JP2007335193A - Ceria layer for air electrode of solid oxide fuel cell, and its manufacturing method - Google Patents

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玲一 千葉
Yoshitaka Tabata
嘉隆 田畑
Takeshi Komatsu
武志 小松
Himeko Orui
姫子 大類
Kazuhiko Nozawa
和彦 野沢
Masayasu Arakawa
正泰 荒川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve adhesiveness of an air electrode with an electrolyte membrane, and improve electrode characteristics of the air electrode in a solid oxide fuel cell in which a zirconia based electrolyte is used as the electrolyte membrane. <P>SOLUTION: Between the electrolyte substrate 1 that is the electrolyte membrane and the air electrode 2, the ceria layer 4 composed of the ceria based electrolyte material is arranged. A mixed powder in which a high specific surface area powder which is the ceria based electrolyte material powder having a specific surface area of 15 m<SP>2</SP>/g or more and a low specific surface area powder having a specific surface area of 10 m<SP>2</SP>/g or less are mixed at the weight ratio of 15:85 to 80:20 is prepared, and by developing this mixed powder into development liquid, a slurry is produced, and after this slurry is applied to the electrolyte substrate 1, the ceria layer 4 is formed by calcining it. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池(SOFC;solid oxide fuel cell)(固体電解質型燃料電池ともいう)に関し、特に、固体酸化物形燃料電池において電解質膜と空気極との間に配置されるセリア層とその製造方法とに関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell (SOFC) (also referred to as a solid oxide fuel cell), and in particular, is disposed between an electrolyte membrane and an air electrode in a solid oxide fuel cell. The present invention relates to a ceria layer and a manufacturing method thereof.

近年、燃料電池として、固体酸化物である酸素イオン伝導体を電解質膜として用いる固体酸化物形燃料電池に関心が集まりつつある。固体酸化物形燃料電池は、負極となり燃料が供給される燃料極と、正極となり空気(あるいは酸素)が供給される空気極とによって、酸素イオン伝導体である電解質膜を挟んだ構成を有しており、電解質膜としては、多くの場合、緻密なジルコニア系固体電解質が用いられる。燃料極及び空気極は、いずれも多孔質材料によって構成され、典型的にはセラミック材料の焼成によって形成される。エネルギーの有効利用という観点からすると、固体酸化物型燃料電池は、熱機関における制約条件であるカルノー(Carnot)効率の制約を受けないために、本質的に高いエネルギー変換効率を有し、さらに、良好な環境保全が期待されるなどの優れた特徴を有している。固体酸化物形燃料電池では、単位セルが発生する起電力が小さいため、所望の電圧出力が得られるように、複数のセルを直列に接続してセルスタックを構成するのが一般的である。   In recent years, as a fuel cell, there has been an interest in a solid oxide fuel cell using an oxygen ion conductor, which is a solid oxide, as an electrolyte membrane. A solid oxide fuel cell has a configuration in which an electrolyte membrane that is an oxygen ion conductor is sandwiched between a fuel electrode that serves as a negative electrode and is supplied with fuel, and an air electrode that serves as a positive electrode and is supplied with air (or oxygen). In many cases, a dense zirconia solid electrolyte is used as the electrolyte membrane. Both the fuel electrode and the air electrode are made of a porous material, and are typically formed by firing a ceramic material. From the viewpoint of effective use of energy, the solid oxide fuel cell has essentially high energy conversion efficiency because it is not limited by Carnot efficiency, which is a constraint in heat engines, It has excellent features such as good environmental protection. In a solid oxide fuel cell, since an electromotive force generated by a unit cell is small, it is general to configure a cell stack by connecting a plurality of cells in series so that a desired voltage output can be obtained.

このような固体酸化物形燃料電池は、その開発の初期段階においては動作温度が900℃〜1000℃と高く、すべての部材をセラミックで構成する必要があって、セルスタックの製造コストの低減が難しかった。ここで、動作温度を800℃程度にまで低下させることができれば、セル間の電気的接続やセルからの電力取り出しに用いられるインターコネクトを耐熱合金材料で構成することが可能になり、セルスタックの製造コストの低減が可能になる。しかしながら、動作温度の低下に伴い、空気極における電気化学的な抵抗、すなわち過電圧が急激に増大し、セルスタックからの出力電圧の低下を招いてしまう。   Such a solid oxide fuel cell has an operating temperature as high as 900 ° C. to 1000 ° C. in the initial stage of development, and all the members must be made of ceramic. was difficult. Here, if the operating temperature can be lowered to about 800 ° C., it becomes possible to configure an interconnect used for electrical connection between cells and power extraction from the cell with a heat-resistant alloy material. Cost can be reduced. However, as the operating temperature decreases, the electrochemical resistance at the air electrode, that is, the overvoltage, increases rapidly, resulting in a decrease in the output voltage from the cell stack.

このような出力電圧の低下に関し、焼成によって空気極を形成する際にその空気極を構成する材料の粒子径を小さくすることによって、空気極の低温特性の向上、すなわち、電気化学的な抵抗の減少を図ることができることが知られている。これは、電極での電気化学反応を担っている三相界面、すなわち、酸素イオン伝導性の電解質膜と空気極の構成粒子と空気との三相が接する部分の長さ(三相界面長)を大きくすることができるからである。   With regard to such a decrease in output voltage, by reducing the particle size of the material constituting the air electrode when forming the air electrode by firing, the low temperature characteristics of the air electrode are improved, that is, the electrochemical resistance is reduced. It is known that a reduction can be achieved. This is the length of the three-phase interface that is responsible for the electrochemical reaction at the electrode, that is, the portion where the three phases of the oxygen ion conductive electrolyte membrane, air electrode constituent particles, and air contact (three-phase interface length). It is because it can enlarge.

従来、空気極には、電子伝導性が大きく、高温の酸化雰囲気下でも安定なLa(Sr)MnO3やLa(Sr)Fe(Ni)O3などのランタン(La)系のペロブスカイト系の酸化物の粉末を焼成した多孔質体が用いられている。しかしながら、空気極にランタン系のペロブスカイト系材料を使用した場合、空気極の焼成時に、電解質膜として用いられるジルコニア系電解質材料と空気極材料とがわずかではあるが反応してLa2Zr27などの不導体層(絶縁体層)が形成される。これによって、空気極の特性が低下する。このような空気極の特性の低下を防止するためには、ジルコニア系電解質材料からなる電解質膜と、ランタン系のペロブスカイト系酸化物からなる空気極との間に、両者の反応を防止する何らかのバッファー層を設けることが考えられる。バッファー層には酸素イオン伝導性が要求され、このようなバッファー層を構成する材料として、セリア系電解質材料を用いることが検討されている。 Conventionally, lanthanum (La) -based perovskite-based oxidations such as La (Sr) MnO 3 and La (Sr) Fe (Ni) O 3, which have high electron conductivity and are stable even in a high-temperature oxidizing atmosphere, have been used for air electrodes. The porous body which baked the powder of the thing is used. However, when a lanthanum-based perovskite material is used for the air electrode, the zirconia-based electrolyte material used as the electrolyte membrane and the air electrode material react slightly to react with La 2 Zr 2 O 7 during firing of the air electrode. A non-conductive layer (insulator layer) is formed. As a result, the characteristics of the air electrode deteriorate. In order to prevent such deterioration of the characteristics of the air electrode, some buffer that prevents the reaction between the electrolyte film made of the zirconia-based electrolyte material and the air electrode made of the lanthanum-based perovskite oxide is used. It is conceivable to provide a layer. The buffer layer is required to have oxygen ion conductivity, and the use of a ceria-based electrolyte material as a material constituting such a buffer layer has been studied.

セリア系電解質材料とは、セリア(CeO2)に、ガドリア(Gd23)、またはサマリア(Sm23)、イットリア(Y23)などの希土類を添加し、一般式Ce1-xx2-d(M=Gd,Sm,Y;X=0.1〜0.2;dは酸素欠陥量)などとした材料のことで、これらはほとんど同じ性質を有する。セリア系電解質材料は、酸素イオン伝導性に優れ、かつ、ペロブスカイト系の空気極材料との反応性が低いため、電解質膜と空気極との間に設けるバッファー層に適している。なお、以下の説明においてセリア系電解質材料の組成を記述する際には、酸素欠陥量dを無視してCe1-xx2-d(M=Gd,Sm,Y)と記載することとするが、このことは、酸素欠陥量dが0であるすなわち化学量論的な組成であることを意味するものではない。 The ceria-based electrolyte material includes ceria (CeO 2 ) added with rare earth such as gadria (Gd 2 O 3 ), samaria (Sm 2 O 3 ), and yttria (Y 2 O 3 ), and has the general formula Ce 1- xM x O 2-d (M = Gd, Sm, Y; X = 0.1 to 0.2; d is the amount of oxygen defects), etc., and these have almost the same properties. The ceria-based electrolyte material is suitable for a buffer layer provided between the electrolyte membrane and the air electrode because it has excellent oxygen ion conductivity and low reactivity with the perovskite-based air electrode material. In the following description, when describing the composition of the ceria-based electrolyte material, the oxygen defect amount d is ignored and described as Ce 1-x M x O 2-d (M = Gd, Sm, Y). However, this does not mean that the oxygen deficiency d is 0, that is, a stoichiometric composition.

しかしながら、セリア系電解質材料は、焼結性が低く、1250℃以上の高温焼成を行うことによって、ようやく比較的結晶粒が強く結合した層を得ることができる。特に、スクリーンプリント(スクリーン印刷)法などの簡便な塗布方法を用いてセリア系電解質材料からなるバッファー層を形成した場合には、機械強度が十分でない膜となりやすく、結果として、電解質膜または空気極との界面の密着性が不十分となり、セルの特性自体も低下させることになる。   However, the ceria-based electrolyte material has low sinterability, and a layer having relatively strongly bonded crystal grains can be finally obtained by performing high-temperature firing at 1250 ° C. or higher. In particular, when a buffer layer made of a ceria-based electrolyte material is formed using a simple coating method such as a screen printing (screen printing) method, a film with insufficient mechanical strength tends to be formed, and as a result, the electrolyte membrane or air electrode Adhesiveness at the interface with the substrate becomes insufficient, and the characteristics of the cell itself are deteriorated.

また、セリア系電解質材料は、燃料極と空気極とを隔てる電解質膜として用いられるジルコニア系電解質材料に対して固溶しやすいので、セリア系電解質材料からなるバッファー層の形成のために高温焼成を行うことによって、電気伝導度の低い組成の成分を生じがちである。さらに、ジルコニア系電解質材料からジルコニウム(Zr)原子がバッファー層内に高濃度で拡散するため、バッファー層としての効果が大きく損なわれる。さらに、高温で焼成を行うことによって空気極の粒成長が進行し、電気化学的な反応場である三相界面の面積が減少してしまう、という問題も生じる。このほか、焼成温度が高いほど、より高価な炉(焼成炉)が必要になるなど、生産コストの面でも不利となる。このような理由から、セリア系電解質材料からなるバッファー層を形成するための焼成温度の低減が求められている。   In addition, the ceria-based electrolyte material is easily dissolved in a zirconia-based electrolyte material used as an electrolyte membrane that separates the fuel electrode and the air electrode, so high-temperature firing is performed to form a buffer layer made of the ceria-based electrolyte material. Doing so tends to produce components of low electrical conductivity. Furthermore, since zirconium (Zr) atoms diffuse from the zirconia-based electrolyte material at a high concentration in the buffer layer, the effect as the buffer layer is greatly impaired. Furthermore, there is also a problem that the grain growth of the air electrode proceeds by firing at a high temperature, and the area of the three-phase interface that is an electrochemical reaction field is reduced. In addition, the higher the firing temperature, the more expensive the furnace (firing furnace) becomes necessary, which is disadvantageous in terms of production cost. For these reasons, there is a need to reduce the firing temperature for forming a buffer layer made of a ceria-based electrolyte material.

セリア系電解質材料からなるバッファー層の作製方法は、有機物からなる展開液にセリア系電解質材料の粉末を展開させたスラリを作製し、これをスクリーンプリント法などにより電解質膜上に塗布し、その後、焼成を行うのが一般的である。ところで一般に、焼成を行う場合においては、原料粉末の比表面積を大きくすることによって、焼成温度が低い場合であっても焼結性が向上することが知られている。これは、比表面積が大きな粉末は、粉末粒子自体が細かい微細構造を有しており、焼成によりこの微細構造が消失する過程で焼結が進行するからである。しかしながら、比表面積の大きな粉末粒子を用いてスラリを作製して塗布し焼成することによってセリア系電解質材料からなるバッファー層を形成する場合、同じ粘度のスラリを作製するためには、比表面積がより大きな粉末を用いるほど、より多くの展開液を混合する必要がある。これは、粉末における微細構造のために、比表面積が大きな粉末ほど、溶液(展開液)が吸着できる表面積も増加し、より多くの展開液が微細構造内部の表面に吸着するためである。このように微細構造の内部に多くの溶液(展開液)が吸着したスラリを塗布して焼成した場合、塗布、乾燥後の膜がより多項質となるので、焼成後のバッファー層もより多孔質になってしまう。バッファー層が多孔質であると、機械強度や密着力が低下する。   A method for producing a buffer layer made of a ceria-based electrolyte material is a slurry in which a powder of ceria-based electrolyte material is developed in a developing solution made of an organic material, and this is applied onto the electrolyte membrane by a screen printing method or the like. It is common to perform firing. By the way, in general, when firing is performed, it is known that by increasing the specific surface area of the raw material powder, the sinterability is improved even when the firing temperature is low. This is because the powder having a large specific surface area has a fine microstructure in the powder particles themselves, and sintering proceeds in the process of disappearance of the microstructure by firing. However, when forming a slurry using a powder particle having a large specific surface area, applying and firing the slurry, and forming a buffer layer made of a ceria-based electrolyte material, in order to produce a slurry of the same viscosity, the specific surface area is more The larger the powder used, the more developing solution needs to be mixed. This is because, due to the fine structure of the powder, the larger the specific surface area, the larger the surface area on which the solution (developing liquid) can be adsorbed, and more developing liquid is adsorbed on the surface inside the fine structure. In this way, when a slurry with a large amount of solution (developing solution) adsorbed inside the microstructure is applied and baked, the film after coating and drying becomes more porous, so the buffer layer after baking is more porous. Become. When the buffer layer is porous, the mechanical strength and the adhesive strength are reduced.

なお、固体酸化物形燃料電池(SOFC)に関する一般的な総説としては、非特許文献1に記載されたものがある。セリア系電解質材料からなるバッファー層を設けることについては、非特許文献2に記載されている。
N. Q. Minh; J. Am. Ceram. Soc., 76, 563 (1993) M. Shiono, K. Kobayashi, T. L. Nguyen, K. Hosoda, T. Kato, K. Ota and M. Dokiya; Solid State Ionics, 170 (2004) 1
In addition, as a general review regarding the solid oxide fuel cell (SOFC), there is one described in Non-Patent Document 1. Non-patent document 2 describes providing a buffer layer made of a ceria-based electrolyte material.
NQ Minh; J. Am. Ceram. Soc., 76, 563 (1993) M. Shiono, K. Kobayashi, TL Nguyen, K. Hosoda, T. Kato, K. Ota and M. Dokiya; Solid State Ionics, 170 (2004) 1

以上述べたように、固体酸化物形燃料電池では、空気極と電解質膜との反応劣化を防いで電気的特性の向上を図るために、空気極と酸素イオン伝導性を有する電解質膜との間にバッファー層を設けることが有効であり、セリア系電解質材料は、このバッファー層として有望な材料である。しかしながら、焼成に用いるセリア系電解質材料の原料粉として、焼成温度を低下させるために比表面積の大きな粉末を用いた場合には、焼成によって形成されるバッファー層が多孔質状となり、電解質膜や空気極に対する密着力が低下する、という課題が生じる。   As described above, in the solid oxide fuel cell, in order to prevent the reaction deterioration between the air electrode and the electrolyte membrane and to improve the electrical characteristics, the air electrode and the electrolyte membrane having oxygen ion conductivity are disposed between the air electrode and the electrolyte membrane. It is effective to provide a buffer layer, and the ceria-based electrolyte material is a promising material for the buffer layer. However, when a powder having a large specific surface area is used as a raw material powder for the ceria-based electrolyte material used for firing, the buffer layer formed by firing becomes porous, and the electrolyte membrane or air The subject that the adhesive force with respect to a pole falls arises.

以下の説明において、電解質膜と空気極との間に配置され、セリア系電解質材料からなるバッファー層のことを、セリア層と呼ぶ。   In the following description, a buffer layer that is disposed between an electrolyte membrane and an air electrode and is made of a ceria-based electrolyte material is referred to as a ceria layer.

そこで本発明の目的は、低温での焼成であっても緻密でありかつ密着力の高いセリア層を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a ceria layer that is dense and has high adhesion even when firing at low temperatures.

そこで本発明の別の目的は、低温での焼成であっても緻密でありかつ密着力の高いセリア層の製造に用いられる原料粉と、このようなセリア層の製造方法とを提供することにある。   Therefore, another object of the present invention is to provide a raw material powder used for the production of a ceria layer that is dense and has high adhesion even when firing at a low temperature, and a method for producing such a ceria layer. is there.

本発明の空気極用セリア層は、固体酸化物形燃料電池の空気極と電解質膜との間に配置される空気極用セリア層において、
[1]セリア系電解質材料の粉末であって比表面積が15m2/g以上である第1の粉末と、セリア系電解質材料の粉末であって比表面積が10m2/g以下である第2の粉末とを、セリア系電解質材料の粉末の総量に対して第1の粉末の混合比が重量比で15%以上80%以下となるように混合し、あるいは
[2]セリア系電解質材料の粉末であって平均粒径が0.3μm以下である第1の粉末と、セリア系電解質材料の粉末であって比表面積が15m2/g以上であり平均粒径が0.3μmを超える第2の粉末と、セリア系電解質材料の粉末であって比表面積が10m2/g以下であり平均粒径が0.3μmを超える第3の粉末とを、セリア系電解質材料の粉末の総量に対して第1の粉末の混合比が重量比で5%以上70%以下となり第2の粉末の混合比が重量比で15%以上80%以下となるように混合し、
その後、この混合粉末を展開液に展開してスラリを作製し、スラリを焼成して得られることを特徴とする。
The air electrode ceria layer of the present invention is an air electrode ceria layer disposed between an air electrode and an electrolyte membrane of a solid oxide fuel cell.
[1] A ceria-based electrolyte material powder having a specific surface area of 15 m 2 / g or more, and a ceria-based electrolyte material powder having a specific surface area of 10 m 2 / g or less. The powder is mixed so that the mixing ratio of the first powder is 15% or more and 80% or less by weight with respect to the total amount of powder of the ceria-based electrolyte material, or [2] A first powder having an average particle diameter of 0.3 μm or less, and a second powder having a specific surface area of 15 m 2 / g or more and an average particle diameter exceeding 0.3 μm, the powder being a ceria-based electrolyte material And a third powder having a specific surface area of 10 m 2 / g or less and an average particle size exceeding 0.3 μm, based on the total amount of the ceria-based electrolyte material powder. The mixing ratio of the powder is 5% to 70% by weight and the second So that the mixing ratio of the powder is 15% to 80% by weight,
Then, the mixed powder is developed into a developing solution to produce a slurry, and the slurry is obtained by firing.

本発明の原料粉は、展開液に展開してスラリを形成するために用いられる原料粉であって、セリア系電解質材料の粉末であって比表面積が15m2/g以上である第1の粉末と、セリア系電解質材料の粉末であって比表面積が10m2/g以下である第2の粉末とが、セリア系電解質材料の粉末の総量に対して第1の粉末の混合比が重量比で15%以上80%以下となるように混合されてなる。 The raw material powder of the present invention is a raw material powder used to form a slurry by spreading in a developing solution, and is a first powder having a specific surface area of 15 m 2 / g or more, which is a powder of a ceria-based electrolyte material. And a second powder having a specific surface area of 10 m 2 / g or less, wherein the mixing ratio of the first powder is in a weight ratio with respect to the total amount of the ceria electrolyte material powder. It is mixed so as to be 15% or more and 80% or less.

本発明の別の原料粉は、展開液に展開してスラリを形成するために用いられる原料粉であって、セリア系電解質材料の粉末であって平均粒径が0.3μm以下である第1の粉末と、セリア系電解質材料の粉末であって比表面積が15m2/g以上であり平均粒径が0.3μmを超える第2の粉末と、セリア系電解質材料の粉末であって比表面積が10m2/g以下であり平均粒径が0.3μmを超える第3の粉末とを、セリア系電解質材料の粉末の総量に対して第1の粉末の混合比が重量比で5%以上70%以下となり第2の粉末の混合比が重量比で15%以上80%以下となるように混合されてなる。 Another raw material powder of the present invention is a raw material powder used to form a slurry by spreading in a developing solution, and is a ceria-based electrolyte material powder having an average particle size of 0.3 μm or less. A ceria-based electrolyte material powder having a specific surface area of 15 m 2 / g or more and an average particle size exceeding 0.3 μm, and a ceria-based electrolyte material powder having a specific surface area of The third powder having an average particle size of 10 m 2 / g or less and an average particle size exceeding 0.3 μm is mixed at a weight ratio of 5% to 70% of the first powder with respect to the total amount of the ceria-based electrolyte material powder. The second powder is mixed so that the mixing ratio of the second powder is 15% or more and 80% or less by weight.

本発明のセリア層の製造方法は、固体酸化物形燃料電池の空気極と電解質膜との間に配置される空気極用セリア層の製造方法において、上述の本発明の原料粉を展開液に展開してスラリを作製し、電解質膜上にスラリを塗布し、その後、焼成を行うことを特徴とする。スラリを電解質膜上に塗布する方法としては、例えば、スクリーンプリント法、ディップコート法、ドクターブレード法など湿式塗布法を用いることができる。   The method for producing a ceria layer according to the present invention is a method for producing a ceria layer for an air electrode disposed between an air electrode and an electrolyte membrane of a solid oxide fuel cell. The slurry is developed to produce a slurry, the slurry is applied on the electrolyte membrane, and then fired. As a method for applying the slurry onto the electrolyte membrane, for example, a wet coating method such as a screen printing method, a dip coating method, or a doctor blade method can be used.

[作用]
スラリを塗布し焼成することにより所望の厚さのセリア層を得ようとする場合には、塗布されるスラリの粘度を管理することが重要になる。特に、薄いセリア層を形成する場合には、塗布されるスラリの層厚も薄くする必要があり、スラリの粘度を小さくする必要がある。ここで、セリア層を形成するためのセリア系電解質材料粉末として、比表面積が15m2/g以上と相対的に比表面積が大きな高比表面積粉末と、比表面積が10m2/g以下である相対的に比表面積が小さな低比表面積粉末とを混合して展開液に展開し、スラリを作製する場合を考える。ここで同じ粘度のスラリを得ようすると、高比表面積粉末と低比表面積粉末との割合に応じた量の展開液が必要となる。したがって、相対的に比表面積の大きな粉末の量を減らすことで、有機物からなる展開液の量を低く抑えることができる。
[Action]
When it is intended to obtain a ceria layer having a desired thickness by applying and baking the slurry, it is important to control the viscosity of the applied slurry. In particular, when a thin ceria layer is formed, it is necessary to reduce the layer thickness of the slurry to be applied, and it is necessary to reduce the viscosity of the slurry. Here, as the ceria-based electrolyte material powder for forming the ceria layer, a high specific surface area powder having a specific surface area of 15 m 2 / g or more and a relatively large specific surface area, and a relative surface area of 10 m 2 / g or less Consider a case where a low specific surface area powder having a small specific surface area is mixed and developed into a developing solution to produce a slurry. In order to obtain a slurry having the same viscosity, an amount of a developing solution corresponding to the ratio of the high specific surface area powder and the low specific surface area powder is required. Therefore, by reducing the amount of powder having a relatively large specific surface area, the amount of the developing solution made of organic matter can be kept low.

一方、焼結性については、スラリにおいて比表面積が大きな粉末がある程度含まれていれば、焼結性を高く保つことができる。これは、焼結性が高い粉末粒子(高比表面積粉末)が焼結性の低い粉末粒子(低比表面積粉末)を接着するためである。具体的には、セリア系電解質材料の全重量に対して、重量比で、高比表面積粉末の混合量を15%以上80%以下とするが、これを20%以上80%以下とすることが好ましく、30%以上70%以下とすることがさらに好ましい。高比表面積粉末の混合量をここで述べたような値とすることによって、比較的低温で焼成する場合であっても高い焼結性を示し、かつ、乾燥時の気孔率が低いために緻密で密着性の高いセリア層を得ることができる。   On the other hand, regarding the sinterability, if the slurry contains a powder having a large specific surface area to some extent, the sinterability can be kept high. This is because powder particles with high sinterability (high specific surface area powder) adhere powder particles with low sinterability (low specific surface area powder). Specifically, the mixing amount of the high specific surface area powder is 15% or more and 80% or less in a weight ratio with respect to the total weight of the ceria-based electrolyte material, but this may be 20% or more and 80% or less. Preferably, it is more preferably 30% or more and 70% or less. By setting the mixing amount of the high specific surface area powder to the value as described here, high sinterability is exhibited even when firing at a relatively low temperature, and since the porosity during drying is low, it is dense. A ceria layer having high adhesion can be obtained.

さらに、スラリに対し、セリア系電解質材料の粉末であって平均粒径が0.3μm以下である粉末(微細粒粉末)を第3の粉末として加えることで、スラリを乾燥したときの気孔率が低下し、さらに良好な層が得られる。また、平均粒径が0.3μm程度の粉末を含んだスラリは滑らかになり、塗布が容易となる。その結果、展開液の量をさらに低減することができ、さらに緻密で密着性の高いセリア層が得られるゆようになる。具体的には、セリア系電解質材料の全重量に対して、重量比で、微細粒粉末の混合量を5%以上70%以下とすることが好ましく、10%以上50%以下とすることがさらに好ましい。なお、市販のセリア系電解質材料の粉末の平均粒径は0.5μm〜1μm程度であるが、平均粒径が0.3μm以下の粉末も市販されている。   Furthermore, the porosity when the slurry is dried can be obtained by adding a powder of a ceria-based electrolyte material having an average particle size of 0.3 μm or less (fine particle powder) as a third powder to the slurry. And a better layer is obtained. Further, the slurry containing powder having an average particle size of about 0.3 μm becomes smooth and easy to apply. As a result, the amount of the developing solution can be further reduced, and a denser and highly adherent ceria layer can be obtained. Specifically, the mixing amount of the fine-grained powder is preferably 5% or more and 70% or less by weight ratio with respect to the total weight of the ceria-based electrolyte material, and more preferably 10% or more and 50% or less. preferable. In addition, although the average particle diameter of the powder of a commercially available ceria type | system | group electrolyte material is about 0.5 micrometer-1 micrometer, the powder whose average particle diameter is 0.3 micrometer or less is also marketed.

本発明では、固体酸化物形燃料電池において、酸素イオン伝導性を有する電解質膜と空気極との間に設けられるセリア層を形成する際に、15m2/g以上と比較的大きな比表面積を有して焼結性の高い粉末粒子(高比表面積粉末)と10m2/g以下と比較的小さな比表面積を有する粉末粒子(低比表面積粉末)とを混合してスラリを作製することにより、さらにはこのような混合物にさらに平均粒径が0.3μm以下の粉末粒子(微細粒粉末)を混合することにより、スラリの粘度を高めることなく、有機物からなる展開液の量を最小限に抑えることができる。その結果、セリア層形成用のスラリを塗布し乾燥させたときの気孔率が低下し、そののち焼結を行った場合の焼結性も高まるため、セリア層の機械強度及び界面密着力を向上させることができる。 In the present invention, a solid oxide fuel cell has a relatively large specific surface area of 15 m 2 / g or more when forming a ceria layer provided between an electrolyte membrane having oxygen ion conductivity and an air electrode. By mixing a powder particle having a high sinterability (high specific surface area powder) and a powder particle having a relatively small specific surface area (low specific surface area powder) of 10 m 2 / g or less to produce a slurry, In such a mixture, powder particles (fine particle powder) with an average particle size of 0.3 μm or less are further mixed to minimize the amount of developing liquid composed of organic matter without increasing the viscosity of the slurry. Can do. As a result, the porosity of the ceria layer forming slurry is reduced when applied and dried, and then the sinterability is increased when sintering is performed, improving the mechanical strength and interfacial adhesion of the ceria layer. Can be made.

これらにより、信頼性の高い固体酸化物形燃料電池用空気極を得ることができる。本発明は、固体酸化物形燃料電池の信頼性を高めることに大きな貢献をなすものである。   Thus, a highly reliable air electrode for a solid oxide fuel cell can be obtained. The present invention greatly contributes to improving the reliability of a solid oxide fuel cell.

次に、本発明について、実施例を用いて説明する。なお、当然のことであるが、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 using examples. As a matter of course, the present invention is not limited to the following examples.

[実施例1、比較例1,2]
まず、ドクターブレード法で焼成した0.2mm厚でSc23,Al23添加ジルコニア(SASZ)(0.89ZrO2−0.10Sc23−0.01Al23)からなる固体電解質基板の片面に、NiO−YSZ(0.92ZrO2−0.08Y23)のスラリ(平均粒径が約0.3μmの10モル%Y23添加ジルコニア(YSZ)粉末を40質量%含み、平均粒径が約1.0μmのNiO粉末を60質量%含む混合物をスラリとしたもの)をスクリーンプリント法で塗布した後、白金(Pt)メッシュ集電体を載置して、1400℃、4時間空気中で焼成し、厚さ60μmの燃料極を設けた。なお、本明細書の実施例及び比較例の記載において、粉末の平均粒径は、レーザ回折法によって測定されたものであり、測定には、堀場製作所製のレーザ回折/散乱式粒度分布測定装置HORIBA LA-920を使用した。また、粉末の比表面積は、BET1点法によって測定されたものであり、測定には、島津製作所製のFlow Sorb 2000を使用した。
[Example 1, Comparative Examples 1 and 2]
First, a solid consisting of 0.2mm thick by Sc 2 O 3, Al 2 O 3 doped zirconia fired at a doctor blade method (SASZ) (0.89ZrO 2 -0.10Sc 2 O 3 -0.01Al 2 O 3) 40 masses of NiO—YSZ (0.92ZrO 2 −0.08Y 2 O 3 ) slurry (10 mol% Y 2 O 3 added zirconia (YSZ) powder having an average particle size of about 0.3 μm) on one surface of the electrolyte substrate And a platinum (Pt) mesh current collector was placed thereon by applying a screen printing method, and a platinum (Pt) mesh current collector 1400. Firing was performed in air at 4 ° C. for 4 hours, and a fuel electrode having a thickness of 60 μm was provided. In the description of the examples and comparative examples of the present specification, the average particle diameter of the powder is measured by a laser diffraction method, and the laser diffraction / scattering type particle size distribution measuring apparatus manufactured by HORIBA, Ltd. is used for the measurement. HORIBA LA-920 was used. The specific surface area of the powder was measured by the BET 1-point method, and Flow Sorb 2000 manufactured by Shimadzu Corporation was used for the measurement.

次に、平均粒径1.0μmのLNF(LaNi0.6Fe0.43)の粉末をポリエチレングリコールに展開したスラリを調製し、これを電解質基板の裏面にスクリーンプリント法で塗布した後、この上に白金メッシュ集電体を載せて、1100℃、2時間空気中で焼成し、厚さ40μmの空気極を設けた。この結果、酸素イオン伝導性を有する電解質膜として用いられる固体電解質基板の両面に、それぞれ、燃料極と空気極とが設けられたことになる。燃料極、空気極とも、10mm径の大きさで設けた。このようにして作製された燃料電池セルを比較例1の燃料電池セルとし、以下の説明においてセル#1−0−0で表すこととする。 Next, a slurry in which a powder of LNF (LaNi 0.6 Fe 0.4 O 3 ) having an average particle diameter of 1.0 μm is developed in polyethylene glycol is prepared, and this is applied to the back surface of the electrolyte substrate by a screen printing method. A platinum mesh current collector was placed and baked in air at 1100 ° C. for 2 hours to provide an air electrode having a thickness of 40 μm. As a result, the fuel electrode and the air electrode are provided on both surfaces of the solid electrolyte substrate used as the electrolyte membrane having oxygen ion conductivity, respectively. Both the fuel electrode and the air electrode were provided with a diameter of 10 mm. The fuel cell thus produced is referred to as the fuel cell of Comparative Example 1, and is represented by cell # 1-0-0 in the following description.

図1は、比較例1の燃料電池セル(セル#1−0−0)の構成を示す斜視図であり、(A)は燃料電池として発電試験を行う際の単セルの構成を示し、(B)は密着試験を行う際のハーフセルの構成を示している。(A)に示す単セルにおいて、略矩形の電解質基板1の上面のほぼ中央部に、直径10mmの円形の領域として、空気極2が形成されている。電解質基板1の外周部には、白金メッシュなどからなる参照極3が形成されている。斜視図であるから電解質基板1の裏面側は示されていないが、電解質基板1の裏面には、空気極2に対応する位置に、空気極2と同じ形状で燃料極が設けられている。また、(B)に示すハーフセルは、電解質基板1上に空気極2のみを設けた構成のものである。ハーフセルでは、密着試験を行う都合上、10mm角の矩形の領域として空気極2を形成してある。   FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a fuel cell (cell # 1-0-0) of Comparative Example 1, and (A) shows a configuration of a single cell when a power generation test is performed as a fuel cell. B) shows the structure of the half cell when the adhesion test is performed. In the single cell shown in (A), an air electrode 2 is formed as a circular region having a diameter of 10 mm at a substantially central portion of the upper surface of the substantially rectangular electrolyte substrate 1. A reference electrode 3 made of platinum mesh or the like is formed on the outer periphery of the electrolyte substrate 1. Although it is a perspective view, the back surface side of the electrolyte substrate 1 is not shown, but a fuel electrode having the same shape as the air electrode 2 is provided on the back surface of the electrolyte substrate 1 at a position corresponding to the air electrode 2. Further, the half cell shown in (B) has a configuration in which only the air electrode 2 is provided on the electrolyte substrate 1. In the half cell, the air electrode 2 is formed as a rectangular area of 10 mm square for convenience of the adhesion test.

次に、比較例2の燃料電池セル(セル#1−1−0)として、セリア系電解質材料からなるセリア層を有するものを作製した。この燃料電池セルでは、前述の比較例1のセル(セル#1−0−0)の作製過程と同じ手順で電解質基板の表面に燃料極までを形成した後、電解質基板の裏面に、比表面積が10m2/g、平均粒径が0.5μmであるCe0.8Gd0.22粉末(粉末A;低比表面積粉末)をポリエチレングリコールに展開したスラリをスクリーンプリント法で塗布し、1000℃で2時間空気中で焼成し、セリア層を設けた。焼成後のセリア層の厚さは5μmであった。その後、比較例1の場合と同様の手順によって、セリア層の上に白金メッシュ集電体を載置し、LNFスラリを塗布し、1100℃で2時間空気中で焼成して、空気極を形成した。 Next, a fuel cell having a ceria layer made of a ceria-based electrolyte material was produced as a fuel cell (cell # 1-1-0) of Comparative Example 2. In this fuel cell, after forming up to the fuel electrode on the surface of the electrolyte substrate in the same procedure as the manufacturing process of the cell of Comparative Example 1 (cell # 1-0-0) described above, the specific surface area is formed on the back surface of the electrolyte substrate. There 10m 2 / g, Ce 0.8 Gd 0.2 O 2 powder with an average particle size of 0.5 [mu] m; the slurry was developed (powder a low specific surface area powders) polyethylene glycol was coated by screen printing, 2 at 1000 ° C. The ceria layer was provided by firing in air for a period of time. The thickness of the ceria layer after firing was 5 μm. After that, a platinum mesh current collector is placed on the ceria layer by the same procedure as in Comparative Example 1, and an LNF slurry is applied and baked in air at 1100 ° C. for 2 hours to form an air electrode. did.

次に、実施例の燃料電池セル(セル#1−1−1〜#1−1−5)を形成した。この燃料電池セルは、比較例2の燃料電池セルにおいて、セリア層を形成するために用いる粉末として、比表面積が10m2/g、平均粒径が0.5μmであるCe0.8Gd0.22粉末の代わりに、比表面積が10m2/g、平均粒径が0.5μmであるCe0.8Gd0.22粉末(粉末A;低比表面積粉末)と比表面積が20m2/g、平均粒径が0.5μmであるCe0.8Gd0.22粉末(粉末B;高比表面積粉末)とを混合したものを用い、このような混合物のスラリを作製して比較例2と同じ条件でセリア層を形成したものである。電解質基板、燃料極、空気極及び参照極については、比較例2のものと同じである。ここで、セリア層形成用の混合粉末における粉末Aと粉末Bとの重量比が85:15、70:30、50:50、30:70、20:80であるものをそれぞれセル#1−1−1〜#1−1−5としている。 Next, the fuel cell (cell # 1-1-1 to # 1-1-5) of the example was formed. This fuel cell is a Ce 0.8 Gd 0.2 O 2 powder having a specific surface area of 10 m 2 / g and an average particle size of 0.5 μm as a powder used for forming a ceria layer in the fuel cell of Comparative Example 2. Instead of Ce 0.8 Gd 0.2 O 2 powder (powder A; low specific surface area powder) having a specific surface area of 10 m 2 / g and an average particle diameter of 0.5 μm, a specific surface area of 20 m 2 / g and an average particle diameter of Using a mixture of Ce 0.8 Gd 0.2 O 2 powder (powder B; high specific surface area powder) of 0.5 μm, a slurry of such a mixture was prepared to form a ceria layer under the same conditions as in Comparative Example 2. It is a thing. The electrolyte substrate, fuel electrode, air electrode, and reference electrode are the same as those in Comparative Example 2. Here, in the mixed powder for forming the ceria layer, those in which the weight ratios of the powder A and the powder B are 85:15, 70:30, 50:50, 30:70, and 20:80 are the cell # 1-1. -1 to # 1-1-5.

さらに、セリア層を形成するために用いる粉末として、比表面積が10m2/g、平均粒径が0.5μmであるCe0.8Gd0.22粉末(粉末A;低比表面積粉末)と比表面積が30m2/g、平均粒径が0.5μmであるCe0.8Gd0.22粉末(粉末C;高比表面積粉末)とを混合したものを用い、このような混合物のスラリを作製して比較例2と同じ条件でセリア層を形成することにより、実施例の燃料電池セル(セル#1−2−1〜#1−2−5)を形成した。電解質基板、燃料極、空気極及び参照極については、比較例2のものと同じである。ここで、セリア層形成用の混合粉末における粉末Aと粉末Cとの重量比が85:15、70:30、50:50、30:70、20:80であるものをそれぞれセル#1−2−1〜#1−2−5としている。 Further, as a powder used for forming the ceria layer, a Ce 0.8 Gd 0.2 O 2 powder (powder A; low specific surface area powder) having a specific surface area of 10 m 2 / g and an average particle size of 0.5 μm and a specific surface area A mixture of 30 m 2 / g and Ce 0.8 Gd 0.2 O 2 powder (powder C; high specific surface area powder) having an average particle size of 0.5 μm was used to prepare a slurry of such a mixture, and a comparative example By forming the ceria layer under the same conditions as in Example 2, fuel cells (cells # 1-2-1 to # 1-2-5) of the example were formed. The electrolyte substrate, fuel electrode, air electrode, and reference electrode are the same as those in Comparative Example 2. Here, in the mixed powder for forming the ceria layer, those in which the weight ratios of the powder A and the powder C are 85:15, 70:30, 50:50, 30:70, and 20:80 are the cell # 1-2. -1 to # 1-2-5.

同様に、セリア層を形成するために用いる粉末として、比表面積が10m2/g、平均粒径が0.5μmであるCe0.8Gd0.22粉末(粉末A;低比表面積粉末)と比表面積が45m2/g、平均粒径が0.9μmであるCe0.8Gd0.22粉末(粉末D;高比表面積粉末)とを混合したものを用い、このような混合物のスラリを作製して比較例2と同じ条件でセリア層を形成することにより、実施例の燃料電池セル(セル#1−3−1〜#1−3−5)を形成した。電解質基板、燃料極、空気極及び参照極については、比較例2のものと同じである。ここで、セリア層形成用の混合粉末における粉末Aと粉末Dとの重量比が85:15、70:30、50:50、30:70、20:80であるものをそれぞれセル#1−3−1〜#1−3−5としている。 Similarly, Ce 0.8 Gd 0.2 O 2 powder (powder A; low specific surface area powder) having a specific surface area of 10 m 2 / g and an average particle diameter of 0.5 μm and a specific surface area are used as powders for forming the ceria layer. compared to prepare a slurry with a mixture of a; (high specific surface area powder powder D), such mixtures but 45 m 2 / g, an average particle diameter of Ce 0.8 Gd 0.2 O 2 powder is 0.9μm By forming the ceria layer under the same conditions as in Example 2, the fuel cell of Example (cells # 1-3-1 to # 1-3-5) was formed. The electrolyte substrate, fuel electrode, air electrode, and reference electrode are the same as those in Comparative Example 2. Here, those in which the weight ratio of powder A to powder D in the mixed powder for ceria layer formation is 85:15, 70:30, 50:50, 30:70, and 20:80 are the cell # 1-3. -1 to # 1-3-5.

図2は、セリア層を有する燃料電池の単セルの構成を示している。酸素イオン伝導体として用いられ緻密なジルコニア系固体電解質からなる電解質基板1と、電解質基板1の一方の表面のほぼ中央領域に設けられた燃料極5と、電解質基板1の外周部に設けられた参照極3と、電解質基板1の他方の表面のほぼ中央領域に設けられた空気極2と、電解質基板1と空気極2との界面に配置されたセリア層4とを備えている。   FIG. 2 shows the configuration of a single cell of a fuel cell having a ceria layer. An electrolyte substrate 1 made of a dense zirconia solid electrolyte used as an oxygen ion conductor, a fuel electrode 5 provided in a substantially central region of one surface of the electrolyte substrate 1, and an outer peripheral portion of the electrolyte substrate 1 A reference electrode 3, an air electrode 2 provided in a substantially central region of the other surface of the electrolyte substrate 1, and a ceria layer 4 disposed at the interface between the electrolyte substrate 1 and the air electrode 2 are provided.

前述のようにして作製した実施例及び比較例のセルを燃料電池に組み立て、800℃における空気極の電極特性を交流インピーダンス法で測定した。ここで、燃料極には3%加湿水素(H2+H2O)、空気極と参照極には酸素(O2)を供給した。水素への加湿は室温で行った。電極特性は、開放起電力条件での界面抵抗によって評価した。いずれのセルについて、開放起電力としては1.14V以上の値が得られた。図3は、電極特性評価時の燃料電池の構成を示す断面図である。図示されていないが、比較例2及び各実施例のセルの場合には、空気極と電解質基板との間にセリア層が形成されている。また、燃料極及び空気極の白金メッシュ集電体にはそれぞれ白金端子が接続している。参照極にも白金端子が接続している。 The cells of Examples and Comparative Examples produced as described above were assembled into a fuel cell, and the electrode characteristics of the air electrode at 800 ° C. were measured by the AC impedance method. Here, 3% humidified hydrogen (H 2 + H 2 O) was supplied to the fuel electrode, and oxygen (O 2 ) was supplied to the air electrode and the reference electrode. Humidification to hydrogen was performed at room temperature. The electrode characteristics were evaluated by the interface resistance under open electromotive force conditions. For any cell, an open electromotive force of 1.14 V or higher was obtained. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the fuel cell at the time of electrode characteristic evaluation. Although not shown, in the case of the cell of Comparative Example 2 and each example, a ceria layer is formed between the air electrode and the electrolyte substrate. Also, platinum terminals are connected to the platinum mesh current collectors of the fuel electrode and the air electrode, respectively. A platinum terminal is also connected to the reference electrode.

さらに、これらの実施例及び比較例のセルについて、燃料極と参照極とを備えないハーフセル(図1(B)参照)を作製し、空気極が固体電解質基板に対してどれだけ密着しているかを示す密着力試験を行った。この場合、前述したように、空気極の形状は1辺が1cmの正方形状とした。試験は、白金メッシュ集電体が載置されない状態で空気極を焼成によって固体電解質基板上に形成し、その後、粘着テープを空気極上に貼り付け、粘着テープを引き剥がすことによって行った。空気極の固体電解質基板に対する密着力が弱ければ、粘着テープを引き剥がしたときに空気極の一部が引き剥がされて粘着テープに付着したままとなるので、その分、粘着テープの質量が増加する。そこで、空気極の本来の質量を別途求めておいて、粘着テープの貼り付けと引き剥がしを経て空気極の全質量のうちのどれだけの部分が残っているかを算出し、これを空気極の残留率(残留質量率)とした。残留質量率が1(すなわち100%)に近いほど、密着力が強い、ということになる。セリア層成分についても同様に粒子残留率を評価した。なお、以下の各実施例においても、同一組成のスラリを用いて図1(A)に示すセルと図1(B)に示すセルとを作製し、図1(A)に示すセルを用いて空気極界面抵抗を測定し、図1(B)に示すセルを用いて密着力試験を行っているが、便宜上、図1(A)に示すセルと図1(B)に示すセルとを組として、同一のセル番号で表記している。   Further, with respect to the cells of these examples and comparative examples, a half cell (see FIG. 1B) that does not include a fuel electrode and a reference electrode is manufactured, and how close the air electrode is to the solid electrolyte substrate. An adhesion test was conducted. In this case, as described above, the shape of the air electrode was a square shape with one side of 1 cm. The test was performed by forming an air electrode on a solid electrolyte substrate by firing in a state where the platinum mesh current collector was not placed, and then attaching an adhesive tape on the air electrode and peeling off the adhesive tape. If the adhesion of the air electrode to the solid electrolyte substrate is weak, when the adhesive tape is peeled off, a part of the air electrode is peeled off and remains attached to the adhesive tape, which increases the mass of the adhesive tape. To do. Therefore, the original mass of the air electrode is obtained separately, and after calculating the amount of the air electrode remaining after applying and peeling the adhesive tape, calculate this. The residual ratio (residual mass ratio) was used. The closer the residual mass ratio is to 1 (ie 100%), the stronger the adhesion. The particle residual rate was similarly evaluated for the ceria layer components. In each of the following examples, the cell shown in FIG. 1A and the cell shown in FIG. 1B are manufactured using a slurry having the same composition, and the cell shown in FIG. 1A is used. The air electrode interface resistance was measured, and an adhesion test was performed using the cell shown in FIG. 1B. For convenience, the cell shown in FIG. 1A and the cell shown in FIG. As the same cell number.

実施例(セル#1−1−1〜#1−1−5、#1−2−1〜#1−2−5、#1−3−1〜#1−3−5)及び各比較例(セル#1−0−0、#1−1−0)についての電極特性の評価結果と粒子残留率の評価結果とを表1に示す。   Examples (cells # 1-1-1 to # 1-1-5, # 1-2-1 to # 1-2-5, # 1-3-1 to # 1-3-5) and comparative examples Table 1 shows the evaluation results of the electrode characteristics and the evaluation results of the particle residual ratio for (cells # 1-0-0 and # 1-1-0).

Figure 2007335193
Figure 2007335193

セリア層をそもそも備えない比較例1のセル#1−0−0に比べ、低比表面積粉末のみを用いてCe0.8Gd0.22からなるセリア層を形成した比較例2のセル#1−1−0のほうが、より小さな界面抵抗を示しており、電極特性が向上した。一方、密着性については、比較例1よりも比較例2の方が低下(残留率が小さい)している。実施例のセル(セル#1−1−1〜#1−2−5)は、比較例2と同程度かそれ以下の界面抵抗を示して電極特性としては比較例2と同程度かそれ以上のものであり、かつ、密着力が向上している。すなわち、比表面積が15m2/g以上である高比表面積粉末を低比表面積粉末に混合したスラリを用いてセリア層を形成することによって、電極としての電気的特性と密着力とが向上したセリア層が得られることが分かる。 Cell # 1-1 of Comparative Example 2 in which a ceria layer made of Ce 0.8 Gd 0.2 O 2 was formed using only a low specific surface area powder, as compared with Cell # 1-0-0 of Comparative Example 1 which originally did not have a ceria layer. −0 indicates a smaller interface resistance, and the electrode characteristics are improved. On the other hand, as for the adhesion, the comparative example 2 is lower than the comparative example 1 (the residual rate is small). The cells of the examples (cells # 1-1-1 to # 1-2-5) exhibit an interface resistance comparable to or lower than that of Comparative Example 2, and have electrode characteristics equivalent to or higher than those of Comparative Example 2. And has improved adhesion. That is, by forming a ceria layer using a slurry in which a high specific surface area powder having a specific surface area of 15 m 2 / g or more is mixed with a low specific surface area powder, the ceria that has improved electrical characteristics and adhesion as an electrode. It can be seen that a layer is obtained.

ここで、高比表面積粉末である粉末B、粉末C、粉末Dごとに、粒子残留率が最大となるときの混合比を考えると、比表面積が20m2/gである粉末Bの場合には、その混合量が70%のときに粒子残留率が最大となり、比表面積が30m2/gである粉末Cの場合には、その混合量が50%のときに粒子残留率が最大となり、比表面積が45m2/gである粉末Dの場合には、その混合量が30%のときに粒子残留率が最大となっている。また、粒子残留率が最大のときの空気極界面抵抗は、その粉末を用いたときの空気極界面抵抗の最小値とほぼ等しい。このことから、高比表面積粉末として比表面積がより大きなセリア系電解質粉末を用いることにより、その最適混合量は小さくなる(低比表面積粉末の割合を大きくすることができる)ことが分かる。 Here, in the case of powder B having a specific surface area of 20 m 2 / g, considering the mixing ratio when the particle residual ratio is maximum for each of powder B, powder C, and powder D, which are high specific surface area powders. In the case of powder C having a specific surface area of 30 m 2 / g when the mixing amount is 70%, the particle residual rate is maximum when the mixing amount is 50%. In the case of the powder D having a surface area of 45 m 2 / g, the particle residual rate is maximized when the mixing amount is 30%. Further, the air electrode interface resistance when the particle residual ratio is maximum is substantially equal to the minimum value of the air electrode interface resistance when the powder is used. From this, it can be seen that by using a ceria-based electrolyte powder having a larger specific surface area as the high specific surface area powder, the optimum mixing amount is reduced (the ratio of the low specific surface area powder can be increased).

[実施例2]
実施例1では、比表面積の異なる2種類のセリア系電解質材料粉末(Ce0.8Gd0.22粉末)を混合しているが、この実施例2では、セリア層を形成するためのセリア系電解質材料粉末として、比表面積が10m2/g、平均粒径が0.2μmであるCe0.9Gd0.12粉末(粉末E;微細粒粉末)、比表面積が10m2/g、平均粒径が0.5μmであるCe0.9Gd0.12粉末(粉末F;低比表面積粉末)、比表面積が30m2/g、平均粒径が0.5μmであるCe0.9Gd0.12粉末(粉末G;低比表面積粉末)とを質量比で5:80:15、70:15:15、5:15:80、10:60:30、50:20:30、10:20:70、20:30:50でそれぞれ混合した混合粉末を用いてスラリを作製し、比較例2と同じ条件で燃料電池セルを作製し、それらをセル#2−1−1〜#2−1−7とした。そして、実施例1の場合と同様に、電極特性と密着力の評価を行った。これらの結果を表2に示す。
[Example 2]
In Example 1, two types of ceria-based electrolyte material powders (Ce 0.8 Gd 0.2 O 2 powder) having different specific surface areas are mixed. In Example 2, a ceria-based electrolyte material for forming a ceria layer is used. As a powder, a Ce 0.9 Gd 0.1 O 2 powder (powder E; fine-grained powder) having a specific surface area of 10 m 2 / g and an average particle diameter of 0.2 μm, a specific surface area of 10 m 2 / g, and an average particle diameter of 0. a 5μm Ce 0.9 Gd 0.1 O 2 powder (powder F; low specific surface area powders), a specific surface area of 30m 2 / g, Ce 0.9 Gd 0.1 O 2 powder with an average particle size of 0.5 [mu] m (powder G; low ratio Surface area powder) at a mass ratio of 5:80:15, 70:15:15, 5:15:80, 10:60:30, 50:20:30, 10:20:70, 20:30:50. A slurry was prepared using mixed powders mixed with each other, and the same conditions as in Comparative Example 2 were obtained. In to produce a fuel cell, and they and the cell # 2-1-1~ # 2-1-7. Then, as in the case of Example 1, the electrode characteristics and the adhesion were evaluated. These results are shown in Table 2.

Figure 2007335193
Figure 2007335193

いずれのセルも、比較例1のセル(セル#1−0−0)よりも小さく、かつ比較例2のセル(セル#1−1−0)と同程度かそれ以下の界面抵抗を示した。密着力については、各比較例のセルよりも向上している。   All the cells were smaller than the cell of Comparative Example 1 (Cell # 1-0-0) and exhibited an interface resistance comparable to or lower than that of the cell of Comparative Example 2 (Cell # 1-1-0). . About the adhesive force, it is improving rather than the cell of each comparative example.

このように、本発明によれば、セリア層の密着力を向上させることができるとともに、セリア層自体の機械強度を向上させることができる。   Thus, according to the present invention, the adhesion of the ceria layer can be improved, and the mechanical strength of the ceria layer itself can be improved.

(A)は燃料電池セルの単セルを示す斜視図であり、(B)は燃料電池セルのハーフセルを示す斜視図である。(A) is a perspective view which shows the single cell of a fuel cell, (B) is a perspective view which shows the half cell of a fuel cell. セリア層を有する燃料電池セルの断面図である。It is sectional drawing of the fuel battery cell which has a ceria layer. 実施例で使用した燃料電池構造を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the fuel cell structure used in the Example.

符号の説明Explanation of symbols

1 電解質基板
2 空気極
3 参照極
4 セリア層
5 燃料極
1 Electrolyte Substrate 2 Air Electrode 3 Reference Electrode 4 Ceria Layer 5 Fuel Electrode

Claims (5)

固体酸化物形燃料電池の空気極と電解質膜との間に配置される空気極用セリア層において、
セリア系電解質材料の粉末であって比表面積が15m2/g以上である第1の粉末と、セリア系電解質材料の粉末であって比表面積が10m2/g以下である第2の粉末とを、セリア系電解質材料の粉末の総量に対して前記第1の粉末の混合比が重量比で15%以上80%以下となるように混合し、混合粉末を展開液に展開してスラリを作製し、該スラリを焼成して得られることを特徴とする、空気極用セリア層。
In the ceria layer for the air electrode disposed between the air electrode and the electrolyte membrane of the solid oxide fuel cell,
A first powder having a specific surface area of 15 m 2 / g or more, and a second powder having a specific surface area of 10 m 2 / g or less, which is a powder of ceria-based electrolyte material and having a specific surface area of 15 m 2 / g or more. Then, mixing is performed such that the mixing ratio of the first powder is 15% or more and 80% or less by weight with respect to the total amount of powder of the ceria-based electrolyte material, and the mixed powder is developed into a developing solution to prepare a slurry. A ceria layer for an air electrode obtained by firing the slurry.
固体酸化物形燃料電池の空気極と電解質膜との間に配置される空気極用セリア層において、
セリア系電解質材料の粉末であって平均粒径が0.3μm以下である第1の粉末と、セリア系電解質材料の粉末であって比表面積が15m2/g以上であり平均粒径が0.3μmを超える第2の粉末と、セリア系電解質材料の粉末であって比表面積が10m2/g以下であり平均粒径が0.3μmを超える第3の粉末とを、セリア系電解質材料の粉末の総量に対して前記第1の粉末の混合比が重量比で5%以上70%以下となり前記第2の粉末の混合比が重量比で15%以上80%以下となるように混合し、混合粉末を展開液に展開してスラリを作製し、該スラリを焼成して得られることを特徴とする、空気極用セリア層。
In the ceria layer for the air electrode disposed between the air electrode and the electrolyte membrane of the solid oxide fuel cell,
A first powder having a mean particle size of 0.3 μm or less, which is a powder of ceria-based electrolyte material, and a powder of ceria-based electrolyte material having a specific surface area of 15 m 2 / g or more and an average particle size of 0.1. A second powder exceeding 3 μm and a third powder having a specific surface area of 10 m 2 / g or less and an average particle size exceeding 0.3 μm are a powder of ceria-based electrolyte material. And mixing so that the mixing ratio of the first powder is 5% to 70% by weight and the mixing ratio of the second powder is 15% to 80% by weight with respect to the total amount of A ceria layer for an air electrode, which is obtained by spreading a powder into a developing solution to produce a slurry, and firing the slurry.
展開液に展開してスラリを形成するために用いられる原料粉であって、
セリア系電解質材料の粉末であって比表面積が15m2/g以上である第1の粉末と、セリア系電解質材料の粉末であって比表面積が10m2/g以下である第2の粉末とが、セリア系電解質材料の粉末の総量に対して前記第1の粉末の混合比が重量比で15%以上80%以下となるように混合されてなる、原料粉。
A raw material powder used to form a slurry by spreading in a developing solution,
A first powder having a specific surface area of 15 m 2 / g or more and a second powder having a specific surface area of 10 m 2 / g or less and having a specific surface area of 15 m 2 / g or more. Raw material powder obtained by mixing so that the mixing ratio of the first powder is 15% or more and 80% or less by weight with respect to the total amount of powder of the ceria-based electrolyte material.
展開液に展開してスラリを形成するために用いられる原料粉であって、
セリア系電解質材料の粉末であって平均粒径が0.3μm以下である第1の粉末と、セリア系電解質材料の粉末であって比表面積が15m2/g以上であり平均粒径が0.3μmを超える第2の粉末と、セリア系電解質材料の粉末であって比表面積が10m2/g以下であり平均粒径が0.3μmを超える第3の粉末とを、セリア系電解質材料の粉末の総量に対して前記第1の粉末の混合比が重量比で5%以上70%以下となり前記第2の粉末の混合比が重量比で15%以上80%以下となるように混合されてなる、原料粉。
A raw material powder used to form a slurry by spreading in a developing solution,
A first powder having a mean particle size of 0.3 μm or less, which is a powder of ceria-based electrolyte material, and a powder of ceria-based electrolyte material having a specific surface area of 15 m 2 / g or more and an average particle size of 0.1. A second powder exceeding 3 μm and a third powder having a specific surface area of 10 m 2 / g or less and an average particle size exceeding 0.3 μm are a powder of ceria-based electrolyte material. The mixing ratio is such that the mixing ratio of the first powder is 5% or more and 70% or less by weight and the mixing ratio of the second powder is 15% or more and 80% or less by weight. , Raw powder.
固体酸化物形燃料電池の空気極と電解質膜との間に配置される空気極用セリア層の製造方法において、
請求項3または4に記載の原料粉を展開液に展開してスラリを作製し、
前記電解質膜上に前記スラリを塗布し、
その後、焼成を行うことを特徴とする、製造方法。
In the method for producing a ceria layer for an air electrode disposed between an air electrode and an electrolyte membrane of a solid oxide fuel cell,
The raw material powder according to claim 3 or 4 is developed into a developing solution to produce a slurry,
Applying the slurry on the electrolyte membrane;
Then, baking is performed, The manufacturing method characterized by the above-mentioned.
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