JP2014107041A - Method of manufacturing solid oxide fuel cell - Google Patents

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博章 田口
Kimitaka Watabe
仁貴 渡部
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姫子 大類
Satoshi Sugita
敏 杉田
Ryuichi Kobayashi
隆一 小林
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To bake a fuel electrode using a baking plate made of zirconia while avoiding fixation of the fuel electrode to the baking plate.SOLUTION: An unbaked fuel electrode forming layer 102 is formed on a surface 101a of a zirconia-made baking plate 101, whose roughness is made to be 2 μm or less, in contact therewith. By being baked in this state, on the baking plate 101, a single cell 110 of a sold oxide fuel cell is formed which is formed by laminating a fuel electrode 121, an electrolyte 131, and an air electrode 141.

Description

本発明は、焼成板を用いて燃料極を焼成することでセルを作製する固体酸化物形燃料電池の作製方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a solid oxide fuel cell in which a cell is produced by firing a fuel electrode using a fired plate.

近年、酸化物イオン伝導体を電解質に用いた固体酸化物形燃料電池に関心が高まりつつある。特に、エネルギーの有効利用という観点から、固体酸化物形燃料電池は注目されている。固体酸化物形燃料電池は、カルノー効率の制約を受けないために本質的に高いエネルギー変換効率を有し、さらに、良好な環境保全が期待されるなどの優れた特徴を持っている。   In recent years, there has been an increasing interest in solid oxide fuel cells using oxide ion conductors as electrolytes. In particular, solid oxide fuel cells have attracted attention from the viewpoint of effective use of energy. The solid oxide fuel cell has an excellent characteristic such that it has essentially high energy conversion efficiency because it is not restricted by Carnot efficiency, and further, good environmental conservation is expected.

このような特徴を備えている固体酸化物形燃料電池に用いられる電解質は、空気極と電解質界面で、酸素が電子と反応して生成された酸化物イオン(酸素イオン)を燃料極に供給する役割を有するため、速やかに酸化物イオンを伝導することが要求される。近年、電解質の薄肉化などにより600〜800℃程度の低温作動かつ高出力化が可能となっており、SOFC用部材の1つであるインターコネクタ材料に耐熱性の金属合金材料が使用できる可能性が高まっている。   The electrolyte used in the solid oxide fuel cell having such characteristics supplies oxide ions (oxygen ions) generated by oxygen reacting with electrons at the air electrode / electrolyte interface to the fuel electrode. Since it has a role, it is required to conduct oxide ions promptly. In recent years, it has become possible to operate at a low temperature of about 600 to 800 ° C. and increase the output by reducing the thickness of the electrolyte, and the possibility of using a heat-resistant metal alloy material as an interconnector material that is one of the SOFC members. Is growing.

この固体酸化物形燃料電池のセルは、主にセラミックスで構成されており、燃料極には金属酸化物と電解質材料が混合されたサーメットと呼ばれる材料が広く用いられている。このような燃料極および空気極などの電極部分は、一般的には、電極材料の粉末が分散したスラリーを電極形状としたグリーンシートとし、このグリーンシートを焼成することで形成しており、焼成時には、1200〜1500℃の高温とされる。   The cells of this solid oxide fuel cell are mainly composed of ceramics, and a material called cermet in which a metal oxide and an electrolyte material are mixed is widely used for the fuel electrode. Such electrode parts such as the fuel electrode and the air electrode are generally formed by forming a slurry in which powder of the electrode material is dispersed into a green sheet having an electrode shape, and firing the green sheet. Sometimes, the temperature is 1200 to 1500 ° C.

このような焼成は、通常、セッターと呼ばれる焼成板(棚板、敷板とも呼ばれる)の上に設置して行われる。例えば、燃料極支持型の固体酸化物形燃料電池の単セルを作製するときには、焼成板の上に未焼成の燃料極が接触する状態で焼成が行われる。また、このような焼成において、焼成板にはAl23の板が広く用いられている。 Such firing is usually performed by installing on a firing plate called a setter (also called a shelf or a floor plate). For example, when a single cell of a fuel electrode-supported solid oxide fuel cell is manufactured, firing is performed in a state where an unfired fuel electrode is in contact with a fired plate. In such firing, an Al 2 O 3 plate is widely used as the firing plate.

しかしながら、Al23製の焼成板を用いて焼成した場合、焼成板を構成する物質が燃料極表面の金属酸化物と反応し、燃料極表面の金属酸化物がAl23と相互拡散し、燃料極の組成が変わってしまうことで、セル性能の低下を引き起こすことが考えられる(非特許文献1,特許文献1参照)。 However, when fired using a fired plate made of Al 2 O 3 , the material constituting the fired plate reacts with the metal oxide on the surface of the fuel electrode, and the metal oxide on the surface of the fuel electrode interdiffuses with Al 2 O 3. However, it is conceivable that the cell performance is deteriorated by changing the composition of the fuel electrode (see Non-Patent Document 1 and Patent Document 1).

これに対してNiOを大量に含有する焼成板が知られている。この焼成板を用いることで、上述したような問題が解消できる。しかしながら、NiOは比較的高価な原料であり、NiO含有量が高い焼成板を使用することは、固体酸化物形燃料電池セルの製造コスト高の要因となってしまうため、好ましくない。一方、ジルコニア製の焼成板を使用することで、上述した2つの問題点が解消できる。ジルコニア製の焼成板は、比較的安価であり、また、燃料極電極表面の金属酸化物は、ジルコニアと相互拡散することがほとんどない。   On the other hand, a fired plate containing a large amount of NiO is known. By using this fired plate, the above-described problems can be solved. However, NiO is a relatively expensive raw material, and it is not preferable to use a fired plate having a high NiO content because it causes a high manufacturing cost of the solid oxide fuel cell. On the other hand, the above-described two problems can be solved by using a zirconia fired plate. A zirconia fired plate is relatively inexpensive, and the metal oxide on the fuel electrode surface hardly diffuses with zirconia.

特開平08−128788号公報Japanese Patent Laid-Open No. 08-128788

R. D. Peelamedu et al. , "Microwave-induced reaction sintering of NiAl2O4", Materials Letters, vol.55, pp.234-240, 2002.R. D. Peelamedu et al., "Microwave-induced reaction stabilized of NiAl2O4", Materials Letters, vol.55, pp.234-240, 2002.

しかしながら、市販されているジルコニア製の焼成板を用いて焼成を行うと、燃料極がジルコニア製の焼成板に固着する場合が発生するという問題があった。   However, when firing is performed using a commercially available zirconia fired plate, there is a problem that the fuel electrode may adhere to the zirconia fired plate.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ジルコニア製の焼成板を用いて固着することなく燃料極の焼成ができるように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 allow the fuel electrode to be fired without fixing using a fired plate made of zirconia.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の作製方法は、ジルコニア製の焼成板の表面粗さが2μm以下とされた表面上に未焼成の燃料極形成層を接した状態で形成する第1工程と、第1工程の後で、燃料極形成層を焼成して燃料極とする第2工程とを少なくとも備え、焼成板の上に燃料極,電解質,および空気極が積層した固体酸化物型燃料電池の単セルを形成する。   The method for producing a solid oxide fuel cell according to the present invention includes a first step of forming an unfired fuel electrode forming layer in contact with a surface of a zirconia fired plate having a surface roughness of 2 μm or less. And a second step of firing the fuel electrode forming layer to form a fuel electrode after the first step, and a solid oxide fuel in which a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode are laminated on a fired plate A single cell of the battery is formed.

上記固体酸化物形燃料電池の作製方法において、第2工程の前に、燃料極形成層の上に未焼成の電解質形成層を形成する第3工程と、第2工程の後で、未焼成の空気極形成層を電解質の上に形成する第4工程と、第4工程の後で、空気極形成層を焼成して空気極とする第5工程とを備え、第2工程では、燃料極形成層を電解質形成層と共に焼成するようにすればよい。   In the method for producing a solid oxide fuel cell, the third step of forming an unfired electrolyte forming layer on the fuel electrode forming layer before the second step, and the unfired after the second step A fourth step of forming an air electrode forming layer on the electrolyte; and a fifth step of firing the air electrode forming layer to form an air electrode after the fourth step. In the second step, a fuel electrode is formed. The layer may be fired together with the electrolyte forming layer.

上記固体酸化物形燃料電池の作製方法において、第2工程の前に、燃料極形成層の上に未焼成の電解質形成層を形成する第3工程と、第2工程の前の第3工程の後で、電解質形成層の上に未焼成の空気極形成層を形成する第4工程とを備え、第2工程では、燃料極形成層を電解質形成層および空気極形成層と共に焼成し、燃料極,電解質,および空気極とするようにしてもよい。   In the method for producing a solid oxide fuel cell, the third step of forming an unfired electrolyte forming layer on the fuel electrode forming layer before the second step, and the third step before the second step And a fourth step of forming an unfired air electrode forming layer on the electrolyte forming layer. In the second step, the fuel electrode forming layer is fired together with the electrolyte forming layer and the air electrode forming layer, and the fuel electrode is formed. , Electrolyte, and air electrode.

上記固体酸化物形燃料電池の作製方法において、電解質形成層は、電解質を構成する材料を含んだスラリーを塗布して形成すればよい。また、空気極形成層は、空気極を構成する材料を含んだスラリーを塗布して形成すればよい。また、上記固体酸化物形燃料電池の作製方法において、焼成板は、イットリウムを含んでいてもよい。   In the method for manufacturing a solid oxide fuel cell, the electrolyte forming layer may be formed by applying a slurry containing a material constituting the electrolyte. The air electrode forming layer may be formed by applying a slurry containing a material constituting the air electrode. In the method for manufacturing a solid oxide fuel cell, the fired plate may contain yttrium.

以上説明したように、本発明によれば、表面の表面粗さが2μm以下とされたジルコニア製の焼成板を用いるようにしたので、ジルコニア製の焼成板を用いて固着することなく燃料極の焼成ができるようになるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, since a zirconia fired plate having a surface roughness of 2 μm or less is used, the zirconia fired plate is used to fix the fuel electrode without sticking. An excellent effect of being able to be fired is obtained.

図1は、本発明の実施の形態における固体酸化物形燃料電池の作製方法を説明するための断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a method for producing a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の実施の形態における固体酸化物形燃料電池の作製方法を説明するための断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining a method for producing a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention. 図3は、本発明の実施の形態における固体酸化物形燃料電池の作製方法を説明するための断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining a method for manufacturing a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention. 図4は、Al23製の焼成板を用いて燃料極を作製したサンプルの燃料極表面(a)および焼成板表面(b)の状態を撮影した写真である。FIG. 4 is a photograph of the state of the fuel electrode surface (a) and the calcined plate surface (b) of a sample in which a fuel electrode was produced using a calcined plate made of Al 2 O 3 . 図5は、ZrO2製の焼成板を用いて燃料極を作製したサンプルの燃料極表面(a)および焼成板表面(b)の状態を撮影した写真である。FIG. 5 is a photograph of the state of the fuel electrode surface (a) and the calcined plate surface (b) of a sample in which a fuel electrode was produced using a calcined plate made of ZrO 2 .

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における固体酸化物形燃料電池の作製方法を説明するための断面図である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a method for producing a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.

まず、図1の(a)に示すように、ジルコニア製の焼成板101の表面粗さが2μm以下とされた表面101aの上に未焼成の燃料極形成層102を接した状態で形成する(第1工程)。次に、第1工程の後で、燃料極形成層102を焼成することなどにより(第2工程)、図1の(b)に示すように、焼成板101の上に燃料極121,電解質131,および空気極141が積層した固体酸化物型燃料電池の単セル110を形成する。この後、図1の(c)に示すように、単セル110(燃料極121)を焼成板101より離型する。   First, as shown in FIG. 1A, an unfired fuel electrode forming layer 102 is formed in contact with a surface 101a of a zirconia fired plate 101 having a surface roughness of 2 μm or less ( First step). Next, after the first step, the fuel electrode forming layer 102 is fired (second step), and the fuel electrode 121 and the electrolyte 131 are formed on the fired plate 101 as shown in FIG. , And the air electrode 141 are stacked to form a unit cell 110 of a solid oxide fuel cell. Thereafter, as shown in FIG. 1C, the single cell 110 (fuel electrode 121) is released from the fired plate 101.

例えば、まず、図2の(a)に示すように、ジルコニア製の焼成板101の表面粗さが2μm以下とされた表面101aの上に、未焼成の燃料極形成層102を形成し(第1工程)、燃料極形成層102の上に、未焼成の電解質形成層103を形成する(第3工程)。未焼成の電解質形成層103は、例えば、電解質を構成する材料を含んだスラリーを塗布することで塗布層として形成すればよい。次いで、燃料極形成層102および電解質形成層103を焼成する(第2工程)ことで、図2の(b)に示すように、焼成板101の上に燃料極121および電解質131を形成する。次いで、図2の(c)に示すように、焼成されている電解質131の上に未焼成の空気極形成層104を形成し(第4工程)、これを焼成する(第5工程)ことで、図1の(b)に示すように、焼成板101の上に燃料極121,電解質131,および空気極141が積層した単セル110を形成すればよい。   For example, first, as shown in FIG. 2A, an unfired fuel electrode forming layer 102 is formed on a surface 101a of a zirconia fired plate 101 having a surface roughness of 2 μm or less (first 1 step), an unfired electrolyte forming layer 103 is formed on the fuel electrode forming layer 102 (third step). The unfired electrolyte forming layer 103 may be formed as a coating layer by applying a slurry containing a material constituting the electrolyte, for example. Next, the fuel electrode forming layer 102 and the electrolyte forming layer 103 are fired (second step), thereby forming the fuel electrode 121 and the electrolyte 131 on the fired plate 101 as shown in FIG. Next, as shown in FIG. 2C, an unfired air electrode forming layer 104 is formed on the fired electrolyte 131 (fourth step), and this is fired (fifth step). As shown in FIG. 1B, a single cell 110 in which a fuel electrode 121, an electrolyte 131, and an air electrode 141 are stacked on a fired plate 101 may be formed.

また、例えば、図3の(a)に示すように、ジルコニア製の焼成板101の表面粗さが2μm以下とされた表面101aの上に、未焼成の電解質形成層103が形成されている燃料極形成層102を形成し(第1工程)、燃料極形成層102の上に未焼成の電解質形成層103を形成する(第3工程)。次いで、図3の(b)に示すように、電解質形成層103の上に未焼成の空気極形成層104を形成する(第4工程)。この後、これらを焼成する(第2工程)ことで、図1の(b)に示すように、焼成板101の上に燃料極121,電解質131,および空気極141が積層した単セル110を形成してもよい。   For example, as shown in FIG. 3A, a fuel in which an unfired electrolyte forming layer 103 is formed on a surface 101a of a zirconia fired plate 101 having a surface roughness of 2 μm or less. An electrode forming layer 102 is formed (first step), and an unfired electrolyte forming layer 103 is formed on the fuel electrode forming layer 102 (third step). Next, as shown in FIG. 3B, an unfired air electrode forming layer 104 is formed on the electrolyte forming layer 103 (fourth step). Thereafter, by firing these (second step), as shown in FIG. 1B, the unit cell 110 in which the fuel electrode 121, the electrolyte 131, and the air electrode 141 are laminated on the fired plate 101 is obtained. It may be formed.

単セル110を構成する電解質131は、例えば、酸化スカンジウム(Sc23)および酸化アルミニウム(Al23)安定化ZrO2(SASZ),イットリア安定化ジルコニア(YSZ),スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)などのジルコニア材料の粉体の焼結体から構成されていればよい。 The electrolyte 131 constituting the single cell 110 may be, for example, scandium oxide (Sc 2 O 3 ) and aluminum oxide (Al 2 O 3 ) stabilized ZrO 2 (SASZ), yttria stabilized zirconia (YSZ), scandia stabilized zirconia ( It may be composed of a sintered body of a powder of zirconia material such as (ScSZ).

燃料極121は、例えば、ニッケル−イットリア安定化ジルコニアサーメット(Ni−YSZ),ニッケル−アルミナ添加スカンジア安定化ジルコニア(Ni−SASZ)などの電解質131を構成する酸化物材料に金属ニッケルが混合された電子伝導性を有する金属−酸化物混合体(サーメット)の粉体の焼成体(多孔質焼結体)から構成されていればよい。   In the fuel electrode 121, for example, nickel metal is mixed with an oxide material constituting the electrolyte 131 such as nickel-yttria stabilized zirconia cermet (Ni-YSZ), nickel-alumina-added scandia stabilized zirconia (Ni-SASZ). What is necessary is just to be comprised from the sintered body (porous sintered body) of the powder of the metal-oxide mixture (cermet) which has electronic conductivity.

また、空気極141は、AMO3のペロブスカイト構造の金属酸化物から構成され、La1-xSrxMnO3、La1-XSrXCoYFe1-Y3、LaSrCoO3やLaNi0.6Fe0.43(LNF)La(Ni、Co、Fe)O3(LNCF)などから構成されていればよい。 The air electrode 141 is composed of a metal oxide of AMO 3 perovskite structure, La 1-x Sr x MnO 3 , La 1-X Sr x Co Y Fe 1-Y O 3 , LaSrCoO 3 , LaNi 0.6 Fe 0.4 O 3 (LNF) La (Ni, Co, Fe) O 3 (LNCF) may be used.

ここで、燃料極形成層102の作製例について簡単に説明する。まず、燃料極を構成する金属酸化物の粉体にカーボン粉末などの造孔材を添加し、これらをバインダーおよび界面活性剤と共に分散媒体に分散させてスラリーとする。バインダーといては、例えば、ポリビニル系の材料を用いればよい。また、分散媒体としては、2−プロパノールなどのアルコール系溶媒や、トルエン,キシレン,およびケトン系などの有機溶媒を用いればよい。   Here, an example of manufacturing the fuel electrode forming layer 102 will be briefly described. First, a pore former such as carbon powder is added to metal oxide powder constituting the fuel electrode, and these are dispersed in a dispersion medium together with a binder and a surfactant to form a slurry. As the binder, for example, a polyvinyl material may be used. As the dispersion medium, an alcohol solvent such as 2-propanol or an organic solvent such as toluene, xylene, and ketone may be used.

次に、作製したスラリーを例えばよく知られたドクターブレード法により成形してスラリーの層を形成し、このスラリーの層より分散媒体を除去することで乾燥し、未焼成状態の燃料極形成層102とすればよい。空気極形成層104についても同様である。また、空気極形成層104は、電解質形成層103と同様に、空気極を構成する材料を含んだスラリーを塗布して塗布層として形成してもよい。この場合についても、スラリーの形成については、上述した燃料極形成層102の場合と同様である。なお、これらを焼成することで、添加されている造孔材が燃焼して気化し、造孔材の粒子が存在していた箇所には空孔が形成され、得られた焼結体は多孔体となる。   Next, the produced slurry is molded by, for example, a well-known doctor blade method to form a slurry layer, and the dispersion medium is removed from the slurry layer, followed by drying, and an unfired fuel electrode forming layer 102 And it is sufficient. The same applies to the air electrode forming layer 104. The air electrode forming layer 104 may be formed as a coating layer by applying a slurry containing a material constituting the air electrode, similarly to the electrolyte forming layer 103. Also in this case, the formation of the slurry is the same as that of the fuel electrode forming layer 102 described above. By firing these, the added pore former burns and vaporizes, and voids are formed at the locations where the pore former particles existed, and the resulting sintered body is porous. Become a body.

また、電解質形成層103を形成するためのスラリーは、電解質を構成する材料の粉末を、これらをバインダーおよび界面活性剤と共に分散媒体に分散させて作製すればよい。   The slurry for forming the electrolyte forming layer 103 may be prepared by dispersing powders of materials constituting the electrolyte in a dispersion medium together with a binder and a surfactant.

上述したように、本実施の形態によれば、表面101aの表面粗さが2μm以下とされたジルコニア製の焼成板101を用いるようにしたので、固着することなく燃料極121の焼成ができるようになる。   As described above, according to the present embodiment, since the zirconia fired plate 101 having a surface roughness of 2 μm or less is used, the fuel electrode 121 can be fired without being fixed. become.

市販されている焼成板は、表面粗さが2μmを超えており、このような焼成板の表面に塑性変形しやすい未焼成の燃料極形成層を載置(形成)すると、表面の凹凸に沿って燃料極形成層の接触面が変形する。この状態で焼成すると、焼成板と燃料極との界面においてアンカー効果または投錨効果と呼ばれる機械的結合が発生し、焼成板に燃料極が固着する現象が発生するものと考えられる。特に、燃料極支持型の単セルを作製する場合、燃料極が厚くなり、燃料極形成層の重量も増加し、上述した現象が発生しやすいものと考えられる。   A commercially available fired plate has a surface roughness of more than 2 μm, and when an unfired fuel electrode forming layer that easily undergoes plastic deformation is placed (formed) on the surface of such a fired plate, the surface of the fired plate follows the surface irregularities. As a result, the contact surface of the fuel electrode forming layer is deformed. When fired in this state, it is considered that a mechanical bond called an anchor effect or a throwing effect occurs at the interface between the fired plate and the fuel electrode, and a phenomenon occurs in which the fuel electrode is fixed to the fired plate. In particular, when a fuel cell-supporting single cell is manufactured, the fuel electrode becomes thicker, the weight of the fuel electrode formation layer increases, and the above-described phenomenon is likely to occur.

これに対し、焼成板の表面粗さを2μm以下とすることにより、上述したような燃料極形成層の接触表面の塑性変形による機械的結合が抑制され、固着が防止できるようになるものと考えられる。   On the other hand, by setting the surface roughness of the fired plate to 2 μm or less, it is considered that the mechanical coupling due to plastic deformation of the contact surface of the fuel electrode forming layer as described above is suppressed and sticking can be prevented. It is done.

以下、実施例を用いてより詳細に説明する。以下の実施例では、実験的に複数の条件で焼成板を用いて燃料極(サンプル)を作製(焼成)し、作製した燃料極の表面状態を目視により観察し、また、作製した燃料極の電気抵抗を測定した結果について説明する。   Hereinafter, it demonstrates in detail using an Example. In the following examples, a fuel electrode (sample) was produced (fired) using a calcined plate under a plurality of conditions experimentally, and the surface state of the produced fuel electrode was visually observed. The result of measuring the electrical resistance will be described.

[実施例1]
はじめに、燃料極形成層の作成について説明する。まず、8mol%のY23が添加されたジルコニア(8YSZ;0.92ZrO2−0.08Y23)の粉体(平均粒径0.6μm)と、酸化ニッケルの粉体(平均粒径約0.2μm)とを、酸化ニッケル粉体が60wt%となる割合で混合し、ポリビニル系のバインダーおよび界面活性剤を加え、これらが2−プロパノールなどの有機溶媒からなる分散媒体に分散されている第1スラリーを作製する。
[Example 1]
First, creation of the fuel electrode forming layer will be described. First, zirconia (8YSZ; 0.92ZrO 2 -0.08Y 2 O 3 ) powder (average particle size 0.6 μm) to which 8 mol% of Y 2 O 3 was added, and nickel oxide powder (average particle size) (Diameter of about 0.2 μm) is mixed at a ratio of nickel oxide powder of 60 wt%, a polyvinyl binder and a surfactant are added, and these are dispersed in a dispersion medium made of an organic solvent such as 2-propanol. A first slurry is produced.

また、Sc23とAl23とが添加されたジルコニア(0.89ZrO2−0.10Sc23−0.01Al23:SASZ)の粉体(平均粒径0.5〜0.6μm)と、酸化ニッケルの粉体(平均粒径3〜5μm,比表面積0.8〜1.5m2/g)とを混合し、ポリビニル系のバインダーおよび界面活性剤を加え、これらが2−プロパノールなどの有機溶媒からなる分散媒体に分散されている第2スラリーを作製する。 Further, powder (average particle diameter of 0.5 to 3 ) of zirconia (0.89ZrO 2 −0.10 Sc 2 O 3 −0.01 Al 2 O 3 : SASZ) to which Sc 2 O 3 and Al 2 O 3 are added. 0.6 μm) and nickel oxide powder (average particle size 3 to 5 μm, specific surface area 0.8 to 1.5 m 2 / g) are added, and a polyvinyl binder and a surfactant are added. A second slurry dispersed in a dispersion medium made of an organic solvent such as 2-propanol is prepared.

次に、用いた焼成板について説明する。まず、表面粗さが0,4μmのAl23製の焼成板を用意した。また、表面粗さを0.4,1.0,1.2,1.5,2.0,10(μm)とした8YSZ製の焼成板およびZrO2製の焼成板を用意した。8YSZ製の焼成板は、イットリウムを含んでいるジルコニア製の焼成板であり、10mol以下の異元素が添加されたZrO2より構成されたものである。 Next, the used baking board is demonstrated. First, a fired plate made of Al 2 O 3 having a surface roughness of 0.4 μm was prepared. Also, 8YSZ fired plates and ZrO 2 fired plates having surface roughness of 0.4, 1.0, 1.2, 1.5, 2.0, and 10 (μm) were prepared. The 8YSZ fired plate is a zirconia fired plate containing yttrium, and is composed of ZrO 2 to which 10 mol or less of a different element is added.

次に、各スラリーおよび各焼成板を用いて作製した燃料極サンプルについて説明する。   Next, a fuel electrode sample produced using each slurry and each fired plate will be described.

まず、ドクターブレード法により、各スラリーをシート状に形成する。このシートは、焼成した後で厚さが1.0mm程度となる状態に形成する。次に、形成したシートを平面視で3cm×3cmに成型して燃料極形成層とする。次に、作製した燃料極形成層を脱脂した後、焼成板の上に接した状態で載置し、1300〜1400℃の熱処理条件で焼成する。   First, each slurry is formed into a sheet by a doctor blade method. This sheet is formed so as to have a thickness of about 1.0 mm after firing. Next, the formed sheet is molded into 3 cm × 3 cm in plan view to form a fuel electrode forming layer. Next, after degreasing the produced fuel electrode forming layer, it is placed in contact with the fired plate and fired under heat treatment conditions of 1300 to 1400 ° C.

上述したサンプル作製条件で、Al23製の焼成板の上に第1スラリーより形成した燃料極形成層を載置して焼成し、サンプル#1−0−0とする。 Under the sample preparation conditions described above, a fuel electrode forming layer formed from the first slurry was placed on a fired plate made of Al 2 O 3 and fired to obtain sample # 1-0-0.

また、上述したサンプル作製条件で、表面粗さ0.4μmの8YSZ製の焼成板の上に第1スラリーより形成した燃料極形成層を載置して焼成し、サンプル#1−1−1とした。   Also, under the sample preparation conditions described above, the fuel electrode forming layer formed from the first slurry was placed on a fired plate made of 8YSZ having a surface roughness of 0.4 μm, fired, and sample # 1-1-1 did.

また、表面粗さ1.0μmの8YSZ製の焼成板の上に第1スラリーより形成した燃料極形成層を載置して焼成し、サンプル#1−1−2とした。   Further, a fuel electrode forming layer formed from the first slurry was placed on a fired plate made of 8YSZ having a surface roughness of 1.0 μm and fired to obtain sample # 1-1-2.

また、表面粗さ1.2μmの8YSZ製の焼成板の上に第1スラリーより形成した燃料極形成層を載置して焼成し、サンプル#1−1−3とした。 Further, a fuel electrode forming layer formed from the first slurry was placed on a fired plate made of 8YSZ having a surface roughness of 1.2 μm and fired to obtain sample # 1-1-3.

また、表面粗さ1.5μmの8YSZ製の焼成板の上に第1スラリーより形成した燃料極形成層を載置して焼成し、サンプル#1−1−4とした。   Also, a fuel electrode forming layer formed from the first slurry was placed on a fired plate made of 8YSZ having a surface roughness of 1.5 μm and fired to obtain Sample # 1-1-4.

また、表面粗さ2.0μmの8YSZ製の焼成板の上に第1スラリーより形成した燃料極形成層を載置して焼成し、サンプル#1−1−5とした。   Further, a fuel electrode forming layer formed from the first slurry was placed on a fired plate made of 8YSZ having a surface roughness of 2.0 μm and fired to obtain sample # 1-1-5.

また、表面粗さ10.0μmの8YSZ製の焼成板の上に第1スラリーより形成した燃料極形成層を載置して焼成し、サンプル#1−1−0とした。   Also, a fuel electrode forming layer formed from the first slurry was placed on a fired plate made of 8YSZ having a surface roughness of 10.0 μm and fired to obtain sample # 1-1-0.

また、上述したサンプル作製条件で、表面粗さ0.4μmのZrO2製の焼成板の上に第1スラリーより形成した燃料極形成層を載置して焼成し、サンプル#1−2−1とした。 Also, under the sample preparation conditions described above, a fuel electrode forming layer formed from the first slurry was placed on a fired plate made of ZrO 2 having a surface roughness of 0.4 μm and fired, and sample # 1-2-1 It was.

また、表面粗さ1.0μmのZrO2製の焼成板の上に第1スラリーより形成した燃料極形成層を載置して焼成し、サンプル#1−2−2とした。 Further, a fuel electrode forming layer formed from the first slurry was placed on a fired plate made of ZrO 2 having a surface roughness of 1.0 μm and fired to obtain sample # 1-2-2.

また、表面粗さ1.2μmのZrO2製の焼成板の上に第1スラリーより形成した燃料極形成層を載置して焼成し、サンプル#1−2−3とした。 Further, a fuel electrode forming layer formed from the first slurry was placed on a ZrO 2 fired plate having a surface roughness of 1.2 μm and fired to obtain Sample # 1-2-3.

また、表面粗さ1.5μmのZrO2製の焼成板の上に第1スラリーより形成した燃料極形成層を載置して焼成し、サンプル#1−2−4とした。 Further, a fuel electrode forming layer formed from the first slurry was placed on a fired plate made of ZrO 2 having a surface roughness of 1.5 μm and fired to obtain sample # 1-2-4.

また、表面粗さ2.0μmのZrO2製の焼成板の上に第1スラリーより形成した燃料極形成層を載置して焼成し、サンプル#1−2−5とした。 Further, a fuel electrode forming layer formed from the first slurry was placed on a fired plate made of ZrO 2 having a surface roughness of 2.0 μm and fired to obtain sample # 1-2-5.

また、表面粗さ10.0μmのZrO2製の焼成板の上に第1スラリーより形成した燃料極形成層を載置して焼成し、サンプル#1−2−0とした。 Further, a fuel electrode forming layer formed from the first slurry was placed on a ZrO 2 fired plate having a surface roughness of 10.0 μm and fired to obtain Sample # 1-2-0.

また、上述したサンプル作製条件で、表面粗さ0.4μmの8YSZ製の焼成板の上に第2スラリーより形成した燃料極形成層を載置して焼成し、サンプル#1−3−1とした。   Also, under the sample preparation conditions described above, the fuel electrode forming layer formed from the second slurry was placed on a fired plate made of 8YSZ having a surface roughness of 0.4 μm, fired, and sample # 1-3-1 did.

また、表面粗さ1.0μmの8YSZ製の焼成板の上に第2スラリーより形成した燃料極形成層を載置して焼成し、サンプル#1−3−2とした。   Further, a fuel electrode forming layer formed from the second slurry was placed on a fired plate made of 8YSZ having a surface roughness of 1.0 μm and fired to obtain Sample # 1-3-2.

また、表面粗さ1.2μmの8YSZ製の焼成板の上に第2スラリーより形成した燃料極形成層を載置して焼成し、サンプル#1−3−3とした。 Further, a fuel electrode forming layer formed from the second slurry was placed on a fired plate made of 8YSZ having a surface roughness of 1.2 μm and fired to obtain Sample # 1-3-3.

また、表面粗さ1.5μmの8YSZ製の焼成板の上に第2スラリーより形成した燃料極形成層を載置して焼成し、サンプル#1−3−4とした。   Further, a fuel electrode forming layer formed from the second slurry was placed on a fired plate made of 8YSZ having a surface roughness of 1.5 μm and fired to obtain sample # 1-3-4.

また、表面粗さ2.0μmの8YSZ製の焼成板の上に第2スラリーより形成した燃料極形成層を載置して焼成し、サンプル#1−3−5とした。   Further, a fuel electrode forming layer formed from the second slurry was placed on a fired plate made of 8YSZ having a surface roughness of 2.0 μm and fired to obtain sample # 1-3-5.

また、表面粗さ10.0μmの8YSZ製の焼成板の上に第2スラリーより形成した燃料極形成層を載置して焼成し、サンプル#1−3−0とした。   Further, a fuel electrode forming layer formed from the second slurry was placed on a fired plate made of 8YSZ having a surface roughness of 10.0 μm and fired to obtain Sample # 1-3-0.

また、上述したサンプル作製条件で、表面粗さ0.4μmのZrO2製の焼成板の上に第2スラリーより形成した燃料極形成層を載置して焼成し、サンプル#1−4−1とした。 In addition, under the sample preparation conditions described above, the fuel electrode forming layer formed from the second slurry was placed on a fired plate made of ZrO 2 having a surface roughness of 0.4 μm and fired, and sample # 1-4-1 It was.

また、表面粗さ1.0μmのZrO2製の焼成板の上に第2スラリーより形成した燃料極形成層を載置して焼成し、サンプル#1−4−2とした。 Further, a fuel electrode forming layer formed from the second slurry was placed on a fired plate made of ZrO 2 having a surface roughness of 1.0 μm and fired to obtain a sample # 1-4-2.

また、表面粗さ1.2μmのZrO2製の焼成板の上に第2スラリーより形成した燃料極形成層を載置して焼成し、サンプル#1−4−3とした。 Further, a fuel electrode forming layer formed from the second slurry was placed on a fired plate made of ZrO 2 having a surface roughness of 1.2 μm and fired to obtain sample # 1-4-3.

また、表面粗さ1.5μmのZrO2製の焼成板の上に第2スラリーより形成した燃料極形成層を載置して焼成し、サンプル#1−4−4とした。 A fuel electrode forming layer formed from the second slurry was placed on a ZrO 2 fired plate having a surface roughness of 1.5 μm and fired to obtain Sample # 1-4-4.

また、表面粗さ2.0μmのZrO2製の焼成板の上に第2スラリーより形成した燃料極形成層を載置して焼成し、サンプル#1−4−5とした。 Further, a fuel electrode forming layer formed from the second slurry was placed on a fired plate made of ZrO 2 having a surface roughness of 2.0 μm and fired to obtain sample # 1-4-5.

また、表面粗さ10.0μmのZrO2製の焼成板の上に第2スラリーより形成した燃料極形成層を載置して焼成し、サンプル#1−4−0とした。 Further, a fuel electrode forming layer formed from the second slurry was placed on a fired plate made of ZrO 2 having a surface roughness of 10.0 μm and fired to obtain sample # 1-4-0.

次に、観察および測定について説明する。まず、焼成して焼成板より離型した後、焼成板および燃料極の表面を目視により観察する。また、離型の状態を目視により観察する。電気抵抗の測定は、直流二端子法により行う。具体的には作製したサンプルの燃料極と接している面および他方の面に白金集電体、および電流線,電圧線を接続し、1000℃、2hで焼成する。次に、雰囲気炉内に入れ、大気雰囲気下で800℃まで昇温した後、炉内の雰囲気をH2ガスに切り替え、1時間後の電気抵抗を測定した。測定には、マルチメータ(例えばケースレイ社製、THD マルチメータ 2015-P等)を用いた。 Next, observation and measurement will be described. First, after firing and releasing from the fired plate, the surfaces of the fired plate and the fuel electrode are visually observed. Moreover, the state of mold release is observed visually. The electrical resistance is measured by the DC two-terminal method. Specifically, a platinum current collector, a current line and a voltage line are connected to the surface in contact with the fuel electrode and the other surface of the prepared sample, and fired at 1000 ° C. for 2 hours. Next, after putting in an atmosphere furnace and raising the temperature to 800 ° C. in an air atmosphere, the atmosphere in the furnace was switched to H 2 gas, and the electrical resistance after 1 hour was measured. For the measurement, a multimeter (for example, THD Multimeter 2015-P manufactured by Caseley Co., Ltd.) was used.

各サンプルについて、観察および電気抵抗測定結果について、以下の表1に示す。   For each sample, the observation and electrical resistance measurement results are shown in Table 1 below.

表1に示すように、表面粗さ10μmのサンプル(#1−1−0、#1−2−0、#1−3−0#1−4−0)については、計測不可能としているが、これは、焼成板に焼成した燃料極が強固に固着し、離型することが不可能となったためであり、電気抵抗(電気伝導度)の測定および焼成板表面色の確認の何れも不可能であった。   As shown in Table 1, measurement is not possible for samples (# 1-1-0, # 1-2-0, # 1-3-0 # 1-4-0) having a surface roughness of 10 μm. This is because the fuel electrode fired on the fired plate is firmly fixed and cannot be released from the mold, and neither measurement of electric resistance (electric conductivity) nor confirmation of the surface color of the fired plate is possible. It was possible.

一方、表面粗さ2μm以下の各サンプルは、何れも、焼成した燃料極を焼成板より容易に離型することが可能であった。しかしながら、Al23製の焼成板を用いたサンプル#1−0−0では、図4の(b)の写真に示すように、離型した後の焼成板表面に、燃料極成分との反応に伴う色の変化が明確に確認された。図4は、サンプル#1−0−0における離型した後の燃料極表面(a)および焼成板表面(b)の状態を撮影した写真である。図4の(b)に示す焼成板表面は、紺色に変化している。 On the other hand, in each sample having a surface roughness of 2 μm or less, it was possible to easily release the fired fuel electrode from the fired plate. However, in sample # 1-0-0 using a fired plate made of Al 2 O 3 , as shown in the photograph of (b) of FIG. The color change accompanying the reaction was clearly confirmed. FIG. 4 is a photograph of the state of the fuel electrode surface (a) and the fired plate surface (b) after being released from the sample # 1-0-0. The surface of the fired plate shown in (b) of FIG.

上述したAl23製の焼成板の場合に比較し、8YSZ製の焼成板およびZrO2製の焼成板を用いた場合のサンプル(#1−1−1〜#1−1−5、#1−2−1〜#1−2−5、#1−3−1〜#1−3−5、#1−4−1〜#1−4−5)では、変化がないもしくは薄い色が発生している程度である。例えば、ZrO2製の焼成板を用いたサンプルでは、図5の(b)の写真に示すように、ほとんど色が変化していない。図5は、サンプル#1−2−4における離型した後の燃料極表面(a)および焼成板表面(b)の状態を撮影した写真である。図5の(b)に示す焼成板表面は、極薄い緑色となっている。 Compared to the case of the above-described fired plate made of Al 2 O 3 , samples using a fired plate made of 8YSZ and a fired plate made of ZrO 2 (# 1-1-1 to # 1-1-5, # 1-2-1 to # 1-2-5, # 1-3-1 to # 1-3-5, # 1-4-1 to # 1-4-5) It is the extent that has occurred. For example, in a sample using a sintered plate made of ZrO 2 , the color hardly changes as shown in the photograph of FIG. FIG. 5 is a photograph of the state of the fuel electrode surface (a) and the fired plate surface (b) after being released from the sample # 1-2-4. The surface of the fired plate shown in FIG. 5B is extremely light green.

また、電気伝導度については顕著に差異が見られ、8YSZ製およびZrO2製などジルコニア製の焼成板を用いたサンプルでは、Al23製の焼成板を用いた場合に比較して、燃料極表面の電気抵抗が大幅に改善されたことが分かる。 In addition, there is a marked difference in electrical conductivity. Samples using 8YSZ and ZrO 2 made zirconia fired plates are more fuel-intensive than those using Al 2 O 3 fired plates. It can be seen that the electrical resistance of the pole surface has been greatly improved.

以上に説明したように、本発明によれば、表面の表面粗さが2μm以下とされたジルコニア製の焼成板を用いるようにしたので、ジルコニア製の焼成板を用いて固着することなく燃料極の焼成ができるようになる。   As described above, according to the present invention, since a zirconia fired plate having a surface roughness of 2 μm or less is used, the fuel electrode is not fixed using the zirconia fired plate. Can be fired.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、燃料極形成に用いた各材料の粉体の粒径,組成などの各条件は、上述した実施例などに示した値に限られるものではなく、目的とする固体酸化物形燃料電池の特性に合わせ、適宜に設定したものとすればよい。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, the conditions such as the particle size and composition of the powder of each material used for forming the fuel electrode are not limited to the values shown in the above-described examples, but the target solid oxide fuel cell. What is necessary is just to set suitably according to the characteristic.

101…焼成板、101a…表面、102…燃料極形成層、103…電解質形成層、104…空気極形成層、121…燃料極、131…電解質、141…空気極、110…単セル。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Baking board, 101a ... Surface, 102 ... Fuel electrode formation layer, 103 ... Electrolyte formation layer, 104 ... Air electrode formation layer, 121 ... Fuel electrode, 131 ... Electrolyte, 141 ... Air electrode, 110 ... Single cell.

Claims (6)

ジルコニア製の焼成板の表面粗さが2μm以下とされた表面上に未焼成の燃料極形成層を接した状態で形成する第1工程と、
前記第1工程の後で、前記燃料極形成層を焼成して燃料極とする第2工程と
を少なくとも備え、
前記焼成板の上に前記燃料極,電解質,および空気極が積層した固体酸化物型燃料電池の単セルを形成することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の作製方法。
A first step of forming an unfired fuel electrode forming layer in contact with the surface of the zirconia fired plate having a surface roughness of 2 μm or less;
After the first step, at least a second step of firing the fuel electrode forming layer to form a fuel electrode,
A method for manufacturing a solid oxide fuel cell, comprising forming a single cell of a solid oxide fuel cell in which the fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode are laminated on the fired plate.
請求項1記載の固体酸化物形燃料電池の作製方法において、
前記第2工程の前に、前記燃料極形成層の上に未焼成の電解質形成層を形成する第3工程と、
前記第2工程の後で、未焼成の空気極形成層を前記電解質の上に形成する第4工程と、
前記第4工程の後で、前記空気極形成層を焼成して前記空気極とする第5工程とを備え、
前記第2工程では、前記燃料極形成層を前記電解質形成層と共に焼成することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の作製方法。
In the manufacturing method of the solid oxide fuel cell of Claim 1,
Before the second step, a third step of forming an unsintered electrolyte forming layer on the fuel electrode forming layer;
After the second step, a fourth step of forming a green air electrode forming layer on the electrolyte;
After the fourth step, a fifth step of firing the air electrode forming layer to form the air electrode,
In the second step, the fuel electrode forming layer is fired together with the electrolyte forming layer.
請求項1記載の固体酸化物形燃料電池の作製方法において、
前記第2工程の前に、前記燃料極形成層の上に未焼成の電解質形成層を形成する第3工程と、
前記第2工程の前の前記第3工程の後で、前記電解質形成層の上に未焼成の空気極形成層を形成する第4工程と
を備え、
前記第2工程では、前記燃料極形成層を前記電解質形成層および前記空気極形成層と共に焼成し、前記燃料極,前記電解質,および前記空気極とすることを特徴とする固体酸化物形燃料電池の作製方法。
In the manufacturing method of the solid oxide fuel cell of Claim 1,
Before the second step, a third step of forming an unsintered electrolyte forming layer on the fuel electrode forming layer;
A fourth step of forming an unfired air electrode forming layer on the electrolyte forming layer after the third step before the second step;
In the second step, the fuel electrode forming layer is fired together with the electrolyte forming layer and the air electrode forming layer to form the fuel electrode, the electrolyte, and the air electrode. Manufacturing method.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池の作製方法において、
前記電解質形成層は、前記電解質を構成する材料を含んだスラリーを塗布して形成することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の作製方法。
In the manufacturing method of the solid oxide fuel cell of any one of Claims 1-3,
The method for producing a solid oxide fuel cell, wherein the electrolyte forming layer is formed by applying a slurry containing a material constituting the electrolyte.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池の作製方法において、
前記空気極形成層は、前記空気極を構成する材料を含んだスラリーを塗布して形成することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の作製方法。
In the manufacturing method of the solid oxide fuel cell of any one of Claims 1-4,
The method for producing a solid oxide fuel cell, wherein the air electrode forming layer is formed by applying a slurry containing a material constituting the air electrode.
請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池の作製方法において、
前記焼成板は、イットリウムを含んでいることを特徴とする固体酸化物形燃料電池の作製方法。
In the manufacturing method of the solid oxide fuel cell of any one of Claims 1-5,
The method for producing a solid oxide fuel cell, wherein the fired plate contains yttrium.
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