JP2020167092A - Material for formation of support body of solid oxide fuel cell, and utilization thereof - Google Patents

Material for formation of support body of solid oxide fuel cell, and utilization thereof Download PDF

Info

Publication number
JP2020167092A
JP2020167092A JP2019068314A JP2019068314A JP2020167092A JP 2020167092 A JP2020167092 A JP 2020167092A JP 2019068314 A JP2019068314 A JP 2019068314A JP 2019068314 A JP2019068314 A JP 2019068314A JP 2020167092 A JP2020167092 A JP 2020167092A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
insulating support
firing
support
less
zirconia
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.)
Granted
Application number
JP2019068314A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP7285117B2 (en
Inventor
昌平 竹田
Shohei Takeda
昌平 竹田
啓介 白井
Keisuke Shirai
啓介 白井
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.)
Noritake Co Ltd
Original Assignee
Noritake 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 Noritake Co Ltd filed Critical Noritake Co Ltd
Priority to JP2019068314A priority Critical patent/JP7285117B2/en
Publication of JP2020167092A publication Critical patent/JP2020167092A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7285117B2 publication Critical patent/JP7285117B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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

To provide a technique which can prevent the occurrence of a crack in co-firing and which enables the formation of an insulative support body superior in gas permeability.SOLUTION: A material for support body formation herein disclosed comprises: a powder mixture containing at least fine particles of zirconia powder having an average particle diameter of 1-4 μm and fine particles of zirconia powder having an average particle diameter of 0.1-0.5 μm; and a sintering assistant containing transition metal oxide particles. In the material for support body formation, the weight of the fine particles of zirconia powder when the total weight of powder mixture is 100 wt.% is 20-80 wt.%, and the content of the sintering assistant when the total weight of the powder mixture is 100 wt.% is 0.1-1.2 wt.%. According to this embodiment, the occurrence of a crack in co-firing can be prevented, and an insulative support body superior in gas permeability can be formed.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、絶縁性支持体上に燃料極、固体電解質層および空気極が積層された固体酸化物形燃料電池に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell in which a fuel electrode, a solid electrolyte layer and an air electrode are laminated on an insulating support.

固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、酸化物イオン伝導体から成る固体電解質層と、空気極(カソード)と、燃料極(アノード)とを備えている。かかるSOFCでは、空気極に供給された空気中の酸素が電気化学的に還元されて酸素イオンとなり、その酸素イオンが固体電解質層を経由して燃料極に到達する。そして、燃料極に供給された燃料ガス(水素等)が、空気極からの酸素イオンによって酸化されることで外部負荷に電子が放出されて電気エネルギーが生成される。このようなSOFCは、発電効率が高いこと、大気汚染の原因物質の排出量が少なく低環境負荷であること、および多様な燃料の使用が可能であること等の点から、次世代の発電装置として開発が進められている。 A solid oxide fuel cell (SOFC) includes a solid electrolyte layer made of an oxide ion conductor, an air electrode (cathode), and a fuel electrode (anode). In such SOFC, oxygen in the air supplied to the air electrode is electrochemically reduced to oxygen ions, and the oxygen ions reach the fuel electrode via the solid electrolyte layer. Then, the fuel gas (hydrogen, etc.) supplied to the fuel electrode is oxidized by oxygen ions from the air electrode, so that electrons are released to the external load and electric energy is generated. Such SOFCs are next-generation power generation devices because of their high power generation efficiency, low emissions of substances that cause air pollution, low environmental impact, and the ability to use a variety of fuels. Development is underway.

例えば、SOFCでは、絶縁性の支持体(以下、「絶縁性支持体」という)の上に、燃料極と固体電解質層と空気極とを備えた積層体が形成された構造が採用され得る。かかる絶縁性支持体は、電池形状の保持という役割の他に、燃料極への燃料ガスの供給・拡散という役割も有している。このため、絶縁性支持体には、所定の強度を有し、かつ、多量の燃料ガスを透過できる構造を有していることが求められる。かかるSOFC用の支持体に関する従来技術として、特許文献1、2に記載の技術が挙げられる。これらの特許文献1、2には、NiO、Y、MgO、MgAl、TiO等の金属酸化物を支持基板の材料に使用することが開示されている。 For example, in SOFC, a structure in which a laminate having a fuel electrode, a solid electrolyte layer, and an air electrode is formed on an insulating support (hereinafter, referred to as “insulating support”) can be adopted. In addition to maintaining the shape of the battery, the insulating support also has a role of supplying and diffusing fuel gas to the fuel electrode. Therefore, the insulating support is required to have a predetermined strength and a structure capable of transmitting a large amount of fuel gas. As a conventional technique relating to such a support for SOFC, the techniques described in Patent Documents 1 and 2 can be mentioned. These Patent Documents 1 and 2, NiO, Y 2 O 3, MgO, may use the MgAl 2 O 4, TiO 2, etc. of a metal oxide material of the supporting substrate is disclosed.

特開2012−94323号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-94323 特開2017−174498号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-174498

ところで、SOFCを製造する方法として、絶縁性支持体、燃料極、固体電解質層、空気極を一層ずつ順に積層・焼成していく方法と、各層の前駆物質(グリーンシート)を積層させた後にまとめて焼成する方法(共焼成)が挙げられる。これらのうち、共焼成は、製造工程を削減してコストを低減できるという利点を有している。 By the way, as a method of manufacturing SOFC, a method of laminating and firing an insulating support, a fuel electrode, a solid electrolyte layer, and an air electrode one by one in order, and a method of laminating a precursor (green sheet) of each layer are summarized. A method of firing (co-firing) can be mentioned. Of these, co-firing has the advantage of reducing the manufacturing process and reducing costs.

しかしながら、共焼成を用いてSOFCを製造すると、焼成後の燃料極と固体電解質層との境界に割れ(クラック)が生じることがある。かかるクラックは、緻密層である固体電解質層と多孔体である絶縁性支持体との間で焼成中の収縮率(焼成収縮率)が異なっているため、共焼成中の燃料極と固体電解質層との境界に応力が掛かることによって発生すると考えられている。 However, when SOFC is produced by using co-firing, cracks may occur at the boundary between the fuel electrode and the solid electrolyte layer after firing. Since such cracks have different shrinkage rates (fired shrinkage rates) during firing between the solid electrolyte layer, which is a dense layer, and the insulating support, which is a porous body, the fuel electrode and the solid electrolyte layer during co-firing are different. It is thought that it is generated by applying stress to the boundary with.

そこで、共焼成を用いてSOFCを製造する場合には、絶縁性支持体の焼成収縮率を大きくし、固体電解質層と絶縁性支持体の焼成収縮率を近似させることが考えられていた。しかしながら、絶縁性支持体のグリーンシートの焼成収縮率を大きくすると、背反として焼成後の絶縁性支持体が緻密化してガス透過性が低下するため発電性能が低下する。 Therefore, when SOFC is produced by using co-firing, it has been considered to increase the firing shrinkage rate of the insulating support and approximate the firing shrinkage rate of the solid electrolyte layer and the insulating support. However, if the firing shrinkage rate of the green sheet of the insulating support is increased, as a trade-off, the insulating support after firing becomes dense and the gas permeability is lowered, so that the power generation performance is lowered.

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、共焼成におけるクラックの発生を防止でき、かつ、ガス透過性に優れた絶縁性支持体を形成できる技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a technique capable of preventing the occurrence of cracks in co-firing and forming an insulating support having excellent gas permeability. is there.

本発明者らは、上述の目的を達成するために種々の実験と検討を行った。その結果、共焼成におけるクラックは、上述の焼成収縮率の違いが生じた場合だけでなく、収縮開始温度の違いが生じた場合も発生し得ることを見出した。例えば、固体電解質層の焼成収縮率と絶縁性支持体の焼成収縮率とを近似させたとしても、絶縁性支持体よりも低温で固体電解質層の収縮が始まると、焼成初期に燃料極と固体電解質層との境界に応力が掛かってクラックが発生する。この発見に基づいて、本発明者らは、絶縁性支持体の熱収縮開始温度を固体電解質層と同程度まで低下できれば、絶縁性支持体の焼成収縮率を必要以上に大きくしなくてもクラックの発生を防止できるため、焼成後の絶縁性支持体のガス透過性の低下を抑制できると考えた。ここに開示される支持体形成材料は、上述の知見に基づいてなされたものである。 The present inventors have conducted various experiments and studies in order to achieve the above-mentioned object. As a result, it was found that cracks in co-firing can occur not only when the above-mentioned difference in firing shrinkage rate occurs but also when a difference in shrinkage start temperature occurs. For example, even if the firing shrinkage of the solid electrolyte layer and the firing shrinkage of the insulating support are approximated, if the solid electrolyte layer starts shrinking at a lower temperature than the insulating support, the fuel electrode and the solid will be formed at the initial stage of firing. Stress is applied to the boundary with the electrolyte layer and cracks occur. Based on this discovery, we found that if the thermal shrinkage start temperature of the insulating support could be lowered to the same level as the solid electrolyte layer, the insulating support would crack without increasing the firing shrinkage rate more than necessary. It was thought that the decrease in gas permeability of the insulating support after firing could be suppressed because the occurrence of The support forming material disclosed herein is based on the above findings.

本発明によって以下の構成の支持体形成材料が提供される。なお、本明細書において「支持体形成材料」とは、SOFCの絶縁性支持体を形成するための粉体材料を指す。より具体的には、本明細書における「支持体形成材料」とは、絶縁性支持体の前駆物質であるグリーンシートの主成分である。
ここに開示される支持体形成材料は、平均粒径が1μm以上4μm以下の粗粒ジルコニア粉体、および平均粒径が0.1μm以上0.5μm以下の微粒ジルコニア粉体を少なくとも含む混合粉体と、遷移金属酸化物の粒子を含む焼結助剤とを含有する。そして、ここに開示される支持体形成材料では、混合粉体の総重量を100wt%としたときの微粒ジルコニア粉体の重量が20wt%以上80wt%以下であり、混合粉体の総重量を100wt%としたときの焼結助剤の含有量が0.1wt%以上1.2wt%以下である。
The present invention provides a support forming material having the following constitution. In the present specification, the “support forming material” refers to a powder material for forming an insulating support of SOFC. More specifically, the "support forming material" in the present specification is the main component of the green sheet which is a precursor of the insulating support.
The support forming material disclosed herein is a mixed powder containing at least coarse-grained zirconia powder having an average particle size of 1 μm or more and 4 μm or less, and fine-grained zirconia powder having an average particle size of 0.1 μm or more and 0.5 μm or less. And a sintering aid containing particles of transition metal oxide. In the support forming material disclosed herein, the weight of the fine zirconia powder is 20 wt% or more and 80 wt% or less when the total weight of the mixed powder is 100 wt%, and the total weight of the mixed powder is 100 wt%. The content of the sintering aid when% is 0.1 wt% or more and 1.2 wt% or less.

ここに開示される支持体形成材料では、遷移金属酸化物の粒子を含む焼結助剤が添加されている。これによって、共焼成における収縮開始温度を低下させ、焼成初期におけるクラックの発生を防止できる。さらに、ここに開示される支持体形成材料では、粗粒ジルコニア粉体と微粒ジルコニア粉体とを含む混合粉体が用いられている。このような混合粉体は、絶縁性支持体の焼成収縮率を向上させることができるため、焼成中期以降の収縮量の違いによってクラックが発生することを防止できる。そして、ここに開示される支持体形成材料では、共焼成におけるクラックの発生を防止し、かつ、ガス透過性に優れた絶縁性支持体を形成するという観点から、混合粉体の総重量に対する微粒ジルコニア粉体の重量と、混合粉体に対する焼結助剤の含有量の各々が規定されている。 In the support forming material disclosed herein, a sintering aid containing particles of transition metal oxide is added. As a result, the shrinkage start temperature in co-firing can be lowered, and the occurrence of cracks in the initial stage of firing can be prevented. Further, in the support forming material disclosed herein, a mixed powder containing coarse-grained zirconia powder and fine-grained zirconia powder is used. Since such a mixed powder can improve the firing shrinkage rate of the insulating support, it is possible to prevent cracks from occurring due to the difference in the amount of shrinkage after the middle stage of firing. The support forming material disclosed herein is fine particles with respect to the total weight of the mixed powder from the viewpoint of preventing the occurrence of cracks during co-firing and forming an insulating support having excellent gas permeability. Each of the weight of the zirconia powder and the content of the sintering aid with respect to the mixed powder is specified.

なお、本明細書において「平均粒径」とは、一般的なレーザー回折・光散乱法に基づく粒度分布測定により測定した体積基準の粒度分布において、微粒子側からの累積50%に相当する粒径(D50粒径、メジアン径ともいう。)をいう。 In the present specification, the "average particle size" is a particle size corresponding to a cumulative 50% from the fine particle side in a volume-based particle size distribution measured by a particle size distribution measurement based on a general laser diffraction / light scattering method. (D 50 particle size, also called median diameter.) refers to.

ここに開示される支持体形成材料の好適な一態様では、焼結助剤の平均粒径が0.02μm以上30μm以下である。これによって、支持体形成材料中に焼結助剤を適切に分散させて、焼成初期において絶縁性支持体を好適な収縮量で均一に収縮させることができるため、焼成初期のクラックの発生をより好適に防止できる。 In a preferred embodiment of the support forming material disclosed herein, the average particle size of the sintering aid is 0.02 μm or more and 30 μm or less. As a result, the sintering aid can be appropriately dispersed in the support forming material, and the insulating support can be uniformly shrunk at a suitable shrinkage amount at the initial stage of firing, so that cracks at the initial stage of firing are more likely to occur. It can be preferably prevented.

ここに開示される支持体形成材料の好ましい一態様では、焼結助剤は、Mn、NiO、CuO、Fe、ZnO、CoOからなる群から選択された1種以上の粒子を含む。これらは、遷移金属酸化物の中でも特に融点が低く、絶縁性支持体の収縮開始温度を好適に低下させることができるため、焼成初期におけるクラックの発生をより好適に防止できる。 In a preferred embodiment of the support forming material disclosed herein, the sintering aid is one or more particles selected from the group consisting of Mn 3 O 4 , NiO, CuO, Fe 2 O 3 , ZnO, CoO. including. Among the transition metal oxides, these have a particularly low melting point, and the shrinkage start temperature of the insulating support can be suitably lowered, so that the occurrence of cracks at the initial stage of firing can be more preferably prevented.

また、本発明の他の側面として、固体酸化物形燃料電池(SOFC)が提供される。ここに開示されるSOFCは、燃料ガスを透過させる多孔体であり、ジルコニア系成分を含有する絶縁性支持体と、絶縁性支持体上に形成された燃料極と、燃料極上に形成された固体電解質層と、固体電解質層上に形成された空気極とを備えている。そして、ここに開示されるSOFCの絶縁性支持体は、遷移金属酸化物を含有し、ジルコニア系成分の総重量を100wt%としたときの遷移金属酸化物の合計重量が0.1wt%以上1.2wt%以下であり、かつ、気孔率が5%以上である。 Further, as another aspect of the present invention, a solid oxide fuel cell (SOFC) is provided. The SOFC disclosed herein is a porous body that allows fuel gas to permeate, and is an insulating support containing a zirconia-based component, a fuel electrode formed on the insulating support, and a solid formed on the fuel electrode. It includes an electrolyte layer and an air electrode formed on the solid electrolyte layer. The SOFC insulating support disclosed herein contains a transition metal oxide, and the total weight of the transition metal oxide is 0.1 wt% or more when the total weight of the zirconia-based components is 100 wt%. .2 wt% or less and porosity of 5% or more.

上記SOFCは、ここに開示される支持体形成材料を用いて製造されたSOFCである。かかるSOFCの絶縁性支持体には、支持体形成材料に含まれていた焼結助剤に由来する遷移金属酸化物が含まれている。すなわち、ここに開示されるSOFCの絶縁性支持体では、混合粉体に由来するジルコニア系成分の総重量を100wt%としたときの遷移金属酸化物の合計重量が0.1wt%以上1.2wt%以下である。そして、上述した支持体形成材料では、ガス透過性に優れた絶縁性支持体を形成するという観点から、種々の構成が規定されているため、焼成後の絶縁性支持体の気孔率が5%以上となっている。このような気孔率を有した絶縁性支持体は、高いガス透過性を発揮するため、SOFCの発電性能の向上に貢献できる。 The SOFC is an SOFC manufactured by using the support forming material disclosed herein. Such an insulating support of SOFC contains a transition metal oxide derived from a sintering aid contained in the support forming material. That is, in the SOFC insulating support disclosed herein, the total weight of the transition metal oxide is 0.1 wt% or more and 1.2 wt% when the total weight of the zirconia-based components derived from the mixed powder is 100 wt%. % Or less. Since various configurations of the above-mentioned support forming material are defined from the viewpoint of forming an insulating support having excellent gas permeability, the porosity of the insulating support after firing is 5%. That is all. Since the insulating support having such a porosity exhibits high gas permeability, it can contribute to the improvement of the power generation performance of the SOFC.

本発明の一実施形態に係るSOFCの層構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the layer structure of SOFC which concerns on one Embodiment of this invention. 試験例において作成したハーフセルを模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the half cell prepared in the test example. サンプル1の燃料極と固体電解質層との境界をレーザー顕微鏡で観察した際の画像(倍率:400倍)である。It is an image (magnification: 400 times) when the boundary between the fuel electrode and the solid electrolyte layer of sample 1 was observed with a laser microscope. サンプル4の燃料極と固体電解質層との境界をレーザー顕微鏡で観察した際の画像(倍率:400倍)である。It is an image (magnification: 400 times) when the boundary between the fuel electrode and the solid electrolyte layer of sample 4 was observed with a laser microscope. サンプル6の表面SEM観察画像(倍率:10000倍)である。It is a surface SEM observation image (magnification: 10000 times) of sample 6. サンプル10の表面SEM観察画像(倍率:10000倍)である。It is a surface SEM observation image (magnification: 10000 times) of sample 10. サンプル14の表面SEM観察画像(倍率:10000倍)である。It is a surface SEM observation image (magnification: 10000 times) of sample 14.

以下、適宜図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、絶縁性支持体を除く各層の詳細な成分や製造方法等)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明し、重複する説明は省略または簡略化することがある。なお、本明細書において数値範囲を示す「X〜Y(ただし、X,Yは、任意の値。)」との表記は、「X以上Y以下」を意味するものとする。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. It should be noted that matters other than those specifically mentioned in the present specification and necessary for carrying out the present invention (for example, detailed components of each layer excluding the insulating support, manufacturing method, etc.) are in the art. It can be grasped as a design matter of a person skilled in the art based on the prior art. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in the present specification and common general technical knowledge in the art. Further, in the following drawings, members / parts having the same function may be described with the same reference numerals, and duplicate description may be omitted or simplified. In this specification, the notation "X to Y (where X and Y are arbitrary values)" indicating a numerical range means "X or more and Y or less".

<支持体形成材料>
ここに開示される支持体形成材料は、SOFCの燃料極を支持する絶縁性支持体を形成するために用いられる。具体的には、ここに開示される支持体形成材料を主成分とするグリーンシートを焼成することによってSOFCの絶縁性支持体を形成できる。
ここに開示される支持体形成材料は、混合粉体と焼結助剤とを含有している。以下、各々の成分について説明する。
<Support forming material>
The support forming material disclosed herein is used to form an insulating support that supports the fuel electrode of the SOFC. Specifically, an insulating support of SOFC can be formed by firing a green sheet containing the support forming material disclosed herein as a main component.
The support forming material disclosed herein contains a mixed powder and a sintering aid. Hereinafter, each component will be described.

1.混合粉体
ここに開示される支持体形成材料における混合粉体は、ジルコニア系酸化物の粒子を主成分として含有する粉体材料である。かかるジルコニア系酸化物は、この種のSOFCの絶縁性支持体に使用され得るものであれば特に限定されず、種々の成分を使用できる。かかるジルコニア系酸化物の一例として、ジルコニア(ZrO)に安定化剤が添加された安定化ジルコニアが好ましく用いられる。かかる安定化ジルコニアにおける安定化剤には、所定の金属酸化物(MまたはMO)が用いられ得る。ここで、安定化剤に含まれる金属元素(M)としては、Y、Sc、Ca、Yb、GdおよびMgのうちの一種または二種以上の元素が挙げられる。上記安定化ジルコニアの好適例として、イットリア(Y)で安定化されたイットリア安定化ジルコニア(YSZ)や、カルシア(CaO)で安定化されたカルシア安定化ジルコニア(CSZ)等が挙げられる。これらの中でもYSZが好適であり、全体の1モル%以上15モル%以下(好ましくは1モル%以上10モル%以下)となる量のイットリアを固溶させたYSZを特に好ましく使用できる。
1. 1. Mixed powder The mixed powder in the support forming material disclosed herein is a powder material containing zirconia-based oxide particles as a main component. The zirconia-based oxide is not particularly limited as long as it can be used for the insulating support of this kind of SOFC, and various components can be used. As an example of such a zirconia-based oxide, stabilized zirconia in which a stabilizer is added to zirconia (ZrO 2 ) is preferably used. The stabilizer in accordance stabilized zirconia, predetermined metal oxide (M 2 O 3 or MO) can be used. Here, examples of the metal element (M) contained in the stabilizer include one or more elements of Y, Sc, Ca, Yb, Gd and Mg. Preferred examples of the stabilized zirconia, and yttria (Y 2 O 3) stabilized with yttria-stabilized zirconia (YSZ) and, stabilized calcia-stabilized zirconia (CSZ) or the like with calcia (CaO) is .. Among these, YSZ is preferable, and YSZ in which yttria is dissolved in an amount of 1 mol% or more and 15 mol% or less (preferably 1 mol% or more and 10 mol% or less) of the whole can be particularly preferably used.

そして、ここに開示される混合粉体は、平均粒径が異なる2種類のジルコニア粉体を含有する。具体的には、ここに開示される混合粉体には、平均粒径が大きな粗粒ジルコニア粉体と、平均粒径が小さい微粒ジルコニア粉体が含まれている。このように平均粒径が異なる2種類のジルコニア粉体を適切な割合で混合した混合粉体を使用することによって、焼成中期以降のクラックの発生を防止できる。以下、具体的に説明する。 The mixed powder disclosed herein contains two types of zirconia powders having different average particle sizes. Specifically, the mixed powder disclosed herein includes coarse-grained zirconia powder having a large average particle size and fine-grained zirconia powder having a small average particle size. By using a mixed powder in which two types of zirconia powders having different average particle sizes are mixed at an appropriate ratio, the occurrence of cracks after the middle stage of firing can be prevented. Hereinafter, a specific description will be given.

粗粒ジルコニア粉体は、平均粒径が1μm以上4μm以下のジルコニア粉体である。このような比較的に大粒径のジルコニア粒子の含有量が増加すると、共焼成におけるグリーンシートの収縮率(焼成収縮率)が低下する傾向がある。なお、粗粒ジルコニア粉体の平均粒径は、1.2μm以上であってもよく、1.4μm以上であってもよい。一方、粗粒ジルコニア粉体の平均粒径の上限は、3μm以下であってもよく、2μm以下であってもよい。かかる粗粒ジルコニア粉体の平均粒径の一例は1.5μmである。 The coarse-grained zirconia powder is a zirconia powder having an average particle size of 1 μm or more and 4 μm or less. When the content of such relatively large particle size zirconia particles increases, the shrinkage rate (fired shrinkage rate) of the green sheet in co-firing tends to decrease. The average particle size of the coarse-grained zirconia powder may be 1.2 μm or more, or 1.4 μm or more. On the other hand, the upper limit of the average particle size of the coarse-grained zirconia powder may be 3 μm or less, or 2 μm or less. An example of the average particle size of such coarse-grained zirconia powder is 1.5 μm.

微粒ジルコニア粉体は、平均粒径が0.1μm以上0.5μm以下のジルコニア粉体である。このような比較的に小粒径のジルコニア粒子の含有量が増加すると、焼成収縮率が大きくなる傾向がある。なお、微粒ジルコニア粉体の平均粒径は、0.15μm以上であってもよく、0.2μm以上であってもよい。一方、微粒ジルコニア粉体の平均粒径の上限は、0.45μm以下であってもよく、0.4μm以下であってもよく、0.3μm以下であってもよい。かかる微粒ジルコニア粉体の平均粒径の一例は0.25μmである。 The fine zirconia powder is a zirconia powder having an average particle size of 0.1 μm or more and 0.5 μm or less. When the content of such relatively small particle size zirconia particles increases, the firing shrinkage rate tends to increase. The average particle size of the fine zirconia powder may be 0.15 μm or more, or 0.2 μm or more. On the other hand, the upper limit of the average particle size of the fine zirconia powder may be 0.45 μm or less, 0.4 μm or less, or 0.3 μm or less. An example of the average particle size of such fine zirconia powder is 0.25 μm.

そして、ここに開示される混合粉体では、混合粉体の総重量を100wt%としたときの微粒ジルコニア粉体の重量が20wt%以上80wt%以下に規定されている。微粒ジルコニア粉体の重量が20wt%を下回ると、他の層に対して絶縁性支持体の焼成収縮率が小さくなり過ぎて、共焼成の中期以降にクラックが発生しやすくなる。一方、微粒ジルコニア粉体の重量が80wt%を超えると、焼成後の絶縁性支持体が緻密になりすぎて気孔率が低下する傾向がある。これらの点に基づいて、ここに開示される支持体形成材料では、微粒ジルコニア粉体の重量を20wt%以上80wt%以下に調整し、焼成中期以降のクラックの防止と焼成後の絶縁性支持体のガス透過性とを両立している。
なお、焼成中期以降のクラックをより好適に防止するという観点から、微粒ジルコニア粉体の重量は、25wt%以上が好ましく、27wt%以上がより好ましく、30wt%以上がさらに好ましく、35wt%以上が特に好ましい。一方、焼成後により優れたガス透過性を有する絶縁性支持体を形成するという観点から、微粒ジルコニア粉体の重量の上限は、75wt%以下が好ましく、70wt%以下がより好ましく、65wt%以下がさらに好ましく、60wt%以下が特に好ましい。
In the mixed powder disclosed herein, the weight of the fine zirconia powder is defined as 20 wt% or more and 80 wt% or less when the total weight of the mixed powder is 100 wt%. If the weight of the fine zirconia powder is less than 20 wt%, the firing shrinkage rate of the insulating support becomes too small with respect to the other layers, and cracks are likely to occur after the middle stage of co-firing. On the other hand, when the weight of the fine zirconia powder exceeds 80 wt%, the insulating support after firing tends to be too dense and the porosity tends to decrease. Based on these points, in the support forming material disclosed herein, the weight of the fine zirconia powder is adjusted to 20 wt% or more and 80 wt% or less to prevent cracks after the middle stage of firing and to provide an insulating support after firing. It has both gas permeability and gas permeability.
From the viewpoint of more preferably preventing cracks after the middle stage of firing, the weight of the fine zirconia powder is preferably 25 wt% or more, more preferably 27 wt% or more, further preferably 30 wt% or more, and particularly preferably 35 wt% or more. preferable. On the other hand, from the viewpoint of forming an insulating support having better gas permeability after firing, the upper limit of the weight of the fine zirconia powder is preferably 75 wt% or less, more preferably 70 wt% or less, and 65 wt% or less. More preferably, 60 wt% or less is particularly preferable.

なお、粗粒ジルコニア粉体と微粒ジルコニア粉体は、同種のジルコニア粒子によって構成されていてもよいし、異種のジルコニア粒子によって構成されていてもよい。例えば、イットリア固溶量が5モル%のYSZ(5YSZ)を粗粒ジルコニア粉体に使用し、イットリア固溶量が8モル%のYSZ(8YSZ)を微粒ジルコニア粉体に使用することができる。 The coarse-grained zirconia powder and the fine-grained zirconia powder may be composed of the same type of zirconia particles or may be composed of different types of zirconia particles. For example, YSZ (5YSZ) having a yttria solid solubility of 5 mol% can be used for coarse zirconia powder, and YSZ (8YSZ) having an yttria solid solubility of 8 mol% can be used for fine zirconia powder.

本発明の効果を阻害しない範囲であれば、上述の粗粒ジルコニア粉体と微粒ジルコニア粉体とは異なる平均粒径を有するジルコニア粉体(以下、「他のジルコニア粉体」という)が混合粉体に含まれていてもよい。かかる他のジルコニア粉体としては、平均粒径が0.1μm未満の極小ジルコニア粉体、平均粒径が0.5μm超1μm未満の中間ジルコニア粉体、平均粒径が4μm超の極大ジルコニア粉体などが挙げられる。但し、共焼成における他の層の破損を好適に防止するという観点からは、上記他のジルコニア粉体を実質的に含有しない方が好ましい。なお、ここでいう「他のジルコニア粉体を実質的に含有しない」とは、他のジルコニア粉体が意図的に添加されていないことを指す。したがって、上記他のジルコニア粉体と解釈され得る成分が原料や製造工程等に由来して微量に含まれるような場合は、本明細書における「他のジルコニア粉体を実質的に含有しない」の概念に包含される。例えば、上記混合粉体の総重量を100wt%としたときの他のジルコニア粉体の含有量が1wt%以下(好ましくは0.1wt%以下、より好ましくは0.01wt%以下、さらに好ましくは0.001wt%以下、特に好ましくは0.0001wt%以下)である場合、「他のジルコニア粉体を実質的に含有しない」ということができる。 A zirconia powder having an average particle size different from that of the above-mentioned coarse-grained zirconia powder and fine-grained zirconia powder (hereinafter referred to as "other zirconia powder") is a mixed powder as long as the effect of the present invention is not impaired. It may be contained in the body. Examples of such other zirconia powders include extremely small zirconia powders having an average particle size of less than 0.1 μm, intermediate zirconia powders having an average particle size of more than 0.5 μm and less than 1 μm, and maximum zirconia powders having an average particle size of more than 4 μm. And so on. However, from the viewpoint of preferably preventing damage to other layers during co-firing, it is preferable that the other zirconia powder is not substantially contained. The term "substantially free of other zirconia powder" as used herein means that no other zirconia powder is intentionally added. Therefore, when a component that can be interpreted as the other zirconia powder is contained in a trace amount due to the raw material, the manufacturing process, or the like, "substantially does not contain the other zirconia powder" in the present specification. Included in the concept. For example, when the total weight of the mixed powder is 100 wt%, the content of the other zirconia powder is 1 wt% or less (preferably 0.1 wt% or less, more preferably 0.01 wt% or less, still more preferably 0). When it is .001 wt% or less, particularly preferably 0.0001 wt% or less), it can be said that "it does not substantially contain other zirconia powder".

2.焼結助剤
焼結助剤は、遷移金属酸化物の粒子を主成分として含む粉体材料である。かかる遷移金属酸化物を含む焼結助剤を支持体形成材料に添加することによって収縮開始温度を低下させ、共焼成の初期におけるクラックの発生を抑制できる。本発明を限定する意図はないが、このような効果が得られる理由は次のように推測される。遷移金属酸化物を含む焼結助剤は、ジルコニア粉体と比べて融点が低い(例えば2000℃以下)ため、共焼成の初期にジルコニア粉体よりも先に融解する。そして、融解した焼結助剤がジルコニア粒子間の空隙に流れ込むことによって絶縁性支持体が収縮するため、収縮開始温度が低下する。なお、焼結助剤は、焼成温度に応じて適切な融点を有するものに適宜変更することができる。例えば、焼結助剤の融点は、1700℃以下であってもよく、1500℃以下であってもよく、1200℃以下であってもよい。このような融点を有する遷移金属酸化物としては、例えば、Mn、NiO、CuO、Fe、ZnO、CoO等が挙げられる。これらの遷移金属酸化物の粒子を焼結助剤として使用することによって、収縮開始温度を好適に低下させることができる。
2. Sintering aid Sintering aid is a powder material containing particles of transition metal oxide as the main component. By adding a sintering aid containing such a transition metal oxide to the support forming material, the shrinkage start temperature can be lowered and the occurrence of cracks at the initial stage of co-firing can be suppressed. Although there is no intention of limiting the present invention, the reason why such an effect can be obtained is presumed as follows. Since the sintering aid containing the transition metal oxide has a lower melting point than the zirconia powder (for example, 2000 ° C. or lower), it melts before the zirconia powder at the initial stage of co-firing. Then, the molten sintering aid flows into the voids between the zirconia particles, causing the insulating support to shrink, so that the shrinkage start temperature drops. The sintering aid can be appropriately changed to one having an appropriate melting point according to the firing temperature. For example, the melting point of the sintering aid may be 1700 ° C. or lower, 1500 ° C. or lower, or 1200 ° C. or lower. Examples of the transition metal oxide having such a melting point include Mn 3 O 4 , NiO, CuO, Fe 2 O 3 , ZnO, and CoO. By using the particles of these transition metal oxides as a sintering aid, the shrinkage start temperature can be suitably lowered.

また、ここに開示される支持体形成材料では、上記混合粉体の総重量(100wt%)に対する焼結助剤の含有量が0.1wt%以上1.2wt%以下である。具体的には、ここに開示される支持体形成材料では、焼成初期における絶縁性支持体の収縮量を確保してクラックを適切に防止するという観点から、焼結助剤の含有量の下限を0.1wt%以上に規定している。一方、焼結助剤は、焼成初期においてジルコニア粒子間の空隙を埋めるため、焼成後の絶縁性支持体の空孔率を低下させる要因にもなり得る。このため、ここに開示される支持体形成材料では、焼成後の絶縁性支持体の空孔率を確保するために、焼結助剤の含有量の上限を1.2wt%に規定している。なお、焼成初期におけるクラックの発生をより好適に防止するという観点から、焼結助剤の含有量の下限は0.2wt%以上が好ましく、0.4wt%以上がより好ましく、0.6wt%以上がさらに好ましく、0.8wt%以上が特に好ましい。また、焼成後の絶縁性支持体の空孔率を確保するという観点から、焼結助剤の含有量の上限は、1.1wt%以下がより好ましい。かかる焼結助剤の含有量の好適な一例として1wt%が挙げられる。 Further, in the support forming material disclosed herein, the content of the sintering aid with respect to the total weight (100 wt%) of the mixed powder is 0.1 wt% or more and 1.2 wt% or less. Specifically, in the support forming material disclosed herein, the lower limit of the content of the sintering aid is set from the viewpoint of ensuring the shrinkage amount of the insulating support at the initial stage of firing and appropriately preventing cracks. It is specified to be 0.1 wt% or more. On the other hand, since the sintering aid fills the voids between the zirconia particles at the initial stage of firing, it can also be a factor of lowering the porosity of the insulating support after firing. Therefore, in the support forming material disclosed herein, the upper limit of the content of the sintering aid is set to 1.2 wt% in order to secure the porosity of the insulating support after firing. .. From the viewpoint of more preferably preventing the occurrence of cracks at the initial stage of firing, the lower limit of the content of the sintering aid is preferably 0.2 wt% or more, more preferably 0.4 wt% or more, and 0.6 wt% or more. Is more preferable, and 0.8 wt% or more is particularly preferable. Further, from the viewpoint of ensuring the porosity of the insulating support after firing, the upper limit of the content of the sintering aid is more preferably 1.1 wt% or less. A suitable example of the content of such a sintering aid is 1 wt%.

以上のように、ここに開示される支持体形成材料では、所定量の焼結助剤を添加して収縮開始温度を低下させているため、焼成初期におけるクラックの発生を防止できる。そして、所定量の微粒ジルコニア粉体を含む混合粒子を用いて焼成収縮率を大きくしているため、焼成中期以降のクラックの発生を防止できる。そして、共焼成の各々の段階において適切にクラックの発生を防止できるため、必要以上に熱収縮率を大きくする必要がない。このため、焼成後の絶縁性支持体において好適な空孔率が得られるように、焼結助剤と微粒ジルコニア粉体の各々の含有量を規定できる。従って、ここに開示される支持体形成材料によると、共焼成におけるクラックの発生を防止でき、かつ、ガス透過性に優れた絶縁性支持体を形成できる。 As described above, in the support forming material disclosed here, since the shrinkage start temperature is lowered by adding a predetermined amount of the sintering aid, it is possible to prevent the occurrence of cracks at the initial stage of firing. Since the firing shrinkage rate is increased by using mixed particles containing a predetermined amount of fine zirconia powder, it is possible to prevent the occurrence of cracks after the middle stage of firing. Further, since the occurrence of cracks can be appropriately prevented at each stage of co-firing, it is not necessary to increase the heat shrinkage rate more than necessary. Therefore, the contents of each of the sintering aid and the fine zirconia powder can be specified so that a suitable porosity can be obtained in the insulating support after firing. Therefore, according to the support forming material disclosed herein, it is possible to prevent the occurrence of cracks in co-firing and to form an insulating support having excellent gas permeability.

なお、焼結助剤の平均粒径が大きくなるにつれて、焼成初期の絶縁性支持体の収縮量が大きくなる傾向がある。この観点から、焼結助剤の平均粒径は、0.02μm以上が好ましく、0.1μm以上がより好ましく、0.5μm以上がさらに好ましく、1μm以上が特に好ましい。一方、焼成初期に支持体形成材料を均一に収縮させてクラックの発生をより好適に防止するという観点から、焼結助剤の平均粒径の上限は、30μm以下が好ましく、20μm以下がより好ましく、15μm以下がさらに好ましく、10μm以下が特に好ましい。 As the average particle size of the sintering aid increases, the amount of shrinkage of the insulating support at the initial stage of firing tends to increase. From this viewpoint, the average particle size of the sintering aid is preferably 0.02 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, further preferably 0.5 μm or more, and particularly preferably 1 μm or more. On the other hand, from the viewpoint of uniformly shrinking the support forming material at the initial stage of firing to more preferably prevent the occurrence of cracks, the upper limit of the average particle size of the sintering aid is preferably 30 μm or less, more preferably 20 μm or less. , 15 μm or less is more preferable, and 10 μm or less is particularly preferable.

3.他の成分
本発明の効果を阻害しない範囲であれば、ここに開示される支持体形成材料は、必要に応じて、任意で付加し得る他の成分(例えば、バインダや気孔形成材等)を含んでいてもよい。なお、支持体形成材料に添加され得る他の成分は、特に限定されるものではなく、絶縁性支持体の形成において従来公知の成分から適宜選択して用いることができる。例えば、バインダとして、セルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、カルボキシエチルセルロース、カルボキシエチルメチルセルロース、エチルセルロース、メチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、ブチラールおよびこれらの塩を用いることができる。なお、バインダの含有率は、特に限定されないが、混合粉体の総量を100wt%としたとき1wt%以上10wt%以下(例えば6.5wt%)であると好ましい。これによって、好適な形状のグリーンシートを成形できる。
3. 3. Other components As long as the effects of the present invention are not impaired, the support-forming material disclosed herein may optionally add other components (for example, a binder, a pore-forming material, etc.). It may be included. The other components that can be added to the support forming material are not particularly limited, and can be appropriately selected from conventionally known components in the formation of the insulating support. For example, as the binder, cellulose, hydroxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, carboxymethyl cellulose, carboxyethyl cellulose, carboxyethyl methyl cellulose, ethyl cellulose, methyl cellulose, ethyl hydroxyethyl cellulose, butyral and salts thereof can be used. The binder content is not particularly limited, but is preferably 1 wt% or more and 10 wt% or less (for example, 6.5 wt%) when the total amount of the mixed powder is 100 wt%. As a result, a green sheet having a suitable shape can be formed.

また、気孔形成材として、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、ポリスチレン樹脂、セルロース樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂からなる群から選択された1種以上の樹脂を含有する樹脂ビーズ、またはカーボン、でんぷんからなる粒子等を添加してもよい。これらの材料は、気孔形成材として好適に使用できる。また、これらの材料の中でも、アクリル樹脂、メタクリル樹脂からなる樹脂ビーズは、焼失温度が低いため気孔形成材として特に好適に使用できる。なお、複数の気孔が連通した開気孔を複数形成して絶縁性支持体のガス透過性をさらに向上させるという観点から、気孔形成材の平均粒径が1μm以上であり、かつ、混合粉体の総重量に対する気孔形成材の添加量が5wt%以上であることが好ましい。また、焼成後の絶縁性支持体の強度を考慮すると、気孔形成材の平均粒径が10μm以下であり、かつ、気孔形成材の添加量が25wt%以下であることが好ましい。 The pore forming material was selected from the group consisting of acrylic resin, methacrylic resin, polystyrene resin, cellulose resin, polyvinyl acetal resin, polyester resin, polyurethane resin, epoxy resin, phenol resin, polyvinyl acetate resin, and polyvinyl alcohol resin. Resin beads containing one or more kinds of resins, or particles made of carbon or starch may be added. These materials can be suitably used as a pore forming material. Further, among these materials, resin beads made of acrylic resin and methacrylic resin can be particularly preferably used as a pore-forming material because they have a low burning temperature. From the viewpoint of forming a plurality of open pores in which a plurality of pores are communicated to further improve the gas permeability of the insulating support, the average particle size of the pore forming material is 1 μm or more, and the mixed powder The amount of the pore-forming material added to the total weight is preferably 5 wt% or more. Further, considering the strength of the insulating support after firing, it is preferable that the average particle size of the pore-forming material is 10 μm or less and the amount of the pore-forming material added is 25 wt% or less.

なお、ここに開示される支持体形成材料は、SOFCの絶縁性支持体を形成するために用いられる。ここで、上記遷移金属酸化物を含む焼結助剤が還元されると導電性材料になり得る。しかし、本発明者らの実験によると、焼結助剤として使用された遷移金属酸化物は還元され難く、少なくとも焼結助剤の含有量が5wt%以下であれば、SOFCが作動する高温の水素雰囲気下でも酸化物の状態が維持されるため、支持体の絶縁性を確保できることが確認されている。このため、ここに開示される支持体形成材料は、電子伝導性を有する導電性材料を実質的に含有しないということができ、SOFCの絶縁性支持体を好適に形成することができる。 The support forming material disclosed herein is used to form an insulating support of SOFC. Here, when the sintering aid containing the transition metal oxide is reduced, it can become a conductive material. However, according to the experiments by the present inventors, the transition metal oxide used as the sintering aid is difficult to reduce, and if the content of the sintering aid is at least 5 wt% or less, the high temperature at which SOFC operates is high. It has been confirmed that the insulating property of the support can be ensured because the oxide state is maintained even in a hydrogen atmosphere. Therefore, it can be said that the support forming material disclosed herein does not substantially contain the conductive material having electron conductivity, and the insulating support of SOFC can be preferably formed.

また、上記したように、ここに開示される支持体形成材料は、焼成後の支持体の絶縁性を確保するために、電子伝導性を有する導電性材料を実質的に含有しない。かかる導電性材料の一例として、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、金(Au)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、コバルト(Co)、ランタン(La)、ストロンチウム(Sr)、チタン(Ti)等が挙げられる。なお、ここでいう「導電性材料を実質的に含有しない」とは、焼成後の支持体に導電性を付与する意図で導電性材料が添加されていないことを指す。したがって、焼成後の支持体の絶縁性が確保されている前提で導電性材料と解釈され得る成分が微量に添加される場合は、本明細書における「導電性材料を実質的に含有しない」の概念に包含される。例えば、上記混合粉体の総重量(100wt%)に対する導電性材料の含有量が5wt%以下(好ましくは1wt%以下、より好ましくは0.1wt%以下、さらに好ましくは0.01wt%以下、特に好ましくは0.001wt%以下)である場合、焼成後の支持体の絶縁性を確保できるため、「導電性材料を実質的に含有しない」ということができる。 Further, as described above, the support forming material disclosed herein does not substantially contain a conductive material having electron conductivity in order to ensure the insulating property of the support after firing. As an example of such a conductive material, nickel (Ni), copper (Cu), gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), cobalt (Co), lanthanum (La), strontium ( Sr), titanium (Ti) and the like can be mentioned. The term "substantially free of conductive material" as used herein means that the conductive material is not added with the intention of imparting conductivity to the support after firing. Therefore, when a small amount of a component that can be interpreted as a conductive material is added on the premise that the insulating property of the support after firing is ensured, "substantially contains no conductive material" in the present specification. Included in the concept. For example, the content of the conductive material with respect to the total weight (100 wt%) of the mixed powder is 5 wt% or less (preferably 1 wt% or less, more preferably 0.1 wt% or less, still more preferably 0.01 wt% or less, particularly When it is preferably 0.001 wt% or less), it can be said that "substantially no conductive material is contained" because the insulating property of the support after firing can be ensured.

<SOFCの製造>
次に、上述の支持体形成材料を用いたSOFCの製造について説明する。本実施形態における製造方法は、グリーンシート作製工程と、グリーンシート積層工程と、焼成工程を包含する。かかる製造方法では、絶縁性支持体、燃料極、固体電解質層、空気極の各層のグリーンシートを同時に焼成する、いわゆる共焼成を実施する。以下、各工程について説明する。
<Manufacturing of SOFC>
Next, the production of SOFC using the above-mentioned support forming material will be described. The manufacturing method in the present embodiment includes a green sheet manufacturing step, a green sheet laminating step, and a firing step. In such a manufacturing method, so-called co-firing is performed, in which the green sheets of the insulating support, the fuel electrode, the solid electrolyte layer, and the air electrode are simultaneously fired. Hereinafter, each step will be described.

1.グリーンシート作製工程
本工程では、SOFCを構成する各層(絶縁性支持体、燃料極、固体電解質層、空気極)のグリーンシートを作製する。ここでは、まず、上述した支持体形成材料を所定の分散媒(例えば、水)に分散させたスラリーを調製する。かかるスラリーの調製は、例えば、支持体形成材料と分散媒を任意の撹拌・混合装置に投入し、撹拌混合することによって行われる。かかる撹拌混合には、ボールミル、ミキサー、ディスパー、ニーダ等の従来公知の種々の装置を用いることができる。なお、かかるスラリーの調製において、潤滑剤や離型剤等の添加剤を添加してもよい。これによって、グリーンシートを容易に成形できる。なお、潤滑剤や離型剤には、グリーンシートの成形に用いられ得る材料を特に制限なく使用でき、本発明を限定するものでないため詳細な説明は省略する。
1. 1. Green sheet manufacturing process In this step, green sheets for each layer (insulating support, fuel electrode, solid electrolyte layer, air electrode) that make up SOFC are produced. Here, first, a slurry in which the above-mentioned support forming material is dispersed in a predetermined dispersion medium (for example, water) is prepared. Such a slurry is prepared, for example, by putting the support forming material and the dispersion medium into an arbitrary stirring / mixing device and stirring and mixing them. Various conventionally known devices such as a ball mill, a mixer, a dispenser, and a kneader can be used for such stirring and mixing. In preparing such a slurry, additives such as a lubricant and a mold release agent may be added. As a result, the green sheet can be easily molded. As the lubricant and the mold release agent, materials that can be used for molding the green sheet can be used without particular limitation, and the present invention is not limited, so detailed description thereof will be omitted.

本工程では、次に、調製したスラリーを成形して、所望の形状のグリーンシート(絶縁性支持体用のグリーンシート)を作製する。グリーンシートを成形する手段は、特に限定されず、真空押出成形等の従来公知の手段を採用できる。そして、成形後のグリーンシートは、ここに開示される支持体形成材料を固形物として含有する。具体的には、成形後のグリーンシートは、平均粒径が1μm以上4μm以下の粗粒ジルコニア粉体、および平均粒径が0.1μm以上0.5μm以下の微粒ジルコニア粉体を少なくとも含む混合粉体と、遷移金属酸化物の粒子を含む焼結助剤とを固形分として含有する。そして、当該グリーンシートでは、混合粉体の総重量を100wt%としたときの微粒ジルコニア粉体の重量が20wt%以上80wt%以下であり、混合粉体の総重量を100wt%としたときの焼結助剤の含有量が0.1wt%以上1.2wt%以下である。 In this step, next, the prepared slurry is molded to prepare a green sheet (green sheet for an insulating support) having a desired shape. The means for molding the green sheet is not particularly limited, and conventionally known means such as vacuum extrusion molding can be adopted. The molded green sheet contains the support forming material disclosed herein as a solid substance. Specifically, the molded green sheet is a mixed powder containing at least coarse-grained zirconia powder having an average particle size of 1 μm or more and 4 μm or less, and fine-grained zirconia powder having an average particle size of 0.1 μm or more and 0.5 μm or less. It contains the body and a sintering aid containing particles of transition metal oxide as a solid content. In the green sheet, the weight of the fine zirconia powder is 20 wt% or more and 80 wt% or less when the total weight of the mixed powder is 100 wt%, and the baking is performed when the total weight of the mixed powder is 100 wt%. The content of the aid is 0.1 wt% or more and 1.2 wt% or less.

2.グリーンシート積層工程
本工程では、上述した支持体形成用のグリーンシートを含む各層のグリーンシートを積層させる。具体的には、本工程では、絶縁性支持体、燃料極、固体電解質層、空気極の各々のグリーンシートをこの順に積層させることによって、SOFCの前駆物質である積層体を作製する。なお、絶縁性支持体以外の層(燃料極、固体電解質層、空気極)のグリーンシートは、この種のSOFCの製造で用いられ得るものであれば特に限定されず、本発明を限定するものではないため詳細な説明を省略する。
2. Green sheet laminating step In this step, the green sheets of each layer including the above-mentioned green sheet for forming a support are laminated. Specifically, in this step, the green sheets of the insulating support, the fuel electrode, the solid electrolyte layer, and the air electrode are laminated in this order to prepare a laminate which is a precursor of SOFC. The green sheet of the layers (fuel electrode, solid electrolyte layer, air electrode) other than the insulating support is not particularly limited as long as it can be used in the production of this type of SOFC, and limits the present invention. Since it is not, a detailed explanation will be omitted.

3.焼成工程
本工程では、作製した積層体を焼成する共焼成を行う。これによって、各層のグリーンシートが同時に焼成されて、絶縁性支持体と燃料極と固体電解質層と空気極とを備えたSOFCが作製される。本工程における焼成温度は、例えば凡そ1200℃〜1500℃(例えば1400℃)とすることができる。また、焼成時間は、例えば凡そ1時間〜5時間とすることができる。
3. 3. Firing step In this step, co-firing is performed by calcining the produced laminate. As a result, the green sheets of each layer are fired at the same time to produce an SOFC having an insulating support, a fuel electrode, a solid electrolyte layer, and an air electrode. The firing temperature in this step can be, for example, approximately 1200 ° C to 1500 ° C (for example, 1400 ° C). The firing time can be, for example, about 1 hour to 5 hours.

上記したように、ここに開示される技術では、絶縁性支持体形成用のグリーンシートに、0.1wt%以上の焼結助剤が含まれている。これによって、絶縁性支持体形成用のグリーンシートの収縮開始温度が低下しているため、焼成初期における絶縁性支持体と他の層との収縮量の違いによってクラックが生じることを防止できる。さらに、ここに開示されるグリーンシートには、20wt%以上の微粒ジルコニア粉体を含む混合粉体が用いられている。これによって、グリーンシートの焼成収縮率が向上しているため、焼成中期以降の他の層との収縮量の違いによってクラックが生じることを防止できる。このため、ここに開示される技術によると、共焼成におけるクラックの発生を好適に防止できる。 As described above, in the technique disclosed herein, the green sheet for forming an insulating support contains 0.1 wt% or more of a sintering aid. As a result, since the shrinkage start temperature of the green sheet for forming the insulating support is lowered, it is possible to prevent cracks from occurring due to the difference in the amount of shrinkage between the insulating support and the other layer at the initial stage of firing. Further, in the green sheet disclosed herein, a mixed powder containing 20 wt% or more of fine zirconia powder is used. As a result, since the firing shrinkage rate of the green sheet is improved, it is possible to prevent cracks from occurring due to the difference in shrinkage amount from the other layers after the middle firing stage. Therefore, according to the technique disclosed herein, it is possible to suitably prevent the occurrence of cracks in co-firing.

そして、ここに開示される技術では、焼結助剤の含有量の上限が1.2wt%に規定されており、かつ、微粒ジルコニア粉体の含有量の上限が80wt%以下に規定されている。これによって、焼成後の絶縁性支持体の気孔率を維持することができるため、ガス透過性に優れた絶縁性支持体を形成できる。 In the technique disclosed herein, the upper limit of the content of the sintering aid is set to 1.2 wt%, and the upper limit of the content of the fine zirconia powder is set to 80 wt% or less. .. As a result, the porosity of the insulating support after firing can be maintained, so that an insulating support having excellent gas permeability can be formed.

4.SOFC
次に、ここに開示される支持体形成材料を用いて作製されたSOFCの一例を説明する。図1は、本実施形態に係るSOFCの層構成を模式的に示す図である。図1に示すように、本実施形態に係るSOFC10は、絶縁性支持体12、燃料極14、固体電解質層16、空気極18を備えている。
4. SOFC
Next, an example of SOFC produced by using the support forming material disclosed herein will be described. FIG. 1 is a diagram schematically showing a layer structure of SOFC according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the SOFC 10 according to the present embodiment includes an insulating support 12, a fuel electrode 14, a solid electrolyte layer 16, and an air electrode 18.

(1)絶縁性支持体
絶縁性支持体12は、ここに開示される支持体形成材料を用いて形成されている。すなわち、絶縁性支持体12は、導電性材料を実質的に含有しておらず、上述したジルコニア粉体に由来するジルコニア系成分(YSZ等)を主成分として含有している。そして、ここに開示されるSOFC10の絶縁性支持体12には、上記焼結助剤に由来する遷移金属酸化物が含まれている。そして、この絶縁性支持体12では、ジルコニア系成分と遷移金属酸化物との重量比率が、材料として使用した支持体形成材料における混合粒子と焼結助剤との比率と略同等になり得る。すなわち、ここに開示されるSOFC10の絶縁性支持体12は、ジルコニア系成分の総重量を100wt%としたときの遷移金属酸化物の合計重量が0.1wt%以上1.2wt%以下になり得る。
(1) Insulating Support The insulating support 12 is formed by using the support forming material disclosed herein. That is, the insulating support 12 does not substantially contain a conductive material, but contains a zirconia-based component (YSZ or the like) derived from the above-mentioned zirconia powder as a main component. The SOFC 10 insulating support 12 disclosed herein contains a transition metal oxide derived from the sintering aid. Then, in the insulating support 12, the weight ratio of the zirconia-based component and the transition metal oxide can be substantially equal to the ratio of the mixed particles and the sintering aid in the support forming material used as the material. That is, in the insulating support 12 of SOFC10 disclosed herein, the total weight of the transition metal oxide when the total weight of the zirconia-based components is 100 wt% can be 0.1 wt% or more and 1.2 wt% or less. ..

さらに、上記したように、ここに開示される支持体形成材料では、焼成後の絶縁性支持体12が好適な気孔率を維持できるように、微粒ジルコニア粉体と焼結助剤の含有量の上限が規定されている。このため、この絶縁性支持体12では、5%以上という好適な気孔率を有している。これによって、絶縁性支持体12の下面から供給された燃料ガスを燃料極14に好適に供給することができる。なお、絶縁性支持体12におけるガス透過性をより向上させるという観点から、当該絶縁性支持体12の気孔率は、7%以上であることが好ましく、10%以上であることがより好ましく、13%以上であることがさらに好ましい。また、上記気孔率の上限は、絶縁性支持体12の強度を所定以上(例えば29MPa以上)確保することができれば特に限定されず、90%以下であってもよく、80%以下であってもよく、70%以下であってもよく、60%以下であってもよい。 Further, as described above, in the support forming material disclosed herein, the content of the fine zirconia powder and the sintering aid is adjusted so that the insulating support 12 after firing can maintain a suitable porosity. There is an upper limit. Therefore, the insulating support 12 has a suitable porosity of 5% or more. As a result, the fuel gas supplied from the lower surface of the insulating support 12 can be suitably supplied to the fuel electrode 14. From the viewpoint of further improving the gas permeability of the insulating support 12, the porosity of the insulating support 12 is preferably 7% or more, more preferably 10% or more, and 13 It is more preferably% or more. The upper limit of the porosity is not particularly limited as long as the strength of the insulating support 12 can be secured at a predetermined level (for example, 29 MPa or more), and may be 90% or less, or 80% or less. It may be 70% or less, or 60% or less.

なお、燃料極14、固体電解質層16、空気極18の各々を適切に支持して電池形状を維持するという観点から、絶縁性支持体12の強度(JIS R 1601に準じた3点曲げ強度)は、上記の通りに29MPa以上であれば適当であり、50MPa以上が好ましく、100MPa以上がより好ましく、120MPa以上がさらに好ましく、130MPa以上が特に好ましい。ここで、焼結助剤が溶融固化した遷移金属酸化物は、絶縁性支持体12の内部においてジルコニア系成分の隙間を満たすように存在するため、絶縁性支持体12の多孔質構造の強度向上にも貢献できる。このため、支持体形成材料中の焼結助剤の含有量を増加させることによって、上述の強度を有する絶縁性支持体12を容易に形成することもできる。 The strength of the insulating support 12 (three-point bending strength according to JIS R 1601) from the viewpoint of appropriately supporting each of the fuel electrode 14, the solid electrolyte layer 16, and the air electrode 18 to maintain the battery shape. As described above, 29 MPa or more is suitable, 50 MPa or more is preferable, 100 MPa or more is more preferable, 120 MPa or more is further preferable, and 130 MPa or more is particularly preferable. Here, since the transition metal oxide obtained by melting and solidifying the sintering aid exists inside the insulating support 12 so as to fill the gaps between the zirconia-based components, the strength of the porous structure of the insulating support 12 is improved. Can also contribute to. Therefore, by increasing the content of the sintering aid in the support forming material, the insulating support 12 having the above-mentioned strength can be easily formed.

(2)燃料極
燃料極14は、絶縁性支持体12の上に形成されている。この燃料極14は、例えば、導電性材料(触媒活性を有する材料)を含有する多孔質体である。燃料極14は、絶縁性支持体12と同様に、下面から上面まで連なる多数の連通細孔を有している。これによって、燃料極14の全域に燃料ガスを供給できる。なお、燃料極14の気孔率は、5〜20%の範囲内、例えば15%程度であることが好ましい。また、特に限定はされないが、燃料極14に使用され得る導電性材料としては、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、金(Au)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、コバルト(Co)、ランタン(La)、ストロンチウム(Sr)、チタン(Ti)等の金属、若しくはこれらの金属酸化物が挙げられる。かかる材料は、1種を単独で、または2種以上を適宜組み合せて用いることができる。なかでもニッケルは、他の金属に比べて安価であり、且つ高い反応活性を示す(燃料ガスとの反応性が十分に大きい)ことから特に好適である。また、燃料極14は、上記絶縁性支持体12と同種のジルコニア系酸化物(例えばYSZ)を含んでいてもよい。この場合、導電性材料とジルコニア系酸化物との混合割合は、例えば質量比で3:7〜7:3の範囲内、例えば、6:4程度であると好ましい。
(2) Fuel pole The fuel pole 14 is formed on the insulating support 12. The fuel electrode 14 is, for example, a porous body containing a conductive material (material having catalytic activity). Like the insulating support 12, the fuel electrode 14 has a large number of communicating pores extending from the lower surface to the upper surface. As a result, the fuel gas can be supplied to the entire area of the fuel electrode 14. The porosity of the fuel electrode 14 is preferably in the range of 5 to 20%, for example, about 15%. Although not particularly limited, the conductive materials that can be used for the fuel electrode 14 include nickel (Ni), copper (Cu), gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), and ruthenium (Ru). , Cobalt (Co), Lantern (La), Strontium (Sr), Titanium (Ti) and other metals, or metal oxides thereof. Such materials may be used alone or in combination of two or more. Among them, nickel is particularly suitable because it is cheaper than other metals and exhibits high reactive activity (sufficiently high reactivity with fuel gas). Further, the fuel electrode 14 may contain a zirconia-based oxide (for example, YSZ) of the same type as the insulating support 12. In this case, the mixing ratio of the conductive material and the zirconia-based oxide is preferably in the range of, for example, 3: 7 to 7: 3, for example, about 6: 4 in terms of mass ratio.

(3)固体電解質層
固体電解質層16は、燃料極14の上に形成されている。この固体電解質層16は、イオン伝導性を有する固体電解質を含む緻密層である。当該固体電解質としては、上述した絶縁性支持体12と同種のジルコニア系酸化物(例えばYSZ)等を使用できる。固体電解質層16の厚さは、例えば1以上μm10以下μmであると好ましく、例えば3μm程度である。なお、固体電解質層16の相対密度は、例えば、95〜100(%)程度である。
(3) Solid Electrolyte Layer The solid electrolyte layer 16 is formed on the fuel electrode 14. The solid electrolyte layer 16 is a dense layer containing a solid electrolyte having ionic conductivity. As the solid electrolyte, a zirconia-based oxide (for example, YSZ) of the same type as the above-mentioned insulating support 12 can be used. The thickness of the solid electrolyte layer 16 is preferably, for example, 1 or more μm and 10 or less μm, and is, for example, about 3 μm. The relative density of the solid electrolyte layer 16 is, for example, about 95 to 100 (%).

(4)空気極
空気極18は、固体電解質層16の上に形成されている。この空気極18は、例えば(La,Sr)CoO(例えば、La0.6Sr0.4CoO;以下、適宜LSCという)や、(La,Sr)(Co,Fe)O(例えば、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8;以下、適宜LSCFという)等のLa,Sr,Coを含むペロブスカイト型酸化物から構成されている。これらLSCおよびLSCFは、A,B両サイトの置換割合を種々定め得るもので、所望するイオン伝導性や還元膨張率等に応じて適宜の置換割合のものを用いることができる。また、空気極18は、絶縁性支持体12や燃料極14と同様に、多孔体であり、上面から下面まで連なる多数の連通細孔を有している。これによって、空気(酸素)を空気極18の全域に分散・供給することができる。
(4) Air pole The air pole 18 is formed on the solid electrolyte layer 16. The air electrode 18 includes, for example, (La, Sr) CoO 3 (for example, La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 ; hereinafter appropriately referred to as LSC) or (La, Sr) (Co, Fe) O 3 (for example). , La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 ; hereinafter, as appropriate, LSCF) and the like, it is composed of a perovskite-type oxide containing La, Sr, Co. As these LSC and LSCF, the substitution ratios of both A and B sites can be variously determined, and those having an appropriate substitution ratio can be used according to the desired ionic conductivity, reduction expansion coefficient and the like. Further, the air electrode 18 is a porous body like the insulating support 12 and the fuel electrode 14, and has a large number of communicating pores extending from the upper surface to the lower surface. As a result, air (oxygen) can be dispersed and supplied over the entire air electrode 18.

上記した通り、本実施形態に係るSOFC10の絶縁性支持体12は、クラック発生防止のための対策が採られているにもかかわらず、5%以上の気孔率が維持されているため、十分なガス透過性を発揮できる。 As described above, the insulating support 12 of the SOFC 10 according to the present embodiment is sufficient because the porosity of 5% or more is maintained even though measures for preventing the occurrence of cracks are taken. Can exhibit gas permeability.

[試験例]
以下、本発明に関するいくつかの試験例を説明するが、本発明をかかる試験例に示すものに限定することを意図したものではない。
[Test example]
Hereinafter, some test examples relating to the present invention will be described, but the present invention is not intended to be limited to those shown in such test examples.

A.第1の試験
本試験では、組成の異なる4種類の支持体形成材料(サンプル1〜4)を準備し、各々の支持体形成材料を用いてグリーンシートを作製した。そして、当該グリーンシートの焼成中にクラックが発生するか否かを評価した。
A. First test In this test, four types of support forming materials (samples 1 to 4) having different compositions were prepared, and a green sheet was prepared using each of the support forming materials. Then, it was evaluated whether or not cracks were generated during the firing of the green sheet.

1.サンプルの作製
(1)サンプル1
粗粒ジルコニア粉体(平均粒径1.5μmの8YSZ)と、微粒ジルコニア粉体(平均粒径が0.25μmの8YSZ)とを含む混合粉体と、焼結助剤(平均粒径1.69μmのMn)と、気孔形成材(アクリル系微粒子)と、メチルセルロース系バインダとを双腕ニーダで混合して支持体形成材料を調製した。粗粒ジルコニア粉体と微粒ジルコニア粉体と焼結助剤の含有量を表1に示す。なお、気孔形成材は、粗粒ジルコニア粉体100wt%に対して9wt%添加した。また、バインダは、粗粒ジルコニア粉体100wt%に対して7wt%添加した。
1. 1. Preparation of sample (1) Sample 1
A mixed powder containing coarse zirconia powder (8YSZ having an average particle size of 1.5 μm) and fine zirconia powder (8YSZ having an average particle size of 0.25 μm), and a sintering aid (average particle size 1. A support forming material was prepared by mixing 69 μm Mn 3 O 4 ), a pore-forming material (acrylic fine particles), and a methyl cellulose-based binder with a double-arm kneader. Table 1 shows the contents of the coarse zirconia powder, the fine zirconia powder, and the sintering aid. The pore-forming material was added in an amount of 9 wt% with respect to 100 wt% of the coarse-grained zirconia powder. Further, 7 wt% of the binder was added to 100 wt% of the coarse zirconia powder.

(2)サンプル2〜4
焼結助剤に関する条件を変更した点を除いてサンプル1と同じ条件で支持体形成材料を作製した。具体的には、サンプル2では、焼結助剤としてNiOを使用した。また、サンプル3では、焼結助剤としてMgOを使用した。そして、サンプル4では、焼結助剤を添加しない支持体形成材料を作製した。
(2) Samples 2-4
A support forming material was prepared under the same conditions as in Sample 1 except that the conditions regarding the sintering aid were changed. Specifically, in Sample 2, NiO was used as the sintering aid. Further, in Sample 3, MgO was used as a sintering aid. Then, in Sample 4, a support forming material to which no sintering aid was added was prepared.

2.評価試験
(1)絶縁性支持体の作製
評価試験では、まず、各サンプルの支持体形成材料を用いて絶縁性支持体を作製した。具体的には、上述した支持体形成材料に適量の分散媒(水)を添加し、ニーダ(回転数:25rpm)で25分間混練することによってグリーンシート成形用のスラリーを調製した。次に、調製したスラリーを真空押出成形機を用いて円板状に押出成形した。そして、熱風乾燥機(110℃)で10時間乾燥することによって、絶縁性支持体用のグリーンシートを作製した。
2. Evaluation Test (1) Preparation of Insulating Support In the evaluation test, first, an insulating support was prepared using the support forming material of each sample. Specifically, an appropriate amount of dispersion medium (water) was added to the above-mentioned support forming material and kneaded with a kneader (rotation speed: 25 rpm) for 25 minutes to prepare a slurry for forming a green sheet. Next, the prepared slurry was extruded into a disk shape using a vacuum extrusion molding machine. Then, it was dried in a hot air dryer (110 ° C.) for 10 hours to prepare a green sheet for an insulating support.

そして、当該支持体用のグリーンシートの表面に、燃料極用ペースト(主成分:NiO)と、固体電解質層用ペースト(主成分:YSZ)を順次印刷した後、焼成温度1400℃に設定した電気炉内で2時間保持することによって焼成し、評価試験用のSOFCのハーフセルを得た。図2に示すように、かかるハーフセル100は、円板状の絶縁性支持体120の上面に、一対の燃料極140が間隔を空けて形成されている。そして、当該一対の燃料極140を跨ぐように固体電解質層160が形成されている。 Then, a paste for the fuel electrode (main component: NiO) and a paste for the solid electrolyte layer (main component: YSZ) are sequentially printed on the surface of the green sheet for the support, and then the firing temperature is set to 1400 ° C. It was calcined by holding it in a furnace for 2 hours to obtain a SOFC half cell for evaluation test. As shown in FIG. 2, in the half cell 100, a pair of fuel poles 140 are formed at intervals on the upper surface of the disc-shaped insulating support 120. Then, the solid electrolyte layer 160 is formed so as to straddle the pair of fuel poles 140.

(2)表面観察
上記ハーフセル100の燃料極140と固体電解質層160との境界をレーザー顕微鏡(倍率:400倍)で観察し、当該境界にクラックが発生して絶縁性支持体120が露出しているか否かを調べた。評価結果を表1に示すと共に、サンプル1、4のレーザー顕微鏡写真を図3、4に示す。
(2) Surface Observation The boundary between the fuel electrode 140 and the solid electrolyte layer 160 of the half cell 100 was observed with a laser microscope (magnification: 400 times), and a crack was generated at the boundary to expose the insulating support 120. I checked whether it was. The evaluation results are shown in Table 1, and the laser micrographs of Samples 1 and 4 are shown in FIGS. 3 and 4.

表1および図3に示すとおり、サンプル1では、絶縁性支持体120が露出しておらず、燃料極140と固体電解質層160との境界におけるクラックが抑制されていた。また、サンプル2についても同様の結果が得られた。一方、表1および図4に示すように、サンプル4ではクラックが発生し、絶縁性支持体120が露出していた。このことから、支持体形成材料に焼結助剤を添加することによって、共焼成におけるクラックの発生を抑制できることが分かった。さらに、サンプル3では、金属酸化物(MgO)を添加しているにもかかわらず、サンプル4と同様のクラックが発生していた。このことから、焼結助剤には、遷移金属酸化物を使用する必要があることが分かった。 As shown in Table 1 and FIG. 3, in Sample 1, the insulating support 120 was not exposed, and cracks at the boundary between the fuel electrode 140 and the solid electrolyte layer 160 were suppressed. Similar results were also obtained for Sample 2. On the other hand, as shown in Table 1 and FIG. 4, cracks were generated in the sample 4 and the insulating support 120 was exposed. From this, it was found that the occurrence of cracks in co-firing can be suppressed by adding the sintering aid to the support forming material. Further, in sample 3, cracks similar to those in sample 4 were generated even though the metal oxide (MgO) was added. From this, it was found that it is necessary to use a transition metal oxide as the sintering aid.

B.第2の試験
本試験では、微粒ジルコニア粉体や焼結助剤の含有量を異ならせた13種類の支持体形成材料(サンプル5〜17)を作製し、クラックの防止と気孔率の維持を両立できる条件について調べた。
B. Second test In this test, 13 types of support-forming materials (samples 5 to 17) with different contents of fine zirconia powder and sintering aid were prepared to prevent cracks and maintain porosity. We investigated the conditions that are compatible.

1.サンプルの作製
粗粒ジルコニア粉体(平均粒径1.5μmの8YSZ)と、微粒ジルコニア粉体(平均粒径が0.25μmの8YSZ)とを含む混合粉体と、焼結助剤(平均粒径1.69μmのMn)と、メチルセルロース系バインダとを双腕ニーダで混合して支持体形成材料を調製した。このとき、混合粉体(100wt%)に対する微粒ジルコニア粉体の含有量を0wt%〜100wt%の範囲内で異ならせると共に、焼結助剤の含有量を0wt%〜5wt%の範囲内で異ならせることによって、13種類の支持体形成材料(サンプル5〜17)を作製した。各サンプルの組成を表2に示す。なお、他の条件は、上記第1の試験のサンプル1と同じ条件に設定した。
1. 1. Preparation of sample A mixed powder containing coarse zirconia powder (8YSZ with an average particle size of 1.5 μm) and fine zirconia powder (8YSZ with an average particle size of 0.25 μm), and a sintering aid (average grain size). and Mn 3 O 4) of diameter 1.69Myuemu, was prepared by mixing with the support forming material and a cellulose based binder in a double-arm kneader. At this time, if the content of the fine zirconia powder with respect to the mixed powder (100 wt%) is different in the range of 0 wt% to 100 wt% and the content of the sintering aid is different in the range of 0 wt% to 5 wt%. 13 kinds of support forming materials (samples 5 to 17) were prepared by making the material. The composition of each sample is shown in Table 2. The other conditions were set to the same conditions as in sample 1 of the first test.

2.評価試験
上記第1の試験と同様の条件でSOFCのハーフセル100を作製し、レーザー顕微鏡を用いてクラックの発生の有無を調べた。結果を表2に示す。
加えて、本試験では、SEMを用いて絶縁性支持体の表面を観察した。サンプル6の表面SEM観察画像を図5に示し、サンプル10の表面SEM観察画像を図6に示し、サンプル14の表面SEM観察画像を図7に示す。
2. Evaluation test An SOFC half cell 100 was prepared under the same conditions as in the first test, and the presence or absence of cracks was examined using a laser microscope. The results are shown in Table 2.
In addition, in this test, the surface of the insulating support was observed using SEM. The surface SEM observation image of the sample 6 is shown in FIG. 5, the surface SEM observation image of the sample 10 is shown in FIG. 6, and the surface SEM observation image of the sample 14 is shown in FIG.

さらに、本試験では、各サンプルの絶縁性支持体に対して、アルキメデス法に基づいた気孔率測定を行った。具体的には、まず、各サンプルの絶縁性支持体の乾燥重量Wairを測定した。次に、各サンプルを蒸留水に浸けた後に真空ポンプ付きのデシケータ内に入れ、45分真空引きを行い、絶縁性支持体の水中重量Waqと含水重量WA+wを測定した。そして、下記の式(1)に基づいて気孔率(P)を算出した。そして、気孔率が5%以上の場合を「可」と評価し、5%未満の場合を「不可」と評価した。結果を表2に示す。
P=(WA+w−WAir)/(WA+w−Waq) (1)
Furthermore, in this test, the porosity was measured for the insulating support of each sample based on the Archimedes method. Specifically, first, the dry weight was measured W air of insulating support of each sample. Next, after immersing each sample in distilled water, the sample was placed in a desiccator equipped with a vacuum pump and evacuated for 45 minutes to measure the underwater weight W aq and the water content weight WA + w of the insulating support. Then, the porosity (P) was calculated based on the following formula (1). Then, when the porosity was 5% or more, it was evaluated as "possible", and when it was less than 5%, it was evaluated as "impossible". The results are shown in Table 2.
P = (WA + w- W Air ) / (WA + w- W aq ) (1)

表2に示すとおり、サンプル9、14を除く各サンプルにおいて、共焼成におけるクラックの発生が防止されていた。このことから、焼結助剤の含有量を0.1wt%以上、微粒ジルコニア粉体の含有量を20wt%以上とすることによって、共焼成におけるクラックの発生を防止できることが分かった。一方、気孔率の測定結果より、1.5wt%以上の焼結助剤を含むサンプル5、8、15〜17や、微粒ジルコニア粉体の含有量が100wt%のサンプル10では、気孔率の顕著な低下が確認された。このことから、焼成後の絶縁性支持体の気孔率を好適な状態に維持するには、焼結助剤の含有量の上限を1.2wt%以下、微粒ジルコニア粉体の含有量の上限を80wt%以下に規定する必要があることが分かった。 As shown in Table 2, in each sample except samples 9 and 14, cracks were prevented from occurring during co-firing. From this, it was found that the occurrence of cracks in co-firing can be prevented by setting the content of the sintering aid to 0.1 wt% or more and the content of the fine zirconia powder to 20 wt% or more. On the other hand, from the measurement results of the porosity, the porosity is remarkable in the samples 5, 8, 15 to 17 containing the sintering aid of 1.5 wt% or more and the sample 10 in which the content of the fine zirconia powder is 100 wt%. A significant decrease was confirmed. From this, in order to maintain the porosity of the insulating support after firing in a suitable state, the upper limit of the content of the sintering aid should be 1.2 wt% or less, and the upper limit of the content of the fine zirconia powder should be set. It turned out that it is necessary to specify 80 wt% or less.

また、各サンプルの表面SEM観察画像より、微粒ジルコニア粉体のみを使用したサンプル10(図6参照)では表面が滑らかな絶縁性支持体が形成され、粗粒ジルコニア粉体のみを使用したサンプル14(図7参照)では表面に波状の凹凸を複数有する絶縁性支持体が形成されていた。そして、微粒ジルコニア粉体と粗粒ジルコニア粉体を含む混合粉体を使用したサンプル6(図5参照)では、波状の凹凸がサンプル14よりも少ない絶縁性支持体が形成されていた。 Further, from the surface SEM observation image of each sample, in the sample 10 (see FIG. 6) using only the fine zirconia powder, an insulating support having a smooth surface was formed, and the sample 14 using only the coarse zirconia powder was formed. In (see FIG. 7), an insulating support having a plurality of wavy irregularities was formed on the surface. In sample 6 (see FIG. 5) using the mixed powder containing the fine zirconia powder and the coarse zirconia powder, an insulating support having less wavy irregularities than the sample 14 was formed.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of claims. The techniques described in the claims include various modifications and modifications of the specific examples illustrated above.

10 SOFC
12、120 絶縁性支持体
14、140 燃料極
16、160 固体電解質層
18 空気極
100 ハーフセル
10 SOFC
12, 120 Insulating support 14, 140 Fuel pole 16, 160 Solid electrolyte layer 18 Air pole 100 Half cell

Claims (4)

固体酸化物形燃料電池の燃料極を支持する絶縁性支持体を形成するための支持体形成材料であって、
平均粒径が1μm以上4μm以下の粗粒ジルコニア粉体、および平均粒径が0.1μm以上0.5μm以下の微粒ジルコニア粉体を少なくとも含む混合粉体と、
遷移金属酸化物の粒子を含む焼結助剤と
を含有し、
前記混合粉体の総重量を100wt%としたときの前記微粒ジルコニア粉体の重量が20wt%以上80wt%以下であり、
前記混合粉体の総重量を100wt%としたときの前記焼結助剤の含有量が0.1wt%以上1.2wt%以下である、固体酸化物形燃料電池の支持体形成用材料。
A support forming material for forming an insulating support that supports the fuel electrode of a solid oxide fuel cell.
A mixed powder containing at least a coarse zirconia powder having an average particle size of 1 μm or more and 4 μm or less and a fine zirconia powder having an average particle size of 0.1 μm or more and 0.5 μm or less.
Contains a sintering aid containing particles of transition metal oxides,
When the total weight of the mixed powder is 100 wt%, the weight of the fine zirconia powder is 20 wt% or more and 80 wt% or less.
A material for forming a support for a solid oxide fuel cell, wherein the content of the sintering aid is 0.1 wt% or more and 1.2 wt% or less when the total weight of the mixed powder is 100 wt%.
前記焼結助剤の平均粒径が0.02μm以上30μm以下である、請求項1に記載の支持体形成用材料。 The material for forming a support according to claim 1, wherein the average particle size of the sintering aid is 0.02 μm or more and 30 μm or less. 前記焼結助剤は、Mn、NiO、CuO、Fe、ZnO、CoOからなる群から選択された1種以上の粒子を含む、請求項1または2に記載の支持体形成用材料。 The support forming according to claim 1 or 2, wherein the sintering aid contains one or more particles selected from the group consisting of Mn 3 O 4 , NiO, CuO, Fe 2 O 3 , ZnO, and CoO. Material for. 燃料ガスを透過させる多孔体であり、ジルコニア系成分を含有する絶縁性支持体と、
前記絶縁性支持体上に形成された燃料極と、
前記燃料極上に形成された固体電解質層と、
前記固体電解質層上に形成された空気極と
を備えた固体酸化物形燃料電池であって、
前記絶縁性支持体は、遷移金属酸化物を含有し、前記ジルコニア系成分の総重量を100wt%としたときの前記遷移金属酸化物の合計重量が0.1wt%以上1.2wt%以下であり、かつ、気孔率が5%以上である、固体酸化物形燃料電池。
An insulating support that is a porous body that allows fuel gas to permeate and contains zirconia-based components,
With the fuel electrode formed on the insulating support,
The solid electrolyte layer formed on the fuel electrode and
A solid oxide fuel cell provided with an air electrode formed on the solid electrolyte layer.
The insulating support contains a transition metal oxide, and the total weight of the transition metal oxide is 0.1 wt% or more and 1.2 wt% or less when the total weight of the zirconia-based components is 100 wt%. A solid oxide fuel cell having a pore ratio of 5% or more.
JP2019068314A 2019-03-29 2019-03-29 Materials for Forming Substrates of Solid Oxide Fuel Cells and Their Applications Active JP7285117B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019068314A JP7285117B2 (en) 2019-03-29 2019-03-29 Materials for Forming Substrates of Solid Oxide Fuel Cells and Their Applications

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019068314A JP7285117B2 (en) 2019-03-29 2019-03-29 Materials for Forming Substrates of Solid Oxide Fuel Cells and Their Applications

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2020167092A true JP2020167092A (en) 2020-10-08
JP7285117B2 JP7285117B2 (en) 2023-06-01

Family

ID=72716487

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019068314A Active JP7285117B2 (en) 2019-03-29 2019-03-29 Materials for Forming Substrates of Solid Oxide Fuel Cells and Their Applications

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7285117B2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020167091A (en) * 2019-03-29 2020-10-08 株式会社ノリタケカンパニーリミテド Material for formation of support body of solid oxide fuel cell, and utilization thereof
WO2022070576A1 (en) 2020-10-01 2022-04-07 アサヒグループホールディングス株式会社 Liquid supply system

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010073521A (en) * 2008-09-19 2010-04-02 Tokyo Gas Co Ltd Horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack and its manufacturing method
JP2012512521A (en) * 2008-12-17 2012-05-31 サン−ゴバン セラミックス アンド プラスティクス,インコーポレイティド Co-doped YSZ electrolyte for solid oxide fuel cell stack
JP2016504175A (en) * 2012-11-08 2016-02-12 サン−ゴバン サントル ドゥ ルシェルシェ エ デトゥードゥ ユーロペン Porous support layer

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6128524B2 (en) 2013-08-26 2017-05-17 日本特殊陶業株式会社 Solid oxide fuel cell and method for producing the same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010073521A (en) * 2008-09-19 2010-04-02 Tokyo Gas Co Ltd Horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack and its manufacturing method
JP2012512521A (en) * 2008-12-17 2012-05-31 サン−ゴバン セラミックス アンド プラスティクス,インコーポレイティド Co-doped YSZ electrolyte for solid oxide fuel cell stack
JP2016504175A (en) * 2012-11-08 2016-02-12 サン−ゴバン サントル ドゥ ルシェルシェ エ デトゥードゥ ユーロペン Porous support layer

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020167091A (en) * 2019-03-29 2020-10-08 株式会社ノリタケカンパニーリミテド Material for formation of support body of solid oxide fuel cell, and utilization thereof
JP7274912B2 (en) 2019-03-29 2023-05-17 株式会社ノリタケカンパニーリミテド Materials for Forming Substrates of Solid Oxide Fuel Cells and Their Applications
WO2022070576A1 (en) 2020-10-01 2022-04-07 アサヒグループホールディングス株式会社 Liquid supply system

Also Published As

Publication number Publication date
JP7285117B2 (en) 2023-06-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6601488B2 (en) Proton conductor, solid electrolyte layer for fuel cell, cell structure and fuel cell comprising the same
JP5469795B2 (en) Anode-supported solid oxide fuel cell using cermet electrolyte
JP5326061B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP2007529852A5 (en)
JP6121954B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP4928642B1 (en) Solid oxide fuel cell
KR20130123189A (en) Anode support for solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof, and solid oxide fuel cell including the anode support
JP6491936B2 (en) Solid oxide fuel cell manufacturing method, solid oxide fuel cell half-cell green sheet, and solid oxide fuel cell
JP2017076520A (en) Electrode material for solid oxide type fuel cell, and solid oxide type fuel cell arranged by use thereof
JP5281950B2 (en) Horizontally-striped fuel cell stack, manufacturing method thereof, and fuel cell
JP7285117B2 (en) Materials for Forming Substrates of Solid Oxide Fuel Cells and Their Applications
JP2011142042A (en) Power generation cell for solid oxide fuel battery and its manufacturing method
JP2007200664A (en) Method of manufacturing solid oxide fuel cell
JP5242840B1 (en) Fuel cell
JP5293382B2 (en) Fuel electrode for solid oxide fuel cell and method for producing the same
JP2014067562A (en) Solid oxide type fuel cell and power generating method using the same
JP2006059611A (en) Ceria based solid electrolyte fuel cell and its manufacturing method
JP7274912B2 (en) Materials for Forming Substrates of Solid Oxide Fuel Cells and Their Applications
JP2004362849A (en) Base plate for electrochemical cell and electrochemical cell
JP5655032B2 (en) Solid oxide fuel cell and cathode forming material of the fuel cell
JP6780287B2 (en) Solid electrolyte membrane and its manufacturing method and fuel cell
JP2015185246A (en) Anode support substrate and anode supported cell
JP5091433B2 (en) Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof
WO2010135416A1 (en) Ion conducting composite electrolyte for solid state electrochemical devices
JP7208764B2 (en) SOLID OXIDE FUEL CELL AND CURRENT COLLECTOR-FORMING MATERIAL

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220214

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20221013

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20221110

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230106

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20230502

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20230522

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7285117

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150