JP3917717B2 - Solid electrolyte type electrolytic cell and method for producing the same - Google Patents

Solid electrolyte type electrolytic cell and method for producing the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明は、発電性能に優れ、しかも安価な固体電解質型電解セルおよびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池の固体電解質型電解セルは、セラミック電解質層の両面に多孔質セラミック燃料極と多孔質セラミック空気極とが配置されている。多孔質燃料極を透過して電解質層に達したメタンガス等の燃料ガスが多孔質空気極を透過して電解質層に達した空気中の酸素ガスと反応する際に電気が発生し、この電気が燃料極と空気極から取り出される。
【0003】
固体電解質型電解セルは従来、セラミックグリーンシートを焼成して得たセラミック電解質層の両面に多孔質セラミック電極を印刷や蒸着することにより作製していた。
印刷法や蒸着法で多孔質電極を形成するのは高価につくので、両電極ともグリーンシートから形成する技術が開発された(特開平4−101360号公報、特開平5−144463号公報など)。この技術では、セラミック電解質層となる第1グリーンシートの両面に多孔質セラミック燃料極となる第2グリーンシートと多孔質セラミック空気極となる第3グリーンシートとを積層し、この積層体を焼成して固体電解質型電解セルを得ている。すなわち、この技術では、印刷によることなく、ただ1回の焼成のみで固体電解質型電解セルを得るようにしているため、エネルギーコストが少なくて済む。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
固体電解質型電解セルを用いた燃料電池においても発電性能の向上は重要な課題である。また、実用化するにあたっては、他の発電システムの発電コストに対して優位性をもつことが重要であり、そのためには製造コストの低減が重要な課題である。
【0005】
そこで、本発明の課題は、発電性能の高い固体電解質型電解セルを生産性良く安価に製造することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる固体電解質型電解セルの製造方法は、上記課題を解決するため、セラミック電解質層となる第1グリーンシートの一方の面に多孔質セラミック燃料極となる第2グリーンシートが、そして、他方の面に多孔質セラミック空気極となる第3グリーンシートがそれぞれ積層されてなる積層体を焼成して固体電解質型電解セルを得る方法において、前記第1グリーンシートを構成するセラミック粒子の50%粒度が0.1〜0.5μm、90%粒度が1μm以下であり、前記第2グリーンシートを構成するセラミック粒子の50%粒度が0.5〜10μm、90%粒度が1.5〜20μmであり、前記第3グリーンシートを構成するセラミック粒子の50%粒度が0.3〜10μm、90%粒度が1〜30μmであるとともに、前記第1グリーンシートの厚みを10〜300μm、前記積層体全体の厚みを100〜1000μmに調整しておいて、該積層体を、焼成済みのセラミックシートであって前記グリーンシートと固溶しない材質からなる厚み0.1〜2mmの中間シートを介して、多段に積み重ねて焼成する、ことを特徴とする。
【0007】
前記製造方法で得られた固体電解質型電解セルは、電解質層の厚みが5〜250μmであり、薄いので、発電効率が高い。固体電解質型電解セルは、セル全体の厚みが50〜8000μmであり、電解質層が薄い点を両電極の厚みで補い、機械的強度を高めている。燃料極と電解質層の間および空気極と電解質層の間にセラミック混合導電体層が配置されている場合には、これらの厚みも上記全体厚みに加えられる。上記製造方法によれば、生産性良く、安価に得られる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を説明する。本発明は以下の実施形態に限定されることはない。
本発明にかかる固体電解質型電解セルは、図1に見るように、電解質層1の両面に燃料極2と空気極3を配置したものであり、このような構成は、セラミック電解質層となる第1グリーンシートの両面に、多孔質セラミック燃料極となる第2グリーンシートと多孔質セラミック空気極となる第3グリーンシートとが積層されてなる積層体を作製し、この積層体を焼成すると得られる。このことは従来と同様であるが、本発明にかかる固体電解質型電解セルは、第1グリーンシートから得られた電解質層1の厚みtが5〜250μmであり、セル全体の厚みTが50〜800μmであることが特徴である。なお、電解質層の厚みtは、好ましくは20〜200μmであり、より好ましくは30〜100μmである。セル全体の厚みTは好ましくは150〜500μmである。
【0009】
上記固体電解質型電解セルにおいて、燃料極2、空気極3の熱膨張率が電解質層1の熱膨張率の±50%(1000℃)以内、好ましくは±30%(1000℃)以内であることが好ましい。固体電解質型電解セルは使用中、高温状態と低温状態を繰り返すため、電解質層1と電極2、3の間で剥離が起きやすい。各層1、2、3の熱膨張率にこのような配慮をしておくと、上記剥離を防ぐことが出来る。このような要件を満たす熱膨張係数の具体例としては、材質がNi0/8YSZ燃料極2の熱膨張係数は11.0×106 /℃、材質が8YSZ電解質1の熱膨張係数は10×106 /℃であり、材質がLa0.96Sr0.05MnO3 である場合の空気極3の熱膨張係数は11.7×106 /℃である。
【0010】
本発明にかかる固体電解質型電解セルの製造方法は、図2に見るようにグリーンシートの積層体を準備しておき、この積層体を図5に見るように多段に積み重ねて焼成することを特徴とする。さらには、図2に見るようなグリーンシートの積層体10を準備しておき、この積層体10を、図3に見るように、前記グリーンシートと固溶しない材質からなる中間シート(スペーサーとも言う。)20を介して多段に積み重ねて焼成することを特徴とする。図3中、番号30は匣鉢など支持台を表す。中間シート20は重しや覆いなどの目的で最上位置に置くことがあり、最下段の積層体20からのガス抜けを良くするなどの目的で最下位置に置くこともある。前記積層体10は、セラミック電解質層1となる第1グリーンシート11の両面に多孔質セラミック燃料極2となる第2グリーンシート12と多孔質セラミック空気極3となる第3グリーンシート13とが積層されてなるものであり、前記第1グリーンシートの厚みは10〜300μm、前記積層体全体の厚みは100〜1000μmに調整されている。
【0011】
中間シートがセラミックシートであり、そのセラミック粒子の粒径が燃料極および空気極を構成するセラミック粒子の粒径よりも大きいことが好ましい。中間シートの多孔質度合いが大きくなり、焼成の際のガス抜けが容易となり、焼成の効率化が達成できるからである。
中間シートについてより具体的に説明する。その材質は適宜選ばれるが、上述のようにセラミックが好ましい。緻密構造でも良いが、積層体10からの ガス抜けを良くする上では多孔質構造が良い。中間シートは、通常、グリーンシート以上の面積(好ましくは1.0〜1.5倍、より好ましくは1.0〜1.2倍)を有し、グリーンシート焼成のための加熱に伴う収縮が5%以下(より好ましくは0.1%以下)であり、理論密度に対して30〜85%(より好ましくは45〜65%)の嵩密度を有する多孔質シートであることが好ましい。中間シートは、グリーンシート焼成時の支持矯正用として使用し、その間にグリーンシート積層体の周縁がはみ出さないように挟み込む。そうすれば、多孔質シートの優れた表面矯正効果が有効に発揮されるとともに脱脂効果や分解ガスの放出もスムーズに行われる。
【0012】
中間シートとなる嵩密度を有する多孔質シートの素材や製法などは特に限定されず、セラミックスグリーンシートの製造原料として後に例示するのと同様の無機粉末とバインダーおよび溶媒を含むスラリーを用いてグリーンシートを得、これを好適な嵩密度範囲となるように焼成することにより得ることができる。このとき、無機粉末として平均粒子径2〜100μm、より好ましくは30〜80μmの粉末を使用すれば、前記の嵩密度範囲を得やすい。多孔質シートの嵩密度は、焼成条件によって調整できるほか、無機質微粉末の平均粒子径やバインダーの種類を変えたり、焼結助剤の添加量を変えたりすることによっても調整することが可能である。
【0013】
中間シートとして使用される多孔質シートは、上述のように、脱脂促進および分解ガスの放出促進と表面矯正作用を発揮するものであり、その好ましい厚みは0.1〜2mm、より好ましくは0.1〜1mm、好ましい重さは0.01〜1g/cm2 である。中間シートは薄過ぎるものでは強度不足によってハンドリング性が低下するとともに表面矯正効果も有効に発揮されにくくなり、また軽量に過ぎるものでは、重しとしての機能が有効に発揮されにくくなって反りやうねり防止効果が不十分となる。逆に厚過ぎて重くなったりそれ自身重過ぎるものを使用すると、グリーンシート焼成時にグリーンシート積層体と中間シートとの間の摩擦が大きくなってシート表面に傷が入り易く、さらにグリーンシートの収縮が均一に進行しにくくなり、歪みを生じたり亀裂を生じる恐れがでてくる。
【0014】
上記本発明の方法において、中間シート20は、各電極の材質と同一または近似した材質からなることが好ましい。また、図4に見るように、その両側各面20a、20bが燃料極2と空気極3の各材質にそれぞれ同一または近似した材質からなることも可能である。すなわち、一方の面20aが燃料極2の材質と同一または近似した材質からなり、他方の面20bが空気極3の材質と同一または近似した材質からなることである。このようになっておれば、積層体10・・・を前述のように多段に積み重ねる際に、積層体10と中間シート20を各段ごとにそらぞれ表裏反転させることにより、中間シート20の燃料極2と同一または近似した材質からなる面20aを燃料極グリーンシート12側に向け、空気極3と同一または近似した材質からなる面20bを空気極グリーンシート13側に向けるようにすることができる。中間シートとこれに接するグリーンシートとの間で材質が異なり過ぎると、異質の電極(不純物の混入)が出来やすいが、このようなことを避けることが出来るからである。
【0015】
固体電解質型電解セルを製造する際に、各グリーンシートを構成する粉体を1000℃以上、焼成温度(例えば1300℃)以下の温度で仮焼しておくことが好ましい。本焼成の際に電解質層となるグリーンシートと電極となるグリーンシートとの間での収縮差が小さくなり、層間での剥離が起きにくいからである。
本発明にかかる固体電解質型電解セルの製造方法が、前記積層体を得る工程をも備える場合、この工程では、各グリーンシートを所望の寸法に切り取ったのち積層するようにすることが好ましい。各層用のグリーンシートを重ねて切り取る方法もあるが、切断で生じたグリーンシート屑は3層の混合品であり、グリーンシート用原料に戻して再使用することが出来ない。これに対し、各層用グリーンシートごとに切り取ると、生じたグリーンシート屑は単品であり、再生することが出来るからである。
【0016】
グリーンシートの切り取り形状は、正方形、長方形、円形は勿論のこと、必要に応じて三角形、五角形等の多角形や楕円形などとすることもでき、さらには上記各形状内に穴や切欠き等のあるものなどであってもかまわない。
前記積層体を得る工程では、50torr以下の減圧下で積層を行うことが好ましい。積層体のプレス条件としては温度50℃以下、圧力50kgf/cm2 以下に設定することが好ましい。積層体を得る条件が穏やかであり、寸法安定性が高く、積層界面への空気の侵入が防げるからである。各層の厚みを薄くした場合には特に、空気の侵入を避ける必要がある。
【0017】
積層体の焼成温度、時間は、1300〜1500℃、2〜5時間程度である。なお、400℃までは0.1〜0.5℃/minで昇温し、400℃で十分脱バインダーした後、1300〜1500℃まで0.5〜5℃/minで昇温することが好ましい。
以下では、グリーンシートの製造につき詳しく説明する。
【0018】
電解質層の素材としては、ジルコニア、セリアを主体(好ましくは80重量%程度以上)とする粉末にY,Ce等の希土類元素;Ca,Mg等のアルカリ土類元素よりなる群から選択される少なくとも1種の金属酸化物を混合(好ましくは20重量%程度以下)して使用する。この原料粉末に必要に応じて、アルミナ、チタニア等を混合してもよい。燃料極の素材としては、ニッケル/イットリア安定化ジルコニア、酸化ニッケル/イットリア安定化ジルコニア等を挙げることができ、これらが1種または2種以上使用される。空気極の素材としては、LaMnO3 、LaNiO3 およびLaCoO3 等のランタン系のペロブカスカイト型複合酸化物を挙げることができ、これらが1種または2種以上使用される。
【0019】
電解質層を構成するセラミック粒子の50%粒度が0.1〜0.5μm、90%粒度が1μm以下であり、燃料極を構成するセラミック粒子の50%粒度が0.5〜10μm、90%粒度が1.5〜20μmであり、空気極3を構成するセラミック粒子の50%粒度が0.3〜10μm、90%粒度が1〜30μmであることが好ましい。電解質層1が緻密になり、他方、両電極が多孔質になって、発電効率が高くなるからである。
【0020】
上記構成において、図1に見るように、両電極グリーンシート2、3と電解質層グリーンシート1の間にセラミック混合導電体層グリーンシート4が配置されていることが好ましい。電解質層1で発生した電気の取り出しが好適に進むからである。この場合、混合導電体層グリーンシート4を構成するセラミック粒子の50%粒度が0.1〜5μm、90%粒度が1〜20μmであることが好ましい。
【0021】
上記の粒度(50%粒度:平均粒子径、90%粒度:90%体積粒子径)は、島津製作所(株)製レーザー回折式粒度分布測定装置SALD−1100によって測定した値である。
上述のセラミックス原料粉末をバインダーおよび溶媒と混合してスラリー化する。バインダーの種類には特別の制限がなく、従来用いられている有機質バインダーや無機質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、エチレン系共重合体、スチレン系共重合体、アクリレート系共重合体、メタ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、ビニルブチラール系樹脂、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、エチルセルロース等のセルロース類等が例示される。これらの中でも、グリーンシートの成形性や強度、焼成時の熱分解性等の点から、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、ブチルメタクリレート、イソブチルメタクリレート、オクチルメタクリレート、2−エチルヘキシルメタクリレート、デシルメタクリレート、ドデシルメタクリレート、ラウリルメタクリレート、シクロヘキシルメタクリレート等の炭素数20以下のアルキル基を有するアルキルメタクリレート類のほか、ジメチルアミノエチルアクリレート、ジメチルアミノエチルメタクリレート等のアミノアルキル(メタ)アクリレート類が好ましく用いられる。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。これらの数平均分子量としては、20,000〜200,000が好ましく、50,000〜100,000がより好ましい。無機質バインダーとしては、ジルコニアゾル、シリカゾル、アルミナゾル、チタニアゾル等が単独で若しくは2種以上を混合して使用することができる。
【0022】
本発明の方法においては、グリーンシートのバインダーとして、メタクリル酸エステルを主成分とし分子内に塩基性窒素原子を含有するメタクリル酸エステルを副成分とする共重合体を含むものであることが好ましい。この共重合体の好ましいガラス転移点は5℃以下であり、バインダーによる内部可塑性(タック性)付与が良好であって、しかもバインダーの熱分解性が良いからである。
【0023】
セラミックス原料粉末とバインダーの使用比率は、前者100重量部に対して後者5〜30重量部が好ましく、10〜20重量部がより好ましい。バインダーの使用量が不足する場合はグリーンシートの強度や柔軟性、接着性が不十分となり、多すぎる場合はスラリーの粘度調節が困難になるほか、焼成時にバインダー成分の分解放出が多くかつ激しくなり、均質なグリーンシートを得にくい。
【0024】
溶媒としては、水、メタノール、エタノール、2−プロパノール、1−ブタノール、1−ヘキサノール等のアルコール類、アセトン、2−ブタノン等のケトン類、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン等の脂肪炭化水素類、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン等の芳香族炭化水素類、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル等の酢酸エステル類等が挙げられる。これらは単独または併せて使用される。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考慮して調節するのがよい。特に限定はしないが、スラリー粘度は10〜100ポイズが好ましく、10〜50ポイズがより好ましい。
【0025】
スラリーの調製に当たっては、必要に応じ、セラミックス原料粉末の解膠や分散を促進するために、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸アンモニウム等の高分子電解質、クエン酸、酒石酸等の有機酸、イソブチレン、スチレンと無水マレイン酸の共重合体、これらのアンモニウム塩やアミン塩、ブタジエンと無水マレイン酸の共重合体やそのアンモニウム塩等からなる分散剤を添加するほか、グリーンシートに柔軟性、タック性を付与するために、フタル酸ジブチル、フタル酸ジオクチル等のフタル酸エステル類、プロピレングリコール等のグリコール類やグリコールエーテル類等の可塑剤を添加し、さらには、界面活性剤や消泡剤などを添加することができる。
【0026】
本発明の方法においては、電解質層以外のグリーンシートの少なくとも一つが、メラミンシアヌレートのような昇華性有機材料を含むものであることが好ましい。これらのグリーンシートは焼成により多孔質となることが必要なので、従来はフッ素樹脂やポリアミド樹脂などの有機粉末が添加されていた。有機粉末は、焼成時に発熱するため、固体電解質型電解セルに反りや歪みを生じさせやすい。これに対し、昇華性有機材料はこのような発熱を生じないからである。
【0027】
上述のようにして得たスラリーを、ドクタープレード法などによって平滑な基材上に所定の厚みで塗布し、乾燥して溶媒を揮発除去することによりグリーンシートを得る。乾燥温度、時間は特に限定しないが、60〜120℃、10〜60分間程度である。
【0028】
【実施例】
(実施例1)
第1グリーンシートの作製
イットリアを8モル%含有するジルコニア粉末をジェットミルを用いて粉砕し、50%粒度0.3μm、90%粒度0.7μmの粉末を得た。電解質としての熱膨張係数は10.1×106 /℃であった。
【0029】
この粉末100重量部に対し、バインダーとして、ジメチルアミノエチルメタクリレート5%、n−ブチルメタクリレート80%、2−エチルヘキシルアクリレート15%からなる共重合体(数平均分子量5万、ガラス転移温度2℃)を15重量部、可塑剤としてジブチルフタレート3重量部、トルエンと酢酸エチルとの混合溶剤50重量部を用い、ポールミルでスラリーを調製した。
【0030】
スラリーの粘度を20pに調整した後、ドクターブレード法により成形し、100℃で1時間乾燥して第1グリーンシートを得た。このグリーンシートの厚みは約50μmであった。
第2グリーンシートの作製
イットリアを8モル%含有するジルコニア粉末(50%粒度0.3μm、90%粒度0.7μm)30重量部、酸化ニッケル粉体(50%粒度1.6μm、90%粒度11μm)70重量部、メラミンシアヌレート(MC−410:日産化学工業(株)製)30重量部の混合粉体130重量部を用い、バインダーを20重量部、可塑剤を1重量部とした以外は、第1グリーンシートの作製と同様にして、第2グリーンシートを得た。このグリーンシートの厚みは約200μmであった。なお、上記混合粉体の50%粒度1.2μm、90%粒度8.0μmであり、電極としての熱膨張係数は11.0×106 /℃であった。
第3グリーンシートの作製
電極としての熱膨張係数は11.7×106 /℃で、組成がLa0.8 Sr0.2 MnO3 である粉末(50%粒度3μm、90%粒度8.5μm)100重量部を用い、第2グリーンシートと同様にして第3グターンシートを得た。このグリーンシートの厚みは約100μmであった。
中間シートの作製
第2グリーンシート、第3グリーンシートで用いた原料粉末を1100℃で焼成し、中間シート用の原料粉末を調製した。これらの粉末をそれぞれ第2グリーンシートと同様の方法でグリーンシートに成形した。さらにこれらのグリーンシートを切断し、1200℃で焼成して、10.8cm角、0.6mm厚の中間シートを得た。以後、第2グリーンシート組成の中間シートを中間シート▲2▼、第3グリーンシート組成の中間シートを中間シート▲3▼と記す。
【0031】
中間シート▲2▼の密度は理論密度の70%、中間シート▲3▼は50%であった。
積層体の作製
第1、第2および第3グリーンシートをそれぞれ10cm角に切断し、第3、第1、第2の順に重ねた。これを45℃に加温し、真空(30Torr)に減圧しながら、40kgf/cm2 で2分間加圧し、積層体を得た。
積層体の焼成
アルミナの棚板の上に、中間シート▲2▼を置き、その上に第2グリーンシート層が下に向くようにかつ周縁がはみ出さないように積層体を載せた。さらに中間シート▲3▼、第3グリーンシート層が下向きの積層体、中間シート▲2▼、第2グリーンシート層が下向きの積層体、中間シート▲3▼…のように、積層体を4枚重ねて置いた。また、最上部には中間シート▲2▼を載せた。このようにして積層体をセットした棚板を、支柱を介して5段、電気炉内に積み上げた。
【0032】
これらの積層体を、400℃まで0.3deg/minで、1000℃まで1deg/minで、1350℃まで0.6deg/minで昇温し、1350℃で2時間保持しながら室温まで冷却し、固体電解質型電解セルを得た。
(実施例2)
中間シートを用いずに積層体を4枚づつ重ねて焼成した以外は、実施例1と同様にして固体電解質型電解セルを得た。
【0033】
(実施例3)
第1グリーンシートの作製
イットリアを8モル%含有するジルコニア粉末を1000℃で2時間仮焼した後、ジェットミルを用いて粉砕し、50%粒度0.5μm、90%粒度0.9μmの粉末を得た。この粉末を用いた以外は、実施例1と同様にして厚み150μmのグリーンシートを得た。
第2グリーンシートの作製
実施例1で得た混合粉体を1000℃で1時間仮焼して、50%粒度3.2μm、90%粒度16μmの粉末を得た。この粉末を用いた以外は、実施例1と同様にして厚み150μmのグリーンシートを得た。
第3グリーンシートの作製
実施例1で用いた組成がLa0.8 Sr0.2 MnO3 である粉末を1000℃で1時間仮焼して、50%粒度5.6μm、90%粒度21μmの粉末を得た。この粉末を用いた以外は、実施例1と同様にして厚み50μmのグリーンシートを得た。
【0034】
これらのグリーンシートを用い、実施例1として同様にして、積層体を作製、焼成して固体電解質型電解セルを得た。なお、中間シートは実施例1で得たシートを用いた。
(実施例4)
混合導電体グリーンシートの作製
酸化セリウム90モル%と酸化イットリウム10モル%とが固溶した、50%粒度1.2μm、90%粒度4.8μmの粉体を用いて、実施例1と同様にして厚み10μmのグリーンシートを得た。
【0035】
このグリーンシートと実施例1で得た各グリーンシートとを10cm角に切断し、第3グリーンシート、混合導電体グリーンシート、第1グリーンシート、第2グリーンシートの順に重ねた。これを実施例1と同様にして、積層体を作製、焼成して固体電解質型電解セルを得た。なお、中間シートは実施例1で得たシートを用いた。
【0036】
【発明の効果】
本発明にかかる固体電解質型電解セルの製造方法は、一回の焼成で積層体を処理でき、生産性良く、安価な製造方法となっている。
本発明にかかる固体電解質型電解セルは、生産性良く得られるため、従来のセルよりも安価である。
【0037】
本発明にかかる固体電解質型電解セルは、電解質層の厚みが薄いので、発電効率が高い。
本発明にかかる固体電解質型電解セルは、電解質層が薄い点を全体厚みで補い、機械的強度を高めている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる固体電解質型電解セルを表す断面図である。
【図2】本発明で使用する積層体を表す断面図である。
【図3】本発明の方法において積層体を多段に積み重ねる状態を表す断面図である。
【図4】本発明の方法において使用する中間シートを表す断面図である。
【図5】本発明の方法において積層体を多段に積み重ねる状態を表す別の断面図である。
【符号の説明】
1 電解質層
2 燃料極
3 空気極
10 積層体
11 第1グリーンシート
12 第2グリーンシート
13 第3グリーンシート
20 中間シート
30 支持体
[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention relates to a solid electrolyte electrolytic cell excellent in power generation performance and inexpensive and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In a solid electrolyte type electrolytic cell of a fuel cell, a porous ceramic fuel electrode and a porous ceramic air electrode are arranged on both sides of a ceramic electrolyte layer. Electricity is generated when fuel gas such as methane gas that has permeated the porous fuel electrode and reached the electrolyte layer reacts with oxygen gas in the air that has permeated the porous air electrode and reached the electrolyte layer. It is taken out from the fuel electrode and the air electrode.
[0003]
Conventionally, a solid electrolyte type electrolytic cell has been produced by printing or vapor-depositing porous ceramic electrodes on both sides of a ceramic electrolyte layer obtained by firing a ceramic green sheet.
Since it is expensive to form a porous electrode by a printing method or a vapor deposition method, a technique for forming both electrodes from a green sheet has been developed (JP-A-4-101360, JP-A-5-144463, etc.) . In this technique, a second green sheet serving as a porous ceramic fuel electrode and a third green sheet serving as a porous ceramic air electrode are laminated on both sides of a first green sheet serving as a ceramic electrolyte layer, and the laminate is fired. Thus, a solid electrolyte electrolytic cell is obtained. That is, in this technique, since the solid electrolyte electrolytic cell is obtained by only one firing without printing, the energy cost can be reduced.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Improvement in power generation performance is also an important issue in a fuel cell using a solid electrolyte electrolytic cell. Further, in practical use, it is important to have an advantage over the power generation cost of other power generation systems. For that purpose, reduction of manufacturing cost is an important issue.
[0005]
Therefore, an object of the present invention is to manufacture a solid electrolyte electrolytic cell having high power generation performance with good productivity and at low cost.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a method for producing a solid electrolyte type electrolytic cell according to the present invention includes a second green sheet serving as a porous ceramic fuel electrode on one surface of a first green sheet serving as a ceramic electrolyte layer, and 50% of ceramic particles constituting the first green sheet in the method of obtaining a solid electrolyte type electrolysis cell by firing a laminate formed by laminating a third green sheet serving as a porous ceramic air electrode on the other surface. The particle size is 0.1 to 0.5 μm, the 90% particle size is 1 μm or less, the ceramic particles constituting the second green sheet have a 50% particle size of 0.5 to 10 μm, and a 90% particle size of 1.5 to 20 μm. And the ceramic particles constituting the third green sheet have a 50% particle size of 0.3 to 10 μm, a 90% particle size of 1 to 30 μm, and the first 10~300μm the thickness of the lean sheet, in advance by adjusting the thickness of the entire laminate 100 to 1000 [mu] m, the thickness of the laminate, made of a material which does not form a solid solution with the green sheet a fired ceramic sheet It is characterized by being stacked and fired in multiple stages through an intermediate sheet of 0.1 to 2 mm .
[0007]
The resulting solid oxide electrolysis cell in the manufacturing process, a thickness of the electrolyte layer is 5 to 250 microns, so a thin, high power generation efficiency. In the solid electrolyte type electrolytic cell, the thickness of the entire cell is 50 to 8000 μm, and the thickness of the electrolyte layer is compensated by the thickness of both electrodes to increase the mechanical strength. When the ceramic mixed conductor layer is disposed between the fuel electrode and the electrolyte layer and between the air electrode and the electrolyte layer, these thicknesses are also added to the total thickness. According to the above manufacturing method, it can be obtained with good productivity and at low cost.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The preferred embodiments of the present invention will be described below. The present invention is not limited to the following embodiment.
As shown in FIG. 1, the solid electrolyte type electrolytic cell according to the present invention has a fuel electrode 2 and an air electrode 3 arranged on both surfaces of an electrolyte layer 1, and such a configuration is a ceramic electrolyte layer. It is obtained by producing a laminate in which a second green sheet serving as a porous ceramic fuel electrode and a third green sheet serving as a porous ceramic air electrode are laminated on both sides of one green sheet and firing this laminate. . This is the same as the conventional one, but in the solid electrolyte type electrolytic cell according to the present invention, the thickness t of the electrolyte layer 1 obtained from the first green sheet is 5 to 250 μm, and the total thickness T of the cell is 50 to 50 μm. It is characterized by being 800 μm. The thickness t of the electrolyte layer is preferably 20 to 200 μm, more preferably 30 to 100 μm. The thickness T of the entire cell is preferably 150 to 500 μm.
[0009]
In the solid electrolyte electrolytic cell, the thermal expansion coefficients of the fuel electrode 2 and the air electrode 3 are within ± 50% (1000 ° C.), preferably within ± 30% (1000 ° C.) of the thermal expansion coefficient of the electrolyte layer 1. Is preferred. Since the solid electrolyte type electrolytic cell repeats a high temperature state and a low temperature state during use, peeling is likely to occur between the electrolyte layer 1 and the electrodes 2 and 3. If such consideration is given to the coefficient of thermal expansion of each of the layers 1, 2, and 3, the above peeling can be prevented. As a specific example of the thermal expansion coefficient satisfying such requirements, the thermal expansion coefficient of the material Ni0 / 8YSZ fuel electrode 2 is 11.0 × 10 6 / ° C., and the thermal expansion coefficient of the material 8YSZ electrolyte 1 is 10 × 10 6. When the material is La 0.96 Sr 0.05 MnO 3 , the thermal expansion coefficient of the air electrode 3 is 11.7 × 10 6 / ° C.
[0010]
The method for manufacturing a solid electrolyte type electrolytic cell according to the present invention is characterized in that a green sheet laminate is prepared as shown in FIG. 2, and the laminate is stacked and fired in multiple stages as shown in FIG. And Furthermore, a green sheet laminate 10 as shown in FIG. 2 is prepared, and as shown in FIG. 3, this laminate 10 is an intermediate sheet (also referred to as a spacer) made of a material that does not dissolve in the green sheet. .) Is stacked in multiple stages via 20 and fired. In FIG. 3, numeral 30 represents a support such as a mortar. The intermediate sheet 20 may be placed at the uppermost position for the purpose of weighting or covering, and may be placed at the lowermost position for the purpose of improving gas escape from the lowermost layered product 20. The laminate 10 includes a second green sheet 12 that becomes a porous ceramic fuel electrode 2 and a third green sheet 13 that becomes a porous ceramic air electrode 3 on both sides of a first green sheet 11 that becomes a ceramic electrolyte layer 1. The thickness of the first green sheet is adjusted to 10 to 300 μm, and the thickness of the entire laminate is adjusted to 100 to 1000 μm.
[0011]
The intermediate sheet is preferably a ceramic sheet, and the particle size of the ceramic particles is preferably larger than the particle size of the ceramic particles constituting the fuel electrode and the air electrode. This is because the degree of porosity of the intermediate sheet is increased, gas can be easily released during firing, and firing efficiency can be achieved.
The intermediate sheet will be described more specifically. The material is appropriately selected, but ceramic is preferable as described above. Although a dense structure may be used, a porous structure is preferable in order to improve gas escape from the laminate 10. The intermediate sheet usually has an area larger than that of the green sheet (preferably 1.0 to 1.5 times, more preferably 1.0 to 1.2 times), and shrinkage due to heating for firing the green sheet The porous sheet is preferably 5% or less (more preferably 0.1% or less) and has a bulk density of 30 to 85% (more preferably 45 to 65%) with respect to the theoretical density. The intermediate sheet is used for support correction at the time of firing the green sheet, and is sandwiched so that the peripheral edge of the green sheet laminate does not protrude between them. If it does so, the outstanding surface correction effect of a porous sheet will be exhibited effectively, and a degreasing effect and discharge of decomposition gas will be performed smoothly.
[0012]
The material and manufacturing method of the porous sheet having a bulk density to be the intermediate sheet are not particularly limited, and the green sheet using a slurry containing the same inorganic powder, binder and solvent as exemplified later as a raw material for producing the ceramic green sheet And can be obtained by firing so as to be in a suitable bulk density range. At this time, if a powder having an average particle diameter of 2 to 100 μm, more preferably 30 to 80 μm is used as the inorganic powder, the above-described bulk density range can be easily obtained. The bulk density of the porous sheet can be adjusted depending on the firing conditions, and can also be adjusted by changing the average particle size of inorganic fine powder, the type of binder, or the amount of sintering aid added. is there.
[0013]
As described above, the porous sheet used as the intermediate sheet exhibits a degreasing promotion, a decomposition gas release promotion, and a surface straightening action, and a preferable thickness thereof is 0.1 to 2 mm, and more preferably 0. The preferred weight is 0.01 to 1 g / cm 2 . If the intermediate sheet is too thin, the handleability will be reduced due to insufficient strength and the surface correction effect will be difficult to be exhibited effectively, and if it is too light, the function as a weight will be difficult to be effectively demonstrated and warping and undulation will occur. The prevention effect is insufficient. On the other hand, if it is too thick and heavy, or if it is too heavy, the friction between the green sheet laminate and the intermediate sheet will increase when the green sheet is fired, and the sheet surface will be easily damaged, and the green sheet will shrink. Is difficult to proceed uniformly, and there is a risk of causing distortion or cracking.
[0014]
In the method of the present invention, the intermediate sheet 20 is preferably made of a material that is the same as or similar to the material of each electrode. Further, as shown in FIG. 4, each side surface 20 a, 20 b can be made of the same material as or similar to each material of the fuel electrode 2 and the air electrode 3. That is, one surface 20 a is made of the same or similar material as that of the fuel electrode 2, and the other surface 20 b is made of the same or similar material as that of the air electrode 3. If it becomes like this, when stacking the laminated bodies 10... In the multi-stage as described above, the laminated body 10 and the intermediate sheet 20 are turned upside down for each stage, respectively. The surface 20a made of the same or similar material as the fuel electrode 2 may be directed to the fuel electrode green sheet 12 side, and the surface 20b made of the same or similar material to the air electrode 3 may be directed to the air electrode green sheet 13 side. it can. This is because, if the material is too different between the intermediate sheet and the green sheet in contact with the intermediate sheet, foreign electrodes (mixing of impurities) are likely to occur, but this can be avoided.
[0015]
When manufacturing a solid electrolyte type electrolytic cell, it is preferable that the powder constituting each green sheet is calcined at a temperature of 1000 ° C. or higher and a firing temperature (eg, 1300 ° C.) or lower. This is because the shrinkage difference between the green sheet serving as the electrolyte layer and the green sheet serving as the electrode is reduced during the main firing, and peeling between the layers is unlikely to occur.
When the manufacturing method of the solid electrolyte type electrolytic cell concerning this invention also has the process of obtaining the said laminated body, it is preferable to make it laminate | stack after cutting each green sheet to a desired dimension at this process. There is also a method in which the green sheets for each layer are stacked and cut, but the green sheet waste generated by cutting is a mixed product of three layers and cannot be returned to the green sheet raw material and reused. On the other hand, when the green sheet for each layer is cut out, the generated green sheet waste is a single item and can be recycled.
[0016]
The cut-out shape of the green sheet can be a square, a rectangle, a circle as well as a polygon or an ellipse such as a triangle or a pentagon as necessary. It may be something with
In the step of obtaining the laminate, lamination is preferably performed under a reduced pressure of 50 torr or less. The pressing conditions for the laminate are preferably set to a temperature of 50 ° C. or lower and a pressure of 50 kgf / cm 2 or lower. This is because the conditions for obtaining the laminate are mild, the dimensional stability is high, and air can be prevented from entering the laminate interface. When the thickness of each layer is reduced, it is necessary to avoid the intrusion of air.
[0017]
The firing temperature and time of the laminate are about 1300 to 1500 ° C. and about 2 to 5 hours. In addition, it is preferable that the temperature is raised at 0.1 to 0.5 ° C./min up to 400 ° C., sufficiently debindered at 400 ° C., and then heated up to 1300 to 1500 ° C. at 0.5 to 5 ° C./min .
Below, it demonstrates in detail about manufacture of a green sheet.
[0018]
The material for the electrolyte layer is at least selected from the group consisting of powders mainly composed of zirconia and ceria (preferably about 80% by weight or more), rare earth elements such as Y and Ce; and alkaline earth elements such as Ca and Mg. One metal oxide is mixed (preferably about 20% by weight or less) and used. If necessary, alumina, titania or the like may be mixed with the raw material powder. Examples of the material for the fuel electrode include nickel / yttria-stabilized zirconia, nickel oxide / yttria-stabilized zirconia, and the like, and one or more of these are used. The air electrode material, there may be mentioned LaMnO 3, LaNiO 3 and LaCoO Perobukasukaito type composite oxide of lanthanum system such as 3, it is used alone or in combination.
[0019]
The ceramic particles constituting the electrolyte layer have a 50% particle size of 0.1 to 0.5 μm and a 90% particle size of 1 μm or less, and the ceramic particles constituting the fuel electrode have a 50% particle size of 0.5 to 10 μm and a 90% particle size. The ceramic particles constituting the air electrode 3 preferably have a 50% particle size of 0.3 to 10 μm and a 90% particle size of 1 to 30 μm. This is because the electrolyte layer 1 becomes dense, and on the other hand, both electrodes become porous, and the power generation efficiency is increased.
[0020]
In the above configuration, as shown in FIG. 1, it is preferable that the ceramic mixed conductor layer green sheet 4 is disposed between the electrode green sheets 2 and 3 and the electrolyte layer green sheet 1. This is because the extraction of electricity generated in the electrolyte layer 1 proceeds favorably. In this case, the ceramic particles constituting the mixed conductor layer green sheet 4 preferably have a 50% particle size of 0.1 to 5 μm and a 90% particle size of 1 to 20 μm.
[0021]
The above particle size (50% particle size: average particle size, 90% particle size: 90% volume particle size) is a value measured by a laser diffraction particle size distribution analyzer SALD-1100 manufactured by Shimadzu Corporation.
The above ceramic raw material powder is mixed with a binder and a solvent to form a slurry. There is no special restriction | limiting in the kind of binder, The organic binder used conventionally and an inorganic binder can be selected suitably, and can be used. Examples of organic binders include ethylene copolymers, styrene copolymers, acrylate copolymers, methacrylate copolymers, vinyl acetate copolymers, maleic acid copolymers, vinyl butyral resins, vinyl acetals. Examples thereof include cellulose resins, vinyl formal resins, vinyl alcohol resins, waxes, and celluloses such as ethyl cellulose. Of these, methyl methacrylate, ethyl methacrylate, butyl methacrylate, isobutyl methacrylate, octyl methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, decyl methacrylate, dodecyl methacrylate, lauryl are known in terms of green sheet moldability and strength, thermal decomposition during firing, and the like. In addition to alkyl methacrylates having an alkyl group having 20 or less carbon atoms such as methacrylate and cyclohexyl methacrylate, aminoalkyl (meth) acrylates such as dimethylaminoethyl acrylate and dimethylaminoethyl methacrylate are preferably used. These organic binders can be used alone or in combination of two or more as necessary. As these number average molecular weights, 20,000 to 200,000 are preferable, and 50,000 to 100,000 are more preferable. As the inorganic binder, zirconia sol, silica sol, alumina sol, titania sol and the like can be used alone or in admixture of two or more.
[0022]
In the method of the present invention, the green sheet binder preferably contains a copolymer having a methacrylic acid ester as a main component and a methacrylic acid ester having a basic nitrogen atom in the molecule as a subcomponent. This is because the preferred glass transition point of the copolymer is 5 ° C. or less, the internal plasticity (tackiness) imparted by the binder is good, and the thermal decomposability of the binder is good.
[0023]
The use ratio of the ceramic raw material powder and the binder is preferably 5 to 30 parts by weight, more preferably 10 to 20 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the former. If the amount of binder used is insufficient, the strength, flexibility and adhesiveness of the green sheet will be insufficient, and if it is too much, it will be difficult to adjust the viscosity of the slurry, and the binder components will be decomposed and released more frequently during firing. It is difficult to obtain a homogeneous green sheet.
[0024]
Examples of the solvent include water, alcohols such as methanol, ethanol, 2-propanol, 1-butanol and 1-hexanol, ketones such as acetone and 2-butanone, fatty hydrocarbons such as pentane, hexane and heptane, benzene, Aromatic hydrocarbons such as toluene, xylene, and ethylbenzene, and acetates such as methyl acetate, ethyl acetate, and butyl acetate are listed. These are used alone or in combination. The amount of the solvent used should be adjusted in consideration of the viscosity of the slurry when forming the green sheet. Although not particularly limited, the slurry viscosity is preferably 10 to 100 poise, more preferably 10 to 50 poise.
[0025]
In preparing the slurry, if necessary, in order to promote peptization and dispersion of the ceramic raw material powder, polymer electrolytes such as polyacrylic acid and ammonium polyacrylate, organic acids such as citric acid and tartaric acid, isobutylene and styrene In addition to the addition of dispersants such as copolymers of ammonium and maleic anhydrides, ammonium salts and amine salts of these, copolymers of butadiene and maleic anhydride, and ammonium salts thereof, the green sheet is given flexibility and tackiness. In order to do so, add phthalates such as dibutyl phthalate and dioctyl phthalate, plasticizers such as glycols and glycol ethers such as propylene glycol, and also add surfactants and antifoaming agents. be able to.
[0026]
In the method of the present invention, it is preferable that at least one of the green sheets other than the electrolyte layer contains a sublimable organic material such as melamine cyanurate. Since these green sheets are required to become porous by firing, conventionally, organic powders such as fluororesins and polyamide resins have been added. Since the organic powder generates heat during firing, it tends to cause warpage and distortion in the solid electrolyte electrolytic cell. On the other hand, the sublimable organic material does not generate such heat.
[0027]
The slurry obtained as described above is applied to a smooth substrate by a doctor blade method or the like with a predetermined thickness, dried, and the solvent is removed by volatilization to obtain a green sheet. The drying temperature and time are not particularly limited, but are about 60 to 120 ° C. and about 10 to 60 minutes.
[0028]
【Example】
Example 1
Production of first green sheet A zirconia powder containing 8 mol% of yttria was pulverized using a jet mill to obtain a powder having a 50% particle size of 0.3 m and a 90% particle size of 0.7 m. The thermal expansion coefficient as an electrolyte was 10.1 × 10 6 / ° C.
[0029]
For 100 parts by weight of this powder, as a binder, a copolymer (number average molecular weight 50,000, glass transition temperature 2 ° C.) consisting of 5% dimethylaminoethyl methacrylate, 80% n-butyl methacrylate and 15% 2-ethylhexyl acrylate. A slurry was prepared by a pole mill using 15 parts by weight, 3 parts by weight of dibutyl phthalate as a plasticizer, and 50 parts by weight of a mixed solvent of toluene and ethyl acetate.
[0030]
After adjusting the viscosity of the slurry to 20 p, the slurry was molded by a doctor blade method and dried at 100 ° C. for 1 hour to obtain a first green sheet. The thickness of this green sheet was about 50 μm.
Production of second green sheet 30 parts by weight of zirconia powder (50% particle size 0.3 μm, 90% particle size 0.7 μm) containing 8 mol% yttria, nickel oxide powder (50% particle size 1.6 μm, Using 90 parts by weight of mixed powder of 70 parts by weight of 90% particle size 11 μm and 30 parts by weight of melamine cyanurate (MC-410: manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.), 20 parts by weight of binder and 1 part by weight of plasticizer A second green sheet was obtained in the same manner as in the production of the first green sheet except that. The thickness of this green sheet was about 200 μm. The mixed powder had a 50% particle size of 1.2 μm and a 90% particle size of 8.0 μm, and the thermal expansion coefficient as an electrode was 11.0 × 10 6 / ° C.
Production of third green sheet Powder having thermal expansion coefficient of 11.7 × 10 6 / ° C. and composition of La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 (50% particle size 3 μm, 90% particle size 8.5 μm) ) Using 100 parts by weight, a third green sheet was obtained in the same manner as the second green sheet. The thickness of this green sheet was about 100 μm.
Production of intermediate sheet The raw material powder used in the second green sheet and the third green sheet was fired at 1100C to prepare a raw material powder for the intermediate sheet. Each of these powders was formed into a green sheet in the same manner as the second green sheet. Further, these green sheets were cut and fired at 1200 ° C. to obtain an intermediate sheet of 10.8 cm square and 0.6 mm thickness. Hereinafter, the intermediate sheet of the second green sheet composition is referred to as an intermediate sheet (2), and the intermediate sheet of the third green sheet composition is referred to as an intermediate sheet (3).
[0031]
The density of the intermediate sheet (2) was 70% of the theoretical density, and the intermediate sheet (3) was 50%.
Production of laminated body Each of the first, second and third green sheets was cut into 10 cm square and stacked in the order of the third, first and second. This was heated to 45 ° C. and pressurized at 40 kgf / cm 2 for 2 minutes while reducing the pressure to a vacuum (30 Torr) to obtain a laminate.
Firing of the laminated body An intermediate sheet (2) is placed on the alumina shelf , and the laminated body is placed thereon so that the second green sheet layer faces downward and the peripheral edge does not protrude. It was. Furthermore, four sheets of laminates, such as intermediate sheet (3), laminate with the third green sheet layer facing downward, intermediate sheet (2), laminate with the second green sheet layer facing downward, intermediate sheet (3), etc. I put it over again. An intermediate sheet (2) was placed on the top. Thus, the shelf board which set the laminated body was piled up in the electric furnace 5 steps | paragraphs through the support | pillar.
[0032]
These laminates were cooled to 0.3 ° C. up to 400 ° C., 1 deg / min up to 1000 ° C., 0.6 deg / min up to 1350 ° C., and cooled to room temperature while being held at 1350 ° C. for 2 hours. A solid electrolyte type electrolytic cell was obtained.
(Example 2)
A solid electrolyte type electrolytic cell was obtained in the same manner as in Example 1 except that the laminates were stacked and fired four by four without using an intermediate sheet.
[0033]
(Example 3)
Production of first green sheet A zirconia powder containing 8 mol% of yttria was calcined at 1000C for 2 hours and then pulverized using a jet mill to obtain a 50% particle size of 0.5 m and a 90% particle size of 0.1%. A 9 μm powder was obtained. A green sheet having a thickness of 150 μm was obtained in the same manner as in Example 1 except that this powder was used.
Production of second green sheet The mixed powder obtained in Example 1 was calcined at 1000C for 1 hour to obtain a powder having a 50% particle size of 3.2 m and a 90% particle size of 16 m. A green sheet having a thickness of 150 μm was obtained in the same manner as in Example 1 except that this powder was used.
Production of third green sheet A powder having a composition of La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 used in Example 1 was calcined at 1000 ° C for 1 hour to obtain a 50% particle size of 5.6 µm and a 90% particle size of 21 µm. A powder was obtained. A green sheet having a thickness of 50 μm was obtained in the same manner as in Example 1 except that this powder was used.
[0034]
Using these green sheets, a laminate was prepared and fired in the same manner as Example 1 to obtain a solid electrolyte type electrolytic cell. Note that the sheet obtained in Example 1 was used as the intermediate sheet.
Example 4
Preparation of mixed conductor green sheet Example using 50% particle size 1.2 μm and 90% particle size 4.8 μm powder in which 90 mol% of cerium oxide and 10 mol% of yttrium oxide were dissolved. In the same manner as in Example 1, a 10 μm thick green sheet was obtained.
[0035]
This green sheet and each of the green sheets obtained in Example 1 were cut into 10 cm squares, and the third green sheet, the mixed conductor green sheet, the first green sheet, and the second green sheet were stacked in this order. In the same manner as in Example 1, a laminate was prepared and fired to obtain a solid electrolyte type electrolytic cell. Note that the sheet obtained in Example 1 was used as the intermediate sheet.
[0036]
【The invention's effect】
The manufacturing method of a solid electrolyte type electrolytic cell according to the present invention is a manufacturing method that can process a laminated body by one firing, has high productivity, and is inexpensive.
Since the solid electrolyte type electrolytic cell according to the present invention can be obtained with high productivity, it is less expensive than the conventional cell.
[0037]
Solid oxide electrolysis cell according to the present invention, since the thin thickness of the electrolyte layer, a high power generation efficiency.
In the solid electrolyte type electrolysis cell according to the present invention, the thinness of the electrolyte layer is compensated by the overall thickness, and the mechanical strength is increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a solid electrolyte electrolytic cell according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a laminate used in the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state in which stacked bodies are stacked in multiple stages in the method of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an intermediate sheet used in the method of the present invention.
FIG. 5 is another cross-sectional view showing a state in which stacked bodies are stacked in multiple stages in the method of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte layer 2 Fuel electrode 3 Air electrode 10 Laminate body 11 First green sheet 12 Second green sheet 13 Third green sheet 20 Intermediate sheet 30 Support body

Claims (10)

セラミック電解質層となる第1グリーンシートの一方の面に多孔質セラミック燃料極となる第2グリーンシートが、そして、他方の面に多孔質セラミック空気極となる第3グリーンシートがそれぞれ積層されてなる積層体を焼成して固体電解質型電解セルを得る方法において、
前記第1グリーンシートを構成するセラミック粒子の50%粒度が0.1〜0.5μm、90%粒度が1μm以下であり、前記第2グリーンシートを構成するセラミック粒子の50%粒度が0.5〜10μm、90%粒度が1.5〜20μmであり、前記第3グリーンシートを構成するセラミック粒子の50%粒度が0.3〜10μm、90%粒度が1〜30μmであるとともに、
前記第1グリーンシートの厚みを10〜300μm、前記積層体全体の厚みを100〜1000μmに調整しておいて、
該積層体を、焼成済みのセラミックシートであって前記グリーンシートと固溶しない材質からなる厚み0.1〜2mmの中間シートを介して、多段に積み重ねて焼成する、
ことを特徴とする、固体電解質型電解セルの製造方法。
A second green sheet serving as a porous ceramic fuel electrode is laminated on one surface of the first green sheet serving as a ceramic electrolyte layer, and a third green sheet serving as a porous ceramic air electrode is laminated on the other surface. In the method of obtaining a solid electrolyte type electrolytic cell by firing the laminate,
The ceramic particles constituting the first green sheet have a 50% particle size of 0.1 to 0.5 μm, a 90% particle size of 1 μm or less, and the ceramic particles constituting the second green sheet have a 50% particle size of 0.5 μm. 10 μm, 90% particle size is 1.5-20 μm, 50% particle size of the ceramic particles constituting the third green sheet is 0.3-10 μm, 90% particle size is 1-30 μm,
The thickness of the first green sheet is adjusted to 10 to 300 μm, and the thickness of the entire laminate is adjusted to 100 to 1000 μm.
The laminated body is fired by stacking in a multi-stage through an intermediate sheet having a thickness of 0.1 to 2 mm made of a fired ceramic sheet and made of a material that does not dissolve in the green sheet .
A method for producing a solid electrolyte type electrolytic cell.
燃料極となる第2グリーンシートと電解質層となる第1グリーンシートの間および/または空気極となる第3グリーンシートと電解質層となる第1グリーンシートの間に、セラミック混合導電体層となるグリーンシートを配置する、請求項1に記載の固体電解質型電解セルの製造方法。A ceramic mixed conductor layer is formed between the second green sheet serving as the fuel electrode and the first green sheet serving as the electrolyte layer and / or between the third green sheet serving as the air electrode and the first green sheet serving as the electrolyte layer. placing a green sheet, the manufacturing method of the solid oxide electrolysis cell of claim 1. 混合導電体層を構成するセラミック粒子の50%粒度が0.1〜5μm、90%粒度が1〜20μmである、請求項に記載の固体電解質型電解セルの製造方法。The method for producing a solid electrolyte electrolytic cell according to claim 2 , wherein the ceramic particles constituting the mixed conductor layer have a 50% particle size of 0.1 to 5 µm and a 90% particle size of 1 to 20 µm. 燃料極の熱膨張率が電解質層の熱膨張率の±30%(1000℃)以内であり、空気極の熱膨張率が電解質層の熱膨張率の±30%(1000℃)以内である、請求項1からまでのいずれかに記載の固体電解質型電解セルの製造方法。The thermal expansion coefficient of the fuel electrode is within ± 30% (1000 ° C.) of the thermal expansion coefficient of the electrolyte layer, and the thermal expansion coefficient of the air electrode is within ± 30% (1000 ° C.) of the thermal expansion coefficient of the electrolyte layer. The manufacturing method of the solid electrolyte type electrolytic cell in any one of Claim 1 to 3 . 中間シートの両側各面が燃料極と空気極の各材質にそれぞれ同一または近似した材質からなり、前記多段に積み重ねる際に積層体と中間シートを各段ごとにそれぞれ表裏反転させることにより、中間シートの燃料極と同一または近似した材質からなる面を積層体の燃料極グリーンシート側に向け、空気極と同一または近似した材質からなる面を空気極グリーンシート側に向けるようにする、請求項1からまでのいずれかに記載の固体電解質型電解セルの製造方法。Each side surface of the intermediate sheet is made of the same or similar material as the material of the fuel electrode and the air electrode, and when stacking in multiple stages, the laminate and the intermediate sheet are reversed for each stage, so that the intermediate sheet is reversed. The surface made of the same or approximate material as the fuel electrode is directed to the fuel electrode green sheet side of the laminate, and the surface made of the same or approximate material as the air electrode is directed to the air electrode green sheet side. To 4. The method for producing a solid electrolyte type electrolytic cell according to any one of items 1 to 4 . 各グリーンシートを構成する粉体が1000℃以上、焼成温度未満の温度で仮焼したものである、請求項1からまでのいずれかに記載の固体電解質型電解セルの製造方法。The method for producing a solid electrolyte electrolytic cell according to any one of claims 1 to 5 , wherein the powder constituting each green sheet is calcined at a temperature of 1000 ° C or higher and lower than a firing temperature. 前記積層体を得る工程においては、各グリーンシートを所望の寸法で切り取ってから積層するようにする、請求項1からまでのいずれかに記載の固体電解質型電解セルの製造方法。The method for producing a solid electrolyte electrolytic cell according to any one of claims 1 to 6 , wherein in the step of obtaining the laminate, each green sheet is cut out to a desired size and then laminated. 各グリーンシートがバインダーとして、メタクリル酸エステルを主成分とし分子内に塩基性窒素原子を含有するメタクリル酸エステルを副成分とする共重合体を含むものである、請求項1からまでのいずれかに記載の固体電解質型電解セルの製造方法。As each green sheet binder, those containing a copolymer and a methacrylic acid ester auxiliary component containing a basic nitrogen atom in a molecule as a main component ester methacrylate, according to any of claims 1 to 7 Manufacturing method of solid electrolyte type electrolytic cell. 電解質層以外のグリーンシートの少なくとも一つが昇華性有機材料を含むものである、請求項1からまでのいずれかに記載の固体電解質型電解セルの製造方法。The method for producing a solid electrolyte type electrolytic cell according to any one of claims 1 to 8 , wherein at least one of the green sheets other than the electrolyte layer contains a sublimable organic material. 請求項1からまでのいずれかに記載の製造方法によって得られる固体電解質型電解セル。Solid oxide electrolysis cell obtained by the production method according to any one of claims 1 to 9.
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