JP2012089443A - Manufacturing method of fuel cell - Google Patents

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康浩 伊澤
Yoshio Okada
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a fuel cell capable of suppressing delamination of a second member from a first member.SOLUTION: The manufacturing method of a fuel cell including a first member 10 and a second member 20 includes a sintering step for sintering the second member 20 on the first member 10. The sintering step includes a sintering sub-step in which the start of sintering of the bottom surface of the second member 20 is intended to take place prior to the start of sintering of the upper surface of the second member 20. According to the manufacturing method, delamination of the second member 20 from the first member 10 can be suppressed.

Description

本発明は、燃料電池の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell.

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。   A fuel cell is a device that generally obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. Since this fuel cell is excellent in terms of the environment and can realize high energy efficiency, it has been widely developed as a future energy supply system.

燃料電池は、多孔質基材、一方の電極、電解質層、他方の電極がこの順に積層された構造を有している(例えば特許文献1参照)。この燃料電池は、例えば、第1部材(多孔質基材、一方の電極、電解質層)上において第2部材(第1部材が多孔質基材の場合は一方の電極、第1部材が一方の電極の場合は電解質層、第1部材が電解質層の場合は他方の電極)を焼結させる焼成工程を含んで製造される。   The fuel cell has a structure in which a porous substrate, one electrode, an electrolyte layer, and the other electrode are laminated in this order (see, for example, Patent Document 1). In this fuel cell, for example, on the first member (porous substrate, one electrode, electrolyte layer), the second member (one electrode and one member when the first member is a porous substrate) In the case of an electrode, it is manufactured including a firing step of sintering an electrolyte layer, and in the case where the first member is an electrolyte layer, the other electrode).

特開2009−59697号公報JP 2009-59697 A

しかしながら、上記の製造方法では、焼結時における第2部材と第1部材との密着度が不足して、第2部材が第1部材から剥離するおそれがあった。   However, in the above manufacturing method, the degree of adhesion between the second member and the first member at the time of sintering is insufficient, and the second member may be peeled off from the first member.

本発明は、第2部材の第1部材からの剥離を抑制することができる燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the manufacturing method of the fuel cell which can suppress peeling from the 1st member of a 2nd member.

本発明に係る燃料電池の製造方法は、第1部材および第2部材を備える燃料電池の製造方法であって、第1部材上において第2部材を焼結させる焼成工程を含み、焼成工程において、第2部材の下面の焼結開始が第2部材の上面の焼結開始よりも先になるように焼成する焼成工程を含むことを特徴とするものである。   A method of manufacturing a fuel cell according to the present invention is a method of manufacturing a fuel cell including a first member and a second member, and includes a firing step of sintering the second member on the first member, It includes a firing step of firing so that the start of sintering of the lower surface of the second member precedes the start of sintering of the upper surface of the second member.

本発明に係る燃料電池の製造方法によれば、第2部材の下面が焼結を開始して第1部材に密着してから、第2部材の上面の焼結が開始する。それにより、第2部材の第1部材からの剥離を抑制することができる。   According to the method for manufacturing a fuel cell according to the present invention, after the lower surface of the second member starts sintering and comes into close contact with the first member, the upper surface of the second member starts to be sintered. Thereby, peeling of the second member from the first member can be suppressed.

上記方法において、焼成工程は、第1部材上に第2部材を構成する第2部材構成材料を塗布して焼結させる工程を複数回含んでいてもよい。上記方法において、焼成工程は、焼結が完了しない条件で第2部材構成材料を仮焼結させる仮焼成工程と、仮焼結させた第2部材構成材料上に第2部材構成材料をさらに配置し、仮焼結させた第2部材構成材料およびさらに配置された第2部材構成材料を焼結させる本焼成工程と、を含んでいてもよい。上記方法において、仮焼成工程における焼成温度は、本焼成工程における焼成温度よりも低くてもよい。   In the above method, the firing step may include a step of applying and sintering a second member constituting material constituting the second member on the first member a plurality of times. In the above method, the firing step further includes a provisional firing step of pre-sintering the second member constituent material under conditions where sintering is not completed, and a second member constituent material is further disposed on the pre-sintered second member constituent material. And a main firing step of sintering the preliminarily sintered second member constituent material and further arranged second member constituent material. In the above method, the firing temperature in the preliminary firing step may be lower than the firing temperature in the main firing step.

上記焼成工程において、第2部材の温度が下面から上面にかけて順に低くなるようにしてもよい。この方法によれば、第2部材の下面の焼結開始を第2部材の上面の焼結開始よりも先にすることができる。それにより、第2部材の第1部材からの剥離を抑制することができる。上記焼成工程において、第1部材の第2部材と反対側に熱源を配置してもよい。   In the firing step, the temperature of the second member may be lowered sequentially from the lower surface to the upper surface. According to this method, the sintering start of the lower surface of the second member can be preceded by the sintering start of the upper surface of the second member. Thereby, peeling of the second member from the first member can be suppressed. In the firing step, a heat source may be disposed on the opposite side of the first member from the second member.

上記方法において、第1部材は電極、第2部材は固体酸化物電解質であってもよい。上記方法において、第1部材は多孔質基材、第2部材は固体酸化物を含む電極であってもよい。上記方法において、第1部材は固体酸化物電解質、第2部材は固体酸化物を含む電極であってもよい。   In the above method, the first member may be an electrode, and the second member may be a solid oxide electrolyte. In the above method, the first member may be a porous substrate, and the second member may be an electrode containing a solid oxide. In the above method, the first member may be a solid oxide electrolyte, and the second member may be an electrode containing a solid oxide.

本発明によれば、第2部材の第1部材からの剥離を抑制することができる燃料電池の製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the fuel cell which can suppress peeling from the 1st member of a 2nd member can be provided.

燃料電池の模式的断面図である。It is typical sectional drawing of a fuel cell. 実施例1に係るアノード形成工程を示す模式的断面図である。6 is a schematic cross-sectional view showing an anode forming step according to Example 1. FIG. 実施例1に係る電解質層形成工程を示す模式的断面図である。3 is a schematic cross-sectional view showing an electrolyte layer forming step according to Example 1. FIG. 実施例1に係る電解質層形成工程を示す模式的断面図である。3 is a schematic cross-sectional view showing an electrolyte layer forming step according to Example 1. FIG. 実施例1に係るカソード形成工程を示す模式的断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a cathode forming step according to Example 1. 実施例2に係る電解質層形成工程の一例を示す模式的断面図である。6 is a schematic cross-sectional view showing an example of an electrolyte layer forming step according to Example 2. FIG. 実施例2に係る電解質層形成工程の他の例を示す模式的断面図である。6 is a schematic cross-sectional view showing another example of the electrolyte layer forming step according to Example 2. FIG.

以下、本発明を実施するための形態を説明する。   Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described.

本発明の実施例1に係る燃料電池100の製造方法について説明する。まず、燃料電池100の構成について説明し、次いで本実施例に係る製造方法について説明する。図1は、燃料電池100の模式的断面図である。燃料電池100は、支持体10、一方の電極、電解質層30および他方の電極がこの順に積層された構造を有している。本実施例において燃料電池100は、一例として支持体10、アノード20、電解質層30およびカソード40がこの順に積層された構造を有している。   A method for manufacturing the fuel cell 100 according to Embodiment 1 of the present invention will be described. First, the configuration of the fuel cell 100 will be described, and then the manufacturing method according to the present embodiment will be described. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the fuel cell 100. The fuel cell 100 has a structure in which the support 10, one electrode, the electrolyte layer 30, and the other electrode are stacked in this order. In this embodiment, the fuel cell 100 has a structure in which the support 10, the anode 20, the electrolyte layer 30, and the cathode 40 are laminated in this order as an example.

支持体10は、ガス透過性を有するとともに、電解質層30を支持可能な部材を用いることができる。本実施例においては、支持体10の一例として多孔質基材を用いる。多孔質基材の一例として、上面および下面を連通する孔11を複数有する多孔質金属板を用いる。多孔質金属板の材質としては、特に限定されないが、例えば酸化によって表面に絶縁性の酸化被膜が形成される成分を含んだ材質(ステンレス等)が用いられる。   As the support 10, a member having gas permeability and capable of supporting the electrolyte layer 30 can be used. In this embodiment, a porous substrate is used as an example of the support 10. As an example of the porous substrate, a porous metal plate having a plurality of holes 11 communicating with the upper surface and the lower surface is used. The material of the porous metal plate is not particularly limited. For example, a material (such as stainless steel) containing a component that forms an insulating oxide film on the surface by oxidation is used.

アノード20の材質は、アノードとしての電極活性を有するものであれば特に限定されないが、例えばNiO/ZrO系、NiO/CeO系、NiO/BaZrO系等の固体酸化物を含む電極材料を用いることができる。 The material of the anode 20 is not particularly limited as long as it has electrode activity as an anode. For example, an electrode material containing a solid oxide such as NiO / ZrO 2 , NiO / CeO 2 , NiO / BaZrO 3, or the like is used. Can be used.

電解質層30の材質は、特に限定されないが、例えばZrO系、CeO系、LaGaO系、BaZrO系等の固体酸化物電解質を用いることができる。 The material of the electrolyte layer 30 is not particularly limited. For example, a solid oxide electrolyte such as ZrO 2 , CeO 2 , LaGaO 3 , or BaZrO 3 can be used.

カソード40の材質は、カソードとしての電極活性を有するものであれば特に限定されないが、例えばLaMnO系、LaCoO系、LaNiO系、SmCoO系等の固体酸化物を含む電極材料を用いることができる。 The material of the cathode 40 is not particularly limited as long as it has electrode activity as a cathode. For example, an electrode material containing a solid oxide such as LaMnO 3 , LaCoO 3 , La 2 NiO 4 , or SmCoO 3 is used. Can be used.

燃料電池100は、以下の作用によって発電する。まず、支持体10には、水素(H)が供給され、カソード40には、酸素(O)が供給される。カソード40においては、カソード40に供給された酸素と、外部電気回路から供給される電子と、が反応して酸素イオンになる。酸素イオン伝導性の電解質の場合には、酸素イオンは、電解質層30を伝導してアノード20側に移動する。 The fuel cell 100 generates power by the following action. First, hydrogen (H 2 ) is supplied to the support 10, and oxygen (O 2 ) is supplied to the cathode 40. In the cathode 40, oxygen supplied to the cathode 40 and electrons supplied from the external electric circuit react to form oxygen ions. In the case of an oxygen ion conductive electrolyte, oxygen ions are transferred to the anode 20 side through the electrolyte layer 30.

一方、支持体10に供給された水素は、支持体10の孔11を通過して、アノード20に到達する。アノード20に到達した水素は、アノード20において電子を放出するとともに、カソード40側から電解質層30を伝導してくる酸素イオンと反応して水(HO)になる。放出された電子は、外部電気回路によって外部に取り出される。外部に取り出された電子は、電気的な仕事をした後に、カソード40に供給される。以上の作用によって、発電が行われる。 On the other hand, the hydrogen supplied to the support 10 passes through the holes 11 of the support 10 and reaches the anode 20. The hydrogen that has reached the anode 20 emits electrons at the anode 20 and reacts with oxygen ions conducted through the electrolyte layer 30 from the cathode 40 side to become water (H 2 O). The emitted electrons are taken out by an external electric circuit. The electrons extracted outside are supplied to the cathode 40 after performing electrical work. Power generation is performed by the above operation.

続いて、燃料電池100の製造方法について説明する。本実施例に係る燃料電池100の製造工程は、アノード20を形成する工程(以下、アノード形成工程と称する)と、電解質層30を形成する工程(以下、電解質層形成工程と称する)と、カソード40を形成する工程(以下、カソード形成工程と称する)と、を含んでいる。図2はアノード形成工程を示す模式的断面図であり、図3および図4は電解質層形成工程を示す模式的断面図であり、図5はカソード形成工程を示す模式的断面図である。   Then, the manufacturing method of the fuel cell 100 is demonstrated. The manufacturing process of the fuel cell 100 according to the present embodiment includes a process of forming the anode 20 (hereinafter referred to as an anode forming process), a process of forming the electrolyte layer 30 (hereinafter referred to as an electrolyte layer forming process), a cathode 40 (hereinafter referred to as a cathode formation step). 2 is a schematic cross-sectional view showing the anode forming step, FIGS. 3 and 4 are schematic cross-sectional views showing the electrolyte layer forming step, and FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the cathode forming step.

まず、アノード形成工程について説明する。図2(a)に示すように支持体10上にアノード20の構成材料(以下、アノード構成材料21と称する)を塗布する。   First, the anode forming process will be described. As shown in FIG. 2A, a constituent material of the anode 20 (hereinafter referred to as an anode constituent material 21) is applied on the support 10.

次いで図2(b)に示すように、アノード構成材料21を焼結が完了しない条件で仮焼結させる仮焼成工程を行う。焼結が完了しない条件の一例として、本実施例においては、本焼成工程時の焼成温度よりも低い温度で焼成することを用いる。すなわち、本実施例のアノード形成工程において、仮焼成工程における焼成温度は本焼成工程における焼成温度よりも低い。仮焼成工程後のアノード構成材料を、アノード仮焼結体22と称する。なお、本実施例において焼成温度とは、一例として、焼結する部材の温度をいう。例えば、図2(b)において焼成温度は、アノード構成材料21の温度である。   Next, as shown in FIG. 2B, a temporary firing step is performed in which the anode constituent material 21 is presintered under the condition that the sintering is not completed. As an example of conditions under which sintering is not completed, in this embodiment, firing at a temperature lower than the firing temperature in the main firing step is used. That is, in the anode forming step of this example, the firing temperature in the temporary firing step is lower than the firing temperature in the main firing step. The anode constituent material after the preliminary firing step is referred to as an anode temporary sintered body 22. In the present embodiment, the firing temperature refers to the temperature of the member to be sintered as an example. For example, in FIG. 2B, the firing temperature is the temperature of the anode constituent material 21.

次いで図2(c)に示すように、アノード仮焼結体22上にアノード構成材料21をさらに塗布する。次いで図2(d)に示すように、アノード仮焼結体22およびアノード構成材料21を焼結が完了する条件で焼結させる本焼成工程を行う。それにより、アノード仮焼結体22およびアノード構成材料21は多孔質になるとともに一体化して図2(e)に示すようなアノード20になる。以上の工程により、アノード形成工程は行われる。   Next, as shown in FIG. 2C, an anode constituent material 21 is further applied onto the anode preliminary sintered body 22. Next, as shown in FIG. 2 (d), a main firing step is performed in which the anode preliminary sintered body 22 and the anode constituent material 21 are sintered under conditions for completing the sintering. As a result, the anode pre-sintered body 22 and the anode constituent material 21 become porous and integrated into the anode 20 as shown in FIG. The anode forming step is performed through the above steps.

アノード形成工程の作用効果を、比較例に係るアノード形成工程と比較しつつ説明する。比較例に係るアノード形成工程は、仮焼結工程を行うことなくアノード20を形成する。具体的には、比較例に係るアノード形成工程は、完成後のアノード20と同程度の厚みのアノード構成材料21を支持体10上に塗布した後、このアノード構成材料21を焼結が完了する条件で焼結させる本焼成工程を行うことによって施行される。   The effects of the anode forming process will be described in comparison with the anode forming process according to the comparative example. In the anode forming process according to the comparative example, the anode 20 is formed without performing the preliminary sintering process. Specifically, in the anode forming step according to the comparative example, after the anode constituent material 21 having the same thickness as the completed anode 20 is applied on the support 10, the anode constituent material 21 is completely sintered. It is enforced by performing a main firing step of sintering under conditions.

比較例に係るアノード形成工程の場合、焼成時にアノード構成材料21が支持体10から剥離しながら焼結する場合がある。この場合、アノード20にクラックが入るおそれがある。この剥離の原因としては、アノード構成材料21の焼結が開始して体積収縮が開始する際に、支持体10とアノード構成材料21との密着度が十分でないことが考えられる。   In the case of the anode forming step according to the comparative example, the anode constituent material 21 may be sintered while being peeled from the support 10 during firing. In this case, the anode 20 may be cracked. As a cause of this peeling, it is considered that the degree of adhesion between the support 10 and the anode constituent material 21 is not sufficient when the sintering of the anode constituent material 21 is started and volume shrinkage is started.

より詳しく説明すると、比較例に係るアノード形成工程においてアノード構成材料21が焼結する場合、アノード構成材料21の上面が下面に比べて外部に露出していることから、アノード構成材料21の下面よりも上面の方が高温になり易くなる。したがって、アノード構成材料21の下面よりも上面の方が先に焼結を開始してしまう。それにより、アノード構成材料21の下面と支持体10との密着度が不十分の状態でアノード構成材料21の上面が下面よりも先に収縮を開始してしまう。その結果、アノード構成材料21の下面が支持体10から剥離してしまうと考えられる。   More specifically, when the anode constituent material 21 is sintered in the anode forming step according to the comparative example, the upper surface of the anode constituent material 21 is exposed to the outside as compared with the lower surface. However, the upper surface tends to be hot. Therefore, the upper surface starts sintering earlier than the lower surface of the anode constituent material 21. As a result, the upper surface of the anode constituent material 21 starts to contract before the lower surface in a state where the adhesion between the lower surface of the anode constituent material 21 and the support 10 is insufficient. As a result, it is considered that the lower surface of the anode constituent material 21 is peeled off from the support 10.

これに対して、本実施例に係るアノード形成工程によれば、アノード仮焼結体22上に配置されたアノード構成材料21の上面が本焼成工程において焼結を開始する際に、既にアノード仮焼結体22の下面は焼結を開始した状態になっている。すなわち、本実施例に係るアノード形成工程は、支持体10上に配置されたアノード構成材料21の下面の焼結開始がアノード構成材料21の上面の焼結開始よりも先になるように焼成する焼成工程を含んだ工程である。   On the other hand, according to the anode forming step according to the present embodiment, when the upper surface of the anode constituent material 21 disposed on the anode preliminary sintered body 22 starts sintering in the main firing step, the anode temporary The lower surface of the sintered body 22 is in a state where sintering is started. That is, the anode forming step according to the present example is fired so that the sintering start of the lower surface of the anode constituent material 21 disposed on the support 10 precedes the sintering start of the upper surface of the anode constituent material 21. It is a process including a baking process.

この場合、本焼成工程において、支持体10とアノード仮焼結体22とが密着した状態で、アノード仮焼結体22上のアノード構成材料21の上面が焼結を開始する。また、アノード仮焼結体22とアノード構成材料21との剥離は、両者が同じ材料のため抑制されている。よって、アノード20の支持体10からの剥離が抑制されている。その結果、アノード20にクラックが入ることが抑制されている。   In this case, in the main firing step, the upper surface of the anode constituent material 21 on the anode temporary sintered body 22 starts sintering while the support 10 and the anode temporary sintered body 22 are in close contact with each other. Further, peeling between the anode pre-sintered body 22 and the anode constituent material 21 is suppressed because both are the same material. Therefore, peeling of the anode 20 from the support 10 is suppressed. As a result, cracks in the anode 20 are suppressed.

続いて本実施例に係る電解質層形成工程について説明する。まず、図3(a)に示すように、アノード形成工程で製造されたアノード20上に電解質層30の構成材料(以下、電解質層構成材料31と称する)を塗布する。   Subsequently, an electrolyte layer forming step according to the present embodiment will be described. First, as shown in FIG. 3A, a constituent material of the electrolyte layer 30 (hereinafter referred to as an electrolyte layer constituent material 31) is applied on the anode 20 manufactured in the anode forming step.

次いで図3(b)に示すように、電解質層構成材料31を焼結が完了しない条件で仮焼結させる仮焼成工程を行う。焼結が完了しない条件の一例として、本実施例においては、後述する本焼成工程時の焼成温度よりも低い温度で焼成することを用いる。すなわち、本実施例の電解質層形成工程において、仮焼成工程における焼成温度は本焼成工程における焼成温度よりも低い。仮焼成工程後の電解質層構成材料を、電解質層仮焼結体32と称する。なお、電解質層仮焼結体32の厚みは特に限定されないが、例えば数μm程度である。   Next, as shown in FIG. 3B, a temporary firing step is performed in which the electrolyte layer constituent material 31 is presintered under the condition that the sintering is not completed. As an example of conditions under which the sintering is not completed, in this embodiment, firing at a temperature lower than the firing temperature in the main firing step described later is used. That is, in the electrolyte layer forming step of this example, the firing temperature in the temporary firing step is lower than the firing temperature in the main firing step. The electrolyte layer constituent material after the preliminary firing step is referred to as an electrolyte layer temporary sintered body 32. The thickness of the electrolyte layer pre-sintered body 32 is not particularly limited, but is about several μm, for example.

次いで図3(c)に示すように、電解質層仮焼結体32上に電解質層構成材料31をさらに塗布する。なお、この電解質層構成材料31の厚みは特に限定されないが、例えば数十μm程度である。次いで図4(a)に示すように、電解質層仮焼結体32および電解質層構成材料31を焼結が完了する温度で焼結させる本焼成工程を行う。それにより、電解質層仮焼結体32および電解質層構成材料31は緻密になるとともに一体化して図4(b)に示すような電解質層30になる。以上の工程により、電解質形成工程は行われる。   Next, as shown in FIG. 3C, an electrolyte layer constituting material 31 is further applied on the electrolyte layer temporary sintered body 32. The thickness of the electrolyte layer constituting material 31 is not particularly limited, but is, for example, about several tens of μm. Next, as shown in FIG. 4A, a main firing step is performed in which the electrolyte layer temporary sintered body 32 and the electrolyte layer constituent material 31 are sintered at a temperature at which the sintering is completed. Thereby, the electrolyte layer pre-sintered body 32 and the electrolyte layer constituent material 31 become dense and are integrated into an electrolyte layer 30 as shown in FIG. The electrolyte formation step is performed by the above steps.

本実施例に係る電解質層形成工程によれば、電解質層仮焼結体32上に配置された電解質層構成材料31の上面が焼結を開始する際に、既に電解質層仮焼結体32の下面は焼結を開始してアノード20に密着した状態になっている。それにより、電解質層30のアノード20からの剥離が抑制されている。その結果、電解質層30にクラックが入ることが抑制されている。   According to the electrolyte layer forming step according to the present embodiment, when the upper surface of the electrolyte layer constituent material 31 disposed on the electrolyte layer temporary sintered body 32 starts sintering, the electrolyte layer temporary sintered body 32 has already been sintered. The lower surface starts sintering and is in close contact with the anode 20. Thereby, peeling of the electrolyte layer 30 from the anode 20 is suppressed. As a result, cracks in the electrolyte layer 30 are suppressed.

続いて本実施例に係るカソード形成工程について説明する。まず、図5(a)に示すように、電解質層形成工程で製造された電解質層30上にカソード40の材料(以下、カソード構成材料41と称する)を塗布する。   Next, the cathode forming process according to this example will be described. First, as shown in FIG. 5A, a material of the cathode 40 (hereinafter referred to as a cathode constituent material 41) is applied on the electrolyte layer 30 manufactured in the electrolyte layer forming step.

次いで図5(b)に示すように、カソード構成材料41を焼結が完了しない条件で仮焼結させる仮焼成工程を行う。焼結が完了しない条件の一例として、本実施例においては、後述する本焼成工程時の焼成温度よりも低い温度で焼成することを用いる。すなわち、本実施例のカソード形成工程において、仮焼成工程における焼成温度は本焼成工程における焼成温度よりも低い。仮焼成工程後のカソード構成材料を、カソード仮焼結体42と称する。   Next, as shown in FIG. 5B, a temporary firing step is performed in which the cathode constituent material 41 is pre-sintered under the condition that the sintering is not completed. As an example of conditions under which the sintering is not completed, in this embodiment, firing at a temperature lower than the firing temperature in the main firing step described later is used. That is, in the cathode formation step of this example, the firing temperature in the temporary firing step is lower than the firing temperature in the main firing step. The cathode constituent material after the preliminary firing step is referred to as a cathode preliminary sintered body 42.

次いで図5(c)に示すように、カソード仮焼結体42上にカソード構成材料41をさらに塗布する。次いで図5(a)に示すように、カソード仮焼結体42およびカソード構成材料41を焼結が完了する温度で焼結させる本焼成工程を行う。それにより、カソード仮焼結体42およびカソード構成材料41は多孔質になるとともに一体化して図1に示すようなカソード40になる。以上の工程により、電解質形成工程は行われる。また、以上の工程により燃料電池100は製造される。   Next, as shown in FIG. 5C, a cathode constituent material 41 is further applied on the cathode preliminary sintered body 42. Next, as shown in FIG. 5A, a main firing step is performed in which the cathode preliminary sintered body 42 and the cathode constituent material 41 are sintered at a temperature at which the sintering is completed. Thereby, the cathode pre-sintered body 42 and the cathode constituent material 41 become porous and are integrated into a cathode 40 as shown in FIG. The electrolyte formation step is performed by the above steps. Further, the fuel cell 100 is manufactured through the above steps.

本実施例に係るカソード形成工程によれば、カソード仮焼結体42上に配置されたカソード構成材料41の上面が焼結を開始する際に、既にカソード仮焼結体42の下面は焼結を開始して電解質層30に密着した状態になっている。それにより、カソード40の電解質層30からの剥離が抑制されている。その結果、カソード40にクラックが入ることが抑制されている。   According to the cathode forming step according to the present embodiment, when the upper surface of the cathode constituent material 41 arranged on the cathode preliminary sintered body 42 starts sintering, the lower surface of the cathode preliminary sintered body 42 has already been sintered. Is in close contact with the electrolyte layer 30. Thereby, peeling of the cathode 40 from the electrolyte layer 30 is suppressed. As a result, cracks in the cathode 40 are suppressed.

なお、本実施例のアノード形成工程、電解質層形成工程およびカソード形成工程における仮焼成工程時および本焼成工程時の加熱手法は特に限定されない。例えば、赤外線ランプ、発熱体(発熱したSiC等)等の熱源を所望の場所に配置して仮焼成工程および本焼成工程を行えばよい。   In addition, the heating method at the time of the temporary baking process and the main baking process in the anode forming process, the electrolyte layer forming process, and the cathode forming process of the present embodiment is not particularly limited. For example, a heat source such as an infrared lamp or a heating element (heated SiC or the like) may be disposed in a desired place to perform the temporary firing step and the main firing step.

また、アノード形成工程、電解質層形成工程およびカソード形成工程のうち少なくともいずれか一つの工程が、仮焼成工程を有する焼成工程を含んでいればよい。なお、少なくとも電解質層形成工程が仮焼成工程を有する焼成工程を含んでいることが好ましい。アノード20およびカソード40は多孔質であり電解質層30は緻密なため、クラックが発生した場合の燃料電池100の性能低下は、アノード20およびカソード40よりも電解質層30の方が大きいからである。   Further, at least one of the anode forming step, the electrolyte layer forming step, and the cathode forming step may include a firing step having a temporary firing step. In addition, it is preferable that at least the electrolyte layer forming step includes a firing step having a temporary firing step. This is because the anode 20 and the cathode 40 are porous and the electrolyte layer 30 is dense, so that the performance degradation of the fuel cell 100 when cracks occur is larger in the electrolyte layer 30 than in the anode 20 and cathode 40.

また、本実施例において、アノード形成工程、電解質層形成工程およびカソード形成工程は仮焼成工程および焼成工程を含んでおり、構成材料を塗布して焼結させる工程を2回含んでいる。但し、構成材料を塗布して焼結させる工程の回数は限定されず、3回以上行われもよい。また、本実施例において仮焼成工程における焼成温度は本焼成工程における焼成温度よりも低く設定されているが、構成材料の焼結が完了しない条件であれば、これに限定されない。   In this embodiment, the anode forming step, the electrolyte layer forming step, and the cathode forming step include a temporary baking step and a baking step, and include a step of applying and sintering the constituent material twice. However, the number of times of applying and sintering the constituent material is not limited and may be performed three or more times. In this embodiment, the firing temperature in the preliminary firing step is set lower than the firing temperature in the main firing step, but the present invention is not limited to this as long as the sintering of the constituent materials is not completed.

続いて本発明の実施例2に係る燃料電池100の製造方法について説明する。まず、本実施例に係る電解質層形成工程について説明する。本実施例に係る電解質層形成工程は、仮焼成工程を行うことなく、電解質層30の剥離を抑制している点において、実施例1に係る電解質層形成工程と異なっている。図6(a)および図6(b)は、本実施例に係る電解質層形成工程の一例を示す模式的断面図である。まず、図6(a)に示すように、アノード20上に電解質層構成材料31を塗布する。このときの電解質層構成材料31の厚みは、完成後の電解質層30が所望の厚みになるように調整される。   Then, the manufacturing method of the fuel cell 100 which concerns on Example 2 of this invention is demonstrated. First, the electrolyte layer forming process according to the present embodiment will be described. The electrolyte layer forming step according to the present example is different from the electrolyte layer forming step according to Example 1 in that peeling of the electrolyte layer 30 is suppressed without performing a temporary firing step. FIG. 6A and FIG. 6B are schematic cross-sectional views showing an example of the electrolyte layer forming step according to the present example. First, as shown in FIG. 6A, an electrolyte layer constituting material 31 is applied on the anode 20. The thickness of the electrolyte layer constituting material 31 at this time is adjusted so that the completed electrolyte layer 30 has a desired thickness.

次いで図6(b)に示すように、電解質層構成材料31を焼結が完了する条件で焼結させる本焼成工程を行う。本実施例に係る本焼成工程は、電解質層構成材料31の温度が下面から上面にかけて順に低くなるように電解質層構成材料31を熱源によって加熱した状態で行われる。   Next, as shown in FIG. 6B, a main firing step is performed in which the electrolyte layer constituting material 31 is sintered under the conditions for completing the sintering. The main firing step according to the present example is performed in a state where the electrolyte layer constituent material 31 is heated by a heat source so that the temperature of the electrolyte layer constituent material 31 decreases in order from the lower surface to the upper surface.

この熱源による加熱の一例として、本実施例における本焼成工程は、支持体10の電解質層構成材料31と反対側に熱源200を配置し、支持体10の電解質層構成材料31側には熱源200を配置せずに行われる。この場合、支持体10、アノード20および電解質層構成材料31の順に温度が高くなる。その結果、電解質層構成材料31の温度は、下面から上面にかけて順に低くなる。熱源200の種類は特に限定されないが、本実施例では一例として赤外線ランプを用いる。以上の工程によって、本実施例に係る電解質層形成工程は行われる。   As an example of heating by this heat source, in the main baking step in the present embodiment, the heat source 200 is disposed on the side opposite to the electrolyte layer constituting material 31 of the support 10, and the heat source 200 is provided on the electrolyte layer constituting material 31 side of the support 10. Done without placing. In this case, the temperature increases in the order of the support 10, the anode 20, and the electrolyte layer constituent material 31. As a result, the temperature of the electrolyte layer constituent material 31 decreases in order from the lower surface to the upper surface. The type of the heat source 200 is not particularly limited, but an infrared lamp is used as an example in this embodiment. Through the above steps, the electrolyte layer forming step according to this example is performed.

本実施例に係る電解質層形成工程によれば、電解質層構成材料31の温度が下面から上面にかけて順に低くなっていることから、電解質層構成材料31は、下面から上面にかけて順に焼結を開始する。それにより、電解質層構成材料31は、下面がアノード20に密着してから上面にかけて焼結する。その結果、電解質層30のアノード20からの剥離が抑制され、電解質層30におけるクラックの発生が抑制されている。   According to the electrolyte layer forming step according to the present example, the temperature of the electrolyte layer constituent material 31 decreases in order from the lower surface to the upper surface, and thus the electrolyte layer constituent material 31 starts sintering in order from the lower surface to the upper surface. . As a result, the electrolyte layer constituent material 31 is sintered from the lower surface in close contact with the anode 20 to the upper surface. As a result, peeling of the electrolyte layer 30 from the anode 20 is suppressed, and the occurrence of cracks in the electrolyte layer 30 is suppressed.

なお、本実施例に係る電解質層形成工程の本焼成工程は、図6(b)の方法に限られない。図7は、実施例2に係る電解質層形成工程の他の例を示す模式的断面図である。図7において、支持体10の電解質層構成材料31と反対側に配置された熱源200の個数は、支持体10の電解質層構成材料31側に配置された熱源200の個数よりも多い。この場合においても、電解質層構成材料31の温度は、下面から上面にかけて順に低くなる。それにより、電解質層30のアノード20からの剥離が抑制され、電解質層30におけるクラックの発生が抑制される。   In addition, the main baking process of the electrolyte layer formation process which concerns on a present Example is not restricted to the method of FIG.6 (b). FIG. 7 is a schematic cross-sectional view illustrating another example of the electrolyte layer forming step according to the second embodiment. In FIG. 7, the number of the heat sources 200 arranged on the side opposite to the electrolyte layer constituting material 31 of the support 10 is larger than the number of the heat sources 200 arranged on the electrolyte layer constituting material 31 side of the support 10. Even in this case, the temperature of the electrolyte layer constituting material 31 decreases in order from the lower surface to the upper surface. Thereby, peeling of the electrolyte layer 30 from the anode 20 is suppressed, and the generation of cracks in the electrolyte layer 30 is suppressed.

本実施例に係るアノード形成工程も、電解質層形成工程と同様の方法で行われる。具体的には、アノード形成工程は、支持体10上にアノード構成材料を塗布した後に、仮焼成工程を行わずに本焼成工程が行われる。本焼成工程は、アノード構成材料の温度が下面から上面にかけて順に低くなるようにアノード構成材料を熱源200によって加熱した状態で行われる。この場合、アノード構成材料は下面から上面にかけて順に焼結を開始する。その結果、アノードの剥離が抑制され、クラックの発生が抑制される。   The anode forming step according to the present example is also performed by the same method as the electrolyte layer forming step. Specifically, in the anode forming step, after the anode constituent material is applied on the support 10, the main firing step is performed without performing the temporary firing step. The main firing step is performed in a state where the anode constituent material is heated by the heat source 200 so that the temperature of the anode constituent material decreases in order from the lower surface to the upper surface. In this case, the anode constituent material starts sintering sequentially from the lower surface to the upper surface. As a result, peeling of the anode is suppressed, and generation of cracks is suppressed.

また、本実施例に係るカソード形成工程も、電解質層形成工程と同様の方法で行われる。具体的には、カソード形成工程は、電解質層30上にカソード構成材料を塗布した後に、仮焼成工程を行わずに本焼成工程が行われる。本焼成工程は、カソード構成材料の温度が下面から上面にかけて順に低くなるようにカソード構成材料を熱源200によって加熱した状態で行われる。この場合、カソード構成材料は下面から上面にかけて順に焼結を開始する。その結果、カソードの剥離が抑制され、クラックの発生が抑制される。   Further, the cathode forming step according to the present embodiment is also performed by the same method as the electrolyte layer forming step. Specifically, in the cathode forming step, after the cathode constituent material is applied on the electrolyte layer 30, the main firing step is performed without performing the temporary firing step. The main firing step is performed in a state where the cathode constituent material is heated by the heat source 200 so that the temperature of the cathode constituent material decreases in order from the lower surface to the upper surface. In this case, the cathode constituent material starts sintering sequentially from the lower surface to the upper surface. As a result, the peeling of the cathode is suppressed and the generation of cracks is suppressed.

なお、本実施例において、アノード形成工程、電解質層形成工程およびカソード形成工程のうち少なくともいずれか一つの工程が、本実施例に係る焼成工程、すなわち焼成される構成部材の温度が下面から上面にかけて順に低くなるような焼成工程を含んでいればよい。また、実施例1に係るアノード形成工程、電解質層形成工程およびカソード形成工程において、熱源200を図6(b)または図7のように配置して行ってもよい。   In this embodiment, at least one of the anode forming step, the electrolyte layer forming step, and the cathode forming step is a firing step according to this embodiment, that is, the temperature of the component to be fired is from the lower surface to the upper surface. What is necessary is just to include the baking process which becomes low in order. Further, in the anode forming step, the electrolyte layer forming step, and the cathode forming step according to Example 1, the heat source 200 may be arranged as shown in FIG. 6B or FIG.

また、実施例1および実施例2に係る製造方法は、支持体10、カソード40、電解質層30およびアノード20がこの順に積層された構造を有する燃料電池を製造する場合に適用してもよい。この場合、カソード40の支持体10からの剥離、電解質層30のカソード40からの剥離およびアノード20の電解質層30からの剥離を抑制することができる。   The manufacturing method according to the first and second embodiments may be applied when manufacturing a fuel cell having a structure in which the support 10, the cathode 40, the electrolyte layer 30, and the anode 20 are laminated in this order. In this case, peeling of the cathode 40 from the support 10, peeling of the electrolyte layer 30 from the cathode 40, and peeling of the anode 20 from the electrolyte layer 30 can be suppressed.

10 支持体
11 孔
20 アノード
21 アノード構成材料
22 アノード仮焼結体
30 電解質層
31 電解質層構成材料
32 電解質層仮焼結体
40 カソード
41 カソード構成材料
42 カソード仮焼結体
100 燃料電池
200 熱源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Support body 11 Hole 20 Anode 21 Anode constituent material 22 Anode temporary sintered body 30 Electrolyte layer 31 Electrolyte layer constituent material 32 Electrolyte layer temporary sintered body 40 Cathode 41 Cathode constituent material 42 Cathode temporary sintered body 100 Fuel cell 200 Heat source

Claims (9)

第1部材および第2部材を備える燃料電池の製造方法であって、
前記第1部材上において前記第2部材を焼結させる焼成工程を含み、
前記焼成工程において、前記第2部材の下面の焼結開始が前記第2部材の上面の焼結開始よりも先になるように焼成する焼成工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
A method of manufacturing a fuel cell comprising a first member and a second member,
Including a firing step of sintering the second member on the first member;
The method for manufacturing a fuel cell, comprising: a firing step in which the firing of the lower surface of the second member is preceded by the firing of the upper surface of the second member in the firing step.
前記焼成工程は、前記第1部材上に前記第2部材を構成する第2部材構成材料を塗布して焼結させる工程を複数回含むことを特徴とする請求項1記載の燃料電池の製造方法。   2. The method of manufacturing a fuel cell according to claim 1, wherein the firing step includes a step of applying and sintering a second member constituting material constituting the second member on the first member a plurality of times. . 前記焼成工程は、
焼結が完了しない条件で前記第2部材構成材料を仮焼結させる仮焼成工程と、
前記仮焼結させた前記第2部材構成材料上に第2部材構成材料をさらに配置し、仮焼結させた前記第2部材構成材料およびさらに配置された前記第2部材構成材料を焼結させる本焼成工程と、を含むことを特徴とする請求項2記載の燃料電池の製造方法。
The firing step includes
A pre-baking step of pre-sintering the second member constituent material under conditions where sintering is not completed;
A second member constituent material is further disposed on the presintered second member constituent material, and the presintered second member constituent material and the further disposed second member constituent material are sintered. The method for producing a fuel cell according to claim 2, further comprising a main firing step.
前記仮焼成工程における焼成温度は、前記本焼成工程における焼成温度よりも低いことを特徴とする請求項3記載の燃料電池の製造方法。   The method for producing a fuel cell according to claim 3, wherein a firing temperature in the temporary firing step is lower than a firing temperature in the main firing step. 前記焼成工程において、前記第2部材の温度が下面から上面にかけて順に低くなるようにすることを特徴とする請求項1記載の燃料電池の製造方法。   2. The method of manufacturing a fuel cell according to claim 1, wherein, in the firing step, the temperature of the second member decreases in order from the lower surface to the upper surface. 前記焼成工程において、前記第1部材の前記第2部材と反対側に熱源を配置することを特徴とする請求項5記載の燃料電池の製造方法。   6. The method of manufacturing a fuel cell according to claim 5, wherein, in the firing step, a heat source is disposed on the opposite side of the first member to the second member. 前記第1部材は電極、前記第2部材は固体酸化物電解質であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。   The fuel cell manufacturing method according to claim 1, wherein the first member is an electrode, and the second member is a solid oxide electrolyte. 前記第1部材は多孔質基材、前記第2部材は固体酸化物を含む電極であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。   The method for producing a fuel cell according to claim 1, wherein the first member is a porous base material, and the second member is an electrode containing a solid oxide. 前記第1部材は固体酸化物電解質、前記第2部材は固体酸化物を含む電極であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。   The fuel cell manufacturing method according to claim 1, wherein the first member is a solid oxide electrolyte, and the second member is an electrode containing a solid oxide.
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