JP2012104407A - 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

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte-electrode assembly (MEA) which comprises an electrolyte made of a zirconium-based oxide and held between an anode side electrode and a cathode side electrode, and an intermediate layer made of a cerium-based oxide and set between the cathode side electrode and the solid electrolyte, and shows excellent electrical properties.SOLUTION: The MEA10, for example, comprises a solid electrolyte 16 made of a zirconium-based oxide such as 8YSZ and held between an anode side electrode 12 and a cathode side electrode 14. An intermediate layer 18 made of a cerium-based oxide is set between the solid electrolyte 16 and the cathode side electrode 14. The intermediate layer 18 may contain Zr diffused from the solid electrolyte 16, and the amount of diffusion is 40 atom% at the maximum. The cathode side electrode 14 formed on the intermediate layer 18 comprises, for example, a first layer 22a adjacent to the intermediate layer 18, and a second layer 22b adjacent to the first layer 22a.

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(SOFC)の単位セルは、基本的には、特許文献1、2等に記載されるように、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(MEA)が1組のセパレータ間に介装されることで構成される。前記アノード側電極の材質としては、Ni−Y23安定化ZrO2(YSZ)のサーメットが主流である。また、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、YSZが好適に選定される。 A unit cell of a solid oxide fuel cell (SOFC) is basically composed of an electrolyte, which is configured by sandwiching a solid electrolyte between an anode side electrode and a cathode side electrode, as described in Patent Documents 1 and 2, etc. An electrode assembly (MEA) is interposed between a pair of separators. As the material of the anode side electrode, Ni-Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 (YSZ) cermet is mainly used. In addition, as the material of the solid electrolyte, a material having high oxide ion (O 2− ) conductivity is adopted, and YSZ is particularly preferably selected.

一方、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型複合酸化物が選定されることがある。 On the other hand, the cathode side electrode has both high ionic conductivity and electronic conductivity, has an electrode reaction that occurs on the cathode side electrode of oxygen, that is, has a catalytic activity for oxygen dissociation reaction, 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 type complex oxide represented by LaMO 3 (M = Mn, Co, Fe) may be selected as the material of the cathode side electrode.

この種のペロブスカイト型複合酸化物の中、LaCoO3や、Laの一部をSrで置換したLaxSr1-xCoO3(いわゆる「LSC」)、Coの一部をFeで置換したLaxSr1-xCoyFe1-y3(いわゆる「LSCF」)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。また、特許文献2では、Laの一部をSrで置換した(La,Sr)MnO3からカソード側電極を構成している。 In this type of perovskite-type composite oxide, LaCoO 3 or, La x Sr 1-x CoO 3 where a portion of La was substituted by Sr (the so-called "LSC"), La x a part of Co substituted with Fe When the cathode side electrode is formed using Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3 (so-called “LSCF”), the overvoltage of the SOFC can be reduced. In Patent Document 2, a portion of La was substituted by Sr (La, Sr) constitutes the cathode from MnO 3.

ところで、LSC又はLSCF中のLaやSrは、MEAの製造過程で焼成処理を施したときや、SOFCの運転中、すなわち、高温時に、固体電解質をなすYSZ中のZrと反応を起こす可能性がある。このような事態が生じると、高抵抗の反応生成物層を形成して導電性を低下させてしまう。   By the way, there is a possibility that La and Sr in LSC or LSCF react with Zr in YSZ forming a solid electrolyte when firing is performed in the MEA manufacturing process or during operation of SOFC, that is, at a high temperature. is there. When such a situation occurs, a high-resistance reaction product layer is formed and the conductivity is lowered.

これを回避するべく、特許文献3及び非特許文献1に記載されるように、反応防止層としての中間層を介装することが行われている。なお、これら特許文献3及び非特許文献1においては、CeO2系酸化物(例えば、Sm23をドープしたCeO2)を中間層の材質として選定している。 In order to avoid this, as described in Patent Document 3 and Non-Patent Document 1, an intermediate layer as a reaction preventing layer is interposed. In Patent Document 3 and Non-Patent Document 1, CeO 2 oxide (for example, CeO 2 doped with Sm 2 O 3 ) is selected as the material of the intermediate layer.

欧州特許第0722193号明細書European Patent No. 0722193 特公平7−118327号公報Japanese Patent Publication No.7-118327 特開2003−331866号公報JP 2003-331866 A

固体酸化物形燃料電池:SOFCの開発 株式会社シーエムシー出版発行 第171頁 2005年10月31日Solid Oxide Fuel Cell: Development of SOFC Published by CMC Publishing Co., Ltd. Page 171 October 31, 2005

特許文献3及び非特許文献1に特に言及されていないものの、CeO2系酸化物は、アノード側電極をなすNi−YSZ、固体電解質をなすYSZ、カソード側電極をなす前記ペロブスカイト型複合酸化物に比して焼結し難い難焼結性の物質である。焼成温度が十分ではなく、このために中間層が気孔を多く含む多孔質体として形成されると、中間層におけるカソード側電極に臨む側の端面で開口した気孔が存在するようになる。その結果、中間層とカソード側電極との接触面積が小さくなり、互いの導電経路が少なくなる。 Although not particularly mentioned in Patent Document 3 and Non-Patent Document 1, CeO 2 -based oxides include Ni—YSZ forming an anode side electrode, YSZ forming a solid electrolyte, and the perovskite type complex oxide forming a cathode side electrode. It is a hardly sinterable substance that is difficult to sinter. The firing temperature is not sufficient, and for this reason, when the intermediate layer is formed as a porous body containing many pores, there are pores opened at the end face of the intermediate layer facing the cathode side electrode. As a result, the contact area between the intermediate layer and the cathode side electrode is reduced, and the mutual conductive paths are reduced.

このような不具合を回避するべく、例えば、アノード側電極、固体電解質及び中間層を形成した後にこれらに対して同時に焼成処理を施すとき、CeO2系酸化物からなる中間層を十分に焼結して緻密化するに適切な温度が設定される。 In order to avoid such problems, for example, when an anode side electrode, a solid electrolyte, and an intermediate layer are formed and then subjected to a firing treatment at the same time, the intermediate layer made of CeO 2 oxide is sufficiently sintered. The temperature is set appropriately for densification.

しかしながら、このようにして緻密な中間層を形成した場合であっても、予測される電気的特性が発現しない電解質・電極接合体が得られることがある。すなわち、ジルコニウム系酸化物を固体電解質とし、且つセリウム系酸化物を中間層とする電解質・電極接合体を製造すると、場合によって、電気的特性が十分とはいえないものが作製されてしまうという不具合が顕在化している。   However, even when a dense intermediate layer is formed in this way, an electrolyte / electrode assembly that does not exhibit the expected electrical characteristics may be obtained. That is, when an electrolyte / electrode assembly having a zirconium-based oxide as a solid electrolyte and a cerium-based oxide as an intermediate layer is manufactured, a product with insufficient electrical characteristics may be produced in some cases. Has become apparent.

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、良好な電気的特性を示す電解質・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 an object of the present invention is to provide an electrolyte / electrode assembly exhibiting good electrical characteristics and a method for producing the same.

本発明者は、緻密な中間層を形成した場合であっても、予測される電気的特性が発現しない電解質・電極接合体が作製される理由につき鋭意検討を行う過程で、焼成処理を施す際、固体電解質に含まれるZrが活性化されて中間層に拡散するとの知見を得た。この知見に基づき、カソード側電極を焼き付ける際に、カソード側電極の構成元素と、中間層に拡散したZrとで高抵抗の反応生成物層が形成されると推察した。   The present inventor, when forming a dense intermediate layer, when conducting a firing process in the process of earnestly examining the reason for producing an electrolyte / electrode assembly that does not exhibit the expected electrical characteristics The present inventors have found that Zr contained in the solid electrolyte is activated and diffuses into the intermediate layer. Based on this knowledge, it was inferred that when the cathode side electrode was baked, a reaction product layer having a high resistance was formed by the constituent elements of the cathode side electrode and Zr diffused in the intermediate layer.

そして、固体電解質に含まれるZrが中間層に過度に拡散することを回避するという見地からさらなる検討を重ね、本発明をするに至った。   Further studies have been made from the viewpoint of avoiding excessive diffusion of Zr contained in the solid electrolyte into the intermediate layer, and the present invention has been made.

すなわち、本発明は、ジルコニウム系酸化物からなる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形成され、前記固体電解質と前記カソード側電極の間に中間層が介装された電解質・電極接合体であって、
前記カソード側電極は、少なくとも、BaxSr1-xCoyFe1-y3、LaxSr1-xCoyFe1-y3、又はLaxSr1-xCoO3で表されるペロブスカイト型複合酸化物からなり且つ前記中間層に隣接する第1層を有し、
前記中間層は、セリウム系酸化物からなり、且つ前記固体電解質から拡散したZr量が40原子%以下であることを特徴とする。
That is, the present invention provides an electrolyte / electrode in which a solid electrolyte made of a zirconium-based oxide is sandwiched between an anode-side electrode and a cathode-side electrode, and an intermediate layer is interposed between the solid electrolyte and the cathode-side electrode. A joined body,
The cathode side electrode is represented by at least Ba x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3 , La x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3 , or La x Sr 1-x CoO 3. And a first layer adjacent to the intermediate layer,
The intermediate layer is made of a cerium-based oxide, and the amount of Zr diffused from the solid electrolyte is 40 atomic% or less.

すなわち、本発明においては、セリウム系酸化物からなる中間層に含まれるZrの拡散量が40原子%以下に設定される。この場合、カソード側電極との界面となる中間層表面に存在するZrの量が少ないので、カソード側電極の構成元素と、中間層に拡散したZrとで高抵抗の反応生成物層が形成されることが回避される。仮に反応生成物層が形成されたとしても、その量は僅かである。   That is, in the present invention, the diffusion amount of Zr contained in the intermediate layer made of cerium-based oxide is set to 40 atomic% or less. In this case, since the amount of Zr present on the surface of the intermediate layer serving as the interface with the cathode side electrode is small, a reaction product layer having a high resistance is formed by the constituent elements of the cathode side electrode and Zr diffused in the intermediate layer. Is avoided. Even if a reaction product layer is formed, the amount is small.

従って、MEAの導電性が低下することが回避される。このため、優れた電気的特性を示すMEAを構成することができる。   Therefore, a decrease in the conductivity of the MEA is avoided. For this reason, MEA which shows the outstanding electrical property can be comprised.

カソード側電極は、前記第1層のみからなる単層構造とすることができる。この場合、該第1層としては、厚みが5〜50μm、気孔率が20〜30%であるものが好ましい。これにより、カソード側電極(第1層)において酸化剤ガスが容易に拡散し得るようになる。   The cathode side electrode may have a single layer structure composed of only the first layer. In this case, the first layer preferably has a thickness of 5 to 50 μm and a porosity of 20 to 30%. As a result, the oxidant gas can be easily diffused in the cathode side electrode (first layer).

カソード側電極は、前記第1層と、該第1層に隣接する第2層とを有する複数層構造であってもよい。この場合、第2層を、BaxSr1-xCoyFe1-y3、LaxSr1-xCoyFe1-y3、又はLaxSr1-xCoO3で表されるペロブスカイト型複合酸化物から形成すればよい。 The cathode side electrode may have a multi-layer structure including the first layer and a second layer adjacent to the first layer. In this case, the second layer is represented by Ba x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3, La x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3, or La x Sr 1-x CoO 3 The perovskite complex oxide may be used.

この場合、第1層の相対密度は95%以上であることが好ましい。第1層の相対密度が過度に小さいと、中間層と第1層との接触面積が十分でなくなる懸念がある。なお、第1層の厚みは0.2〜10μm程度で十分である。   In this case, the relative density of the first layer is preferably 95% or more. When the relative density of the first layer is excessively small, there is a concern that the contact area between the intermediate layer and the first layer is not sufficient. In addition, about 0.2-10 micrometers is enough for the thickness of a 1st layer.

また、第2層は実質的にガス拡散層として機能するので、酸化剤ガスが容易に拡散し得る厚み及び気孔率であることが好ましい。この観点から、第2層の厚みを5〜50μm、気孔率を20〜30%に設定することが好ましい。   Moreover, since the second layer substantially functions as a gas diffusion layer, it is preferable that the second layer has a thickness and a porosity that allow the oxidant gas to be easily diffused. From this viewpoint, it is preferable to set the thickness of the second layer to 5 to 50 μm and the porosity to 20 to 30%.

中間層は、多孔質体であってもよい。この場合、該中間層における第1層に臨む側の端面で開口した気孔が、第1層によって充填される。従って、この場合においても、中間層と第1層との接触面積が確保される。   The intermediate layer may be a porous body. In this case, pores opened at the end surface facing the first layer in the intermediate layer are filled with the first layer. Therefore, also in this case, a contact area between the intermediate layer and the first layer is ensured.

中間層の厚みは、固体電解質とカソード側電極との相互反応を防止し得る程度であればよく、具体的には、0.1〜5μmが好適である。   The thickness of the intermediate layer is not particularly limited as long as the interaction between the solid electrolyte and the cathode electrode can be prevented, and specifically, 0.1 to 5 μm is preferable.

また、本発明は、ジルコニウム系酸化物からなる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形成され、前記固体電解質と前記カソード側電極の間に中間層が介装された電解質・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を設けた後、前記固体電解質の残余の他端面にセリウム系酸化物からなる中間層を介して、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、該固体電解質上にセリウム系酸化物からなる中間層を介して、前記カソード側電極を、少なくとも、BaxSr1-xCoyFe1-y3、LaxSr1-xCoyFe1-y3、又はLaxSr1-xCoO3で表されるペロブスカイト型複合酸化物からなり且つ前記中間層に隣接する第1層を有するものとして形成する工程を有し、
前記固体電解質から拡散して前記セリウム系酸化物からなる中間層に含まれるZr量を40原子%以下とすることを特徴とする。
The present invention also provides an electrolyte / electrode in which a solid electrolyte composed of a zirconium-based oxide is sandwiched between an anode side electrode and a cathode side electrode, and an intermediate layer is interposed between the solid electrolyte and the cathode side electrode. A method for manufacturing a joined body, comprising:
An anode side electrode is provided directly on one end surface of the solid electrolyte or via an intermediate layer, and then the remaining other end surface of the solid electrolyte is provided via an intermediate layer made of a cerium-based oxide or on the anode side electrode. After providing the solid electrolyte directly on one end face or via an intermediate layer, the cathode side electrode is at least Ba x Sr 1-x via an intermediate layer made of a cerium-based oxide on the solid electrolyte. Co y Fe 1-y O 3 , La x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3, or expressed by La x Sr 1-x CoO 3 consists perovskite complex oxide and adjacent to the intermediate layer Having a step of forming as having a first layer,
The amount of Zr diffused from the solid electrolyte and contained in the intermediate layer made of the cerium-based oxide is 40 atomic% or less.

以上のようにしてセリウム系酸化物からなる中間層に含まれるZr量を40原子%以下に抑制することにより、優れた電気化学的特性を示すMEAを得ることができる。   As described above, by suppressing the amount of Zr contained in the intermediate layer made of a cerium-based oxide to 40 atomic% or less, an MEA exhibiting excellent electrochemical characteristics can be obtained.

カソード側電極を前記第1層のみからなる単層構造とする場合、厚みが5〜50μm、気孔率が20〜30%である層を形成することが好ましい。このような構成のカソード側電極(第1層)においては、酸化剤ガスが容易に拡散するからである。   When the cathode side electrode has a single layer structure composed of only the first layer, it is preferable to form a layer having a thickness of 5 to 50 μm and a porosity of 20 to 30%. This is because the oxidant gas easily diffuses in the cathode side electrode (first layer) having such a configuration.

また、カソード側電極を、第1層と、該第1層に隣接する第2層とを有する複数層構造として形成する場合、第2層を、BaxSr1-xCoyFe1-y3、LaxSr1-xCoyFe1-y3、又はLaxSr1-xCoO3で表されるペロブスカイト型複合酸化物から設ければよい。 Further, when the cathode side electrode is formed as a multi-layer structure having the first layer and the second layer adjacent to the first layer, the second layer is formed of Ba x Sr 1-x Co y Fe 1-y. O 3, La x Sr 1- x Co y Fe 1-y O 3, or La x Sr 1-x CoO may be provided from the perovskite-type composite oxide represented by 3.

この場合、第1層を緻密なものとする一方、第2層を、酸化剤ガスが容易に拡散し得る厚みの多孔質体とすることが好ましい。この観点から、第1層を、相対密度が95%以上、厚みが0.2〜10μm程度のものとして形成するとともに、第2層を、厚みが5〜50μm、気孔率が20〜30%のものとして形成することが好ましい。   In this case, it is preferable to make the first layer dense, while making the second layer a porous body having a thickness that allows the oxidant gas to easily diffuse. From this viewpoint, the first layer is formed with a relative density of 95% or more and a thickness of about 0.2 to 10 μm, and the second layer has a thickness of 5 to 50 μm and a porosity of 20 to 30%. It is preferable to form as a thing.

以上のような緻密な第1層と多孔質な第2層を得るためには、例えば、第1層の出発材料として小粒径のものを選定し、且つ第2層の出発材料として大粒径のものを選定すればよい。この場合の具体例としては、第1層を形成する際には一次粒子が20〜80nmであり且つ二次粒子が0.1〜0.2μmである粒子を用いるとともに、第2層を形成する際には平均粒径が0.5〜1.2μmである粒子を用いることを挙げることができる。   In order to obtain the dense first layer and the porous second layer as described above, for example, a material having a small particle size is selected as the starting material for the first layer, and a large particle is used as the starting material for the second layer. What is necessary is just to select the diameter. As a specific example in this case, when the first layer is formed, particles having primary particles of 20 to 80 nm and secondary particles of 0.1 to 0.2 μm are used, and the second layer is formed. In some cases, it is possible to use particles having an average particle diameter of 0.5 to 1.2 μm.

上記したように、中間層は多孔質体であってもよい。この場合、中間層は、先ず、粒子から成形体を設け、その後、前記成形体を仮焼結させることで得ることができる。そして、該中間層の一端面に存在する開口した気孔を前記第1層で充填すればよい。   As described above, the intermediate layer may be a porous body. In this case, the intermediate layer can be obtained by first providing a compact from the particles and then pre-sintering the compact. And the open pore which exists in the end surface of this intermediate | middle layer should just be filled with the said 1st layer.

さらに、固体電解質と第1層との相互反応を防止するとともに、電解質・電極接合体の電気抵抗を上昇させないという観点から、中間層の厚みを0.1〜5μmに設定することが好ましい。   Furthermore, it is preferable to set the thickness of the intermediate layer to 0.1 to 5 μm from the viewpoint of preventing the interaction between the solid electrolyte and the first layer and not increasing the electric resistance of the electrolyte / electrode assembly.

本発明によれば、電解質を源として拡散し、セリウム系酸化物からなりカソード側電極に隣接する中間層に到達するZrの量を40原子%以下に抑制するようにしているので、中間層とカソード側電極との間に、高抵抗の反応生成物層が形成されることが回避される。このため、電解質・電極接合体の内部抵抗が増加することが回避されるので、該電解質・電極接合体内で電荷が迅速に移動する。これにより、該電解質・電極接合体に優れた電気的特性が発現する。   According to the present invention, the amount of Zr that diffuses from the electrolyte and reaches the intermediate layer made of a cerium-based oxide and adjacent to the cathode side electrode is suppressed to 40 atomic% or less. It is avoided that a reaction product layer having a high resistance is formed between the cathode side electrode and the cathode side electrode. For this reason, an increase in the internal resistance of the electrolyte / electrode assembly is avoided, so that the charges move quickly in the electrolyte / electrode assembly. As a result, excellent electrical characteristics are exhibited in the electrolyte / electrode assembly.

中間層は、スクリーン印刷又はスパッタリングによって形成することが好適である。この場合、シート状成形体から中間層を形成したときよりも電気的特性が良好な電解質・電極接合体が得られる傾向があるからである。   The intermediate layer is preferably formed by screen printing or sputtering. This is because an electrolyte / electrode assembly with better electrical characteristics tends to be obtained than when an intermediate layer is formed from a sheet-like molded body.

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の要部拡大図である。It is a principal part enlarged view of MEA of FIG. 図2とは別部位のMEAの要部拡大図である。It is a principal part enlarged view of MEA of a site | part different from FIG. 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 schematic whole cross-sectional explanatory drawing of MEA which concerns on another embodiment. また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 schematic whole cross-sectional explanatory drawing of MEA which concerns on another embodiment. 実施例1〜4及び比較例1、2のMEAにおける中間層及びカソード側電極の諸物性を示した図表である。4 is a chart showing physical properties of an intermediate layer and a cathode side electrode in MEAs of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2; 実施例2、3及び比較例1、2の各MEAの電流密度−放電電圧曲線である。It is a current density-discharge voltage curve of each MEA of Examples 2 and 3 and Comparative Examples 1 and 2. 実施例2及び比較例2のMEAのコール−コールプロットである。4 is a Cole-Cole plot of MEAs of Example 2 and Comparative Example 2. 図10に示されるコール−コールプロットの第1部分、第2部分及び第3部分の各々における複素インピーダンス、及びその合計値を示す図表である。FIG. 11 is a chart showing complex impedances in each of the first part, the second part, and the third part of the Cole-Cole plot shown in FIG. 10 and their total values. 図9の第1部分、第2部分及び第3部分の定義を説明する定義説明図である。It is a definition explanatory drawing explaining the definition of the 1st part of Drawing 9, the 2nd part, and the 3rd part.

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。なお、以下における気孔率の数値は全て、酸化ニッケルを還元した後の値を示す。   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. In addition, all the numerical values of the porosity in the following show the value after reducing nickel oxide.

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のもの(いわゆる「ASC」)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 supporting type (so-called ““ ASC "). 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0.1〜5μm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 0.1 to 5 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、好適には、Sm23ドープCeO2(SDC)、Y23ドープCeO2(YDC)、Gd23ドープCeO2(GDC)、La23ドープCeO2(LDC)が挙げられる。特には、Sm23を10〜20mol%ドープしたCeO2(10〜20SDC)が用いられる。 The material of the intermediate layer 18 is not particularly limited as long as it has such a function, but is preferably Sm 2 O 3 doped CeO 2 (SDC), Y 2 O 3 doped CeO 2 (YDC). ), Gd 2 O 3 doped CeO 2 (GDC), La 2 O 3 doped CeO 2 (LDC). In particular, CeO 2 (10 to 20 SDC) doped with 10 to 20 mol% of Sm 2 O 3 is used.

中間層18には、Zrが含まれることがある。この理由は、中間層18を焼き付ける際の加熱によって固体電解質16に含まれるZrが活性化され、中間層18に拡散するためであると推察される。   The intermediate layer 18 may contain Zr. The reason for this is presumed to be that Zr contained in the solid electrolyte 16 is activated and diffused into the intermediate layer 18 by heating when baking the intermediate layer 18.

中間層18にZrが過度に含まれる場合、上記したように、カソード側電極14がLSC又はLSCF等のペロブスカイト型複合酸化物であるので、LaやSr等がZrと反応を起こす可能性がある。このため、中間層18としては、XPS等の分析機器によって求められるZrの拡散量が40原子%以下であるものが好適に選定される。なお、中間層18中のZrの拡散量は、下記の式(1)によって算出される。
Zrの拡散量=Zr/(Ce+Zr) …(1)
When Zr is excessively contained in the intermediate layer 18, as described above, since the cathode electrode 14 is a perovskite complex oxide such as LSC or LSCF, La, Sr, and the like may react with Zr. . For this reason, the intermediate layer 18 is preferably selected to have a Zr diffusion amount of 40 atomic% or less obtained by an analytical instrument such as XPS. The diffusion amount of Zr in the intermediate layer 18 is calculated by the following formula (1).
Zr diffusion amount = Zr / (Ce + Zr) (1)

Zrの拡散量は、例えば、中間層18を焼き付ける際の焼成処理温度によって制御することが可能である。すなわち、焼成処理温度が過度に高いと、Zrの活性化の度合いも大きくなり、中間層18への拡散量が多くなる。これとは逆に、焼成処理温度が低いと、Zrがさほどは活性化されないので、中間層18への拡散量が少なくなる。   The diffusion amount of Zr can be controlled by, for example, the firing temperature when the intermediate layer 18 is baked. That is, if the firing temperature is excessively high, the degree of Zr activation increases and the amount of diffusion into the intermediate layer 18 increases. On the contrary, when the firing temperature is low, Zr is not activated so much, and the amount of diffusion into the intermediate layer 18 is reduced.

従って、中間層18の焼成処理温度は、該中間層18へのZrの拡散量を40原子%以下に抑制し、且つ該中間層18を可及的に緻密化し得る範囲に設定される。このような温度範囲で焼成処理を施すことによって得られた中間層18は、多くの場合、図2に模式的に示すように、気孔20を含む多孔質体である。中間層18をなすCeO2系酸化物が難焼結性であるからである。 Therefore, the firing temperature of the intermediate layer 18 is set to a range in which the amount of Zr diffused into the intermediate layer 18 can be suppressed to 40 atomic% or less and the intermediate layer 18 can be densified as much as possible. In many cases, the intermediate layer 18 obtained by performing the baking treatment in such a temperature range is a porous body including pores 20 as schematically shown in FIG. This is because the CeO 2 oxide forming the intermediate layer 18 is hardly sinterable.

多孔質体からなる中間層18の気孔径は、走査型電子顕微鏡(SEM)の視野として確認される二次元断面の開口径の長径と短径の平均値として定義される。このように定義される気孔径は、最大でも3μm程度である。なお、中間層18の気孔率は、概ね25%程度であり、最大でも約40%程度である。   The pore diameter of the intermediate layer 18 made of a porous body is defined as the average value of the major axis and the minor axis of the opening diameter of a two-dimensional cross section that is confirmed as a field of view of a scanning electron microscope (SEM). The pore diameter defined as described above is about 3 μm at the maximum. The porosity of the intermediate layer 18 is about 25%, and about 40% at the maximum.

図2に示すように、気孔20の中には、カソード側電極14に臨む側の端面で開口するものも存在する。上記したように、気孔径が最大でも3μm程度であるので、この開口した気孔20の径も、最大で3μm程度である。   As shown in FIG. 2, some of the pores 20 open at the end face facing the cathode side electrode 14. As described above, since the pore diameter is about 3 μm at the maximum, the diameter of the opened pore 20 is also about 3 μm at the maximum.

中間層18上には、カソード側電極14が積層される(図1参照)。本実施の形態において、カソード側電極14は、中間層18側から第1層22a、第2層22bがこの順序で積層された積層体からなる。従って、中間層18には第1層22aが隣接する。   On the intermediate layer 18, the cathode side electrode 14 is laminated (see FIG. 1). In the present embodiment, the cathode side electrode 14 is composed of a laminate in which the first layer 22a and the second layer 22b are laminated in this order from the intermediate layer 18 side. Accordingly, the intermediate layer 18 is adjacent to the first layer 22a.

第1層22aの一端部(図2における下方)は、中間層18におけるカソード側電極14に臨む側の端面で開口した気孔20を充填する。このため、中間層18と第1層22aとの接触面積が大きくなる。   One end of the first layer 22a (downward in FIG. 2) fills the pores 20 opened at the end face of the intermediate layer 18 facing the cathode side electrode. For this reason, the contact area between the intermediate layer 18 and the first layer 22a is increased.

第1層22aの好ましい厚みは、0.2〜10μmである。0.2μm未満では、開口した気孔20を第1層22aで充填することが容易ではない。また、10μmを超えると、焼成処理時にクラックが発生する懸念がある。   A preferable thickness of the first layer 22a is 0.2 to 10 μm. If it is less than 0.2 μm, it is not easy to fill the open pores 20 with the first layer 22a. Moreover, when it exceeds 10 micrometers, there exists a possibility that a crack may generate | occur | produce at the time of a baking process.

ここで、第1層22aは、BaxSr1-xCoyFe1-y3、LaxSr1-xCoO3又はLaxSr1-xCoyFe1-y3で表されるペロブスカイト型複合酸化物、すなわち、いわゆるBSCF、LSC又はLSCFからなり、第2層22bに比して相対密度が大きな緻密体として形成される。なお、第1層22aの好ましい相対密度は、95%以上である。 Here, the first layer 22a is represented by Ba x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3, La x Sr 1-x CoO 3 or La x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3 Perovskite complex oxide, that is, so-called BSCF, LSC or LSCF, and is formed as a dense body having a relative density larger than that of the second layer 22b. The preferred relative density of the first layer 22a is 95% or more.

このような緻密な第1層22aを得るためには、BSCF等、易焼結性の出発材料を用いるようにすればよい。また、BET比表面積が高い粒子を用いるようにしてもよい。BET比表面積が高い粒子もまた、易焼結性であるからである。   In order to obtain such a dense first layer 22a, a readily sinterable starting material such as BSCF may be used. Further, particles having a high BET specific surface area may be used. This is because particles having a high BET specific surface area are also easily sinterable.

以上のように、第1層22aが中間層18の開口した気孔20を充填することと、第1層22aが緻密体であることとが相俟って、中間層18から第1層22aまでの導電経路が十分に確保される。   As described above, due to the fact that the first layer 22a fills the pores 20 opened in the intermediate layer 18 and the first layer 22a is a dense body, from the intermediate layer 18 to the first layer 22a. The conductive path is sufficiently secured.

第1層22aには、図3に示すように、第2層22bに臨む側の上端面(図3における上方)には、開気孔としての凹部24が存在する。場合によっては、凹部24が第2層22bを貫通し、このために凹部24内に中間層18の上端面が露呈することもある。なお、この図3では、第1層22aが緻密体であり、且つ第2層22bが多孔質体であることを表すべく、第1層22aを単純な層で示すとともに、第2層22bに粒界を示している。   As shown in FIG. 3, the first layer 22a has a concave portion 24 as an open pore on the upper end surface (upper side in FIG. 3) facing the second layer 22b. In some cases, the recess 24 penetrates the second layer 22 b, so that the upper end surface of the intermediate layer 18 may be exposed in the recess 24. In FIG. 3, the first layer 22a is shown as a simple layer and the second layer 22b is shown to indicate that the first layer 22a is a dense body and the second layer 22b is a porous body. Shows grain boundaries.

凹部24の存在は、第1層22aの上端面をSEMにて二次元的に観察することで確認される。この際の第1層22aの上端面全体の面積を100%としたとき、該上端面に存在する凹部24の全てを合計した面積の割合は、10〜30%程度である。換言すれば、第1層22aにおいて、緻密化部分の面積率は70〜90%である。   The presence of the recess 24 is confirmed by two-dimensionally observing the upper end surface of the first layer 22a with an SEM. In this case, when the area of the entire upper end surface of the first layer 22a is 100%, the ratio of the total area of all the recesses 24 existing on the upper end surface is about 10 to 30%. In other words, in the first layer 22a, the area ratio of the densified portion is 70 to 90%.

この凹部24には、第2層22bの下端部(図3における下方)から突出した凸部26が進入する。すなわち、第1層22aの開気孔(凹部24)は、第2層22bによって充填される。このため、第1層22aと第2層22bとの接触面積が大きくなる。その結果、第1層22aから第2層22bに至る導電経路が十分に確保される。   The convex part 26 which protruded from the lower end part (downward in FIG. 3) of the second layer 22b enters the concave part 24. That is, the open pores (recesses 24) of the first layer 22a are filled with the second layer 22b. For this reason, the contact area between the first layer 22a and the second layer 22b increases. As a result, a sufficient conductive path from the first layer 22a to the second layer 22b is secured.

以上から諒解されるように、本実施の形態においては、中間層18から第2層22bに至るまでに十分な導電経路が形成される。中間層18と第1層22aとの接触面積が十分に大きく、且つ第1層22aと第2層22bとの接触面積も十分に大きいからである。   As understood from the above, in the present embodiment, a sufficient conductive path is formed from the intermediate layer 18 to the second layer 22b. This is because the contact area between the intermediate layer 18 and the first layer 22a is sufficiently large, and the contact area between the first layer 22a and the second layer 22b is also sufficiently large.

図3には、凹部24と凸部26を含めた第1層22aと第2層22bの実接触界面を太実線で示すとともに、凹部24と凸部26を存在しないものとし、凹部24以外の部位と凸部26以外の部位との間に引いた境界線を太破線で示している。以降では、前者を実接触界面、後者を仮想境界線と表記し、各々の参照符号をL1、L2とする。   In FIG. 3, the actual contact interface between the first layer 22 a and the second layer 22 b including the concave portion 24 and the convex portion 26 is indicated by a thick solid line, and the concave portion 24 and the convex portion 26 are not present. A boundary line drawn between the part and the part other than the convex portion 26 is indicated by a thick broken line. Hereinafter, the former is referred to as an actual contact interface, the latter is referred to as a virtual boundary line, and the respective reference numerals are L1 and L2.

実接触界面L1の好ましい長さは、仮想境界線L2の長さの140〜200%である。140%未満であると、第1層22aと第2層22bとの接触面積が十分でなくなる可能性がある。また、200%超であることは、凹部24が過度に多数存在すること、換言すれば、第1層22aに気孔が過度に存在することを意味する。この場合、第1層22aと中間層18との接触面積が十分でなくなる可能性がある。   The preferred length of the actual contact interface L1 is 140 to 200% of the length of the virtual boundary line L2. If it is less than 140%, the contact area between the first layer 22a and the second layer 22b may not be sufficient. Further, exceeding 200% means that there are excessively many recesses 24, in other words, there are excessive pores in the first layer 22a. In this case, the contact area between the first layer 22a and the intermediate layer 18 may not be sufficient.

第2層22bは、カソード側電極14に供給された酸化剤ガスを拡散するためのガス拡散層として機能する。従って、第2層22bは、気孔率が20〜30%程度の多孔質体として設けられる。なお、気孔率が20%未満であると、酸化剤ガスが拡散することが容易ではない。また、30%を超えると強度が低下するので、破損が起こる懸念がある。   The second layer 22 b functions as a gas diffusion layer for diffusing the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 14. Therefore, the second layer 22b is provided as a porous body having a porosity of about 20 to 30%. Note that if the porosity is less than 20%, it is not easy for the oxidant gas to diffuse. Moreover, since intensity | strength will fall when it exceeds 30%, there exists a possibility that a failure | damage may occur.

また、第2層22bの好ましい厚みは、5〜50μmである。5μm未満であると、酸化剤ガスを供給し得る量が低減する。一方、50μmを超えると、酸化剤ガスが拡散することが容易でなくなる。   The preferred thickness of the second layer 22b is 5 to 50 μm. If it is less than 5 μm, the amount of oxidant gas that can be supplied is reduced. On the other hand, when it exceeds 50 μm, it becomes difficult for the oxidant gas to diffuse.

以上のように構成される第2層22bは、上記したBSCFやLSCF、又はLSC等のペロブスカイト型複合酸化物等によって形成することができる。   The second layer 22b configured as described above can be formed of the above-described perovskite complex oxide such as BSCF, LSCF, or LSC.

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を具備する燃料電池(SOFC)との関係で説明する。   The MEA 10 according to the present embodiment is basically configured as described above. Next, its operational effects will be described in relation to a fuel cell (SOFC) including the MEA 10.

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.

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を構成する第2層22b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第1層22a、中間層18及び固体電解質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. In the second layer 22b constituting the cathode side electrode 14, an ionization reaction of oxygen occurs, and oxide ions generated thereby move to the anode side electrode 12 side through the first layer 22a, the intermediate layer 18 and the solid electrolyte 16. .

ここで、上記したように、本実施の形態では、中間層18におけるZrの拡散量が40原子%以下に抑制されているので、中間層18に含まれるZrと第1層22aの構成元素とが反応を起こすことが抑制される。すなわち、中間層18と第1層22aとの間に高抵抗の反応生成物層が形成されることが回避される。勿論、中間層18が介装されているために、第1層22aと固体電解質16との相互反応が起こって反応生成物層が形成されることも防止される。   Here, as described above, in the present embodiment, the diffusion amount of Zr in the intermediate layer 18 is suppressed to 40 atomic% or less, so that Zr contained in the intermediate layer 18 and the constituent elements of the first layer 22a Is prevented from reacting. That is, the formation of a high-resistance reaction product layer between the intermediate layer 18 and the first layer 22a is avoided. Of course, since the intermediate layer 18 is interposed, it is possible to prevent the reaction product layer from being formed due to the mutual reaction between the first layer 22a and the solid electrolyte 16.

また、第1層22aの開口した気孔(凹部24)が第2層22bの凸部26によって充填され、且つ、中間層18の開口した気孔20が第1層22aによって充填されている。このため、第2層22bと第1層22aとの接触面積が大きくなり、且つ第1層22aと中間層18との接触面積が大きくなる。   In addition, the open pores (concave portion 24) of the first layer 22a are filled with the convex portions 26 of the second layer 22b, and the open pores 20 of the intermediate layer 18 are filled with the first layer 22a. For this reason, the contact area between the second layer 22b and the first layer 22a is increased, and the contact area between the first layer 22a and the intermediate layer 18 is increased.

その結果、第2層22bと第1層22aとの間の界面抵抗、及び、第1層22aと固体電解質16との間の界面抵抗が小さくなる。しかも、第1層22aは、好適には緻密なBSCFで形成されている。このため、導電率が大きい。なお、第1層22aがLSCF又はLSCからなる場合においても同様の結果が得られる。   As a result, the interface resistance between the second layer 22b and the first layer 22a and the interface resistance between the first layer 22a and the solid electrolyte 16 are reduced. Moreover, the first layer 22a is preferably formed of dense BSCF. For this reason, electrical conductivity is large. Similar results can be obtained when the first layer 22a is made of LSCF or LSC.

以上のように、中間層18におけるZrの拡散量が所定量以下に抑制されているために高抵抗の反応生成物層が形成されることが回避されることと、中間層18から第2層22bに至るまでに十分な導電経路が形成されていることとが相俟って、MEA10の電圧降下が小さくなる。従って、SOFCを大電流密度で放電する場合においても、比較的大きな放電電圧を得ることができる。   As described above, since the amount of Zr diffused in the intermediate layer 18 is suppressed to a predetermined amount or less, the formation of a high-resistance reaction product layer is avoided, and the intermediate layer 18 to the second layer are prevented. Combined with the formation of a sufficient conductive path up to 22b, the voltage drop of the MEA 10 is reduced. Therefore, even when the SOFC is discharged at a large current density, a relatively large discharge voltage can be obtained.

次に、本実施の形態に係るMEA10の製造方法につき説明する。   Next, a method for manufacturing MEA 10 according to the present embodiment will be described.

ASCであるMEA10を得るためには、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。   In order to obtain the MEA 10 which is ASC, 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、10〜20SDC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 together with a binder as described above to a solvent, and the intermediate layer 18 paste can be prepared by adding 10-20 SDC powder together with a binder as described above to a 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のシート状成形体を成形する。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 molded body of the solid electrolyte 16 is 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、このシート状成形体(すなわち、固体電解質16)をアノード側電極12に積層する。その後、ホットプレス等によって圧着を行うことにより、アノード側電極12及び固体電解質16からなる積層体が得られる。   Next, this sheet-like molded body (that is, the solid electrolyte 16) is laminated on the anode side electrode 12. Thereafter, a laminated body including the anode-side electrode 12 and the solid electrolyte 16 is obtained by performing pressure bonding by hot pressing or the like.

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、1100〜1400℃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及び固体電解質16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 1100-1400 degreeC, for example. By this firing treatment, the anode side electrode 12 and the solid electrolyte 16 cause thermal contraction.

本実施の形態では、シート状成形体を積層した後、アノード側電極12及び固体電解質16に対して温度や圧力を付与することで互いを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 the present embodiment, after the sheet-like molded bodies are laminated, the anode side electrode 12 and the solid electrolyte 16 are applied with a temperature and a pressure so as to be bonded to each other. As a result, the adjacent layers firmly adhere to each other, so that the layers are hardly separated during the firing process.

次に、前記積層体の固体電解質16上に、中間層18のペーストをスクリーン印刷によって塗布する。これにより、アノード側電極12、固体電解質16及び中間層18のペーストからなる積層体が得られる。   Next, the paste of the intermediate layer 18 is applied on the solid electrolyte 16 of the laminate by screen printing. As a result, a laminate composed of the anode side electrode 12, the solid electrolyte 16, and the intermediate layer 18 is obtained.

又は、中間層18を形成し得る素材からなるターゲットを用いてスパッタリングを行い、これにより、アノード側電極12及び固体電解質16からなる積層体の固体電解質16上に中間層18を形成するようにしてもよい。   Alternatively, sputtering is performed using a target made of a material that can form the intermediate layer 18, whereby the intermediate layer 18 is formed on the solid electrolyte 16 of the laminate composed of the anode side electrode 12 and the solid electrolyte 16. Also good.

次に、アノード側電極12、固体電解質16及び中間層18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、上記と同様に1100〜1400℃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, the laminated body of the anode side electrode 12, the solid electrolyte 16 and the intermediate layer 18 is subjected to a firing process. What is necessary is just to set the temperature in this case to 1100-1400 degreeC similarly to the above, for example. By this firing treatment, the anode side electrode 12, the solid electrolyte 16 and the intermediate layer 18 undergo thermal contraction.

上記の温度範囲では、アノード側電極12及び固体電解質16は良好に緻密化するが、CeO2系酸化物等のような難焼結性物質からなる中間層18は、容易には緻密化しない。従って、中間層18は、図2に示すように気孔20が多く存在する多孔質体となる。 In the above temperature range, the anode electrode 12 and the solid electrolyte 16 are well densified, but the intermediate layer 18 made of a hardly sinterable material such as CeO 2 oxide is not easily densified. Therefore, the intermediate layer 18 becomes a porous body having many pores 20 as shown in FIG.

また、上記したような温度範囲では、固体電解質16に含まれるZrが中間層18に拡散することが回避される。すなわち、中間層18に含まれるZrを40原子%以下に抑制することができる。   Further, in the temperature range as described above, it is avoided that Zr contained in the solid electrolyte 16 diffuses into the intermediate layer 18. That is, Zr contained in the intermediate layer 18 can be suppressed to 40 atomic% or less.

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22a、第2層22bの出発材料となるペーストを各々調製する。例えば、第1層22a、第2層22bのペーストは、それぞれ、BSCF、LSCF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 22a and the second layer 22b, respectively. For example, the pastes of the first layer 22a and the second layer 22b can be prepared by adding BSCF and LSCF powders together with a binder as described above to a solvent, respectively.

なお、第1層22aとして緻密なものを得るべく、BSCFの粉末としては、例えば、BET比表面積が大きなもの等の易焼結性のものが選定される。焼結を促進し得るBSCF粉末の好ましいBET比表面積は、20〜35m2/gである。 In order to obtain a dense layer as the first layer 22a, an easily sinterable one such as one having a large BET specific surface area is selected as the BSCF powder. The preferred BET specific surface area of the BSCF powder that can promote sintering is 20 to 35 m 2 / g.

そして、第1層22a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22a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22aが得られる厚みのものが選定される。この印刷に際し、余剰のペーストが中間層18の端面で開口した前記気孔20を充填する。   And the paste used as the 1st layer 22a is printed on the intermediate | middle layer 18 with a screen printing method. Here, the thickness of the first layer 22a 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 22a having a desired thickness is selected. In this printing, the excess paste fills the pores 20 opened at the end face of the intermediate layer 18.

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。この過程で、凹部24が形成される。   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. In this process, the recess 24 is formed.

次に、第2層22bとなるペーストを上記に準拠して第1層22a上に印刷する。この印刷により、余剰のペーストが第1層22aの端面で開口した気孔、すなわち、凹部24を充填する。   Next, the paste to be the second layer 22b is printed on the first layer 22a in accordance with the above. By this printing, the excess paste fills the pores opened at the end face of the first layer 22a, that is, the recesses 24.

その後、焼成処理を施す。この焼成処理に際しても、第1層22aと同様に、100〜200℃/時間の昇温速度で昇温した後、800〜1100℃で1〜4時間保持を行い、さらに、常温に到達するまで自然放冷すればよい。これにより、第1層22a及び第2層22bを有するカソード側電極14を含むMEA10が得られるに至る。   Then, a baking process is performed. Also in this firing process, the temperature is increased at a temperature increase rate of 100 to 200 ° C./hour as in the case of the first layer 22a, and then held at 800 to 1100 ° C. for 1 to 4 hours. Just let it cool naturally. As a result, the MEA 10 including the cathode-side electrode 14 having the first layer 22a and the second layer 22b is obtained.

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て、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 side 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, and further, the cathode side electrode 14 is formed by screen printing or the like and then dried and fired. May be applied.

本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。   The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

例えば、アノード側電極12と固体電解質16との間にも中間層を介装するようにしてもよい。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充填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。   For example, 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 filling irregularities 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、図4に示すように、固体電解質16を基板として作製される電解質支持型(ESC)のMEA30であってもよい。この場合、MEA30を構成する層の中では、固体電解質16の厚みが最大となる。固体電解質16の好適な厚みは、70〜100μm程度である。   Further, as shown in FIG. 4, an electrolyte supporting (ESC) MEA 30 manufactured using the solid electrolyte 16 as a substrate may be used. In this case, the thickness of the solid electrolyte 16 is maximized in the layers constituting the MEA 30. A suitable thickness of the solid electrolyte 16 is about 70 to 100 μm.

ESCであるMEA30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22a及び第2層22bを有す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 30 that is an ESC 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 on the remaining one end face in this order. Of course, the cathode side electrode 14 is formed as a laminated body having the first layer 22a and the second layer 22b. In ESC, the thickness of the anode side electrode 12 is set to about 50 to 100 μm, preferably about 90 μm.

また、カソード側電極は、単層構造のものであってもよい。すなわち、ASCであるMEA40を例示して図5に示すように、第1層22cのみでカソード側電極を構成するようにしてもよい。この場合、第1層22cを、図1に示すMEA10の第2層22bと同様に、厚みが5〜50μm、気孔率が20〜30%のものとして形成することが好ましい。   The cathode side electrode may have a single layer structure. That is, as illustrated in FIG. 5 exemplifying the MEA 40 that is an ASC, the cathode side electrode may be configured by only the first layer 22c. In this case, it is preferable to form the first layer 22c having a thickness of 5 to 50 μm and a porosity of 20 to 30%, similarly to the second layer 22b of the MEA 10 shown in FIG.

MEA40においては、中間層18を可及的に緻密なものとすることが望ましい。これにより、中間層18と、比較的多孔質である第1層22cとの接触面積が確保されるからである。   In the MEA 40, it is desirable to make the intermediate layer 18 as dense as possible. This is because the contact area between the intermediate layer 18 and the relatively porous first layer 22c is ensured.

勿論、ESCにおいても同様に、単層構造のカソード側電極を構成するようにしてもよい。   Of course, the cathode side electrode having a single-layer structure may be similarly formed in the ESC.

さらに、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。   Furthermore, although the said manufacturing method has illustrated and demonstrated the case where a sheet | seat body is produced, it is not specifically limited to this. 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.

さらにまた、第2層上に第3層を積層するようにしてもよい。この場合、第3層としては、電子拡散機能を営むものが好適である。すなわち、第3層を電子拡散層として形成することが好ましい。   Furthermore, a third layer may be laminated on the second layer. In this case, the third layer preferably has an electron diffusion function. That is, it is preferable to form the third layer as an electron diffusion layer.

このような機能を営む第3層の材質としては、SOFCの運転温度において、カソード側電極をなす物質に比して電子伝導度が大きく、且つ酸素を還元することが可能な物質が選定される。この物質の好適な例としては、希土類元素A、遷移金属元素C、及び酸素Oを含有し、組成式がACO3で表される複合酸化物を挙げることができる。 As the material of the third layer that performs such a function, a material that has a higher electron conductivity than the material that forms the cathode side electrode at the operating temperature of the SOFC and that can reduce oxygen is selected. . As a preferable example of this substance, a complex oxide containing a rare earth element A, a transition metal element C, and oxygen O and having a composition formula represented by ACO 3 can be given.

希土類元素Aの好適な例としては、La、Sm、Nd、Prの群から選択された少なくともいずれか1種を挙げることができ、一方、遷移金属元素Cの好適な例としては、Co、Fe、Ni、Cr、Mn、Gaの群から選択された少なくともいずれか1種を挙げることができる。具体的な一例としては、LaCoO3が挙げられる。 Preferred examples of the rare earth element A include at least one selected from the group of La, Sm, Nd, and Pr. On the other hand, suitable examples of the transition metal element C include Co, Fe, and the like. , Ni, Cr, Mn, and Ga. At least one selected from the group of Ga can be used. A specific example is LaCoO 3 .

又は、LSCFやLSC等で第3層を構成するようにしてもよい。   Or you may make it comprise a 3rd layer by LSCF, LSC, etc. FIG.

そして、中間層18は、シート状成形体から形成されたものであってもよい。このようなシート状成形体は、固体電解質16と同様に、ペーストを用いてドクターブレード法等の適切な成形方法を実施することで得ることができる。   And the intermediate | middle layer 18 may be formed from the sheet-like molded object. Similar to the solid electrolyte 16, such a sheet-like molded body can be obtained by performing an appropriate molding method such as a doctor blade method using a paste.

このようにしてシート状成形体から形成された中間層18を具備するMEA10においても、従来技術に係るMEAに比して十分に優れた電気的特性が発現する。   The MEA 10 having the intermediate layer 18 formed from the sheet-like molded body in this way also exhibits sufficiently excellent electrical characteristics as compared with the MEA according to the conventional technology.

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、アノード側電極と固体電解質の積層体を得た。さらに、スパッタリングを行うことによって、前記積層体における固体電解質上に中間層を形成し、その後、焼成処理を施して焼結体とした。このときの中間層の厚みは0.2μm、上記式(1)によって求められたZrの拡散量は8原子%であった。   In accordance with the above, a sheet-like molded body made of NiO-YSZ and having a thickness of 100 μm and a sheet-like molded body made of 8YSZ and having a thickness of 10 μm were prepared, and then laminated in this order and subjected to a firing treatment, whereby the anode-side electrode and the solid An electrolyte laminate was obtained. Further, by performing sputtering, an intermediate layer was formed on the solid electrolyte in the laminate, and then a firing treatment was performed to obtain a sintered body. At this time, the thickness of the intermediate layer was 0.2 μm, and the diffusion amount of Zr determined by the above formula (1) was 8 atomic%.

その一方で、一次粒子の平均粒径が20〜80nmで且つ二次粒子の平均粒径が0.1〜0.2μmであるBa0.5Sr0.5Co0.8Fe0.23の粉末をBSCFとして含む第1ペーストと、平均粒径が0.7μmであるLa0.5Sr0.5CoO3の粉末をLSCとして含む第2ペーストとを調製した。 On the other hand, a powder containing Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 having an average primary particle diameter of 20 to 80 nm and an average secondary particle diameter of 0.1 to 0.2 μm as BSCF. 1 paste and a second paste containing La 0.5 Sr 0.5 CoO 3 powder having an average particle diameter of 0.7 μm as LSC were prepared.

この中の第1ペーストをスクリーン印刷によって中間層上に印刷した。これを乾燥した後に900℃で焼成処理を施して、厚み5μm、相対密度97%(気孔率3%)、面積率78%の第1層を得た。   The 1st paste in this was printed on the intermediate | middle layer by screen printing. This was dried and fired at 900 ° C. to obtain a first layer having a thickness of 5 μm, a relative density of 97% (porosity of 3%), and an area ratio of 78%.

次に、第1層上に第2ペーストをスクリーン印刷によって印刷した。これを乾燥した後に900℃で焼成処理を施して、厚み10μm、気孔率25%の第2層を得た。これにより、前記第1層及び前記第2層からなるカソード側電極を具備するMEAを得た。このMEAにおける第1層と第2層の実接触界面L1の長さは、仮想境界線L2の長さの150%であった。これを実施例1とする。   Next, the second paste was printed on the first layer by screen printing. This was dried and then fired at 900 ° C. to obtain a second layer having a thickness of 10 μm and a porosity of 25%. As a result, an MEA having a cathode-side electrode composed of the first layer and the second layer was obtained. The length of the actual contact interface L1 between the first layer and the second layer in this MEA was 150% of the length of the virtual boundary line L2. This is Example 1.

中間層として、厚みが1〜3μm、Zrの拡散量が20原子%であるものを、前記積層体の固体電解質上にスクリーン印刷で形成した後、焼成処理を施して、上記と同一物性の第1層及び第2層を具備するカソード側電極を含むMEAを得た。これを実施例2とする。   An intermediate layer having a thickness of 1 to 3 μm and a diffusion amount of Zr of 20 atomic% is formed on the solid electrolyte of the laminate by screen printing, and then subjected to a firing treatment. An MEA including a cathode side electrode having a first layer and a second layer was obtained. This is Example 2.

中間層として、厚みが1〜3μm、Zrの拡散量が37原子%であるものを形成する一方、該中間層上に第2ペーストをスクリーン印刷によって印刷し、これを乾燥した後に900℃で焼成処理を施して、厚み10μm、気孔率25%の層からなる単層構造のカソード側電極を形成した。これにより、前記層のみからなるカソード側電極を具備するMEAを得た。これを実施例3とする。   An intermediate layer having a thickness of 1 to 3 μm and a Zr diffusion amount of 37 atomic% is formed. On the intermediate layer, a second paste is printed by screen printing, dried, and then fired at 900 ° C. Treatment was performed to form a cathode-side electrode having a single layer structure composed of a layer having a thickness of 10 μm and a porosity of 25%. As a result, an MEA having a cathode-side electrode composed only of the layer was obtained. This is Example 3.

厚みが0.2μm、Zrの拡散量が8原子%であるものを中間層として形成し、且つ第1層と第2層の実接触界面L1の長さが仮想境界線L2の長さの165%であるMEAを得た。これを実施例4とする。   A layer having a thickness of 0.2 μm and a diffusion amount of Zr of 8 atomic% is formed as an intermediate layer, and the length of the actual contact interface L1 between the first layer and the second layer is 165 that is the length of the virtual boundary line L2. % MEA was obtained. This is Example 4.

なお、仮想境界線L2の長さに対する実接触界面L1の長さは、第1層及び第2層の焼成処理温度を変更することで調整した。   In addition, the length of the actual contact interface L1 with respect to the length of the virtual boundary line L2 was adjusted by changing the firing temperature of the first layer and the second layer.

比較例1Comparative Example 1

中間層として、厚みが1μm、Zrの拡散量が65原子%であるものを形成したことを除いては実施例1、2に準拠してMEAを作製した。これを比較例1とする。   An MEA was produced according to Examples 1 and 2 except that an intermediate layer having a thickness of 1 μm and a diffusion amount of Zr of 65 atomic% was formed. This is referred to as Comparative Example 1.

比較例2Comparative Example 2

中間層として、厚みが1μm、Zrの拡散量が65原子%であるものを形成したことを除いては実施例3に準拠してMEAを作製した。これを比較例2とする。   An MEA was produced according to Example 3 except that an intermediate layer having a thickness of 1 μm and a Zr diffusion amount of 65 atomic% was formed. This is referred to as Comparative Example 2.

以上の実施例1〜4、比較例1、2のMEAにおける中間層、第1層及び第2層の物性を併せて図6に示す。ここで、図6中の「長さ比」は、実接触界面L1の長さを仮想境界線L2で除すことによって求められた商を100倍して算出された値である。   The physical properties of the intermediate layer, the first layer, and the second layer in the MEAs of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 are shown in FIG. Here, the “length ratio” in FIG. 6 is a value calculated by multiplying the quotient obtained by dividing the length of the actual contact interface L1 by the virtual boundary line L2 by 100.

また、実施例3及び比較例3のMEAにおけるカソード側電極は、単層構造であるが、便宜上、該層の諸物性を第2層の欄に示している。   Moreover, although the cathode side electrode in MEA of Example 3 and Comparative Example 3 has a single layer structure, the physical properties of the layer are shown in the column of the second layer for convenience.

これら実施例1〜4、比較例1、2のMEAを用いて単位セルを構成し、電流密度を種々変更しながら放電することで、電流密度と放電電圧との関係を調べた。この中、実施例2、3及び比較例1、2の各MEAの電流密度−放電電圧曲線を図7に示す。   A unit cell was configured using the MEAs of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2, and the discharge was performed while variously changing the current density, thereby examining the relationship between the current density and the discharge voltage. Among these, the current density-discharge voltage curve of each MEA of Examples 2 and 3 and Comparative Examples 1 and 2 is shown in FIG.

図7から諒解されるように、実施例2、3のMEAの双方において、比較例1、2のMEAよりも高い電圧を示した。このことは、実施例2、3のMEAが、比較例1、2のMEAに比して大電流密度で放電することが可能なものであることを意味する。   As can be seen from FIG. 7, both the MEAs of Examples 2 and 3 showed higher voltages than the MEAs of Comparative Examples 1 and 2. This means that the MEAs of Examples 2 and 3 can be discharged at a higher current density than the MEAs of Comparative Examples 1 and 2.

なお、図示はしていないものの、実施例1、4のMEAも比較例1、2のMEAに比して高電圧を示した。   Although not shown, the MEAs of Examples 1 and 4 also showed higher voltages than the MEAs of Comparative Examples 1 and 2.

また、図8は、実施例2及び比較例1のMEAのコール−コールプロットである。この図8から、実施例2のMEAにおける複素インピーダンスが小さいこと、換言すれば、優れた導電率を示すことが分かる。   FIG. 8 is a Cole-Cole plot of the MEAs of Example 2 and Comparative Example 1. FIG. 8 shows that the complex impedance of the MEA of Example 2 is small, in other words, excellent conductivity is exhibited.

図9に、図10に示されるコール−コールプロットの第1部分、第2部分及び第3部分の各々における複素インピーダンス、及びその合計値を示す。なお、第1部分、第2部分及び第3部分の各々は、IR損失(バルク抵抗)、比IR損(界面抵抗等)、MEA全体の抵抗を表す。   FIG. 9 shows the complex impedances in each of the first part, the second part, and the third part of the Cole-Cole plot shown in FIG. Each of the first part, the second part, and the third part represents the IR loss (bulk resistance), the specific IR loss (interface resistance, etc.), and the resistance of the entire MEA.

この図9からも、実施例1〜4のMEAが、複素インピーダンスが小さく、優れた導電率を示すものであることが明らかである。   Also from FIG. 9, it is clear that the MEAs of Examples 1 to 4 have a low complex impedance and an excellent conductivity.

10、30、40…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 20…気孔
22a、22c…第1層 22b…第2層
24…凹部 26…凸部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 30, 40 ... Electrolyte electrode assembly (MEA) 12 ... Anode side electrode 14 ... Cathode side electrode 16 ... Solid electrolyte 18 ... Intermediate | middle layer 20 ... Pore 22a, 22c ... 1st layer 22b ... 2nd layer 24 ... Recessed part 26 ... convex part

Claims (14)

ジルコニウム系酸化物からなる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形成され、前記固体電解質と前記カソード側電極の間に中間層が介装された電解質・電極接合体であって、
前記カソード側電極は、少なくとも、BaxSr1-xCoyFe1-y3、LaxSr1-xCoyFe1-y3、又はLaxSr1-xCoO3で表されるペロブスカイト型複合酸化物からなり且つ前記中間層に隣接する第1層を有し、
前記中間層は、セリウム系酸化物からなり、且つ前記固体電解質から拡散したZr量が40原子%以下であ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 composed of a zirconium-based oxide between an anode side electrode and a cathode side electrode, and having an intermediate layer interposed between the solid electrolyte and the cathode side electrode,
The cathode side electrode is represented by at least Ba x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3 , La x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3 , or La x Sr 1-x CoO 3. And a first layer adjacent to the intermediate layer,
The intermediate layer is made of a cerium-based oxide, and the amount of Zr diffused from the solid electrolyte is 40 atomic% or less, and is an electrolyte / electrode assembly.
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が前記第1層のみからなるとき、該第1層は、厚みが5〜50μm、気孔率が20〜30%であ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 when the cathode-side electrode is composed of only the first layer, the first layer has a thickness of 5 to 50 μm and a porosity of 20 to 30%. Electrolyte / electrode assembly. 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は、前記第1層に隣接し、BaxSr1-xCoyFe1-y3、LaxSr1-xCoyFe1-y3、又はLaxSr1-xCoO3で表されるペロブスカイト型複合酸化物からなる第2層をさらに有す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 cathode side electrode is adjacent to the first layer, and Ba x Sr 1 -x Co y Fe 1 -y O 3 , La x Sr 1 -x Co y Fe. An electrolyte / electrode assembly, further comprising a second layer made of a perovskite complex oxide represented by 1-y O 3 or La x Sr 1-x CoO 3 . 請求項3記載の電解質・電極接合体において、前記第1層は、厚みが0.2〜10μm、相対密度が95%以上であり、且つ前記第2層は、厚みが5〜50μm、気孔率が20〜30%であることを特徴とする電解質・電極接合体。   4. The electrolyte / electrode assembly according to claim 3, wherein the first layer has a thickness of 0.2 to 10 μm and a relative density of 95% or more, and the second layer has a thickness of 5 to 50 μm and a porosity. The electrolyte / electrode assembly is characterized by being 20 to 30%. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の電解質・電極接合体において、前記中間層が多孔質体であるとき、前記第1層は、前記中間層における前記第1層に臨む側の端面で開口した気孔を充填す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 1, wherein when the intermediate layer is a porous body, the first layer has an end face facing the first layer in the intermediate layer. Electrolyte / electrode assembly characterized by filling pores opened by. 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、前記中間層の厚みが0.1〜5μm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 claim 1, wherein the intermediate layer has a thickness of 0.1 to 5 μm. ジルコニウム系酸化物からなる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形成され、前記固体電解質と前記カソード側電極の間に中間層が介装された電解質・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を設けた後、前記固体電解質の残余の他端面にセリウム系酸化物からなる中間層を介して、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、該固体電解質上にセリウム系酸化物からなる中間層を介して、前記カソード側電極を、少なくとも、BaxSr1-xCoyFe1-y3、LaxSr1-xCoyFe1-y3、又はLaxSr1-xCoO3で表されるペロブスカイト型複合酸化物からなり且つ前記中間層に隣接する第1層を有するものとして形成する工程を有し、
前記固体電解質から拡散して前記セリウム系酸化物からなる中間層に含まれるZr量を40原子%以下と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 in which a solid electrolyte made of a zirconium-based oxide is sandwiched between an anode side electrode and a cathode side electrode, and an intermediate layer is interposed between the solid electrolyte and the cathode side electrode. There,
An anode side electrode is provided directly on one end surface of the solid electrolyte or via an intermediate layer, and then the remaining other end surface of the solid electrolyte is provided via an intermediate layer made of a cerium-based oxide or on the anode side electrode. After providing the solid electrolyte directly on one end face or via an intermediate layer, the cathode side electrode is at least Ba x Sr 1-x via an intermediate layer made of a cerium-based oxide on the solid electrolyte. Co y Fe 1-y O 3 , La x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3, or expressed by La x Sr 1-x CoO 3 consists perovskite complex oxide and adjacent to the intermediate layer Having a step of forming as having a first layer,
A method for producing an electrolyte-electrode assembly, wherein an amount of Zr diffused from the solid electrolyte and contained in the intermediate layer made of the cerium-based oxide is 40 atomic% or less.
請求項7記載の製造方法において、前記カソード側電極として、厚みが5〜50μm、気孔率が20〜30%の層のみからなる単層構造のものを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。   8. The method according to claim 7, wherein the cathode-side electrode is formed of a single-layer structure composed of only a layer having a thickness of 5 to 50 μm and a porosity of 20 to 30%. Body manufacturing method. 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、前記第1層と、前記第1層に隣接し、BaxSr1-xCoyFe1-y3、LaxSr1-xCoyFe1-y3、又はLaxSr1-xCoO3で表されるペロブスカイト型複合酸化物からなる第2層とを含め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。 8. The manufacturing method according to claim 7, wherein the cathode side electrode is adjacent to the first layer and the first layer, and Ba x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3 , La x Sr 1-x. And a second layer made of a perovskite complex oxide represented by Co y Fe 1-y O 3 or La x Sr 1-x CoO 3. Method. 請求項8記載の製造方法において、前記第1層として、厚みが0.2〜10μm、相対密度が95%以上であるものを形成し、且つ前記第2層として、厚みが5〜50μm、気孔率が20〜30%であるものを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 8, wherein the first layer has a thickness of 0.2 to 10 [mu] m and a relative density of 95% or more, and the second layer has a thickness of 5 to 50 [mu] m and pores A method for producing an electrolyte / electrode assembly, wherein a material having a rate of 20 to 30% is formed. 請求項10記載の製造方法において、一次粒子が20〜80nmであり且つ二次粒子が0.1〜0.2μmである粒子を用いて前記第1層を形成するとともに、平均粒径が0.5〜1.2μmである粒子を用いて前記第2層を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。   The manufacturing method according to claim 10, wherein the first layer is formed using particles having primary particles of 20 to 80 nm and secondary particles of 0.1 to 0.2 μm, and an average particle size of 0.1. A method for producing an electrolyte / electrode assembly, wherein the second layer is formed using particles having a size of 5 to 1.2 μm. 請求項7〜11のいずれか1項に記載の製造方法において、前記中間層を、粒子から成形体を設けた後、前記成形体を仮焼結させることで多孔質体として形成したとき、前記中間層の一端面に存在する開口した気孔を、前記第1層で充填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 11, wherein the intermediate layer is formed as a porous body by provisionally sintering the molded body after providing the molded body from particles. A method for producing an electrolyte-electrode assembly, wherein the first layer is filled with open pores existing on one end face of the intermediate layer. 請求項8〜12のいずれか1項に記載の製造方法において、前記中間層の厚みを0.1〜5μm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。   The manufacturing method according to any one of claims 8 to 12, wherein the intermediate layer is formed with a thickness of 0.1 to 5 µm. 請求項8〜13のいずれか1項に記載の製造方法において、前記中間層をスクリーン印刷又はスパッタリング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。   The method for producing an electrolyte-electrode assembly according to any one of claims 8 to 13, wherein the intermediate layer is formed by screen printing or sputtering.
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