JP2011150813A - Electrolyte-electrode assembly and method for manufacturing the same - Google Patents

Electrolyte-electrode assembly and method for manufacturing the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte-electrode assembly (MEA) composed of an electrolyte pinched by an anode side electrode and a cathode side electrode, in which occurrence of inter-layer peeling and generation of cracks on a surface of the cathode side electrode are prevented. <P>SOLUTION: The cathode side electrode 14 composing an MEA 10 is formed on an intermediate layer 18 laminated on a solid electrolyte 16. The cathode side electrode 14 is a laminated body having a first layer 20a facing the intermediate layer 18 through an n-th layer 20n of the uppermost layer. In the MEA 10, a linear thermal expansion coefficient becomes larger in an order of the solid electrolyte 16, the intermediate layer 18, and the first layer 20a through the n-th layer 20n. Further, the first layer 20a is formed of one having a difference of 6×10<SP>-6</SP>/K or less of the thermal expansion coefficient against the solid electrolyte 16, and the n-th layer 20n is formed of one having a difference of 5×10<SP>-6</SP>/K or less of the thermal expansion coefficient against the first layer 20a. It is desirable that conductivity of each of the layer becomes higher as it goes from the first layer 20n through the n-th layer 20n. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、電解質・電極接合体及びその製造方法に関し、一層詳細には、1組のセパレータ間に介装された燃料電池の単位セルを構成するに好適な電解質・電極接合体及びその製造方法に関する。   The present invention relates to an electrolyte / electrode assembly and a manufacturing method thereof, and more specifically, an electrolyte / electrode assembly suitable for constituting a unit cell of a fuel cell interposed between a pair of separators and a manufacturing method thereof. About.

固体電解質型燃料電池(以下、SOFCとも表記する)は、固体電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体(以下、MEAとも表記する)を有し、このMEAが1組のセパレータ間に介装されることでSOFCの単位セルが構成される。前記固体電解質の材質としては、酸化物イオン(O2-)伝導度が高いものが採用され、特に、Y23安定化ZrO2(以下、YSZとも表記する)が好適に選定される。 A solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as SOFC) has an electrolyte / electrode assembly (hereinafter also referred to as MEA) constituted by sandwiching a solid electrolyte between an anode side electrode and a cathode side electrode. A unit cell of SOFC is configured by interposing an MEA between a pair of separators. As the material of the solid electrolyte, a material having high oxide ion (O 2− ) conductivity is adopted, and Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 (hereinafter also referred to as YSZ) is particularly preferably selected.

また、カソード側電極には、イオン伝導度及び電子伝導度の双方が高いこと、酸素のカソード側電極で起こる電極反応、すなわち、酸素の解離反応に対して触媒活性を有すること、熱力学的に安定で他の物質(酸化剤ガスや固体電解質等)に対して反応を起こし難いこと、酸化剤ガスを十分に流通させるために多孔性であり発電中に焼結し難いこと、機械的強度が高いことが求められる。この観点から、カソード側電極の材質として、LaMO3(M=Mn、Co、Fe)で表されるペロブスカイト系化合物が選定されることがある。 In addition, the cathode side electrode has both high ionic conductivity and electron conductivity, has a catalytic activity with respect to the electrode reaction that occurs at the cathode side electrode of oxygen, that is, the oxygen dissociation reaction, and thermodynamically. It is stable and does not easily react with other substances (oxidant gas, solid electrolyte, etc.), is porous to allow sufficient circulation of oxidant gas, is difficult to sinter during power generation, and has mechanical strength. High is required. From this point of view, a perovskite compound represented by LaMO 3 (M = Mn, Co, Fe) may be selected as the material for the cathode side electrode.

この種のペロブスカイト系化合物の中、LaCoO3や、Laの一部をSrで置換した(La,Sr)CoO3(以下、LSCとも表記する)、Coの一部をFeで置換した(La,Sr)(Co,Fe)O3(以下、LSCFとも表記する)を用いてカソード側電極を形成した場合、SOFCの過電圧を低減し得る。しかしながら、LSCやLSCFは、固体電解質であるYSZと反応し、その結果、高抵抗の反応生成物層を形成して導電性の低下と過電圧の増大を招く可能性があると懸念されている。しかも、この場合、固体電解質とカソード側電極との線熱膨張係数の不整合が大きくなるので、固体電解質とカソード側電極との界面でクラックや剥離が生じることもある。 Among the perovskite compounds of this type, LaCoO 3 or a part of La is substituted with Sr (La, Sr) CoO 3 (hereinafter also referred to as LSC), and a part of Co is substituted with Fe (La, When the cathode electrode is formed using Sr) (Co, Fe) O 3 (hereinafter also referred to as LSCF), the SOFC overvoltage can be reduced. However, there is a concern that LSC and LSCF react with YSZ, which is a solid electrolyte, and as a result, a high-resistance reaction product layer may be formed, leading to a decrease in conductivity and an increase in overvoltage. In addition, in this case, the mismatch in the linear thermal expansion coefficient between the solid electrolyte and the cathode-side electrode is increased, so that cracks and peeling may occur at the interface between the solid electrolyte and the cathode-side electrode.

反応生成物が形成されるのを防止するために、反応防止層としての中間層を介装することも行われている。この場合、中間層の材質としてはCeO2系酸化物(例えば、Sm23をドープしたCeO2)が選定されるのが一般的である。 In order to prevent the formation of a reaction product, an intermediate layer as a reaction preventing layer is also interposed. In this case, a CeO 2 oxide (for example, CeO 2 doped with Sm 2 O 3 ) is generally selected as the material for the intermediate layer.

このような中間層を介装することにより、固体電解質とカソード側電極とが互いに反応することを回避することが可能となる。しかしながら、CeO2系酸化物の線熱膨張係数はYSZ(固体電解質)と概ね整合するものの、LSCやLSCF(カソード側電極)とはさほど整合しない。このため、中間層とカソード側電極との界面でクラックや剥離が生じる懸念がある。 By interposing such an intermediate layer, it is possible to avoid the reaction between the solid electrolyte and the cathode side electrode. However, although the linear thermal expansion coefficient of CeO 2 -based oxide generally matches YSZ (solid electrolyte), it does not match so much with LSC and LSCF (cathode side electrode). For this reason, there is a concern that cracks and peeling occur at the interface between the intermediate layer and the cathode side electrode.

この観点から、固体電解質とカソード側電極の線熱膨張係数を整合させる試みがなされている。例えば、特許文献1には、線熱膨張係数が固体電解質に近似する第1中間層と、線熱膨張係数がカソード側電極に近似する第2中間層とを固体電解質とカソード側電極との間にこの順序で介装することが提案され、特許文献2には、固体電解質からカソード側電極に向かって互いの組成を傾斜的に変化させることが提案されている。また、特許文献3には、固体電解質及び中間層の材質をともにランタンガレート系酸化物とすることが提案されている。   From this point of view, attempts have been made to match the linear thermal expansion coefficients of the solid electrolyte and the cathode side electrode. For example, Patent Document 1 discloses that a first intermediate layer whose linear thermal expansion coefficient approximates that of a solid electrolyte and a second intermediate layer whose linear thermal expansion coefficient approximates that of a cathode side electrode are provided between the solid electrolyte and the cathode side electrode. In this order, it is proposed that the composition be changed in a gradient from the solid electrolyte toward the cathode side electrode. Patent Document 3 proposes that both the solid electrolyte and the intermediate layer be made of lanthanum gallate oxide.

ここで、MEAには、製造を行う過程で不可避的に反りが発生する。特に、アノード側電極を基板として固体電解質、中間層、カソード側電極を順次積層する場合、アノード側電極に比してカソード側電極の厚みが著しく小さいため、アノード側電極がカソード側電極に指向して湾曲する。その結果、カソード側電極に引っ張り荷重が作用した状態となる。このようなMEAを用いた単位セルを複数個積層・緊締してスタックを構成しようとした場合、過度の外部応力がカソード側電極に加わるのでカソード側電極の表面にクラックが発生してしまう。この不具合は、特許文献1〜3に記載された技術を採用するのみでは回避することが困難である。   Here, the MEA is inevitably warped during the manufacturing process. In particular, when the anode side electrode is used as a substrate and the solid electrolyte, intermediate layer, and cathode side electrode are sequentially laminated, the thickness of the cathode side electrode is significantly smaller than that of the anode side electrode, so the anode side electrode is oriented toward the cathode side electrode. Bend. As a result, a tensile load is applied to the cathode side electrode. When an attempt is made to form a stack by stacking and tightening a plurality of unit cells using such an MEA, excessive external stress is applied to the cathode side electrode, so that a crack occurs on the surface of the cathode side electrode. This defect is difficult to avoid only by employing the techniques described in Patent Documents 1 to 3.

そこで、反りを除去するべく、スタックを構成する前のMEAに重錘を載置して熱処理を施すことが想起されるが、この場合においても、カソード側電極の表面にクラックが発生する。   Thus, in order to remove the warp, it is conceived that a weight is placed on the MEA before forming the stack and heat treatment is performed, but even in this case, a crack is generated on the surface of the cathode side electrode.

また、特許文献4、5に記載されているように、カソード側電極を分割した電極群として構成することも考えられる。この場合、電極群同士の間には溝が存在する。従って、MEAに作用した外部応力が電極群にのみ作用することになるので、カソード側電極(電極群)が変形することが回避される。このため、カソード側電極の表面にクラックが発生することができるようになると予想されるからである。   Further, as described in Patent Documents 4 and 5, it is conceivable to configure the cathode side electrode as a divided electrode group. In this case, a groove exists between the electrode groups. Accordingly, since the external stress acting on the MEA acts only on the electrode group, deformation of the cathode side electrode (electrode group) is avoided. This is because it is expected that a crack can be generated on the surface of the cathode side electrode.

特許第3434883号公報Japanese Patent No. 3344883 特開平9−266000号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-266000 特許第3777903号公報Japanese Patent No. 3777903 特開2006−310132号公報JP 2006-310132 A 実開平6−70162号公報Japanese Utility Model Publication No. 6-70162

特許文献4、5には、線熱膨張係数の不整合を解消することについては何ら記載されていない。従って、特許文献4、5記載の技術を採用したとしても、カソード側電極が固体電解質から剥離することを回避することは困難である。さらに、特許文献4、5には、カソード側電極と固体電解質の相互反応を防止することについての記載もない。   Patent Documents 4 and 5 do not describe anything about eliminating the mismatch of linear thermal expansion coefficients. Therefore, even if the techniques described in Patent Documents 4 and 5 are adopted, it is difficult to avoid the cathode side electrode from peeling off from the solid electrolyte. Further, Patent Documents 4 and 5 do not describe prevention of the interaction between the cathode side electrode and the solid electrolyte.

以上のように、カソード側電極が固体電解質から剥離することやカソード側電極と固体電解質の相互反応が起こること、及び、カソード側電極の表面にクラックが発生することを同時に防止することを試みた従来技術は存在しない。   As described above, an attempt was made to simultaneously prevent the cathode side electrode from peeling from the solid electrolyte, the interaction between the cathode side electrode and the solid electrolyte, and the occurrence of cracks on the surface of the cathode side electrode. There is no prior art.

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、カソード側電極が固体電解質から剥離することとカソード側電極と固体電解質の相互反応が起こることを防止し得、しかも、カソード側電極の表面にクラックが発生することをも防止し得る電解質・電極接合体及びそ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-described problems, and can prevent the cathode side electrode from peeling from the solid electrolyte and the cathode side electrode and the solid electrolyte from interacting with each other. An object of the present invention is to provide an electrolyte / electrode assembly and a method for producing the same, which can also prevent the occurrence of cracks on the surface.

前記の目的を達成するために、本発明は、アノード側電極とカソード側電極とで固体電解質を挟んで形成される電解質・電極接合体であって、
前記カソード側電極は、複数個の層が積層されて形成された積層体であり、
前記積層体中の前記固体電解質に最近接する最下層と、前記固体電解質との線熱膨張係数の差が6×10-6/K以内であり、
且つ前記最下層と、前記積層体中の最上に位置する最上層との線熱膨張係数の差が5×10-6/K以内であり、
前記最上層が、互いに離間して形成された複数個の電極群からなることを特徴とする。
To achieve the above object, the present invention provides an electrolyte / electrode assembly formed by sandwiching a solid electrolyte between an anode side electrode and a cathode side electrode,
The cathode side electrode is a laminate formed by laminating a plurality of layers,
The difference in coefficient of linear thermal expansion between the lowest layer closest to the solid electrolyte in the laminate and the solid electrolyte is within 6 × 10 −6 / K;
And the difference in coefficient of linear thermal expansion between the lowermost layer and the uppermost layer located at the top of the laminate is within 5 × 10 −6 / K,
The uppermost layer is composed of a plurality of electrode groups formed apart from each other.

すなわち、本発明においては、カソード側電極の線熱膨張係数を、固体電解質に近接する側では該固体電解質に近似させて整合を図っている。このため、固体電解質とカソード側電極の線熱膨張係数の不整合に起因してカソード側電極と固体電解質との間で層間剥離が起こることを回避することができる。   That is, in the present invention, the linear thermal expansion coefficient of the cathode side electrode is approximated to the solid electrolyte on the side close to the solid electrolyte to achieve matching. For this reason, it is possible to avoid delamination between the cathode side electrode and the solid electrolyte due to mismatch of the linear thermal expansion coefficients of the solid electrolyte and the cathode side electrode.

また、カソード側電極の各層間での線熱膨張係数も整合させているので、カソード側電極内で層間剥離が起こることも回避し得る。   In addition, since the linear thermal expansion coefficient between the respective layers of the cathode side electrode is also matched, it is possible to avoid delamination in the cathode side electrode.

さらに、カソード側電極の最上層を分割しているので、電解質・電極接合体が撓み、その結果としてカソード側電極に応力が作用したとしても、この応力が分割溝によって緩和される。従って、仮に反りが生じた電解質・電極接合体を用いてSOFCを組み立てる際にカソード側電極に応力が作用する場合であっても、カソード側電極の表面にクラックが発生することを回避することができる。   Further, since the uppermost layer of the cathode side electrode is divided, even if the electrolyte / electrode assembly bends and, as a result, stress acts on the cathode side electrode, the stress is alleviated by the dividing groove. Therefore, even when stress is applied to the cathode side electrode when assembling the SOFC using the electrolyte / electrode assembly that has warped, it is possible to avoid the occurrence of cracks on the surface of the cathode side electrode. it can.

なお、カソード側電極を構成する層の導電率は、最下層から最上層に向かうにつれて大きくなることが好ましい。これにより、カソード側電極と、該カソード側電極に接触するセパレータとの間の電荷の授受が阻害されることがない。上記したように、この場合、最上層の導電率が最大であるからである。   In addition, it is preferable that the electrical conductivity of the layer which comprises a cathode side electrode becomes large as it goes to the uppermost layer from the lowest layer. Thus, charge transfer between the cathode side electrode and the separator in contact with the cathode side electrode is not hindered. This is because the conductivity of the uppermost layer is maximum in this case as described above.

従って、電極反応が容易に進行する。このため、SOFCの電気化学的特性を確保することができる。   Therefore, the electrode reaction proceeds easily. For this reason, the electrochemical characteristics of SOFC can be ensured.

固体電解質の材質の好適な例としては、安定化ジルコニアが挙げられる。そして、カソード側電極の各層は、例えば、構成元素の組成比が互いに相違するLaSrCo系ペロブスカイト型複合酸化物又はLaSrCoFe系ペロブスカイト型複合酸化物で構成することができる。   A suitable example of the material of the solid electrolyte is stabilized zirconia. Each layer of the cathode side electrode can be composed of, for example, a LaSrCo-based perovskite-type composite oxide or a LaSrCoFe-based perovskite-type composite oxide having different composition ratios of constituent elements.

カソード側電極と固体電解質との間、より具体的には、カソード側電極を構成する最下層と固体電解質との間には、中間層を介装することが好ましい。これにより、カソード側電極と固体電解質との相互反応が生じることを回避することができる。   It is preferable to interpose an intermediate layer between the cathode side electrode and the solid electrolyte, more specifically, between the lowermost layer constituting the cathode side electrode and the solid electrolyte. Thereby, it is possible to avoid the mutual reaction between the cathode side electrode and the solid electrolyte.

この場合には、中間層の線熱膨張係数を、固体電解質の線熱膨張係数と、最下層の線熱膨張係数との間とする。すなわち、固体電解質、中間層、最下層の順で線熱膨張係数を相違させる。これにより、これらの層間で線熱膨張係数を整合させることができ、結局、層間剥離が発生することを回避することができる。   In this case, the linear thermal expansion coefficient of the intermediate layer is between the linear thermal expansion coefficient of the solid electrolyte and the linear thermal expansion coefficient of the lowermost layer. That is, the linear thermal expansion coefficients are made different in the order of the solid electrolyte, the intermediate layer, and the lowermost layer. As a result, the linear thermal expansion coefficients can be matched between these layers, and eventually, delamination can be avoided.

なお、中間層の好適な材質の例としては、セリウム系酸化物を挙げることができる。   An example of a suitable material for the intermediate layer is cerium-based oxide.

以上のように構成された電解質・電極接合体は、例えば、熱が加えられた際にアノード側電極がカソード側電極に指向して湾曲するように反る。   The electrolyte / electrode assembly configured as described above warps so that, for example, when heat is applied, the anode side electrode is curved toward the cathode side electrode.

また、本発明は、アノード側電極とカソード側電極とで固体電解質を挟んで形成される電解質・電極接合体の製造方法であって、
前記固体電解質の一端面に直接、又は中間層を介してアノード側電極又はカソード側電極の一方を設けた後、前記固体電解質の残余の他端面に直接、又は中間層を介してカソード側電極又はアノード側電極の残余の一方を設ける工程を行うか、あるいは、アノード側電極の一端面に直接、又は中間層を介して前記固体電解質を設けた後、該固体電解質上に直接、又は中間層を介してカソード側電極を設ける工程を有し、
前記カソード側電極を、複数個の層を積層した積層体として形成するとともに、
前記固体電解質に最近接する最下層を、前記固体電解質との線熱膨張係数の差が6×10-6/K以内として設け、
且つ前記積層体中の最上に位置する最上層を、前記最下層との線熱膨張係数の差を5×10-6/K以内として設け、
さらに、該最上層を、互いに離間した複数個の電極群として形成することを特徴とする。
Further, the present invention is a method for producing an electrolyte / electrode assembly formed by sandwiching a solid electrolyte between an anode side electrode and a cathode side electrode,
After providing one of the anode side electrode or the cathode side electrode directly on one end face of the solid electrolyte or via an intermediate layer, the cathode side electrode or directly on the remaining other end face of the solid electrolyte or via the intermediate layer The step of providing the remaining one of the anode side electrode is performed, or after providing the solid electrolyte directly on one end surface of the anode side electrode or via the intermediate layer, the intermediate layer is directly or on the solid electrolyte. Providing a cathode side electrode via,
The cathode side electrode is formed as a laminate in which a plurality of layers are laminated,
A lowermost layer closest to the solid electrolyte is provided so that a difference in coefficient of linear thermal expansion from the solid electrolyte is within 6 × 10 −6 / K;
And the uppermost layer located in the uppermost layer in the laminate is provided with a difference in coefficient of linear thermal expansion from the lowermost layer within 5 × 10 −6 / K,
Further, the uppermost layer is formed as a plurality of electrode groups separated from each other.

このような過程を経ることで、固体電解質からカソード側電極の最上層に至るまでの線熱膨張係数を整合させることができ、その結果、電解質・電極接合体に層間剥離が起こることを回避することができる。   Through such a process, the linear thermal expansion coefficient from the solid electrolyte to the uppermost layer of the cathode electrode can be matched, and as a result, delamination of the electrolyte / electrode assembly can be avoided. be able to.

その上、カソード側電極を分割しているので、カソード側電極に応力が作用しても該カソード側電極の表面にクラックが発生することを回避することも可能である。   In addition, since the cathode side electrode is divided, it is possible to avoid the occurrence of cracks on the surface of the cathode side electrode even if stress acts on the cathode side electrode.

そして、カソード側電極を構成する層の導電率を、最下層から最上層に向かうにつれて大きくなるように各層を形成することが好ましい。上記したように、電極反応が十分に進行するからである。   And it is preferable to form each layer so that the electric conductivity of the layer which comprises a cathode side electrode may become large as it goes to the uppermost layer from the lowest layer. This is because the electrode reaction proceeds sufficiently as described above.

上記したように、固体電解質は、例えば、安定化ZrO2を用いて形成することができる。一方、カソード側電極を構成する各層は、例えば、構成元素の組成比が相違するLaSrCo系ペロブスカイト型複合酸化物又はLaSrCoFe系ペロブスカイト型複合酸化物を用いて形成するようにすればよい。 As described above, the solid electrolyte can be formed using, for example, stabilized ZrO 2 . On the other hand, each layer constituting the cathode side electrode may be formed using, for example, a LaSrCo-based perovskite-type composite oxide or a LaSrCoFe-based perovskite-type composite oxide having different composition ratios of constituent elements.

さらにまた、最下層と固体電解質との間に中間層を介装するときには、中間層の線熱膨張係数が、固体電解質の線熱膨張係数と、最下層の線熱膨張係数との間となるように中間層を形成することが好ましい。これにより、固体電解質から中間層を経てカソード側電極の最上層に至るまで、各層の線熱膨張係数を整合させることができるからである。   Furthermore, when an intermediate layer is interposed between the lowermost layer and the solid electrolyte, the linear thermal expansion coefficient of the intermediate layer is between the linear thermal expansion coefficient of the solid electrolyte and the lowermost layer. Thus, it is preferable to form the intermediate layer. This is because the linear thermal expansion coefficient of each layer can be matched from the solid electrolyte through the intermediate layer to the uppermost layer of the cathode side electrode.

なお、中間層は、例えば、CeO2系酸化物を用いて形成することができる。 The intermediate layer can be formed using, for example, a CeO 2 oxide.

本発明によれば、カソード側電極を積層体とするとともに、該積層体中の固体電解質に最近接する最下層の線熱膨張係数を、固体電解質に近似させるようにしている。このため、固体電解質とカソード側電極の線熱膨張係数が整合するようになるので、カソード側電極と固体電解質との間で層間剥離が起こることを回避することができる。   According to the present invention, the cathode-side electrode is a laminate, and the linear thermal expansion coefficient of the lowest layer closest to the solid electrolyte in the laminate is approximated to that of the solid electrolyte. For this reason, since the linear thermal expansion coefficients of the solid electrolyte and the cathode side electrode are matched, it is possible to avoid delamination between the cathode side electrode and the solid electrolyte.

しかも、カソード側電極の最上層を分割しているので、カソード側電極に応力が作用したとしても、この応力が分割溝によって緩和される。反りが生じた電解質・電極接合体を用いてSOFCを組み立てる場合には、カソード側電極に応力が作用することになるが、この応力が上記したように緩和されるため、カソード側電極の表面にクラックが発生することを回避することができる。   In addition, since the uppermost layer of the cathode side electrode is divided, even if a stress acts on the cathode side electrode, the stress is relieved by the dividing groove. When an SOFC is assembled using a warped electrolyte / electrode assembly, stress acts on the cathode side electrode. Since this stress is relaxed as described above, the stress is applied to the surface of the cathode side electrode. The occurrence of cracks can be avoided.

本発明の実施の形態に係る電解質・電極接合体(MEA)の概略全体断面説明図である。1 is a schematic entire cross-sectional explanatory view of an electrolyte / electrode assembly (MEA) according to an embodiment of the present invention. 図1のMEAを構成するカソード側電極の平面図である。It is a top view of the cathode side electrode which comprises MEA of FIG. MEAが撓んだ状態を示す概略全体断面図である。It is a general whole sectional view showing the state where MEA bent. 別の実施の形態に係るMEAの概略全体断面説明図である。It is a general | schematic whole cross-section explanatory drawing of MEA which concerns on another embodiment. 電極群の別の一具体例を示す平面図である。It is a top view which shows another specific example of an electrode group. 電極群のまた別の一具体例を示す平面図である。It is a top view which shows another specific example of an electrode group. 電極群のさらに別の一具体例を示す平面図である。It is a top view which shows another specific example of an electrode group. 実施例1、2のMEAにおける固体電解質からカソード側電極の最上層に至る各層の線熱膨張係数、導電率と、層間剥離及びクラックの有無との関係を示した図表である。It is the graph which showed the relationship between the linear thermal expansion coefficient of each layer from the solid electrolyte in MEA of Example 1, 2 to the uppermost layer of a cathode side electrode, electrical conductivity, and the presence or absence of delamination and a crack. 実施例1のMEAにおける固体電解質からカソード側電極の最上層に至る各層の線熱膨張係数を示したグラフである。3 is a graph showing the linear thermal expansion coefficient of each layer from the solid electrolyte to the uppermost layer of the cathode side electrode in the MEA of Example 1. FIG. 実施例2のMEAにおける固体電解質からカソード側電極の最上層に至る各層の線熱膨張係数を示したグラフである。6 is a graph showing the linear thermal expansion coefficient of each layer from the solid electrolyte to the uppermost layer of the cathode side electrode in the MEA of Example 2. FIG. 比較例1〜4のMEAにおける固体電解質からカソード側電極の最上層に至る各層の線熱膨張係数、導電率と、層間剥離及びクラックの有無との関係を示した図表である。It is the graph which showed the relationship between the linear thermal expansion coefficient of each layer from the solid electrolyte in MEA of Comparative Examples 1-4 to the uppermost layer of a cathode side electrode, electrical conductivity, and the presence or absence of delamination and a crack.

以下、本発明に係る電解質・電極接合体及びその製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the electrolyte / electrode assembly and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

図1は、本実施の形態に係る電解質・電極接合体(MEA)10の概略全体断面説明図である。このMEA10は、アノード側電極12とカソード側電極14との間に固体電解質16が介装されて構成されており、アノード側電極12の厚みが最大であるアノード側電極支持型(以下、ASCとも表記する)のものである。なお、カソード側電極14と固体電解質16との間には、中間層18が介装されている。   FIG. 1 is a schematic overall cross-sectional explanatory view of an electrolyte / electrode assembly (MEA) 10 according to the present embodiment. This MEA 10 is configured by interposing a solid electrolyte 16 between an anode side electrode 12 and a cathode side electrode 14, and an anode side electrode support type (hereinafter also referred to as ASC) in which the thickness of the anode side electrode 12 is maximum. Notation). An intermediate layer 18 is interposed between the cathode side electrode 14 and the solid electrolyte 16.

アノード側電極12の材質としては、好適には、Niと、Y23安定化ZrO2(YSZ)とのサーメットが選定される。又は、NiとSc23安定化ZrO2(SSZ)とのサーメット、NiとY23ドープCeO2(YDC)とのサーメット、NiとSm23ドープCeO2(SDC)とのサーメット、NiとGd23ドープCeO2(GDC)とのサーメット等であってもよい。 As the material of the anode side electrode 12, cermet of Ni and Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 (YSZ) is preferably selected. Or cermet of Ni and Sc 2 O 3 stabilized ZrO 2 (SSZ), cermet of Ni and Y 2 O 3 doped CeO 2 (YDC), cermet of Ni and Sm 2 O 3 doped CeO 2 (SDC) A cermet of Ni and Gd 2 O 3 doped CeO 2 (GDC) may be used.

このような材質からなるASCのアノード側電極12の厚みは、200〜800μm程度、好ましくは600μm程度に設定される。   The thickness of the anode side electrode 12 of the ASC made of such a material is set to about 200 to 800 μm, preferably about 600 μm.

また、固体電解質16は、例えば、Y23が8mol%添加されたY23安定化ZrO2(8YSZ)からなる。 The solid electrolyte 16 is made of, for example, Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 (8YSZ) to which 8 mol% of Y 2 O 3 is added.

中間層18は、カソード側電極14に含まれる元素が固体電解質16中に拡散すること、換言すれば、カソード側電極14と固体電解質16が相互反応を起こすことを防止する役割を果たす。すなわち、中間層18は、反応防止層として機能する。中間層18の厚みは、この反応防止機能を営める程度であればよく、具体的には0.2〜10μm程度で十分である。   The intermediate layer 18 serves to prevent the elements contained in the cathode side electrode 14 from diffusing into the solid electrolyte 16, in other words, preventing the cathode side electrode 14 and the solid electrolyte 16 from interacting with each other. That is, the intermediate layer 18 functions as a reaction preventing layer. The thickness of the intermediate layer 18 only needs to be sufficient to perform this reaction prevention function, and specifically, about 0.2 to 10 μm is sufficient.

中間層18の材質は、このような機能を営むものであれば特に限定されるものではないが、その具体例としては、Sm23ドープCeO2(SDC)、Y23ドープCeO2(YDC)、Gd23ドープCeO2(GDC)、La23ドープCeO2(LDC)等のCeO2系酸化物が挙げられる。 The material of the intermediate layer 18 is not particularly limited as long as it has such a function, but specific examples thereof include Sm 2 O 3 doped CeO 2 (SDC), Y 2 O 3 doped CeO 2. Examples include CeO 2 -based oxides such as (YDC), Gd 2 O 3 -doped CeO 2 (GDC), and La 2 O 3 -doped CeO 2 (LDC).

中間層18上には、カソード側電極14が積層される。ここで、カソード側電極14は、固体電解質16側から第1層20a、第2層20b……第n層20nがこの順序で積層された積層体からなる。勿論、第1層20aが最下層に相当し、第n層20nが最上層に相当する。なお、カソード側電極14の層数は、3層又は4層程度でも十分であるが、最下層と最上層の2層のみであってもよい。すなわち、カソード側電極14は、2層以上であればよい。   On the intermediate layer 18, the cathode side electrode 14 is laminated. Here, the cathode side electrode 14 is formed of a laminate in which the first layer 20a, the second layer 20b,..., The nth layer 20n are laminated in this order from the solid electrolyte 16 side. Of course, the first layer 20a corresponds to the lowermost layer, and the nth layer 20n corresponds to the uppermost layer. It should be noted that the number of layers of the cathode-side electrode 14 may be three or four, but it may be only two layers, the lowermost layer and the uppermost layer. That is, the cathode side electrode 14 may be two or more layers.

カソード側電極14の厚み、すなわち、第1層20aにおける中間層18の界面から第n層20nにおける上端面に至るまでの距離は、好適には15〜50μmに設定される。各層の厚みは、例えば、この合計厚みを層数(n個)で除して求めればよいが、各層の厚みを均等にする必要は特にない。   The thickness of the cathode-side electrode 14, that is, the distance from the interface of the intermediate layer 18 in the first layer 20a to the upper end surface in the n-th layer 20n is preferably set to 15 to 50 μm. The thickness of each layer may be obtained, for example, by dividing this total thickness by the number of layers (n), but it is not particularly necessary to equalize the thickness of each layer.

なお、最上層である第n層20nは、分割電極として形成されている。すなわち、第n層20nは、複数個の電極群22がパターン化されたものとして設けられている。   Note that the nth layer 20n, which is the uppermost layer, is formed as a divided electrode. That is, the nth layer 20n is provided as a pattern in which a plurality of electrode groups 22 are patterned.

図2に示すように、電極群22の各々は略正6角形状をなし、隣接する電極群22、22間の離間距離、すなわち、分割溝24の幅寸法D1は略同等である。また、図1に示す電極群22の高さ(厚み)方向寸法Tも略同等であり、好ましくはおよそ10μmに設定される。   As shown in FIG. 2, each of the electrode groups 22 has a substantially regular hexagonal shape, and the separation distance between the adjacent electrode groups 22, 22, that is, the width dimension D <b> 1 of the dividing groove 24 is substantially equal. Also, the height (thickness) direction dimension T of the electrode group 22 shown in FIG. 1 is substantially the same, and is preferably set to about 10 μm.

第n層20nを構成する電極材料で分割溝24を充填した場合、第n層20nが単一層状となる。このときのカソード側電極14の端面面積を100としたとき、電極群22の端面面積の総和は75〜95となる。換言すれば、分割溝24は、単一層の第n層20nの端面面積を5〜25%低減する量で形成されている。   When the dividing groove 24 is filled with the electrode material constituting the nth layer 20n, the nth layer 20n becomes a single layer. When the end face area of the cathode side electrode 14 at this time is 100, the sum of the end face areas of the electrode group 22 is 75 to 95. In other words, the dividing groove 24 is formed in an amount that reduces the end surface area of the single n-th layer 20n by 5 to 25%.

なお、単一層状の第n層20nの端面面積に対する電極群22の端面面積の割合が75未満である場合、第n層20nの有効面積が低減するために発電特性を向上させることが容易ではない。また、95を超えると、クラックが発生することを回避することは容易ではない。   When the ratio of the end face area of the electrode group 22 to the end face area of the single-layer n-th layer 20n is less than 75, it is not easy to improve the power generation characteristics because the effective area of the n-th layer 20n is reduced. Absent. If it exceeds 95, it is not easy to avoid the occurrence of cracks.

以上のように構成されたMEA10では、固体電解質16から中間層18、第1層20a〜第n層20nの順序で線熱膨張係数が徐々に大きくなる。   In the MEA 10 configured as described above, the linear thermal expansion coefficient gradually increases in the order from the solid electrolyte 16 to the intermediate layer 18 and the first layer 20a to the nth layer 20n.

例えば、8YSZからなる固体電解質16の線熱膨張係数は50〜1000℃の温度域で10.3×10-6/Kである。この場合、先ず、中間層18の材質の好適な例としては、上記したCeO2系酸化物中、Gd23が10mol%ドープされたCeO2(10GDC)が挙げられる。なお、10GDCの線熱膨張係数は、25〜900℃の温度域で12×10-6/Kである。 For example, the linear thermal expansion coefficient of the solid electrolyte 16 made of 8YSZ is 10.3 × 10 −6 / K in the temperature range of 50 to 1000 ° C. In this case, first, as a suitable example of the material of the intermediate layer 18, CeO 2 (10GDC) doped with 10 mol% of Gd 2 O 3 in the CeO 2 -based oxide described above can be cited. The linear thermal expansion coefficient of 10GDC is 12 × 10 −6 / K in the temperature range of 25 to 900 ° C.

そして、カソード側電極14における第1層20a〜第n層20nに至るまでの各層は、例えば、組成が互いに相違するLSCFで構成することができる。例えば、(La1-aSra)(Co0.2Fe0.8)Oxを採用する場合、第1層20aから第n層20nに向かうにつれてaの値を相違させればよい。(La0.6Sr0.4)(Co1-bFeb)Oxを採用する場合も同様に、第1層20aから第n層20nに向かうにつれてbの値を相違させればよい。勿論、LSCFからなる層の上にLSCからなる層を積層するようにしてもよい。 Each layer from the first layer 20a to the nth layer 20n in the cathode side electrode 14 can be composed of, for example, LSCFs having different compositions. For example, (La 1-a Sr a ) (Co 0.2 Fe 0.8) when employing O x, it is sufficient to differences the values of a as the first layer 20a toward the n-th layer 20n. Similarly, when (La 0.6 Sr 0.4 ) (Co 1-b Fe b ) O x is employed, the value of b may be made different from the first layer 20a toward the n-th layer 20n. Of course, you may make it laminate | stack the layer which consists of LSC on the layer which consists of LSCF.

ここで、本実施の形態において、第1層20aの線熱膨張係数は、固体電解質16の線熱膨張係数との差が6×10-6/K以内となるように設定される。また、第1層20aと第n層20nとの膨張率との差は、5×10-6/K以内とされる。さらに、第1層20aから第n層20nにかけて各層の導電率が大きくなる。 Here, in the present embodiment, the linear thermal expansion coefficient of the first layer 20a is set so that the difference from the linear thermal expansion coefficient of the solid electrolyte 16 is within 6 × 10 −6 / K. Further, the difference between the expansion rates of the first layer 20a and the n-th layer 20n is within 5 × 10 −6 / K. Further, the conductivity of each layer increases from the first layer 20a to the nth layer 20n.

カソード側電極14を2層構造とし、且つ最下層である第1層20aと最上層である第2層20bとをともにLSCFから形成する場合において、上記した条件を満足させるには、第1層20aを(La0.7Sr0.3)(Co0.2Fe0.8)Ox、第2層20bを(La0.6Sr0.4)(Co0.2Fe0.8)Oxでそれぞれ形成すればよい。この場合、第1層20a、第2層20bの熱膨張係数は、それぞれ、14.6×10-6/K、15.3×10-6/Kであり、導電率は、それぞれ、230S/cm、320S/cmである。 In the case where the cathode side electrode 14 has a two-layer structure and the first layer 20a which is the lowermost layer and the second layer 20b which is the uppermost layer are both formed of LSCF, the first layer 20a a (La 0.7 Sr 0.3) (Co 0.2 Fe 0.8) O x, the second layer 20b (La 0.6 Sr 0.4) with (Co 0.2 Fe 0.8) O x may be formed respectively. In this case, first layer 20a, the thermal expansion coefficient of the second layer 20b, respectively, a 14.6 × 10 -6 /K,15.3×10 -6 / K , the conductivity, respectively, 230S / cm, 320 S / cm.

また、カソード側電極14を3層構造とし、且つ最下層である第1層20a、中間となる層である第2層20bをLSCF、最上層である第3層をLSCで形成する場合、第1層20a及び第2層20bを上記の通りとし、且つ第3層を(La0.8Sr0.2)CoOxとすればよい。この場合、第1層20a、第2層20b、第3層の熱膨張係数は、それぞれ、14.6×10-6/K、15.3×10-6/K、19.6×10-6/Kであり、導電率は、それぞれ、230S/cm、320S/cm、1320S/cmである。 Further, when the cathode side electrode 14 has a three-layer structure, and the first layer 20a that is the lowermost layer, the second layer 20b that is an intermediate layer is formed by LSCF, and the third layer that is the uppermost layer is formed by LSC, The first layer 20a and the second layer 20b may be as described above, and the third layer may be (La 0.8 Sr 0.2 ) CoO x . In this case, first layer 20a, second layer 20b, the thermal expansion coefficient of the third layer, respectively, 14.6 × 10 -6 /K,15.3×10 -6 /K,19.6×10 - 6 / K, and the electrical conductivity is 230 S / cm, 320 S / cm, and 1320 S / cm, respectively.

勿論、固体電解質16、中間層18及びカソード側電極14の材質の組み合わせはこれに特に限定されるものではなく、線熱膨張係数が固体電解質16、中間層18、カソード側電極14の順序で大きくなり、且つ固体電解質16とカソード側電極14の線熱膨張係数との差が6×10-6/K以内となる組み合わせであればよい。 Of course, the combination of materials of the solid electrolyte 16, the intermediate layer 18 and the cathode side electrode 14 is not particularly limited to this, and the linear thermal expansion coefficient increases in the order of the solid electrolyte 16, the intermediate layer 18 and the cathode side electrode 14. And a combination in which the difference between the linear thermal expansion coefficients of the solid electrolyte 16 and the cathode electrode 14 is within 6 × 10 −6 / K.

また、カソード側電極14の材質も上記のものに特に限定されるものではなく、最下層である第1層20aと、最上層である第n層20nとの膨張率との差が5×10-6/K以内となり、且つ第1層20aから第n層20nにかけて各層の導電率が大きくなる組み合わせであればよい。 Further, the material of the cathode electrode 14 is not particularly limited to the above, and the difference in expansion coefficient between the first layer 20a as the lowermost layer and the nth layer 20n as the uppermost layer is 5 × 10. -6 / K, and any combination that increases the conductivity of each layer from the first layer 20a to the nth layer 20n may be used.

本実施の形態に係るMEA10は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その作用効果につき、該MEA10の製造方法との関係で説明する。   The MEA 10 according to the present embodiment is basically configured as described above. Next, the operation and effect will be described in relation to the method of manufacturing the MEA 10.

このMEA10は、以下のようにして製造することができる。すなわち、はじめに、アノード側電極12を形成する。この場合、例えば、NiO粒子とYSZ粒子とが体積比で1:1の割合で混合された混合粒子と、ポリビニルブチラール系やアクリル系等のバインダと、PMMA樹脂やカーボン等の造孔材とを添加することでペーストを調製する。なお、この調製に際しては、シート状成形体として形成されたアノード側電極12の焼成処理に伴う収縮率が所定の範囲内となるように、NiO粒子及びYSZ粒子として所定の粒径、BET比表面積を有するものが選定されるとともに、バインダの添加量が設定される。   The MEA 10 can be manufactured as follows. That is, first, the anode side electrode 12 is formed. In this case, for example, a mixed particle in which NiO particles and YSZ particles are mixed at a volume ratio of 1: 1, a binder such as polyvinyl butyral or acrylic, and a pore former such as PMMA resin or carbon. A paste is prepared by adding. In this preparation, NiO particles and YSZ particles have a predetermined particle size and a BET specific surface area so that the shrinkage rate associated with the firing treatment of the anode-side electrode 12 formed as a sheet-like molded body is within a predetermined range. Are selected, and the amount of binder added is set.

例えば、NiO粒子の粒径、BET比表面積が1〜2μm、6〜9m2/gであり、YSZ粒子の粒径、BET比表面積が0.5〜3μm、4〜8m2/gであるときには、バインダの添加割合を40〜65体積%とすることが好ましい。この場合、焼成処理に伴うアノード側電極12の収縮率を8〜30%に制御することができる。 For example, when the particle diameter of the NiO particles and the BET specific surface area are 1 to 2 μm and 6 to 9 m 2 / g, and the particle diameter of the YSZ particles and the BET specific surface area are 0.5 to 3 μm and 4 to 8 m 2 / g The binder addition ratio is preferably 40 to 65% by volume. In this case, the shrinkage rate of the anode side electrode 12 accompanying the firing process can be controlled to 8 to 30%.

次に、上記のように調製したペーストを用い、ドクターブレード法によってシート状成形体としてのアノード側電極12を形成する。このシート状成形体の厚みは、ホットプレス等による圧着、及び焼成処理を経た後のアノード側電極12の厚みが好適には200〜800μmとなるように設定される。焼成処理後の厚みが200μmよりも小さいと、支持基板としての強度が十分でなくなるとともに、該アノード側電極12に供給された燃料ガスが拡散することが容易でなくなる。一方、800μmよりも大きいと、MEA10の積層方向(厚み方向)寸法が大きくなってしまい、このためにSOFCが大型化してしまう。また、SOFCの運転時にアノード側電極12の厚み方向に沿う燃料ガスの流通距離が長くなることから、この厚み方向に沿う燃料ガスのリーク量が増加する懸念がある。   Next, the anode side electrode 12 as a sheet-like molded body is formed by the doctor blade method using the paste prepared as described above. The thickness of the sheet-like molded body is set so that the thickness of the anode-side electrode 12 after being subjected to pressure bonding by a hot press or the like and baking treatment is preferably 200 to 800 μm. When the thickness after the baking treatment is smaller than 200 μm, the strength as the support substrate is not sufficient, and the fuel gas supplied to the anode side electrode 12 is not easily diffused. On the other hand, if it is larger than 800 μm, the dimension of the MEA 10 in the stacking direction (thickness direction) becomes large, and the SOFC becomes large for this reason. Further, since the fuel gas flow distance along the thickness direction of the anode-side electrode 12 becomes longer during the operation of the SOFC, there is a concern that the amount of fuel gas leakage along the thickness direction increases.

その後、必要に応じ、アノード側電極12に対して脱脂処理を行う。この脱脂処理によって造孔材が消失し、その消失跡に、造孔材の平均粒径に応じた径の閉気孔及び開気孔が形成される。なお、脱脂処理を行わない場合には、焼成処理時に造孔材が消失する。   Thereafter, a degreasing process is performed on the anode side electrode 12 as necessary. By this degreasing treatment, the pore former disappears, and closed pores and open pores having a diameter corresponding to the average particle diameter of the pore former are formed in the disappearance trace. In addition, when not performing a degreasing process, a pore making material lose | disappears at the time of a baking process.

この時点では、アノード側電極12はNiO−YSZからなる。   At this point, the anode side electrode 12 is made of NiO—YSZ.

その一方で、固体電解質16及び中間層18の出発材料であるペーストを調製する。固体電解質16のペーストは、8YSZの粉末を上記したようなバインダとともに溶媒に添加して調製することができ、中間層18のペーストは、10GDCの粉末を上記したようなバインダとともに溶媒に添加して調製することができる。   Meanwhile, a paste that is a starting material for the solid electrolyte 16 and the intermediate layer 18 is prepared. The solid electrolyte 16 paste can be prepared by adding 8YSZ powder to a solvent together with the binder as described above, and the intermediate layer 18 paste can be prepared by adding 10 GDC powder together with the binder as described above to the solvent. Can be prepared.

その後、例えば、ドクターブレード法によって固体電解質16のシート状成形体、及び中間層18のシート状成形体を各々成形する。なお、ドクターブレード法に代え、押出し成形法やロール塗工法等を行うことによっても、所望の厚みの各シート状成形体を形成することが可能である。   Thereafter, for example, a sheet-like formed body of the solid electrolyte 16 and a sheet-like formed body of the intermediate layer 18 are each formed by a doctor blade method. In addition, it can replace with a doctor blade method and can form each sheet-like molded object of desired thickness also by performing an extrusion molding method, a roll coating method, etc.

次に、これらのシート状成形体、すなわち、固体電解質16及び中間層18をこの順序でアノード側電極12に順次積層する。その後、ホットプレス等によって各層を圧着することにより、アノード側電極12、固体電解質16及び中間層18からなる積層体が得られる。   Next, these sheet-like molded bodies, that is, the solid electrolyte 16 and the intermediate layer 18 are sequentially laminated on the anode side electrode 12 in this order. Thereafter, each layer is pressure-bonded by hot pressing or the like to obtain a laminate including the anode-side electrode 12, the solid electrolyte 16 and the intermediate layer 18.

次に、この積層体に対して焼成処理を施す。この際の温度は、例えば、1100〜1450℃に設定すればよい。この焼成処理により、アノード側電極12、固体電解質16及び中間層18が熱収縮を起こす。   Next, a firing treatment is performed on the laminate. What is necessary is just to set the temperature in this case to 1100-1450 degreeC, for example. By this firing treatment, the anode side electrode 12, the solid electrolyte 16 and the intermediate layer 18 undergo thermal contraction.

本実施の形態では、シート状成形体を積層した後、各層に対して温度や圧力を付与することで圧着するようにしている。これにより隣接する層同士が堅牢に密着し合うので、焼成処理時に層同士の剥離が生じ難くなる。   In this Embodiment, after laminating | stacking a sheet-like molded object, it is trying to crimp | bond by applying temperature and pressure with respect to each layer. As a result, the adjacent layers firmly adhere to each other, so that the layers are hardly separated during the firing process.

次に、このようにして得られた積層体の中間層18上に、カソード側電極14を積層する。   Next, the cathode-side electrode 14 is laminated on the intermediate layer 18 of the laminate thus obtained.

すなわち、第1層20a、第2層20b……第n層20nの出発材料となるペーストを各々調製する。カソード側電極14を3層構造とする場合、例えば、第1層20a、第2層20b及び第3層のペーストは、(La0.8Sr0.2)(Co0.2Fe0.8)Ox、(La0.4Sr0.6)(Co0.2Fe0.8)Ox、(La0.8Sr0.2)CoOxの粉末を上記したようなバインダとともに溶媒に添加して調製することができる。 That is, pastes are prepared as starting materials for the first layer 20a, the second layer 20b,..., The n-th layer 20n. When the cathode side electrode 14 has a three-layer structure, for example, the pastes of the first layer 20a, the second layer 20b, and the third layer are (La 0.8 Sr 0.2 ) (Co 0.2 Fe 0.8 ) O x , (La 0.4 Sr). A powder of 0.6 ) (Co 0.2 Fe 0.8 ) O x , (La 0.8 Sr 0.2 ) CoO x can be prepared by adding it to a solvent together with a binder as described above.

そして、第1層20aとなるペーストを、スクリーン印刷法によって中間層18上に印刷する。ここで、第1層20aの厚みは、スクリーンメッシュ板の厚みに対応する。すなわち、スクリーンメッシュ板としては、所望の厚みの第1層20aが得られる厚みのものが選定される。   And the paste used as the 1st layer 20a is printed on the intermediate | middle layer 18 with a screen printing method. Here, the thickness of the first layer 20a corresponds to the thickness of the screen mesh plate. That is, as the screen mesh plate, one having a thickness capable of obtaining the first layer 20a having a desired thickness is selected.

その後、常温にて放置し、ペーストのレベリング(平坦化)を行う。放置時間は、如何なる程度平坦化させるかにも依存して設定されるが、概ね1〜2時間程度でペーストが略平坦化する。   Thereafter, the paste is left at room temperature to level the paste. Although the standing time is set depending on how flattened the paste is, the paste is substantially flattened in about 1 to 2 hours.

さらに、適切な温度、例えば、90〜120℃でペーストを乾燥させることにより、概ね平坦な第1層20aが形成される。   Furthermore, the substantially flat first layer 20a is formed by drying the paste at an appropriate temperature, for example, 90 to 120 ° C.

以上の作業を繰り返し、最上層(第n層20n)の直下である第(n−1)層までを形成する。その後、焼成処理を施す。この焼成処理に際しては、100〜200℃/時間の昇温速度で昇温した後、800〜1100℃で1〜4時間保持を行えばよい。その後は、常温に到達するまで自然放冷する。   The above operations are repeated until the (n-1) th layer, which is directly below the uppermost layer (nth layer 20n), is formed. Then, a baking process is performed. In this firing treatment, the temperature may be increased at a temperature increase rate of 100 to 200 ° C./hour and then held at 800 to 1100 ° C. for 1 to 4 hours. After that, it is allowed to cool naturally until it reaches room temperature.

次に、最上層、すなわち、第n層20nのペーストを、例えば、スクリーン印刷によってパターン化した状態で第(n−1)層上に印刷する。ここで、第n層20nを電極群22として形成するべく、予めパターンが形成されたスクリーンを用いる。これにより、例えば、図2に示すようなパターンで電極群22が形成される。   Next, the paste of the uppermost layer, that is, the nth layer 20n is printed on the (n-1) th layer in a state of being patterned by, for example, screen printing. Here, in order to form the n-th layer 20n as the electrode group 22, a screen on which a pattern is formed in advance is used. Thereby, for example, the electrode group 22 is formed in a pattern as shown in FIG.

以降は、上記と同様の条件下で乾燥・焼成処理を施す。これにより、ペーストが固化・焼結した第n層20nが積層体の最上に形成され、MEA10が形成される。   Thereafter, drying and baking are performed under the same conditions as described above. Thereby, the n-th layer 20n obtained by solidifying and sintering the paste is formed on the top of the laminate, and the MEA 10 is formed.

なお、上述のアノード側電極12、固体電解質16及び中間層18を同時に焼成処理し、次に、カソード側電極14をスクリーン印刷等によって形成した後に乾燥・焼成処理を施すことに代替し、アノード側電極12及び固体電解質16を同時に焼成処理し、次に、中間層18をスクリーン印刷等によって形成して焼成処理を行い、さらに、カソード側電極14をスクリーン印刷等によって形成した後に乾燥・焼成処理を施すようにしてもよい。   The anode side electrode 12, the solid electrolyte 16 and the intermediate layer 18 are fired at the same time, and then the cathode side electrode 14 is formed by screen printing or the like and then dried and fired. The electrode 12 and the solid electrolyte 16 are fired at the same time, then the intermediate layer 18 is formed by screen printing or the like, and then fired. Further, the cathode side electrode 14 is formed by screen printing or the like, followed by drying and firing treatment. You may make it give.

ここで、本実施の形態では、上記したように、固体電解質16、中間層18、第1層20a〜第n層20nの順序で線熱膨張係数が大きくなるように設定し、且つ、第1層20aと固体電解質16との熱膨張係数の差を6×10-6/K以内、第1層20aと第n層20nとの熱膨張係数の差を5×10-6/K以内に設定している。すなわち、固体電解質16から第n層20nに向かうにつれて線熱膨張係数が徐々に大きくなり、また、著しい差がない。換言すれば、各層の線熱膨張係数が整合している。従って、以上の過程において、固体電解質16と中間層18との間、該中間層18と第1層20aとの間に剥離が起こることが防止される。 Here, in the present embodiment, as described above, the linear thermal expansion coefficient is set to increase in the order of the solid electrolyte 16, the intermediate layer 18, the first layer 20a to the nth layer 20n, and the first The difference in thermal expansion coefficient between the layer 20a and the solid electrolyte 16 is set within 6 × 10 −6 / K, and the difference between the thermal expansion coefficients between the first layer 20a and the nth layer 20n is set within 5 × 10 −6 / K. is doing. That is, the linear thermal expansion coefficient gradually increases from the solid electrolyte 16 toward the nth layer 20n, and there is no significant difference. In other words, the linear thermal expansion coefficient of each layer is matched. Therefore, in the above process, separation between the solid electrolyte 16 and the intermediate layer 18 and between the intermediate layer 18 and the first layer 20a is prevented.

また、固体電解質16とカソード側電極14との間に中間層18が介装されているので、固体電解質16とカソード側電極14との相互反応が起こることが防止される。   In addition, since the intermediate layer 18 is interposed between the solid electrolyte 16 and the cathode side electrode 14, the mutual reaction between the solid electrolyte 16 and the cathode side electrode 14 is prevented.

このようにして作製されたMEA10は、図3に示すように、アノード側電極12がカソード側電極14に指向して反った形状となる。従って、カソード側電極14には、引っ張り荷重が作用する。   The MEA 10 thus manufactured has a shape in which the anode side electrode 12 is warped toward the cathode side electrode 14 as shown in FIG. Therefore, a tensile load acts on the cathode side electrode 14.

SOFCを構成する場合、上記したMEA10をセパレータで挟んで単位セルを構成し、この単位セルを所定数積層してスタック化すればよい。その後、スタックの両端に位置する単位セルを1組のエンドプレートで挟み、さらに、これらエンドプレート同士をタイロッド等で緊締することによって、SOFCが構成される。   When configuring an SOFC, a unit cell may be formed by sandwiching the above-described MEA 10 with a separator, and a predetermined number of unit cells may be stacked to form a stack. After that, the unit cells located at both ends of the stack are sandwiched between a pair of end plates, and these end plates are fastened with tie rods or the like to form an SOFC.

この緊締により、アノード側電極12の端部がカソード側電極14に向かうように押圧される。換言すれば、反りが矯正されて図1に示す状態となる。   By this tightening, the end of the anode side electrode 12 is pressed toward the cathode side electrode 14. In other words, the warp is corrected and the state shown in FIG. 1 is obtained.

上記したように、カソード側電極14では、第n層20nが分割された電極群22として形成されている。このため、前記の緊締の際、電極群22が変形することはなく、分割溝24が縮小されるのみである。すなわち、カソード側電極14における第n層20nは、電極群22として形成されているために外部応力に対して変形し得る。この変形により、該第n層20nにクラックが発生することを回避することができる。   As described above, the cathode side electrode 14 is formed as the electrode group 22 in which the nth layer 20n is divided. For this reason, at the time of the tightening, the electrode group 22 is not deformed, and only the dividing groove 24 is reduced. That is, since the n-th layer 20 n in the cathode side electrode 14 is formed as the electrode group 22, it can be deformed by an external stress. Due to this deformation, the occurrence of cracks in the n-th layer 20n can be avoided.

そして、SOFCの運転に先んじて、アノード側電極12を構成するNiO−YSZに対して初期還元処理を施し、NiOをNiに変化させる。これに伴ってNi−YSZからなるアノード側電極12が得られ、MEA10が発電可能となる。   Prior to the operation of the SOFC, NiO-YSZ constituting the anode side electrode 12 is subjected to an initial reduction process to change NiO to Ni. Accordingly, an anode side electrode 12 made of Ni—YSZ is obtained, and the MEA 10 can generate power.

SOFCを運転するに際しては、該SOFCを所定温度に上昇させた後、各単位セルのアノード側電極12に水素を含む燃料ガスが供給されるとともに、カソード側電極14に酸素を含む酸化剤ガスが供給される。カソード側電極14では酸素の電離反応が起こり、これにより生じた酸化物イオンが固体電解質16を介してアノード側電極12側に移動する。   When operating the SOFC, after raising the SOFC to a predetermined temperature, a fuel gas containing hydrogen is supplied to the anode side electrode 12 of each unit cell, and an oxidant gas containing oxygen is supplied to the cathode side electrode 14. Supplied. The cathode side electrode 14 undergoes an ionization reaction of oxygen, and oxide ions generated thereby move to the anode side electrode 12 side through the solid electrolyte 16.

この際、カソード側電極14では、第1層20aから第n層20nにかけて各層の導電率が大きくなっている。従って、カソード側電極14と、該カソード側電極14に接触するセパレータとの間の接触抵抗が小さくなる。従って、カソード側電極14とセパレータ間で電荷が容易に授受されるので、カソード側電極14における電極反応が進行する。すなわち、SOFCの電気化学的特性が確保される。   At this time, in the cathode-side electrode 14, the conductivity of each layer increases from the first layer 20a to the n-th layer 20n. Therefore, the contact resistance between the cathode side electrode 14 and the separator in contact with the cathode side electrode 14 is reduced. Therefore, since charges are easily transferred between the cathode side electrode 14 and the separator, an electrode reaction in the cathode side electrode 14 proceeds. That is, the electrochemical characteristics of SOFC are ensured.

SOFCを停止する場合には、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量を調整しながら、SOFCの温度を下降する。   When stopping the SOFC, the temperature of the SOFC is lowered while adjusting the supply amounts of the fuel gas and the oxidant gas.

以上の発電開始・停止において、MEA10には、発電中のレドックス反応による応力や、起動・停止に際しての温度変化に伴って膨張・収縮を起こすことによる熱応力が作用することがある。しかしながら、本実施の形態においては、上記したように固体電解質16、中間層18及びカソード側電極14の線熱膨張係数が整合しているので、この場合においても、固体電解質16と中間層18の間、中間層18とカソード側電極14との間で層間剥離が起こることが回避される。   In the power generation start / stop described above, the MEA 10 may be subjected to stress due to a redox reaction during power generation or thermal stress due to expansion / contraction caused by a temperature change during start / stop. However, in the present embodiment, as described above, the linear thermal expansion coefficients of the solid electrolyte 16, the intermediate layer 18, and the cathode side electrode 14 are matched. In the meantime, delamination between the intermediate layer 18 and the cathode electrode 14 is avoided.

また、カソード側電極14における第n層20nが上記同様に熱応力に応じて変形し得るので、該第n層20nにクラックが発生することを回避することができる。   Further, since the nth layer 20n in the cathode side electrode 14 can be deformed in accordance with the thermal stress as described above, it is possible to avoid the occurrence of cracks in the nth layer 20n.

なお、上記した実施の形態においては、アノード側電極12を基板とするASCを例示して説明しているが、固体電解質16を基板とする電解質支持型(ESC)であってもよい。この場合、図4に示すように、固体電解質16の厚みが最大(70〜100μm程度)である電解質支持型のMEA10が構成される。   In the above-described embodiment, ASC using the anode-side electrode 12 as a substrate has been described as an example, but an electrolyte support type (ESC) using the solid electrolyte 16 as a substrate may be used. In this case, as shown in FIG. 4, an electrolyte supported MEA 10 having a maximum thickness (about 70 to 100 μm) of the solid electrolyte 16 is configured.

このMEA10を作製する場合には、固体電解質16の一端面にアノード側電極12を設けるとともに、残余の一端面に中間層18、カソード側電極14をこの順序で設ければよい。勿論、カソード側電極14は、第1層20a〜第n層20nを有し、且つ第n層20nが分割された電極群22である積層体として形成される。なお、ESCにおいては、アノード側電極12の厚みは概ね50〜100μm程度、好適には90μm程度に設定される。   When the MEA 10 is manufactured, the anode-side electrode 12 is provided on one end face of the solid electrolyte 16, and the intermediate layer 18 and the cathode-side electrode 14 are provided in this order on the remaining end face. Of course, the cathode-side electrode 14 is formed as a stacked body that includes the first layer 20a to the n-th layer 20n and is an electrode group 22 in which the n-th layer 20n is divided. In ESC, the thickness of the anode side electrode 12 is set to about 50 to 100 μm, preferably about 90 μm.

アノード側電極12を基板とするASCのMEA10の場合には、アノード側電極12と固体電解質16との間に中間層を介装してもよい。この中間層は、多孔質体であるアノード側電極12における固体電解質16に臨む側の凹凸を充填ないし埋没することで平坦化する役割を果たす。すなわち、この中間層は、平坦化層として機能する。   In the case of the ASC MEA 10 using the anode side electrode 12 as a substrate, an intermediate layer may be interposed between the anode side electrode 12 and the solid electrolyte 16. This intermediate layer plays a role of flattening by filling or burying unevenness on the side facing the solid electrolyte 16 in the anode-side electrode 12 which is a porous body. That is, this intermediate layer functions as a planarization layer.

また、上記の製造方法は、シート体を作製する場合を例示して説明しているが、特にこれに限定されるものではない。例えば、アノード側電極12ないし固体電解質16を任意の公知手法で形成した後、プリント、CVD法ないしPVD法等による製膜、スピンコーティング等によるコーティング、ディップ等によって残余の層を設けるようにしてもよい。   Moreover, although the said manufacturing method has illustrated and demonstrated the case where a sheet | seat body is produced, it is not limited to this in particular. For example, after the anode-side electrode 12 or the solid electrolyte 16 is formed by any known method, the remaining layer may be provided by printing, film formation by CVD or PVD, coating by spin coating, dip, or the like. Good.

さらに、電極群22のパターンは図2に示されるものに限定されるものではなく、図5に示すような同心円状に設けられた円環形状パターンの電極群30であってもよいし、図6に示すような扇形形状パターンに分割された電極群32であってもよい。又は、図7に示すように、格子状パターンに分割された電極群34であってもよい。   Furthermore, the pattern of the electrode group 22 is not limited to that shown in FIG. 2, and may be an electrode group 30 having an annular shape provided concentrically as shown in FIG. 5. 6 may be an electrode group 32 divided into fan-shaped patterns as shown in FIG. Alternatively, as shown in FIG. 7, it may be an electrode group 34 divided into a lattice pattern.

上記に従い、NiO−YSZからなる厚み100μmのシート状成形体、8YSZからなる厚み10μmのシート状成形体、及び10GDCからなる厚み1μmのシート状成形体をそれぞれ作製した後、この順序で積層して焼成処理を行うことによって、アノード側電極、固体電解質及び中間層の積層体を得た。   In accordance with the above, after producing a sheet-like molded body made of NiO-YSZ with a thickness of 100 μm, a sheet-like molded body made of 8YSZ with a thickness of 10 μm, and a sheet-like molded body made of 10 GDC with a thickness of 1 μm, they were laminated in this order. By performing the firing treatment, a laminate of the anode side electrode, the solid electrolyte, and the intermediate layer was obtained.

その一方で、(La1-aSra)(Co0.2Fe0.8)Ox中のaが0.2、0.3、0.4、0.5のいずれかである粉末を含むペースト、及び(La0.6Sr0.4)(Co1-bFeb)Ox中のbが0.8、0.9いずれかである粉末を含むペーストを調製した。さらに、これとは別に、(La1-aSra)CoOx中のaが0.2、0.3、0.4、0.5のいずれかである粉末を含むペーストを調製した。 On the other hand, (La 1-a Sr a ) (Co 0.2 Fe 0.8) O a in x paste containing powder is either 0.2,0.3,0.4,0.5, and A paste containing powder in which b in either (La 0.6 Sr 0.4 ) (Co 1-b Fe b ) O x is 0.8 or 0.9 was prepared. Moreover, apart from this, to prepare a paste containing a powder a is any of 0.2,0.3,0.4,0.5 in (La 1-a Sr a) CoO x.

そして、(La1-aSra)(Co0.2Fe0.8)Oxのペースト、又は(La0.6Sr0.4)(Co1-bFeb)Oxのペーストのいずれかをスクリーン印刷によって中間層上に単一な平坦層として印刷した。これをレベリングした後に乾燥し、第1層とした。 Then, either (La 1-a Sr a ) (Co 0.2 Fe 0.8 ) O x paste or (La 0.6 Sr 0.4 ) (Co 1-b Fe b ) O x paste is applied to the intermediate layer by screen printing. Printed as a single flat layer. This was leveled and then dried to form the first layer.

次に、(La1-aSra)CoOxのペーストをスクリーン印刷によって図2に示すパターン、すなわち、互いに離間して点在する電極群として第1層上に印刷した。これをレベリングした後に乾燥し、さらに、焼成処理を施して、分割された形状の第2層とした。これにより、MEAを得た。 Next, a paste of (La 1-a Sr a ) CoO x was printed on the first layer as a pattern shown in FIG. 2 by screen printing, that is, as a group of electrodes scattered apart from each other. This was leveled and then dried, and further subjected to a baking treatment to obtain a second layer having a divided shape. Thereby, MEA was obtained.

勿論、以上においては、固体電解質から第2層に至るまでの各層の線熱膨張係数がこの順序で大きくなるようにa、bの値を設定した。   Of course, in the above, the values of a and b are set so that the linear thermal expansion coefficient of each layer from the solid electrolyte to the second layer increases in this order.

この場合における固体電解質から第2層に至るまでの各層の線熱膨張係数の変化を図8及び図9に示す。なお、第1層及び第2層の線熱膨張係数は、a、bの値によって変化するので、図9においては、第1層及び第2層の線熱膨張係数の最低値〜最高値の幅を示すとともに、平均値を黒丸(●)で示している。   Changes in the linear thermal expansion coefficient of each layer from the solid electrolyte to the second layer in this case are shown in FIGS. In addition, since the linear thermal expansion coefficients of the first layer and the second layer vary depending on the values of a and b, in FIG. In addition to indicating the width, the average value is indicated by a black circle (●).

上記した製造過程を経たMEAには、層間剥離やクラックの発生は認められなかった。   In the MEA that has undergone the above manufacturing process, no delamination or cracks were observed.

さらに、このMEAから構成した単位セルを複数個積層し、SOFCを得た。このSOFCを所定時間運転した後に単位セルを分解してMEAを観察したところ、この時点でも、層間剥離やクラックの発生は認められなかった。   Further, a plurality of unit cells composed of this MEA were stacked to obtain SOFC. When the SOFC was operated for a predetermined time and then the unit cell was disassembled and the MEA was observed, no delamination or cracks were observed at this point.

実施例1に準拠してアノード側電極、固体電解質及び中間層の積層体を得た後、(La1-aSra)(Co0.2Fe0.8)Oxのペースト、又は(La0.6Sr0.4)(Co1-bFeb)Oxのペーストのいずれかをスクリーン印刷によって中間層上に単一な平坦層として印刷した。これをレベリングした後に乾燥し、第1層とした。 After obtaining a stack of anode, solid electrolyte and the intermediate layer in conformity with Example 1, (La 1-a Sr a) (Co 0.2 Fe 0.8) O x paste, or (La 0.6 Sr 0.4) Any of the (Co 1-b Fe b ) O x pastes were printed as a single flat layer on the intermediate layer by screen printing. This was leveled and then dried to form the first layer.

次に、(La1-aSra)(Co0.2Fe0.8)Oxのペースト、又は(La0.6Sr0.4)(Co1-bFeb)Oxのペーストであって、第1層よりも線熱膨張係数が大きいものを選定し、スクリーン印刷によって中間層上に単一な平坦層として印刷した。これをレベリングした後に乾燥し、第2層とした。 Next, a paste of (La 1-a Sr a ) (Co 0.2 Fe 0.8 ) O x or (La 0.6 Sr 0.4 ) (Co 1-b Fe b ) O x , which is more than the first layer. A material having a large linear thermal expansion coefficient was selected and printed as a single flat layer on the intermediate layer by screen printing. This was leveled and then dried to form a second layer.

次に、(La1-aSra)CoOxのペーストをスクリーン印刷によって図2に示すパターンをなす電極群として第2層上に印刷した。これをレベリングした後に乾燥し、さらに、焼成処理を施して、分割された形状の第3層とした。これにより、MEAを得た。 Next, (La 1-a Sr a ) CoO x paste was printed on the second layer as an electrode group having the pattern shown in FIG. 2 by screen printing. This was leveled and then dried, and further subjected to a firing treatment to obtain a third layer having a divided shape. Thereby, MEA was obtained.

この場合における固体電解質から第2層に至るまでの各層の線熱膨張係数の変化を図8及び図10に示す。この場合も、第1層、第2層及び第3層の線熱膨張係数がa、bの値によって変化するので、図10においては、第1層及び第2層の線熱膨張係数の最低値〜最高値の幅を示すとともに、平均値を黒丸(●)で示している。   Changes in the linear thermal expansion coefficient of each layer from the solid electrolyte to the second layer in this case are shown in FIGS. Also in this case, the linear thermal expansion coefficients of the first layer, the second layer, and the third layer vary depending on the values of a and b. Therefore, in FIG. The range from the value to the maximum value is shown, and the average value is shown by a black circle (●).

このMEAにも、層間剥離やクラックの発生は認められなかった。さらに、実施例1と同様に、このMEAから構成したSOFCを得た。このSOFCを所定時間運転した後のMEAにつき観察を行ったが、層間剥離やクラックの発生は認められなかった。   Neither delamination nor cracking was observed in this MEA. Furthermore, as in Example 1, an SOFC composed of this MEA was obtained. Observation of the MEA after the SOFC was operated for a predetermined time was observed, but no delamination or cracking was observed.

比較例1Comparative Example 1

(La1-aSra)CoOxの単一層(分割なし)からなるカソード側電極を設けたこと以外は実施例1に準拠して、MEAを得た。この場合、aが0.2、0.3、0.4、0.5のいずれであっても、多くのサンプルで中間層とカソード側電極の間の層間剥離が認められた。また、SOFCを構成した後に分解してMEAを観察したところ、カソード側電極の表面にクラックが発生していることが認められた。 An MEA was obtained in accordance with Example 1 except that a cathode side electrode composed of a single layer (no division) of (La 1-a Sr a ) CoO x was provided. In this case, even if a was 0.2, 0.3, 0.4, or 0.5, delamination between the intermediate layer and the cathode electrode was observed in many samples. Further, when the MEA was observed after being disassembled after constituting the SOFC, it was found that cracks were generated on the surface of the cathode side electrode.

比較例2Comparative Example 2

実施例1に準拠して、アノード側電極、固体電解質及び中間層の積層体を得た。次に、この積層体の中間層上に対し、(La1-aSra)CoOxのペーストを用いて実施例1と同一形状にパターン化された電極群を形成した。さらに、焼成処理を施してMEAを得た。 In accordance with Example 1, a laminate of an anode electrode, a solid electrolyte, and an intermediate layer was obtained. Next, an electrode group patterned in the same shape as in Example 1 was formed on the intermediate layer of this laminate using a paste of (La 1-a Sr a ) CoO x . Furthermore, baking process was performed and MEA was obtained.

この場合も、aが0.2、0.3、0.4、0.5のいずれであっても、多くのサンプルで中間層とカソード側電極の間の層間剥離が認められた。この理由は、固体電解質である8YSZや、中間層である10GDCの線熱膨張係数に比して(La1-aSra)CoOxの線熱膨張係数が大きいため、すなわち、線熱膨張係数の不整合があるためであると考えられる。 Also in this case, delamination between the intermediate layer and the cathode electrode was observed in many samples regardless of whether a was 0.2, 0.3, 0.4, or 0.5. This is because, 8YSZ and a solid electrolyte, since the coefficient of linear thermal expansion than the coefficient of linear thermal expansion of 10GDC an intermediate layer (La 1-a Sr a) CoO x is large, i.e., coefficient of linear thermal expansion This is thought to be due to the inconsistency.

比較例3Comparative Example 3

第2層を分割することなく設けた以外は実施例1と同様にして、MEAを得た。この場合、層間剥離は認められなかったが、SOFCを組み立てた後に分解してMEAを確認したところ、多くのサンプルでカソード側電極の表面にクラックが発生していることが確認された。   An MEA was obtained in the same manner as in Example 1 except that the second layer was provided without being divided. In this case, no delamination was observed, but when the MEA was confirmed by disassembling after assembling the SOFC, it was confirmed that many samples had cracks on the surface of the cathode side electrode.

比較例4Comparative Example 4

実施例1に準拠して、アノード側電極、固体電解質及び中間層の積層体を得た。   In accordance with Example 1, a laminate of an anode electrode, a solid electrolyte, and an intermediate layer was obtained.

次に、第1層を、aが0.6、0.7に設定された(La1-aSra)(Co0.2Fe0.8)Oxで形成するか、又は、bが0.6、0.7に設定された(La0.6Sr0.4)(Co1-bFeb)Oxで形成することにより、固体電解質及び中間層の線熱膨張係数と、第1層の線熱膨張係数の差を大きくした。さらに、この第1層上に、第2層を分割することなく設けてMEAを構成した。 Next, the first layer is formed of (La 1-a Sr a ) (Co 0.2 Fe 0.8 ) O x in which a is set to 0.6 and 0.7, or b is 0.6, By forming with (La 0.6 Sr 0.4 ) (Co 1-b Fe b ) O x set to 0.7, the linear thermal expansion coefficient of the solid electrolyte and the intermediate layer and the linear thermal expansion coefficient of the first layer Increased the difference. Further, the MEA was configured by providing the second layer without dividing it on the first layer.

この場合、a、bが0.6、0.7のいずれであっても、多くのサンプルで中間層とカソード側電極の間の層間剥離が認められた。また、SOFCを構成した後に分解してMEAを観察したところ、カソード側電極の表面にクラックが発生していることが認められた。   In this case, even if a and b were 0.6 and 0.7, delamination between the intermediate layer and the cathode electrode was observed in many samples. Further, when the MEA was observed after being disassembled after constituting the SOFC, it was found that cracks were generated on the surface of the cathode side electrode.

比較例5Comparative Example 5

実施例1に準拠して、アノード側電極、固体電解質及び中間層の積層体を得た。   In accordance with Example 1, a laminate of an anode electrode, a solid electrolyte, and an intermediate layer was obtained.

次に、第1層を、aが0.6、0.7に設定された(La1-aSra)(Co0.2Fe0.8)Oxで形成するか、又は、bが0.6、0.7に設定された(La0.6Sr0.4)(Co1-bFeb)Oxで形成することにより、固体電解質及び中間層の線熱膨張係数と、第1層の線熱膨張係数の差を大きくした。さらに、この第1層上に、実施例1と同一形状にパターン化された電極群、すなわち、分割された第2層を設けてMEAを構成した。 Next, the first layer is formed of (La 1-a Sr a ) (Co 0.2 Fe 0.8 ) O x in which a is set to 0.6 and 0.7, or b is 0.6, By forming with (La 0.6 Sr 0.4 ) (Co 1-b Fe b ) O x set to 0.7, the linear thermal expansion coefficient of the solid electrolyte and the intermediate layer and the linear thermal expansion coefficient of the first layer Increased the difference. Further, on this first layer, an MEA was configured by providing an electrode group patterned in the same shape as in Example 1, that is, a divided second layer.

この場合、a、bが0.6、0.7のいずれであっても、多くのサンプルで中間層とカソード側電極の間の層間剥離が認められた。   In this case, even if a and b were 0.6 and 0.7, delamination between the intermediate layer and the cathode electrode was observed in many samples.

以上の比較例1〜5における第1層、第2層の各線熱膨張係数の値と、層間剥離又はクラックの発生の有無の関係を図11に併せて示す。図8と図11を対比し、カソード側電極の線熱膨張係数を固体電解質及び中間層の線熱膨張係数に整合させることによって層間剥離を回避し得ること、また、カソード側電極の最上層を分割することによってクラックが発生することを回避し得ることが明らかである。   FIG. 11 also shows the relationship between the values of the linear thermal expansion coefficients of the first layer and the second layer in the above Comparative Examples 1 to 5 and the presence or absence of delamination or cracks. 8 and FIG. 11, delamination can be avoided by matching the linear thermal expansion coefficient of the cathode side electrode with the linear thermal expansion coefficient of the solid electrolyte and the intermediate layer, and the uppermost layer of the cathode side electrode It is clear that cracking can avoid the generation of cracks.

10…電解質・電極接合体(MEA) 12…アノード側電極
14…カソード側電極 16…固体電解質
18…中間層 20a…第1層(最下層)
20n…第n層(最上層) 22、30、32、34…電極群
24…分割溝
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Electrolyte electrode assembly (MEA) 12 ... Anode side electrode 14 ... Cathode side electrode 16 ... Solid electrolyte 18 ... Intermediate | middle layer 20a ... 1st layer (lowermost layer)
20n: n-th layer (uppermost layer) 22, 30, 32, 34 ... electrode group 24 ... dividing groove

Claims (11)

アノード側電極とカソード側電極とで固体電解質を挟んで形成される電解質・電極接合体であって、
前記カソード側電極は、複数個の層が積層されて形成された積層体であり、
前記積層体中の前記固体電解質に最近接する最下層と、前記固体電解質との線熱膨張係数の差が6×10-6/K以内であり、
且つ前記最下層と、前記積層体中の最上に位置する最上層との線熱膨張係数の差が5×10-6/K以内であり、
前記最上層が、互いに離間して形成された複数個の電極群からなることを特徴とする電解質・電極接合体。
An electrolyte / electrode assembly formed by sandwiching a solid electrolyte between an anode side electrode and a cathode side electrode,
The cathode side electrode is a laminate formed by laminating a plurality of layers,
The difference in coefficient of linear thermal expansion between the lowest layer closest to the solid electrolyte in the laminate and the solid electrolyte is within 6 × 10 −6 / K;
And the difference in coefficient of linear thermal expansion between the lowermost layer and the uppermost layer located at the top of the laminate is within 5 × 10 −6 / K,
The electrolyte / electrode assembly is characterized in that the uppermost layer is composed of a plurality of electrode groups formed apart from each other.
請求項1記載の電解質・電極接合体において、前記カソード側電極を構成する層の導電率が、前記最下層から前記最上層に向かうにつれて大きくなることを特徴とする電解質・電極接合体。   2. The electrolyte / electrode assembly according to claim 1, wherein the conductivity of the layer constituting the cathode side electrode increases from the lowermost layer toward the uppermost layer. 3. 請求項1又は2記載の電解質・電極接合体において、前記固体電解質が安定化ジルコニアからなり、且つ前記カソード側電極を構成する各層が、構成元素の組成比が互いに相違するLaSrCo系ペロブスカイト型複合酸化物又はLaSrCoFe系ペロブスカイト型複合酸化物からなることを特徴とする電解質・電極接合体。   3. The electrolyte / electrode assembly according to claim 1 or 2, wherein the solid electrolyte is made of stabilized zirconia, and each layer constituting the cathode side electrode is composed of LaSrCo-based perovskite composite oxides having different composition ratios of constituent elements. An electrolyte / electrode assembly comprising an oxide or a LaSrCoFe-based perovskite complex oxide. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の電解質・電極接合体において、前記最下層と前記固体電解質との間に中間層が介装されるとともに、前記中間層の線熱膨張係数が、前記固体電解質の線熱膨張係数と、前記最下層の線熱膨張係数との間であることを特徴とする電解質・電極接合体。   The electrolyte / electrode assembly according to any one of claims 1 to 3, wherein an intermediate layer is interposed between the lowermost layer and the solid electrolyte, and a linear thermal expansion coefficient of the intermediate layer is An electrolyte / electrode assembly, which is between the linear thermal expansion coefficient of the solid electrolyte and the linear thermal expansion coefficient of the lowermost layer. 請求項4記載の電解質・電極接合体において、前記中間層がセリウム系酸化物からなることを特徴とする電解質・電極接合体。   5. The electrolyte / electrode assembly according to claim 4, wherein the intermediate layer is made of a cerium-based oxide. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の電解質・電極接合体において、熱が加えられた際に前記アノード側電極が前記カソード側電極に指向して湾曲するように反ることを特徴とする電解質・電極接合体。   The electrolyte / electrode assembly according to any one of claims 1 to 5, wherein when the heat is applied, the anode side electrode warps so as to bend toward the cathode side electrode. Electrolyte / electrode assembly. アノード側電極とカソード側電極とで固体電解質を挟んで形成される電解質・電極接合体の製造方法であって、
前記固体電解質の一端面に直接、又は中間層を介してアノード側電極又はカソード側電極の一方を設けた後、前記固体電解質の残余の他端面に直接、又は中間層を介してカソード側電極又はアノード側電極の残余の一方を設ける工程を行うか、あるいは、アノード側電極の一端面に直接、又は中間層を介して前記固体電解質を設けた後、該固体電解質上に直接、又は中間層を介してカソード側電極を設ける工程を有し、
前記カソード側電極を、複数個の層を積層した積層体として形成するとともに、
前記固体電解質に最近接する最下層を、前記固体電解質との線熱膨張係数の差が6×10-6/K以内として設け、
且つ前記積層体中の最上に位置する最上層を、前記最下層との線熱膨張係数の差を5×10-6/K以内として設け、
さらに、該最上層を、互いに離間した複数個の電極群として形成することを特徴とする電解質・電極接合体の製造方法。
A method for producing an electrolyte / electrode assembly formed by sandwiching a solid electrolyte between an anode side electrode and a cathode side electrode,
After providing one of the anode side electrode or the cathode side electrode directly on one end face of the solid electrolyte or via an intermediate layer, the cathode side electrode or directly on the remaining other end face of the solid electrolyte or via the intermediate layer The step of providing the remaining one of the anode side electrode is performed, or after providing the solid electrolyte directly on one end surface of the anode side electrode or via the intermediate layer, the intermediate layer is directly or on the solid electrolyte. Providing a cathode side electrode via,
The cathode side electrode is formed as a laminate in which a plurality of layers are laminated,
A lowermost layer closest to the solid electrolyte is provided so that a difference in coefficient of linear thermal expansion from the solid electrolyte is within 6 × 10 −6 / K;
And the uppermost layer located in the uppermost layer in the laminate is provided with a difference in coefficient of linear thermal expansion from the lowermost layer within 5 × 10 −6 / K,
Furthermore, the uppermost layer is formed as a plurality of electrode groups spaced apart from each other, and a method for producing an electrolyte / electrode assembly.
請求項7記載の製造方法において、前記カソード側電極を構成する層の導電率を、前記最下層から前記最上層に向かうにつれて大きく設定することを特徴とする電解質・電極接合体の製造方法。   8. The method of manufacturing an electrolyte / electrode assembly according to claim 7, wherein the conductivity of the layer constituting the cathode side electrode is set to increase from the lowermost layer toward the uppermost layer. 請求項7又は8記載の製造方法において、前記固体電解質を安定化ジルコニアで形成するとともに、前記カソード側電極を構成する各層を、構成元素の組成比が相違するLaSrCo系ペロブスカイト型複合酸化物又はLaSrCoFe系ペロブスカイト型複合酸化物で形成することを特徴とする電解質・電極接合体の製造方法。   9. The manufacturing method according to claim 7, wherein the solid electrolyte is formed of stabilized zirconia and each layer constituting the cathode side electrode is made of LaSrCo-based perovskite complex oxide or LaSrCoFe having different composition ratios of constituent elements. A method for producing an electrolyte / electrode assembly, comprising forming a perovskite complex oxide. 請求項7〜9のいずれか1項に記載の製造方法において、前記最下層と前記固体電解質との間に中間層を介装するとき、前記中間層の線熱膨張係数を、前記固体電解質の線熱膨張係数と、前記最下層の線熱膨張係数との間に設定することを特徴とする電解質・電極接合体の製造方法。   The manufacturing method according to any one of claims 7 to 9, wherein when an intermediate layer is interposed between the lowermost layer and the solid electrolyte, a linear thermal expansion coefficient of the intermediate layer is set to be equal to that of the solid electrolyte. A method for producing an electrolyte / electrode assembly, wherein the coefficient is set between a linear thermal expansion coefficient and a linear thermal expansion coefficient of the lowermost layer. 請求項10記載の製造方法において、前記中間層をセリウム系酸化物で形成することを特徴とする電解質・電極接合体の製造方法。   11. The method for manufacturing an electrolyte / electrode assembly according to claim 10, wherein the intermediate layer is formed of a cerium-based oxide.
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