JP2009245896A - Spacer for manufacturing solid oxide fuel cell, manufacturing method of member for solid oxide fuel cell using this, and manufacturing method of solid oxide fuel cell - Google Patents

Spacer for manufacturing solid oxide fuel cell, manufacturing method of member for solid oxide fuel cell using this, and manufacturing method of solid oxide fuel cell Download PDF

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和史 小谷
Kuniaki Yoshikata
邦聡 芳片
Junko Watanabe
純子 渡邊
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spacer which is used when manufacturing a solid oxide fuel cell by sintering and of which the material cost can be reduced and in which the degradation of long term stability and performance of the solid oxide fuel cell can be prevented, and a manufacturing method of a member for solid oxide fuel cell using the same, and the solid oxide fuel cell. <P>SOLUTION: This is a spacer for manufacturing a solid oxide fuel cell having an electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode and includes a porous substrate, a first covering layer which is formed on one face of the porous substrate and is composed of the same material as the electrolyte and a second covering layer which is formed on the other face of the porous substrate and is composed of the same material as the fuel electrode or the air electrode. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、電解質、燃料極、及び空気極を有する固体酸化物形燃料電池の作製用スペーサー、これを用いた固体酸化物形燃料電池用部材の製造方法、及び固体酸化物形燃料電池の製造方法に関する。   The present invention relates to a spacer for producing a solid oxide fuel cell having an electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode, a method for producing a member for a solid oxide fuel cell using the same, and production of a solid oxide fuel cell. Regarding the method.

固体酸化物形燃料電池を構成する電解質、燃料極、及び空気極を形成するには、種々の方法が提案されているが、その方法の一つとしてグリーン体と呼ばれるシート状あるいは板状の材料を焼結する方法がある。この方法により、電池の大量生産を行う場合には、例えば、グリーン体と多孔質の板状スペーサーとを交互に積層した上で、焼結を行う方法が一般的に行われている。このような方法は、例えば、特許文献1に開示されており、スペーサーとしては、アルミナ、ジルコニアなどの多孔質セラミックスが使用されている。しかしながら、この方法では、グリーン体の焼結中に、含有される成分、例えば燃料極の場合、ニッケル成分がスペーサーに移動し、グリーン体中のニッケル成分の含有率が低下するという問題があった。これにより、作製される固体酸化物形燃料電池の長期安定性、及び電気特性が低下するおそれがあった。   Various methods have been proposed for forming an electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode constituting a solid oxide fuel cell. As one of the methods, a sheet-like or plate-like material called a green body is proposed. There is a method of sintering. When mass production of batteries is performed by this method, for example, a method of performing sintering after alternately laminating green bodies and porous plate-like spacers is generally performed. Such a method is disclosed in Patent Document 1, for example, and porous ceramics such as alumina and zirconia are used as the spacer. However, this method has a problem that during the sintering of the green body, the component contained, for example, in the case of the fuel electrode, the nickel component moves to the spacer and the content of the nickel component in the green body decreases. . As a result, the long-term stability and electrical characteristics of the produced solid oxide fuel cell may be deteriorated.

これを解決するため、特許文献2には、グリーン体をセッターと呼ばれる板状の治具上に配置し、含有成分の移動を防止している。このセッターは、セラミックス材料の中に所定の含有率の酸化ニッケルを含有しており、これによって、焼結時におけるグリーン体からのニッケル成分の飛散を防止している。
特開2007−302515号公報 国際公開第99/59936号公報
In order to solve this, in Patent Document 2, the green body is arranged on a plate-like jig called a setter to prevent the contained components from moving. This setter contains nickel oxide having a predetermined content in the ceramic material, thereby preventing the nickel component from scattering from the green body during sintering.
JP 2007-302515 A International Publication No. 99/59936

しかしながら、上記のセッターは、酸化ニッケル成分を大量に含んでいる。このように固体酸化物形燃料電池で使用される同じ材料を大量に添加してしまうと、材料コストの増大を招くといった問題があった。   However, the above setter contains a large amount of a nickel oxide component. As described above, when a large amount of the same material used in the solid oxide fuel cell is added, there is a problem that the material cost increases.

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、固体酸化物形燃料電池を焼結により作製する際に用いるスペーサーであって、材料コストを低減でき、固体酸化物形燃料電池の長期安定性や電池性能の低下を防止することができるスペーサー、これを用いた固体酸化物形燃料電池用部材の製造方法、及び固体酸化物形燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and is a spacer used when a solid oxide fuel cell is manufactured by sintering, and can reduce the material cost. It is an object of the present invention to provide a spacer capable of preventing long-term stability and deterioration in battery performance, a method for producing a member for a solid oxide fuel cell using the same, and a method for producing a solid oxide fuel cell. .

本発明は、電解質、燃料極、及び空気極を有する固体酸化物形燃料電池の作製用スペーサーであって、上記問題を解決するためになされたものであり、多孔質の基板と、前記多孔質基板の一方面に形成され、電解質と同じ材料からなる第1の被覆層と、前記多孔質基板の他方面に形成され、燃料極または空気極と同じ材料からなる第2の被覆層と、を備えている。   The present invention is a spacer for producing a solid oxide fuel cell having an electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode, and has been made in order to solve the above problem. A first coating layer formed on one surface of the substrate and made of the same material as the electrolyte; and a second coating layer formed on the other surface of the porous substrate and made of the same material as the fuel electrode or the air electrode. I have.

このスペーサーは、電解質用グリーン体と燃料極用グリーン体とを積層した積層体、または電解質用グリーン体と空気極用グリーン体とを積層した積層体のいずれかを複数積層して焼結を行う際に用いられる。すなわち、複数の積層体を積層する際に、それらの間にスペーサーを介挿し、焼結を行う。ここで、本発明に係るスペーサーは、多孔質の基板の一方面に電解質と同じ材料からなる第1の被覆層を形成するとともに、他方面に燃料極又は空気極と同じ材料からなる第2の被覆層を形成している。そして、第1の被覆層は、電解質用グリーン体と対向するようにし、第2の被覆層は、空気極用又は燃料極用グリーン体と対向するように配置する。こうすることで、グリーン体から含有成分が飛散するのを防止でき、固体酸化物形燃料電池の長期安定性や電池性能の低下を防止することができる。   This spacer is sintered by laminating a plurality of laminates in which an electrolyte green body and a fuel electrode green body are laminated or a laminate in which an electrolyte green body and an air electrode green body are laminated. Used when. That is, when laminating a plurality of laminated bodies, a spacer is interposed between them to perform sintering. Here, the spacer according to the present invention forms a first coating layer made of the same material as the electrolyte on one surface of the porous substrate, and a second material made of the same material as the fuel electrode or the air electrode on the other surface. A coating layer is formed. The first coating layer is disposed to face the electrolyte green body, and the second coating layer is disposed to face the air electrode or fuel electrode green body. By doing so, it is possible to prevent the contained components from scattering from the green body, and it is possible to prevent the long-term stability of the solid oxide fuel cell and the deterioration of the cell performance.

また、第1の被覆層と電解質用グリーン体が、対向するような配置となっているため、スペーサーからの熱応力負荷を低減させることができ、焼結後の電解質膜の破損やクラックの発生を防止することができる。さらに、上記グリーン体を構成する電解質、燃料極あるいは空気極と同じ材料の被覆層が形成されているため、熱伝導性がよく均一に焼結し易いという利点がある。なお、グリーン体は、シート状、板状のものなど種々の形態のものを用いることができ、本発明のスペーサーは、これらに適用することができる。   In addition, since the first coating layer and the green body for electrolyte are arranged so as to face each other, the thermal stress load from the spacer can be reduced, and the electrolyte membrane is damaged or cracked after sintering. Can be prevented. Furthermore, since the coating layer of the same material as the electrolyte, fuel electrode, or air electrode constituting the green body is formed, there is an advantage that heat conductivity is good and it is easy to sinter uniformly. The green body can be used in various forms such as a sheet or plate, and the spacer of the present invention can be applied to these.

また、スペーサーの上下面に電解質、及びいずれかの電極と同じ材料が被覆されているため、それぞれの材料に対して同じ材料を被覆したスペーサーを新たに設ける必要がな位。その結果、省スペース化が図れ、生産性が向上する。   Also, since the upper and lower surfaces of the spacer are coated with the same material as the electrolyte and any of the electrodes, there is no need to newly provide spacers coated with the same material for each material. As a result, space can be saved and productivity is improved.

また、本発明に係るスペーサーは、多孔質の基板に第1及び第2の被覆層を被覆し、これら被覆層により、上述したグリーン体の含有成分の飛散を防止している。そのため、基板を構成する材料は、多孔質であること、及びグリーン体を焼結する温度において耐熱性があることを除けば、特には制限されず、例えば、安価で機械的強度の高いアルミナなどを選択することができる。また、スペーサー中に固体酸化物形燃料電池の材料を混合するのではなく、多孔質の基板上に被覆しているにすぎないため、材料コストを抑えることが可能となる。また、被覆層を形成し直せば、スペーサーとして繰り返し使用することができるため、ランニングコストを低減できるという利点もある。特に、スペーサーは、燃料電池の大量生産時に使用されるため、本発明のスペーサーを用いれば、特にコスト低減に寄与する。   Moreover, the spacer which concerns on this invention coat | covers the 1st and 2nd coating layer on the porous board | substrate, and prevents scattering of the content component of the green body mentioned above by these coating layers. Therefore, the material constituting the substrate is not particularly limited except that it is porous and has heat resistance at the temperature at which the green body is sintered. For example, inexpensive and high mechanical strength alumina, etc. Can be selected. Further, since the material of the solid oxide fuel cell is not mixed in the spacer, but only on the porous substrate, the material cost can be reduced. Further, if the coating layer is formed again, it can be used repeatedly as a spacer, and therefore there is an advantage that the running cost can be reduced. In particular, since the spacer is used at the time of mass production of fuel cells, the use of the spacer of the present invention contributes particularly to cost reduction.

上記スペーサーにおける被覆層の表面粗さRaは、0.1〜1.0μmであることが好ましい。このように、被覆層の表面粗さを一定にすると、焼結時において、グリーン体の表面に凹凸が生じるのを防止することができる。例えば、電解質のグリーン体を焼結する場合は、破損やクラックの発生を防止でき、緻密性を向上することが可能となる。なお、表面粗さRaは、ZYGO社(米国)非接触3次元表面粗さ計(New View5032)を用いて測定したときの値とすることができる。   The surface roughness Ra of the coating layer in the spacer is preferably 0.1 to 1.0 μm. Thus, when the surface roughness of the coating layer is made constant, it is possible to prevent the surface of the green body from being uneven during sintering. For example, when the green body of the electrolyte is sintered, breakage and cracks can be prevented and the denseness can be improved. In addition, surface roughness Ra can be made into the value when it measures using a ZYGO company (USA) non-contact three-dimensional surface roughness meter (New View5032).

また、上記スペーサーにおける被覆層の気孔率は、30〜70%であることが好ましい。気孔率は低すぎると、焼結時に、例えば、グリーン体に含有されるバインダーの揮発が十分に行われず、グリーン体に割れが生じるおそれがある。一方、気孔率が高すぎると、機械的強度が低下する。したがって、各被覆層の気孔率を上記の範囲にすると、グリーン体の割れを防止でき、また機械的強度も維持することが可能となる。なお、気孔率は、例えば、アルキメデス法、水銀圧入法、ガス吸着法などの公知な方法によって測定できる。   Moreover, it is preferable that the porosity of the coating layer in the said spacer is 30 to 70%. If the porosity is too low, for example, the binder contained in the green body is not sufficiently volatilized during sintering, and the green body may be cracked. On the other hand, if the porosity is too high, the mechanical strength decreases. Therefore, when the porosity of each coating layer is in the above range, the green body can be prevented from cracking and the mechanical strength can be maintained. The porosity can be measured by a known method such as Archimedes method, mercury intrusion method, and gas adsorption method.

基板を構成する材料は、アルミナ、ジルコニア、ムライト、及びコージェライトから選ばれる少なくとも1種の材料とすることができる。上述したように、基板を構成する材料は特には限定されないが、これらの材料で基板を形成すると、安価であり、また十分な機械的強度が期待できる。   The material constituting the substrate can be at least one material selected from alumina, zirconia, mullite, and cordierite. As described above, the material constituting the substrate is not particularly limited. However, when the substrate is formed of these materials, it is inexpensive and sufficient mechanical strength can be expected.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池用部材の製造方法は、上記問題を解決するためになされたものであり、電解質用グリーン体の一方面に、燃料極用グリーン体または空気極用グリーン体を配置したグリーン体積層体を複数準備するステップと、前記グリーン体を構成する前記電解質と同じ材料で形成された前記第1の被覆層と、前記燃料極または空気極と同じ材料で形成された前記第2の被覆層と、を備えている上述した複数のスペーサーを準備するステップと、複数の前記スペーサーを積層させ、それらの間に、同種の電解質、燃料極、あるいは空気極の材料同士が対向するように、前記グリーン体積層体をそれぞれ配置するステップと、前記スペーサーとともに前記グリーン体積層体を、焼結するステップと、を備えている。   The method for producing a member for a solid oxide fuel cell according to the present invention has been made in order to solve the above-described problem, and a green body for a fuel electrode or a green body for an air electrode is formed on one surface of an electrolyte green body. A plurality of green body laminates having the same structure, the first coating layer formed of the same material as the electrolyte constituting the green body, and the same material as the fuel electrode or air electrode A step of preparing the plurality of spacers described above including the second coating layer, and a stacking of the plurality of spacers, and between them, the same kind of electrolyte, fuel electrode, or air electrode materials are provided. The step of disposing the green body laminate so as to face each other and the step of sintering the green body laminate together with the spacer are provided.

この製造方法によれば、電解質、燃料極、あるいは空気極と同じ成分の材料を被覆層として基板に被覆し、この被覆層とグリーン体を当接させた上で、焼結を行っている。そのため、グリーン体の含有成分が飛散するのを防止でき、これを用いて製造される固体酸化物形燃料電池の長期安定性や電池性能の低下を防止することができる。このとき、使用するスペーサーは、上記のように安価に機械的強度の高いものを選択することができるため、材料コストの低減が可能となる。なお、上記発明における「同じ材料」とは、グリーン体と同じ材料を意味しているのではなく、グリーン体が焼結された後の電解質又は電極と同じ材料であることを意味している。すなわち、焼結によりバインダーなどの成分が喪失した後の材料と同じであることを意味している。   According to this manufacturing method, a material having the same components as the electrolyte, fuel electrode, or air electrode is coated on the substrate as a coating layer, and the coating layer and the green body are brought into contact with each other before sintering. Therefore, it is possible to prevent the components contained in the green body from being scattered, and it is possible to prevent the long-term stability of the solid oxide fuel cell produced using the green body and the deterioration of the cell performance. At this time, since the spacer to be used can be selected at a low cost and with high mechanical strength, the material cost can be reduced. The “same material” in the above invention does not mean the same material as the green body, but means the same material as the electrolyte or electrode after the green body is sintered. That is, it is the same as the material after the components such as the binder are lost by sintering.

また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の製造方法は、上記問題を解決するためになされたものであり、上述した固体酸化物形燃料電池用部材の製造方法により、固体酸化物形燃料電池用部材を形成するステップと、焼結された前記積層体の電解質において、前記一方の電極のグリーン体が配置された面とは反対の面に、他方の電極を形成するステップと、を備えている。   In addition, a method for producing a solid oxide fuel cell according to the present invention has been made to solve the above-described problem, and a solid oxide fuel can be obtained by the above-described method for producing a member for a solid oxide fuel cell. Forming a battery member; and forming the other electrode on the surface of the sintered electrolyte of the laminate that is opposite to the surface on which the green body of the one electrode is disposed. ing.

この製造方法によれば、長期安定性を有し、また電池性能の低下を防止することが可能な固体酸化物形燃料電池を得ることができる。   According to this manufacturing method, it is possible to obtain a solid oxide fuel cell having long-term stability and capable of preventing deterioration of battery performance.

本発明によれば、材料コストを低減でき、固体酸化物形燃料電池の長期安定性や電池性能の低下を防止することができるスペーサーを提供することができる。また、固体酸化物形燃料電池の製造を安価に行うことができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the material cost can be reduced and the spacer which can prevent the fall of long-term stability of a solid oxide fuel cell and battery performance can be provided. In addition, the production of the solid oxide fuel cell can be performed at low cost.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の製造の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図1は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の製造方法に用いられるスペーサーの正面断面図である。   An embodiment of manufacturing a solid oxide fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a front sectional view of a spacer used in the method for producing a solid oxide fuel cell according to this embodiment.

本実施形態に係るスペーサーは、電解質、燃料極、及び空気極からなる固体酸化物形燃料電池を作製する際に用いられるものである。そして、電池を構成する電解質、燃料極、及び空気極は、種々の方法で形成することができるが、これらの部材の少なくとも1つを、これらの材料を含有したいわゆるグリーン体(グリーンシート)を焼結することで形成する方法が提案されている。これに対して、本実施形態では、電解質用グリーン体と燃料極用グリーン体とを積層した積層体を、スペーサーを用いて焼結する場合について説明する。
図1に示すように、各スペーサーSは、矩形状に形成された多孔質の基板1と、その上面に被覆される第1被覆層2と、下面に被覆される第2被覆層3とで構成されている。第1被覆層2は、焼結しようとする電解質用グリーン体Eを構成する電解質と同じ材料で形成されている。一方、第2被覆層3は、焼結しようとする燃料極用グリーン体Aを構成する燃料極と同じ材料で形成されている。
The spacer according to this embodiment is used when producing a solid oxide fuel cell including an electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode. The electrolyte, fuel electrode, and air electrode constituting the battery can be formed by various methods. At least one of these members is made of a so-called green body (green sheet) containing these materials. A method of forming by sintering has been proposed. On the other hand, in this embodiment, the case where the laminated body which laminated | stacked the green body for electrolytes and the green body for fuel electrodes is sintered using a spacer is demonstrated.
As shown in FIG. 1, each spacer S is composed of a porous substrate 1 formed in a rectangular shape, a first coating layer 2 coated on the upper surface, and a second coating layer 3 coated on the lower surface. It is configured. The first coating layer 2 is formed of the same material as the electrolyte constituting the electrolyte green body E to be sintered. On the other hand, the 2nd coating layer 3 is formed with the same material as the fuel electrode which comprises the green body A for fuel electrodes to be sintered.

基板1は、多孔質で、且つある程度の機械的強度や耐熱性を有していれば、特には限定されないが、例えば、アルミナ、ジルコニア、ムライト、またはコージェライトから選ばれる少なくとも一つの材料で形成することができる。ここで、二種の材料を混合して、多孔質基台を作製する場合、例えば、アルミナとコージェライト粉末を混ぜ、バインダーと造孔剤とを混合しシート成形或いはプレス成形により基台状にし、焼結することで作製することができる。但し、これ以外の方法であっても、二種の材料を混合できるのであれば、特には限定されない。多孔質の気孔率については、次に説明する各被覆層2、3と同等か、或いはそれよりも高いことが好ましいが、必ずしもこれに限定されるものではない。   The substrate 1 is not particularly limited as long as it is porous and has a certain degree of mechanical strength and heat resistance. For example, the substrate 1 is formed of at least one material selected from alumina, zirconia, mullite, or cordierite. can do. Here, when preparing a porous base by mixing two kinds of materials, for example, alumina and cordierite powder are mixed, a binder and a pore former are mixed, and the base is formed by sheet molding or press molding. It can be produced by sintering. However, even other methods are not particularly limited as long as two kinds of materials can be mixed. The porous porosity is preferably equal to or higher than that of each of the coating layers 2 and 3 described below, but is not necessarily limited thereto.

上述したように、第1被覆層2は、電解質と同じ材料であり、第2被覆層3は、燃料極、と同じ材料である。以下、これらの材料について説明する。なお、以下では、固体酸化物形燃料電池を形成する空気極の材料についても合わせて説明する。電解質、燃料極及び空気極は、セラミックス粉末材料により形成することができる。このとき用いられる粉末の平均粒径は、好ましくは10nm〜100μmであり、さらに好ましくは50nm〜50μmであり、特に好ましくは100nm〜10μmである。なお、平均粒径は、例えば、JISZ8901にしたがって計測することができる。   As described above, the first coating layer 2 is the same material as the electrolyte, and the second coating layer 3 is the same material as the fuel electrode. Hereinafter, these materials will be described. In addition, below, the material of the air electrode which forms a solid oxide fuel cell is also demonstrated. The electrolyte, fuel electrode, and air electrode can be formed of a ceramic powder material. The average particle size of the powder used at this time is preferably 10 nm to 100 μm, more preferably 50 nm to 50 μm, and particularly preferably 100 nm to 10 μm. In addition, an average particle diameter can be measured according to JISZ8901, for example.

電解質の材料としては、固体酸化物形燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、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(GDC)、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、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(YSZ)などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。   As the electrolyte material, those known as electrolytes for solid oxide fuel cells can be used. For example, ceria oxide (GDC) doped with samarium or gadolinium, lanthanum doped with strontium or magnesium, etc. An oxygen ion conductive ceramic material such as a galide oxide, zirconia oxide (YSZ) containing scandium or yttrium can be used.

燃料極は、例えば、金属触媒と酸化物イオン導電体からなるセラミックス粉末材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる金属触媒としては、ニッケル、鉄、コバルトなどの材料を用いることができる。また、酸化物イオン導電体としては、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などを挙げることができる。また、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。上記材料の中では、酸化物イオン導電体とニッケルとの混合物で、燃料極を形成することが好ましい。また、上述したセラミックス材料は、1種類を単独で、或いは2種類以上を混合して使用することができる。また、燃料極は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。   As the fuel electrode, for example, a mixture of a metal catalyst and a ceramic powder material made of an oxide ion conductor can be used. As the metal catalyst used at this time, materials such as nickel, iron, and cobalt can be used. Examples of the oxide ion conductor include ceria-based oxides doped with samarium and gadolinium, and zirconia-based oxides containing scandium and yttrium. Further, lanthanum galade oxides doped with strontium or magnesium can be given. Among the above materials, it is preferable to form the fuel electrode with a mixture of an oxide ion conductor and nickel. Moreover, the ceramic material mentioned above can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types. The fuel electrode can also be configured using a metal catalyst alone.

空気極を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型構造等を有するCo,Fe,Ni,Cr又はMn等からなる金属酸化物を用いることができる。具体的には(Sm,Sr)CoO,(La,Sr)MnO,(La,Sr)CoO,(La,Sr)(Fe,Co)O,(La,Sr)(Fe,Co,Ni)Oなどの酸化物が挙げられ、好ましくは、(La,Sr)(Fe,Co)Oである。上述したセラミックス材料は、1種を単独で、或いは2種以上を混合して使用することができる。 As the ceramic powder material forming the air electrode, for example, a metal oxide made of Co, Fe, Ni, Cr, Mn or the like having a perovskite structure or the like 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) (Fe, Co) O 3 is preferable. The ceramic material mentioned above can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types.

そして、これら電解質、及び燃料極と同じ材料で形成される各被覆層2、3は、例えば、ウエットコ−ティング法によって基板上に形成することができる。ウエットコ−ティング法としては、スクリーン印刷法、電気泳動(EPD)法、ドクターブレード法、スプレーコート法、インクジェット法、スピンコ−ト法、ディップコート法等が例示できる。その際、これら電解質、燃料極、ペースト状にする必要があり、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒、造孔剤などが適量加えられることにより形成される。より詳細には、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が50〜95重量%となるように、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。例えば、スクリーン印刷を用いる場合には、上述したようなバインダーと混合した電解質ペーストを作製し、これを基板1の上面に印刷する。そして、印刷されたペーストを所定時間、所定温度で、乾燥・焼結する。その後、表面を研磨などして表面粗さを調整すれば、第1被覆層2が完成する。これに続いて、燃料極ペーストを基板1の下面に印刷し、所定時間・所定温度で乾燥・焼結した後、表面を研磨等すれば、第2被覆層3が完成する。   Each of the coating layers 2 and 3 formed of the same material as the electrolyte and the fuel electrode can be formed on the substrate by, for example, a wet coating method. Examples of the wet coating method include a screen printing method, an electrophoresis (EPD) method, a doctor blade method, a spray coating method, an ink jet method, a spin coating method, and a dip coating method. In that case, it is necessary to make these electrolytes, fuel electrodes, and pastes, which are formed by adding appropriate amounts of a binder resin, an organic solvent, a pore-forming agent, etc., with the above-described materials as the main components. More specifically, it is preferable to add a binder resin or the like so that the main component is 50 to 95% by weight in the mixing of the main component and the binder resin. For example, when screen printing is used, an electrolyte paste mixed with the binder as described above is prepared and printed on the upper surface of the substrate 1. Then, the printed paste is dried and sintered at a predetermined temperature for a predetermined time. Then, if the surface roughness is adjusted by polishing the surface, the first coating layer 2 is completed. Subsequently, the fuel electrode paste is printed on the lower surface of the substrate 1, dried and sintered at a predetermined time and at a predetermined temperature, and then the surface is polished to complete the second coating layer 3.

造孔剤は、カーボン粉末がなどがあげられる。造孔材の添加量は、5〜20重量%である。添加されているカーボン粉末は、焼結の際に燃焼して気化するため、カーボン粒子の存在していた箇所には空孔が形成される。なお、造孔材は、カーボン粉末に限るものではなく、焼結の際に気化して空孔が形成可能な材料であれば、他の材料を用いるようにしてもよい。   Examples of the pore-forming agent include carbon powder. The amount of pore former added is 5 to 20% by weight. Since the added carbon powder burns and vaporizes during sintering, voids are formed at the locations where the carbon particles were present. The pore former is not limited to carbon powder, and any other material may be used as long as it is a material that can be vaporized and form pores during sintering.

また被覆層2、3は、ドライコーティング法でも作製することが可能である。ドライコーティング法としては、例えば蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、化学気相成長(CVD)法、電気化学気相成長法、イオンビーム法、レーザーアブレーション法、大気圧プラズマ成膜法、減圧プラズマ成膜法等で形成することもできる。これらの方法は、電解質、燃料極、または空気極と同じ材料で形成される被覆層を直接形成することも可能であるため、上記のウエットコーティング法のように焼結を必要としない場合もある。   The coating layers 2 and 3 can also be produced by a dry coating method. Examples of dry coating methods include vapor deposition, sputtering, ion plating, chemical vapor deposition (CVD), electrochemical vapor deposition, ion beam, laser ablation, atmospheric pressure plasma deposition, and reduced pressure. It can also be formed by a plasma film formation method or the like. In these methods, since it is possible to directly form a coating layer formed of the same material as the electrolyte, fuel electrode, or air electrode, sintering may not be required unlike the above-described wet coating method. .

各被覆層2、3の厚さは、例えば、0.1〜100μmであることが好ましい。これは、薄すぎると後述するように、グリーン体の成分の飛散を防止できなくなり、厚すぎるとコストが高くなるからである。また、各被覆層2、3の気孔率は、グリーン体に含有されるバインダを飛散させるため、30〜70%であることが好ましい。このような気孔率は、例えば、材料の粒径を調整したり、造孔剤の含有量の増減により、調整することができる。また、各被覆層2の表面粗さは、例えば、研磨などによって、平均粗さRaを、0.1〜1.0μmとすることが好ましいが、これは、グリーン体と接触する被覆層の表面粗さが大きいと、焼結時に、グリーン体に焼きムラが生じ、グリーン体全面を均一な性能にすることができなくなるからである。なお、空気極については、燃料極と同様にして形成することができる。   It is preferable that the thickness of each coating layer 2 and 3 is 0.1-100 micrometers, for example. This is because if it is too thin, it will not be possible to prevent scattering of the components of the green body, and if it is too thick, the cost will increase. Moreover, since the porosity of each coating layer 2 and 3 disperses the binder contained in a green body, it is preferable that it is 30 to 70%. Such porosity can be adjusted, for example, by adjusting the particle size of the material or by increasing or decreasing the content of the pore-forming agent. Further, the surface roughness of each coating layer 2 is preferably 0.1 to 1.0 μm in average roughness Ra by polishing or the like, for example, but this is the surface of the coating layer in contact with the green body. This is because if the roughness is large, the green body is unevenly burned during sintering, and the entire surface of the green body cannot be made uniform. The air electrode can be formed in the same manner as the fuel electrode.

また、これら燃料極、電解質及び空気極のグリーン体は、種々の方法で作製できるが、ドクターブレード法によってシート状のグリーン体、つまりグリーンシートを作製する方法を以下に示す。燃料極あるいは空気極グリーンシートは以下の方法で作製する。上記燃料極あるいは空気極粉末に、造孔材を添加し、バインダー、分散剤および可塑剤を加え、エタノール、2−プロパノールなどのアルコール系溶媒からなる分散媒体に分散されているスラリーを作製する。造孔材の添加量は、5〜20重量%が好ましい。添加されている造孔剤は、焼結の際に燃焼して気化するため、造孔剤の存在していた箇所には空孔が形成される。なお、造孔材としては、カーボン系粉末や樹脂系粉末が挙げられるが、焼結の際に気化して空孔が形成可能な材料であれば、他の材料を用いるようにしてもよい。   The green bodies of the fuel electrode, the electrolyte, and the air electrode can be produced by various methods. A method for producing a sheet-like green body, that is, a green sheet by the doctor blade method is described below. The fuel electrode or air electrode green sheet is produced by the following method. A pore former is added to the fuel electrode or air electrode powder, a binder, a dispersant and a plasticizer are added, and a slurry dispersed in a dispersion medium composed of an alcohol solvent such as ethanol or 2-propanol is prepared. The addition amount of the pore former is preferably 5 to 20% by weight. Since the added pore former burns and vaporizes during sintering, pores are formed at the locations where the pore former was present. Examples of the pore former include carbon-based powder and resin-based powder, but other materials may be used as long as they can be vaporized during sintering to form pores.

また、上記スラリー組成物あるいは混練組成物を作製する際に用いられるバインダーの種類にも制限はなく、従来から知られた有機質もしくは無機質のバインダーを使用することができる。有機質バインダーとしては、エチレン系共重合体、スチレン系共重合体、アクリレート系及びメタクリレート系共重合体、酢酸ビニル系共重合体、マレイン酸系共重合体、ビニルアセタール系樹脂、ビニルホルマール樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、ビニルアルコール系樹脂、エチルセルロース等のセルロース類、ワックス類等が例示される
次に、作製したスラリーを公知のドクターブレード法により成形してポリエチレンテレフタレートなどのフィルム上にスラリーの層を形成し、このスラリーの層より分散媒体を除去することで乾燥し、燃料極あるいは空気極グリーンシートが形成された状態とする。分散媒体としては、アルコール系溶媒に限らず、トルエン,キシレン, 及びケトン系などの他の有機溶媒を用いてもよい。また、有機溶媒に限らず、上記混合粉末が、水に分散されたスラリーを用いるようにしてもよい。例えば、所定の分散剤を用いることで、上記混合粉末が水に分散された状態とすることができる。
Moreover, there is no restriction | limiting also in the kind of binder used when producing the said slurry composition or kneading | mixing composition, The organic or inorganic binder known conventionally can be used. Organic binders include ethylene copolymers, styrene copolymers, acrylate and methacrylate copolymers, vinyl acetate copolymers, maleic acid copolymers, vinyl acetal resins, vinyl formal resins, polyvinyl Examples include butyral resins, vinyl alcohol resins, celluloses such as ethyl cellulose, waxes, etc. Next, the prepared slurry is molded by a known doctor blade method to form a slurry layer on a film such as polyethylene terephthalate. Then, the dispersion medium is removed from the slurry layer to dry the fuel electrode or the air electrode green sheet. The dispersion medium is not limited to alcohol solvents, and other organic solvents such as toluene, xylene, and ketones may be used. In addition to the organic solvent, a slurry in which the mixed powder is dispersed in water may be used. For example, by using a predetermined dispersant, the mixed powder can be dispersed in water.

電解質グリーンシートは以下の方法で作製する。上記電解質極粉末に、バインダー及び分散剤および可塑剤を加え、有機溶媒からなる分散媒体に分散されているスラリーを作製する。作製したスラリーは燃料極と同様にドクターブレード法にてポリエチレンテレフタレートなどのフィルム上にスラリー層を形成する。このスラリーの層より分散媒体を除去することで乾燥し、電解質グリーンシートが形成された状態となる。   The electrolyte green sheet is produced by the following method. A binder, a dispersant, and a plasticizer are added to the electrolyte electrode powder to prepare a slurry that is dispersed in a dispersion medium composed of an organic solvent. The produced slurry forms a slurry layer on a film such as polyethylene terephthalate by the doctor blade method in the same manner as the fuel electrode. The dispersion medium is removed from the slurry layer to dry the electrolyte green sheet.

続いて、上記のように形成されたスペーサーを用いた焼結方法について図2を参照しつつ説明する。まず、上記方法により燃料極、及び電解質用のグリーンシートA,Eを準備する。このようなグリーンシートを用いる場合、燃料極を支持体とすれば、例えば、燃料極用グリーン体の厚さは、100〜3000μm、電解質用グリーンシートの厚さは、0.5〜100μmとすることができる。これらグリーンシートを構成する材料は、上述したとおりであり、例えば、上述した方法で作製することができる。次に、図2に示すように、燃料極用グリーンシートA上に、電解質用グリーンシートEを配置して積層体Cを形成し、これを複数個準備する。続いて、複数のスペーサーSと、積層体Cとを交互に積層していく。このとき、電解質用グリーンシートEは第1被覆層2と対向するようにし、燃料極用グリーンシートAは第2被覆層3と対向するように、配置する。また、図2に示すように、一枚のスペーサーSの上に複数の積層体Cを配置することもできる。この状態で、所定時間、所定温度で焼結すれば、固体酸化物形燃料電池用の燃料極及び電解質が接合されたいわゆるハーフセル(固体酸化物形燃料電池用部材)が完成する。   Next, a sintering method using the spacer formed as described above will be described with reference to FIG. First, the fuel electrode and the green sheets A and E for electrolyte are prepared by the above method. When such a green sheet is used, if the fuel electrode is used as a support, for example, the thickness of the green body for the fuel electrode is 100 to 3000 μm, and the thickness of the green sheet for the electrolyte is 0.5 to 100 μm. be able to. The material which comprises these green sheets is as above-mentioned, For example, it can produce with the method mentioned above. Next, as shown in FIG. 2, an electrolyte green sheet E is disposed on the fuel electrode green sheet A to form a laminate C, and a plurality of these are prepared. Subsequently, a plurality of spacers S and laminated bodies C are alternately laminated. At this time, the electrolyte green sheet E is disposed to face the first coating layer 2, and the fuel electrode green sheet A is disposed to face the second coating layer 3. In addition, as shown in FIG. 2, a plurality of stacked bodies C can be disposed on one spacer S. In this state, if sintering is performed at a predetermined temperature for a predetermined time, a so-called half-cell (solid oxide fuel cell member) in which a fuel electrode and an electrolyte for a solid oxide fuel cell are joined is completed.

ここでは、グリーンシートに含まれる電解質あるいは燃料極材料と、それに当接する被覆層の材料とが同じであるため、焼結時に、各グリーンシートE,Aの含有成分が飛散するのを防止することができる。その結果、作製される固体酸化物形燃料電池の電気特性、例えば、出力密度の低下を防止することができる。特に、上記積層体Cは、多孔質である燃料極用グリーンシートA上に、電解質用グリーンシートEを配置して共焼結を行っているため、グリーンシートに含まれる電解質あるいは燃料極と同じ材料の被覆層が形成されたスペーサーSを用いると、特に省スペースで、材料の飛散を防止することができる。こうして形成された各ハーフセルは、固体酸化物形燃料電池を構成する部材として使用される。例えば、このハーフセルの電解質において、燃料極が形成されていない面に、空気極を形成すれば、固体酸化物形燃料電池が完成する。このとき、空気極は、上述したように、スクリーン印刷などの手法で形成される。こうして完成した固体酸化物形燃料電池は、燃料極に炭化水素系ガスなどの燃料ガス、空気極に空気などの酸化剤ガスを供給することで、発電する。なお、燃料ガスと酸化剤ガスの混合ガス中で発電する単室型固体酸化物形燃料電池としても使用することができる。このようにしても、各電極が選択的に燃料ガス、或いは酸化剤ガスと反応するので、発電を行うことができる。   Here, since the electrolyte or fuel electrode material contained in the green sheet is the same as the material of the coating layer in contact with the same, the components contained in the green sheets E and A are prevented from being scattered during sintering. Can do. As a result, it is possible to prevent a decrease in electrical characteristics, for example, power density, of the produced solid oxide fuel cell. In particular, the laminate C is the same as the electrolyte or fuel electrode contained in the green sheet because the electrolyte green sheet E is disposed on the porous fuel electrode green sheet A and co-sintered. When the spacer S on which the coating layer of the material is formed is used, scattering of the material can be prevented particularly in a space saving. Each half cell thus formed is used as a member constituting a solid oxide fuel cell. For example, if an air electrode is formed on the surface of the half-cell electrolyte where no fuel electrode is formed, a solid oxide fuel cell is completed. At this time, the air electrode is formed by a method such as screen printing as described above. The solid oxide fuel cell thus completed generates power by supplying a fuel gas such as a hydrocarbon-based gas to the fuel electrode and an oxidant gas such as air to the air electrode. It can also be used as a single-chamber solid oxide fuel cell that generates power in a mixed gas of fuel gas and oxidant gas. Even if it does in this way, since each electrode selectively reacts with fuel gas or oxidizing agent gas, electric power generation can be performed.


上記のように、積層体Cを一対のスペーサーSによって狭持すると、積層体Cの反りを防止できるという利点もある。すなわち、上記スペーサーSは、重りの役目も果たす。これは、電解質用グリーンシートEと燃料極用グリーンシートAとは、材料が異なり、焼結時の熱膨張率に差があるため、反りが生じやすいからである。そのため、積層体CをスペーサーSによって狭持し、上側のスペーサーSを重りとすることで、焼結後にハーフセルが反るのを防止することができる。なお、スペーサーSを重りとして使用する場合には、ある程度の重さが必要となるが、例えば、積層体Cに対して荷重が、0.5〜10g/cmとすることができる。

As described above, when the stacked body C is held between the pair of spacers S, there is an advantage that the warpage of the stacked body C can be prevented. That is, the spacer S also serves as a weight. This is because the electrolyte green sheet E and the fuel electrode green sheet A are different in material and have a difference in thermal expansion coefficient during sintering, so that warpage is likely to occur. Therefore, it is possible to prevent the half cell from warping after sintering by sandwiching the laminate C with the spacer S and using the upper spacer S as a weight. In addition, when using the spacer S as a weight, a certain amount of weight is required, For example, a load with respect to the laminated body C can be 0.5-10 g / cm < 2 >.

以上のように、本実施形態によれば、多孔質の基板1の一方面に電解質と同じ材料からなる第1被覆層2を形成するとともに、他方面に燃料極と同じ材料からなる第2被覆層3を形成している。そのため、グリーンシートから含有成分が飛散するのを防止でき、作製される固体酸化物形燃料電池の電気特性の低下を防止することができる。   As described above, according to the present embodiment, the first coating layer 2 made of the same material as the electrolyte is formed on one surface of the porous substrate 1, and the second coating made of the same material as the fuel electrode is formed on the other surface. Layer 3 is formed. Therefore, it is possible to prevent the contained components from scattering from the green sheet, and it is possible to prevent a decrease in electrical characteristics of the produced solid oxide fuel cell.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、電解質用グリーンシートと燃料極用グリーンシートとを積層した積層体を焼結する場合について説明したが、例えば、電解質支持型の固体酸化物燃料電池を作製する場合、電解質基板に燃料極用グリーンシートを積層して焼結するときに、上記スペーサーを用いることできる。また、燃料極用材料の粉末を押し固め、約1200℃で加熱して仮焼体を作製した後、この仮焼体上に、電解質用グリーンシートを配置することで、積層体を形成することもできる。そして、この積層体を上記スペーサーで狭持して焼結すれば、上記と同じ効果を得ることができる。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these, A various change is possible unless it deviates from the meaning of this invention. For example, in the above-described embodiment, the case where a laminate in which an electrolyte green sheet and a fuel electrode green sheet are laminated is described. For example, when an electrolyte-supported solid oxide fuel cell is manufactured, an electrolyte is used. The spacer can be used when the fuel electrode green sheet is laminated on the substrate and sintered. Moreover, after forming the calcined body by compacting the powder of the fuel electrode material and heating at about 1200 ° C., a laminate is formed by disposing a green sheet for electrolyte on the calcined body. You can also. And if this laminated body is sandwiched between the spacers and sintered, the same effect as described above can be obtained.

上記実施形態では、基板1の一方面に電解質材料を被覆し、他方面に燃料極材料を被覆したスペーサーを用いているが、基板の他方面に空気極材料を被覆したスペーサーを用いることもできる。このようにすると、電解質用グリーン体と空気極用グリーン体とを積層した積層体の焼結時に、スペーサーとして用いることができる。なお、燃料極は上述した種々の方法で形成することができる。   In the above-described embodiment, the spacer in which the electrolyte material is coated on one surface of the substrate 1 and the fuel electrode material is coated on the other surface is used. However, the spacer in which the air electrode material is coated on the other surface of the substrate can also be used. . If it does in this way, it can use as a spacer at the time of sintering of the laminated body which laminated | stacked the green body for electrolytes, and the green body for air electrodes. The fuel electrode can be formed by the various methods described above.

以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Examples of the present invention will be described below. In addition, this invention is not limited to a following example.

ここでは、燃料極用グリーンシート上で電解質用グリーンシートを積層した積層体を用い、共焼結する場合について説明する。
(第1スペーサーの作製方法)
まず、GDC(Ce:Gd:O=0.9:0.1:1.9)粉末(粒径範囲:0.1〜3μm、平均粒径1μm)とセルロース系バインダ樹脂とを質量比80:20となるように溶剤を加えてペーストを調製した。その後、気孔率60%のアルミナ多孔質基板の一方面に、上記ペーストをスクリーン印刷により印刷し、130℃で15分間乾燥した後、1450℃で1時間焼結を行い、GDC電解質である第1被覆層を形成した。そして、第1被覆層の表面を研磨し、厚さ約20μmとした。
Here, a case where co-sintering is performed using a laminate in which an electrolyte green sheet is laminated on a fuel electrode green sheet will be described.
(Method for producing the first spacer)
First, the mass ratio of GDC (Ce: Gd: O = 0.9: 0.1: 1.9) powder (particle size range: 0.1 to 3 μm, average particle size 1 μm) and cellulose binder resin is 80: A paste was prepared by adding a solvent so as to be 20. Thereafter, the paste is printed on one surface of an alumina porous substrate having a porosity of 60% by screen printing, dried at 130 ° C. for 15 minutes, and then sintered at 1450 ° C. for 1 hour to obtain a first GDC electrolyte. A coating layer was formed. Then, the surface of the first coating layer was polished to a thickness of about 20 μm.

続いて、SDC(Ce:Sm:O=0.8:0.2:1.9)粉末(粒径範囲:0.1〜3μm、平均粒径1μm)とNiO(粒径範囲:0.1〜3μm、平均粒径1μm)を4:6になるように混合し、この粉末及びセルロース系バインダ樹脂を質量比が80:20となるように溶剤を加えてペーストを調製した。その後、上記アルミナ多孔質基板の他方面に、上記ペーストをスクリーン印刷により印刷し、130℃で15分間乾燥した後、1450℃で1時間焼結を行い、燃料極である第2被覆層を形成した。これに続いて、第2被覆層の表面を研磨し、厚さ約20μmとした。こうして、第1のスペーサーが完成した。
(第2スペーサーの作製方法)
上記第1スペーサーの第1被覆層に代えて、次の被覆層を形成した。すなわち、8モル%イットリア安定化ジルコニア粉末(YSZ)粉末(粒径範囲:0.1〜3μm、平均粒径1μm)とセルロース系バインダ樹脂とを質量比80:20となるように溶剤を加えてペーストを調製した。そして、上記アルミナ多孔質基板の一方面に、このペーストをスクリーン印刷により印刷し、130℃で15分間乾燥した後、1450℃で1時間焼結を行い、YSZ電解質である第1被覆層を形成した。そして、第1被覆層の表面を研磨し厚さ約20μmとした。第2被覆層は第1スペーサーと同じである。
(燃料極用グリーンシート)
燃料極グリーンシート以下の方法で作製した。SDC(Ce:Sm:O=0.8:0.2:1.9)粉末(粒径範囲:0.1〜3μm、平均粒径1μm)とNiO(粒径範囲:0.1〜3μm、平均粒径1μm)に、カーボン粉末よりなる造孔材を添加し、ポリビニル系のバインダーおよび可塑剤としてジブチルフタレートを加え、2−プロパノールなどの有機溶媒からなる分散媒体に分散されているスラリーを作製した。造孔材の添加量は、総量の10重量%とした。
Subsequently, SDC (Ce: Sm: O = 0.8: 0.2: 1.9) powder (particle size range: 0.1 to 3 μm, average particle size 1 μm) and NiO (particle size range: 0.1) To 3 μm and an average particle size of 1 μm) were mixed so as to have a ratio of 4: 6, and a paste was prepared by adding a solvent to the powder and the cellulose-based binder resin so that the mass ratio was 80:20. Thereafter, the paste is printed on the other surface of the porous alumina substrate by screen printing, dried at 130 ° C. for 15 minutes, and then sintered at 1450 ° C. for 1 hour to form a second coating layer as a fuel electrode. did. Following this, the surface of the second coating layer was polished to a thickness of about 20 μm. Thus, the first spacer was completed.
(Method for producing second spacer)
Instead of the first coating layer of the first spacer, the following coating layer was formed. That is, a solvent was added so that the mass ratio of 8 mol% yttria-stabilized zirconia powder (YSZ) powder (particle size range: 0.1 to 3 μm, average particle size 1 μm) and cellulose binder resin was 80:20. A paste was prepared. Then, this paste is printed on one surface of the alumina porous substrate by screen printing, dried at 130 ° C. for 15 minutes, and then sintered at 1450 ° C. for 1 hour to form a first coating layer that is a YSZ electrolyte. did. Then, the surface of the first coating layer was polished to a thickness of about 20 μm. The second coating layer is the same as the first spacer.
(Green sheet for fuel electrode)
The fuel electrode green sheet was prepared by the following method. SDC (Ce: Sm: O = 0.8: 0.2: 1.9) powder (particle size range: 0.1 to 3 μm, average particle size 1 μm) and NiO (particle size range: 0.1 to 3 μm, Add a pore former made of carbon powder to an average particle size of 1 μm, add dibutyl phthalate as a polyvinyl binder and plasticizer, and make a slurry dispersed in a dispersion medium made of an organic solvent such as 2-propanol did. The amount of pore former added was 10% by weight of the total amount.

次に、作製したスラリーを例えばよく知られたドクターブレード法により成形してポリエチレンテレフタレートなどのフィルム上にスラリーの層を形成し、このスラリーの層より分散媒体を除去することで乾燥し、40μmの燃料極グリーンシートを形成した。
(GDC電解質用グリーンシート)
GDC(Ce:Gd:O=0.9:0.1:1.9)粉末(粒径範囲:0.1〜3μm、平均粒径1μm)粉末に、ポリビニル系のバインダー及び可塑剤としてジブチルフタレートを加え、、2−プロパノールなどの有機溶媒からなる分散媒体に分散されているスラリーを作製した。作製したスラリーは燃料極と同様にドクターブレード法にてポリエチレンテレフタレートなどのフィルム上にスラリー層を形成し、このスラリーの層より分散媒体を除去することで乾燥し、20μmのGDC電解質グリーンシートを形成した。
(YSZ電解質用グリーンシート)
8モル% イットリア安定化ジルコニア粉末(YSZ)粉末(粒径範囲:0.1〜3μm、平均粒径1μm)に、ポリビニル系のバインダー及び可塑剤としてジブチルフタレートを加え、、2−プロパノールなどの有機溶媒からなる分散媒体に分散されているスラリーを作製した。作製したスラリーは燃料極と同様にドクターブレード法にてポリエチレンテレフタレートなどのフィルム上にスラリー層を形成し、このスラリーの層より分散媒体を除去することで乾燥し、20μmのYSZ電解質グリーンシートを形成した。
(空気極用ペーストの作製)
エチルカルピトールに、LSCF(La:Sr:Co:Fe:O=0.6:0.4:0.2:0.8:3)(粒径範囲:0.1〜3μm、平均粒径1μm)を加え、さらにバインダーとしてエチルセルロースを加えた後、これらをボールミルで混合して空気極を形成するための空気極ペーストを調製した。
(積層体の焼結)
続いて、基板の厚さになるように積層した燃料極用グリーンシート上にGDC電解質用グリーンシートを積層した第1積層体を複数枚準備し、それぞれを複数の第1スペーサーの間に挟んで約1450℃で焼結を行った(サンプル1)。また、第1積層体を複数枚準備し、それぞれを複数の第2スペーサーの間に挟んで約1450℃で焼結を行った(サンプル2)。さらに、燃料極用グリーンシート上にYSZ電解質用グリーンシートを積層した第2積層体を複数枚準備し、それぞれを複数の第1スペーサーの間に挟んで約1450℃で焼結を行った(サンプル3)。また、第2積層体を複数枚準備し、それぞれを複数の第2スペーサーの間に挟んで約1450℃で焼結を行った(サンプル4)。上記焼結工程においては、電解質用グリーンシートを第1被覆層と対向させ、燃料極用グリーンシートを第2被覆層と対向させるようにして配置した。
Next, the produced slurry is formed by, for example, a well-known doctor blade method to form a slurry layer on a film such as polyethylene terephthalate, and the dispersion medium is removed from the slurry layer, followed by drying. A fuel electrode green sheet was formed.
(Green sheet for GDC electrolyte)
GDC (Ce: Gd: O = 0.9: 0.1: 1.9) powder (particle size range: 0.1 to 3 μm, average particle size 1 μm) powder, polyvinyl binder and dibutyl phthalate as plasticizer And a slurry dispersed in a dispersion medium composed of an organic solvent such as 2-propanol was prepared. The prepared slurry forms a slurry layer on a film of polyethylene terephthalate or the like by the doctor blade method in the same manner as the fuel electrode, and is dried by removing the dispersion medium from the slurry layer to form a 20 μm GDC electrolyte green sheet. did.
(Green sheet for YSZ electrolyte)
8 mol% Yttria-stabilized zirconia powder (YSZ) powder (particle size range: 0.1 to 3 μm, average particle size 1 μm) is added with polyvinyl binder and dibutyl phthalate as a plasticizer, and organic such as 2-propanol A slurry dispersed in a dispersion medium composed of a solvent was prepared. The prepared slurry forms a slurry layer on a film of polyethylene terephthalate or the like by the doctor blade method in the same manner as the fuel electrode, and is dried by removing the dispersion medium from the slurry layer to form a 20 μm YSZ electrolyte green sheet. did.
(Preparation of air electrode paste)
LSCF (La: Sr: Co: Fe: O = 0.6: 0.4: 0.2: 0.8: 3) (particle size range: 0.1 to 3 μm, average particle size 1 μm) to ethyl carbitol ) And ethyl cellulose as a binder were added, and these were mixed by a ball mill to prepare an air electrode paste for forming an air electrode.
(Lamination of laminate)
Subsequently, a plurality of first laminated bodies in which green sheets for GDC electrolyte are laminated on the green sheets for fuel electrodes laminated so as to have the thickness of the substrate are prepared, and each is sandwiched between a plurality of first spacers. Sintering was performed at about 1450 ° C. (Sample 1). Also, a plurality of first laminated bodies were prepared, and each was sandwiched between a plurality of second spacers and sintered at about 1450 ° C. (Sample 2). Furthermore, a plurality of second laminated bodies in which a green sheet for a YSZ electrolyte was laminated on a green sheet for a fuel electrode were prepared, and each was sandwiched between a plurality of first spacers and sintered at about 1450 ° C. (sample) 3). A plurality of second laminates were prepared, and each was sandwiched between a plurality of second spacers and sintered at about 1450 ° C. (Sample 4). In the sintering step, the electrolyte green sheet was disposed to face the first coating layer, and the fuel electrode green sheet was disposed to face the second coating layer.

その後、焼結された各サンプルの電解質に空気極ペーストを、スクリーン印刷により印刷した。そして、これらを、オーブンにて130℃で15分間乾燥させ、1200℃で1時間の焼成を行い、電解質上に厚さ約20μmの空気極を形成した。こうして、4種類の固体酸化物形燃料電池を作製した。
(評価試験)
続いて、起電力、及び出力密度を測定する電池評価実験を行った。結果は、以下の通りである。
Thereafter, an air electrode paste was printed on the electrolyte of each sintered sample by screen printing. Then, these were dried in an oven at 130 ° C. for 15 minutes and baked at 1200 ° C. for 1 hour to form an air electrode having a thickness of about 20 μm on the electrolyte. In this way, four types of solid oxide fuel cells were produced.
(Evaluation test)
Then, the battery evaluation experiment which measures an electromotive force and an output density was conducted. The results are as follows.

Figure 2009245896
この結果が示すように、同じ材料の電解質用グリーンシートと第1被覆層を接触させて焼結したサンプル1は異種材料を接触させて焼結したサンプル2よりも、4は3よりも出力密度が高いことが分かる。これにより、同種の材料を有するスペーサーを用いると、材料の飛散が防止され、また熱応力による電解質膜へのマイクロクラックの発生を防止することができるため電池性能が低下しないと考えられる。
Figure 2009245896
As shown in this result, Sample 1 which is sintered by bringing the green sheet for electrolyte of the same material and the first coating layer into contact with each other is more powerful than Sample 2 which is sintered by bringing different materials into contact with each other. Is high. Thus, it is considered that the use of a spacer having the same kind of material prevents scattering of the material and prevents the occurrence of microcracks in the electrolyte membrane due to thermal stress, so that the battery performance is not deteriorated.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池作製用スペーサーの一実施形態を示す正面断面図である。1 is a front sectional view showing an embodiment of a solid oxide fuel cell manufacturing spacer according to the present invention. 図1のスペーサーを用いたグリーン体の焼結を示す正面断面図である。It is front sectional drawing which shows sintering of the green body using the spacer of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 第1被覆層
3 第2被覆層
1 Substrate 2 First coating layer 3 Second coating layer

Claims (6)

電解質、燃料極、及び空気極を有する固体酸化物形燃料電池の作製用スペーサーであって、
多孔質の基板と、
前記多孔質基板の一方面に形成され、電解質と同じ材料からなる第1の被覆層と、
前記多孔質基板の他方面に形成され、燃料極または空気極と同じ材料からなる第2の被覆層と、
を備えている、スペーサー。
A spacer for producing a solid oxide fuel cell having an electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode,
A porous substrate;
A first covering layer formed on one surface of the porous substrate and made of the same material as the electrolyte;
A second coating layer formed on the other surface of the porous substrate and made of the same material as the fuel electrode or the air electrode;
It is equipped with a spacer.
前記各被覆層の表面粗さRaが、0.1〜1.0μmである、請求項1に記載のスペーサー。   The spacer according to claim 1, wherein the surface roughness Ra of each coating layer is 0.1 to 1.0 μm. 前記各被覆層の気孔率が、30〜70%である、請求項1または2に記載のスペーサー。   The spacer according to claim 1 or 2, wherein the porosity of each coating layer is 30 to 70%. 前記基板は、アルミナ、ジルコニア、ムライト、及びコージェライトから選ばれる少なくとも1種の材料からなる、請求項1から3のいずれかに記載のスペーサー。   The spacer according to any one of claims 1 to 3, wherein the substrate is made of at least one material selected from alumina, zirconia, mullite, and cordierite. 電解質用グリーン体の一方面に、燃料極用グリーン体または空気極用グリーン体の一方の電極のグリーン体を配置したグリーン体積層体を複数準備するステップと、
前記グリーン体を構成する前記電解質と同じ材料で形成された前記第1の被覆層と、前記グリーン体を構成する前記燃料極または空気極と同じ材料で形成された前記第2の被覆層と、を備えている請求項1から4のいずれかに記載の複数のスペーサーを準備するステップと、
複数の前記スペーサーを積層し、それらの間に、同種の材料同士が対向するように、前記グリーン体積層体をそれぞれ配置するステップと、
前記スペーサーとともに前記グリーン体積層体を、焼結するステップと、
を備えている、固体酸化物形燃料電池用部材の製造方法。
Preparing a plurality of green body laminates in which the green body of one electrode of the fuel electrode green body or the air electrode green body is disposed on one surface of the electrolyte green body;
The first coating layer formed of the same material as the electrolyte constituting the green body, and the second coating layer formed of the same material as the fuel electrode or air electrode constituting the green body, Providing a plurality of spacers according to any of claims 1 to 4, comprising:
Laminating a plurality of the spacers, and arranging each of the green body laminates so that the same kind of materials face each other,
Sintering the green body laminate with the spacer;
A method for producing a member for a solid oxide fuel cell.
請求項5に記載の固体酸化物形燃料電池用部材の製造方法により、固体酸化物形燃料電池用部材を形成するステップと、
焼結された前記積層体の電解質において、前記一方の電極のグリーン体が配置された面とは反対の面に、他方の電極を形成するステップと、
を備えている、固体酸化物形燃料電池の製造方法。
Forming a member for a solid oxide fuel cell by the method for producing a member for a solid oxide fuel cell according to claim 5;
In the sintered electrolyte of the laminate, forming the other electrode on the surface opposite to the surface on which the green body of the one electrode is disposed;
A method for producing a solid oxide fuel cell.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014007127A (en) * 2012-06-27 2014-01-16 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Method for manufacturing single cell for solid oxide fuel cell, single cell for solid oxide fuel cell, and solid oxide fuel cell
EP3853937A4 (en) * 2018-09-19 2022-06-22 Redox Power Systems LLC Setter plates and manufacturing methods for ceramic-anode solid oxide fuel cells
US11946695B2 (en) 2018-08-22 2024-04-02 Lg Chem, Ltd. Apparatus and method for plasticizing solid oxide fuel cell

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