or matched).

上記第1金属酸化物膜形成用溶液に上記多孔質電極層を浸漬する際、上記第1金属酸化物膜形成用溶液及び上記多孔質電極層のうち少なくとも一方(好ましくは双方)を、10℃以上の温度に保持してもよい。第1金属酸化物膜の成膜反応を促進させることができるからである。第1金属酸化物膜の成膜反応をより促進させるためには、50℃以上の温度に加熱することが好ましく、60℃以上の温度に加熱することがより好ましい。この場合、加熱温度は、作業性の観点から、上記第1金属酸化物膜形成用溶液の沸点以下の温度とすることが好ましい。例えば、第1金属酸化物膜形成用溶液及び上記多孔質電極層のうち少なくとも一方(好ましくは双方)を、通常10〜100℃の範囲に保持すればよく、生産性の観点から50〜90℃の範囲に加熱することが好ましい。   When immersing the porous electrode layer in the first metal oxide film forming solution, at least one (preferably both) of the first metal oxide film forming solution and the porous electrode layer is 10 ° C. You may hold | maintain at the above temperature. This is because the film formation reaction of the first metal oxide film can be promoted. In order to further promote the film formation reaction of the first metal oxide film, it is preferable to heat to a temperature of 50 ° C. or higher, and more preferably to a temperature of 60 ° C. or higher. In this case, the heating temperature is preferably set to a temperature not higher than the boiling point of the first metal oxide film forming solution from the viewpoint of workability. For example, at least one (preferably both) of the first metal oxide film forming solution and the porous electrode layer may be normally maintained in the range of 10 to 100 ° C., and 50 to 90 ° C. from the viewpoint of productivity. It is preferable to heat to this range.

上記第1金属酸化物膜形成用溶液に上記多孔質電極層を浸漬する際、上記多孔質電極層と上記第1金属酸化物膜形成用溶液とが接触している部分に、気泡状の酸化性ガスを接触させてもよい。上記金属源が溶解してなる金属イオン等の酸化が速やかに行われるため、第1金属酸化物膜の成膜反応が促進するからである。このような酸化性ガスとしては、上記金属源が溶解してなる金属イオン等を酸化することができるものであれば特に限定されず、例えば、酸素、オゾン、亜硝酸ガス、二酸化窒素、二酸化塩素、ハロゲンガス等が挙げられ、中でも酸素、オゾンを使用することが好ましく、特にオゾンを使用することが好ましい。工業的に入手が容易であり、低コスト化が実現できるからである。また、上述した気泡状の酸化性ガスの導入方法については、特に限定されるものではないが、例えば、バブラーを使用する方法を挙げることができる。バブラーを使用することにより、上記多孔質電極層と上記第1金属酸化物膜形成用溶液とが接触している部分と、酸化性ガスとの接触面積を増大させることができ、第1金属酸化物膜の成膜速度を効率よく向上させることができるからである。このようなバブラーとしては、一般的なバブラーを使用することができ、例えば、ナフロンバブラー(アズワン社製)等を挙げることができる。また、上記酸化性ガスは、通常ガスボンベから第1金属酸化物膜形成用溶液に供給することができ、オゾンに関しては、オゾン発生装置から第1金属酸化物膜形成用溶液に供給することができる。   When the porous electrode layer is immersed in the first metal oxide film forming solution, a bubble-like oxidation is formed in a portion where the porous electrode layer and the first metal oxide film forming solution are in contact with each other. A sex gas may be contacted. This is because the metal ions and the like formed by dissolving the metal source are rapidly oxidized, so that the film formation reaction of the first metal oxide film is promoted. Such an oxidizing gas is not particularly limited as long as it can oxidize metal ions and the like obtained by dissolving the metal source. For example, oxygen, ozone, nitrous acid gas, nitrogen dioxide, chlorine dioxide In particular, oxygen and ozone are preferably used, and ozone is particularly preferably used. This is because it is easy to obtain industrially and can realize cost reduction. Moreover, the method for introducing the bubble-like oxidizing gas described above is not particularly limited, and examples thereof include a method using a bubbler. By using a bubbler, the contact area between the portion where the porous electrode layer and the first metal oxide film forming solution are in contact with the oxidizing gas can be increased. This is because the deposition rate of the physical film can be improved efficiently. As such a bubbler, a general bubbler can be used, and examples thereof include a Naflon bubbler (manufactured by ASONE). Further, the oxidizing gas can be normally supplied from the gas cylinder to the first metal oxide film forming solution, and ozone can be supplied from the ozone generator to the first metal oxide film forming solution. .

また、上記第1金属酸化物膜形成用溶液に上記多孔質電極層を浸漬する際、上記多孔質電極層と上記第1金属酸化物膜形成用溶液とが接触している部分に、紫外線を照射してもよい。紫外線を照射することによって、水の電気分解反応を促進させたり、上述した還元剤の分解を促進させたりすることができると考えられ、発生した水酸化物イオンによって、上述したように第1金属酸化物膜の成膜反応を促進させることができるからである。また、紫外線を照射することにより、上述した補助イオン源から水酸化物イオンを発生させたり、得られる第1金属酸化物膜の結晶性を向上させたりすることもできる。なお、上記紫外線としては、波長が470nm以下の近紫外光も含むものとする。   In addition, when the porous electrode layer is immersed in the first metal oxide film forming solution, ultraviolet light is applied to a portion where the porous electrode layer and the first metal oxide film forming solution are in contact with each other. It may be irradiated. By irradiating with ultraviolet rays, it is considered that the electrolysis reaction of water can be promoted or the decomposition of the reducing agent described above can be promoted. As described above, the first metal is generated by the generated hydroxide ions. This is because the film formation reaction of the oxide film can be promoted. Further, by irradiating with ultraviolet rays, hydroxide ions can be generated from the auxiliary ion source described above, and the crystallinity of the obtained first metal oxide film can be improved. The ultraviolet light includes near ultraviolet light having a wavelength of 470 nm or less.

上記紫外線の波長としては、通常185〜470nmであり、成膜反応をより促進させるためには、185〜260nmであることが好ましい。また、上記紫外線の強度としては、通常1〜20mW/cm2であり、成膜反応をより促進させるためには、5〜15mW/cm2であることが好ましい。このような紫外線照射を行う紫外線照射装置としては、例えば市販の紫外線照射装置を使用することができ、具体的には、SEN特殊光源社製のHB400X−21等を使用することができる。 The wavelength of the ultraviolet light is usually 185 to 470 nm, and preferably 185 to 260 nm in order to further promote the film forming reaction. The intensity of the ultraviolet light is usually 1 to 20 mW / cm 2 , and preferably 5 to 15 mW / cm 2 in order to further promote the film forming reaction. As an ultraviolet irradiation apparatus for performing such ultraviolet irradiation, for example, a commercially available ultraviolet irradiation apparatus can be used, and specifically, HB400X-21 manufactured by SEN Special Light Source Co., Ltd. can be used.

以上、本発明の固体酸化物形燃料電池の製造方法について説明したが、上記第1及び第2製造方法は、本発明の固体酸化物形燃料電池の好適な製造方法の一例であり、本発明の固体酸化物形燃料電池は、上記第1及び第2製造方法以外の方法で製造してもよい。   The manufacturing method of the solid oxide fuel cell of the present invention has been described above. However, the first and second manufacturing methods are examples of the preferable manufacturing method of the solid oxide fuel cell of the present invention. The solid oxide fuel cell may be manufactured by a method other than the first and second manufacturing methods.

以下、本発明の一実施形態について、適宜図面を参照して説明する。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of the invention will be described with reference to the drawings as appropriate.

[第1実施形態]
まず、本発明の第1実施形態について図面を参照して説明する。参照する図1は、本発明の第1実施形態に係る固体酸化物形燃料電池を示す模式断面図である。
[First Embodiment]
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 to be referred to is a schematic cross-sectional view showing a solid oxide fuel cell according to a first embodiment of the present invention.

図1に示すように、第1実施形態に係る固体酸化物形燃料電池10は、電解質層11と、電解質層11の一部を挟持する燃料極層12及び空気極層13とを有する。そして、電解質層11のうち燃料極層12及び空気極層13で挟持された領域は、金属酸化物からなる結晶11aの集合体を含む。   As shown in FIG. 1, the solid oxide fuel cell 10 according to the first embodiment includes an electrolyte layer 11, a fuel electrode layer 12 and an air electrode layer 13 that sandwich a part of the electrolyte layer 11. And the area | region pinched | interposed by the fuel electrode layer 12 and the air electrode layer 13 among the electrolyte layers 11 contains the aggregate | assembly of the crystal | crystallization 11a which consists of metal oxides.

結晶11aは、燃料極層12の表面12aの略法線方向に沿って延出した柱状構造を有しており、これらの結晶11aは、燃料極層12の表面12aに沿って配列した集合体を形成している。これにより、電解質層11内における酸化物イオンの移動を妨げる粒界(例えば、酸化物イオンの移動方向に対し直交する方向の粒界)を低減することができるため、電解質層11の酸化物イオン伝導性を向上させることができる。更に、結晶11a同士が密接するため、電解質層11の緻密性が向上する。これにより、電解質層11のガス不透過性を向上させることができる。   The crystal 11 a has a columnar structure extending along the direction of the normal line of the surface 12 a of the fuel electrode layer 12, and these crystals 11 a are aggregates arranged along the surface 12 a of the fuel electrode layer 12. Is forming. Thereby, since the grain boundary (for example, the grain boundary of the direction orthogonal to the moving direction of an oxide ion) which prevents the movement of the oxide ion in the electrolyte layer 11 can be reduced, the oxide ion of the electrolyte layer 11 is reduced. Conductivity can be improved. Furthermore, since the crystals 11a are in close contact with each other, the denseness of the electrolyte layer 11 is improved. Thereby, the gas impermeability of the electrolyte layer 11 can be improved.

また、電解質層11の一部11bは、燃料極層12内の気孔を形成する壁面12bの一部を被覆している。これにより、上述した三相の界面が増大するため、燃料極層12内における電極反応の円滑化が可能となる。なお、電解質層11の一部11bは、上述した「第2被膜」に相当する。   Further, a part 11 b of the electrolyte layer 11 covers a part of the wall surface 12 b that forms pores in the fuel electrode layer 12. As a result, the above-described three-phase interface increases, and the electrode reaction in the fuel electrode layer 12 can be facilitated. The part 11b of the electrolyte layer 11 corresponds to the “second coating” described above.

次に、上述した第1実施形態に係る固体酸化物形燃料電池10の製造方法の一例について、図面を参照して説明する。参照する図2A〜Cは、本発明の第1実施形態に係る固体酸化物形燃料電池10の製造方法の一例を示す概略工程図である。なお、図2A〜Cにおいて、図1と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。   Next, an example of a method for manufacturing the solid oxide fuel cell 10 according to the first embodiment will be described with reference to the drawings. 2A to 2C to be referred to are schematic process diagrams showing an example of a method for manufacturing the solid oxide fuel cell 10 according to the first embodiment of the present invention. 2A to 2C, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

まず、金属源を水等の溶媒に溶解させて金属酸化物膜形成用溶液1(図2A参照)を調製する。次に、図2Aに示すように、燃料極層12を、例えばホットプレート(図示せず)等により金属酸化物膜形成温度以上に加熱した状態で、スプレー装置2により金属酸化物膜形成用溶液1を燃料極層12上に噴霧する。これにより、図2Bに示すように、燃料極層12上に、結晶11aの集合体を含む電解質層11が形成される。この際、電解質層11の一部11bは、燃料極層12内の気孔を形成する壁面12bの一部を被覆する。   First, a metal source is dissolved in a solvent such as water to prepare a metal oxide film forming solution 1 (see FIG. 2A). Next, as shown in FIG. 2A, the fuel electrode layer 12 is heated to a metal oxide film formation temperature or higher by, for example, a hot plate (not shown) or the like, and the metal oxide film forming solution is sprayed by the spray device 2. 1 is sprayed on the fuel electrode layer 12. As a result, as shown in FIG. 2B, the electrolyte layer 11 including the aggregate of the crystals 11 a is formed on the fuel electrode layer 12. At this time, the part 11 b of the electrolyte layer 11 covers a part of the wall surface 12 b that forms pores in the fuel electrode layer 12.

続いて、図2Cに示すように、電解質層11上に、スクリーン印刷法等の手段を用いて空気極層13を形成し、第1実施形態に係る固体酸化物形燃料電池10が得られる。   Subsequently, as shown in FIG. 2C, the air electrode layer 13 is formed on the electrolyte layer 11 by means of a screen printing method or the like, and the solid oxide fuel cell 10 according to the first embodiment is obtained.

[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態について図面を参照して説明する。参照する図3は、本発明の第2実施形態に係る固体酸化物形燃料電池を示す模式断面図である。なお、図3において、図1と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 to be referred to is a schematic cross-sectional view showing a solid oxide fuel cell according to a second embodiment of the present invention. In FIG. 3, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

図3に示すように、第2実施形態に係る固体酸化物形燃料電池20は、電解質層21と、電解質層21の一部を挟持する燃料極層12及び空気極層13とを有する。そして、電解質層21のうち燃料極層12及び空気極層13で挟持された領域は、金属酸化物からなる結晶21aの集合体を含む。また、電解質層21は、上記金属酸化物からなる被膜21bを更に含む。この被膜21bは、燃料極層12の表面12aに沿って形成された領域211bと、燃料極層12内の気孔を形成する壁面12bの一部に沿って形成された領域212bとを含む。なお、領域211bは、上記「第1被膜」に相当し、領域212bは、上記「第2被膜」に相当する。   As shown in FIG. 3, the solid oxide fuel cell 20 according to the second embodiment includes an electrolyte layer 21, and a fuel electrode layer 12 and an air electrode layer 13 that sandwich a part of the electrolyte layer 21. And the area | region pinched | interposed by the fuel electrode layer 12 and the air electrode layer 13 among the electrolyte layers 21 contains the aggregate | assembly of the crystal | crystallization 21a which consists of metal oxides. The electrolyte layer 21 further includes a coating 21b made of the metal oxide. The coating 21 b includes a region 211 b formed along the surface 12 a of the fuel electrode layer 12 and a region 212 b formed along a part of the wall surface 12 b that forms pores in the fuel electrode layer 12. The region 211b corresponds to the “first coating”, and the region 212b corresponds to the “second coating”.

結晶21aは、燃料極層12の表面12aの略法線方向に沿って延出した柱状構造を有しており、これらの結晶21aは、被膜21bの領域211bに沿って配列した集合体を形成している。これにより、第2実施形態に係る固体酸化物形燃料電池20は、上述した第1実施形態に係る固体酸化物形燃料電池10と同様の効果を有する上、被膜21bの領域211bに含まれる結晶を結晶核とし、この結晶核から柱状構造に結晶成長した結晶21aの集合体を得ることができるため、結晶21a同士がより密接した集合体とすることができる。これにより、電解質層21のガス不透過性をより向上させることができる。   The crystals 21a have a columnar structure extending along a substantially normal direction of the surface 12a of the fuel electrode layer 12, and these crystals 21a form an aggregate arranged along the region 211b of the coating 21b. is doing. As a result, the solid oxide fuel cell 20 according to the second embodiment has the same effect as the solid oxide fuel cell 10 according to the first embodiment described above, and crystals contained in the region 211b of the coating 21b. As a crystal nucleus, an aggregate of the crystals 21a grown from the crystal nucleus into a columnar structure can be obtained, so that the crystals 21a can be aggregated closer to each other. Thereby, the gas impermeability of the electrolyte layer 21 can be further improved.

次に、上述した第2実施形態に係る固体酸化物形燃料電池20の製造方法の一例について、図面を参照して説明する。参照する図4A,B及び図5A〜Cは、本発明の第2実施形態に係る固体酸化物形燃料電池20の製造方法の一例を示す概略工程図である。なお、図4A,B及び図5A〜Cにおいて、図3と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。   Next, an example of a method for manufacturing the solid oxide fuel cell 20 according to the second embodiment will be described with reference to the drawings. 4A and 4B and FIGS. 5A to 5C to be referred to are schematic process diagrams showing an example of a method for manufacturing the solid oxide fuel cell 20 according to the second embodiment of the present invention. 4A and 4B and FIGS. 5A to 5C, the same components as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

まず、金属源と、例えば還元剤とを、水等の溶媒に溶解させて第1金属酸化物膜形成用溶液1a(図4A参照)を調製する。そして、図4Aに示すように、第1金属酸化物膜形成用溶液1aに燃料極層12を浸漬する。これにより、図4Bに示すように、燃料極層12に接触する被膜21bが形成される。その後、被膜21bで覆われた燃料極層12を、第1金属酸化物膜形成用溶液1aから取り出す。   First, a metal source and a reducing agent, for example, are dissolved in a solvent such as water to prepare a first metal oxide film forming solution 1a (see FIG. 4A). Then, as shown in FIG. 4A, the fuel electrode layer 12 is immersed in the first metal oxide film forming solution 1a. As a result, as shown in FIG. 4B, a coating 21b in contact with the fuel electrode layer 12 is formed. Thereafter, the fuel electrode layer 12 covered with the coating 21b is taken out from the first metal oxide film forming solution 1a.

次に、図5Aに示すように、被膜21b及び燃料極層12を、例えばホットプレート(図示せず)等により金属酸化物膜形成温度以上に加熱した状態で、スプレー装置2により第2金属酸化物膜形成用溶液1b(例えば第1金属酸化物膜形成用溶液1aと同じ組成)を被膜21bの領域211b上に噴霧する。これにより、図5Bに示すように、被膜21bの領域211b上に結晶21aの集合体が形成され、被膜21bと結晶21aの集合体とを含む電解質層21が得られる。   Next, as shown in FIG. 5A, the coating 21b and the fuel electrode layer 12 are heated to a temperature higher than the metal oxide film formation temperature by, for example, a hot plate (not shown) or the like, and then the second metal oxidation is performed by the spray device 2. The material film forming solution 1b (for example, the same composition as the first metal oxide film forming solution 1a) is sprayed onto the region 211b of the coating 21b. Thereby, as shown in FIG. 5B, an aggregate of the crystals 21a is formed on the region 211b of the film 21b, and the electrolyte layer 21 including the film 21b and the aggregate of the crystals 21a is obtained.

続いて、図5Cに示すように、電解質層21上に、スクリーン印刷法等の手段を用いて空気極層13を形成し、固体酸化物形燃料電池20が得られる。   Subsequently, as shown in FIG. 5C, the air electrode layer 13 is formed on the electrolyte layer 21 using means such as a screen printing method, and the solid oxide fuel cell 20 is obtained.

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されない。例えば、上記実施形態では、集合体を構成する結晶が燃料極層の表面の略法線方向に沿って延出した柱状構造を有する場合について例示したが、集合体を構成する結晶が空気極層の表面の略法線方向に沿って延出した柱状構造を有する結晶であってもよい。   Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, the case where the crystals constituting the assembly have a columnar structure extending along the substantially normal direction of the surface of the fuel electrode layer is exemplified, but the crystals constituting the assembly are the air electrode layer. It may be a crystal having a columnar structure extending along a substantially normal direction of the surface.

以下に実施例を挙げて、本発明を更に詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. In addition, this invention is not limited to a following example.

(実施例1)
本実施例では、上述した図1に示すような構造を有する単セルを作製した。まず、NiO粉末(粒径範囲:0.01〜10μm、平均粒径:1μm)、SDC(Ce:Sm:O=0.8:0.2:1.9)粉末(粒径範囲:1〜10μm、平均粒径:0.1μm)及びアセチレンブラックを、質量比(NiO:SDC:アセチレンブラック)が45:50:5となるようにエタノールに加え、これらをエタノール中で粉砕しながら混合した。次に、これらを乾燥して充分にエタノールを揮発させた後、一軸プレスにて成形し、セラミックスカッターにより所定の寸法に切断(トリミング)した。そして、これを1400℃で5時間焼結して、多孔質電極層となる多孔質燃料極基板(厚み:0.5mm)を作製した。
Example 1
In this example, a single cell having the structure shown in FIG. 1 was manufactured. First, NiO powder (particle size range: 0.01 to 10 μm, average particle size: 1 μm), SDC (Ce: Sm: O = 0.8: 0.2: 1.9) powder (particle size range: 1 to 1) 10 μm, average particle size: 0.1 μm) and acetylene black were added to ethanol so that the mass ratio (NiO: SDC: acetylene black) was 45: 50: 5, and these were mixed while being pulverized in ethanol. Next, these were dried and the ethanol was sufficiently volatilized, then formed by a uniaxial press and cut (trimmed) to a predetermined size by a ceramic cutter. And this was sintered at 1400 degreeC for 5 hours, and the porous fuel electrode board | substrate (thickness: 0.5 mm) used as a porous electrode layer was produced.

次に、ジルコニウムテトラアセチルアセトナ−ト(関東化学社製)及び硝酸イットリウム(関東化学社製)を、それぞれの濃度が0.1mol/リットル及び0.008mol/リットルとなるように、トルエン:エタノール=85:15となる混合溶媒に溶解させて金属酸化物膜形成用溶液を調製した。そして、450℃に加熱した上記多孔質燃料極基板上へ上記金属酸化物膜形成用溶液(100ミリリットル)を超音波ネプライザ(オムロン社製)で噴霧して、上記多孔質燃料極基板上にYSZからなる電解質層(上記多孔質燃料極基板上の厚み:10μm)を形成した。この際の噴射量は、0.001リットル/minであった。得られた電解質層の断面SEM写真である図6から、電解質層30が結晶30aの集合体を含み、この結晶30aは、多孔質燃料極基板31の表面の略法線方向に沿って延出した柱状構造を有することが分かった。   Next, zirconium tetraacetylacetonate (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) and yttrium nitrate (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) were added to toluene: ethanol so that the respective concentrations would be 0.1 mol / liter and 0.008 mol / liter. A solution for forming a metal oxide film was prepared by dissolving in a mixed solvent of = 85: 15. Then, the metal oxide film forming solution (100 ml) is sprayed onto the porous fuel electrode substrate heated to 450 ° C. with an ultrasonic neplyzer (manufactured by OMRON), and YSZ is applied onto the porous fuel electrode substrate. An electrolyte layer (thickness on the porous fuel electrode substrate: 10 μm) was formed. The injection amount at this time was 0.001 liter / min. 6, which is a cross-sectional SEM photograph of the obtained electrolyte layer, the electrolyte layer 30 includes an aggregate of crystals 30 a, and this crystal 30 a extends along a substantially normal direction of the surface of the porous fuel electrode substrate 31. It was found to have a columnar structure.

続いて、(Sm,Sr)CoO3(Sm:Sr:Co:O=0.5:0.5:1:3)粉末(粒径範囲:0.1〜10μm、平均粒径:3μm)及びセルロース系バインダー樹脂を、質量比((Sm,Sr)CoO3:バインダー樹脂)が80:20となるようにジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテートに加えてペーストを調製し、このペーストをスクリーン印刷により上記電解質層上に塗布した後、これらを1200℃で5時間焼結することにより空気極層(厚み:30μm)を形成して、固体酸化物形燃料電池の単セルを作製した。 Subsequently, (Sm, Sr) CoO 3 (Sm: Sr: Co: O = 0.5: 0.5: 1: 3) powder (particle size range: 0.1 to 10 μm, average particle size: 3 μm) and A cellulose binder resin is added to diethylene glycol monobutyl ether acetate so that the mass ratio ((Sm, Sr) CoO 3 : binder resin) is 80:20, and a paste is prepared by screen printing on the above electrolyte layer. Then, these were sintered at 1200 ° C. for 5 hours to form an air electrode layer (thickness: 30 μm), thereby producing a single cell of a solid oxide fuel cell.

(実施例2)
実施例2は、上述した実施例1に対し、電解質層の形成方法のみが異なるので、電解質層の形成方法のみ説明する。
(Example 2)
Since Example 2 differs from Example 1 described above only in the formation method of the electrolyte layer, only the formation method of the electrolyte layer will be described.

ジルコニウムテトラアセチルアセトナ−ト及び酢酸スカンジウム(関東化学社製)を、それぞれの濃度が0.1mol/リットル及び0.01mol/リットルとなるように、トルエン及びエタノールからなる混合溶媒に溶解させて金属酸化物膜形成用溶液を調製した。使用した混合溶媒は、容量比(トルエン:エタノール)が70:30であった。そして、400℃に加熱した上記多孔質燃料極基板上へ上記金属酸化物膜形成用溶液(80ミリリットル)を超音波ネプライザ(オムロン社製)で噴霧して、上記多孔質燃料極基板上にScSZからなる電解質層(上記多孔質燃料極基板上の厚み:1μm)を形成した。この際の噴射量は、0.005リットル/minであった。   Zirconium tetraacetylacetonate and scandium acetate (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) were dissolved in a mixed solvent consisting of toluene and ethanol so that the respective concentrations would be 0.1 mol / liter and 0.01 mol / liter. An oxide film forming solution was prepared. The mixed solvent used had a volume ratio (toluene: ethanol) of 70:30. Then, the metal oxide film forming solution (80 ml) is sprayed onto the porous fuel electrode substrate heated to 400 ° C. with an ultrasonic nebulizer (manufactured by OMRON Corporation), and ScSZ is applied onto the porous fuel electrode substrate. An electrolyte layer (thickness on the porous fuel electrode substrate: 1 μm) was formed. The injection amount at this time was 0.005 liter / min.

(実施例3)
実施例3は、上述した実施例1に対し、電解質層の形成方法のみが異なるので、電解質層の形成方法のみ説明する。
(Example 3)
Since Example 3 differs from Example 1 described above only in the formation method of the electrolyte layer, only the formation method of the electrolyte layer will be described.

ジルコニウムノルマルプロピレ−ト(関東化学社製)及び硝酸イットリウム(関東化学社製)を、それぞれの濃度が0.1mol/リットル及び0.008mol/リットルとなるように、トルエン:エタノール=85:15となる混合溶媒に溶解させて金属酸化物膜形成用ゾルを調製した。そして、450℃に加熱した上記多孔質燃料極基板上へ上記金属酸化物膜形成用ゾル(100ミリリットル)をハンドスプレー(アズワン社製)で噴霧して、上記多孔質燃料極基板上にYSZからなる電解質層(上記多孔質燃料極基板上の厚み:10μm)を形成した。この際の噴射量は、0.001リットル/minであった。   Zirconium normal propylate (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) and yttrium nitrate (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) were added in toluene: ethanol = 85: 15 so that the respective concentrations would be 0.1 mol / liter and 0.008 mol / liter. A sol for forming a metal oxide film was prepared by dissolving in a mixed solvent. Then, the metal oxide film-forming sol (100 milliliters) is sprayed onto the porous fuel electrode substrate heated to 450 ° C. by hand spray (manufactured by ASONE), and the YSZ is applied onto the porous fuel electrode substrate. An electrolyte layer (thickness on the porous fuel electrode substrate: 10 μm) was formed. The injection amount at this time was 0.001 liter / min.

(実施例4)
実施例4は、上述した実施例1に対し、電解質層の形成方法のみが異なるので、電解質層の形成方法のみ説明する。
Example 4
Since Example 4 differs from Example 1 described above only in the formation method of the electrolyte layer, only the formation method of the electrolyte layer will be described.

ジルコニウムノルマルブチレ−ト(関東化学社製)及び硝酸イットリウム(関東化学社製)を、それぞれの濃度が0.1mol/リットル及び0.008mol/リットルとなるように、トルエン:エタノール=85:15となる混合溶媒に溶解させて金属酸化物膜形成用ゾルを調製した。そして、450℃に加熱した上記多孔質燃料極基板上へ上記金属酸化物膜形成用ゾル(100ミリリットル)を超音波ネプライザ(オムロン社製)で噴霧して、上記多孔質燃料極基板上にYSZからなる電解質層(上記多孔質燃料極基板上の厚み:10μm)を形成した。この際の噴射量は、0.001リットル/minであった。   Zirconium normal butyrate (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) and yttrium nitrate (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) were added in toluene: ethanol = 85: 15 so that the respective concentrations would be 0.1 mol / liter and 0.008 mol / liter. A sol for forming a metal oxide film was prepared by dissolving in a mixed solvent. Then, the metal oxide film-forming sol (100 ml) is sprayed onto the porous fuel electrode substrate heated to 450 ° C. with an ultrasonic nebulizer (manufactured by OMRON), and YSZ is applied onto the porous fuel electrode substrate. An electrolyte layer (thickness on the porous fuel electrode substrate: 10 μm) was formed. The injection amount at this time was 0.001 liter / min.

(比較例)
比較例として、以下に示す方法で単セルを作製した。
(Comparative example)
As a comparative example, a single cell was produced by the method described below.

まず、NiO粉末(粒径範囲:0.01〜10μm、平均粒径:1μm)、SDC(Ce:Sm:O=0.8:0.2:1.9)粉末(粒径範囲:1〜10μm、平均粒径:0.1μm)及びアセチレンブラックを、質量比(NiO:SDC:アセチレンブラック)が45:50:5となるようにエタノールに加え、これらをエタノール中で粉砕しながら混合した。次に、これらを乾燥して充分にエタノールを揮発させた後、一軸プレスにて成形し、セラミックスカッターにより所定の寸法に切断(トリミング)した。そして、これを1400℃で5時間焼結して、多孔質電極層となる多孔質燃料極基板(厚み:0.5mm)を作製した。   First, NiO powder (particle size range: 0.01 to 10 μm, average particle size: 1 μm), SDC (Ce: Sm: O = 0.8: 0.2: 1.9) powder (particle size range: 1 to 1) 10 μm, average particle diameter: 0.1 μm) and acetylene black were added to ethanol so that the mass ratio (NiO: SDC: acetylene black) was 45: 50: 5, and these were mixed while being pulverized in ethanol. Next, these were dried and the ethanol was sufficiently volatilized, then formed by a uniaxial press and cut (trimmed) to a predetermined size by a ceramic cutter. And this was sintered at 1400 degreeC for 5 hours, and the porous fuel electrode board | substrate (thickness: 0.5 mm) used as a porous electrode layer was produced.

次に、YSZ(Y:Zr:O=0.08:1:2)粉末(粒径範囲:0.1〜1μm、平均粒径:0.5μm)及びセルロース系バインダー樹脂を、質量比(YSZ:セルロース系バインダー樹脂)が95:5となるようにジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテートに加えてペーストを調製した。この際のペーストの粘度は、5×105mPa・sであった。次に、上記ペーストをスクリーン印刷法にて上記多孔質燃料極基板に塗布し、130℃で5分間乾燥させた後、1200℃で1時間焼結して、YSZからなる電解質層(上記多孔質燃料極基板上の厚み:5μm)を得た。 Next, the mass ratio (YSZ) of YSZ (Y: Zr: O = 0.08: 1: 2) powder (particle size range: 0.1 to 1 μm, average particle size: 0.5 μm) and cellulose binder resin are used. : Cellulose-based binder resin) was added to diethylene glycol monobutyl ether acetate so as to be 95: 5 to prepare a paste. The viscosity of the paste at this time was 5 × 10 5 mPa · s. Next, the paste is applied to the porous fuel electrode substrate by a screen printing method, dried at 130 ° C. for 5 minutes, sintered at 1200 ° C. for 1 hour, and an electrolyte layer made of YSZ (the porous layer) Thickness on the fuel electrode substrate: 5 μm).

続いて、(Sm,Sr)CoO3(Sm:Sr:Co:O=0.5:0.5:1:3)粉末(粒径範囲:0.1〜10μm、平均粒径:3μm)及びセルロース系バインダー樹脂を、質量比((Sm,Sr)CoO3:バインダー樹脂)が80:20となるようにジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテートに加えてペーストを調製し、このペ−ストをスクリーン印刷により上記電解質層上に塗布した後、これらを1200℃で5時間焼結することにより空気極層(厚み:30μm)を形成して、固体酸化物形燃料電池の単セルを得た。 Subsequently, (Sm, Sr) CoO 3 (Sm: Sr: Co: O = 0.5: 0.5: 1: 3) powder (particle size range: 0.1 to 10 μm, average particle size: 3 μm) and Cellulose binder resin is added to diethylene glycol monobutyl ether acetate so that the mass ratio ((Sm, Sr) CoO 3 : binder resin) is 80:20, and a paste is prepared. After coating on the layer, these were sintered at 1200 ° C. for 5 hours to form an air electrode layer (thickness: 30 μm) to obtain a single cell of a solid oxide fuel cell.

(電池性能の評価)
上述した各単セルの電池性能を下記に示す方法で評価した。
(Evaluation of battery performance)
The battery performance of each single cell described above was evaluated by the following method.

まず、図8に示すように、給気経路91a及び排気経路91bを有する1対のアルミナ管91,91で単セル92を挟持した。この際、供給するガスの漏れを防ぐため、単セル92とアルミナ管91との間にガラスシール93を介在させた。次に、大気中でアルミナ管91内の温度を800℃まで昇温させた後、単セル92の燃料極側から水素を100ml/minで供給し、空気極側から空気を200ml/minで供給して、開回路電圧(OCV)を測定した。結果を表1に示す。   First, as shown in FIG. 8, the single cell 92 was sandwiched between a pair of alumina pipes 91 and 91 each having an air supply path 91a and an exhaust path 91b. At this time, a glass seal 93 was interposed between the single cell 92 and the alumina tube 91 in order to prevent leakage of the supplied gas. Next, after raising the temperature in the alumina tube 91 to 800 ° C. in the atmosphere, hydrogen is supplied from the fuel electrode side of the single cell 92 at 100 ml / min, and air is supplied from the air electrode side at 200 ml / min. The open circuit voltage (OCV) was then measured. The results are shown in Table 1.

Figure 2006286607
Figure 2006286607

表1に示すように、比較例ではガスリ−クに起因する開回路電圧の低下が確認された。一方、実施例1〜4については、いずれも開回路電圧の大きな低下は認められなかった。この結果から、実施例1〜4では、比較例に比べ電解質層内の粒界を低減できるため、電解質層におけるガスリ−クを防止できることが分かる。   As shown in Table 1, in the comparative example, it was confirmed that the open circuit voltage was lowered due to the gas leak. On the other hand, for Examples 1 to 4, no significant decrease in open circuit voltage was observed. From this result, in Examples 1-4, since the grain boundary in an electrolyte layer can be reduced compared with a comparative example, it turns out that the gas leak in an electrolyte layer can be prevented.

本発明の第1実施形態に係る固体酸化物形燃料電池を示す模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a solid oxide fuel cell according to a first embodiment of the present invention. A〜Cは、本発明の第1実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の製造方法の一例を示す概略工程図である。A to C are schematic process diagrams illustrating an example of a method for manufacturing a solid oxide fuel cell according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態に係る固体酸化物形燃料電池を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the solid oxide fuel cell which concerns on 2nd Embodiment of this invention. A,Bは、本発明の第2実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の製造方法の一例を示す概略工程図である。A and B are schematic process diagrams showing an example of a method for producing a solid oxide fuel cell according to a second embodiment of the present invention. A〜Cは、本発明の第2実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の製造方法の一例を示す概略工程図である。A to C are schematic process diagrams illustrating an example of a method for producing a solid oxide fuel cell according to a second embodiment of the present invention. 本発明の実施例1で形成された電解質層の断面SEM写真である。It is a cross-sectional SEM photograph of the electrolyte layer formed in Example 1 of this invention. 従来の固体酸化物形燃料電池を示す模式断面図である。It is a schematic cross section showing a conventional solid oxide fuel cell. 電池性能の評価方法を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the evaluation method of battery performance.

符号の説明Explanation of symbols

10,20 固体酸化物形燃料電池
11,21,30 電解質層
11a,21a,30a 結晶
12 燃料極層
12a 表面
12b 壁面
13 空気極層
21b 被膜
31 多孔質燃料極基板(燃料極層)
91 アルミナ管
91a 給気経路
91b 排気経路
92 単セル
93 ガラスシール
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,20 Solid oxide fuel cell 11, 21, 30 Electrolyte layer 11a, 21a, 30a Crystal 12 Fuel electrode layer 12a Surface 12b Wall surface 13 Air electrode layer 21b Coating 31 Porous fuel electrode substrate (fuel electrode layer)
91 Alumina pipe 91a Air supply path 91b Exhaust path 92 Single cell 93 Glass seal

Claims (15)

電解質層と、前記電解質層の少なくとも一部を挟持する一対の多孔質電極層とを有する固体酸化物形燃料電池であって、
前記電解質層のうち前記一対の多孔質電極層で挟持された領域は、金属酸化物からなる結晶の集合体を含み、
前記結晶は、一方の前記多孔質電極層の表面の略法線方向に沿って延出した柱状構造を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
A solid oxide fuel cell having an electrolyte layer and a pair of porous electrode layers sandwiching at least a part of the electrolyte layer,
The region sandwiched between the pair of porous electrode layers in the electrolyte layer includes an aggregate of crystals made of a metal oxide,
The solid oxide fuel cell, wherein the crystal has a columnar structure extending along a substantially normal direction of a surface of one of the porous electrode layers.
前記結晶における前記略法線方向の結晶長さを、前記結晶における前記略法線方向と直交する方向の結晶径で除した値が、2以上である請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池。   2. The solid oxide fuel according to claim 1, wherein a value obtained by dividing a crystal length of the crystal in the substantially normal direction by a crystal diameter of the crystal in a direction orthogonal to the substantially normal direction is 2 or more. battery. 前記結晶は、単結晶である請求項1又は請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the crystal is a single crystal. 前記結晶は、単結晶であり、
前記単結晶の両端は、前記一対の多孔質電極層のそれぞれの表面に接している請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池。
The crystal is a single crystal,
2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein both ends of the single crystal are in contact with respective surfaces of the pair of porous electrode layers.
前記集合体は、前記結晶が前記一方の多孔質電極層の表面に沿って配列した集合体である請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池。   2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the aggregate is an aggregate in which the crystals are arranged along a surface of the one porous electrode layer. 前記電解質層は、前記一方の多孔質電極層の表面に沿って形成された前記金属酸化物からなる第1被膜を更に含み、
前記集合体は、前記結晶が前記第1被膜の表面に沿って配列した集合体である請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池。
The electrolyte layer further includes a first film made of the metal oxide formed along the surface of the one porous electrode layer,
2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the aggregate is an aggregate in which the crystals are arranged along the surface of the first coating.
前記第1被膜は、厚みが10nm以上50μm以下である請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to claim 6, wherein the first coating has a thickness of 10 nm to 50 μm. 前記電解質層は、前記一方の多孔質電極層内の気孔を形成する壁面の少なくとも一部を被覆する第2被膜を更に含む請求項1又は請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池。   7. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the electrolyte layer further includes a second coating film covering at least a part of a wall surface forming pores in the one porous electrode layer. 前記第2被膜は、厚みが10nm以上1μm以下である請求項8に記載の固体酸化物形燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to claim 8, wherein the second coating has a thickness of 10 nm or more and 1 μm or less. 前記金属酸化物は、酸化ジルコニウム、酸化セリウム及び酸化ランタンから選ばれる少なくとも一つを含む複合金属酸化物である請求項1又は請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the metal oxide is a composite metal oxide containing at least one selected from zirconium oxide, cerium oxide, and lanthanum oxide. 前記複合金属酸化物は、蛍石型又はペロブスカイト型の結晶構造を有する請求項10に記載の固体酸化物形燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to claim 10, wherein the composite metal oxide has a fluorite-type or perovskite-type crystal structure. 前記一対の多孔質電極層は、燃料極層及び空気極層であり、
前記燃料極層は、蛍石型又はペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物イオン伝導体と金属触媒とを含む請求項1又は請求項4に記載の固体酸化物形燃料電池。
The pair of porous electrode layers are a fuel electrode layer and an air electrode layer,
5. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the fuel electrode layer includes an oxide ion conductor having a fluorite-type or perovskite-type crystal structure and a metal catalyst.
前記一対の多孔質電極層は、燃料極層及び空気極層であり、
前記空気極層は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する金属酸化物及び貴金属から選ばれる少なくとも一つを含む請求項1,4,12のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池。
The pair of porous electrode layers are a fuel electrode layer and an air electrode layer,
13. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the air electrode layer includes at least one selected from a metal oxide having a perovskite crystal structure and a noble metal.
前記電解質層のうち前記一対の多孔質電極層で挟持された領域は、厚みが10nm以上10μm以下である請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池。   2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein a region of the electrolyte layer sandwiched between the pair of porous electrode layers has a thickness of 10 nm to 10 μm. 前記電解質層のうち前記一対の多孔質電極層で挟持された領域は、厚みが100nm以上1μm以下である請求項14に記載の固体酸化物形燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to claim 14, wherein a region of the electrolyte layer sandwiched between the pair of porous electrode layers has a thickness of 100 nm to 1 μm.
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