JP2017022111A - Laminate - Google Patents

Laminate Download PDF

Info

Publication number
JP2017022111A
JP2017022111A JP2016136019A JP2016136019A JP2017022111A JP 2017022111 A JP2017022111 A JP 2017022111A JP 2016136019 A JP2016136019 A JP 2016136019A JP 2016136019 A JP2016136019 A JP 2016136019A JP 2017022111 A JP2017022111 A JP 2017022111A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
fuel electrode
solid electrolyte
electrode layer
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2016136019A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
和樹 古性
Kazuki Kosho
和樹 古性
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Shokubai Co Ltd
Original Assignee
Nippon Shokubai Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Shokubai Co Ltd filed Critical Nippon Shokubai Co Ltd
Publication of JP2017022111A publication Critical patent/JP2017022111A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laminate appropriate for a solid oxide type electrochemical cell which reduces overvoltage in a fuel electrode layer or in a hydrogen electrode layer and improves a current-voltage property, an electrode support type half cell for solid oxide electrochemical cell which includes the laminate, reduces overvoltage in a fuel electrode layer or in a hydrogen electrode layer and improves a current-voltage property, an electrode support type unit cell for solid oxide type electrochemical cell and a solid electrolyte support type unit cell for solid oxide type electrochemical cell which include the laminate and improve performances.SOLUTION: The laminate comprises a fuel electrode layer or a hydrogen electrode layer and a solid electrolyte layer. The solid electrolyte layer contains an oxide ion conductive material as a main component, and the fuel electrode layer or the hydrogen electrode layer contains stabilized zirconia and nickel oxide. On a cross section of the fuel electrode layer or the hydrogen electrode layer, an average value for 10 sections of a total boundary length of the stabilized zirconia and the nickel oxide in a region for 3 μm from an interface with the solid electrolyte layer and within a section of a width of 10 μm is 25 μm or more and a standard deviation is 10 μm or less.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、燃料極層または水素極層における過電圧が低く、電流−電圧特性に優れる固体酸化物形電気化学セルに好適な積層体、当該積層体を含み燃料極層または水素極層における過電圧が低く電流−電圧特性に優れる固体酸化物形電気化学セル用電極支持型ハーフセル、並びに、当該積層体を含み高性能である固体酸化物形電気化学セル用電極支持型単セルおよび固体酸化物形電気化学セル用固体電解質支持型単セルに関するものである。   The present invention relates to a laminate suitable for a solid oxide electrochemical cell having a low overvoltage in a fuel electrode layer or a hydrogen electrode layer and excellent in current-voltage characteristics, and an overvoltage in a fuel electrode layer or a hydrogen electrode layer including the laminate. Electrode-supported half cell for solid oxide electrochemical cell having low current-voltage characteristics, and electrode-supported single cell and solid oxide electric cell for solid oxide electrochemical cell including the laminate and high performance The present invention relates to a solid electrolyte-supported single cell for chemical cells.

近年、燃料電池はクリーンなエネルギー源として注目されており、家庭用発電から業務用発電、さらには自動車用発電などのため、急速に改良研究や実用化研究が進められている。かかる燃料電池の中でも固体酸化物形燃料電池は、発電効率が良好で長期安定性にも優れるものとして家庭用や業務用の電力源として期待されている。   In recent years, fuel cells have attracted attention as a clean energy source, and rapid improvement studies and practical application studies are being promoted for household power generation, commercial power generation, and automobile power generation. Among such fuel cells, a solid oxide fuel cell is expected as a power source for home use and business use because it has good power generation efficiency and excellent long-term stability.

固体酸化物形燃料電池の固体電解質膜は、酸素イオンを伝導する一方で電子は通さない。よって、空気極で発生した酸素イオンが固体電解質膜を透過して燃料極に至り、水素などと反応して水などと電子が生じることにより発電する。かかる固体電解質膜の原料としてはイットリアなどで安定化されたジルコニアが主に用いられており、燃料極も導電性金属に加えて同様のジルコニアから構成されている。その結果、燃料極における安定化ジルコニアと導電性金属との界面、また、安定化ジルコニアと導電性金属と気相との三相界面において、反応を妨げるような電位分布が生じ、出力電圧の低下、即ち過電圧が見られる。かかる過電圧は固体酸化物形燃料電池の発電性能を貶めるため、抑制する必要がある。   The solid electrolyte membrane of the solid oxide fuel cell conducts oxygen ions but does not pass electrons. Therefore, oxygen ions generated at the air electrode permeate the solid electrolyte membrane to reach the fuel electrode, and react with hydrogen to generate water and electrons to generate electricity. As a raw material for such a solid electrolyte membrane, zirconia stabilized with yttria or the like is mainly used, and the fuel electrode is composed of similar zirconia in addition to the conductive metal. As a result, a potential distribution that interferes with the reaction occurs at the interface between the stabilized zirconia and the conductive metal in the fuel electrode, and the three-phase interface between the stabilized zirconia, the conductive metal, and the gas phase, and the output voltage decreases. That is, overvoltage is observed. Such overvoltage is required to suppress the power generation performance of the solid oxide fuel cell.

特許文献1には、出力を向上可能な燃料電池単セルであって、燃料極の断面においてニッケル粒子と酸素イオン導電性物質粒子との接合長さの平均値が規定された燃料電池単セルが開示されている。   Patent Document 1 discloses a fuel cell single cell capable of improving output, in which the average value of the joining length of nickel particles and oxygen ion conductive material particles is defined in the cross section of the fuel electrode. It is disclosed.

特開2014−26720号公報JP 2014-26720 A

上述したように、出力を高めるために燃料極におけるニッケル粒子と酸素イオン導電性物質粒子との接合長さの平均値を規定した燃料電池単セルは知られている。しかし、電流−電圧特性に優れ、発電性能がより一層優れた固体酸化物形燃料電池、および消費電力の少ない固体酸化物形電解セルが求められている。   As described above, there is known a fuel cell single cell in which the average value of the junction length between nickel particles and oxygen ion conductive material particles in the fuel electrode is defined in order to increase the output. However, there is a demand for a solid oxide fuel cell that has excellent current-voltage characteristics and further improved power generation performance, and a solid oxide electrolytic cell that consumes less power.

そこで本発明は、燃料極層または水素極層における過電圧が低く、電流−電圧特性に優れる固体酸化物形電気化学セルに好適な積層体、当該積層体を含み燃料極層または水素極層における過電圧が低く電流−電圧特性に優れる固体酸化物形電気化学セル用電極支持型ハーフセル、並びに、当該積層体を含み高性能である固体酸化物形電気化学セル用電極支持型単セルおよび固体酸化物形電気化学セル用固体電解質支持型単セルを提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention provides a laminate suitable for a solid oxide electrochemical cell having a low overvoltage in the fuel electrode layer or the hydrogen electrode layer and excellent in current-voltage characteristics, and an overvoltage in the fuel electrode layer or the hydrogen electrode layer including the laminate. Electrode-supporting half cell for solid oxide electrochemical cell having low current and voltage characteristics, and electrode-supporting single cell and solid oxide form for solid oxide electrochemical cell including the laminate and high performance An object of the present invention is to provide a solid electrolyte supported single cell for an electrochemical cell.

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、燃料極層または水素極層において、固体電解質層との界面付近における安定化ジルコニア粒子と酸化ニッケル粒子との境界長さが固体酸化物形電気化学セルの性能にとり非常に重要であることを見出して、本発明を完成した。   This inventor repeated earnest research in order to solve the said subject. As a result, in the fuel electrode layer or hydrogen electrode layer, the boundary length between stabilized zirconia particles and nickel oxide particles near the interface with the solid electrolyte layer is very important for the performance of the solid oxide electrochemical cell. And the present invention was completed.

以下、本発明を示す。   Hereinafter, the present invention will be described.

[1] 燃料極層または水素極層および固体電解質層を有し、
固体電解質層は酸化物イオン伝導性材料を主成分として含み、
燃料極層または水素極層は安定化ジルコニアと酸化ニッケルを含み、
燃料極層または水素極層の断面において、固体電解質層との界面から3μmまでの領域で且つ幅10μmの区画内での安定化ジルコニアと酸化ニッケルとの合計境界長さの10区画間の平均値が25μm以上であり且つ標準偏差が10μm以下であることを特徴とする積層体。
[1] A fuel electrode layer or a hydrogen electrode layer and a solid electrolyte layer,
The solid electrolyte layer contains an oxide ion conductive material as a main component,
The fuel or hydrogen electrode layer contains stabilized zirconia and nickel oxide,
In the cross section of the fuel electrode layer or the hydrogen electrode layer, the average value of the total boundary length of the stabilized zirconia and nickel oxide between 10 sections in the section from the interface with the solid electrolyte layer to 3 μm and in the section of 10 μm width Is a laminate having a standard deviation of 10 μm or less.

[2] 燃料極層または水素極層の断面において、固体電解質層との界面から1μm以上4μm以下の領域で且つ幅10μmの区画内での安定化ジルコニアと酸化ニッケルとの境界長さの10区画間の平均値が25μm以上であり且つ標準偏差が10μm以下である上記[1]に記載の積層体。   [2] In the cross section of the fuel electrode layer or the hydrogen electrode layer, 10 sections having a boundary length of stabilized zirconia and nickel oxide in a section having a width of 10 μm and a region of 1 μm to 4 μm from the interface with the solid electrolyte layer The laminate according to the above [1], wherein the average value between them is 25 μm or more and the standard deviation is 10 μm or less.

[3] 上記[1]または[2]に記載の積層体を含み、
燃料極層または水素極層が燃料極支持基板または水素極支持基板と燃料極機能層または水素極機能層からなり、
燃料極機能層または水素極機能層が固体電解質層に接していることを特徴とする固体酸化物形電気化学セル用電極支持型ハーフセル。
[3] The laminate according to [1] or [2] above,
The fuel electrode layer or hydrogen electrode layer is composed of a fuel electrode support substrate or hydrogen electrode support substrate and a fuel electrode functional layer or hydrogen electrode functional layer,
An electrode-supporting half cell for a solid oxide electrochemical cell, wherein a fuel electrode functional layer or a hydrogen electrode functional layer is in contact with a solid electrolyte layer.

[4] 固体電解質層の燃料極機能層または水素極機能層とは反対側の表面上にバリア層が配置されている上記[3]に記載の固体酸化物形電気化学セル用電極支持型ハーフセル。   [4] The electrode-supporting half cell for a solid oxide electrochemical cell according to the above [3], wherein a barrier layer is disposed on the surface of the solid electrolyte layer opposite to the fuel electrode functional layer or the hydrogen electrode functional layer. .

[5] 上記[3]に記載の固体酸化物形電気化学セル用電極支持型ハーフセルの固体電解質層の燃料極機能層または水素極機能層とは反対側の表面上、または、上記[4]に記載の固体酸化物形電気化学セル用電極支持型ハーフセルのバリア層の固体電解質層とは反対側の表面上に、空気極層または酸素極層が形成されていることを特徴とする固体酸化物形電気化学セル用電極支持型単セル。   [5] On the surface opposite to the fuel electrode functional layer or the hydrogen electrode functional layer of the solid electrolyte layer of the electrode-supporting half cell for a solid oxide electrochemical cell according to [3] above, or [4] above A solid oxide characterized in that an air electrode layer or an oxygen electrode layer is formed on the surface opposite to the solid electrolyte layer of the barrier layer of the electrode-supported half cell for solid oxide electrochemical cells described in 1. Electrode-supported single cell for physical electrochemical cells.

[6] 上記[1]または[2]に記載の積層体を含み、
固体電解質層が固体電解質支持基板からなり、
燃料極層または水素極層、固体電解質支持基板および空気極層または酸素極層をこの順番で含むことを特徴とする固体酸化物形電気化学セル用固体電解質支持型単セル。
[6] The laminate according to [1] or [2] above is included,
The solid electrolyte layer comprises a solid electrolyte support substrate;
A solid electrolyte supported single cell for a solid oxide electrochemical cell, comprising a fuel electrode layer or a hydrogen electrode layer, a solid electrolyte support substrate, and an air electrode layer or an oxygen electrode layer in this order.

[7] さらに、固体電解質支持基板と空気極層または酸素極層との間にバリア層を含む上記[6]に記載の固体酸化物形電気化学セル用固体電解質支持型単セル。   [7] The solid electrolyte supporting single cell for a solid oxide electrochemical cell according to [6], further including a barrier layer between the solid electrolyte supporting substrate and the air electrode layer or the oxygen electrode layer.

本発明に係る固体酸化物形電気化学セル用単セルにおいては、燃料極層または水素極層の過電圧が低減されており、電流−電圧特性が優れている。よって、本発明に係る固体酸化物形燃料電池用単セルは高出力なものであり、また、本発明に係る固体酸化物形電解セルは低消費電力で高効率である。   In the unit cell for a solid oxide electrochemical cell according to the present invention, the overvoltage of the fuel electrode layer or the hydrogen electrode layer is reduced, and the current-voltage characteristics are excellent. Therefore, the solid oxide fuel cell unit cell according to the present invention has high output, and the solid oxide electrolytic cell according to the present invention has low power consumption and high efficiency.

本発明に係る積層体は、燃料極層または水素極層および固体電解質層を有する。当該積層体の燃料極層を燃料極支持基板と燃料極機能層から構成し、燃料極支持基板、燃料極機能層、固体電解質層の順番で積層して固体酸化物形燃料電池用燃料極支持型ハーフセルとしてもよいし、固体電解質層を固体電解質支持基板とし、固体電解質支持基板の各面に燃料極層と空気極層を配置した固体酸化物形燃料電池用固体電解質支持型単セルとしてもよい。固体酸化物形燃料電池用燃料極支持型ハーフセルの固体電解質層上には、空気極層を配置して固体酸化物形燃料電池用燃料極支持型単セルとしてもよい。また、上記積層体の水素極層を水素極支持基板と水素極機能層から構成し、水素極支持基板、水素極機能層、固体電解質層の順番で積層して固体酸化物形電解セル用水素極支持型ハーフセルとしてもよいし、固体電解質層を固体電解質支持基板とし、固体電解質支持基板の各面に水素極層と酸素極層を配置した固体酸化物形電解セル用固体電解質支持型単セルとしてもよい。固体酸化物形電解セル用水素極支持型ハーフセルの固体電解質層上には、酸素極層を配置して固体酸化物形電解セル用水素極支持型単セルとしてもよい。   The laminate according to the present invention has a fuel electrode layer or a hydrogen electrode layer and a solid electrolyte layer. The fuel electrode layer of the laminate is composed of a fuel electrode support substrate and a fuel electrode functional layer, and is stacked in the order of the fuel electrode support substrate, the fuel electrode functional layer, and the solid electrolyte layer to support the fuel electrode for a solid oxide fuel cell. A solid electrolyte support substrate, and a solid electrolyte support single cell for a solid oxide fuel cell in which a fuel electrode layer and an air electrode layer are arranged on each surface of the solid electrolyte support substrate. Good. An air electrode layer may be disposed on the solid electrolyte layer of the solid electrode type half cell for a solid oxide fuel cell to form a single electrode cell for a solid oxide fuel cell. Further, the hydrogen electrode layer of the laminate is composed of a hydrogen electrode support substrate and a hydrogen electrode functional layer, and is stacked in the order of the hydrogen electrode support substrate, the hydrogen electrode functional layer, and the solid electrolyte layer to form hydrogen for a solid oxide electrolytic cell. It may be an electrode-supported half cell, or a solid electrolyte support single cell for a solid oxide electrolytic cell in which the solid electrolyte layer is a solid electrolyte support substrate, and a hydrogen electrode layer and an oxygen electrode layer are arranged on each surface of the solid electrolyte support substrate. It is good. An oxygen electrode layer may be disposed on the solid electrolyte layer of the hydrogen electrode supporting half cell for the solid oxide electrolytic cell to form a hydrogen electrode supporting single cell for the solid oxide electrolytic cell.

本発明において、「固体酸化物形電気化学セル」には固体酸化物形燃料電池(SOFC)と固体酸化物形電解セル(SOEC)が含まれる。電解質層を構成する成分にもよるが、例えば、SOFCの燃料極では水素と酸化物イオンから水と電子が生成し、空気極では酸素と電子から酸化物イオンが生成する。SOFCでは、電子は燃料極から外部回路へ流れ出るため燃料極がアノードに相当し、空気極は外部回路から電子が流れ込むためカソードに相当する。一方、SOECでは、水素極は水と電子から酸化物イオンと水素が生成するためカソードに相当し、酸素極は酸化物イオンから酸素と電子が生成するためアノードに相当する。SOFCはSOECとしても利用することができるので、以下では主にSOFCにつき代表的に説明する。なお、SOFCの燃料極はSOECの水素極に、SOFCの空気極はSOECの酸素極に相当する。また、電極支持型単セルとしては、燃料極支持型単セルが好ましく、以下では燃料極支持型単セルにつき代表的に説明する。   In the present invention, the “solid oxide electrochemical cell” includes a solid oxide fuel cell (SOFC) and a solid oxide electrolytic cell (SOEC). Although depending on the components constituting the electrolyte layer, for example, SOFC fuel electrode generates water and electrons from hydrogen and oxide ions, and air electrode generates oxide ions from oxygen and electrons. In the SOFC, electrons flow from the fuel electrode to the external circuit, so the fuel electrode corresponds to the anode, and the air electrode corresponds to the cathode, because electrons flow from the external circuit. On the other hand, in SOEC, the hydrogen electrode corresponds to a cathode because oxide ions and hydrogen are generated from water and electrons, and the oxygen electrode corresponds to an anode because oxygen and electrons are generated from oxide ions. Since SOFC can also be used as SOEC, the following mainly describes SOFC representatively. The SOFC fuel electrode corresponds to the SOEC hydrogen electrode, and the SOFC air electrode corresponds to the SOEC oxygen electrode. The electrode-supporting single cell is preferably a fuel-electrode-supporting single cell, and the fuel-electrode-supporting single cell will be representatively described below.

本発明に係る積層体の燃料極層、即ち、SOFC用燃料極支持型ハーフセルおよびSOFC用燃料極支持型単セルの燃料極支持基板と燃料極機能層、並びに、SOFC用固体電解質支持型単セルの燃料極層は、一般的に、安定化ジルコニアと酸化ニッケルを含む多孔質体である。以下では、上記燃料極支持基板、燃料極機能層および燃料極層をまとめて「燃料極」という場合がある。   FUEL ELECTRODE LAYER OF LAMINATE OF THE INVENTION, i.e. SOFC Fuel Electrode Support Half Cell, SOFC Fuel Electrode Support Single Cell Fuel Electrode Support Substrate and Fuel Electrode Functional Layer, and SOFC Solid Electrolyte Support Single Cell The fuel electrode layer is generally a porous body containing stabilized zirconia and nickel oxide. Hereinafter, the fuel electrode support substrate, the fuel electrode functional layer, and the fuel electrode layer may be collectively referred to as “fuel electrode”.

燃料極を構成する安定化ジルコニアは、イットリア、スカンジア、イッテルビアなどが固溶することにより結晶構造が安定化しているジルコニアであり、イットリア、スカンジア、およびイッテルビアからなる群から選択される少なくとも1種が固溶した安定化ジルコニアが好ましい。当該安定化ジルコニアにおけるイットリア、スカンジアおよび/またはイッテルビアの割合、即ちこれらの固溶量としては2モル%以上15モル%以下が好ましい。当該割合が2モル%以上であれば、結晶相の安定化効果などの効果がより確実に得られる。一方、イットリア、スカンジア、イッテルビアの固溶量が過剰になると強度が低下するおそれがあり得るので、当該割合としては15モル%以下が好ましい。当該割合としては、3モル%以上12モル%以下がより好ましい。イットリア、スカンジア、イッテルビアの中でもイットリア、イッテルビアが好ましく、イッテルビアが特に好ましい。   The stabilized zirconia constituting the fuel electrode is zirconia whose crystal structure is stabilized by solid solution of yttria, scandia, ytterbia, etc., and at least one selected from the group consisting of yttria, scandia, and ytterbia Solid solution stabilized zirconia is preferred. The proportion of yttria, scandia and / or ytterbia in the stabilized zirconia, that is, the solid solution amount thereof is preferably 2 mol% or more and 15 mol% or less. When the proportion is 2 mol% or more, effects such as a crystal phase stabilization effect can be obtained more reliably. On the other hand, if the solid solution amount of yttria, scandia, and ytterbia is excessive, the strength may be lowered. Therefore, the proportion is preferably 15 mol% or less. As the said ratio, 3 mol% or more and 12 mol% or less are more preferable. Among yttria, scandia, and ytterbia, yttria and ytterbia are preferable, and ytterbia is particularly preferable.

本発明に係る燃料極を構成する安定化ジルコニアは、イットリア、スカンジア、イッテルビアに加えてさらに他の金属酸化物を含んでいてもよい。さらなる金属酸化物の添加により、ジルコニアシートの酸素イオン伝導性、強度、耐久性などの特性がより一層向上する可能性がある。かかる金属酸化物としては、例えば、MgO、CaO、SrO、BaOなどのアルカリ土類金属酸化物;Ce23、La23、Pr23、Nd23、Sm23、Eu23、Gd23、Tb23、Dy23、Ho23、Er23などの希土類元素酸化物;Al23、In23などの第13族元素酸化物;SiO2、Ge23、SnO2などの第14族元素酸化物;Bi23、Sb23などの第15族元素酸化物;TiO2などの第4族元素酸化物;Nb25、Ta25などの第5族元素酸化物などを挙げることができる。これらの中でも、ランタン(La)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、アルミニウム(Al)およびチタン(Ti)からなる群より選択される1種以上の金属の酸化物が特に好ましい。これらその他の金属酸化物は、いずれか1種のみであってもよいし、2種以上の組み合わせであってもよく、また、そのジルコニア全体に対する割合としては、0.5モル%以上2.5モル%以下が好ましい。 The stabilized zirconia constituting the fuel electrode according to the present invention may further contain other metal oxides in addition to yttria, scandia, and ytterbia. The addition of a metal oxide may further improve the properties of the zirconia sheet such as oxygen ion conductivity, strength, and durability. Examples of such metal oxides include alkaline earth metal oxides such as MgO, CaO, SrO, BaO; Ce 2 O 3 , La 2 O 3 , Pr 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Rare earth element oxides such as Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 ; Group 13 such as Al 2 O 3 , In 2 O 3 Element oxides; Group 14 element oxides such as SiO 2 , Ge 2 O 3 and SnO 2 ; Group 15 element oxides such as Bi 2 O 3 and Sb 2 O 3 ; Group 4 element oxidations such as TiO 2 A Group 5 element oxide such as Nb 2 O 5 and Ta 2 O 5 . Among these, lanthanum (La), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), gadolinium (Gd), terbium (Tb), aluminum (Al), and titanium (Ti) are selected. One or more metal oxides are particularly preferred. Any one of these other metal oxides may be used, or a combination of two or more thereof may be used. The ratio of the other metal oxide to the whole zirconia is 0.5 mol% or more and 2.5 or more. Mole% or less is preferable.

燃料極における安定化ジルコニアと酸化ニッケルの割合は適宜調整すればよいが、例えば、安定化ジルコニアと酸化ニッケルの合計に対する酸化ニッケルの質量比で40質量%以上80質量%以下程度とすることができる。   The ratio of stabilized zirconia and nickel oxide in the fuel electrode may be adjusted as appropriate. For example, the mass ratio of nickel oxide to the total of stabilized zirconia and nickel oxide may be about 40% by mass to 80% by mass. .

燃料極支持基板は、燃料極機能層へ水素などの燃料ガスを不均一にならないよう供給し、反応により生じる電子をインターコネクタへ受け渡すと共に、電解質層や空気極層を支持する役割を有する。また、燃料極機能層は、電気化学反応が主に行われる層である。SOFC用固体電解質支持型単セルの燃料極層も電気化学反応が主に行われる層である。燃料極層には、燃料ガスを燃料極層へ均一に供給し、反応により生じる電子をインターコネクタへ受け渡すための集電体を設けてもよい。   The fuel electrode support substrate has a role of supplying fuel gas such as hydrogen to the fuel electrode functional layer so as not to be nonuniform, delivering electrons generated by the reaction to the interconnector, and supporting the electrolyte layer and the air electrode layer. The fuel electrode functional layer is a layer in which an electrochemical reaction is mainly performed. The fuel electrode layer of the solid electrolyte supporting single cell for SOFC is also a layer in which electrochemical reaction is mainly performed. The fuel electrode layer may be provided with a current collector for uniformly supplying the fuel gas to the fuel electrode layer and transferring electrons generated by the reaction to the interconnector.

燃料極における反応は、酸素イオンを供給する安定化ジルコニアと、燃料ガスを供給する気相と、電子を受け取る金属ニッケルとの三相で起こる。よって、燃料極は多孔質であるが、燃料極支持基板の多孔質度の方が燃料極機能層よりも高いことが好ましい。厚さについても、一般的に、燃料極機能層の厚さは5μm以上30μm程度とすることができ、燃料極支持基板の厚さは100μm以上10000μm以下程度とすることができる。SOFC用固体電解質支持型単セルの場合、燃料極層の厚さは1μm以上50μm以下程度とすることができる。   The reaction at the fuel electrode occurs in three phases: stabilized zirconia that supplies oxygen ions, a gas phase that supplies fuel gas, and metallic nickel that receives electrons. Therefore, although the fuel electrode is porous, the porosity of the fuel electrode support substrate is preferably higher than that of the fuel electrode functional layer. Regarding the thickness, generally, the thickness of the fuel electrode functional layer can be about 5 μm to 30 μm, and the thickness of the fuel electrode support substrate can be about 100 μm to 10000 μm. In the case of a solid electrolyte supporting single cell for SOFC, the thickness of the fuel electrode layer can be about 1 μm or more and 50 μm or less.

燃料極支持基板と燃料極機能層の組成は同一であっても異なっていてもよい。例えば、安定化ジルコニアのイットリア、スカンジア、イッテルビアの構成や割合のみを違えてもよい。   The composition of the fuel electrode support substrate and the fuel electrode functional layer may be the same or different. For example, only the composition and ratio of the stabilized zirconia yttria, scandia, and ytterbia may be changed.

SOFC用燃料極支持型ハーフセルおよびSOFC用燃料極支持型単セルの固体電解質層とSOFC用固体電解質支持型単セルの固体電解質支持基板は、酸化物イオン伝導性材料を主成分として含み、酸化物イオン伝導性を示す。なお、電子伝導性については小さいことが好ましく、例えば、運転温度において、酸化物イオンの輸率としては0.90以上が好ましく、0.95以上がさらに好ましい。   The solid electrolyte layer of the SOFC fuel electrode support half cell and the SOFC fuel electrode support single cell and the solid electrolyte support substrate of the SOFC solid electrolyte support single cell include an oxide ion conductive material as a main component, and an oxide. Shows ionic conductivity. The electron conductivity is preferably small. For example, at the operating temperature, the transport number of oxide ions is preferably 0.90 or more, and more preferably 0.95 or more.

本発明において固体電解質層が酸化物イオン伝導性材料を「主成分として含む」とは、固体電解質層の主成分が酸化物イオン伝導性材料であり、上述したように固体電解質層が酸化物イオン伝導性を示すものであれば特に制限されないが、例えば、固体電解質層の90質量%以上が酸化物イオン伝導性材料であることを意味する。当該割合としては、91質量%以上が好ましく、92質量%以上または93質量%以上がより好ましく、94質量%以上または95質量%以上がよりさらに好ましい。   In the present invention, the solid electrolyte layer “contains an oxide ion conductive material as a main component” means that the main component of the solid electrolyte layer is an oxide ion conductive material, and the solid electrolyte layer is an oxide ion as described above. Although it will not restrict | limit especially if it shows electroconductivity, For example, it means that 90 mass% or more of a solid electrolyte layer is an oxide ion conductive material. As the said ratio, 91 mass% or more is preferable, 92 mass% or more or 93 mass% or more is more preferable, 94 mass% or more or 95 mass% or more is still more preferable.

また、固体電解質層には、原料に由来する不可避的不純物が混入したり、製造工程で不可避的不純物が付着または混入する場合がある。さらに、固体電解質層の焼結性が悪いとガスのクロスリークが発生し易く、この場合、一部の燃料ガスと酸化剤ガスが電気化学反応に用いられずに直接燃焼反応してしまい、効率が低下することから、固体電解質層にはガスを透過しない程度の高い緻密性が求められる。このため、固体電解質層の焼結性を改善して緻密性を高める手段として、酸化物イオン伝導性が損なわれなければ、酸化物イオン伝導性材料の他にも、焼結助剤のような添加剤が含まれていても構わない。よって、固体電解質層は、不可避的不純物や、焼結助剤などの添加剤などを含む以外、実質的に酸化物イオン伝導性材料のみからなることが好ましい。   In addition, inevitable impurities derived from raw materials may be mixed in the solid electrolyte layer, or inevitable impurities may be attached or mixed in the manufacturing process. In addition, if the sinterability of the solid electrolyte layer is poor, gas cross-leakage is likely to occur, and in this case, some fuel gas and oxidant gas are not used in the electrochemical reaction and directly combusted, resulting in efficiency. Therefore, the solid electrolyte layer is required to have high denseness that does not transmit gas. For this reason, as a means for improving the sinterability of the solid electrolyte layer and increasing the denseness, if the oxide ion conductivity is not impaired, in addition to the oxide ion conductive material, Additives may be included. Therefore, it is preferable that the solid electrolyte layer is substantially made of only an oxide ion conductive material except that it contains inevitable impurities and additives such as a sintering aid.

酸化物イオン伝導性材料として、好ましくは、燃料極を構成する安定化ジルコニアとして例示したものと同様のものを用いることができる。即ち、固体電解質を構成する安定化ジルコニアとしては、イットリア、スカンジアおよびイッテルビアからなる群から選択される少なくとも1種が固溶した安定化ジルコニアが好ましい。当該安定化ジルコニアにおけるイットリア、スカンジアおよび/またはイッテルビアの割合、即ちこれらの固溶量としては、2モル%以上15モル%以下が好ましい。当該割合が2モル%以上であれば、結晶相の安定化効果などの効果がより確実に得られる。一方、イットリア、スカンジア、イッテルビアの固溶量が過剰になると強度が低下するおそれがあり得るので、当該割合としては15モル%以下が好ましい。当該割合としては、3モル%以上12モル%以下がより好ましい。イットリア、スカンジア、イッテルビアの中でもイットリア、イッテルビアが好ましく、イッテルビアが特に好ましい。本発明に係る積層体中、固体電解質を構成する安定化ジルコニアと燃料極を構成する安定化ジルコニアは、同一であっても異なっていてもよい。   As the oxide ion conductive material, preferably, the same materials as those exemplified as the stabilized zirconia constituting the fuel electrode can be used. That is, the stabilized zirconia constituting the solid electrolyte is preferably stabilized zirconia in which at least one selected from the group consisting of yttria, scandia, and ytterbia is dissolved. The proportion of yttria, scandia and / or ytterbia in the stabilized zirconia, that is, the solid solution amount thereof is preferably 2 mol% or more and 15 mol% or less. When the proportion is 2 mol% or more, effects such as a crystal phase stabilization effect can be obtained more reliably. On the other hand, if the solid solution amount of yttria, scandia, and ytterbia is excessive, the strength may be lowered. Therefore, the proportion is preferably 15 mol% or less. As the said ratio, 3 mol% or more and 12 mol% or less are more preferable. Among yttria, scandia, and ytterbia, yttria and ytterbia are preferable, and ytterbia is particularly preferable. In the laminate according to the present invention, the stabilized zirconia constituting the solid electrolyte and the stabilized zirconia constituting the fuel electrode may be the same or different.

本発明に係るSOFC用燃料極支持型ハーフセルおよびSOFC用燃料極支持型単セルにおける固体電解質層の厚さは、例えば、1μm以上50μm以下程度とすることができる。当該厚さが薄い程、固体酸化物形燃料電池の発電性能は高くなり、50μm以下であれば十分に高い発電特性が得られる。一方、薄過ぎると短絡などの問題が生じるおそれがあり得るので、当該厚さとしては1μm以上が好ましい。当該厚さとしては、1.5μm以上がより好ましく、2μm以上がさらに好ましく、また、30μm以下がより好ましく、20μm以下がさらに好ましく、15μm以下が特に好ましい。   The thickness of the solid electrolyte layer in the SOFC fuel electrode supporting half cell and the SOFC fuel electrode supporting single cell according to the present invention can be, for example, about 1 μm to 50 μm. The thinner the thickness, the higher the power generation performance of the solid oxide fuel cell. If the thickness is 50 μm or less, sufficiently high power generation characteristics can be obtained. On the other hand, if it is too thin, there is a possibility that problems such as a short circuit may occur. Therefore, the thickness is preferably 1 μm or more. The thickness is more preferably 1.5 μm or more, further preferably 2 μm or more, more preferably 30 μm or less, still more preferably 20 μm or less, and particularly preferably 15 μm or less.

本発明に係るSOFC用固体電解質支持型単セルにおける固体電解質支持基板の厚さは、例えば、80μm以上2000μm以下程度とすることができる。2000μm以下であれば十分に高い発電特性が得られる。一方、薄過ぎると強度などに問題が生じるおそれがあり得るので、当該厚さとしては80μm以上が好ましい。   The thickness of the solid electrolyte support substrate in the solid electrolyte support type single cell for SOFC according to the present invention can be, for example, about 80 μm or more and 2000 μm or less. If it is 2000 μm or less, sufficiently high power generation characteristics can be obtained. On the other hand, if the thickness is too thin, there may be a problem in strength and the like. Therefore, the thickness is preferably 80 μm or more.

本発明に係るSOFC用燃料極支持型ハーフセルの固体電解質層の上、SOFC用燃料極支持型単セルの固体電解質層と空気極層との間、また、SOFC用固体電解質支持型単セルの固体電解質支持基板と空気極層の間には、固体電解質と空気極層との反応を抑制するためにバリア層を配置してもよい。   On the solid electrolyte layer of the SOFC fuel electrode support type half cell according to the present invention, between the solid electrolyte layer and the air electrode layer of the SOFC fuel electrode support type single cell, and the solid state of the SOFC solid electrolyte support type single cell A barrier layer may be disposed between the electrolyte support substrate and the air electrode layer in order to suppress the reaction between the solid electrolyte and the air electrode layer.

バリア層の成分としては、例えば、Y、Sm、Gd、Nd、Pr、Sc、Gaからなる群より選択される1種または2種以上の金属にドープされたセリア、より具体的にはCe1-zz2-w(式中、MはY、Sm、Gd、Nd、Pr、Sc、Gaからなる群より選択される1種または2種以上の金属を示し;0.05≦z≦0.4であり;0≦w<0.5である)で表される化学式で示されるものを挙げることができる。 Examples of the component of the barrier layer include ceria doped with one or more metals selected from the group consisting of Y, Sm, Gd, Nd, Pr, Sc, and Ga, and more specifically, Ce 1. -z M z O 2-w (wherein M represents one or more metals selected from the group consisting of Y, Sm, Gd, Nd, Pr, Sc, and Ga; 0.05 ≦ z ≦ 0.4; 0 ≦ w <0.5).

バリア層の厚さは、1μm以上20μm以下程度とすることができる。   The thickness of the barrier layer can be about 1 μm or more and 20 μm or less.

空気極層の材料としては、電子導電性に優れ、酸化雰囲気下でも安定なペロブスカイト形酸化物からなるものが一般的に用いられる。具体的には、La0.8Sr0.2MnO3、La0.6Sr0.4CoO3、La0.6Sr0.4FeO3、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.83など、ランタンの一部をストロンチウムで置換したランタンマンガナイト、ランタンフェライトやランタンコバルタイト等が空気極層材料として好ましい。また、空気極層に酸素イオン伝導性を付与するために、希土類などをドープしたセリアを適宜混合することもできる。 As the material for the air electrode layer, a material made of a perovskite oxide that is excellent in electronic conductivity and stable even in an oxidizing atmosphere is generally used. Specifically, lanthanum manganite in which a part of lanthanum is substituted with strontium, such as La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 , La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 , La 0.6 Sr 0.4 FeO 3 , La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3, etc. Lanthanum ferrite, lanthanum cobaltite and the like are preferable as the air electrode layer material. In addition, in order to impart oxygen ion conductivity to the air electrode layer, ceria doped with rare earth or the like can be appropriately mixed.

空気極層の厚さは、5μm以上50μm以下程度とすることができる。   The thickness of the air electrode layer can be about 5 μm or more and 50 μm or less.

本発明に係るSOFC用燃料極支持型ハーフセル、SOFC用燃料極支持型単セルおよびSOFC用固体電解質支持型単セルの形状や大きさは、適宜選択すればよい。例えば形状は、正方形や長方形などの角形や、円形など、特に制限されない。角形の一辺の長さや円形の直径としては、例えば、30mm以上300mm以下とすることができる。当該長さおよび直径としては、50mm以上がより好ましく、70mm以上がさらに好ましく、また、200mm以下がより好ましく、150mm以下がさらに好ましい。   The shape and size of the SOFC fuel electrode supporting half cell, the SOFC fuel electrode supporting single cell, and the SOFC solid electrolyte supporting single cell according to the present invention may be appropriately selected. For example, the shape is not particularly limited, such as a square such as a square or a rectangle, or a circle. The length of one side of the square or the diameter of the circle can be, for example, 30 mm or more and 300 mm or less. The length and diameter are more preferably 50 mm or more, further preferably 70 mm or more, more preferably 200 mm or less, and further preferably 150 mm or less.

本発明に係る積層体の燃料極層の断面、即ち、本発明に係るSOFC用燃料極支持型ハーフセルおよびSOFC用燃料極支持型単セルの燃料極機能層の断面、並びに、SOFC用固体電解質支持型単セルの燃料極層の断面において、それぞれ固体電解質層または固体電解質支持基板との界面から3μmまでの領域で且つ幅10μmの区画内での安定化ジルコニアと酸化ニッケルとの合計境界長さの10区画間の平均値が25μm以上であり且つ標準偏差が10μm以下である。本発明者の知見によれば、燃料極における反応の効率化には固体電解質と燃料極との界面の状態が最も重要であり、当該界面付近における安定化ジルコニア粒子と酸化ニッケル粒子との間の境界長さを指標とすれば、セルの発電性能を評価することが可能になる。   The cross section of the fuel electrode layer of the laminate according to the present invention, that is, the cross section of the fuel electrode functional layer of the SOFC fuel electrode supporting half cell and the SOFC fuel electrode supporting single cell according to the present invention, and the SOFC solid electrolyte support In the cross section of the fuel electrode layer of the type single cell, the total boundary length of the stabilized zirconia and nickel oxide in the region of 3 μm from the interface with the solid electrolyte layer or the solid electrolyte support substrate and within the 10 μm wide section, respectively. The average value between 10 sections is 25 μm or more and the standard deviation is 10 μm or less. According to the inventor's knowledge, the state of the interface between the solid electrolyte and the fuel electrode is the most important for the efficiency of the reaction at the fuel electrode, and between the stabilized zirconia particles and the nickel oxide particles in the vicinity of the interface. If the boundary length is used as an index, the power generation performance of the cell can be evaluated.

酸化ニッケルは、還元的雰囲気で還元されて金属ニッケルとなる。よって本発明では、上記合計境界長さは、発電前を含む還元前に測定するものとする。また、いったん発電や還元を経た後であっても、酸化的雰囲気で処理した後に測定してもよい。   Nickel oxide is reduced to a metallic nickel in a reducing atmosphere. Therefore, in the present invention, the total boundary length is measured before the reduction including the power generation. Further, even after power generation or reduction once, measurement may be performed after treatment in an oxidizing atmosphere.

上記合計境界長さは、燃料極機能層または燃料極層の断面で測定する。よって、上記合計境界長さは、SOFC用燃料極支持型ハーフセル、SOFC用燃料極支持型単セルまたはSOFC用固体電解質支持型単セルを縦方向に切断して測定する。切断位置は特に制限されないが、例えば、セルの中央、即ち円形セルでは円の中心、方形セルでは対角線の交点を含む線に沿って、面の垂直方向で切断すればよい。   The total boundary length is measured at the cross section of the fuel electrode functional layer or the fuel electrode layer. Therefore, the total boundary length is measured by cutting the SOFC fuel electrode supporting half cell, the SOFC fuel electrode supporting single cell, or the SOFC solid electrolyte supporting single cell in the longitudinal direction. The cutting position is not particularly limited. For example, the cutting position may be cut in the vertical direction of the plane along the center of the cell, that is, the center of the circle in the case of a circular cell and the line including the intersection of diagonal lines in the case of a square cell.

本発明では、燃料極機能層または燃料極層の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察して上記合計境界長さを測定する。拡大倍率は適宜調整すればよく、上記の3μm×10μmの領域が一視野内に十分含まれる倍率とすればよい。具体的には、例えば3,000倍以上15,000倍以下程度の倍率とすることができるが、画像内において安定化ジルコニアと酸化ニッケルと空孔とを3μm×10μmの区画内で識別できればよく、ディスプレイなどの媒体の大きさにより好ましい倍率は異なることもあり、上記三者を識別できる程度に鮮明であれば特に制限されるものではない。   In the present invention, the total boundary length is measured by observing a cross section of the fuel electrode functional layer or the fuel electrode layer with a scanning electron microscope (SEM). What is necessary is just to adjust an expansion magnification suitably, and should just be set as the magnification which said 3 micrometer x 10 micrometer area | region is fully contained in one visual field. Specifically, for example, the magnification can be about 3,000 times or more and 15,000 times or less, but it is only necessary to identify stabilized zirconia, nickel oxide, and pores in a 3 μm × 10 μm section in the image. The preferred magnification may vary depending on the size of the medium such as a display, and is not particularly limited as long as it is clear enough to identify the above three.

SEMによる拡大視野内では、安定化ジルコニアと酸化ニッケルと空孔を区別する。これら三者はSEMで取得した二次電子像とエネルギー分散型X線分析や波長分散型X線分析などを併用して区別することもできるが、短時間で容易かつ明確に区別するためには、反射電子像を取得することが好ましい。SEM−反射電子像であれば、燃料極における安定化ジルコニア粒子と酸化ニッケル粒子との区別がより明確であり、両粒子間の境界長さをより正確に測定することが可能になる。安定化ジルコニアと酸化ニッケルと空孔は、画像を画像解析ソフトで解析して色の濃さなどにより区別してもよいが、画像解析ソフトの精度によっては判断を誤ることがあるため、基本的には目視により区別することが好ましい。   Within the enlarged field of view by SEM, the stabilized zirconia, nickel oxide and vacancies are distinguished. These three can be distinguished by using secondary electron images acquired by SEM and energy dispersive X-ray analysis or wavelength dispersive X-ray analysis in combination, but in order to distinguish easily and clearly in a short time It is preferable to obtain a reflected electron image. With the SEM-reflected electron image, the distinction between the stabilized zirconia particles and the nickel oxide particles in the fuel electrode is clearer, and the boundary length between both particles can be measured more accurately. Stabilized zirconia, nickel oxide, and pores may be distinguished by color density by analyzing the image with image analysis software. However, the judgment may be wrong depending on the accuracy of the image analysis software. Are preferably distinguished visually.

燃料極機能層と固体電解質層との界面、および、燃料極層と固体電解質支持基板との界面は、燃料極機能層と燃料極層は通常は多孔質であり、燃料極機能層および燃料極層の表面における孔へ固体電解質材料が入り込むなどするので、決定が難しい場合がある。そこで本発明では、以下の手順で上記界面を決定するものとする。   The interface between the fuel electrode functional layer and the solid electrolyte layer and the interface between the fuel electrode layer and the solid electrolyte support substrate are usually porous. The fuel electrode functional layer and the fuel electrode layer are usually porous. The determination may be difficult because the solid electrolyte material enters the pores in the surface of the layer. Therefore, in the present invention, the interface is determined by the following procedure.

・ SEMによる拡大視野内で、最も固体電解質側の酸化ニッケル粒子を特定する
・ 同一拡大視野内で、上記酸化ニッケル粒子の端部から2μm以上離れた領域で、最も固体電解質側の酸化ニッケル粒子を特定する
・ 上記2つの酸化ニッケル粒子それぞれの最も固体電解質側の端部を結んだ直線を、燃料極と固体電解質との界面とする
本発明では、上記界面から3μmまでの領域で且つ幅10μmの区画内で、安定化ジルコニア粒子と酸化ニッケル粒子との境界を特定し、その合計長さを求める。当該合計長さは、画像解析ソフトを使って求めることができる。
-Identify the nickel oxide particles closest to the solid electrolyte in the enlarged field of view by SEM.-In the same enlarged field of view, select the nickel oxide particles closest to the solid electrolyte in the region 2 μm or more away from the end of the nickel oxide particles. Identify ・ The straight line connecting the end portions of the two nickel oxide particles on the solid electrolyte side is the interface between the fuel electrode and the solid electrolyte. In the present invention, the area is 3 μm from the interface and has a width of 10 μm. Within the compartment, the boundary between the stabilized zirconia particles and the nickel oxide particles is specified, and the total length is obtained. The total length can be obtained using image analysis software.

本発明では、燃料極機能層または燃料極層の断面における3μm×10μmの10区画のそれぞれにおいて、安定化ジルコニア粒子と酸化ニッケル粒子との合計境界長さを求める。なお、当該10区画は、各領域が互いに重複しないように設定することが好ましい。燃料極機能層や燃料極層の平面長さが100μmに満たないということはまずないので、各領域が重複しないよう10区画を設定することは容易である。また、当該10区画は、燃料極機能層や燃料極層の平面方向で満遍なく設定することが好ましい。例えば、燃料極機能層や燃料極層の測定試料断面の端部から5μm以上50μm以下程度離れた区画を設定し、残りの8区画は当該両端部区画で均等の距離をもって設定したり、当該両端部区画に加えて中央部を含む区画を設定し、残りの7区画は既設定の3区画間でできるだけ均等の距離をもって設定するなどすることができる。   In the present invention, the total boundary length between the stabilized zirconia particles and the nickel oxide particles is determined in each of 10 sections of 3 μm × 10 μm in the cross section of the fuel electrode functional layer or the fuel electrode layer. The ten sections are preferably set so that the areas do not overlap each other. Since it is unlikely that the planar length of the fuel electrode functional layer or the fuel electrode layer is less than 100 μm, it is easy to set 10 sections so that each region does not overlap. Moreover, it is preferable that the 10 sections are set evenly in the planar direction of the fuel electrode functional layer and the fuel electrode layer. For example, a section separated by 5 μm or more and 50 μm or less from the end of the measurement electrode cross section of the fuel electrode functional layer or the fuel electrode layer is set, and the remaining 8 sections are set with equal distances at both end sections. It is possible to set a section including the central portion in addition to the section section, and set the remaining seven sections with a distance as uniform as possible among the set three sections.

上記10区画間の合計境界長さの平均値は、上記10区画間それぞれの合計境界長さを合計した上で10で除して算出することができる。   The average value of the total boundary length between the 10 sections can be calculated by adding up the total boundary length between the 10 sections and dividing by 10.

本発明において、上記10区画間における合計境界長さの平均値は25μm以上である。当該値が大きいほど燃料極における反応が効率良く進行するため、当該値としては50μm以上が好ましく、60μm以上がより好ましく、70μm以上がさらに好ましく、80μm以上がよりさらに好ましい。一方、当該値が大き過ぎると、反応に対して燃料ガスの供給や生成ガスの排出が遅れ、かかるガスの供給や排出が発電効率を律することになり、発電効率が低下するおそれがあり得る。そのため、当該値としては300μm以下が好ましく、200μm以下がより好ましい。   In the present invention, the average value of the total boundary length between the 10 sections is 25 μm or more. Since the reaction at the fuel electrode proceeds more efficiently as the value is larger, the value is preferably 50 μm or more, more preferably 60 μm or more, further preferably 70 μm or more, and even more preferably 80 μm or more. On the other hand, if the value is too large, the supply of the fuel gas and the discharge of the generated gas are delayed with respect to the reaction, and the supply and discharge of the gas regulates the power generation efficiency, which may reduce the power generation efficiency. Therefore, the value is preferably 300 μm or less, and more preferably 200 μm or less.

また、本発明において、上記10区画間における合計境界長さの標準偏差は10μm以下である。上記合計境界長さの平均値が十分に大きい場合であっても、当該標準偏差の値が大きいと、燃料極の面方向で反応効率に偏りが生じ、高出力なセルが得られない場合がある。また、場合によっては、反応に偏りが生じることで燃料極が早く失活するおそれがあり得る。よって、当該標準偏差の値としては9.9μm以下が好ましく、9.8μm以下がより好ましく、9.6μm以下がさらに好ましい。当該標準偏差の値は、燃料極における反応の均一さの観点から小さいほど好ましいが、小さ過ぎると原料粒子の粒度分布調整に過度の労力を要する可能性があり得るため、当該標準偏差の値としては1.0μm以上が好ましく、2.0μm以上がより好ましく、3.0μm以上がさらに好ましい。   Moreover, in this invention, the standard deviation of the total boundary length between said 10 divisions is 10 micrometers or less. Even when the average value of the total boundary length is sufficiently large, if the value of the standard deviation is large, the reaction efficiency may be biased in the surface direction of the fuel electrode, and a high output cell may not be obtained. is there. In some cases, the reaction may be biased and the fuel electrode may be deactivated quickly. Therefore, the value of the standard deviation is preferably 9.9 μm or less, more preferably 9.8 μm or less, and further preferably 9.6 μm or less. The standard deviation value is preferably as small as possible from the viewpoint of the uniformity of the reaction at the fuel electrode, but if it is too small, it may take excessive effort to adjust the particle size distribution of the raw material particles. Is preferably 1.0 μm or more, more preferably 2.0 μm or more, and even more preferably 3.0 μm or more.

また、本発明に係るSOFC用燃料極支持型ハーフセルおよびSOFC用燃料極支持型単セルの燃料極機能層の断面、並びに、SOFC用固体電解質支持型単セルの燃料極層の断面において、それぞれ固体電解質層または固体電解質支持基板との界面から1μm以上4μm以下の領域で且つ幅10μmの区画内での安定化ジルコニアと酸化ニッケルとの合計境界長さの10区画間の平均値が25μm以上であり且つ標準偏差が10μm以下であることが好ましい。上記のとおり、本発明者の知見によれば、燃料極における反応の効率化には固体電解質と燃料極との界面の状態が最も重要であるが、界面に加えて当該領域の状態も、燃料極における反応の効率に影響を与え得る。   Further, in the cross section of the fuel electrode functional layer of the SOFC fuel electrode supporting half cell and the SOFC fuel electrode supporting single cell according to the present invention, and in the cross section of the fuel electrode layer of the SOFC solid electrolyte supporting single cell, solid The average value between 10 sections of the total boundary length of stabilized zirconia and nickel oxide in the area of 1 μm or more and 4 μm or less from the interface with the electrolyte layer or the solid electrolyte support substrate and the width of 10 μm is 25 μm or more. The standard deviation is preferably 10 μm or less. As described above, according to the knowledge of the present inventor, the state of the interface between the solid electrolyte and the fuel electrode is the most important for increasing the efficiency of the reaction at the fuel electrode. It can affect the efficiency of the reaction at the pole.

当該領域における上記合計境界長さも、界面付近における上記境界長さと同様に測定することができる。   The total boundary length in the region can also be measured in the same manner as the boundary length in the vicinity of the interface.

次に、本発明に係るSOFC用燃料極支持型ハーフセル、SOFC用燃料極支持型単セルおよびSOFC用固体電解質支持型単セルを製造する方法につき説明する。   Next, a method for manufacturing the SOFC fuel electrode support half cell, the SOFC fuel electrode support single cell, and the SOFC solid electrolyte support single cell according to the present invention will be described.

1.スラリー調製工程
本工程では、各層を構成する原料粉末、溶媒およびバインダーを混合することによりスラリーを得る。当該スラリーには、その他に、例えば可塑剤、分散剤、消泡剤などを添加してもよい。また、燃料極用のスラリーの場合には酸化ニッケル粉末も用い、さらに多孔質化するための気孔形成材や発泡剤などを添加してもよい。
1. Slurry preparation step In this step, a slurry is obtained by mixing the raw material powder, solvent and binder constituting each layer. In addition, for example, a plasticizer, a dispersant, an antifoaming agent, and the like may be added to the slurry. In the case of a slurry for a fuel electrode, nickel oxide powder may also be used, and a pore forming material or a foaming agent for making it porous may be added.

スラリー調製に用いる溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、2−プロパノール、1−ブタノール、1−ヘキサノール、α−テルピネオールなどのアルコール類;アセトン、2−ブタノンなどのケトン類;ペンタン、ヘキサン、ヘプタンなどの脂肪族炭化水素類;ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼンなどの芳香族炭化水素類;酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチルなどの酢酸エステル類などを例示することができ、これらから適宜選択して使用する。これらの溶媒は単独で使用し得る他、2種以上を混合して使用することができる。   As a solvent used for slurry preparation, for example, alcohols such as methanol, ethanol, 2-propanol, 1-butanol, 1-hexanol and α-terpineol; ketones such as acetone and 2-butanone; pentane, hexane, heptane and the like Aliphatic hydrocarbons; aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene, and ethylbenzene; and acetic acid esters such as methyl acetate, ethyl acetate, and butyl acetate. To do. These solvents can be used alone or in combination of two or more.

燃料極機能層用のスラリーを調製するための溶媒としては、特にエタノールまたはイソプロパノールが好ましく、イソプロパノールがより好ましい。水は毒性が小さいが、水を使用すると粉砕された粒子が凝集し易い。また、メタノールやトルエンなどは、毒性が比較的高い。エタノールとイソプロパノールは、毒性が比較的低い上に、水に比べて微粒子が凝集し難く、イソプロパノールはより安価である。   As a solvent for preparing the slurry for the fuel electrode functional layer, ethanol or isopropanol is particularly preferable, and isopropanol is more preferable. Water is less toxic, but when water is used, the pulverized particles tend to aggregate. In addition, methanol and toluene are relatively toxic. Ethanol and isopropanol are relatively low in toxicity, and fine particles are less likely to aggregate than water, and isopropanol is cheaper.

溶媒の使用量は、グリーンシート成形時におけるスラリーの粘度を加味して調節するのがよく、好ましくはスラリー粘度が1Pa・s以上80Pa・s以下、より好ましくは1Pa・s以上50Pa・s以下の範囲となるように調整するのがよい。   The amount of solvent used should be adjusted in consideration of the viscosity of the slurry during green sheet molding, preferably the slurry viscosity is 1 Pa · s to 80 Pa · s, more preferably 1 Pa · s to 50 Pa · s. It is better to adjust the range.

スラリーを製造する際に用いられるバインダーの種類は、焼成により分解したり燃焼することで除去されるものであれば格別の制限はなく、従来から知られた有機質のバインダーを適宜選択して使用することができる。有機質バインダーとしては、例えばエチレン系共重合体、スチレン系共重合体、(メタ)アクリレート系共重合体、酢酸ビニル系共重合体、マレイン酸系共重合体、ポリビニルブチラール樹脂、ビニルアセタール系樹脂、ビニルホルマール系樹脂、ビニルアルコール系樹脂、ワックス類、エチルセルロースなどのセルロース類などが例示される。   The type of binder used when producing the slurry is not particularly limited as long as it is decomposed by firing or removed by burning, and a conventionally known organic binder is appropriately selected and used. be able to. Examples of the organic binder include an ethylene copolymer, a styrene copolymer, a (meth) acrylate copolymer, a vinyl acetate copolymer, a maleic acid copolymer, a polyvinyl butyral resin, a vinyl acetal resin, Examples thereof include vinyl formal resins, vinyl alcohol resins, waxes, and celluloses such as ethyl cellulose.

これらの中でも特に好ましいのは、数平均分子量が5,000以上200,000以下、より好ましくは10,000以上50,000以下の(メタ)アクリレート系共重合体である。これらの有機質バインダーは、単独で使用し得る他、必要により2種以上を適宜組み合わせて使用することができる。特に好ましいのは、n−ブチルメタクリレート、イソブチルメタクリレートおよび/または2−エチルヘキシルアクリレートを60質量%以上含むモノマーの重合体である。   Among these, a (meth) acrylate copolymer having a number average molecular weight of 5,000 to 200,000, more preferably 10,000 to 50,000 is particularly preferable. These organic binders can be used alone or in combination of two or more as necessary. Particularly preferable is a polymer of a monomer containing 60% by mass or more of n-butyl methacrylate, isobutyl methacrylate and / or 2-ethylhexyl acrylate.

本発明で用いる可塑剤は、グリーンシートに柔軟性を付与するために添加することが好ましい。可塑剤としては、例えば、低分子可塑剤、コオリゴマー可塑剤および高分子可塑剤がある。低分子可塑剤としては、例えば、フタル酸ジブチルやフタル酸ジオクチルなどフタル酸エステル類を挙げることができる。コオリゴマー可塑剤および高分子可塑剤としては、ポリエステル類が挙げられる。   The plasticizer used in the present invention is preferably added to impart flexibility to the green sheet. Examples of the plasticizer include a low molecular plasticizer, a co-oligomer plasticizer, and a high molecular plasticizer. Examples of the low molecular plasticizer include phthalic acid esters such as dibutyl phthalate and dioctyl phthalate. Examples of the co-oligomer plasticizer and the polymer plasticizer include polyesters.

スラリーの調製に当たっては、固体電解質材料の解膠や分散を促進し、スラリーの流動性を増加せしめ、スラリー中での固体電解質材料の沈降を抑制するため、分散剤を添加してもよい。   In preparing the slurry, a dispersant may be added to promote peptization and dispersion of the solid electrolyte material, increase the fluidity of the slurry, and suppress sedimentation of the solid electrolyte material in the slurry.

上記各成分は、常法により混合すればよい。例えば、所望の二次粒子径を有する原料粉末を事前に得ている場合は、ディスパーなどを用い、それ以上粉砕されない条件で混合すればよい。原料粉末の二次粒子径を事前に調整していない場合には、ボールミルなどを用い、所望の二次粒子径となるまで粉砕混合してもよい。   What is necessary is just to mix said each component by a conventional method. For example, when a raw material powder having a desired secondary particle size is obtained in advance, it may be mixed using a disper or the like under a condition that is not further pulverized. When the secondary particle diameter of the raw material powder is not adjusted in advance, it may be pulverized and mixed until a desired secondary particle diameter is obtained using a ball mill or the like.

特に本発明では、燃料極の断面の所定区間における安定化ジルコニア粒子と酸化ニッケル粒子の合計境界長さの平均値と標準偏差を所定範囲に調整する。そのために、スラリー化する前、または他の成分と共にスラリー化する際における安定化ジルコニア粒子と酸化ニッケル粒子を、できるだけ均一で且つ微細になるようにボールミルなどにより粉砕、解砕、混合することが好ましい。より具体的には、微細な粒子は、通常、表面積が大きいことからファンデルワールス力により凝集して二次粒子や三次粒子を形成している。かかる高次粒子を一次粒子まで解砕し、安定化ジルコニア粒子と酸化ニッケル粒子を十分に混合する。   Particularly in the present invention, the average value and the standard deviation of the total boundary length of the stabilized zirconia particles and the nickel oxide particles in a predetermined section of the cross section of the fuel electrode are adjusted to a predetermined range. Therefore, it is preferable that the stabilized zirconia particles and the nickel oxide particles are pulverized, pulverized, and mixed by a ball mill or the like so as to be as uniform and fine as possible before slurrying or when slurrying together with other components. . More specifically, since fine particles usually have a large surface area, they aggregate by van der Waals force to form secondary particles and tertiary particles. Such higher-order particles are pulverized to primary particles, and stabilized zirconia particles and nickel oxide particles are sufficiently mixed.

ボールミルには大別すると乾式と湿式があるが、それぞれに利点があるため、適宜選択したり組合せたりすればよい。例えば湿式粉砕には、粉塵の問題がなく、また、乾式粉砕よりも粉砕速度が速く微粉砕に向いているという利点がある。一方、乾式粉砕は、ボールの衝撃を紛体へ溶媒を介することなく直接伝えることができるため、粗大な粒子が含まれている紛体の解砕や、ボール等の摩耗による不純物の混入を避けたい場合、粒子を複合化させる場合に適する。   There are two types of ball mills: dry and wet, but each has advantages, so it can be selected or combined as appropriate. For example, wet pulverization has no dust problem and has an advantage that the pulverization speed is higher than that of dry pulverization and is suitable for fine pulverization. On the other hand, dry crushing can directly transmit the impact of the ball to the powder without using a solvent, so that it is desirable to avoid crushing the powder containing coarse particles and mixing impurities due to wear of the ball, etc. Suitable for complexing particles.

本発明においては、上記の予備粉砕の他、一次粒子に近い状態で分散している微粒子同士をよく混合して用いてもよいし、篩などにより凝集粒子を予め除去した微粒子同士をよく混合して用いてもよいが、ボールミルなどによる予備的な粉砕が最も効率的であると考えられる。   In the present invention, in addition to the above-described preliminary pulverization, fine particles dispersed in a state close to primary particles may be mixed well and used, or fine particles from which aggregated particles have been removed in advance by a sieve or the like are mixed well. However, preliminary grinding with a ball mill or the like is considered to be the most efficient.

また、燃料極機能層や燃料極層においては、原料ペースト中の凝集粒子の大きさも重要である。例えば、粗大な原料粒子がペースト中に存在すると、焼成した後の燃料極機能層や燃料極層において粗大な安定化ジルコニア結晶粒子や酸化ニッケル粒子ができ、両粒子間の境界長さが短くなってしまうことによる。   In the fuel electrode functional layer and the fuel electrode layer, the size of aggregated particles in the raw material paste is also important. For example, if coarse raw material particles are present in the paste, coarse stabilized zirconia crystal particles and nickel oxide particles are formed in the fuel electrode functional layer and fuel electrode layer after firing, and the boundary length between the two particles is shortened. Because it ends up.

安定化ジルコニアと酸化ニッケルの原料粒子の粉砕条件などは、ペーストに含まれる粒子に含まれる凝集粒子の有無を測定しつつ決定すればよい。例えば、ペーストに含まれる粒子の粒度分布を粒度分布計で測定し、粒度分布から把握できる平均粒子径や最大粒子径などから決定することができる。また、最大粒子径は、グラインドメータにより測定することができる。その他、ペーストをSEMなどにより拡大観察して凝集粒子の大きさや構成などを測定することも可能であるが、粒度分布測定やグラインドメータによる測定がより効率的である。   The pulverization conditions for the stabilized zirconia and nickel oxide raw material particles may be determined while measuring the presence or absence of aggregated particles contained in the particles contained in the paste. For example, the particle size distribution of the particles contained in the paste can be measured with a particle size distribution meter, and can be determined from the average particle size or the maximum particle size that can be grasped from the particle size distribution. The maximum particle size can be measured with a grindometer. In addition, it is possible to measure the size and configuration of the aggregated particles by observing the paste with an SEM or the like, but the particle size distribution measurement or the measurement by a grindometer is more efficient.

ペースト中の凝集粒子の解砕は、上記のとおり粉砕条件を調整することの他、ペーストに配合する溶剤や分散剤の種類や量を最適化することによっても可能である。   In addition to adjusting the pulverization conditions as described above, the aggregated particles in the paste can be crushed by optimizing the type and amount of the solvent and dispersant to be blended in the paste.

粉砕の程度は適宜調整すればよいが、例えば、ペースト中における原料粉末の平均二次粒子径が0.1μm以上5.0μm以下程度になるようにすればよい。また、ペースト中に含まれる原料粉末の最大粒子径は、12μm以下にすることが好ましい。   The degree of pulverization may be adjusted as appropriate. For example, the average secondary particle diameter of the raw material powder in the paste may be about 0.1 μm to 5.0 μm. Moreover, it is preferable that the maximum particle diameter of the raw material powder contained in the paste is 12 μm or less.

2.支持基板の製造工程
次に、上記スラリーを基材に塗工した後に乾燥することにより燃料極支持基板グリーンシートまたは固体電解質支持基板グリーンシートを得る。
2. Manufacturing process of supporting substrate Next, the fuel electrode supporting substrate green sheet or the solid electrolyte supporting substrate green sheet is obtained by applying the slurry to the substrate and then drying.

基材としては、PETフィルムなどの基材フィルムを用いることができる。   As the substrate, a substrate film such as a PET film can be used.

スラリーの塗工方法は特に制限されず、ドクターブレード法、カレンダーロール法、印刷法などの常法を用いることができる。具体的には、スラリーを塗工ダムへ輸送し、ドクターブレードやスクリーン印刷機などにより均一な厚さとなるよう基材上にキャスティングし、乾燥することによりグリーンシートとする。   The method for applying the slurry is not particularly limited, and conventional methods such as a doctor blade method, a calender roll method, and a printing method can be used. Specifically, the slurry is transported to a coating dam, cast on a base material with a doctor blade or a screen printing machine so as to have a uniform thickness, and dried to obtain a green sheet.

塗工厚さは、目的とする燃料極支持基板や固体電解質支持基板の厚さに応じて適宜調整すればよい。また、グリーンシートの形状や大きさは、目的の燃料極支持基板や固体電解質支持基板の形状や大きさに合わせて決定すればよい。例えば、使用する基材に合わせればよい。また、固体電解質支持基板や燃料極支持基板を製造する場合には、幅10cm以上400cm以下程度の幅の長尺とした後に、所望の形状や大きさに切断すればよい。   What is necessary is just to adjust coating thickness suitably according to the thickness of the target fuel electrode support substrate or solid electrolyte support substrate. Further, the shape and size of the green sheet may be determined in accordance with the shape and size of the target fuel electrode support substrate and solid electrolyte support substrate. For example, what is necessary is just to match | combine with the base material to be used. In the case of manufacturing a solid electrolyte support substrate or a fuel electrode support substrate, it may be cut into a desired shape or size after having a long width of about 10 cm to 400 cm.

塗工スラリーの乾燥条件は、使用した溶媒の種類などに応じて適宜調整すればよいが、通常は40℃以上、より好ましくは80℃以上で、150℃以下程度とする。乾燥は一定温度で行ってもよいし、50℃、80℃、120℃の様に順次連続的に昇温して加熱乾燥してもよい。   The drying conditions of the coating slurry may be appropriately adjusted according to the type of solvent used, but are usually 40 ° C. or higher, more preferably 80 ° C. or higher and about 150 ° C. or lower. Drying may be performed at a constant temperature, or may be performed by heating by successively raising the temperature sequentially such as 50 ° C., 80 ° C., and 120 ° C.

3.積層工程
本工程により、上記グリーンシート上または支持基板上には、上記工程2と同様の条件で、各層の原料ペーストの塗工と乾燥により各層のグリーン層を形成する。
3. Lamination process By this process, the green layer of each layer is formed on the said green sheet or a support substrate on the conditions similar to the said process 2 by coating and drying of the raw material paste of each layer.

なお、上記工程2の後、本工程と次工程である焼結工程の実施順序は任意であり、2以上の各層をグリーン層として形成してからまとめて共焼結してもよいし、グリーン層の形成と焼結を逐一繰り返してもよい。例えば、上記工程2により得た燃料極支持基板グリーンシートの上に、本工程により燃料極機能層グリーン層を形成してもよいし、または、上記工程2により得た燃料極支持基板グリーンシートを次工程4により焼結して燃料極支持基板とした後に、その上に本工程により燃料極機能層グリーン層を形成してもよい。   In addition, after the said process 2, the execution order of this process and the sintering process which is the following process is arbitrary, and after forming each two or more layers as a green layer, it may co-sinter together, or green Layer formation and sintering may be repeated one by one. For example, a fuel electrode functional layer green layer may be formed by this step on the fuel electrode support substrate green sheet obtained by the above step 2, or the fuel electrode support substrate green sheet obtained by the above step 2 may be formed. After sintering in the next step 4 to form a fuel electrode support substrate, a fuel electrode functional layer green layer may be formed thereon by this step.

4.焼結工程
本工程により、上記グリーンシートまたはグリーン層を焼結する。
4). Sintering step In this step, the green sheet or green layer is sintered.

焼結条件は適宜調整すればよいが、例えば、1200℃以上1500℃以下で焼結する。1200℃以上で焼結すれば十分な焼成効果が得られ、支持基板や各層として十分な強度が得られる。一方、焼結温度が高過ぎるとシートの結晶粒径が過大となって靭性がかえって低下するおそれがあるため、上限を1500℃とする。より好ましくは1250℃以上1450℃以下である。   The sintering conditions may be appropriately adjusted. For example, the sintering is performed at 1200 ° C. or more and 1500 ° C. or less. If it sinters at 1200 degreeC or more, sufficient baking effect will be acquired and sufficient intensity | strength will be acquired as a support substrate or each layer. On the other hand, if the sintering temperature is too high, the crystal grain size of the sheet becomes excessive and the toughness may be reduced, so the upper limit is set to 1500 ° C. More preferably, it is 1250 degreeC or more and 1450 degrees C or less.

焼結温度に至るまでの加熱速度は適宜調整すればよいが、通常、0.05℃/分以上4℃/分以下程度とすることができる。   The heating rate up to the sintering temperature may be adjusted as appropriate, but can usually be about 0.05 ° C./min to 4 ° C./min.

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited by the following examples, but may be appropriately modified within a range that can meet the purpose described above and below. Of course, it is possible to implement them, and they are all included in the technical scope of the present invention.

なお、SOFCはSOECとしても使用可能であることは上述した通りであり、以下で作製された燃料極支持型SOFCは、水素極支持型SOECとしても利用可能であり、作製された電気化学セルがSOFCかSOECであるかは使用態様に過ぎず、特に限定されないものとする。   As described above, the SOFC can also be used as an SOEC. The fuel electrode supported SOFC manufactured below can also be used as a hydrogen electrode supported SOEC. Whether it is SOFC or SOEC is merely a mode of use and is not particularly limited.

実施例1
(1) 燃料極支持基板グリーンシートの作製
導電成分として酸化ニッケル(日興リカ社製「高純度酸化ニッケルF」)60質量部、骨格成分として3モル%イットリア安定化ジルコニア粉末(東ソー社製「TZ3Y」)40質量部、空孔形成剤としてカーボンブラック(SECカーボン社製「SGP−3」)10質量部、メタクリレート系共重合体からなるバインダー(分子量:30,000;ガラス転移温度:−8℃,固形分濃度:50質量部)30質量部、可塑剤としてジブチルフタレート2質量部、および分散媒としてトルエン/イソプロピルアルコール=3/2(質量比)の混合溶剤80質量部を、ボールミルにより混合して、スラリーを調製した。得られたスラリーを使用し、ドクターブレード法によりシート成形し、70℃で5時間乾燥させて、厚さ300μmの燃料極支持基板グリーンシートを作製した。
Example 1
(1) Production of fuel electrode support substrate green sheet 60 parts by mass of nickel oxide (Nikko Rica “High-Purity Nickel Oxide F”) as a conductive component and 3 mol% yttria stabilized zirconia powder (“TZ3Y” manufactured by Tosoh Corporation) as a skeletal component ”) 40 parts by mass, 10 parts by mass of carbon black (“ SGP-3 ”manufactured by SEC Carbon Co., Ltd.) as a pore-forming agent, a binder made of a methacrylate copolymer (molecular weight: 30,000; glass transition temperature: −8 ° C.) , Solid content concentration: 50 parts by mass) 30 parts by mass, 2 parts by mass of dibutyl phthalate as a plasticizer, and 80 parts by mass of a mixed solvent of toluene / isopropyl alcohol = 3/2 (mass ratio) as a dispersion medium were mixed by a ball mill. A slurry was prepared. Using the obtained slurry, a sheet was formed by a doctor blade method and dried at 70 ° C. for 5 hours to prepare a fuel electrode supporting substrate green sheet having a thickness of 300 μm.

(2) 燃料極機能層用粉末のボールミル処理
ポリ容器に、導電成分として酸化ニッケル(日興リカ社製「高純度酸化ニッケルF」)60質量部、イオン伝導成分として8モル%イットリア安定化ジルコニア粉末(東ソー社製「TZ8Y」)40質量部、さらに分散媒としてエタノールを加え、ボールミルで粉砕混合してから乾燥させて、ボールミル処理したNiO/8YSZ混合粉末を得た。
(2) Ball mill treatment of powder for fuel electrode functional layer In a plastic container, 60 parts by mass of nickel oxide (“high purity nickel oxide F” manufactured by Nikko Rica Co., Ltd.) as a conductive component and 8 mol% yttria stabilized zirconia powder as an ion conductive component (Tosoh Corporation “TZ8Y”) 40 parts by mass, ethanol was added as a dispersion medium, and pulverized and mixed by a ball mill, followed by drying to obtain a ball milled NiO / 8YSZ mixed powder.

試料粉末の平均粒子径(D50)を以下の条件により測定した。ピロリン酸ナトリウム十水和物(和光純薬工業社製)を水に溶解してピロリン酸ナトリウムの0.2重量%の水溶液を得、これを分散媒とした。この分散媒に試料粉末を分散させ、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置(堀場製作所社製「型番LA−920」)を用いて、粉体の粒子径を測定した。上記のボールミル処理では、回転時間を調整することによって、平均粒子径が0.21μmの粉末を得た。   The average particle diameter (D50) of the sample powder was measured under the following conditions. Sodium pyrophosphate decahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was dissolved in water to obtain a 0.2% by weight aqueous solution of sodium pyrophosphate, which was used as a dispersion medium. The sample powder was dispersed in this dispersion medium, and the particle size of the powder was measured using a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring apparatus (“Model number LA-920” manufactured by Horiba, Ltd.). In the above ball mill treatment, a powder having an average particle size of 0.21 μm was obtained by adjusting the rotation time.

(3) 燃料極機能層用グリーン層の形成
上記(2)で得たボールミル処理NiO/8YSZ混合粉末60質量部、溶剤としてα−テルピネオール(和光純薬工業社製)36質量部、バインダーとしてエチルセルロース(和光純薬工業社製)4質量部、可塑剤としてジブチルフタレート(和光純薬工業社製)6質量部、および分散剤としてソルビタン脂肪酸エステル系界面活性剤4質量部を、乳鉢を用いて混合した後、3本ロールミル(EXAKT technologies社製「型式M−80S」,ロール材質:アルミナ)を用いて解砕し、燃料極機能層用ペーストを調製した。
(3) Formation of Green Layer for Fuel Electrode Functional Layer 60 parts by mass of ball mill-treated NiO / 8YSZ mixed powder obtained in (2) above, 36 parts by mass of α-terpineol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a solvent, and ethyl cellulose as a binder 4 parts by mass (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 6 parts by mass of dibutyl phthalate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a plasticizer, and 4 parts by mass of a sorbitan fatty acid ester surfactant as a dispersant are mixed using a mortar. After that, the mixture was crushed using a three-roll mill (EXAKT Technologies, “Model M-80S”, roll material: alumina) to prepare a fuel electrode functional layer paste.

得られたペーストをエタノールに分散させ、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置(堀場製作所社製「型番LA−920」)を用いて、ペーストに含まれる固形分の粒子径を測定したところ、平均粒子径は0.23μmであり、最大粒子径は5.3μmであった。   The obtained paste was dispersed in ethanol, and the particle size of solids contained in the paste was measured using a laser diffraction / scattering particle size distribution analyzer (“Model number LA-920” manufactured by Horiba, Ltd.). The particle size was 0.23 μm and the maximum particle size was 5.3 μm.

上記燃料極機能層用ペーストを、上記(1)で得た燃料極支持基板グリーンシート上に、スクリーン印刷により焼成後の厚さが20μmとなるように印刷し、100℃で30分間乾燥させ、燃料極機能層用グリーン層を形成した。   The fuel electrode functional layer paste is printed on the fuel electrode support substrate green sheet obtained in (1) above so that the thickness after firing is 20 μm by screen printing, and dried at 100 ° C. for 30 minutes, A green layer for a fuel electrode functional layer was formed.

(4) 電解質層用グリーン層の形成
8モル%イットリア安定化ジルコニア粉末(東ソー社製「TZ8Y」)60質量部、バインダーとしてエチルセルロース(和光純薬工業社製)5質量部、溶剤としてα−テルピネオール(和光純薬工業社製)40質量部、可塑剤としてジブチルフタレート(和光純薬工業社製)6質量部、および分散剤としてソルビタン酸エステル系界面活性剤(三洋化成工業社製「イオネットS−80」)5質量部を、乳鉢を用いて混合した後、3本ロールミル(EXAKT technologies社製「M−80S」,ロール材質:アルミナ)を用いて解砕し、8YSZ電解質層用ペーストを作製した。なお、このペースト化処理では、3本ロールミル間のギャップと回転速度を調整することによって、グラインドメータで計測される粒の大きさが10μm以下になるまで解砕混練した。グラインドメータを使った粒子径の大きさは、凝集物の最大粒子径 JIS K5400(1900)4.7.2線条法に従って測定した。具体的には、グラインドメータ(BYK社製)の溝にペーストを垂らし、スクレーバーを用いてしごき溝の中に厚さが連続して変化したペースト層を作った。この際、ペースト中の凝集物による線条が、3本以上現れ始めた箇所の層の厚さを読み取り、凝集物の最大粒子径とした。測定は3回行い、3回の平均値を求めた。
(4) Formation of Green Layer for Electrolyte Layer 60 parts by mass of 8 mol% yttria-stabilized zirconia powder (“TZ8Y” manufactured by Tosoh Corporation), 5 parts by mass of ethyl cellulose (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) as a binder, and α-terpineol as a solvent 40 parts by weight (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 6 parts by mass of dibutyl phthalate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a plasticizer, and a sorbitan acid ester surfactant (“Ionet S-manufactured by Sanyo Kasei Kogyo Co., Ltd.) as a dispersant. 80 ") 5 parts by mass were mixed using a mortar, and then pulverized using a three-roll mill (" EX-80 Technologies "" M-80S ", roll material: alumina) to prepare an 8YSZ electrolyte layer paste. . In this pasting treatment, pulverization and kneading were carried out by adjusting the gap between the three roll mills and the rotation speed until the particle size measured with a grindometer was 10 μm or less. The size of the particle size using a grindometer was measured according to the maximum particle size of the aggregate JIS K5400 (1900) 4.7.2 filament method. Specifically, the paste was dropped in a groove of a grindometer (BYK), and a paste layer having a continuously varying thickness was formed in the ironing groove using a scraper. Under the present circumstances, the thickness of the layer of the location where the filament by the aggregate in a paste began to appear three or more was read, and it was set as the maximum particle diameter of the aggregate. The measurement was performed 3 times, and the average value of 3 times was obtained.

上記(3)で得た燃料極機能層用グリーン層上に、上記8YSZ電解質層用ペーストを、スクリーン印刷により焼成後の厚さが5μmとなるように印刷し、100℃で30分間乾燥させ、電解質層用グリーン層を形成した。   On the green layer for a fuel electrode functional layer obtained in (3) above, the 8YSZ electrolyte layer paste is printed by screen printing so that the thickness after firing is 5 μm, and dried at 100 ° C. for 30 minutes, A green layer for an electrolyte layer was formed.

(5) バリア層用グリーン層の形成
セラミック質として10モル%ガドリニアがドープされているセリア粉末(阿南化成社製)60質量部、バインダーとしてエチルセルロース(和光純薬工業社製)5質量部、溶剤としてα−テルピネオール(和光純薬工業社製)40質量部、可塑剤としてジブチルフタレート(和光純薬工業社製)6質量部、および分散剤としてソルビタン酸エステル系界面活性剤(三洋化成工業社製「イオネットS−80」)5質量部を、乳鉢を用いて混合した後、3本ロールミル(EXAKT technologies社製「型式M−80S」,ロール材質:アルミナ)を用いて解砕することにより、バリア層用ペーストを得た。なお、このペースト化処理では、3本ロールミル間のギャップと回転速度を調整することによって、グラインドメータで計測される粒子径の大きさが10μm以下になるまで解砕混練した。
(5) Formation of Green Layer for Barrier Layer 60 parts by mass of ceria powder (manufactured by Anan Kasei Co., Ltd.) doped with 10 mol% gadolinia as a ceramic material, 5 parts by mass of ethyl cellulose (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a binder, solvent Α-terpineol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 40 parts by mass, dibutyl phthalate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 6 parts by mass as a plasticizer, and sorbitan acid ester surfactant (manufactured by Sanyo Chemical Industries, Ltd.) as a dispersant. By mixing 5 parts by mass of “Ionette S-80” using a mortar, and then crushing using 3 roll mills (“EX-80 Technologies” “Model M-80S”, roll material: alumina), the barrier A layer paste was obtained. In this pasting treatment, the mixture was pulverized and kneaded until the particle size measured with a grindometer was 10 μm or less by adjusting the gap between the three roll mills and the rotational speed.

上記(4)で得た電解質層のグリーン層上に上記バリア層用ペーストを、スクリーン印刷により厚さ3μm以下となるように印刷した。これを100℃で30分間乾燥させ、バリア層用グリーン層を形成した。   The barrier layer paste was printed on the green layer of the electrolyte layer obtained in (4) so as to have a thickness of 3 μm or less by screen printing. This was dried at 100 ° C. for 30 minutes to form a barrier layer green layer.

(6) 焼成
上記(5)で得た、燃料極機能層用グリーン層、電解質層用グリーン層およびバリア層用グリーン層が形成された燃料極支持基板グリーンシートを、焼成後の1辺が60mmの正方形になるように打ち抜いた。打ち抜いた後、1300℃で2時間焼成してバリア層を有する燃料極支持型ハーフセルを20枚得た。
(6) Firing The fuel electrode supporting substrate green sheet on which the green layer for the fuel electrode functional layer, the green layer for the electrolyte layer, and the green layer for the barrier layer obtained in the above (5) is formed has a side of 60 mm after firing. Perforated to be a square. After punching, 20 sheets of a fuel electrode supporting half cell having a barrier layer were obtained by firing at 1300 ° C. for 2 hours.

(7) 空気極層の形成
LSCFの原料となる粉末材料として、市販の純度99.9%のLa23、SrCO3、純度99%のCoOおよびFe23の粉末を元素比がLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8となるように混合した。得られた粉末混合物にエタノールを加え、ビーズミルで1時間粉砕混合した。次いで、粉砕混合された粉末混合物を乾燥させてから、800℃で1時間仮焼した。仮焼後の混合物に対し、さらにエタノールを加えてビーズミルで1時間粉砕混合してから、乾燥させた。その後、1200℃で混合物を5時間固相反応させることによって粉末を得た。
(7) Formation of air electrode layer As a powder material used as a raw material for LSCF, commercially available powders of La 2 O 3 , SrCO 3 with purity of 99%, CoO with purity of 99% and Fe 2 O 3 have an element ratio of La. They were mixed to obtain 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8. Ethanol was added to the obtained powder mixture, and pulverized and mixed with a bead mill for 1 hour. Next, the pulverized and mixed powder mixture was dried and calcined at 800 ° C. for 1 hour. Ethanol was further added to the mixture after calcination, and the mixture was pulverized and mixed with a bead mill for 1 hour, and then dried. Thereafter, the mixture was subjected to a solid phase reaction at 1200 ° C. for 5 hours to obtain a powder.

得られた粉末にエタノールを加え、さらにボールミルで10時間粉砕混合してから乾燥させた。なお、得られた粉末は、X線回折によって、ペロブスカイトからなる単一相であることが確認された。さらにその後、遊星ボールミルを用い、回転数と回転時間を調整しながら粉砕することによって、平均粒子径(D50)が0.5μmである空気極用LSCF粉末を得た。   Ethanol was added to the obtained powder, and the mixture was further pulverized and mixed with a ball mill for 10 hours and then dried. The obtained powder was confirmed to be a single phase composed of perovskite by X-ray diffraction. Thereafter, pulverization was performed using a planetary ball mill while adjusting the rotation speed and the rotation time, whereby an LSCF powder for an air electrode having an average particle diameter (D50) of 0.5 μm was obtained.

上記LSCF粉末100質量部に対して、バインダーとしてエチルセルロースを3質量部、溶剤としてα−テルピネオールを30質量部の割合となるように加え、乳鉢を用いて混合した。その後、3本ロールミル(EXAKT technologies社製「型式M−80S」,ロール材質:アルミナ)を用いて混練し、空気極層用スラリーを得た。   To 100 parts by mass of the LSCF powder, 3 parts by mass of ethyl cellulose as a binder and 30 parts by mass of α-terpineol as a solvent were added and mixed using a mortar. Then, it knead | mixed using the 3 roll mill (EXAKT technologies "model M-80S", roll material: Alumina), and obtained the slurry for air electrode layers.

上記(6)で得た燃料極支持型ハーフセルのバリア層面に、スクリーン印刷により、上記空気極層用スラリーを塗布し、90℃で1時間乾燥させ、空気極層用グリーン層を形成した。なお、空気極層用スラリーの塗布形状は以下のとおりである。   The air electrode layer slurry was applied to the barrier layer surface of the fuel electrode supporting half cell obtained in (6) above by screen printing, and dried at 90 ° C. for 1 hour to form a green layer for the air electrode layer. The application shape of the air electrode layer slurry is as follows.

・断面観察用サンプル:50mm×50mm
・性能評価サンプル:10mm×10mm
空気極層用スラリーを塗布した燃料極支持型ハーフセルを1000℃で2時間焼成し、燃料極支持型燃料電池単セルを得た。
-Sample for cross-sectional observation: 50 mm x 50 mm
-Performance evaluation sample: 10 mm x 10 mm
The fuel electrode supported half cell coated with the air electrode layer slurry was fired at 1000 ° C. for 2 hours to obtain a fuel electrode supported fuel cell single cell.

実施例2
実施例1において、電解質層成分として10モル%イットリア安定化ジルコニア粉末(東ソー社製「TZ10Y」)を用いた以外は同様にして、燃料極支持型燃料電池単セルを作製した。使用した燃料極層用粉末の平均粒子径(D50)と、燃料極層用ペーストに含まれる固形分の平均粒子径(D50)を表1に示す。
Example 2
A fuel electrode supported fuel cell single cell was produced in the same manner as in Example 1 except that 10 mol% yttria stabilized zirconia powder ("TZ10Y" manufactured by Tosoh Corporation) was used as the electrolyte layer component. Table 1 shows the average particle size (D50) of the used fuel electrode layer powder and the average particle size (D50) of the solid content contained in the fuel electrode layer paste.

実施例3
実施例1において、電解質層成分として、8モル%イッテルビア安定化ジルコニア粉末を用いた以外は同様にして、燃料極支持型燃料電池用単セルを作製した。使用した燃料極層用粉末の平均粒子径(D50)と、燃料極層用ペーストに含まれる固形分の平均粒子径(D50)を表1に示す。
Example 3
A single electrode for a fuel electrode-supported fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that 8 mol% ytterbia stabilized zirconia powder was used as the electrolyte layer component. Table 1 shows the average particle size (D50) of the used fuel electrode layer powder and the average particle size (D50) of the solid content contained in the fuel electrode layer paste.

なお、8モル%イッテルビア安定化ジルコニア粉末は以下の方法により作製を行った。塩化イッテルビウム(III)水和物(和光純薬工業製)および塩化ジルコニウム(IV)(和光純薬工業製)を、焼成後に8モル%イッテルビア安定化ジルコニア(8YbSZ:(Yb230.08(ZrO20.92)になるように計量した。精製水を用意し、加温機能付きのマグネチックスターラーを用いて水温が30℃になるようにコントロールし、上記塩化物を溶解させた。なお、30分経っても溶解しない場合には、目視で塩化物が確認できなくなるまでさらに精製水を加えた。目視で塩化物が溶解したことを確認した後、それまで溶解に必要とした超純水の2割に当たる量の精製水をさらに加え、水溶液を30℃になるように保温しながらさらに1時間攪拌して、塩化物を完全に溶解させた。得られた水溶液をアンモニア水に滴下して得られた沈殿物を乾燥機中80℃で乾燥させて固形物を得た。得られた固形物をアルミナ製の乳鉢と乳棒を用いて解砕した後、目開き1mmの篩にかけ、1mm以下の固形物を得た。得られた1mm以下の固形物をるつぼに移し、800℃で1時間仮焼した。仮焼した粉末にエタノールを加え、ジルコニアボールを用いて、ボールミルで10時間粉砕混合してから乾燥させて、さらに乳鉢にて解砕を行い、解砕した粉を1200℃で焼成して粉末を得た。なお、得られた粉末については、エタノールを加え、ジルコニアボールを用いて、ボールミルを行い、その際、ジルコニアボールの径とボールミルの時間とを調整することで、平均粒子径が0.42μmの8YbSZ粉末とした。なお、ここで得た8YbSZ粉末の平均粒子径を以下の条件により測定した。ピロリン酸ナトリウム十水和物(和光純薬工業社製)を水に溶解してピロリン酸ナトリウムの0.2重量%の水溶液を得、これを分散媒とした。この分散媒に8YbSZ粉末を分散させ、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置(堀場製作所社製「型番LA−920」)を用いて、8YbSZ粉体の粒子径を測定した。 In addition, 8 mol% ytterbia stabilized zirconia powder was produced by the following method. Ytterbium chloride (III) hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and zirconium chloride (IV) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were calcined and 8 mol% ytterbia stabilized zirconia (8YbSZ: (Yb 2 O 3 ) 0.08 ( ZrO 2 ) 0.92 ). Purified water was prepared and controlled using a magnetic stirrer with a heating function so that the water temperature became 30 ° C. to dissolve the chloride. In addition, when it did not melt | dissolve even if 30 minutes passed, purified water was further added until the chloride could not be confirmed visually. After visually confirming that the chloride had dissolved, add purified water in an amount equivalent to 20% of ultrapure water that had been required for dissolution, and stir for another hour while keeping the aqueous solution at 30 ° C. Thus, the chloride was completely dissolved. The obtained aqueous solution was dropped into aqueous ammonia and the resulting precipitate was dried in a dryer at 80 ° C. to obtain a solid. The obtained solid was pulverized using an alumina mortar and pestle and then passed through a sieve having an opening of 1 mm to obtain a solid of 1 mm or less. The obtained solid material of 1 mm or less was transferred to a crucible and calcined at 800 ° C. for 1 hour. Ethanol is added to the calcined powder, zirconia balls are pulverized and mixed in a ball mill for 10 hours, dried, further crushed in a mortar, and the crushed powder is baked at 1200 ° C to obtain a powder. Obtained. In addition, about the obtained powder, ethanol was added and ball milling was performed using zirconia balls. At that time, by adjusting the diameter of the zirconia balls and the time of the ball mill, 8YbSZ having an average particle diameter of 0.42 μm. Powdered. The average particle size of the 8YbSZ powder obtained here was measured under the following conditions. Sodium pyrophosphate decahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was dissolved in water to obtain a 0.2% by weight aqueous solution of sodium pyrophosphate, which was used as a dispersion medium. 8YbSZ powder was dispersed in this dispersion medium, and the particle diameter of the 8YbSZ powder was measured using a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring apparatus (“Model number LA-920” manufactured by Horiba, Ltd.).

比較例1
実施例1において燃料極層用粉末のボールミル処理を行わなかったこと、即ち、燃料極層用ペーストの調製において、NiO/8YSZ混合粉末の代わりに、酸化ニッケル(日興リカ社製「高純度酸化ニッケルF」)36質量部と、イオン伝導成分として8モル%イットリア安定化ジルコニア粉末(東ソー社製「TZ8Y」)24質量部の混合物を用いたこと以外は同様にして、比較例1の燃料極支持型燃料電池単セルを作製した。
Comparative Example 1
In Example 1, the fuel electrode layer powder was not ball milled, that is, in the preparation of the fuel electrode layer paste, instead of NiO / 8YSZ mixed powder, nickel oxide (“High Purity Nickel Oxide” manufactured by Nikko Rica Corporation) was used. F ") and the anode support of Comparative Example 1 in the same manner except that a mixture of 36 parts by mass and 24 parts by mass of 8 mol% yttria-stabilized zirconia powder (" TZ8Y "manufactured by Tosoh Corporation) as an ion conductive component was used. Type fuel cell single cell was produced.

試験例1: NiO/YSZ境界長さまたはNiO/YbSZ境界長さの測定
実施例1〜3および比較例1で作製した断面観察用サンプルについて、空気極または酸素極が塗布されている面の中央部分を、長さ:10mm、幅:5mmになるように切り出し、樹脂包埋した後、上記の長さ部分の中央まで研磨、即ち、長さ:10mmの端から5mmを研磨することによって、断面観察用サンプルの中央部分について、5mmの幅で観察できる断面観察用樹脂包埋サンプルを作製した。観察には電界放出型走査電子顕微鏡(日本電子社製「JSM−7600F」)を用い、断面観察用樹脂包埋サンプルの電解質層/燃料極層界面または電解質層/水素極層界面の1万倍の倍率の画像を、電解質層/燃料極層界面または電解質層/水素極層界面が12μm以上の範囲で観察でき、燃料極層または水素極層が電解質層/燃料極層界面または電解質層/水素極層界面から5μm以上の範囲で観察でき、且つ、同じ観察個所を含まないように、作製した断面観察用樹脂包埋サンプルの任意の10点について取得した。なお、NiO、YSZ、YbSZ、空孔の判断をしやすくするために、反射電子像を取得した。
Test Example 1: Measurement of NiO / YSZ boundary length or NiO / YbSZ boundary length For the cross-sectional observation samples prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, the center of the surface on which the air electrode or oxygen electrode is applied After cutting the part to have a length of 10 mm and a width of 5 mm, embedding the resin, and polishing to the center of the length part, that is, by polishing 5 mm from the end of the length: 10 mm, A resin-embedded sample for cross-sectional observation that can be observed with a width of 5 mm was prepared for the central portion of the observation sample. For observation, a field emission scanning electron microscope (“JSM-7600F” manufactured by JEOL Ltd.) was used, and 10,000 times the electrolyte layer / fuel electrode layer interface or electrolyte layer / hydrogen electrode layer interface of the resin-embedded sample for cross-sectional observation. Can be observed in the range where the electrolyte layer / fuel electrode layer interface or the electrolyte layer / hydrogen electrode layer interface is 12 μm or more, and the fuel electrode layer or hydrogen electrode layer is the electrolyte layer / fuel electrode layer interface or electrolyte layer / hydrogen. It acquired about arbitrary 10 points | pieces of the resin embedding sample for cross-sectional observation produced so that it could observe in the range of 5 micrometers or more from a polar layer interface, and did not include the same observation location. In order to facilitate the determination of NiO, YSZ, YbSZ, and holes, a reflected electron image was acquired.

取得した画像について、画像解析ソフト(Media Cybernetics社製「Image Pro Plus バージョン4.0」)を用いて、以下のとおりNiOとYSZの境界長さの測定を行った。   With respect to the acquired image, the boundary length between NiO and YSZ was measured using image analysis software (“Image Pro Plus version 4.0” manufactured by Media Cybernetics) as follows.

まず、電解質層と燃料極層または水素極層の界面の特定を行った。取得した画像について、NiOが最も電解質層へ(バリア層方向へ)入り込んでいる箇所と、その箇所から2μm以上離れて、NiOが最も電解質層へ入り込んでいる箇所の2か所を結んだ直線を電解質層/燃料極層界面または電解質層/水素極層界面とした。   First, the interface between the electrolyte layer and the fuel electrode layer or the hydrogen electrode layer was specified. In the acquired image, a straight line connecting two places, a place where NiO enters the electrolyte layer most (in the direction of the barrier layer) and a place where NiO enters the electrolyte layer most apart from the place by 2 μm or more. The electrolyte layer / fuel electrode layer interface or the electrolyte layer / hydrogen electrode layer interface was used.

次に、電解質層と燃料極層または水素極層の界面から燃料極支持基板または水素極支持基板の方向へ3μmまでの領域で幅10μmの長方形を1区画とし、この範囲の中にあるNiO/YSZまたはNiO/YbSZが接している長さを測定し、合計することで、取得した画像1視野中の区画:3μm×10μmにおける合計境界長さを求めた。これを1つの断面観察用樹脂包埋サンプルについて、取得した10区画に対して行い、10区画の合計境界長さの平均値と標準偏差とを、そのサンプルの平均境界長さと標準偏差とした。   Next, a rectangle having a width of 10 μm is defined as one section in a region from the interface between the electrolyte layer and the fuel electrode layer or the hydrogen electrode layer to 3 μm in the direction of the fuel electrode support substrate or the hydrogen electrode support substrate. YSZ or NiO / YbSZ contact length was measured and totaled to determine the total boundary length in the section of the acquired image 1 field: 3 μm × 10 μm. This was performed on the 10 sections obtained for one cross-section observation resin-embedded sample, and the average value and standard deviation of the total boundary length of the 10 sections were taken as the average boundary length and standard deviation of the sample.

次に、電解質層と燃料極層または水素極層の界面から1μm基板方向へ離れたところから、同じく基板方向へ3μm×幅10μmを長方形に区切り1区画とし、この範囲の中にあるNiO/YSZが接している長さを測定し、合計することで、取得した画像1視野中の区画:3μm×10μmにおける合計境界長さを求めた。これを1つの断面観察用樹脂包埋サンプルについて、取得した10区画に対して行い、10区画の全境界長さの平均値と標準偏差とを、そのサンプルの平均境界長さと標準偏差とした。   Next, a distance of 1 μm from the interface between the electrolyte layer and the fuel electrode layer or the hydrogen electrode layer in the direction of the substrate is divided into rectangles of 3 μm × width 10 μm in the direction of the substrate, and NiO / YSZ in this range. The total border length in the section of the acquired image 1 visual field: 3 μm × 10 μm was determined by measuring and totaling the lengths in contact with each other. This was performed on the acquired 10 sections for one cross-section observation resin-embedded sample, and the average value and standard deviation of the total boundary length of the 10 sections were taken as the average boundary length and standard deviation of the sample.

実施例1〜3および比較例1の燃料極支持型燃料電池単セルおよび水素極支持型電解セルにおける測定平均境界長さと標準偏差の結果を表1に示す。   Table 1 shows the results of measurement average boundary lengths and standard deviations in the fuel electrode supported fuel cell single cells and hydrogen electrode supported electrolytic cells of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1.

試験例2: 電気化学性能評価試験
実施例1〜3および比較例1で作製した燃料極支持型燃料電池単セルについて、以下の方法で電池性能を評価した。まず、燃料極に100mL/分の窒素を、空気極に100mL/分の空気を供給しつつ、100℃/時間の速度で測定温度(700℃)まで昇温した。昇温後、燃料極および空気極の出口側のガスについて、流量計で流量を測定し、漏れが無いことを確認した。
Test Example 2: Electrochemical Performance Evaluation Test With respect to the fuel electrode supported fuel cell single cell produced in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, the battery performance was evaluated by the following method. First, the temperature was raised to the measurement temperature (700 ° C.) at a rate of 100 ° C./hour while supplying 100 mL / min of nitrogen to the fuel electrode and 100 mL / min of air to the air electrode. After the temperature rise, the flow rate of the gas on the outlet side of the fuel electrode and the air electrode was measured with a flow meter, and it was confirmed that there was no leakage.

次いで、常温で加湿した水素/窒素=3/97(容量比)の混合ガスを200mL/分の流量で燃料極へ、空気を400mL/分の割合で空気極へ供給した。10分以上経過後に起電力が発生し、漏れが無いことを再度確認した。次いで、燃料利用率80%を模擬して、常温で加湿した水素/窒素=20/80(容量比)の混合ガスを200mL/分の流量で燃料極へ供給し、起電力が安定してから、10分以上経過後に電流−電圧特性による電池性能評価試験を実施した。得られた電流−電圧特性から、0.2A/cm2における電圧を記録した。実施例および比較例の電池性能評価試験の結果を表1に示す。 Next, a mixed gas of hydrogen / nitrogen = 3/97 (volume ratio) humidified at room temperature was supplied to the fuel electrode at a flow rate of 200 mL / min, and air was supplied to the air electrode at a rate of 400 mL / min. An electromotive force was generated after 10 minutes or more, and it was confirmed again that there was no leakage. Next, after simulating a fuel utilization rate of 80%, hydrogen / nitrogen = 20/80 (volume ratio) mixed gas humidified at room temperature was supplied to the fuel electrode at a flow rate of 200 mL / min, and the electromotive force was stabilized. A battery performance evaluation test using current-voltage characteristics was conducted after 10 minutes or more had elapsed. From the obtained current-voltage characteristics, a voltage at 0.2 A / cm 2 was recorded. Table 1 shows the results of the battery performance evaluation tests of the examples and comparative examples.

Figure 2017022111
Figure 2017022111

表1に示す結果のとおり、固体電解質層と燃料極機能層との界面領域における安定化ジルコニア粒子と酸化ニッケル粒子との境界長さが長いほど、固体酸化物形燃料電池用単セルの電池性能は高くなることが明らかとなった。具体的には、本発明に係る固体酸化物形燃料電池では燃料極における過電圧が低く、電流−電圧特性が改善され、発電性能が向上する。また、当該電気化学セルを固体酸化物形電解セルとして用いる場合には、水素極における過電圧が低く、消費電力が少ないため、効率的な電解が可能になると考えられる。   As shown in Table 1, as the boundary length between the stabilized zirconia particles and the nickel oxide particles in the interface region between the solid electrolyte layer and the fuel electrode functional layer is longer, the cell performance of the single cell for the solid oxide fuel cell Became clear. Specifically, in the solid oxide fuel cell according to the present invention, the overvoltage at the fuel electrode is low, the current-voltage characteristics are improved, and the power generation performance is improved. In addition, when the electrochemical cell is used as a solid oxide electrolytic cell, it is considered that efficient electrolysis is possible because the overvoltage at the hydrogen electrode is low and the power consumption is low.

Claims (7)

燃料極層または水素極層および固体電解質層を有し、
固体電解質層は酸化物イオン伝導性材料を主成分として含み、
燃料極層または水素極層は安定化ジルコニアと酸化ニッケルを含み、
燃料極層または水素極層の断面において、固体電解質層との界面から3μmまでの領域で且つ幅10μmの区画内での安定化ジルコニアと酸化ニッケルとの合計境界長さの10区画間の平均値が25μm以上であり且つ標準偏差が10μm以下であることを特徴とする積層体。
Having a fuel electrode layer or hydrogen electrode layer and a solid electrolyte layer,
The solid electrolyte layer contains an oxide ion conductive material as a main component,
The fuel or hydrogen electrode layer contains stabilized zirconia and nickel oxide,
In the cross section of the fuel electrode layer or the hydrogen electrode layer, the average value of the total boundary length of the stabilized zirconia and nickel oxide between 10 sections in the section from the interface with the solid electrolyte layer to 3 μm and in the section of 10 μm width Is a laminate having a standard deviation of 10 μm or less.
燃料極層または水素極層の断面において、固体電解質層との界面から1μm以上4μm以下の領域で且つ幅10μmの区画内での安定化ジルコニアと酸化ニッケルとの境界長さの10区画間の平均値が25μm以上であり且つ標準偏差が10μm以下である請求項1に記載の積層体。   In the cross section of the fuel electrode layer or the hydrogen electrode layer, the average of the boundary lengths of the stabilized zirconia and nickel oxide between the 10 sections in the area of 1 μm to 4 μm from the interface with the solid electrolyte layer and within the 10 μm width section The laminate according to claim 1, wherein the laminate has a value of 25 µm or more and a standard deviation of 10 µm or less. 請求項1または2に記載の積層体を含み、
燃料極層または水素極層が燃料極支持基板または水素極支持基板と燃料極機能層または水素極機能層からなり、
燃料極機能層または水素極機能層が固体電解質層に接していることを特徴とする固体酸化物形電気化学セル用電極支持型ハーフセル。
Including the laminate according to claim 1 or 2,
The fuel electrode layer or hydrogen electrode layer is composed of a fuel electrode support substrate or hydrogen electrode support substrate and a fuel electrode functional layer or hydrogen electrode functional layer,
An electrode-supporting half cell for a solid oxide electrochemical cell, wherein a fuel electrode functional layer or a hydrogen electrode functional layer is in contact with a solid electrolyte layer.
固体電解質層の燃料極機能層または水素極機能層とは反対側の表面上にバリア層が配置されている請求項3に記載の固体酸化物形電気化学セル用電極支持型ハーフセル。   The electrode-supporting half cell for a solid oxide electrochemical cell according to claim 3, wherein a barrier layer is disposed on the surface of the solid electrolyte layer opposite to the fuel electrode functional layer or the hydrogen electrode functional layer. 請求項3に記載の固体酸化物形電気化学セル用電極支持型ハーフセルの固体電解質層の燃料極機能層または水素極機能層とは反対側の表面上、または、請求項4に記載の固体酸化物形電気化学セル用電極支持型ハーフセルのバリア層の固体電解質層とは反対側の表面上に、空気極層または酸素極層が形成されていることを特徴とする固体酸化物形電気化学セル用電極支持型単セル。   The solid oxidation of Claim 4 on the surface opposite to the fuel electrode functional layer or the hydrogen electrode functional layer of the solid electrolyte layer of the electrode-supporting half cell for a solid oxide electrochemical cell according to claim 3 A solid oxide electrochemical cell, characterized in that an air electrode layer or an oxygen electrode layer is formed on the surface of the electrode-supporting half cell for a solid electrochemical cell on the surface opposite to the solid electrolyte layer. Electrode support type single cell. 請求項1または2に記載の積層体を含み、
固体電解質層が固体電解質支持基板からなり、
燃料極層または水素極層、固体電解質支持基板および空気極層または酸素極層をこの順番で含むことを特徴とする固体酸化物形電気化学セル用固体電解質支持型単セル。
Including the laminate according to claim 1 or 2,
The solid electrolyte layer comprises a solid electrolyte support substrate;
A solid electrolyte supported single cell for a solid oxide electrochemical cell, comprising a fuel electrode layer or a hydrogen electrode layer, a solid electrolyte support substrate, and an air electrode layer or an oxygen electrode layer in this order.
さらに、固体電解質支持基板と空気極層または酸素極層との間にバリア層を含む請求項6に記載の固体酸化物形電気化学セル用固体電解質支持型単セル。   Furthermore, the solid electrolyte support type single cell for solid oxide type electrochemical cells of Claim 6 which contains a barrier layer between a solid electrolyte support substrate and an air electrode layer or an oxygen electrode layer.
JP2016136019A 2015-07-08 2016-07-08 Laminate Pending JP2017022111A (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015137111 2015-07-08
JP2015137111 2015-07-08

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2017022111A true JP2017022111A (en) 2017-01-26

Family

ID=57888676

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016136019A Pending JP2017022111A (en) 2015-07-08 2016-07-08 Laminate

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2017022111A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018154864A (en) * 2017-03-16 2018-10-04 東芝エネルギーシステムズ株式会社 High temperature steam electrolysis cell, hydrogen electrode layer therefor, and solid oxide electrochemical cell
JP2019091584A (en) * 2017-11-14 2019-06-13 日本特殊陶業株式会社 Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack
JP2021507108A (en) * 2017-12-19 2021-02-22 コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ Assembly with SOEC / SOFC solid oxide stack, crimping system, and heat exchange system
JP2021085061A (en) * 2019-11-27 2021-06-03 株式会社豊田中央研究所 Water vapor electrolysis electrode
JP2021147664A (en) * 2020-03-19 2021-09-27 株式会社東芝 High-temperature steam electrolytic hydrogen production cell and manufacturing method for high-temperature steam electrolytic hydrogen production cell

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018154864A (en) * 2017-03-16 2018-10-04 東芝エネルギーシステムズ株式会社 High temperature steam electrolysis cell, hydrogen electrode layer therefor, and solid oxide electrochemical cell
JP2021155852A (en) * 2017-03-16 2021-10-07 東芝エネルギーシステムズ株式会社 Production method of high temperature steam electrolytic cell, production method of hydrogen electrode layer for high temperature steam electrolytic cell, and production method of solid oxide electrochemical cell
JP2019091584A (en) * 2017-11-14 2019-06-13 日本特殊陶業株式会社 Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack
JP7152142B2 (en) 2017-11-14 2022-10-12 森村Sofcテクノロジー株式会社 Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack
JP2021507108A (en) * 2017-12-19 2021-02-22 コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ Assembly with SOEC / SOFC solid oxide stack, crimping system, and heat exchange system
JP2021085061A (en) * 2019-11-27 2021-06-03 株式会社豊田中央研究所 Water vapor electrolysis electrode
JP7114555B2 (en) 2019-11-27 2022-08-08 株式会社豊田中央研究所 Electrodes for water vapor electrolysis
JP2021147664A (en) * 2020-03-19 2021-09-27 株式会社東芝 High-temperature steam electrolytic hydrogen production cell and manufacturing method for high-temperature steam electrolytic hydrogen production cell
JP7309642B2 (en) 2020-03-19 2023-07-18 株式会社東芝 High-temperature steam electrolysis hydrogen production cell and method for producing high-temperature steam electrolysis hydrogen production cell

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6018639B2 (en) Solid oxide fuel cell half-cell and solid oxide fuel cell
JP2017022111A (en) Laminate
JP2009140730A (en) Fuel electrode material for solid oxide fuel cell, and its manufacturing method
JP6338342B2 (en) Solid oxide fuel cell half-cell and solid oxide fuel cell
JP5546559B2 (en) Solid oxide fuel cell and cathode forming material of the fuel cell
JP6808544B2 (en) Method for Manufacturing Half Cell for Solid Oxide Electrochemical Cell, Half Cell for Solid Oxide Electrochemical Cell and Half Cell for Solid Oxide Electrochemical Cell
JP2013143242A (en) Solid oxide fuel cell, and material for forming cathode for the fuel cell
JP2017123231A (en) Single cell for solid oxide fuel cell and method for manufacturing the same, and cathode for solid oxide fuel cell and method for manufacturing the same
JP2016072037A (en) Method for manufacturing single cell for solid oxide fuel battery, cathode for solid oxide fuel battery, and single cell for solid oxide fuel battery
JP2013229311A (en) Solid oxide fuel cell
JP2018063871A (en) Fuel electrode for electrochemical cell, and electrochemical cell including the same
JP6795359B2 (en) Electrolyte layer for electrochemical cell, and electrochemical cell containing it
JP6891008B2 (en) Ion conductive materials and solid oxide electrochemical cells
JP2016071983A (en) Fuel electrode material for solid oxide type fuel battery, manufacturing method for the same, half cell for solid oxide type fuel battery and single cell for solid oxide type fuel battery having the same
JP6199680B2 (en) Solid oxide fuel cell half cell and solid oxide fuel cell
JP2018018769A (en) Barrier layer for electrochemical cell, and electrochemical cell arranged by use thereof
JP2018152204A (en) Air electrode for electrochemical cell, and electrochemical cell including the same
JP2015185246A (en) Anode support substrate and anode supported cell
JP6764722B2 (en) Electrochemical cell
JP6694249B2 (en) Method for producing electrode-supported half cell for solid oxide fuel cell
JP6779745B2 (en) Solid oxide fuel cell and material for forming the cathode of the fuel cell
JP2013077396A (en) Anode support substrate and anode support type cell using the same
JP2018041660A (en) Half cell for electrochemical cell and electrochemical cell
JP2017147053A (en) Air electrode for solid oxide fuel battery
JP2018041661A (en) Electrolyte layer for electrochemical cell and electrochemical cell including the same