JP4819568B2 - Solid oxide fuel cell and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、セラミックスなどの酸化物よりなる電解質層から構成された固体酸化物形燃料電池及びその作製方法に関するものである。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell composed of an electrolyte layer made of an oxide such as ceramics and a method for producing the same.

固体酸化物形燃料電池は、他の形態の燃料電池に比較して高い電気変換効率・出力密度を有している。このため、固体酸化物形燃料電池は、電源の需要地内やこの近郊に配置して利用される比較的中小規模の発電設備である分散電源として、積極的に開発が進められている。固体酸化物形燃料電池は、一般的には、スカンジアやイットリアなどにより安定化されたジルコニアから電解質が構成され、希土類が添加されたランタンマンガナイトより空気極が構成され、ニッケル酸化物(NiO)と安定化ジルコニアの混合体より燃料極が構成され、すべての構成部がセラミックス材料であり、異なる材料の積層構造となっている。このように、固体酸化物形燃料電池は、電解質に固体である酸化物のセラミックスを用いるため、十分に高いイオン伝導性を確保するために他の燃料電池より動作温度が高い。   Solid oxide fuel cells have higher electrical conversion efficiency and power density than other types of fuel cells. For this reason, solid oxide fuel cells are being actively developed as distributed power sources, which are relatively small and medium-sized power generation facilities that are arranged and used in areas where power sources are demanded or in the vicinity thereof. Solid oxide fuel cells generally have an electrolyte composed of zirconia stabilized by scandia or yttria, and an air electrode composed of lanthanum manganite to which a rare earth is added. Nickel oxide (NiO) The fuel electrode is composed of a mixture of and stabilized zirconia, and all the constituent parts are ceramic materials, and have a laminated structure of different materials. Thus, since solid oxide fuel cells use oxide oxide ceramics as an electrolyte, the operating temperature is higher than that of other fuel cells in order to ensure sufficiently high ion conductivity.

このような特徴を有する、固体酸化物形燃料電池は、多くの場合、複数の単セルを組み合わせたスタック構造として用いられており、セルの構造は大きく、円筒型及び平板型に分けられる。また、セル性能の点から、空気極又は燃料極を支持体とした電極支持型の平板型セルが多く見られる。電極支持型セルの利点は、セルの構成材料の中で最も抵抗の大きい電解質の層を数μm〜数十μmと薄くできることにある。電解質層が薄くなるとセルの内部抵抗が低減されるので、出力の向上が期待できるようになる。電極支持型セルでは、支持電極として空気極又は燃料極のいずれも適用可能であるが、電極材料として金属ニッケルを含む燃料極の方がより抵抗が小さく、基板に適用したときのIR抵抗の抑制に有利であるため、燃料極支持型のセルがより多く開発が進められている。   The solid oxide fuel cell having such characteristics is often used as a stack structure in which a plurality of single cells are combined, and the cell structure is large and can be divided into a cylindrical type and a flat plate type. From the viewpoint of cell performance, there are many electrode-supported flat plate cells using an air electrode or a fuel electrode as a support. The advantage of the electrode-supported cell is that the electrolyte layer having the highest resistance among the constituent materials of the cell can be made as thin as several μm to several tens of μm. As the electrolyte layer becomes thinner, the internal resistance of the cell is reduced, so that an improvement in output can be expected. In an electrode-supported cell, either an air electrode or a fuel electrode can be applied as a support electrode. However, the resistance of a fuel electrode containing metallic nickel as the electrode material is smaller, and the IR resistance when applied to a substrate is suppressed. Therefore, more and more fuel electrode-supported cells are being developed.

図5は、従来よりある燃料極支持型の平板燃料電池セルの構成を示す断面図である。図5に示すように、支持基板となる燃料極501の上に、電解質層502及び空気極503が積層されている。このように燃料極支持型セルでは、燃料極501がセルの強度を担うため燃料極501の厚さは、通常0.5〜1mm前後が必要とされ、セルの体積の大部分を占める。このため、燃料極支持型のセルでは、燃料極の性能により発電の特性が大きく影響を受けることになる。   FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional fuel electrode-supported flat plate fuel cell. As shown in FIG. 5, an electrolyte layer 502 and an air electrode 503 are laminated on a fuel electrode 501 serving as a support substrate. Thus, in the fuel electrode supporting cell, since the fuel electrode 501 bears the strength of the cell, the thickness of the fuel electrode 501 is usually required to be about 0.5 to 1 mm, and occupies most of the volume of the cell. For this reason, in the fuel electrode support type cell, the power generation characteristics are greatly affected by the performance of the fuel electrode.

図6は、固体酸化物形燃料電池における発電反応を説明するための説明図である。図6では、燃料電池の一部断面を拡大して模式的に示している。図6に示すように、固体酸化物形燃料電池は、緻密な電解質層602の一方に多孔質状態の燃料極601と多孔質状態の空気極603とが配置されている。燃料極601及び空気極603は、焼結体であり、複数の焼結体微粒子から構成され、焼結体微粒子の間に空間(孔)が形成された状態となっている。   FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining a power generation reaction in a solid oxide fuel cell. FIG. 6 schematically shows an enlarged partial cross section of the fuel cell. As shown in FIG. 6, in the solid oxide fuel cell, a porous fuel electrode 601 and a porous air electrode 603 are arranged on one side of a dense electrolyte layer 602. The fuel electrode 601 and the air electrode 603 are sintered bodies, are composed of a plurality of sintered body fine particles, and are in a state in which spaces (holes) are formed between the sintered body fine particles.

このような構成とされている燃料極601に燃料ガスとして水素ガスを供給し、空気極603には酸化剤ガスとして酸素供給すると、供給された各ガスが各々電極内の孔内を拡散し、電極/電解質界面に到達し、発電反応が進行する。また、発電反応においては、これらのガスの流れに加えて電子も流れる。電子は、電極を構成している粒子(バルク)の部分を移動する。このように、各電極の連続して接続している粒子の部分を電子が移動し、粒子間の孔の部分をガスが移動し、電極と電解質とガスとの三層界面(反応場)において発電反応が進行する。   When hydrogen gas is supplied as a fuel gas to the fuel electrode 601 having such a structure and oxygen is supplied as an oxidant gas to the air electrode 603, each of the supplied gases diffuses in the holes in the electrodes, It reaches the electrode / electrolyte interface and the power generation reaction proceeds. In addition, in the power generation reaction, electrons flow in addition to these gas flows. Electrons move through the part of the particles (bulk) that make up the electrode. In this way, the electrons move in the part of the particles that are continuously connected to each electrode, the gas moves in the part of the pores between the particles, and at the three-layer interface (reaction field) between the electrode, electrolyte, and gas. The power generation reaction proceeds.

発電反応が行われるのは、三層界面であり、発電反応が効率よく進行するためには、三層界面がより多く存在している構造が望ましく、このような構成とされている電極が、活性の高い電極といえる。例えば、平均粒径がより微細な粉体を焼結させて電極を形成し、より微細な焼結体粒子とこれらの間の細孔とが密に存在している構造とすることで、三層界面の増大をはかることができる。   The power generation reaction is performed at the three-layer interface, and in order for the power generation reaction to proceed efficiently, a structure in which more three-layer interfaces exist is desirable. It can be said that the electrode is highly active. For example, a powder having a finer average particle diameter is sintered to form an electrode, and a structure in which finer sintered particles and fine pores between them are densely formed is used. It is possible to increase the layer interface.

また、燃料電池の発電効率は、簡略的には、「発電効率=運転電圧/理論電圧×燃料利用率」で示され、燃料電池の電圧効率と燃料利用率の積で表され、より高い運転電圧と、より高い燃料利用率で発電を行うことが重要となる。この中で、より高い運転電圧を実現するためには、燃料電池(セル)の内部抵抗(IR,反応抵抗など)の低減が重要となり、このためには反応活性の高い材料の適用とともに、三相界面の多い電極構造の実現が重要となる。また、より高い燃料利用率で発電するためには、電極反応場(三層界面)への良好なガス供給が重要となる。   In addition, the power generation efficiency of the fuel cell is simply expressed as “power generation efficiency = operating voltage / theoretical voltage × fuel utilization rate”, and is expressed by the product of the fuel cell voltage efficiency and the fuel utilization rate. It is important to generate electricity with voltage and higher fuel utilization. Of these, in order to achieve higher operating voltage, it is important to reduce the internal resistance (IR, reaction resistance, etc.) of the fuel cell (cell). It is important to realize an electrode structure with many phase interfaces. In addition, in order to generate power at a higher fuel utilization rate, it is important to supply a good gas to the electrode reaction field (three-layer interface).

Kazuhiko Nozawa, et al., "FABRICATION AND CHARACTERIZATION OF SOFC CELLS WITH ScSZ ELECTROLYTE AND LaNi1-xFexO3 CATHODE FOR REDUCED TEMPERATURE OPERATION", Electrochemical Society Proceedings, Vol.2001-16,pp.983-988,2001.Kazuhiko Nozawa, et al., "FABRICATION AND CHARACTERIZATION OF SOFC CELLS WITH ScSZ ELECTROLYTE AND LaNi1-xFexO3 CATHODE FOR REDUCED TEMPERATURE OPERATION", Electrochemical Society Proceedings, Vol.2001-16, pp.983-988,2001.

ところで、燃料極支持型のセルでは燃料極が厚く形成されるため、燃料極内での反応ガスの拡散距離が大きく、反応場への良好なガス供給のためには、燃料極内部のガス拡散性の向上が重要となる。通常ガス拡散の観点からは、電極は気孔率が高く、また平均細孔径が大きい方が望ましい。しかしながら、前述した電極反応活性の観点からは、電極と電解質の界面部分で大きな気孔が存在すると反応場である三相界面が減少するため電極性能が低下するという問題がある。   By the way, in the fuel electrode-supported cell, the fuel electrode is formed thick, so that the diffusion distance of the reaction gas in the fuel electrode is large, and gas diffusion inside the fuel electrode is necessary for good gas supply to the reaction field. It is important to improve performance. Usually, from the viewpoint of gas diffusion, it is desirable that the electrode has a high porosity and a large average pore diameter. However, from the viewpoint of the electrode reaction activity described above, there is a problem that if large pores are present at the interface portion between the electrode and the electrolyte, the three-phase interface as a reaction field is reduced and the electrode performance is deteriorated.

また、燃料極支持型セルの特徴としては電解質層の薄膜化があり、電解質層を薄くする利点としては、セルの内部抵抗の低減に加え、セルの反りを抑制できることが挙げられる。平板型セルでは、セルの反りがスタック化での強度や集電の状態に大きな影響を及ぼすため、平坦であることが望ましい。燃料極支持型のセルでは、燃料極となる材料のペースト層と、電解質となる材料のペースト層とを積層した後に、これらを焼結し、燃料極の上に電解質層が形成された状態としている。このように形成される固体酸化物形燃料電池において、一般に、電解質の方が燃料極よりも焼結性が高く収縮率が大きい傾向があるが、燃料極基板の厚さに対し、電解質の厚さを小さくするほどセルの反りが抑制されることが確認されている。   In addition, the fuel electrode support cell is characterized by the thinning of the electrolyte layer, and the advantage of thinning the electrolyte layer is that the warpage of the cell can be suppressed in addition to the reduction of the internal resistance of the cell. In the flat cell, the warp of the cell greatly affects the strength in stacking and the state of current collection. In a fuel electrode-supported cell, a paste layer made of a material that serves as a fuel electrode and a paste layer made of a material that serves as an electrolyte are laminated and then sintered to form an electrolyte layer on the fuel electrode. Yes. In the solid oxide fuel cell formed in this way, in general, the electrolyte tends to have higher sinterability and higher shrinkage than the anode, but the thickness of the electrolyte is larger than the thickness of the anode substrate. It has been confirmed that cell warpage is suppressed as the thickness is reduced.

しかしながら、電解質層が薄くなるほど電解質層の強度が小さくなるため、焼結過程に亀裂の生成などの損傷を受けやすくなり、リーク発生の頻度が高くなる傾向がある。特に、燃料極の気孔率確保の観点から添加されている造孔材の存在により、損傷が発生しやすい状態となっている。造孔材は、一般にポリマーなど有機系材料やカーボンであることが多く、200〜700℃の温度範囲で燃焼して気化することで、造孔材の存在していた箇所に空孔を形成するものである。このため、造孔材が気化する際のガスの圧力により、電解質層が損傷を受けやすい状態となる。このようにして電解質層が損傷を受けてリークパスが存在している状態となると、燃料電池の短絡やガスの混入などが発生し、発電効率の低下を招きセル性能を低下させる。このように、燃料極支持型の固体酸化物形燃料電池では、燃料電池の作製において、電解質層に発生する損傷が大きな問題となっている。   However, as the electrolyte layer becomes thinner, the strength of the electrolyte layer becomes smaller, so that damage such as generation of cracks is likely to occur during the sintering process, and the frequency of occurrence of leakage tends to increase. In particular, damage is likely to occur due to the presence of the pore former added from the viewpoint of ensuring the porosity of the fuel electrode. In general, the pore former is often an organic material such as a polymer or carbon and burns in a temperature range of 200 to 700 ° C. to vaporize, thereby forming a hole at a position where the pore former was present. Is. For this reason, the electrolyte layer is easily damaged by the gas pressure when the pore former is vaporized. When the electrolyte layer is damaged in this manner and a leak path is present, a short circuit of the fuel cell, mixing of gas, etc. occur, leading to a decrease in power generation efficiency and a decrease in cell performance. As described above, in the fuel electrode support type solid oxide fuel cell, the damage generated in the electrolyte layer is a serious problem in the production of the fuel cell.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、燃料極支持型の固体酸化物形燃料電池において、より高い効率で発電が行える構成が、電解質層の損傷が抑制された状態で作製できるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and in the anode-supported solid oxide fuel cell, the configuration capable of generating power with higher efficiency suppresses damage to the electrolyte layer. It is intended to be able to be manufactured in the state where it is made.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の作製方法は、焼結体より構成されて支持基板となる燃料極基板と、この燃料極基板の上に設けられた焼結体より構成された電解質層と、この電解質層の上に設けられた空気極とを備えた固体酸化物形燃料電池の作製方法において、ジルコニア系酸化物の粉体に金属酸化物の粉体を混合した混合粉体に造孔材が添加されて形成された第1スラリーより未焼結の燃料極基板が形成された状態とする第1工程と、未焼結の燃料極基板の上に、混合粉体より形成された第2スラリーより未焼結の燃料極中間層が形成された状態とする第2工程と、未焼結の燃料極中間層の上に、ジルコニア系酸化物の粉体で形成された第3スラリーより未焼結の電解質層が形成された状態とする第3工程と、未焼結の燃料極基板,未焼結の燃料極中間層,及び未焼結の電解質層を加熱し、焼結された燃料極基板,焼結された燃料極中間層,及び焼結された電解質層が形成された状態とする第4工程と、電解質層の上に空気極が形成された状態とする第5工程とを少なくとも備え、造孔材は、加熱により気化する粉体から構成し、燃料極、燃料極基板と燃料極中間層とから構成、燃料極中間層に比較して燃料極基板の方が、より高い気孔率に形成る。 A method for producing a solid oxide fuel cell according to the present invention includes a fuel electrode substrate that is formed of a sintered body and serves as a support substrate, and an electrolyte layer that is formed of a sintered body provided on the fuel electrode substrate. And a method for producing a solid oxide fuel cell comprising an air electrode provided on the electrolyte layer, and a mixed powder obtained by mixing a metal oxide powder with a zirconia oxide powder. A first step in which an unsintered fuel electrode substrate is formed from a first slurry formed by adding a pore material, and a mixed powder is formed on the unsintered fuel electrode substrate. A second step in which an unsintered fuel electrode intermediate layer is formed from the second slurry; and a third slurry formed of zirconia-based oxide powder on the unsintered fuel electrode intermediate layer A third step in which a more unsintered electrolyte layer is formed, an unsintered fuel electrode substrate, The sintered fuel electrode intermediate layer and the unsintered electrolyte layer are heated to form a sintered fuel electrode substrate, a sintered fuel electrode intermediate layer, and a sintered electrolyte layer. A fourth step and a fifth step in which an air electrode is formed on the electrolyte layer, wherein the pore former is composed of powder that is vaporized by heating , and the fuel electrode is connected to the fuel electrode substrate. consist of a fuel electrode intermediate layer, towards the fuel electrode substrate as compared to the fuel electrode the intermediate layer, it formed a higher porosity.

上記固体酸化物形燃料電池の作製方法において、第2スラリーは、第1スラリーに添加された造孔材より小さい粒径の造孔材が、第1スラリーに添加された造孔材より少ない量で添加されているようにする加えて、第1スラリーには、平均粒径が8〜12μmの造孔材が10〜18wt%添加され、第2スラリーには、平均粒径が2〜5μmの造孔材が最大で8wt%添加されているようにする。 In the method for producing a solid oxide fuel cell, the second slurry has a smaller amount of pore former having a particle size smaller than that of the pore former added to the first slurry than the pore former added to the first slurry. in so that is added. In addition, 10-18 wt% of a pore former having an average particle diameter of 8-12 μm is added to the first slurry, and 8 wt% of a pore former having an average particle diameter of 2-5 μm is added to the second slurry. you like is added.

上記固体酸化物形燃料電池の作製方法において、第2スラリーに混合されている金属酸化物の粉体の粒径は、第1スラリーに混合されている金属酸化物の粉体の粒径より小さくされているようにしてもよい。また、第1スラリーに添加する造孔材の添加量が多いほど、燃料極中間層を厚く形成するとよい。なお、造孔材は、カーボン粉末であればよく、金属酸化物は、酸化ニッケルであればよい。この場合、第1スラリーには、平均粒径が3〜5μmの酸化ニッケルの粉体が混合され、第2スラリーには、平均粒径が1〜2μmの酸化ニッケルの粉体が混合されているようにすればよい。   In the method for manufacturing a solid oxide fuel cell, the particle size of the metal oxide powder mixed in the second slurry is smaller than the particle size of the metal oxide powder mixed in the first slurry. You may be made to do. Further, it is better to form the fuel electrode intermediate layer thicker as the amount of the pore former added to the first slurry is larger. The pore former may be carbon powder, and the metal oxide may be nickel oxide. In this case, nickel oxide powder having an average particle diameter of 3 to 5 μm is mixed in the first slurry, and nickel oxide powder having an average particle diameter of 1 to 2 μm is mixed in the second slurry. What should I do?

また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、上述した作製方法により作製されてものである。   The solid oxide fuel cell according to the present invention is manufactured by the above-described manufacturing method.

以上説明したように、本発明では、ジルコニア系酸化物の粉体に金属酸化物の粉体を混合した混合粉体に造孔材が添加されて形成された第1スラリーより未焼結の燃料極基板を形成し、この上に、混合粉体より形成された第2スラリーより未焼結の燃料極中間層を形成し、また、この上にジルコニア系酸化物の粉体で形成された第3スラリーより未焼結の電解質層が形成された状態とし、この後、これらを焼結するようにした。この結果、本発明によれば、燃料極中間層に比較して燃料極基板の方が、より高い気孔率に形成されるようになり、燃料極支持型の固体酸化物形燃料電池において、より高い効率で発電が行える構成が、電解質層の損傷が抑制された状態で作製できるようになる。   As described above, in the present invention, the unsintered fuel from the first slurry formed by adding the pore former to the mixed powder obtained by mixing the metal oxide powder with the zirconia oxide powder. An electrode substrate is formed, and an unsintered fuel electrode intermediate layer is formed from the second slurry formed from the mixed powder, and a zirconia-based oxide powder is formed thereon. An unsintered electrolyte layer was formed from the three slurries, and thereafter, these were sintered. As a result, according to the present invention, the anode substrate is formed to have a higher porosity than the anode intermediate layer, and in the anode-supported solid oxide fuel cell, A structure capable of generating power with high efficiency can be manufactured in a state where damage to the electrolyte layer is suppressed.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における固体酸化物形燃料電池の作製方法例を示す工程図である。以下では、固体酸化物形燃料電池の単セルの部分について説明する。まず、図1(a)に示すように、膜厚300〜600μmの燃料極グリーンシート121aが複数積層されて膜厚1.2mm程度とされた未焼成の燃料極基板シート121が形成された状態とする。図1(a)では、膜厚400μmの燃料極グリーンシート121aを3層積層し、膜厚1.2mmの燃料極基板シート121が形成された状態を示している。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a process diagram showing an example of a method for producing a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, the single cell portion of the solid oxide fuel cell will be described. First, as shown in FIG. 1A, a plurality of fuel electrode green sheets 121a having a film thickness of 300 to 600 μm are stacked to form an unfired fuel electrode substrate sheet 121 having a film thickness of about 1.2 mm. And FIG. 1A shows a state in which three fuel electrode green sheets 121a having a film thickness of 400 μm are stacked to form a fuel electrode substrate sheet 121 having a film thickness of 1.2 mm.

例えば、まず、Sc23とAl23とが添加されたジルコニア(アルミナ添加スカンジウム安定化ジルコニア:SASZ)の粉体(平均粒径0.5〜0.6μm)と、酸化ニッケルの粉体(平均粒径3〜5μm,比表面積0.8〜1.5m2/g)とを混合し、加えて平均粒径8〜12μmのカーボン粉末よりなる造孔材を添加し、ポリビニル系のバインダー及び界面活性剤を加え、これらが2−プロパノールなどの有機溶媒からなる分散媒体に分散されているスラリーを作製する。造孔材の添加量は、10〜18w%である。添加されているカーボン粉末は、焼結の際に燃焼して気化するため、カーボン粒子の存在していた箇所には空孔が形成される。なお、造孔材は、カーボン粉末に限るものではなく、焼結の際に気化して空孔が形成可能な材料であれば、他の材料を用いるようにしてもよい。 For example, zirconia (alumina-added scandium-stabilized zirconia: SASZ) powder (average particle size: 0.5 to 0.6 μm) to which Sc 2 O 3 and Al 2 O 3 are added, and nickel oxide powder A body (average particle size 3 to 5 μm, specific surface area 0.8 to 1.5 m 2 / g) is added, and a pore former made of carbon powder having an average particle size 8 to 12 μm is added. A binder and a surfactant are added, and a slurry in which these are dispersed in a dispersion medium composed of an organic solvent such as 2-propanol is prepared. The added amount of the pore former is 10 to 18 w%. Since the added carbon powder burns and vaporizes during sintering, voids are formed at the locations where the carbon particles were present. The pore former is not limited to carbon powder, and any other material may be used as long as it is a material that can be vaporized and form pores during sintering.

次に、作製したスラリーを例えばよく知られたドクターブレード法により成形してスラリーの層を形成し、このスラリーの層より分散媒体を除去することで乾燥し、燃料極グリーンシート121aが形成された状態とする。分散媒体としては、2−プロパノールなどのアルコール系溶媒に限らず、トルエン,キシレン,及びケトン系などの他の有機溶媒を用いてもよい。また、有機溶媒に限らず、上記混合粉末が、水に分散されたスラリーを用いるようにしてもよい。例えば、所定の界面活性剤を用いることで、上記混合粉末が水に分散された状態とすることができる。   Next, the produced slurry was formed by, for example, a well-known doctor blade method to form a slurry layer, and the dispersion medium was removed from the slurry layer and dried to form the fuel electrode green sheet 121a. State. The dispersion medium is not limited to alcohol solvents such as 2-propanol, and other organic solvents such as toluene, xylene, and ketones may be used. In addition to the organic solvent, a slurry in which the mixed powder is dispersed in water may be used. For example, by using a predetermined surfactant, the mixed powder can be dispersed in water.

次に、図1(b)に示すように、燃料極基板シート121の上に、膜厚30〜300μmの燃料極中間グリーンシート122が積層された状態とする。例えば、まず、SASZの粉体(平均粒径0.5〜0.6μm)と、酸化ニッケルの粉体(平均粒径1〜2μm,比表面積6〜8m2/g)とを混合し、加えて平均粒径2〜5μmのカーボン粉末よりなる造孔材を添加し、これらが上記同様の分散媒体に分散されているスラリーを作製する。造孔材の添加量は、最大で8w%である。 Next, as shown in FIG. 1B, a fuel electrode intermediate green sheet 122 having a film thickness of 30 to 300 μm is laminated on the fuel electrode substrate sheet 121. For example, first, SASZ powder (average particle size 0.5 to 0.6 μm) and nickel oxide powder (average particle size 1 to 2 μm, specific surface area 6 to 8 m 2 / g) are mixed and added. Then, a pore former made of carbon powder having an average particle diameter of 2 to 5 μm is added to prepare a slurry in which these are dispersed in the same dispersion medium as described above. The maximum amount of pore former added is 8 w%.

次に、作製したスラリーをドクターブレード法により成形してスラリーの層を形成し、このスラリーの層より分散媒体を除去することで乾燥し、燃料極中間グリーンシート122が形成された状態とする。このようにして形成された燃料極中間グリーンシート122を、燃料極基板シート121の上に積層させ、これらをホットプレスする。なお、ドクターブレード法に限らず、スクリーン印刷法により燃料極中間グリーンシート122が形成されているようにしてもよい。   Next, the produced slurry is formed by a doctor blade method to form a slurry layer, and the dispersion medium is removed from the slurry layer to dry the fuel electrode intermediate green sheet 122. The fuel electrode intermediate green sheet 122 formed in this way is laminated on the fuel electrode substrate sheet 121, and these are hot pressed. The fuel electrode intermediate green sheet 122 may be formed not only by the doctor blade method but also by screen printing.

次に、図1(c)に示すように、燃料極中間グリーンシート122の上に、電解質層グリーン体123が形成された状態とする。例えば、SASZの粉体(平均粒径0.5〜0.6μm)を所定の媒体に分散させてスラリーを作製し、スクリーン印刷法により作製したスラリーを燃料極中間グリーンシート122の上に塗布し、塗布膜が形成された状態とする。この塗布を複数回行って塗布膜を積層させることで、膜厚7〜20μmの電解質層グリーン体123が形成された状態とする。   Next, as shown in FIG. 1C, an electrolyte layer green body 123 is formed on the fuel electrode intermediate green sheet 122. For example, a SASZ powder (average particle size of 0.5 to 0.6 μm) is dispersed in a predetermined medium to prepare a slurry, and the slurry prepared by screen printing is applied onto the fuel electrode intermediate green sheet 122. The coating film is formed. By performing this application a plurality of times and laminating the coating film, an electrolyte layer green body 123 having a film thickness of 7 to 20 μm is formed.

次に、塗布により形成した電解質層グリーン体123が乾燥した後、燃料極基板シート121,燃料極中間グリーンシート122,及び電解質層グリーン体123よりなる積層構造体を加熱し、これらが焼結された状態とする。また、焼結体を所定の寸法となるように外径加工を行い、図1(d)に示すように、燃料極基板101の上に燃料極中間層102が形成され、燃料極中間層102の上に電解質層103が形成された状態とする。   Next, after the electrolyte layer green body 123 formed by coating is dried, the laminated structure including the fuel electrode substrate sheet 121, the fuel electrode intermediate green sheet 122, and the electrolyte layer green body 123 is heated, and these are sintered. State. Further, the outer diameter of the sintered body is processed so as to have a predetermined dimension, and as shown in FIG. 1D, the fuel electrode intermediate layer 102 is formed on the fuel electrode substrate 101, and the fuel electrode intermediate layer 102 is formed. An electrolyte layer 103 is formed on the substrate.

焼結体とすることで、電解質層103の膜厚は、5〜16μm程度となり、燃料極中間層102の膜厚は、23〜240μm程度となる。また、燃料極基板101は、気孔率が28〜33%,平均細孔径が0.62〜0.75μmとなり、燃料極中間層102は、気孔率が6〜20%,平均細孔径が0.15〜0.25μmとなる。なお、気孔率及び平均細孔径は、水銀圧入法により測定された結果である。よく知られているように、水銀圧入法によれば、7nm〜400μmの広範囲の細孔径分布をみることが可能であり、平均細孔径,気孔率,細孔容積,及び細孔比表面積など、細孔径分布の情報が得られる。   By setting it as a sintered compact, the film thickness of the electrolyte layer 103 will be about 5-16 micrometers, and the film thickness of the fuel electrode intermediate | middle layer 102 will be about 23-240 micrometers. The fuel electrode substrate 101 has a porosity of 28 to 33% and an average pore diameter of 0.62 to 0.75 μm, and the fuel electrode intermediate layer 102 has a porosity of 6 to 20% and an average pore diameter of 0.1. 15 to 0.25 μm. In addition, a porosity and an average pore diameter are the results measured by the mercury intrusion method. As is well known, according to the mercury intrusion method, it is possible to see a wide pore size distribution of 7 nm to 400 μm, such as average pore size, porosity, pore volume, and pore specific surface area. Information on the pore size distribution can be obtained.

この後、図1(e)に示すように、電解質層103の上に空気極104が形成された状態とすることで、固体酸化物形燃料電池のセルが形成された状態が得られる。なお、空気極104は、例えば、Bサイトに鉄(Fe)をドープしたLaNi(Fe)O3よりなる平均粒径1μm程度の粉体の焼結体である。なお、上述した各平均粒径は、次に示す粒度分布測定条件で測定した値である。測定装置:堀場製作所株式会社製レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置LA−910型。測定モード:マニュアルフロー式セル測定。測定範囲:0.02μm〜1000μm。分散媒:イオン交換水200ml。分散方法:試料を、上記測定装置内で超音波5分照射して測定を行う。屈折率:1.40−0.00i。 Thereafter, as shown in FIG. 1 (e), by setting the air electrode 104 on the electrolyte layer 103, a state in which the cells of the solid oxide fuel cell are formed can be obtained. The air electrode 104 is, for example, a powder sintered body having an average particle diameter of about 1 μm made of LaNi (Fe) O 3 doped with iron (Fe) at the B site. In addition, each average particle diameter mentioned above is the value measured on the particle size distribution measurement conditions shown next. Measuring device: Laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device LA-910 manufactured by HORIBA, Ltd. Measurement mode: Manual flow cell measurement. Measurement range: 0.02 μm to 1000 μm. Dispersion medium: 200 ml of ion exchange water. Dispersion method: Measurement is performed by irradiating the sample with ultrasonic waves for 5 minutes in the measurement apparatus. Refractive index: 1.40-0.00i.

上述したことにより作製された図1(e)に示す固体酸化物形燃料電池によれば、膜厚が5〜16μmと薄くても、リークのない状態に電解質層103が形成される。このように、リークのない状態で薄い電解質層103を形成することができるので、セルの内部抵抗を低減させることができる。また、燃料極基板101は、気孔率が高く細孔径が大きいので、高いガス拡散性が確保されている。一方、燃料極中間層102は、気孔率が低く細孔径が小さいので、三層界面がより多く存在した状態が得られ、高い電極活性が得られる状態とされている。   According to the solid oxide fuel cell shown in FIG. 1E manufactured as described above, the electrolyte layer 103 is formed in a leak-free state even when the film thickness is as thin as 5 to 16 μm. As described above, since the thin electrolyte layer 103 can be formed in a leak-free state, the internal resistance of the cell can be reduced. In addition, since the fuel electrode substrate 101 has a high porosity and a large pore diameter, high gas diffusibility is ensured. On the other hand, since the fuel electrode intermediate layer 102 has a low porosity and a small pore diameter, a state where more three-layer interfaces exist is obtained, and a high electrode activity is obtained.

上述した本実施の形態における固体酸化物形燃料電池によれば、燃料極を主にガス拡散を担う燃料極基板101と、電解質層103に接する部分の燃料極中間層102とを積層した構成とし、高い電極活性と良好なガス拡散性との両立が図れるようにしたものである。これにより、燃料利用率の高い発電条件においても高い出力が実現され、燃料電池の発電効率が向上する。また、電解質層103に隣接する燃料極中間層102が細孔径の小さな構造となるため、これらを同時に焼結する時に発生する電解質層103の欠陥が抑制され、薄膜化が可能となり、また、セルの平坦性が向上する。これによりスタック時のセルの破損が抑制されるため、セルスタックの信頼性が向上する。   According to the solid oxide fuel cell in the present embodiment described above, the fuel electrode substrate 101 mainly responsible for gas diffusion of the fuel electrode and the fuel electrode intermediate layer 102 in contact with the electrolyte layer 103 are laminated. Thus, both high electrode activity and good gas diffusivity can be achieved. Thereby, high output is realized even under power generation conditions with a high fuel utilization rate, and the power generation efficiency of the fuel cell is improved. In addition, since the fuel electrode intermediate layer 102 adjacent to the electrolyte layer 103 has a structure having a small pore diameter, defects in the electrolyte layer 103 that occur when these are simultaneously sintered are suppressed, and the thickness of the cell can be reduced. The flatness of the is improved. This suppresses cell damage during stacking, thereby improving the reliability of the cell stack.

ここで、リークのない状態で薄い電解質層を作製することについて説明する。ここでは、燃料極における気孔率及び細孔径(平均細孔径)の異なる2つの試料セル(第1試料セル及び第2試料セル)を作製し、これら2つの試料セルにおける電解質層の状態を調査した結果について説明する。まず、前述同様にすることで、膜厚300〜600μmの燃料極グリーンシートが複数積層されて膜厚1.2mm程度とされた未焼成の燃料極を用意する。   Here, the production of a thin electrolyte layer without leakage will be described. Here, two sample cells (first sample cell and second sample cell) having different porosity and pore diameter (average pore diameter) in the fuel electrode were prepared, and the state of the electrolyte layer in these two sample cells was investigated. The results will be described. First, an unfired fuel electrode having a thickness of about 1.2 mm is prepared by stacking a plurality of fuel electrode green sheets having a thickness of 300 to 600 μm in the same manner as described above.

第1試料セルにおいては、SASZの粉体(平均粒径0.5〜0.6μm)と、酸化ニッケルの粉体(平均粒径3〜5μm,比表面積0.8〜1.5m2/g)とを混合し、加えて平均粒径8〜12μmの範囲でカーボン粉末を添加したスラリーを用いる。カーボン粉末の添加量は、10〜20w%とする。 In the first sample cell, SASZ powder (average particle size 0.5 to 0.6 μm) and nickel oxide powder (average particle size 3 to 5 μm, specific surface area 0.8 to 1.5 m 2 / g). And a slurry added with carbon powder in an average particle size range of 8 to 12 μm. The addition amount of carbon powder shall be 10-20 w%.

一方、第2試料セルにおいては、SASZの粉体(平均粒径0.5〜0.6μm)と、酸化ニッケルの粉体(平均粒径1〜2μm,比表面積6〜8m2/g)とを混合し、加えて平均粒径2〜5μmの範囲でカーボン粉末を添加したスラリーを用いる。カーボン粉末の添加量は、7〜10w%とする。 On the other hand, in the second sample cell, SASZ powder (average particle size 0.5 to 0.6 μm) and nickel oxide powder (average particle size 1 to 2 μm, specific surface area 6 to 8 m 2 / g) And a slurry added with carbon powder in an average particle size range of 2 to 5 μm is used. The amount of carbon powder added is 7 to 10 w%.

次に、各燃料極グリーンシートの積層構造体の上に、電解質のグリーン体が積層された状態とする。まず、SASZの粉体(平均粒径0.5〜0.6μm)を所定の媒体に分散させてスラリーを作製し、スクリーン印刷法により作製したスラリーを燃料極グリーンシートの積層体の上に塗布し、塗布膜が形成された状態とする。この塗布を複数回行って塗布膜を積層させることで、膜厚7〜16μmの範囲で電解質のグリーン体が形成された状態とする。   Next, an electrolyte green body is laminated on the laminated structure of each fuel electrode green sheet. First, a SASZ powder (average particle size 0.5 to 0.6 μm) is dispersed in a predetermined medium to prepare a slurry, and the slurry prepared by a screen printing method is applied onto a laminate of fuel electrode green sheets. Then, the coating film is formed. By applying this coating a plurality of times and laminating the coating film, an electrolyte green body is formed in a thickness range of 7 to 16 μm.

このようにして電解質のグリーン体を積層した後、これらを焼結し、第1試料セル及び第2試料セルが形成された状態とする。焼結により、電解質層は、膜厚5〜14μmとなる。また、焼結により、第1試料セルにおいては、燃料極が、気孔率30〜33%,平均細孔径0.62〜0.75μmとなる。また、第2試料セルにおいては、燃料極が、気孔率27〜30%,平均細孔径0.23〜0.3μmとなる。   Thus, after laminating | stacking the green body of electrolyte, these are sintered and it is set as the state in which the 1st sample cell and the 2nd sample cell were formed. By sintering, the electrolyte layer has a thickness of 5 to 14 μm. Moreover, in the first sample cell, the fuel electrode has a porosity of 30 to 33% and an average pore diameter of 0.62 to 0.75 μm by sintering. In the second sample cell, the fuel electrode has a porosity of 27 to 30% and an average pore diameter of 0.23 to 0.3 μm.

このようにして作製した第1試料セルにおいては、膜厚10μm程度に形成された電解質層に、多数のリークがみられた。これに対し、第2試料セルにおいては、膜厚が10μm程度までは、電解質層にリークはみられなかった。   In the first sample cell thus fabricated, a large number of leaks were observed in the electrolyte layer formed to a thickness of about 10 μm. On the other hand, in the second sample cell, no leakage was observed in the electrolyte layer until the film thickness was about 10 μm.

これらの結果より、造孔材として平均粒径8〜12μmのカーボン粉末が添加されていると、焼結のときのカーボン粉末の燃焼により、電解質層が損傷を受けるものと考えられる。これに対し、造孔材として平均粒径2〜5μmと小さいカーボン粉末を用い、また添加量を少なくすることで、焼結のときのカーボン粉末の燃焼により、電解質層があまり損傷を受けないものと考えられる。   From these results, it is considered that when the carbon powder having an average particle diameter of 8 to 12 μm is added as the pore former, the electrolyte layer is damaged by the combustion of the carbon powder during sintering. In contrast, by using a carbon powder with a small average particle size of 2 to 5 μm as the pore former and reducing the amount added, the electrolyte layer is not damaged much by the combustion of the carbon powder during sintering. it is conceivable that.

これらのことより、図1に示したように、電解質層103に接して設けられる燃料極中間層102は、燃料極基板101に比較してより微細な造孔材を用い、また、造孔材の添加量を減少させることで、電解質層103への損傷を抑制できることがわかる。燃料極中間層102の形成においては、造孔材を用いなくてもよい。なお、第1試料セルと第2試料セルとを比較すると、第1試料セルの方が、粒径の大きな酸化ニッケル粉末を用いている。このため、焼結による燃料極の収縮は、第1試料セルの方が小さい。このため、第1試料セルの方が、焼結における燃料極の収縮率と電解質層の収縮率とが異なり、この点においても、燃料極と電解質層とを同時に焼結する(共焼結する)ときに、燃料極の収縮率が電解質に対して非常に小さいため、電解質の緻密化を妨げ、電解質にリークが発生する原因となる。   Accordingly, as shown in FIG. 1, the fuel electrode intermediate layer 102 provided in contact with the electrolyte layer 103 uses a finer pore-forming material than the fuel electrode substrate 101, and the pore-forming material. It can be seen that the damage to the electrolyte layer 103 can be suppressed by reducing the addition amount of. In forming the fuel electrode intermediate layer 102, the pore former may not be used. When comparing the first sample cell and the second sample cell, the first sample cell uses nickel oxide powder having a larger particle size. For this reason, the contraction of the fuel electrode due to sintering is smaller in the first sample cell. For this reason, the shrinkage rate of the fuel electrode and the shrinkage rate of the electrolyte layer in the first sample cell are different, and also in this respect, the fuel electrode and the electrolyte layer are simultaneously sintered (co-sintered). ) In some cases, the contraction rate of the fuel electrode is very small with respect to the electrolyte, which prevents densification of the electrolyte and causes leakage of the electrolyte.

ところで、燃料極中間層102は、燃料極基板101に比較して気孔の割合が低く細孔径も小さくされている。この状態は、走査型電子顕微鏡による断面の観察により確認されている。このため、燃料極中間層102は、ガスの透過性があまり大きくなく、燃料極中間層102を厚くすると、発電時の燃料極におけるガスの拡散が阻害される場合がある。このため、燃料極中間層102の膜厚とガスの透過性との関係について調査し、燃料極中間層102の膜厚条件について計算した。   Incidentally, the fuel electrode intermediate layer 102 has a lower proportion of pores and a smaller pore diameter than the fuel electrode substrate 101. This state is confirmed by observation of a cross section with a scanning electron microscope. For this reason, the fuel electrode intermediate layer 102 does not have a very high gas permeability, and if the fuel electrode intermediate layer 102 is thickened, gas diffusion in the fuel electrode during power generation may be hindered. Therefore, the relationship between the film thickness of the fuel electrode intermediate layer 102 and the gas permeability was investigated, and the film thickness condition of the fuel electrode intermediate layer 102 was calculated.

調査では、燃料極中間層102と同様に形成した膜厚1mmとした燃料極試料の一方側より差圧100〜500mmH2Oでヘリウムガスを供給し、燃料極試料の他方の側の面からのガス透過量を石けん膜流量計により測定する。また、測定されたガス透過量qを用い、「q=Q×膜の両側の差圧×測定面積/膜厚」の式により、ガス透過係数Qを算出する。なお、1mmH2O=9.80665Paであり、上述した差圧は、980.7〜4903.3Paとなる。調査の結果、燃料極中間層102のガス透過係数は、3.1×10-5(ml・cm/g・sec)であった。 In the investigation, helium gas was supplied at a differential pressure of 100 to 500 mmH 2 O from one side of a fuel electrode sample formed in the same manner as the fuel electrode intermediate layer 102 and having a thickness of 1 mm, and from the other side surface of the fuel electrode sample. Gas permeation is measured with a soap film flow meter. Further, using the measured gas permeation amount q, the gas permeation coefficient Q is calculated by the equation of “q = Q × differential pressure on both sides of the membrane × measurement area / film thickness”. Note that 1 mmH 2 O = 9.80665 Pa, and the above-described differential pressure is 980.7 to 4903.3 Pa. As a result of the investigation, the gas permeability coefficient of the fuel electrode intermediate layer 102 was 3.1 × 10 −5 (ml · cm / g · sec).

また、上述した式により、燃料極中間層102の膜厚上限を見積もることが可能となる。図2は、差圧100mmH2Oにおける燃料極中間層102の膜厚とガス透過量の関係を示す特性図である。燃料電池による発電で1A/cm2の電流が流れるとき、発電に必要な水素の量は、やく7ml/minである。燃料電池の運転で、燃料利用率70%で1A/cm2の発電を行おうとした場合、発電に必要な水素供給量は10ml/min・cm2と算出される。従って、図2より、燃料極中間層102の膜厚の上限は、200μmと考えられる。ただし、この200μmは、燃料極中間層102における膜厚の上限であり、より気孔率が高い燃料極中間層を用い、ガス透過係数を大きくすることで、より厚い膜厚とすることが可能となる。 Further, the upper limit of the film thickness of the fuel electrode intermediate layer 102 can be estimated by the above-described formula. FIG. 2 is a characteristic diagram showing the relationship between the film thickness of the fuel electrode intermediate layer 102 and the gas permeation amount at a differential pressure of 100 mmH 2 O. When a current of 1 A / cm 2 flows during power generation by the fuel cell, the amount of hydrogen necessary for power generation is only 7 ml / min. In the operation of the fuel cell, when an attempt is made to generate 1 A / cm 2 at a fuel utilization rate of 70%, the hydrogen supply amount necessary for the generation is calculated as 10 ml / min · cm 2 . Therefore, from FIG. 2, the upper limit of the film thickness of the fuel electrode intermediate layer 102 is considered to be 200 μm. However, this 200 μm is the upper limit of the film thickness in the fuel electrode intermediate layer 102, and it is possible to make the film thickness thicker by using a fuel electrode intermediate layer with a higher porosity and increasing the gas permeability coefficient. Become.

また、前述したように、燃料極中間層102は、スクリーン印刷法により形成することが可能であり、この方法によれば、膜厚5〜20μm程度の燃料極中間グリーン体の層が形成可能となる。しかし、スクリーン印刷法を用いた燃料極中間層の形成では、中間層形成のためのスラリーに造孔材を添加すると、形成された電解質層にリークがみられる。また、膜厚が10μm未満では、造孔材を添加せずに燃料極中間シートを形成しても、焼結時の燃料極基板シート121における造孔材の燃焼により損傷を受け、電解質層にリークがみられるようになる。これらのことより、燃料極中間層は、膜厚が10μm以上とした方がよい。   Further, as described above, the anode intermediate layer 102 can be formed by a screen printing method, and according to this method, an anode intermediate green body layer having a film thickness of about 5 to 20 μm can be formed. Become. However, in the formation of the fuel electrode intermediate layer using the screen printing method, when the pore former is added to the slurry for forming the intermediate layer, leakage is observed in the formed electrolyte layer. Also, if the film thickness is less than 10 μm, even if the fuel electrode intermediate sheet is formed without adding the pore former, it is damaged by the burning of the pore former in the fuel electrode substrate sheet 121 during sintering, and the electrolyte layer is damaged. Leaks can be seen. For these reasons, it is preferable that the fuel electrode intermediate layer has a thickness of 10 μm or more.

次に、前述した各試料セル及び図1に示す単セルを用いて図3の断面図に示すような固体酸化物形燃料電池とし、各セルにおける発電出力と水素ガス供給量との関係を測定した。はじめに、図3に示す固体酸化物形燃料電池について説明すると、燃料極基板301の上に電解質層302及び空気極303が設けられ、燃料極基板301の裏面には、Ptよりなる集電体層304が設けられ、空気極303の上には、Ptよりなる集電体層305が設けられている。また、燃料極基板301の周端部が、ガラスシール306を介してアルミナ製のマニホールド307の内側側面に固定され、空気極303の側とガスの混入を防ぐように封止されている。また、集電体層304には白金端子線308が接続され、集電体層305には、白金端子線309が接続されている。   Next, using each sample cell described above and the single cell shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell as shown in the cross-sectional view of FIG. 3 is obtained, and the relationship between the power generation output and the hydrogen gas supply amount in each cell is measured. did. First, the solid oxide fuel cell shown in FIG. 3 will be described. An electrolyte layer 302 and an air electrode 303 are provided on a fuel electrode substrate 301, and a current collector layer made of Pt is formed on the back surface of the fuel electrode substrate 301. 304 is provided, and a current collector layer 305 made of Pt is provided on the air electrode 303. Further, the peripheral end portion of the fuel electrode substrate 301 is fixed to the inner side surface of the alumina manifold 307 through a glass seal 306, and is sealed so as to prevent the gas from entering the air electrode 303 side. A platinum terminal wire 308 is connected to the current collector layer 304, and a platinum terminal wire 309 is connected to the current collector layer 305.

このように構成された固体酸化物形燃料電池において、マニホールド307の側よりセルの燃料極側に燃料ガスとなる水素ガスが供給され、空気極303の側には空気が供給され、発電動作がなされる。なお、図3に示す固体酸化物燃料電池は、電気加熱炉中に配置し、空気極303に空気を供給し、燃料極基板301には窒素ガスを供給した状態で、ヒータ310により加熱昇温し、加熱温度が800℃に達した時点で、燃料極基板301に対して窒素ガスの供給を停止して水素ガスを供給することで、発電動作を開始させる。   In the solid oxide fuel cell configured as described above, hydrogen gas serving as fuel gas is supplied from the manifold 307 side to the fuel electrode side of the cell, and air is supplied to the air electrode 303 side, so that power generation operation is performed. Made. The solid oxide fuel cell shown in FIG. 3 is arranged in an electric heating furnace, heated with a heater 310 while supplying air to the air electrode 303 and supplying nitrogen gas to the fuel electrode substrate 301. When the heating temperature reaches 800 ° C., the supply of nitrogen gas is stopped and the hydrogen gas is supplied to the fuel electrode substrate 301 to start the power generation operation.

図4は、前述した各試料セル及び図1の単セルを用いて図3に示す固体酸化物形燃料電池を構成し、発電出力と水素ガス供給量との関係を測定した結果を示す特性図である。図4に示すように、黒丸で示す第2試料セルを用いた電池では、燃料となる水素ガスの供給流量が多くなるほど、高い出力が得られているが、流量が低い領域では、出力が大きく低下している。また、白丸で示す第1試料セルを用いた電池では、水素ガスの供給流量を多くしてもあまり高い出力が得られず、第1試料の場合に対して出力が小さい。しかしながら、水素ガスの供給流量が低下しても、大きく出力が低下することがない。   FIG. 4 is a characteristic diagram showing the results of measuring the relationship between the power generation output and the hydrogen gas supply amount by configuring the solid oxide fuel cell shown in FIG. 3 using each of the sample cells described above and the single cell of FIG. It is. As shown in FIG. 4, in the battery using the second sample cell indicated by the black circle, a higher output is obtained as the supply flow rate of the hydrogen gas serving as the fuel increases. However, in the region where the flow rate is low, the output is larger. It is falling. In addition, in a battery using the first sample cell indicated by a white circle, a very high output cannot be obtained even if the supply flow rate of hydrogen gas is increased, and the output is small compared to the case of the first sample. However, even if the supply flow rate of hydrogen gas decreases, the output does not decrease greatly.

これらのことより、第1試料セルの方は、燃料極におけるガス拡散性が高く、第2試料セルの方は、三層界面がより多く高い電極活性が得られているものと考えられる。また、黒三角で示す図1の単セルを用いた電池では、水素ガスの供給流量にかかわらず高い出力が得られ、また、水素ガスの供給流量が低下しても、出力の低下が小さい。このことにより、図1に示す単セルによれば、燃料極におけるガスの拡散性が高く、かつ高い電極活性が得られていることがわかる。   From these facts, it is considered that the first sample cell has higher gas diffusibility at the fuel electrode, and the second sample cell has higher electrode activity with more three-layer interfaces. Further, in the battery using the single cell of FIG. 1 indicated by the black triangle, a high output is obtained regardless of the hydrogen gas supply flow rate, and even if the hydrogen gas supply flow rate decreases, the output decrease is small. Accordingly, it can be seen that the single cell shown in FIG. 1 has high gas diffusibility in the fuel electrode and high electrode activity.

なお、上述では、燃料極を燃料極基板及び燃料極中間層の2つの層から構成するようにしたが、これに限るものではない。電解質層に接する層においては、気孔率を低くし、また細孔径を小さくすることで、三層界面を多い状態とし、電解質層より離れている層においては、気孔率を高くし、また細孔径を大きくすることで、供給する燃料ガスの拡散性が高くなるようにすることが重要である。したがって、2層に限らず3層以上から燃料極が構成されていてもよい。例えば、電解質層に接する第1層においては、造孔材を添加せず、第1層に続く第2層においては、粒径がより小さい造孔材を添加し、第2層に続く第3層においては、粒径がより大きい造孔材を添加し、これらの状態で焼結することで、燃料極及び電解質層が作製されるようにしてもよい。また、第1層における酸化ニッケル粉末の粒径<第2層における酸化ニッケル粉末の粒径<第3層における酸化ニッケル粉末の粒径としてもよい。   In the above description, the fuel electrode is composed of the two layers of the fuel electrode substrate and the fuel electrode intermediate layer. However, the present invention is not limited to this. In the layer in contact with the electrolyte layer, the porosity is lowered and the pore diameter is reduced, so that the three-layer interface is increased.In the layer far from the electrolyte layer, the porosity is increased and the pore diameter is increased. It is important to increase the diffusibility of the supplied fuel gas by increasing the value of. Therefore, the fuel electrode may be composed of not only two layers but also three or more layers. For example, in the first layer in contact with the electrolyte layer, no pore former is added, and in the second layer following the first layer, a pore former having a smaller particle size is added, and the third layer following the second layer is added. In the layer, the fuel electrode and the electrolyte layer may be produced by adding a pore former having a larger particle size and sintering in these states. Alternatively, the particle diameter of the nickel oxide powder in the first layer <the particle diameter of the nickel oxide powder in the second layer <the particle diameter of the nickel oxide powder in the third layer.

本発明の実施の形態における固体酸化物形燃料電池の作製方法例を示す工程図である。It is process drawing which shows the example of a manufacturing method of the solid oxide fuel cell in embodiment of this invention. 差圧100mmH2Oにおける燃料極中間層102の膜厚とガス透過量の関係を示す特性図である。It is a characteristic view showing the relationship between the film thickness of the fuel electrode intermediate layer 102 and the gas permeation amount at a differential pressure of 100 mmH 2 O. 固体酸化物形燃料電池の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of a solid oxide fuel cell. 各試料セルを用いて図3に示す固体酸化物形燃料電池を構成し、発電出力と水素ガス供給量との関係を測定した結果を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the result of having comprised the solid oxide fuel cell shown in FIG. 3 using each sample cell, and measuring the relationship between an electric power generation output and hydrogen gas supply amount. 従来よりある燃料極支持型の平板燃料電池セルの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the conventional fuel electrode support type flat fuel cell. 固体酸化物形燃料電池における発電反応を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the electric power generation reaction in a solid oxide fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

101…燃料極基板、102…燃料極中間層、103…電解質層、104…空気極、121…燃料極基板シート、121a…燃料極グリーンシート、122…燃料極中間グリーンシート、123…電解質層グリーン体。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Fuel electrode substrate, 102 ... Fuel electrode intermediate layer, 103 ... Electrolyte layer, 104 ... Air electrode, 121 ... Fuel electrode substrate sheet, 121a ... Fuel electrode green sheet, 122 ... Fuel electrode intermediate green sheet, 123 ... Electrolyte layer green body.

Claims (7)

焼結体より構成されて支持基板となる燃料極基板と、この燃料極基板の上に設けられた焼結体より構成された電解質層と、この電解質層の上に設けられた空気極とを備えた固体酸化物形燃料電池の作製方法において、
ジルコニア系酸化物の粉体に金属酸化物の粉体を混合した混合粉体に造孔材が添加されて形成された第1スラリーより未焼結の燃料極基板が形成された状態とする第1工程と、
未焼結の前記燃料極基板の上に、前記混合粉体より形成された第2スラリーより未焼結の燃料極中間層が形成された状態とする第2工程と、
未焼結の前記燃料極中間層の上に、ジルコニア系酸化物の粉体で形成された第3スラリーより未焼結の電解質層が形成された状態とする第3工程と、
未焼結の前記燃料極基板,未焼結の前記燃料極中間層,及び未焼結の前記電解質層を加熱し、焼結された燃料極基板,焼結された燃料極中間層,及び焼結された電解質層が形成された状態とする第4工程と、
前記電解質層の上に空気極が形成された状態とする第5工程と
を少なくとも備え、
前記第2スラリーは、前記第1スラリーに添加された造孔材より小さい粒径の造孔材が、前記第1スラリーに添加された造孔材より少ない量で添加され、
前記第1スラリーには、平均粒径が8〜12μmの造孔材が10〜18wt%添加され、
前記第2スラリーには、平均粒径が2〜5μmの造孔材が最大で8wt%添加され、
前記造孔材は、加熱により気化する粉体から構成されたものであり、
燃料極中間層の気孔率を燃料極基板の気孔率より小さくする
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池の作製方法。
A fuel electrode substrate made of a sintered body and serving as a support substrate, an electrolyte layer formed of a sintered body provided on the fuel electrode substrate, and an air electrode provided on the electrolyte layer In a method for producing a solid oxide fuel cell provided,
A non-sintered fuel electrode substrate is formed from a first slurry formed by adding a pore former to a mixed powder obtained by mixing metal oxide powder with zirconia oxide powder. 1 process,
A second step in which an unsintered fuel electrode intermediate layer is formed from the second slurry formed from the mixed powder on the unsintered fuel electrode substrate;
A third step in which an unsintered electrolyte layer is formed from a third slurry formed of zirconia-based oxide powder on the unsintered fuel electrode intermediate layer;
The unsintered fuel electrode substrate, the unsintered fuel electrode intermediate layer, and the unsintered electrolyte layer are heated to obtain a sintered fuel electrode substrate, a sintered fuel electrode intermediate layer, and a sintered body. A fourth step in which the bound electrolyte layer is formed;
And at least a fifth step in which an air electrode is formed on the electrolyte layer,
In the second slurry, a pore former having a particle size smaller than that of the pore former added to the first slurry is added in a smaller amount than the pore former added to the first slurry,
To the first slurry, 10-18 wt% of a pore former having an average particle size of 8-12 μm is added,
A maximum of 8 wt% of a pore former having an average particle diameter of 2 to 5 μm is added to the second slurry,
The pore-forming material state, and are not constructed from a powder to vaporize by heating,
A method for producing a solid oxide fuel cell, characterized in that the porosity of the fuel electrode intermediate layer is smaller than the porosity of the fuel electrode substrate .
請求項記載の固体酸化物形燃料電池の作製方法において、
前記第2スラリーに混合されている前記金属酸化物の粉体の粒径は、前記第1スラリーに混合されている前記金属酸化物の粉体の粒径より小さくされている
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池の作製方法。
In the manufacturing method of the solid oxide fuel cell of Claim 1 ,
The particle size of the metal oxide powder mixed in the second slurry is smaller than the particle size of the metal oxide powder mixed in the first slurry. A method for producing a solid oxide fuel cell.
請求項1または2記載の固体酸化物形燃料電池の作製方法において、
前記第1スラリーに添加する造孔材の添加量が多いほど、前記燃料極中間層を厚く形成する
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池の作製方法。
In the manufacturing method of the solid oxide fuel cell of Claim 1 or 2 ,
The method for producing a solid oxide fuel cell, characterized in that the fuel electrode intermediate layer is formed thicker as the amount of pore former added to the first slurry is larger.
請求項1〜のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池の作製方法において、
前記造孔材は、カーボン粉末である
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池の作製方法。
In the manufacturing method of the solid oxide fuel cell of any one of Claims 1-3 ,
The method for producing a solid oxide fuel cell, wherein the pore former is carbon powder.
請求項1〜のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池の作製方法において、
前記金属酸化物は、酸化ニッケルである
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池の作製方法。
In the manufacturing method of the solid oxide fuel cell of any one of Claims 1-4 ,
The method for producing a solid oxide fuel cell, wherein the metal oxide is nickel oxide.
請求項記載の固体酸化物形燃料電池の作製方法において、
前記第1スラリーには、平均粒径が3〜5μmの酸化ニッケルの粉体が混合され、
前記第2スラリーには、平均粒径が1〜2μmの酸化ニッケルの粉体が混合されている
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池の作製方法。
The method for producing a solid oxide fuel cell according to claim 5 ,
The first slurry is mixed with nickel oxide powder having an average particle size of 3 to 5 μm,
A method for producing a solid oxide fuel cell, wherein the second slurry is mixed with nickel oxide powder having an average particle diameter of 1 to 2 μm.
請求項1〜のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池の作製方法により作製されたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 A solid oxide fuel cell produced by the method for producing a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6 .
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