JP2012009232A - Method of manufacturing solid oxide fuel battery cell, solid oxide fuel battery cell and solid oxide fuel battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料極層と、固体電解質層と、空気極層とを備えた平板型の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method of manufacturing a flat plate type solid oxide fuel cell having a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer, and an air electrode layer.
従来から、平板型の固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)が知られている。一般に平板型のSOFCにおいては、固体電解質層の一方の側に燃料ガスと接する燃料極層を配置し、他方の側に空気と接する空気極層を配置することにより固体酸化物形燃料電池セル(単セル)が構成され、複数の単セルを積層してスタックが構成される。単セルの構造としては、特定の層(例えば燃料極層)を厚膜で形成した支持膜型セルを採用して機械的強度を確保することができる。この場合、燃料極層と固体電解質層との間に電気化学的活性の高い活性層を設けることも可能である。平板型のSOFCの製造法としては、例えば、固体電解質のグリーンシートと、活性層のグリーンシートと、燃料極のグリーンシートをそれぞれ別々に作製し、これらを圧着積層する手法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, a flat-type solid oxide fuel cell (SOFC) is known. In general, in a flat type SOFC, a fuel electrode layer in contact with a fuel gas is disposed on one side of a solid electrolyte layer, and an air electrode layer in contact with air is disposed on the other side, whereby a solid oxide fuel cell ( Single cell), and a stack is formed by stacking a plurality of single cells. As the structure of the single cell, a mechanical strength can be secured by adopting a support membrane type cell in which a specific layer (for example, a fuel electrode layer) is formed with a thick film. In this case, an active layer having high electrochemical activity can be provided between the fuel electrode layer and the solid electrolyte layer. As a method for producing a flat plate-type SOFC, for example, a method in which a solid electrolyte green sheet, an active layer green sheet, and a fuel electrode green sheet are separately produced and pressure-bonded and laminated is proposed ( For example, see Patent Document 1).
平板型のSOFCにおける良好な発電性能を保つには、異なる層の間の接触抵抗をできるだけ抑制する必要がある。特に、固体電解質層と活性層との界面の接合状態は、発電性能の一層の向上のために重要な要因である。しかしながら、上記従来の平板型のSOFCの製造方法では、各層のグリーンシートが圧着積層されることから、固体電解質層と活性層との界面を含めて、異なる層どうしが十分に密着した状態で接合されるとは限らない。例えば、固体電解質層と活性層との界面が不十分な接合状態であると、気泡がボイドとなって残留する恐れがある。そのため、接触抵抗が増加することによりSOFCの発電性能が劣化するという問題がある。また、上記従来の平板型のSOFCの製造方法では、各々のグリーンシートを順次積層する度に圧着工程が必要となるので、層数に応じて圧着回数が増加する。よって、圧着工程に伴いグリーンシートのデラミネーション等の不良が発生しやすくなり、製造工程の量産性が低下するという問題がある。 In order to maintain good power generation performance in a flat plate type SOFC, it is necessary to suppress contact resistance between different layers as much as possible. In particular, the bonding state at the interface between the solid electrolyte layer and the active layer is an important factor for further improving the power generation performance. However, in the above conventional flat plate type SOFC manufacturing method, the green sheets of each layer are pressure-bonded and laminated, so that different layers including the interface between the solid electrolyte layer and the active layer are sufficiently bonded together. It is not always done. For example, if the interface between the solid electrolyte layer and the active layer is in an insufficiently bonded state, bubbles may remain as voids. Therefore, there is a problem that the power generation performance of the SOFC deteriorates due to an increase in contact resistance. Further, in the above conventional flat plate-type SOFC manufacturing method, a crimping step is required every time the green sheets are sequentially laminated, so that the number of crimping increases according to the number of layers. Accordingly, there is a problem that defects such as delamination of the green sheet are likely to occur in the crimping process, and the mass productivity of the manufacturing process is reduced.
本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、多数の層からなる平板型のSOFCおいて、異なる層間を高い密着性で接合して良好な発電性能を確保し、シートの接合の工程時の不良の発生を防止して製造歩留まりの向上が可能な固体酸化物形燃料電池セルの製造方法を実現することを目的とする。 The present invention has been made to solve these problems. In a flat plate type SOFC composed of a large number of layers, different layers are bonded with high adhesion to ensure good power generation performance, and sheet bonding is achieved. An object of the present invention is to realize a method of manufacturing a solid oxide fuel cell capable of preventing the occurrence of defects during the process and improving the manufacturing yield.
上記課題を解決するために本発明は、支持基体となる支持基体層と、固体電解質層と、空気極層と、前記支持基体層及び前記固体電解質層の間の活性層と、を備えた固体酸化物形燃料電池セルの製造方法であって、未焼成固体電解質層の表面に未焼成活性層を積層形成して複数積層体を形成し、前記複数積層体と未焼成支持基体層とを一体化して中間積層体を形成し、前記中間積層体と未焼成空気極層とを一体化して固体酸化物形燃料電池セル積層体を形成することを特徴としている。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a solid comprising a support base layer serving as a support base, a solid electrolyte layer, an air electrode layer, and an active layer between the support base layer and the solid electrolyte layer. A method for manufacturing an oxide fuel cell, wherein a plurality of laminates are formed by laminating an unsintered active layer on a surface of an unsintered solid electrolyte layer, and the plurality of laminates and the unsintered support base layer are integrated. To form an intermediate laminate, and the intermediate laminate and the unfired air electrode layer are integrated to form a solid oxide fuel cell laminate.
本発明の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法によれば、2層以上の未焼成層からなる複数積層体(複数積層シート、若しくはこの複数積層シートの焼成後のもの)に他の層を一体化して中間積層体を形成し、その後に固体酸化物形燃料電池セル(単セル)積層体を形成するので、複数積層体を構成する各層間が高い密着性で接合され、接触抵抗を低減して発電性能を向上することができる。また、中間積層体を形成する際、例えばプレス成型や圧着により一体化することを想定すると、全ての層を単層シートで構成する場合に比べてプレス成型等の回数を削減することができ、製造時の不良の発生の防止と製造歩留まりの向上が可能となる。 According to the method for producing a solid oxide fuel cell of the present invention, another layer is formed on a multi-layered body (a multi-layered sheet or a material after firing the multi-layered sheet) composed of two or more unfired layers. The intermediate laminate is integrated to form a solid oxide fuel cell (single cell) laminate, and the layers constituting the multiple laminate are joined with high adhesion, reducing contact resistance. As a result, the power generation performance can be improved. Also, when forming the intermediate laminate, assuming that it is integrated by, for example, press molding or pressure bonding, the number of times of press molding or the like can be reduced compared to the case where all the layers are composed of a single layer sheet, It is possible to prevent the occurrence of defects during manufacturing and improve the manufacturing yield.
本発明において、「複数積層体」(複数積層シート、若しくはこの複数積層シートの焼成後のもの)とは、複数の層(シート)を順次積層して形成されたものであって、隣接する層の材質又は構成比が互いに異なるものである。また、複数積層体は、積層後に焼成を経たものも含む。 In the present invention, the “multiple laminate” (multiple laminate sheet or one after firing of the multiple laminate sheet) is formed by sequentially laminating a plurality of layers (sheets), and adjacent layers. Are different in material or composition ratio. In addition, the multi-layered body includes those that have been fired after being stacked.
「複数積層体」に対し、「単層シート」とは、単数の層からなるシートに加え、材質又は構成比が同じ複数の層を順次積層して形成されたシートを含む。なお、2種類の材質又は構成比の層を交互に積層して形成された多層のシートは、「複数積層体」に該当する。 In contrast to the “multi-layered product”, the “single-layer sheet” includes a sheet formed by sequentially laminating a plurality of layers having the same material or composition ratio in addition to a sheet composed of a single layer. Note that a multilayer sheet formed by alternately laminating layers of two kinds of materials or composition ratios corresponds to a “multiple laminate”.
例えば、未焼成燃料極層の表面に未焼成固体電解質層を積層形成した場合は、両者の材質、構成比が異なる限り、複数積層体に該当する。この場合の複数積層体の形成方法は限定されるものではないが、その一例として、支持部材(キャリアシート)上に燃料極層のスラリーをキャスティングし、その上部に固体電解質層のスラリーをさらにキャスティングする手法を採用することができる。また、キャスティングに代え、コーター法を採用したり、あるいは刷塗工法又は噴霧塗工法によりセラミック膜を作製する手法などを採用することができる。その後、複数積層体と他の単層シートを、例えばプレス成型により一体化することで、固体酸化物形燃料電池セル積層体を得ることができる。他の組み合わせにより複数積層体を形成する場合もおおむね同様の手法を適用可能である。なお、複数積層体に他の単層シートを一体化する際に、複数積層体を事前に焼成してから一体化してもよい。 For example, when an unsintered solid electrolyte layer is formed on the surface of the unsintered fuel electrode layer, it corresponds to a multi-layered body as long as the materials and composition ratios of the two are different. In this case, the method of forming the multi-layered body is not limited. As an example, a slurry of the fuel electrode layer is cast on a support member (carrier sheet), and a slurry of the solid electrolyte layer is further cast thereon. Can be employed. Moreover, it can replace with casting and can employ | adopt the method of producing a ceramic film | membrane etc. by using a coater method or a printing coating method or a spray coating method. Then, a solid oxide fuel cell laminated body can be obtained by integrating a multiple laminated body and another single layer sheet | seat, for example by press molding. In the case of forming a plurality of laminated bodies by other combinations, generally the same method can be applied. In addition, when integrating another single layer sheet | seat with a several laminated body, you may integrate, after baking a multiple laminated body beforehand.
本発明の前記複数積層体は、以下のように多様な2層の組み合わせで形成してもよい。例えば、未焼成燃料極層、未焼成固体電解質層、未焼成空気極層を順次積層して前記複数積層体を形成可能である。また例えば、未焼成燃料極層を、支持基体となる未焼成支持基体層と、前記未焼成支持基体層及び前記未焼成固体電解質層の間の未焼成活性層とにより構成し、前記未焼成固体電解質層の表面に前記未焼成活性層を順次積層して前記複数積層体を形成可能である。この場合は、前記複数積層体と前記未焼成支持基体層とを一体化して中間積層体を形成し、この中間積層体と前記未焼成空気極層とを一体化して固体酸化物形燃料電池セル積層体(単セルの積層体)が形成される。なお、中間積層体を事前に焼成してから空気極層と一体化してもよい。 The multi-layered product of the present invention may be formed of various combinations of two layers as follows. For example, the plurality of laminates can be formed by sequentially laminating an unfired fuel electrode layer, an unfired solid electrolyte layer, and an unfired air electrode layer. Further, for example, the unfired fuel electrode layer is constituted by an unfired support substrate layer serving as a support substrate, and an unfired active layer between the unfired support substrate layer and the unfired solid electrolyte layer, and the unfired solid The plurality of laminates can be formed by sequentially laminating the unfired active layer on the surface of the electrolyte layer. In this case, the plurality of laminates and the unfired support base layer are integrated to form an intermediate laminate, and the intermediate laminate and the unfired air electrode layer are integrated to form a solid oxide fuel cell. A laminated body (single cell laminated body) is formed. The intermediate laminate may be integrated with the air electrode layer after firing in advance.
また例えば、前記未焼成支持基体層の表面に前記未焼成活性層を順次積層して前記複数積層体を形成可能である。この場合は、前記中間積層体と前記未焼成固体電解質層とを一体化して中間積層体を形成し、この中間積層体と前記未焼成空気極層とを一体化して単セルの積層体が形成される。なお、中間積層体を事前に焼成してから空気極層と一体化してもよい。 Also, for example, the plurality of laminates can be formed by sequentially laminating the unsintered active layer on the surface of the unsintered support base layer. In this case, the intermediate laminate and the unfired solid electrolyte layer are integrated to form an intermediate laminate, and the intermediate laminate and the unfired air electrode layer are integrated to form a single cell laminate. Is done. The intermediate laminate may be integrated with the air electrode layer after firing in advance.
また、本発明の前記複数積層体は、以下のように3層以上の組み合わせで形成してもよい。例えば、未焼成固体電解質層、未焼成活性層、未焼成支持基体層を順次積層して前記複数積層体を形成可能である。この場合、前記複数積層体と未焼成空気極層とを一体化して単セルの積層体が形成される。なお、複数積層体を事前に焼成してから空気極層と一体化してもよい。 Moreover, you may form the said multiple laminated body of this invention by the combination of 3 or more layers as follows. For example, the multiple laminate can be formed by sequentially laminating an unsintered solid electrolyte layer, an unsintered active layer, and an unsintered support base layer. In this case, the plurality of laminates and the unfired air electrode layer are integrated to form a single cell laminate. In addition, after laminating | stacking a multiple laminated body in advance, you may integrate with an air electrode layer.
また例えば、未焼成固体電解質層、未焼成活性層、未焼成支持基体層、未焼成空気極層を順次積層して前記複数積層体を形成し、それを単セルの積層体にすることも可能である。 In addition, for example, it is also possible to form a plurality of laminates by sequentially laminating an unsintered solid electrolyte layer, an unsintered active layer, an unsintered support base layer, and an unsintered air electrode layer, thereby forming a single cell laminate. It is.
本発明の固体酸化物形燃料電池セルを構成する各シートとしては、例えば、セラミックグリーンシートを採用することができる。この場合、積層体を構成する複数のセラミックグリーンシートを同時焼成することができる。 As each sheet constituting the solid oxide fuel cell of the present invention, for example, a ceramic green sheet can be adopted. In this case, a plurality of ceramic green sheets constituting the laminate can be fired simultaneously.
前記固体電解質層の膜厚は、3〜20μmの範囲内であることが好ましい。また、前記活性層の膜厚は、5〜50μmの範囲内であることが好ましい。 The thickness of the solid electrolyte layer is preferably in the range of 3 to 20 μm. Moreover, it is preferable that the film thickness of the said active layer exists in the range of 5-50 micrometers.
なお、本発明は、単セルである固体酸化物形燃料電池セル積層体に適用する場合のほか、複数の単セルを積層して構成された固体酸化物形燃料電池スタックに対しても適用可能である。 The present invention can be applied not only to a solid oxide fuel cell stack that is a single cell, but also to a solid oxide fuel cell stack configured by stacking a plurality of single cells. It is.
以上述べたように、本発明によれば、2層以上を積層形成した複数積層体を用いて固体酸化物形燃料電池セルを形成するので、複数積層体に含まれる各層を強固に接合し、界面の接触抵抗を低減して発電性能の向上を図ることができる。特に、固体電解質層と活性層との界面に気泡として残留するボイドに起因する発電性能の劣化を確実に防止可能となる。また、固体酸化物形燃料電池セルの製造時に積層体を一体化するプレス成型や圧着等の作業を減らすことで、デラミネーション等の不良の影響を抑制することができるとともに、製造工程における量産性の向上を実現可能となる。 As described above, according to the present invention, since a solid oxide fuel cell is formed using a plurality of stacked bodies in which two or more layers are stacked, each layer included in the plurality of stacked bodies is firmly bonded, The power generation performance can be improved by reducing the contact resistance of the interface. In particular, it is possible to reliably prevent deterioration in power generation performance due to voids remaining as bubbles at the interface between the solid electrolyte layer and the active layer. In addition, the effects of defects such as delamination can be suppressed by reducing operations such as press molding and crimping to integrate the laminate during the manufacture of solid oxide fuel cells, and mass productivity in the manufacturing process Can be improved.
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明の技術思想を適用した形態の一例であって、本発明が本実施形態の内容により限定されることはない。 Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the embodiment described below is an example of a form to which the technical idea of the present invention is applied, and the present invention is not limited by the content of the present embodiment.
まず、本実施形態の固体酸化物形燃料電池セルの基本構造について説明する。図1は、本実施形態の固体酸化物形燃料電池の基本的な構成単位である固体酸化物形燃料電池セル10(以下、「単セル10」と呼ぶ)の模式的な断面構造を示している。図1に示すように、単セル10においては、下層側から順に、燃料極層11と、活性層12と、固体電解質層13と、反応防止層14と、空気極層15とが積層形成されている。
First, the basic structure of the solid oxide fuel cell according to this embodiment will be described. FIG. 1 shows a schematic cross-sectional structure of a solid oxide fuel cell 10 (hereinafter referred to as “
燃料極層11は、水素源となる燃料ガスに接触し、単セル10のアノードとして機能する。また、燃料極層11は、単セル10の全体を支持する支持基体層としての役割がある。そのため、燃料極層11は、単セル10の機械的強度を確保するために、例えば500〜2000μm程度の十分な厚みで形成することが望ましい。燃料極層11の材料は、金属粒子とセラミック粒子からなるサーメットを用いることができる。サーメットの金属粒子としては、特にNiを用いることが好ましいが、Cu、Fe、Co、Ag、Pt、Pd、W、Mo、あるいは、これらの合金を用いてもよい。サーメットのセラミック粒子としては、例えば、ジルコニア、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリアをドープしたセリア)、GDC(ガドリアをドープしたセリア)、アルミナ、シリカ、チタニアなどのセラミック材料を用いることができる。
The
活性層12は、燃料極層11の表面に成膜されて電気化学的活性を高める役割があり、燃料極層11よりも高い導電性を有する。活性層12の膜厚は、5〜50μmの範囲内とすることが望ましい。すなわち、活性層12は、5μmを下回る膜厚に形成すると固体電解質層13に穴が発生しやすくなる一方、50μmを上回る膜厚に形成すると燃料極層11の通気性が確保できなくなって発電性能の低下につながるためである。活性層12の材料は、燃料極層11と同様、金属粒子とセラミックス粒子からなるサーメットを採用できる。サーメットの金属粒子としては、特にNiを用いることが好ましいが、Cu、Fe、Co等を用いてもよい。サーメットのセラミック粒子については、燃料極層11と同様の多様なセラミック材料を用いることができる。
The
固体電解質層13は、イオン導電性を有する各種の固体電解質からなる。固体電解質層13の膜厚は、3〜20μmの範囲内とすることが望ましい。すなわち、固体電解質層13は、薄膜化の限界から3μmを下回る膜厚に形成するのは困難である一方、20μmを上回る膜圧に形成すると発電効率が劣化するためである。固体電解質層13の材料としては、YSZ、ScSZ、SDC、GDC、ペロブスカイト系酸化物等を用いることができる。なお、これらの材料を単一膜とする場合に加え、2種以上の材料からなる多層膜としてもよい。
The
反応防止層14は、固体電解質層13と空気極層15との反応を防止するために、通常は固体電解質層13の焼成後に積層形成される。反応防止層14の厚みは、例えば1〜20μm程度に形成することができる。反応防止層14の材料としては、CeO及び希土類元素を主成分とする材料を用いることができる。
The
空気極層15は、酸素源となる支燃性ガスに接触し、単セル10のカソードとして機能する。空気極層15の材料としては、例えば金属、金属の酸化物、金属の複合酸化物等を用いることができる。このうち、金属としては、Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ru、Ru等の金属又は2種以上の金属を含有する合金を挙げることができる。また、金属の酸化物としては、La、Sr、Ce、Co、Mn2、Fe等の酸化物(例えば、La2O3、SrO、Ce2O3、Co2O3、MnO2、FeO等)を挙げることができる。また、金属の複合酸化物としては、La、Pr、Sm、Sr、Ba、Co、Fe、Mn等のうちの少なくとも1種を含有する各種の複合酸化物(例えば、La1−xSrxCoO3系複合酸化物、La1−xSrxFeO3系複合酸化物、La1−xSrxCo1−yFeyO3系複合酸化物、La1−xSrxMnO3系複合酸化物、Pr1−xBaxCoO3系複合酸化物、Sm1−xSrxCoO3系複合酸化物等)を挙げることができる。
The
本実施形態の単セル10の作製に際しては、上述の燃料極層11、活性層12、固体電解質層13、反応防止層14、空気極層15を順次積層する場合、これら各層のうち隣接する2層以上を含む複数積層シート(本発明の複数積層体)を形成し、複数積層シートと他の層とを一体化して単セル10を得る点が特徴的である。複数積層シートの定義については、単層シートとの相違を含めて「複数積層体」の定義として既に述べたとおりである。例えば、隣接する2層からなる複数積層シート(2層積層シート)としては、活性層12(本発明の未焼成活性層)と固体電解質層13(本発明の未焼成固体電解質層)とからなる複数積層シートや、燃料極層11(本発明の未焼成燃料極層(未焼成支持基体層))と活性層12とからなる複数積層シートを挙げることができる。また、隣接する3層以上からなる複数積層シートとしては、燃料極層11、活性層12、固体電解質層13からなる複数積層シートや、これらに加えて反応防止層14と空気極層15(本発明の未焼成空気極層)とを含む上述の全ての層からなる複数積層シートを挙げることができる。これらの複数積層シートを含む単セル10の具体的な製造方法と特性については後述する(実施例1〜4参照)。
When the
なお、少なくとも燃料極層11と、固体電解質層13、空気極層15とを有していれば固体酸化物形燃料電池としての動作が可能であるため、活性層12と反応防止層14については、その一方又は両方を備えていない単セル10を構成することができる。
Note that the
次に、図1の単セル10を複数個積層した固体酸化物形燃料電池スタックについて説明する。図2は、固体酸化物形燃料電池スタック20(以下、「スタック20」と呼ぶ)の模式的な断面構造を示している。図2の例では、上下方向に積層された3個の単セル10によりスタック20が構成されている。なお、各単セル10のうちの燃料極層11、固体電解質層13、空気極層15のみを示し、活性層12及び反応防止層14については省略している。隣接する単セル10の間には、インターコネクタ21が設けられている。インターコネクタ21は、導電性と耐熱性を有する金属材料として、例えばステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等の耐熱合金を用いて形成される。
Next, a solid oxide fuel cell stack in which a plurality of
各々の単セル10の燃料極層11の底面側には燃料極側集電体22が設けられ、各々の単セル10の空気極層15の表面側には空気極側集電体23が設けられている。燃料極側集電体22は、例えばNi又はNi基合金等を用いて形成され、空気極側集電体23は、例えば金属及び導電性セラミックを用いて形成される。
A fuel electrode side
各々のインターコネクタ21は、下方の単セル10の空気極側集電体23と上方の単セル10の燃料極側集電体22のそれぞれに接合されている。最下層の単セル10の燃料極側集電体22は下方の底部材24に接合され、最上層の単セル10の空気極側集電体23は上方の蓋部材25に接合されている。
Each interconnector 21 is joined to the air electrode side current collector 23 of the
一方、各単セル10には隔離セパレータ26が設けられている。隔離セパレータ26の役割は、燃料ガスの流路27と空気の流路28とを隔離し、支燃性の酸素等を含む空気が燃料ガスと混合することを防止することにある。また、複数の単セル10の周囲には、セラミック等の絶縁体からなる枠体29が形成されている。
On the other hand, an
本実施形態の固体酸化物形燃料電池セルに関する具体的な実施例について図面を参照しながら説明する。以下では、製造手順が異なる4つの実施例1〜4を順次説明する。 Specific examples relating to the solid oxide fuel cell according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. Below, four Examples 1-4 from which a manufacturing procedure differs are described one by one.
[実施例1]
YSZ粉末100重量部に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエン/エタノール混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合してスラリーを調整した。得られたスラリーをドクターブレード法によりキャスティングし、図3に示すように、本発明の支持部材としてのキャリアシート40上にて厚さ10μmの固体電解質グリーンシート13aを作製した。次いで、NiO粉末60重量部とYSZ粉末40重量部との混合粉末100重量部に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエン及びエタノール混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合してスラリーを調整した。得られたスラリーをドクターブレード法により固体電解質グリーンシート13aの上に更にキャスティングし、固体電解質グリーンシート13a上に厚さ10μmの活性層12を成膜した。その結果、図3に示すように、厚さ10μmの固体電解質グリーンシート13aと厚さ10μmの活性層12とからなる厚さ20μmの2層積層シート30を得た。
[Example 1]
A butyral resin, DOP which is a plasticizer, a dispersant, and a toluene / ethanol mixed solvent were added to 100 parts by weight of YSZ powder, and mixed with a ball mill to prepare a slurry. The obtained slurry was cast by a doctor blade method to produce a solid electrolyte green sheet 13a having a thickness of 10 μm on a
一方、NiO粉末60重量部とYSZ粉末40重量部との混合粉末100重量部に対して、造孔材である有機ビーズ(混合粉末に対して10重量%)と、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエン/エタノール混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合してスラリーを調整した。得られたスラリーをドクターブレード法によりキャスティングし、図4に示すように、キャリアシート41上にて厚さ250μmの燃料極グリーンシート11a(単層シート)を作製した。 On the other hand, with respect to 100 parts by weight of mixed powder of 60 parts by weight of NiO powder and 40 parts by weight of YSZ powder, organic beads (10% by weight with respect to the mixed powder), butyral resin, and plasticizer are used as pore formers. A DOP, a dispersant, and a toluene / ethanol mixed solvent were added and mixed with a ball mill to prepare a slurry. The obtained slurry was cast by a doctor blade method to produce a fuel electrode green sheet 11a (single layer sheet) having a thickness of 250 μm on a carrier sheet 41 as shown in FIG.
次いで、得られた2層積層シート30及び燃料極グリーンシート11a(単層シート)をそれぞれ150×150mmのサイズに切断した。切断後の2層積層シート30を1枚と、切断後の燃料極グリーンシート11aを6枚とを重ねた状態でプレス成型し、2層積層シート30のキャリアシート40と、燃料極グリーンシート11aのキャリアシート41をそれぞれ除去した。その結果、図5に示すように、燃料極層11、活性層12、固体電解質層13の順に積層された積層体31(単セル10の中間積層体)を得た。この積層体31を脱脂炉にて250℃で脱脂した後、1350℃で焼成した。その結果、120×120mmのサイズの焼結体を得た。
Subsequently, the obtained two-layer laminated sheet 30 and the fuel electrode green sheet 11a (single-layer sheet) were each cut into a size of 150 × 150 mm. The two-layer laminated sheet 30 after the cut and the fuel electrode green sheet 11a after the cut are press-molded in a stacked state, the
次いで、図1に示すように、焼結体の固体電解質層13の表面に厚さ5μmのGDC層を積層して反応防止層14を形成した。さらに、焼結体上の反応防止層14の表面に厚さ40μmで100×100mmのサイズのLSCF層を積層して空気極層15を形成し、単セル10を得た。
Next, as shown in FIG. 1, a
なお、実施例1では、図1の反応防止層14を含む単セル10の例を説明したが、固体電解質層13と空気極層15との間に反応防止層14を設けない構造の単セル10を形成してもよい。以下の各実施例においても同様である。
In Example 1, the example of the
[実施例2]
燃料極層11のスラリーを実施例1と同様の手法で調整し、得られたスラリーをドクターブレード法によりキャスティングし、実施例1で得られた図3の2層積層シート30の活性層12上に燃料極層11を積層して、図6に示すように、燃料極層11と活性層12と固体電解質グリーンシート13aとからなる複数積層シート32を得た。次いで、実施例1と同様に、得られた複数積層シート32を150×150mmのサイズに切断して積層体を得た後、実施例1と同様に脱脂、焼成を行って焼結体を得た。得られた焼結体の固体電解質層13の表面に、実施例1と同様の手法で反応防止層14及び空気極層15を形成し、単セル10を得た。
[Example 2]
The slurry of the
[実施例3]
実施例2で得られた複数積層シート32(図6)の固体電解質層13上に反応防止層14と空気極層15を順次積層して複数積層シート(不図示)を得た。次いで、下層から順に燃料極層11、活性層12、固体電解質層13、反応防止層14、空気極層15の5層からなる複数積層シートを150×150mmのサイズに切断して積層体を得た後、実施例1、2と同様に脱脂、焼成を行うことにより、単セル10を得た。
[Example 3]
The
[実施例4]
実施例1と同様の手法で燃料極グリーンシート11a(図4)を作製した。次いで、実施例1と同様の手法で活性層12のスラリーを調整し、得られたスラリーをドクターブレード法によりキャスティングし、図7に示すようにキャリアシート42上の燃料極グリーンシート11aの表面に活性層12を積層し、2層積層シート33を得た。一方、実施例1と同様の手法で作製したスラリーにより、固体電解質グリーンシート13a(図3)を得た。その後、図7の2層積層シート33と固体電解質グリーンシート13aを、実施例1と同様、切断後にプレス成型することにより、燃料極層11、活性層12、固体電解質層13の順に積層された積層体を作製し、この積層体の脱脂、焼成を行うことにより、単セル10を得た。
[Example 4]
A fuel electrode green sheet 11a (FIG. 4) was produced in the same manner as in Example 1. Next, the slurry of the
[単セルの構造及び性能評価]
表1には、上記のようにして得られた実施例1〜4のそれぞれの単セル10の構造と発電性能の評価結果を示すとともに、従来の構造に基づく単セルの場合を比較例として示した。表1に示されるように、実施例1〜4については、燃料極層11、活性層12、固体電解質層13、反応防止層14、空気極層15の異なる組み合わせによる2層積層シート又は複数積層シートが含まれ、かつ他の層が単層シートして含まれるのに対し、比較例については、これらの各層が全て単層シートとして含まれる点がわかる。
[Single cell structure and performance evaluation]
Table 1 shows the structure of each
発電性能の評価は、単セル10の温度が700℃で、燃料ガス流量が加湿水素について2L/minで、空気流量が6L/minの条件下で、単セル10の出力電圧が0.7Vとなるときの発電量を比較した。その結果、表1に示すように、比較例については1.09(W/cm2)の発電量が得られたのに対し、実施例1〜4については1.14〜1.15(W/cm2)の範囲内の発電量が得られ、比較例に比べて発電量が約5%以上増加した。
Evaluation of power generation performance is as follows: the temperature of the
以上のように、実施例1〜4の製造方法により得られた単セル10の発電性能の向上は、複数積層シート(2層積層シートを含む)の部分で界面の密着性が向上したことによる効果である。すなわち、実施例1を例に取ると、2層積層シート30(図3)は固体電解質グリーンシート13a上に活性層12を成膜して形成されるので、両者の密着性が高いのに対し、比較例は固体電解質層13の単層シートと活性層12の単層シートがプレス成型等で一体化されるので相対的に密着性が低くなる。そのため、実施例1の固体電解質層13と活性層12との間の接触抵抗が低くなるため、比較例に比べて発電性能が向上するという効果を得られたものである。この点については、実施例2の複数積層シート32(図6)と、実施例3の複数積層シート(不図示)と、実施例4の2層積層シート33(図7)の場合も同様であり、高い密着性により発電性能向上という効果を得られた。また、各々の複数(2層)積層シートにおける密着性の向上によってデラミネーション等の不良が減少するため、製造歩留まりの向上が可能となる。さらに、単セル10を製造する際のプレス成型等の回数が低減されるため、製造工程の合理化が可能となる。
As described above, the improvement in the power generation performance of the
以上、本実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態の内容に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で多様な変更を施すことができる。例えば、単セル10やスタック20の構造、形状、材料、形成方法等については、本発明の作用効果を得られる限り、適宜に変更することができる。
The content of the present invention has been specifically described above based on the present embodiment, but the present invention is not limited to the content of the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. it can. For example, the structure, shape, material, formation method, and the like of the
10…固体酸化物形燃料電池セル(単セル)
11…燃料極層
12…活性層
13…固体電解質層
14…反応防止層
15…空気極層
20…固体酸化物形燃料電池スタック(スタック)
21…インターコネクタ
22…燃料極側集電体
23…空気極側集電体
24…底部材
25…蓋部材
26…隔離セパレータ
27、28…流路
29…枠体
30、33…2層積層シート
31…積層体
32…複数積層シート
40、41、42…キャリアシート
10. Solid oxide fuel cell (single cell)
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 ...
Claims (13)
未焼成固体電解質層の表面に未焼成活性層を積層形成して複数積層体を形成し、
前記複数積層体と未焼成支持基体層とを一体化して中間積層体を形成し、
前記中間積層体と未焼成空気極層とを一体化して固体酸化物形燃料電池セル積層体を形成する、
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルの製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell comprising: a support substrate layer to be a support substrate; a solid electrolyte layer; an air electrode layer; and an active layer between the support substrate layer and the solid electrolyte layer. And
A plurality of laminates are formed by laminating an unsintered active layer on the surface of the unsintered solid electrolyte layer,
Integrating the plurality of laminates and the unfired support base layer to form an intermediate laminate,
The intermediate laminate and the unfired air electrode layer are integrated to form a solid oxide fuel cell stack,
A method for producing a solid oxide fuel cell.
支持部材の表面に未焼成固体電解質層、未焼成活性層、未焼成支持基体層を順次積層形成して複数積層体を形成し、
前記複数積層体と未焼成空気極層とを一体化して固体酸化物形燃料電池セル積層体を形成する、
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルの製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell comprising: a support substrate layer to be a support substrate; a solid electrolyte layer; an air electrode layer; and an active layer between the support substrate layer and the solid electrolyte layer. And
A plurality of laminates are formed by sequentially laminating an unsintered solid electrolyte layer, unsintered active layer, and unsintered support base layer on the surface of the support member
The plurality of laminates and the unfired air electrode layer are integrated to form a solid oxide fuel cell stack.
A method for producing a solid oxide fuel cell.
未焼成支持基体層の表面に未焼成活性層を積層形成して複数積層体を形成し、
前記複層積層体と未焼成固体電解質層とを一体化して中間積層体を形成し、
前記中間積層体と未焼成空気極層とを一体化して固体酸化物形燃料電池セル積層体を形成する、
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルの製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell comprising: a support substrate layer to be a support substrate; a solid electrolyte layer; an air electrode layer; and an active layer between the support substrate layer and the solid electrolyte layer. And
A plurality of laminates are formed by laminating an unsintered active layer on the surface of the unsintered support substrate layer,
The multilayer laminate and the unfired solid electrolyte layer are integrated to form an intermediate laminate,
The intermediate laminate and the unfired air electrode layer are integrated to form a solid oxide fuel cell stack,
A method for producing a solid oxide fuel cell.
支持部材の表面に未焼成固体電解質層、未焼成活性層、未焼成支持基体層、未焼成空気極層を順次積層形成して複数積層体を形成し、
前記複数積層体を用いて固体酸化物形燃料電池セル積層体を形成する、
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルの製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell comprising: a support substrate layer to be a support substrate; a solid electrolyte layer; an air electrode layer; and an active layer between the support substrate layer and the solid electrolyte layer. And
A plurality of laminates are formed by sequentially laminating an unsintered solid electrolyte layer, unsintered active layer, unsintered support base layer, unsintered air electrode layer on the surface of the support member,
Forming a solid oxide fuel cell stack using the plurality of stacks;
A method for producing a solid oxide fuel cell.
未焼成空気極層の表面に未焼成固体電解質層を積層形成して複数積層体を形成し、
前記複数積層体と、未焼成燃料極層と、を一体化して固体酸化物形燃料電池セル積層体を形成する、
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルの製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell comprising a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer, and an air electrode layer,
A plurality of laminates are formed by laminating an unsintered solid electrolyte layer on the surface of the unsintered air electrode layer,
The plurality of laminates and the unfired fuel electrode layer are integrated to form a solid oxide fuel cell stack.
A method for producing a solid oxide fuel cell.
支持部材の表面に、未焼成燃料極層を構成するセラミックグリーンシート、未焼成固体電解質層を構成するセラミックグリーンシートを順次積層形成して複数積層体を形成し、
前記複数積層体と、未焼成空気極層と、を一体化して固体酸化物形燃料電池セル積層体を形成する、
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルの製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell comprising a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer, and an air electrode layer,
A ceramic green sheet constituting the unfired fuel electrode layer and a ceramic green sheet constituting the unfired solid electrolyte layer are sequentially laminated on the surface of the support member to form a plurality of laminates,
The plurality of laminates and the unfired air electrode layer are integrated to form a solid oxide fuel cell stack,
A method for producing a solid oxide fuel cell.
支持部材の表面に、未焼成燃料極層を構成するセラミックグリーンシート、未焼成固体電解質層を構成するセラミックグリーンシート、未焼成空気極層を構成するセラミックグリーンシートを順次積層形成して複数積層体を形成し、
前記複数積層体を用いて固体酸化物形燃料電池セル積層体を形成する、
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルの製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell comprising a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer, and an air electrode layer,
A plurality of laminates in which a ceramic green sheet constituting an unfired fuel electrode layer, a ceramic green sheet constituting an unfired solid electrolyte layer, and a ceramic green sheet constituting an unfired air electrode layer are sequentially laminated on the surface of the support member Form the
Forming a solid oxide fuel cell stack using the plurality of stacks;
A method for producing a solid oxide fuel cell.
A solid oxide fuel cell comprising the solid oxide fuel cell according to claim 12.
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- 2010-06-23 JP JP2010143164A patent/JP2012009232A/en active Pending
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