JP5114852B2 - Method for producing solid oxide fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a solid oxide fuel cell.
固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、現在、第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでおり、円筒型、モノリス型及び平板積層型の3種類が提案されている。そのいずれもが、酸化物イオン伝導体からなる固体電解質(電解質層)を空気極層(カソード)と燃料極層(アノード)との間に挟んだ積層体を有する。通常、この積層体からなる単セルがセパレータと交互に積層されて、燃料電池スタックが構成されている(例えば特許文献1参照)。 Solid oxide fuel cells (SOFCs) are currently being developed as third-generation power generation fuel cells, and three types are proposed: cylindrical, monolith, and flat plate stack. Each of them has a laminate in which a solid electrolyte (electrolyte layer) made of an oxide ion conductor is sandwiched between an air electrode layer (cathode) and a fuel electrode layer (anode). Usually, the single cell which consists of this laminated body is laminated | stacked alternately with a separator, and the fuel cell stack is comprised (for example, refer patent document 1).
固体酸化物形燃料電池では、空気極層側に酸素(空気)が、燃料極層側に燃料ガス(H2、CO、CH4等)が供給される。空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン(O2-)にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層の方向に向かって電解質層内を移動(拡散)する。そして、燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で燃料ガスと反応して反応生成物(H2O、CO2等)となり、同時に電子を放出する。この電子は、外部電気回路を通って電気的な仕事をした後、空気極層に到達する。 In the solid oxide fuel cell, oxygen (air) is supplied to the air electrode layer side, and fuel gas (H 2 , CO, CH 4, etc.) is supplied to the fuel electrode layer side. Oxygen supplied to the air electrode layer passes through the pores in the air electrode layer and reaches the vicinity of the interface with the electrolyte layer, and receives electrons from the air electrode layer at this portion to form oxide ions (O 2− ). Ionized. The oxide ions move (diffuse) in the electrolyte layer toward the fuel electrode layer. The oxide ions that reach the vicinity of the interface with the fuel electrode layer react with the fuel gas at this portion to become reaction products (H 2 O, CO 2, etc.), and simultaneously release electrons. The electrons reach the air electrode layer after performing electrical work through an external electric circuit.
空気極層側で起こる電極反応、即ち酸素分子から酸化物イオンへのイオン化反応(1/2O2+2e-→O2-)は、酸素分子、電子及び酸化物イオンの三者が関与することから、酸化物イオンを運ぶ電解質層と、電子を運ぶ空気極層と、酸素分子を供給する気相(空気)との三相の界面で起こる。燃料極層側でも同様に、電解質層と、燃料極層と、気相(燃料ガス)との三相の界面で電極反応が起こる。従って、この三相の界面を増大させることが電極反応の円滑な進行に有利であると考えられている。 The electrode reaction that occurs on the air electrode layer side, that is, the ionization reaction from oxygen molecules to oxide ions (1 / 2O 2 + 2e − → O 2− ), involves the three components of oxygen molecules, electrons, and oxide ions. It occurs at a three-phase interface between an electrolyte layer that carries oxide ions, an air electrode layer that carries electrons, and a gas phase (air) that supplies oxygen molecules. Similarly, on the fuel electrode layer side, an electrode reaction occurs at the three-phase interface of the electrolyte layer, the fuel electrode layer, and the gas phase (fuel gas). Therefore, it is considered that increasing the three-phase interface is advantageous for smooth progress of the electrode reaction.
電解質層は、酸化物イオンの移動媒体であると同時に、燃料ガスと空気とを直接接触させないための隔壁としても機能するので、ガス不透過性の緻密な構造となっている。この電解質層は、酸化物イオン伝導性が高く、空気極層側の酸化性雰囲気から燃料極層側の還元性雰囲気までの条件下で化学的に安定で、かつ、熱衝撃に強い材料から構成する必要があり、かかる要件を満たす材料として、イットリアを添加した安定化ジルコニア(以下、「YSZ」と略称する)等からなる金属酸化物膜が一般的に使用されている。 The electrolyte layer is a moving medium for oxide ions and also functions as a partition wall for preventing the fuel gas and air from coming into direct contact with each other. Therefore, the electrolyte layer has a dense structure that is impermeable to gas. This electrolyte layer is composed of a material that has high oxide ion conductivity, is chemically stable under conditions from the oxidizing atmosphere on the air electrode layer side to the reducing atmosphere on the fuel electrode layer side, and is resistant to thermal shock. As a material that satisfies this requirement, a metal oxide film made of stabilized zirconia (hereinafter abbreviated as “YSZ”) to which yttria is added is generally used.
一方、空気極層及び燃料極層は、いずれも電子伝導性の高い材料から構成する必要がある。空気極層の材料は、1000℃前後の酸化性雰囲気中で化学的に安定でなければならないため、金属は不適当であり、例えば電子伝導性を持つペロブスカイト型酸化物材料、具体的にはLaMnO3やLaCoO3、又は、これらの材料におけるLaの一部をSr、Ca等に置換した固溶体が一般に使用されている。また、燃料極層の材料としては、Ni等の金属や、Ni−YSZ等のサーメットが一般的に使用されている。尚、Ni等の金属は、燃料極層の形成時には、通常、NiO等の酸化物の状態であるが、燃料電池の運転時(発電時)には金属(Ni等)に還元される。 On the other hand, both the air electrode layer and the fuel electrode layer need to be made of a material having high electron conductivity. Since the material of the air electrode layer must be chemically stable in an oxidizing atmosphere at around 1000 ° C., metals are inappropriate. For example, perovskite type oxide materials having electron conductivity, specifically LaMnO 3 or LaCoO 3 or a solid solution in which a part of La in these materials is substituted with Sr, Ca or the like is generally used. Further, as a material for the fuel electrode layer, a metal such as Ni or a cermet such as Ni—YSZ is generally used. It should be noted that the metal such as Ni is normally in an oxide state such as NiO when the fuel electrode layer is formed, but is reduced to metal (Ni or the like) during operation of the fuel cell (during power generation).
この種の固体酸化物形燃料電池としては、例えば一方の電極層(燃料極層又は空気極層)を兼ねる多孔質支持基板上に、薄膜状の電解質層と他方の電極層(燃料極層又は空気極層)とを順次形成したものがある(例えば特許文献2参照)。電解質層がガスの隔壁としての機能を果たすには、緻密に形成されていることが望ましく、また、電解質層がイオン伝導膜としての機能を果たすには、その膜厚をより薄くすることが望ましい。 As this type of solid oxide fuel cell, for example, on a porous support substrate that also serves as one electrode layer (fuel electrode layer or air electrode layer), a thin-film electrolyte layer and the other electrode layer (fuel electrode layer or And an air electrode layer) are formed sequentially (see, for example, Patent Document 2). In order for the electrolyte layer to function as a gas partition, it is desirable that the electrolyte layer be densely formed. In addition, in order for the electrolyte layer to function as an ion conductive film, it is desirable to make the film thickness thinner. .
電解質層を形成する方法としては、例えば、多孔質支持基板上にスクリーン印刷法等によりスラリーを塗布し、これを焼成して電解質層を形成する方法がある。この方法では、一般的に1200〜1700℃で焼結を行うことにより緻密な電解質層を形成している。この際、基板と電解質層との熱収縮率の差を考慮して、基板の破損を防止し、かつ電解質層を緻密に形成することが重要である。例えば、特許文献3には、比表面積(平均粒径)の異なる複数種の粉末を含むスラリーを塗布することにより、電解質層を形成する方法が提案されている。この方法によれば、経済性や量産性が向上し、かつ電解質層の大面積化が容易となる。また、特許文献4には、均質で緻密な電解質層を形成することができるスラリーが提案されている。 As a method for forming the electrolyte layer, for example, there is a method in which a slurry is applied on a porous support substrate by a screen printing method or the like, and this is baked to form an electrolyte layer. In this method, a dense electrolyte layer is generally formed by sintering at 1200 to 1700 ° C. At this time, it is important to prevent the substrate from being damaged and to form the electrolyte layer densely in consideration of the difference in thermal shrinkage between the substrate and the electrolyte layer. For example, Patent Document 3 proposes a method of forming an electrolyte layer by applying a slurry containing a plurality of types of powders having different specific surface areas (average particle diameters). According to this method, economic efficiency and mass productivity are improved, and it is easy to increase the area of the electrolyte layer. Patent Document 4 proposes a slurry capable of forming a homogeneous and dense electrolyte layer.
また、上記とは異なる方法として、特許文献5には、カルシアにより安定化させたジルコニアで基板を形成し、この基板の温度を1000〜1500℃まで加熱した状態で電気化学的蒸着法(EVD法)により電解質層を形成する方法が提案されている。これにより、緻密で膜厚が薄い電解質層を形成することができる。 Further, as a method different from the above, in Patent Document 5, a substrate is formed with zirconia stabilized by calcia, and the substrate is heated to 1000 to 1500 ° C. with an electrochemical deposition method (EVD method). The method of forming an electrolyte layer is proposed. Thereby, a dense electrolyte layer having a small thickness can be formed.
また、上記とは異なる別の方法として、多孔質支持基板上にプラズマ溶射法によって電解質層を成膜する方法がある。プラズマ溶射法は、成膜速度が速いという特徴がある。しかし、プラズマ溶射法により形成される膜は、通常、数%の気孔を有し、膜の緻密性が充分ではない。そこで、特許文献6には、電解質層をプラズマ溶射法で形成した後、電解質層の構成元素を含む有機金属溶液を塗布することにより、封孔処理をして緻密化する方法が提案されている。
しかしながら、上記方法では、例えば緻密性を向上させるための1000℃以上の熱処理工程や、プラズマ処理装置等の高価な設備が必要となるため、電解質層の緻密化を容易に行うことができなくなる可能性があった。特に、高温で熱処理する場合は、電極層と電解質層との熱収縮率の差によりクラックや剥離が生じ、セル自体が破損するおそれがあった。 However, in the above method, for example, a heat treatment step of 1000 ° C. or higher for improving the density and expensive equipment such as a plasma processing apparatus are required, and thus the electrolyte layer cannot be easily densified. There was sex. In particular, when the heat treatment is performed at a high temperature, the cell itself may be damaged due to cracks or peeling due to the difference in thermal shrinkage between the electrode layer and the electrolyte layer.
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、電解質層を構成する金属酸化物膜の緻密化を容易に行うことができる固体酸化物形燃料電池の製造方法を提供する。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a method for manufacturing a solid oxide fuel cell capable of easily densifying a metal oxide film constituting an electrolyte layer.
本発明の固体酸化物形燃料電池の第1の製造方法は、酸化ニッケルを含む緻密燃料極層と、前記緻密燃料極層上に形成された金属酸化物膜からなる電解質層とを含む固体酸化物形燃料電池の製造方法であって、
金属源を含む金属酸化物膜形成用溶液に前記緻密燃料極層を浸漬することにより前記金属酸化物膜を形成しており、
前記緻密燃料極層は、相対密度が90%以上であることを特徴とする。
A first manufacturing method of a solid oxide fuel cell according to the present invention includes a solid fuel electrode layer containing nickel oxide, and an electrolyte layer made of a metal oxide film formed on the dense fuel electrode layer. A method for manufacturing a physical fuel cell, comprising:
The metal oxide film is formed by immersing the dense fuel electrode layer in a metal oxide film forming solution containing a metal source ,
The dense fuel electrode layer has a relative density of 90% or more .
本発明の固体酸化物形燃料電池の第2の製造方法は、酸化ニッケルを含む緻密燃料極層と、前記緻密燃料極層上に形成された金属酸化物膜からなる電解質層とを含む固体酸化物形燃料電池の製造方法であって、
金属源を含む第1金属酸化物膜形成用溶液に前記緻密燃料極層を浸漬することにより、前記緻密燃料極層上に接触する第1金属酸化物膜を形成し、
金属源を含む第2金属酸化物膜形成用溶液を前記第1金属酸化物膜上に接触させることにより第2金属酸化物膜を形成して、前記第1金属酸化物膜と前記第2金属酸化物膜とからなる前記金属酸化物膜を得ており、
前記緻密燃料極層は、相対密度が90%以上であることを特徴とする。
A second method for producing a solid oxide fuel cell according to the present invention comprises a solid oxide layer comprising a dense fuel electrode layer containing nickel oxide and an electrolyte layer comprising a metal oxide film formed on the dense fuel electrode layer. A method for manufacturing a physical fuel cell, comprising:
By immersing the dense fuel electrode layer in a solution for forming a first metal oxide film containing a metal source, a first metal oxide film in contact with the dense fuel electrode layer is formed,
A second metal oxide film is formed by contacting a solution for forming a second metal oxide film containing a metal source on the first metal oxide film, and the first metal oxide film and the second metal are formed. The metal oxide film comprising an oxide film is obtained,
The dense fuel electrode layer has a relative density of 90% or more .
本発明の固体酸化物形燃料電池の製造方法によれば、金属源を含む金属酸化物膜形成用溶液(又は第1金属酸化物膜形成用溶液)に、緻密燃料極層を浸漬することにより金属酸化物膜(又は第1金属酸化物膜)を形成するため、例えば高温での熱処理を行わなくても金属酸化物膜の緻密化を容易に行うことができる。これにより、例えば固体酸化物形燃料電池の製造工程をより簡便にすることができる。 According to the method for producing a solid oxide fuel cell of the present invention, a dense fuel electrode layer is immersed in a metal oxide film forming solution (or a first metal oxide film forming solution) containing a metal source. Since the metal oxide film (or the first metal oxide film) is formed, the metal oxide film can be easily densified without performing heat treatment at high temperature, for example. Thereby, for example, the manufacturing process of the solid oxide fuel cell can be simplified.
まず、本発明の固体酸化物形燃料電池の第1の製造方法(以下、「第1製造方法」ともいう)について説明する。第1製造方法では、金属源を含む金属酸化物膜形成用溶液に、緻密燃料極層を浸漬することにより金属酸化物膜を形成する。これにより、例えば1000℃以上の高温での熱処理工程が不要となり、金属酸化物膜の緻密化を容易に行うことができるため、製造工程をより簡便にすることができる。また、緻密燃料極層上に金属酸化物膜を形成するため、表面に凹凸を有する多孔質電極層上に形成した場合に比べ、より均一に緻密化を行うことができる。 First, a first manufacturing method of the solid oxide fuel cell of the present invention (hereinafter also referred to as “first manufacturing method”) will be described. In the first manufacturing method, a metal oxide film is formed by immersing a dense fuel electrode layer in a metal oxide film forming solution containing a metal source. Thereby, for example, a heat treatment step at a high temperature of 1000 ° C. or higher is not required, and the metal oxide film can be easily densified, so that the manufacturing process can be further simplified. Further, since the metal oxide film is formed on the dense fuel electrode layer, it can be densified more uniformly as compared with the case where it is formed on the porous electrode layer having irregularities on the surface.
上記金属源としては、上記金属酸化物膜を構成する金属を含み、かつ後述する溶媒に溶解するものであればよい。例えば、金属塩、金属イオンに対して無機物又は有機物が配位した金属錯体、分子中に金属−炭素結合を有する有機金属化合物等を使用することができる。上記金属源は、1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を混合して使用してもよい。 Any metal source may be used as long as it contains the metal constituting the metal oxide film and dissolves in a solvent described later. For example, a metal salt, a metal complex in which an inorganic substance or an organic substance is coordinated with a metal ion, an organometallic compound having a metal-carbon bond in the molecule, or the like can be used. The said metal source may be used individually by 1 type, and may mix and use 2 or more types.
上記金属源を構成する金属元素としては、所望の金属組成の金属酸化物膜を得ることができれば特に限定されるものではないが、Ca、Cr、Sr、Nb、Mo、Sb、Te、Ba、W、Mg、Al、Si、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Ag、In、Sn、Ce、Sm、Pb、La、Hf、Sc、Gd、Ga及びTaから選ばれる少なくとも一つの金属元素であることが好ましい。上記金属元素は、プールベ線図において、金属酸化物として存在する領域(以下、「金属酸化物領域」という)、又は金属水酸化物として存在する領域(以下、「金属水酸化物領域」という)を有しているため、金属酸化物膜の主用構成元素として適している。更に好ましくは、電解質材料として広く知られているZr、Ce、Laが適している。上記金属源(1種又は複数種)は、上記金属元素を2種類以上含有していてもよい。通常、固体酸化物形燃料電池用の電解質層には、複数種の金属元素が使用されている。 The metal element constituting the metal source is not particularly limited as long as a metal oxide film having a desired metal composition can be obtained, but Ca, Cr, Sr, Nb, Mo, Sb, Te, Ba, W, Mg, Al, Si, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Ag, In, Sn, Ce, Sm, Pb, La, Hf, Sc, Gd, Ga and It is preferably at least one metal element selected from Ta. In the Pourbaille diagram, the metal element is a region present as a metal oxide (hereinafter referred to as “metal oxide region”) or a region present as a metal hydroxide (hereinafter referred to as “metal hydroxide region”). Therefore, it is suitable as a main constituent element of the metal oxide film. More preferably, Zr, Ce, La widely known as electrolyte materials are suitable. The said metal source (1 type or multiple types) may contain 2 or more types of the said metal element. Usually, a plurality of types of metal elements are used in an electrolyte layer for a solid oxide fuel cell.
上記金属塩としては、上記金属元素を含む塩化物、硝酸塩、硫酸塩、過塩素酸塩、酢酸塩、リン酸塩、臭素酸塩等を挙げることができる。中でも、本発明においては、塩化物、硝酸塩、酢酸塩を使用することが好ましい。これらの化合物は汎用品として入手が容易だからである。 Examples of the metal salt include chlorides, nitrates, sulfates, perchlorates, acetates, phosphates, bromates and the like containing the above metal elements. Among these, in the present invention, it is preferable to use chloride, nitrate, and acetate. This is because these compounds are easily available as general-purpose products.
また、上記金属錯体や上記有機金属化合物の具体例としては、カルシウムアセチルアセトナート二水和物、クロム(III)アセチルアセトナート、トリフルオロメタンスルホン酸ガリウム(III)、ストロンチウムジピバロイルメタナート、五塩化ニオブ、モリブデニルアセチルアセトナート、パラジウム(II)アセチルアセトナート、塩化アンチモン(III)、テルル酸ナトリウム、塩化バリウム二水和物、塩化タングステン(IV)、マグネシウムジエトキシド、アルミニウムアセチルアセトナート、カルシウムジ(メトキシエトキシド)、グルコン酸カルシウム一水和物、クエン酸カルシウム四水和物、サリチル酸カルシウム二水和物、チタンラクテート、チタンアセチルアセトネート、テトライソプロピルチタネート、テトラノルマルブチルチタネート、テトラ(2−エチルヘキシル)チタネート、ブチルチタネートダイマー、チタニウムビス(エチルヘキソキシ)ビス(2−エチル−3−ヒドロキシヘキソキシド)、ジイソプロポキシチタンビス(トリエタノールアミネート)、ジヒドロキシビス(アンモニウムラクテート)チタニウム、ジイソプロポキシチタンビス(エチルアセトアセテート)、チタンペロキソクエン酸アンモニウム四水和物、ジシクロペンタジエニル鉄(II)、乳酸鉄(II)三水和物、鉄(III)アセチルアセトナート、コバルト(II)アセチルアセトナート、ニッケル(II)アセチルアセトナート二水和物、銅(II)アセチルアセトナート、銅(II)ジピバロイルメタナート、エチルアセト酢酸銅(II)、亜鉛アセチルアセトナート、乳酸亜鉛三水和物、サリチル酸亜鉛三水和物、ステアリン酸亜鉛、ストロンチウムジピバロイルメタナート、イットリウムジピバロイルメタナート、ジルコニウムテトラ−n−ブトキシド、ジルコニウム(IV)エトキシド、ジルコニウムノルマルプロピレート、ジルコニウムノルマルブチレート、ジルコニウムテトラアセチルアセトネート、ジルコニウムモノアセチルアセトネート、ジルコニウムアセチルアセトネートビスエチルアセトアセテート、ジルコニウムアセテート、ジルコニウムモノステアレート、ペンタ−n−ブトキシニオブ、ペンタエトキシニオブ、ペンタイソプロポキシニオブ、トリス(アセチルアセトナト)インジウム(III)、2−エチルヘキサン酸インジウム(III)、テトラエチルすず、酸化ジブチルすず(IV)、トリシクロヘキシルすず(IV)ヒドロキシド、ランタンアセチルアセトナート二水和物、トリ(メトキシエトキシ)ランタン、ペンタイソプロポキシタンタル、ペンタエトキシタンタル、タンタル(V)エトキシド、セリウム(III)アセチルアセトナート、クエン酸鉛(II)三水和物、シクロヘキサン酪酸鉛等を挙げることができる。中でも、入手が容易で扱いやすい点から、マグネシウムジエトキシド、アルミニウムアセチルアセトナート、カルシウムアセチルアセトナート二水和物、チタンラクテート、チタンアセチルアセトネート、テトライソプロピルチタネート、テトラノルマルブチルチタネート、テトラ(2−エチルヘキシル)チタネート、ブチルチタネートダイマー、ジイソプロポキシチタンビス(エチルアセトアセテート)、乳酸鉄(II)三水和物、鉄(III)アセチルアセトナート、亜鉛アセチルアセトナート、乳酸亜鉛三水和物、ストロンチウムジピバロイルメタナート、ペンタエトキシニオブ、トリス(アセチルアセトナト)インジウム(III)、2−エチルヘキサン酸インジウム(III)、テトラエチルすず、酸化ジブチルすず(IV)、ランタンアセチルアセトナート二水和物、トリ(メトキシエトキシ)ランタン、セリウム(III)アセチルアセトナートを使用することが好ましい。 Specific examples of the metal complex and the organometallic compound include calcium acetylacetonate dihydrate, chromium (III) acetylacetonate, gallium (III) trifluoromethanesulfonate, strontium dipivaloylmethanate, Niobium pentachloride, molybdenyl acetylacetonate, palladium (II) acetylacetonate, antimony (III) chloride, sodium tellurate, barium chloride dihydrate, tungsten (IV) chloride, magnesium diethoxide, aluminum acetylacetonate , Calcium di (methoxyethoxide), calcium gluconate monohydrate, calcium citrate tetrahydrate, calcium salicylate dihydrate, titanium lactate, titanium acetylacetonate, tetraisopropyl titanate, tetranormal butyl titanate, Tra (2-ethylhexyl) titanate, butyl titanate dimer, titanium bis (ethylhexoxy) bis (2-ethyl-3-hydroxyhexoxide), diisopropoxytitanium bis (triethanolamate), dihydroxybis (ammonium lactate) titanium, Diisopropoxytitanium bis (ethyl acetoacetate), titanium peroxo ammonium citrate tetrahydrate, dicyclopentadienyl iron (II), iron (II) lactate trihydrate, iron (III) acetylacetonate, cobalt (II) acetylacetonate, nickel (II) acetylacetonate dihydrate, copper (II) acetylacetonate, copper (II) dipivaloylmethanate, copper (II) ethylacetoacetate, zinc acetylacetonate, Zinc lactate trihydrate, zinc salicylate trihydrate, zinc stearate Strontium dipivaloylmethanate, yttrium dipivaloylmethanate, zirconium tetra-n-butoxide, zirconium (IV) ethoxide, zirconium normal propyrate, zirconium normal butyrate, zirconium tetraacetylacetonate, zirconium monoacetylacetonate , Zirconium acetylacetonate bisethylacetoacetate, zirconium acetate, zirconium monostearate, penta-n-butoxyniobium, pentaethoxyniobium, pentaisopropoxyniobium, tris (acetylacetonato) indium (III), 2-ethylhexanoic acid Indium (III), tetraethyltin, dibutyltin oxide (IV), tricyclohexyltin (IV) hydroxide, lanthanum acetylacetona Dihydrate, tri (methoxyethoxy) lanthanum, pentaisopropoxytantalum, pentaethoxytantalum, tantalum (V) ethoxide, cerium (III) acetylacetonate, lead (II) citrate trihydrate, cyclohexanebutyric acid Lead etc. can be mentioned. Among these, magnesium diethoxide, aluminum acetylacetonate, calcium acetylacetonate dihydrate, titanium lactate, titanium acetylacetonate, tetraisopropyl titanate, tetranormal butyl titanate, tetra (2) are easily available and easy to handle. -Ethylhexyl) titanate, butyl titanate dimer, diisopropoxytitanium bis (ethyl acetoacetate), iron (II) lactate trihydrate, iron (III) acetylacetonate, zinc acetylacetonate, zinc lactate trihydrate, strontium Dipivaloylmethanate, pentaethoxyniobium, tris (acetylacetonato) indium (III), indium (III) 2-ethylhexanoate, tetraethyltin, dibutyltin oxide (IV), lanthanum acetylacetate Over preparative dihydrate, tri (methoxyethoxy) lanthanum, it is preferable to use a cerium (III) acetylacetonate.
上記金属源を適宜選択することによって、例えば、固体酸化物形燃料電池用の電解質材料として広く知られている酸化ジルコニウム、酸化セリウム及び酸化ランタンから選ばれる少なくとも一つを含む複合金属酸化物から構成された金属酸化物膜を形成することができる。このような金属酸化物膜の具体例としては、YSZ、スカンジア安定化ジルコニア(以下、「ScSZ」と略称する)、サマリアドープドセリア(以下、「SDC」と略称する)、ガドリニウムドープドセリア(以下、「GDC」と略称する)、ランタン・ガレード等からなる金属酸化物膜が挙げられる。また、上記複合金属酸化物は、酸化物イオン伝導性の観点から、蛍石型又はペロブスカイト型の結晶構造を有することが好ましい。固体内をイオンが移動するためには、この固体が格子欠陥を有することが必要となる。即ち、イオン伝導性の固体内では、イオンが格子欠陥と位置を交換しながら移動(拡散)する。蛍石型又はペロブスカイト型の結晶構造を有する金属酸化物は、格子欠陥を有していても、安定な構造を維持することができる。 By appropriately selecting the metal source, for example, a composite metal oxide containing at least one selected from zirconium oxide, cerium oxide, and lanthanum oxide, which is widely known as an electrolyte material for a solid oxide fuel cell. The formed metal oxide film can be formed. Specific examples of such a metal oxide film include YSZ, scandia-stabilized zirconia (hereinafter abbreviated as “ScSZ”), Samaria doped ceria (hereinafter abbreviated as “SDC”), gadolinium doped ceria ( In the following, abbreviated as “GDC”), a metal oxide film made of lanthanum garade or the like can be given. The composite metal oxide preferably has a fluorite-type or perovskite-type crystal structure from the viewpoint of oxide ion conductivity. In order for ions to move in the solid, the solid needs to have lattice defects. That is, ions move (diffuse) while exchanging positions with lattice defects in an ion conductive solid. A metal oxide having a fluorite-type or perovskite-type crystal structure can maintain a stable structure even if it has lattice defects.
上記金属酸化物膜形成用溶液に用いられる溶媒は、上述した金属源を溶解することができるものであれば、特に限定されるものではない。例えば、金属源が金属塩の場合は、メタノール、エタノール、イソプロパノール、n−プロパノール、ブタノール等の総炭素数が5以下の低級アルコール、水、トルエン、これらの混合溶媒等を使用することができ、金属源が金属錯体又は有機金属化合物の場合は、水、上述した低級アルコール、トルエン、これらの混合溶媒等を使用することができる。また、本発明においては、上記溶媒を組み合わせて使用してもよい。例えば、水への溶解性は低いが有機溶媒への溶解性は高い金属錯体と、有機溶媒への溶解性は低いが水への溶解性は高い材料(例えば後述する還元剤)とを使用する場合は、水と有機溶媒との混合溶媒を使用して両者を溶解させ、均一な金属酸化物膜形成用溶液とすることができる。 The solvent used in the metal oxide film forming solution is not particularly limited as long as it can dissolve the metal source described above. For example, when the metal source is a metal salt, a lower alcohol having a total carbon number of 5 or less such as methanol, ethanol, isopropanol, n-propanol, butanol, water, toluene, a mixed solvent thereof or the like can be used. When the metal source is a metal complex or an organometallic compound, water, the above-described lower alcohol, toluene, a mixed solvent thereof or the like can be used. In the present invention, the above solvents may be used in combination. For example, a metal complex having low solubility in water but high solubility in an organic solvent and a material having low solubility in an organic solvent but high solubility in water (for example, a reducing agent described later) are used. In the case, a mixed solvent of water and an organic solvent is used to dissolve both of them, and a uniform metal oxide film forming solution can be obtained.
上記金属酸化物膜形成用溶液における上記金属源の濃度としては、通常0.001〜10mol/リットルであり、中でも0.01〜1mol/リットルであることが好ましい。濃度が0.001mol/リットル未満であると、金属酸化物膜の成膜反応が起こり難く、所望の金属酸化物膜を得ることができない可能性があり、濃度が10mol/リットルを超えると、沈殿物が生成する可能性があるからである。 The concentration of the metal source in the metal oxide film forming solution is usually 0.001 to 10 mol / liter, and preferably 0.01 to 1 mol / liter. If the concentration is less than 0.001 mol / liter, the metal oxide film formation reaction hardly occurs and the desired metal oxide film may not be obtained. If the concentration exceeds 10 mol / liter, precipitation occurs. This is because things may be generated.
本発明においては、上記金属酸化物膜形成用溶液が、酸化剤及び還元剤から選ばれる少なくとも一つを更に含んでいてもよい。金属酸化物膜の成膜反応を促進させることができるからである。例えば、上記金属酸化物膜形成用溶液に酸化剤が含まれていると、上記金属源が溶解してなる金属イオン等の酸化が速やかに行われるため、金属酸化物膜の成膜反応が促進する。また、例えば、上記金属酸化物膜形成用溶液に還元剤が含まれていると、この還元剤が分解して電子を放出することにより水(溶媒)の電気分解反応を誘発すると考えられる。水の電気分解反応が起こると水酸化物イオンが発生し、これにより、金属酸化物膜形成用溶液のpHが上昇し、プールベ線図における金属酸化物領域又は金属水酸化物領域へとシフトするため、金属酸化物膜の成膜反応が促進する。 In the present invention, the metal oxide film forming solution may further contain at least one selected from an oxidizing agent and a reducing agent. This is because the deposition reaction of the metal oxide film can be promoted. For example, if the metal oxide film forming solution contains an oxidizing agent, the metal ions dissolved by the metal source are rapidly oxidized, which accelerates the metal oxide film formation reaction. To do. Further, for example, if a reducing agent is contained in the metal oxide film forming solution, it is considered that the reducing agent decomposes and emits electrons, thereby inducing an electrolysis reaction of water (solvent). When water electrolysis occurs, hydroxide ions are generated, which increases the pH of the metal oxide film forming solution and shifts to the metal oxide region or metal hydroxide region in the Pourbaix diagram. Therefore, the film formation reaction of the metal oxide film is promoted.
上記酸化剤としては、上述した溶媒に溶解し、かつ上記金属源が溶解してなる金属イオン等を酸化することができるものであれば特に限定されず、例えば、過酸化水素、亜硝酸ナトリウム、亜硝酸カリウム、臭素酸ナトリウム、臭素酸カリウム、酸化銀、二クロム酸、過マンガン酸カリウム等が挙げられ、中でも過酸化水素、亜硝酸カリウムを使用するのが好ましい。 The oxidizing agent is not particularly limited as long as it can be dissolved in the above-described solvent and can oxidize a metal ion or the like formed by dissolving the metal source. For example, hydrogen peroxide, sodium nitrite, Examples thereof include potassium nitrite, sodium bromate, potassium bromate, silver oxide, dichromic acid, and potassium permanganate. Among them, hydrogen peroxide and potassium nitrite are preferably used.
上記金属酸化物膜形成用溶液における上記酸化剤の濃度は、酸化剤の種類に応じて異なるが、通常0.001〜1mol/リットルであり、中でも0.01〜0.1mol/リットルであることが好ましい。濃度が0.001mol/リットル未満であると、金属酸化物膜の成膜反応を促進させる効果を充分に発揮することができない可能性があり、濃度が1mol/リットルを超えると、濃度の増加に見合う効果が得られず、コスト上好ましくないからである。 The concentration of the oxidizing agent in the metal oxide film forming solution varies depending on the type of the oxidizing agent, but is usually 0.001 to 1 mol / liter, particularly 0.01 to 0.1 mol / liter. Is preferred. If the concentration is less than 0.001 mol / liter, there is a possibility that the effect of promoting the film formation reaction of the metal oxide film may not be sufficiently exhibited. If the concentration exceeds 1 mol / liter, the concentration increases. This is because a suitable effect cannot be obtained and this is not preferable in terms of cost.
上記還元剤としては、上述した溶媒に溶解し、かつ分解反応により電子を放出することができるものであれば、特に限定されず、例えば、ボラン−tert−ブチルアミン錯体、ボラン−N,Nジエチルアニリン錯体、ボラン−ジメチルアミン錯体、ボラン−トリメチルアミン錯体等のボラン系錯体、水酸化シアノホウ素ナトリウム、水酸化ホウ素ナトリウム等を挙げることができ、中でもボラン系錯体を使用することが好ましい。 The reducing agent is not particularly limited as long as it is soluble in the above-described solvent and can release electrons by a decomposition reaction. For example, borane-tert-butylamine complex, borane-N, N diethylaniline. Examples include complexes, borane complexes such as borane-dimethylamine complex and borane-trimethylamine complex, sodium cyanoborohydride, sodium borohydride, etc. Among them, it is preferable to use borane complex.
上記金属酸化物膜形成用溶液における上記還元剤の濃度は、還元剤の種類に応じて異なるが、通常0.001〜1mol/リットルであり、中でも0.01〜0.1mol/リットルであることが好ましい。濃度が0.001mol/リットル未満であると、金属酸化物膜の成膜反応を促進させる効果を充分に発揮することができない可能性があり、濃度が1mol/リットルを超えると、濃度の増加に見合う効果が得られず、コスト上好ましくないからである。 The concentration of the reducing agent in the metal oxide film forming solution varies depending on the type of the reducing agent, but is usually 0.001 to 1 mol / liter, particularly 0.01 to 0.1 mol / liter. Is preferred. If the concentration is less than 0.001 mol / liter, there is a possibility that the effect of promoting the film formation reaction of the metal oxide film may not be sufficiently exhibited. If the concentration exceeds 1 mol / liter, the concentration increases. This is because a suitable effect cannot be obtained and this is not preferable in terms of cost.
また、本発明に用いられる金属酸化物膜形成用溶液は、補助イオン源や界面活性剤等の添加剤を含有していても良い。 Further, the metal oxide film forming solution used in the present invention may contain additives such as an auxiliary ion source and a surfactant.
上記補助イオン源は、電子と反応し水酸化物イオンを発生するものであり、金属酸化物膜形成用溶液のpHを上昇させ、金属酸化物膜の成膜反応を促進させることができる。これは、プールベ線図において、金属酸化物領域や金属水酸化物領域へと誘導する働きのことである。従って、上記補助イオン源は、熱で分解して電子を放出する還元剤と組み合わせることで効果を発揮するが、金属酸化物膜形成用溶液に還元剤が含まれていなくても、加熱により酸素と分離するため、単独で酸化剤としても使用できる。なお、上記補助イオン源の使用量は、使用する金属源等に応じて適宜設定すればよい。 The auxiliary ion source reacts with electrons to generate hydroxide ions, and can raise the pH of the metal oxide film forming solution and promote the film forming reaction of the metal oxide film. This is a function of guiding to a metal oxide region or a metal hydroxide region in the Pourbaix diagram. Therefore, the auxiliary ion source is effective when combined with a reducing agent that decomposes by heat and emits electrons. Even if the reducing agent is not contained in the metal oxide film forming solution, oxygen is generated by heating. Can be used alone as an oxidizing agent. In addition, what is necessary is just to set the usage-amount of the said auxiliary ion source suitably according to the metal source etc. to be used.
このような補助イオン源としては、具体的には、塩素酸イオン、過塩素酸イオン、亜塩素酸イオン、次亜塩素酸イオン、臭素酸イオン、次亜臭素酸イオン、硝酸イオン、亜硝酸イオン等のイオン種を挙げることができる。これらの補助イオン源は、溶液中で下記の反応を起こすと考えられている。
(化1) ClO4 - + H2O + 2e- ⇔ ClO3 - + 2OH-
(化2) ClO3 - + H2O + 2e- ⇔ ClO2 - + 2OH-
(化3) ClO2 - + H2O + 2e- ⇔ ClO- + 2OH-
(化4) 2ClO- + 2H2O + 2e- ⇔ Cl2 + 4OH-
(化5) BrO3 - + 2H2O + 4e- ⇔ BrO- + 4OH-
(化6) 2BrO- + 2H2O + 2e- ⇔ Br2 + 4OH-
(化7) NO3 - + H2O + 2e- ⇔ NO2 - + 2OH-
(化8) NO2 - + 3H2O + 3e- ⇔ NH3 + 3OH-
Such auxiliary ion source, specifically, chlorate ion, perchlorate ion, chlorite ion, hypochlorite ion, bromate ion, hypobromous acid ion, nitrate ion, nitrite ion Ionic species such as These auxiliary ion sources are believed to cause the following reactions in solution.
(Chemical formula 1) ClO 4 − + H 2 O + 2e − ⇔ ClO 3 − + 2OH −
(Chemical Formula 2) ClO 3 − + H 2 O + 2e − ⇔ ClO 2 − + 2OH −
(Chemical Formula 3) ClO 2 − + H 2 O + 2e − ⇔ ClO − + 2OH −
(Formula 4) 2ClO - + 2H 2 O + 2e - ⇔ Cl 2 + 4OH -
(Formula 5) BrO 3 - + 2H 2 O + 4e - ⇔ BrO - + 4OH -
(Of 6) 2BrO - + 2H 2 O + 2e - ⇔ Br 2 + 4OH -
(Chemical Formula 7) NO 3 − + H 2 O + 2e − NO NO 2 − + 2OH −
(Chemical Formula 8) NO 2 − + 3H 2 O + 3e − NH NH 3 + 3OH −
上記界面活性剤は、緻密燃料極層表面に対する金属酸化物膜形成用溶液の濡れ性を向上させ、金属酸化物膜の成膜反応を促進させることができる。このような界面活性剤としては、具体的にはサーフィノール485、サーフィノールSE、サーフィノールSE−F、サーフィノール504、サーフィノールGA、サーフィノール104A、サーフィノール104BC、サーフィノール104PPM、サーフィノール104E、サーフィノール104PA等のサーフィノールシリーズ(以上、全て日信化学工業社製商品名)、NIKKOL AM301、NIKKOL AM313ON(以上、全て日光ケミカル社製商品名)等を挙げることができる。なお、上記界面活性剤の使用量は、使用する金属源等に応じて適宜設定すればよい。 The surfactant can improve the wettability of the metal oxide film forming solution with respect to the surface of the dense fuel electrode layer and promote the film formation reaction of the metal oxide film. Specific examples of such surfactants include Surfinol 485, Surfinol SE, Surfinol SE-F, Surfinol 504, Surfinol GA, Surfinol 104A, Surfinol 104BC, Surfinol 104PPM, Surfinol 104E. Surfynol series such as Surfinol 104PA (all are trade names manufactured by Nissin Chemical Industry Co., Ltd.), NIKKOL AM301, NIKKOL AM313ON (all are trade names manufactured by Nikko Chemical Co., Ltd.), and the like. In addition, what is necessary is just to set the usage-amount of the said surfactant suitably according to the metal source etc. to be used.
上記緻密燃料極層は、酸化ニッケルと、例えばセラミックス粉末材料等の酸化物イオン伝導体とを含む。必要に応じて、酸化鉄等の他の金属酸化物を含んでいてもよい。酸化物イオン伝導体としては、蛍石型又はペロブスカイト型の結晶構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型の結晶構造を有するものとしては、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物等を挙げることができる。また、ペロブスカイト型の結晶構造を有するものとしてはストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物を挙げることができる。なお、酸化物イオン伝導体からなるセラミックス粉末材料と酸化ニッケルとの混合物は、両者を単に混ぜ合わせただけのものであってもよいし、セラミックス粉末を酸化ニッケルへ修飾させたものであってもよい。また、上述したセラミックス粉末材料は、1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を混合して使用してもよい。なお、緻密燃料極層の厚みは、通常5〜50μmである。 The dense fuel electrode layer includes nickel oxide and an oxide ion conductor such as a ceramic powder material. Other metal oxides such as iron oxide may be included as necessary. As the oxide ion conductor, one having a fluorite-type or perovskite-type crystal structure can be preferably used. Examples of those having a fluorite-type crystal structure include ceria-based oxides doped with samarium and gadolinium, zirconia-based oxides containing scandium and yttrium, and the like. In addition, examples of those having a perovskite-type crystal structure include lanthanum galide oxides doped with strontium and magnesium. Note that the mixture of the ceramic powder material made of oxide ion conductor and nickel oxide may be a mixture of both, or a ceramic powder modified with nickel oxide. Good. Moreover, the ceramic powder material mentioned above may be used individually by 1 type, and may mix and use 2 or more types. The thickness of the dense fuel electrode layer is usually 5 to 50 μm.
上記緻密燃料極層の形成方法は特に限定されない。例えば酸化ニッケル粉末と酸化物イオン伝導体粉末とを混合し、プレス成形により板状に形成し、これを焼結することによって上記緻密燃料極層を形成することができる。このように形成された上記緻密燃料極層は、通常、相対密度が90%以上となる。この相対密度は、例えばガス吸着法等の測定方法により測定することができる。 The method for forming the dense fuel electrode layer is not particularly limited. For example, the dense fuel electrode layer can be formed by mixing nickel oxide powder and oxide ion conductor powder, forming a plate shape by press molding, and sintering this. The dense fuel electrode layer thus formed usually has a relative density of 90% or more. This relative density can be measured by a measuring method such as a gas adsorption method.
上記緻密燃料極層は、表面粗さRaが0.2μm以下であることが好ましく、0.1μm以下であることがより好ましい。平坦面に金属酸化物膜を形成できるので、より均一に緻密化された金属酸化物膜(電解質層)が得られるからである。上記表面粗さRaは、例えばJIS B0601に準拠する測定方法により測定することができる。なお、上記緻密燃料極層の表面粗さRaは、通常、0.01μm以上である。 The dense fuel electrode layer preferably has a surface roughness Ra of 0.2 μm or less, and more preferably 0.1 μm or less. This is because a metal oxide film can be formed on a flat surface, so that a more uniform metal oxide film (electrolyte layer) can be obtained. The surface roughness Ra can be measured, for example, by a measuring method based on JIS B0601. The surface roughness Ra of the dense fuel electrode layer is usually 0.01 μm or more.
上記緻密燃料極層は、発電時に酸化ニッケルが還元されることによって酸素が占めていた領域に空隙が発生し、気孔率が10〜50%程度の燃料極層となる。即ち、上記緻密燃料極層は、発電時においては燃料ガスの拡散層としての役割を果たす。 In the dense fuel electrode layer, voids are generated in the region occupied by oxygen by reduction of nickel oxide during power generation, and the fuel electrode layer has a porosity of about 10 to 50%. That is, the dense fuel electrode layer serves as a fuel gas diffusion layer during power generation.
本発明において、上記金属酸化物膜形成用溶液に上記緻密燃料極層を浸漬する際、上記金属酸化物膜形成用溶液及び上記緻密燃料極層のうち少なくとも一方(好ましくは双方)を、10℃以上の温度に保持してもよい。金属酸化物膜の成膜反応を促進させることができるからである。金属酸化物膜の成膜反応をより促進させるためには、50℃以上の温度に加熱することが好ましく、60℃以上の温度に加熱することがより好ましい。この場合、加熱温度は、作業性の観点から、上記金属酸化物膜形成用溶液の沸点以下の温度とすることが好ましい。例えば、上記金属酸化物膜形成用溶液が上述した酸化剤や還元剤を含む場合は、金属酸化物膜形成用溶液及び上記緻密燃料極層のうち少なくとも一方(好ましくは双方)を、通常10〜100℃の範囲に保持すればよく、生産性の観点から50〜90℃の範囲に加熱することが好ましい。 In the present invention, when the dense fuel electrode layer is immersed in the metal oxide film forming solution, at least one (preferably both) of the metal oxide film forming solution and the dense fuel electrode layer is 10 ° C. You may hold | maintain at the above temperature. This is because the deposition reaction of the metal oxide film can be promoted. In order to further promote the film formation reaction of the metal oxide film, it is preferable to heat to a temperature of 50 ° C. or higher, and more preferably to a temperature of 60 ° C. or higher. In this case, the heating temperature is preferably set to a temperature not higher than the boiling point of the metal oxide film forming solution from the viewpoint of workability. For example, when the metal oxide film forming solution contains the oxidizing agent or reducing agent described above, at least one (preferably both) of the metal oxide film forming solution and the dense fuel electrode layer is usually 10 to 10. What is necessary is just to hold | maintain in the range of 100 degreeC, and it is preferable to heat to the range of 50-90 degreeC from a viewpoint of productivity.
本発明においては、上記金属酸化物膜形成用溶液に上記緻密燃料極層を浸漬して金属酸化物膜を形成する際、上記緻密燃料極層と上記金属酸化物膜形成用溶液とが接触している部分に、気泡状の酸化性ガスを接触させてもよい。上記金属源が溶解してなる金属イオン等の酸化が速やかに行われるため、金属酸化物膜の成膜反応が促進するからである。このような酸化性ガスとしては、上記金属源が溶解してなる金属イオン等を酸化することができるものであれば特に限定されず、例えば、酸素、オゾン、亜硝酸ガス、二酸化窒素、二酸化塩素、ハロゲンガス等が挙げられ、中でも酸素、オゾンを使用することが好ましく、特にオゾンを使用することが好ましい。工業的に入手が容易であり、低コスト化が実現できるからである。また、上述した気泡状の酸化性ガスの導入方法については、特に限定されるものではないが、例えば、バブラーを使用する方法を挙げることができる。バブラーを使用することにより、上記緻密燃料極層と上記金属酸化物膜形成用溶液とが接触している部分と、酸化性ガスとの接触面積を増大させることができ、金属酸化物膜の成膜速度を効率よく向上させることができるからである。このようなバブラーとしては、一般的なバブラーを使用することができ、例えば、ナフロンバブラー(アズワン社製)等を挙げることができる。また、上記酸化性ガスは、通常ガスボンベから金属酸化物膜形成用溶液に供給することができ、オゾンに関しては、オゾン発生装置から金属酸化物膜形成用溶液に供給することができる。 In the present invention, when forming the metal oxide film by immersing the dense fuel electrode layer in the metal oxide film forming solution, the dense fuel electrode layer and the metal oxide film forming solution are in contact with each other. A bubble-like oxidizing gas may be brought into contact with the portion. This is because oxidation of metal ions or the like formed by dissolving the metal source is rapidly performed, so that the film formation reaction of the metal oxide film is promoted. Such an oxidizing gas is not particularly limited as long as it can oxidize metal ions and the like obtained by dissolving the metal source. For example, oxygen, ozone, nitrous acid gas, nitrogen dioxide, chlorine dioxide In particular, oxygen and ozone are preferably used, and ozone is particularly preferably used. This is because it is easy to obtain industrially and can realize cost reduction. Moreover, the method for introducing the bubble-like oxidizing gas described above is not particularly limited, and examples thereof include a method using a bubbler. By using a bubbler, the contact area between the portion where the dense fuel electrode layer and the metal oxide film forming solution are in contact with the oxidizing gas can be increased, and the metal oxide film can be formed. This is because the film speed can be improved efficiently. As such a bubbler, a general bubbler can be used, and examples thereof include a Naflon bubbler (manufactured by ASONE). In addition, the oxidizing gas can be normally supplied from a gas cylinder to the metal oxide film forming solution, and ozone can be supplied from the ozone generator to the metal oxide film forming solution.
また、本発明においては、上記金属酸化物膜形成用溶液に上記緻密燃料極層を浸漬して金属酸化物膜を形成する際、上記緻密燃料極層と上記金属酸化物膜形成用溶液とが接触している部分に、紫外線を照射してもよい。紫外線を照射することによって、水の電気分解反応を促進させたり、上述した還元剤の分解を促進させたりすることができると考えられ、発生した水酸化物イオンによって、上述したように金属酸化物膜の成膜反応を促進させることができるからである。また、紫外線を照射することにより、上述した補助イオン源から水酸化物イオンを発生させたり、得られる金属酸化物膜の結晶性を向上させたりすることもできる。なお、上記紫外線としては、波長が470nm以下の近紫外光も含むものとする。 In the present invention, when forming the metal oxide film by immersing the dense fuel electrode layer in the metal oxide film forming solution, the dense fuel electrode layer and the metal oxide film forming solution include: The contacted portion may be irradiated with ultraviolet rays. By irradiating with ultraviolet rays, it is considered that the electrolysis reaction of water can be promoted or the decomposition of the reducing agent described above can be promoted. This is because the film formation reaction of the film can be promoted. Further, by irradiating with ultraviolet rays, hydroxide ions can be generated from the auxiliary ion source described above, and the crystallinity of the obtained metal oxide film can be improved. The ultraviolet light includes near ultraviolet light having a wavelength of 470 nm or less.
上記紫外線の照射方法としては、緻密燃料極層表面と金属酸化物膜形成用溶液との接触部分に照射する方法であれば特に限定されるものではないが、例えば、図3に示すように、緻密燃料極層21を金属酸化物膜形成用溶液22に浸漬させ、金属酸化物膜形成用溶液22の液面側から紫外線UVを照射する方法等が挙げられる。この場合においては、緻密燃料極層21の表面21aと金属酸化物膜形成用溶液22との接触部分に正確に紫外線UVを照射するという観点から、紫外線UVが照射される上記表面21aから金属酸化物膜形成用溶液22の液面までの距離が短いことが好ましい。また、この方法によれば、上記表面21a上に接触して形成される金属酸化物膜の厚みを厚くすることができる。この場合、上記表面21a上に接触して形成された金属酸化物膜上に空気極層を形成すると、電極層間の間隔を充分に保持することができるため、燃料ガスと空気との接触を確実に防止することができる。
The ultraviolet irradiation method is not particularly limited as long as it is a method of irradiating the contact portion between the dense fuel electrode layer surface and the metal oxide film forming solution. For example, as shown in FIG. A method of immersing the dense
上記紫外線の波長としては、通常185〜470nmであり、成膜反応をより促進させるためには、185〜260nmであることが好ましい。また、上記紫外線の強度としては、通常1〜20mW/cm2であり、成膜反応をより促進させるためには、5〜15mW/cm2であることが好ましい。このような紫外線照射を行う紫外線照射装置としては、例えば市販の紫外線照射装置を使用することができ、具体的には、SEN特殊光源社製のHB400X−21等を使用することができる。 The wavelength of the ultraviolet light is usually 185 to 470 nm, and preferably 185 to 260 nm in order to further promote the film forming reaction. The intensity of the ultraviolet light is usually 1 to 20 mW / cm 2 , and preferably 5 to 15 mW / cm 2 in order to further promote the film forming reaction. As an ultraviolet irradiation apparatus for performing such ultraviolet irradiation, for example, a commercially available ultraviolet irradiation apparatus can be used, and specifically, HB400X-21 manufactured by SEN Special Light Source Co., Ltd. can be used.
また、本発明においては、得られた金属酸化物膜の洗浄及び乾燥を行ってもよい。上記金属酸化物膜の洗浄は、金属酸化物膜の表面等に存在する不純物を取り除くために行われるものである。洗浄方法としては、例えば、金属酸化物膜形成用溶液に使用した溶媒を用いて洗浄する方法等を挙げることができる。また、上記金属酸化物膜の乾燥を行う際は、常温で放置することにより乾燥してもよいが、オーブン等の加熱装置中で乾燥してもよい。 In the present invention, the obtained metal oxide film may be washed and dried. The cleaning of the metal oxide film is performed to remove impurities present on the surface of the metal oxide film. Examples of the cleaning method include a method of cleaning using a solvent used in the metal oxide film forming solution. In addition, when the metal oxide film is dried, it may be dried by leaving it at room temperature, or may be dried in a heating apparatus such as an oven.
固体酸化物形燃料電池を作製する際は、上述した方法によって、緻密燃料極層上に接触する金属酸化物膜を成膜した後、この金属酸化物膜(電解質層)上に、空気極層を形成する。空気極層の形成方法は、例えば公知の方法により行うことができる。具体的には、電極材料、バインダー及び溶媒を用いてペーストを作製した後、このペーストをスクリーン印刷法、ドクターブレード法等の塗布方法により電解質層上に塗布し、これらを焼結して形成することができる。 When producing a solid oxide fuel cell, after forming a metal oxide film in contact with the dense fuel electrode layer by the above-described method, the air electrode layer is formed on the metal oxide film (electrolyte layer). Form. The air electrode layer can be formed by, for example, a known method. Specifically, after forming a paste using an electrode material, a binder, and a solvent, the paste is applied on an electrolyte layer by a coating method such as a screen printing method or a doctor blade method, and these are sintered to form. be able to.
上記空気極層を構成する電極材料としては、例えば、ペロブスカイト型の結晶構造を有する金属酸化物を用いることができる。具体的には(Sm,Sr)CoO3、(La,Sr)MnO3、(La,Sr)CoO3、(La,Sr)(Fe,Co)O3、(La,Sr)(Fe,Co,Ni)O3等の金属酸化物が挙げられ、酸化性雰囲気下の安定性の観点から(La,Sr)MnO3を使用することが好ましい。上述した金属酸化物は、1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を混合して使用してもよい。また、空気極層を形成する材料として、白金、ルテニウム、パラジウム等の貴金属を使用することもできる。なお、空気極層の気孔率は、通常20〜50%であり、望ましくは30〜40%である。また、空気極層の厚みは、通常5〜50μmである。 As an electrode material constituting the air electrode layer, for example, a metal oxide having a perovskite crystal structure can be used. Specifically, (Sm, Sr) CoO 3 , (La, Sr) MnO 3 , (La, Sr) CoO 3 , (La, Sr) (Fe, Co) O 3 , (La, Sr) (Fe, Co , Ni) O 3 and the like, and (La, Sr) MnO 3 is preferably used from the viewpoint of stability in an oxidizing atmosphere. One kind of the metal oxides described above may be used alone, or two or more kinds may be mixed and used. Moreover, noble metals, such as platinum, ruthenium, and palladium, can also be used as a material for forming the air electrode layer. The porosity of the air electrode layer is usually 20 to 50%, preferably 30 to 40%. The thickness of the air electrode layer is usually 5 to 50 μm.
次に、本発明の固体酸化物形燃料電池の第2の製造方法(以下、「第2製造方法」ともいう)について説明する。第2製造方法では、まず、(1)金属源を含む第1金属酸化物膜形成用溶液に、緻密燃料極層を浸漬することにより、この緻密燃料極層上に接触する第1金属酸化物膜を形成する。次に、(2)金属源を含む第2金属酸化物膜形成用溶液を、上記第1金属酸化物膜上に接触させることにより第2金属酸化物膜を形成して、上記第1金属酸化物膜と上記第2金属酸化物膜とからなる金属酸化物膜を得る。これにより、上述した第1製造方法と同様の効果を発揮させることができる上、第1金属酸化物膜の結晶核及び結晶構造に従って第2金属酸化物膜を形成できるため、例えば薄膜であっても充分に緻密な金属酸化物膜を得ることができる。これにより、燃料ガスと空気との接触を確実に防止することができる。また、得られる第2金属酸化物膜が緻密燃料極層上に直接形成しにくい材料からなるものであった場合でも、緻密燃料極層上に第1金属酸化物膜を介して上記第2金属酸化物膜を形成することができる。或いは、密着性を高めることが可能となる。 Next, a second manufacturing method of the solid oxide fuel cell of the present invention (hereinafter also referred to as “second manufacturing method”) will be described. In the second production method, first, (1) a first metal oxide that comes into contact with a dense fuel electrode layer by immersing the dense fuel electrode layer in a solution for forming a first metal oxide film containing a metal source. A film is formed. Next, (2) a second metal oxide film is formed by bringing a second metal oxide film forming solution containing a metal source into contact with the first metal oxide film, thereby forming the first metal oxide film. A metal oxide film composed of the material film and the second metal oxide film is obtained. As a result, the same effects as the first manufacturing method described above can be exhibited, and the second metal oxide film can be formed according to the crystal nucleus and crystal structure of the first metal oxide film. In addition, a sufficiently dense metal oxide film can be obtained. Thereby, contact with fuel gas and air can be prevented reliably. Even when the obtained second metal oxide film is made of a material that is difficult to form directly on the dense fuel electrode layer, the second metal oxide film is interposed on the dense fuel electrode layer via the first metal oxide film. An oxide film can be formed. Or it becomes possible to improve adhesiveness.
上記第1金属酸化物膜形成用溶液及び上記第2金属酸化物膜形成用溶液は、いずれも上述した第1製造方法で使用される金属酸化物膜形成用溶液と同様のものが使用できる。また、上記第2金属酸化物膜形成用溶液は、酸化剤や還元剤などを含まず、上述した金属源を溶媒に溶解させたものであってもよい。また、上記第1金属酸化物膜形成用溶液と、上記第2金属酸化物膜形成用溶液とは、同じものを使用してもよいし、それぞれ異なるものを使用してもよい。なお、上記第1金属酸化物膜形成用溶液と、上記第2金属酸化物膜形成用溶液とが相違する場合、上記第1金属酸化物膜形成用溶液により得られる上記第1金属酸化物膜の結晶系と、上記第2金属酸化物膜形成用溶液により得られる上記第2金属酸化物膜の結晶系とが近似する(又は一致する)ように、それぞれの溶液組成を選択するのが好ましい。なお、第2製造方法のうち、上記(1)工程については上述した第1製造方法と同様であるため、以下、上記(2)工程についてのみ説明し、重複する説明は省略する。 As the first metal oxide film forming solution and the second metal oxide film forming solution, the same metal oxide film forming solution used in the first manufacturing method described above can be used. Further, the second metal oxide film forming solution may not contain an oxidizing agent or a reducing agent, and may be a solution obtained by dissolving the above metal source in a solvent. Moreover, the said 1st metal oxide film formation solution and the said 2nd metal oxide film formation solution may use the same thing, and may each use a different thing. The first metal oxide film obtained from the first metal oxide film forming solution when the first metal oxide film forming solution is different from the second metal oxide film forming solution. It is preferable to select each solution composition so that the crystal system of the second metal oxide film and the crystal system of the second metal oxide film obtained by the second metal oxide film forming solution are approximated (or matched). . Note that, in the second manufacturing method, the step (1) is the same as the first manufacturing method described above, and therefore, only the step (2) will be described below, and redundant description will be omitted.
上記(2)工程における第1金属酸化物膜上への第2金属酸化物膜形成用溶液の接触方法は、特に限定されるものではないが、第2金属酸化物膜形成用溶液と第1金属酸化物膜とが接触した際に、第1金属酸化物膜の温度を低下させない方法であることが好ましい。第1金属酸化物膜の温度が低下すると成膜反応が起こり難くなり、所望の第2金属酸化物膜を得ることができなくなる可能性があるからである。第1金属酸化物膜の温度を低下させない方法としては、例えば、第2金属酸化物膜形成用溶液を液滴として第1金属酸化物膜上に接触させる方法等が挙げられる。この際、上記液滴は、例えば0.001〜1000μm程度の小さい径を有することが好ましい。上記液滴の径が上記範囲内であれば、第2金属酸化物膜形成用溶液の溶媒が瞬時に蒸発し、第1金属酸化物膜の温度の低下を抑制することができる上、液滴の径が小さいことで、均一な第2金属酸化物膜を得ることができるからである。 The method for contacting the second metal oxide film forming solution onto the first metal oxide film in the step (2) is not particularly limited, but the second metal oxide film forming solution and the first metal oxide film forming solution It is preferable that the method does not decrease the temperature of the first metal oxide film when it comes into contact with the metal oxide film. This is because if the temperature of the first metal oxide film is lowered, the film formation reaction is difficult to occur, and a desired second metal oxide film may not be obtained. Examples of the method of not lowering the temperature of the first metal oxide film include a method of bringing the second metal oxide film forming solution into contact with the first metal oxide film as droplets. At this time, the droplets preferably have a small diameter of, for example, about 0.001 to 1000 μm. If the diameter of the droplet is within the above range, the solvent of the second metal oxide film forming solution can be instantly evaporated, and the temperature drop of the first metal oxide film can be suppressed. This is because a uniform second metal oxide film can be obtained because of the small diameter.
第2金属酸化物膜形成用溶液の液滴を第1金属酸化物膜上に接触させる方法は、特に限定されるものではないが、具体的には、第2金属酸化物膜形成用溶液を噴霧することにより第1金属酸化物膜上に上記第2金属酸化物膜形成用溶液を接触させる方法や、第2金属酸化物膜形成用溶液をミスト状にした空間の中に第1金属酸化物膜を通過させることにより第1金属酸化物膜上に上記第2金属酸化物膜形成用溶液を接触させる方法等が挙げられる。 The method of bringing the droplet of the second metal oxide film forming solution into contact with the first metal oxide film is not particularly limited, but specifically, the second metal oxide film forming solution is used. A method of bringing the second metal oxide film forming solution into contact with the first metal oxide film by spraying, or a first metal oxide film in a space in which the second metal oxide film forming solution is mist-shaped. Examples include a method of bringing the second metal oxide film-forming solution into contact with the first metal oxide film by passing the material film.
第2金属酸化物膜形成用溶液を第1金属酸化物膜上に噴霧する方法は、例えばスプレー装置等を用いて噴霧する方法等が挙げられる。上記スプレー装置等を用いて噴霧する場合、液滴の径は、通常0.001〜1000μm、中でも0.01〜100μmであることが好ましい。液滴の径が上記範囲内にあれば、第1金属酸化物膜の温度の低下を抑制することができ、均一な第2金属酸化物膜を得ることができるからである。 Examples of the method of spraying the second metal oxide film forming solution onto the first metal oxide film include a method of spraying using a spray device or the like. When spraying using the said spray apparatus etc., the diameter of a droplet is 0.001-1000 micrometers normally, It is preferable that it is 0.01-100 micrometers especially. This is because if the diameter of the droplet is within the above range, the temperature drop of the first metal oxide film can be suppressed, and a uniform second metal oxide film can be obtained.
また、上記スプレー装置の噴射ガスとしては、第2金属酸化物膜の形成を阻害しない限り特に限定されるものではないが、例えば、空気、窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素等を挙げることができ、中でも不活性な気体である窒素、アルゴン、ヘリウムが好ましい。また、第2金属酸化物膜形成用溶液の噴射量としては、通常0.001〜1リットル/minであり、第2金属酸化物膜の緻密性をより向上させるためには、0.001〜0.05リットル/minであることが好ましい。この際、形成される第2金属酸化物膜の厚みは、繰り返し噴霧することによって任意に調整できる。本発明によって形成される金属酸化物膜の厚みは、通常10nm以上100μm以下であり、好ましくは10nm以上10μm以下であり、さらに好ましくは100nm以上5μm以下であり、最も好ましくは、100nm以上1μm以下である。上記厚みが10nm未満の場合、燃料極層と空気極層とが接触するおそれがある。一方、上記厚みが100μmを超えると、金属酸化物膜の酸化物イオン伝導性が低下するおそれがある。また、上記スプレー装置は、固定されているもの、可動式のもの、回転によって上記溶液を噴射させるもの、圧力によって上記溶液を噴射させるもの等であってもよい。このようなスプレー装置としては、一般的に用いられるスプレー装置を用いることができ、例えばハンドスプレー(アズワン社製)、超音波ネプライザ(オムロン社製)等を用いることができる。 Further, the spray gas of the spray device is not particularly limited as long as it does not inhibit the formation of the second metal oxide film, and examples thereof include air, nitrogen, argon, helium, oxygen, and the like. Of these, nitrogen, argon, and helium, which are inert gases, are preferable. In addition, the spray amount of the second metal oxide film forming solution is usually 0.001 to 1 liter / min. In order to further improve the denseness of the second metal oxide film, 0.001 to It is preferably 0.05 liter / min. Under the present circumstances, the thickness of the 2nd metal oxide film formed can be arbitrarily adjusted by spraying repeatedly. The thickness of the metal oxide film formed by the present invention is usually 10 nm to 100 μm, preferably 10 nm to 10 μm, more preferably 100 nm to 5 μm, and most preferably 100 nm to 1 μm. is there. When the said thickness is less than 10 nm, there exists a possibility that a fuel electrode layer and an air electrode layer may contact. On the other hand, if the thickness exceeds 100 μm, the oxide ion conductivity of the metal oxide film may be reduced. The spray device may be a fixed device, a movable device, a device that ejects the solution by rotation, a device that ejects the solution by pressure, or the like. As such a spray device, a commonly used spray device can be used. For example, a hand spray (manufactured by ASONE), an ultrasonic nepriser (manufactured by OMRON), or the like can be used.
本発明において、例えば上述した第2金属酸化物膜形成用溶液を第1金属酸化物膜上に噴霧する方法を用いて第2金属酸化物膜を形成すると、得られる第2金属酸化物膜が、その積層方向に結晶成長した柱状構造を有する結晶の集合体を含む。このような第2金属酸化物膜では、上記結晶が高密度に充填されているため、第2金属酸化物膜をより緻密化することができる。更に、酸化物イオンの拡散を妨げる粒界が減少するため、第2金属酸化物膜の酸化物イオン伝導性を向上させることもできる。上記効果を確実に発揮させるためには、上記結晶における上記第2金属酸化物膜の積層方向の結晶長さを、上記結晶における上記第2金属酸化物膜の積層方向と直交する方向の結晶径で除した値が、2以上となるように、材料や溶媒を選定することが好ましい。 In the present invention, for example, when the second metal oxide film is formed by using the above-described method of spraying the second metal oxide film forming solution onto the first metal oxide film, the resulting second metal oxide film is obtained. And an aggregate of crystals having a columnar structure in which crystals grow in the stacking direction. In such a second metal oxide film, the crystal is filled with high density, so that the second metal oxide film can be further densified. Furthermore, since the grain boundaries that hinder the diffusion of oxide ions are reduced, the oxide ion conductivity of the second metal oxide film can be improved. In order to ensure the effect, the crystal length in the stacking direction of the second metal oxide film in the crystal is set to a crystal diameter in a direction perpendicular to the stacking direction of the second metal oxide film in the crystal. It is preferable to select the material and the solvent so that the value divided by 2 is 2 or more.
第2金属酸化物膜形成用溶液をミスト状にした空間の中に第1金属酸化物膜を通過させる方法を用いる場合、液滴の径は、通常0.001〜1000μmであり、中でも0.01〜100μmであることが好ましい。液滴の径が上記範囲内にあれば、第1金属酸化物膜の温度の低下を抑制することができ、均一な第2金属酸化物膜を得ることができるからである。この際、形成される第2金属酸化物膜の厚みは、緻密燃料極層を通過させる時間や、繰り返し通過させることによって任意に調整でき、例えば得られる金属酸化物膜の厚みを上述した範囲内に制御することができる。 When using a method in which the first metal oxide film is passed through a space in which the second metal oxide film forming solution is made into a mist, the diameter of the droplet is usually 0.001 to 1000 μm. It is preferable that it is 01-100 micrometers. This is because if the diameter of the droplet is within the above range, the temperature drop of the first metal oxide film can be suppressed, and a uniform second metal oxide film can be obtained. At this time, the thickness of the second metal oxide film to be formed can be arbitrarily adjusted by allowing the dense fuel electrode layer to pass through or repeatedly passing, for example, the thickness of the obtained metal oxide film is within the above-mentioned range. Can be controlled.
本発明では、第2金属酸化物膜の成膜反応を促進させるために、第2金属酸化物膜形成用溶液を第1金属酸化物膜上に接触させる際、金属酸化物膜形成温度以上に上記第1金属酸化物膜を加熱してもよい。ここで、「金属酸化物膜形成温度」とは、上述した金属源を構成する金属元素が酸素と結合して上記第1金属酸化物膜上に第2金属酸化物膜が形成される最低温度のことである。上記金属酸化物膜形成温度は、金属源の種類や溶媒等の第2金属酸化物膜形成用溶液の組成によって大きく異なり、通常300〜1000℃の範囲内である。特に、生産性の観点から、400〜700℃の範囲内となるように、金属源の種類や溶媒等を選択するのが好ましい。一方、上記第2金属酸化物膜形成用溶液が酸化剤や還元剤を含む場合、上記金属酸化物膜形成温度は、通常150〜800℃の範囲内であり、特に、生産性の観点から、300〜500℃の範囲内となるように、金属源の種類や溶媒等を選択するのが好ましい。 In the present invention, in order to promote the film formation reaction of the second metal oxide film, when the second metal oxide film forming solution is brought into contact with the first metal oxide film, the temperature is higher than the metal oxide film forming temperature. The first metal oxide film may be heated. Here, the “metal oxide film formation temperature” is the lowest temperature at which the metal element constituting the metal source is combined with oxygen to form the second metal oxide film on the first metal oxide film. That is. The metal oxide film formation temperature varies greatly depending on the type of the metal source and the composition of the second metal oxide film formation solution such as a solvent, and is usually in the range of 300 to 1000 ° C. In particular, from the viewpoint of productivity, it is preferable to select the type of metal source, the solvent, and the like so as to be within a range of 400 to 700 ° C. On the other hand, when the second metal oxide film forming solution contains an oxidizing agent or a reducing agent, the metal oxide film forming temperature is usually in the range of 150 to 800 ° C., particularly from the viewpoint of productivity. It is preferable to select the type of metal source, the solvent, and the like so as to be within the range of 300 to 500 ° C.
上記金属酸化物膜形成温度は、以下の方法により測定することができる。まず、所望の金属源を含む第2金属酸化物膜形成用溶液を調製する。次に、第1金属酸化物膜の加熱温度を変化させて、上記第1金属酸化物膜上に上記第2金属酸化物膜形成用溶液を接触させることにより、第2金属酸化物膜を形成することができる第1金属酸化物膜の加熱温度のうち、最低の加熱温度を測定する。この最低の加熱温度を本明細書における「金属酸化物膜形成温度」とすることができる。この際、第2金属酸化物膜が形成したか否かは、得られる第2金属酸化物膜が結晶性を有する場合、例えばX線回折装置(リガク製、RINT−1500)により得られた結果から判断し、得られる第2金属酸化物膜がアモルファス膜の場合、例えば光電子分光分析装置(V.G.Scientific社製、ESCALAB 200i−XL)により得られた結果から判断することができる。 The metal oxide film formation temperature can be measured by the following method. First, a second metal oxide film forming solution containing a desired metal source is prepared. Next, the heating temperature of the first metal oxide film is changed, and the second metal oxide film forming solution is brought into contact with the first metal oxide film to form a second metal oxide film. Among the heating temperatures of the first metal oxide film that can be measured, the lowest heating temperature is measured. This minimum heating temperature can be referred to as a “metal oxide film forming temperature” in this specification. At this time, whether or not the second metal oxide film is formed is determined when the obtained second metal oxide film has crystallinity, for example, a result obtained by an X-ray diffraction apparatus (RINT-1500, manufactured by Rigaku). In the case where the obtained second metal oxide film is an amorphous film, it can be judged from the result obtained by, for example, a photoelectron spectroscopic analyzer (manufactured by VG Scientific, ESCALAB 200i-XL).
また、第1金属酸化物膜の加熱方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、ホットプレート、オーブン、焼成炉、赤外線ランプ、熱風送風機等による加熱方法を挙げることができ、中でも、ホットプレートを使用すると、第1金属酸化物膜の温度を所望の温度に確実に保持できるため好ましい。なお、第1金属酸化物膜を加熱する際は、上記緻密燃料極層とともに加熱してもよいし、第1金属酸化物膜のみを加熱してもよい。 Further, the heating method of the first metal oxide film is not particularly limited, and examples thereof include a heating method using a hot plate, an oven, a firing furnace, an infrared lamp, a hot air blower, etc. Use of a hot plate is preferable because the temperature of the first metal oxide film can be reliably maintained at a desired temperature. In addition, when heating a 1st metal oxide film, you may heat with the said dense fuel electrode layer, and you may heat only a 1st metal oxide film.
以下、本発明の一実施形態について、適宜図面を参照して説明する。参照する図1A,B及び図2A〜Cは、本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の製造方法を示す概略工程図である。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of the invention will be described with reference to the drawings as appropriate. 1A and 1B and FIGS. 2A to 2C to be referred to are schematic process diagrams showing a method for manufacturing a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
まず、金属源と、例えば還元剤とを、水等の溶媒に溶解させて第1金属酸化物膜形成用溶液1a(図1A参照)を調製する。そして、図1Aに示すように、第1金属酸化物膜形成用溶液1aに、酸化ニッケルを含む緻密燃料極層11を浸漬する。これにより、図1Bに示すように、緻密燃料極層11の表面11aに沿って第1金属酸化物膜12aが形成される。その後、第1金属酸化物膜12aで覆われた緻密燃料極層11を、第1金属酸化物膜形成用溶液1aから取り出す。
First, a metal source and a reducing agent, for example, are dissolved in a solvent such as water to prepare a first metal oxide
次に、図2Aに示すように、第1金属酸化物膜12a及び緻密燃料極層11を、例えばホットプレート(図示せず)等により金属酸化物膜形成温度以上に加熱した状態で、スプレー装置2により第2金属酸化物膜形成用溶液1b(例えば第1金属酸化物膜形成用溶液1aと同じ組成)を第1金属酸化物膜12a上に噴霧する。これにより、図2Bに示すように、第1金属酸化物膜12a上に第2金属酸化物膜12bが形成され、第1金属酸化物膜12aと第2金属酸化物膜12bとからなる金属酸化物膜12が得られる。
Next, as shown in FIG. 2A, in a state where the first
続いて、図2Cに示すように、金属酸化物膜(電解質層)12上に、スクリーン印刷法等の手段を用いて空気極層13を形成し、固体酸化物形燃料電池(単セル)10が得られる。
Subsequently, as shown in FIG. 2C, an
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されない。例えば、第1金属酸化物膜12aを形成した後、第2金属酸化物膜12bを形成せずに、第1金属酸化物膜12a上に空気極層13を形成してもよい。また、第1金属酸化物膜12aを形成した後、公知の方法によりスラリーを塗布し、これを焼成して第2金属酸化物膜を形成してもよい。また、緻密燃料極層11の表面のうち、空気極層13に面する表面以外をマスキングした状態で、第1金属酸化物膜形成用溶液1aに浸漬してもよい。これにより、空気極層13に面する表面にのみ第1金属酸化物膜12aを形成することができる。
Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment. For example, after forming the first
以下に実施例を挙げて、本発明を更に詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. In addition, this invention is not limited to a following example.
(実施例)
本実施例では、上述した図2Cに示すような構造を有する単セルを作製した。まず、NiO粉末(粒径範囲:0.01〜10μm、平均粒径:1μm)、及びSDC(Ce:Sm:O=0.8:0.2:1.9)粉末(粒径範囲:1〜10μm、平均粒径:0.1μm)を、質量比(NiO:SDC)が70:30となるようにエタノールに加え、これらをエタノール中で粉砕しながら混合した。次に、これらを乾燥して充分にエタノールを揮発させた後、一軸プレスにて成形し、セラミックスカッターにより所定の寸法に切断(トリミング)した。そして、これを1400℃で5時間焼結して、緻密燃料極層となる緻密燃料極基板(厚み:0.5mm)を作製した。
(Example)
In this example, a single cell having the structure shown in FIG. 2C was manufactured. First, NiO powder (particle size range: 0.01 to 10 μm, average particle size: 1 μm), and SDC (Ce: Sm: O = 0.8: 0.2: 1.9) powder (particle size range: 1 10 μm, average particle size: 0.1 μm) was added to ethanol so that the mass ratio (NiO: SDC) was 70:30, and these were mixed while being pulverized in ethanol. Next, these were dried and the ethanol was sufficiently volatilized, then formed by a uniaxial press and cut (trimmed) to a predetermined size by a ceramic cutter. And this was sintered at 1400 degreeC for 5 hours, and the dense fuel electrode board | substrate (thickness: 0.5 mm) used as a dense fuel electrode layer was produced.
続いて、硝酸セリウム(III)(関東化学社製)、硝酸ガドリニウム(和光純薬社製)及び還元剤であるボラン−ジメチルアミン錯体(関東化学社製)を、それぞれの濃度が0.03mol/リットル、0.0045mol/リットル及び0.05mol/リットルとなるように、エタノール及び水からなる混合溶媒に溶解させて第1金属酸化物膜形成用溶液を調製した。使用した混合溶媒は、容量比(エタノール:水)が、50:50であった。そして、上記第1金属酸化物膜形成用溶液(70℃)中に、上記緻密燃料極基板を5時間浸漬して、上記緻密燃料極基板の表面を覆って形成されたGDCからなる第1金属酸化物膜を得た。 Subsequently, cerium (III) nitrate (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.), gadolinium nitrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and borane-dimethylamine complex (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) as a reducing agent were each added at a concentration of 0.03 mol / A first metal oxide film-forming solution was prepared by dissolving in a mixed solvent consisting of ethanol and water so as to be 1 liter, 0.0045 mol / liter, and 0.05 mol / liter. The mixed solvent used had a volume ratio (ethanol: water) of 50:50. Then, the dense fuel electrode substrate is dipped in the first metal oxide film forming solution (70 ° C.) for 5 hours to cover the surface of the dense fuel electrode substrate, and the first metal made of GDC is formed. An oxide film was obtained.
次に、セリウム(III)アセチルアセトナ−ト(関東化学社製)及び酢酸ガドリニウム(和光純薬社製)を、それぞれの濃度が0.1mol/リットル及び0.03mol/リットルとなるように、トルエン、イソプロパノール、エタノール及びメチルエチルケトンからなる混合溶媒に溶解させて第2金属酸化物膜形成用溶液を調製した。使用した混合溶媒は、容量比(トルエン:イソプロパノール:エタノール:メチルエチルケトン)が、50:20:20:10であった。そして、400℃に加熱した上記第1金属酸化物膜上へ上記第2金属酸化物膜形成用溶液(100ミリリットル)をハンドスプレー(アズワン社製)で噴霧して、上記第1金属酸化物膜上にGDCからなる第2金属酸化物膜を形成し、上記第1金属酸化物膜及び上記第2金属酸化物膜からなる電解質層(厚み:5μm)を得た。上記第2金属酸化物膜形成用溶液の噴射量は、0.005リットル/minであった。 Next, cerium (III) acetylacetonate (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) and gadolinium acetate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were adjusted so that the respective concentrations were 0.1 mol / liter and 0.03 mol / liter. A second metal oxide film forming solution was prepared by dissolving in a mixed solvent consisting of toluene, isopropanol, ethanol, and methyl ethyl ketone. The mixed solvent used had a volume ratio (toluene: isopropanol: ethanol: methyl ethyl ketone) of 50: 20: 20: 10. Then, the second metal oxide film-forming solution (100 ml) is sprayed onto the first metal oxide film heated to 400 ° C. by hand spray (manufactured by ASONE Co., Ltd.), and the first metal oxide film A second metal oxide film made of GDC was formed thereon, and an electrolyte layer (thickness: 5 μm) made of the first metal oxide film and the second metal oxide film was obtained. The spray amount of the second metal oxide film forming solution was 0.005 liter / min.
続いて、(Sm,Sr)CoO3(Sm:Sr:Co:O=0.5:0.5:1:3)粉末(粒径範囲:0.1〜10μm、平均粒径:3μm)及びセルロース系バインダー樹脂を、質量比((Sm,Sr)CoO3:バインダー樹脂)が80:20となるようにジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテートに加えてペーストを調製し、このペーストをスクリーン印刷により上記電解質層上に塗布した後、これらを1200℃で5時間焼結することにより空気極層(厚み:30μm)を形成して、固体酸化物形燃料電池の単セルを作製した。 Subsequently, (Sm, Sr) CoO 3 (Sm: Sr: Co: O = 0.5: 0.5: 1: 3) powder (particle size range: 0.1 to 10 μm, average particle size: 3 μm) and A paste is prepared by adding a cellulose binder resin to diethylene glycol monobutyl ether acetate so that the mass ratio ((Sm, Sr) CoO 3 : binder resin) is 80:20, and this paste is screen-printed on the electrolyte layer. Then, these were sintered at 1200 ° C. for 5 hours to form an air electrode layer (thickness: 30 μm), thereby producing a single cell of a solid oxide fuel cell.
(比較例)
比較例として、以下に示す方法で単セルを作製した。
(Comparative example)
As a comparative example, a single cell was produced by the method described below.
まず、NiO粉末(粒径範囲:0.01〜10μm、平均粒径:1μm)、SDC(Ce:Sm:O=0.8:0.2:1.9)粉末(粒径範囲:1〜10μm、平均粒径:0.1μm)及びアセチレンブラックを、質量比(NiO:SDC:アセチレンブラック)が45:50:5となるようにエタノールに加え、これらをエタノール中で粉砕しながら混合した。次に、これらを乾燥して充分にエタノールを揮発させた後、一軸プレスにて成形し、セラミックスカッターにより所定の寸法に切断(トリミング)した。そして、これを1400℃で5時間焼結して、多孔質電極層となる多孔質燃料極基板(厚み:0.5mm)を作製した。 First, NiO powder (particle size range: 0.01 to 10 μm, average particle size: 1 μm), SDC (Ce: Sm: O = 0.8: 0.2: 1.9) powder (particle size range: 1 to 1) 10 μm, average particle diameter: 0.1 μm) and acetylene black were added to ethanol so that the mass ratio (NiO: SDC: acetylene black) was 45: 50: 5, and these were mixed while being pulverized in ethanol. Next, these were dried and the ethanol was sufficiently volatilized, then formed by a uniaxial press and cut (trimmed) to a predetermined size by a ceramic cutter. And this was sintered at 1400 degreeC for 5 hours, and the porous fuel electrode board | substrate (thickness: 0.5 mm) used as a porous electrode layer was produced.
次に、YSZ(Y:Zr:O=0.08:1:2)粉末(粒径範囲:0.1〜1μm、平均粒径:0.5μm)及びセルロース系バインダー樹脂を、質量比(YSZ:セルロース系バインダー樹脂)が95:5となるようにジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテートに加えてペーストを調製した。この際のペーストの粘度は、5×105mPa・sであった。次に、上記ペーストをスクリーン印刷法にて上記多孔質燃料極基板に塗布し、130℃で5分間乾燥させた後、1200℃で1時間焼結して、YSZからなる電解質層(上記多孔質燃料極基板上の厚み:5μm)を得た。 Next, the mass ratio (YSZ) of YSZ (Y: Zr: O = 0.08: 1: 2) powder (particle size range: 0.1 to 1 μm, average particle size: 0.5 μm) and cellulose binder resin are used. : Cellulose-based binder resin) was added to diethylene glycol monobutyl ether acetate so as to be 95: 5 to prepare a paste. The viscosity of the paste at this time was 5 × 10 5 mPa · s. Next, the paste is applied to the porous fuel electrode substrate by a screen printing method, dried at 130 ° C. for 5 minutes, sintered at 1200 ° C. for 1 hour, and an electrolyte layer made of YSZ (the porous layer) Thickness on the fuel electrode substrate: 5 μm).
続いて、(Sm,Sr)CoO3(Sm:Sr:Co:O=0.5:0.5:1:3)粉末(粒径範囲:0.1〜10μm、平均粒径:3μm)及びセルロース系バインダー樹脂を、質量比((Sm,Sr)CoO3:バインダー樹脂)が80:20となるようにジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテートに加えてペーストを調製し、このペ−ストをスクリーン印刷により上記電解質層上に塗布した後、これらを1200℃で5時間焼結することにより空気極層(厚み:30μm)を形成して、固体酸化物形燃料電池の単セルを得た。 Subsequently, (Sm, Sr) CoO 3 (Sm: Sr: Co: O = 0.5: 0.5: 1: 3) powder (particle size range: 0.1 to 10 μm, average particle size: 3 μm) and Cellulose binder resin is added to diethylene glycol monobutyl ether acetate so that the mass ratio ((Sm, Sr) CoO 3 : binder resin) is 80:20, and a paste is prepared. After coating on the layer, these were sintered at 1200 ° C. for 5 hours to form an air electrode layer (thickness: 30 μm) to obtain a single cell of a solid oxide fuel cell.
(電池性能の評価)
上述した各単セルの電池性能を下記に示す方法で評価した。
(Evaluation of battery performance)
The battery performance of each single cell described above was evaluated by the following method.
まず、図4に示すように、給気経路91a及び排気経路91bを有する1対のアルミナ管91,91で単セル92を挟持した。この際、供給するガスの漏れを防ぐため、単セル92とアルミナ管91との間にガラスシール93を介在させた。次に、大気中でアルミナ管91内の温度を800℃まで昇温させた後、単セル92の燃料極側から水素を100ml/minで供給し、空気極側から空気を200ml/minで供給して、開回路電圧(OCV)を測定した。その結果、実施例のOCVが1140mVとなり、比較例のOCVが320mVとなった。比較例は、電解質層の緻密性が不充分であるため、ガスリ−クにより開回路電圧が低下したものと考えられる。一方、実施例については、開回路電圧の大きな低下は認められず、緻密性が確保されていた。
First, as shown in FIG. 4, the
1a 第1金属酸化物膜形成用溶液
1b 第2金属酸化物膜形成用溶液
2 スプレー装置
10 固体酸化物形燃料電池(単セル)
11 緻密燃料極層
11a 表面
12 金属酸化物膜
12a 第1金属酸化物膜
12b 第2金属酸化物膜
13 空気極層
21 緻密燃料極層
22 金属酸化物膜形成用溶液
UV 紫外線
91 アルミナ管
91a 給気経路
91b 排気経路
92 単セル
93 ガラスシール
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (17)
金属源を含む金属酸化物膜形成用溶液に前記緻密燃料極層を浸漬することにより前記金属酸化物膜を形成しており、
前記緻密燃料極層は、相対密度が90%以上であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池の製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell comprising a dense fuel electrode layer containing nickel oxide and an electrolyte layer made of a metal oxide film formed on the dense fuel electrode layer,
The metal oxide film is formed by immersing the dense fuel electrode layer in a metal oxide film forming solution containing a metal source,
The method for producing a solid oxide fuel cell, wherein the dense fuel electrode layer has a relative density of 90% or more.
金属源を含む第1金属酸化物膜形成用溶液に前記緻密燃料極層を浸漬することにより、前記緻密燃料極層上に接触する第1金属酸化物膜を形成し、
金属源を含む第2金属酸化物膜形成用溶液を前記第1金属酸化物膜上に接触させることにより第2金属酸化物膜を形成して、前記第1金属酸化物膜と前記第2金属酸化物膜とからなる前記金属酸化物膜を得ており、
前記緻密燃料極層は、相対密度が90%以上であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池の製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell comprising a dense fuel electrode layer containing nickel oxide and an electrolyte layer made of a metal oxide film formed on the dense fuel electrode layer,
By immersing the dense fuel electrode layer in a solution for forming a first metal oxide film containing a metal source, a first metal oxide film in contact with the dense fuel electrode layer is formed,
A second metal oxide film is formed by contacting a solution for forming a second metal oxide film containing a metal source on the first metal oxide film, and the first metal oxide film and the second metal are formed. The metal oxide film comprising an oxide film is obtained,
The method for producing a solid oxide fuel cell, wherein the dense fuel electrode layer has a relative density of 90% or more.
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