JP5431808B2 - Method for producing laminated fired body - Google Patents
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Description
本発明は、積層焼成体、及びその積層焼成体の製造方法に関し、特に、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)のセルの一部を構成する積層焼成体、及びその積層焼成体の製造方法に関する。 The present invention relates to a laminated fired body and a method for producing the laminated fired body, and in particular, a laminated fired body constituting a part of a solid oxide fuel cell (SOFC) cell, and the laminated fired body thereof. The present invention relates to a method for manufacturing a body.
従来から、内部に燃料ガス(例えば、水素等)の流路(燃料流路)が形成され且つ燃料流路内を流通する燃料ガスと接触して燃料ガスを反応させる多孔質の燃料極電極と、前記燃料極電極の上面及び下面の少なくとも1面に形成され固体電解質からなる緻密な電解質層と、前記電解質層の表面に形成され酸素を含むガス(例えば、空気等)と接触して酸素を含むガスを反応させる多孔質の空気極電極と、を備えた積層焼成体であるSOFCのセルが知られている(例えば、特許文献1を参照。)。 Conventionally, a porous fuel electrode electrode in which a flow path (fuel flow path) of fuel gas (for example, hydrogen) is formed and in contact with the fuel gas flowing through the fuel flow path to react with the fuel gas, And a dense electrolyte layer made of a solid electrolyte formed on at least one of the upper and lower surfaces of the fuel electrode and a gas containing oxygen (for example, air) formed on the surface of the electrolyte layer to bring oxygen into contact An SOFC cell that is a laminated fired body including a porous air electrode electrode that reacts a gas that contains the gas is known (see, for example, Patent Document 1).
係るセルを用いて構成されるSOFCに関し、本出願人は、例えば、特願2007−324508号にて、複数のセルと、導電体からなる集電固定部材(「インターコネクタ」とも称呼される)と、からなるスタック構造体を備えたSOFCを提案している。このスタック構造体では、隣り合う2つのセルがセルの厚さ方向に離間した状態で積み重なっている。また、隣り合う一方のセルの燃料極電極の接続部と隣り合う他方のセルの空気極電極の接続部とが集電固定部材を介して電気的に接続されている。これにより、複数のセルが電気的に直列に接続されている。 Regarding the SOFC configured using such a cell, the present applicant, for example, in Japanese Patent Application No. 2007-324508, collects and fixes a plurality of cells and a conductor (also referred to as an “interconnector”). SOFC with a stack structure consisting of In this stack structure, two adjacent cells are stacked in a state of being separated in the cell thickness direction. In addition, the connecting portion of the fuel electrode of one of the adjacent cells and the connecting portion of the air electrode of the other adjacent cell are electrically connected via a collector fixing member. Thereby, the plurality of cells are electrically connected in series.
そして、隣り合う2つのセルの間に形成されたそれぞれの空間に酸素を含むガスの流路(空気流路)が区画・形成されている。この空気流路内の酸素を含むガスと燃料流路内の燃料ガスとが混ざらないように、空気流路と燃料流路とは電解質層(及びその他の部材)により区画されている。 And the flow path (air flow path) of the gas containing oxygen is divided and formed in each space formed between two adjacent cells. The air flow path and the fuel flow path are partitioned by an electrolyte layer (and other members) so that the gas containing oxygen in the air flow path and the fuel gas in the fuel flow path are not mixed.
このスタック構造体をSOFCの作動温度(例えば、800℃、以下、単に「作動温度」と称呼する。)まで加熱した状態で、燃料流路及び空気流路に燃料ガス及び酸素を含むガスがそれぞれ供給される。これにより、燃料極電極及び空気極電極に燃料ガス及び酸素を含むガスがそれぞれ接触し、この結果、各セルにて発電反応が発生する。その際、上述のように複数のセルが電気的に直列に接続されたスタック構造体を採用することで、1つのみのセルが使用される場合と比べて、より大きい出力を得ることができる。 In a state in which this stack structure is heated to the operating temperature of SOFC (for example, 800 ° C., hereinafter simply referred to as “operating temperature”), the fuel flow path and the air flow path contain gas containing fuel gas and oxygen, respectively. Supplied. Thereby, the fuel gas and the gas containing oxygen come into contact with the fuel electrode and the air electrode, respectively. As a result, a power generation reaction occurs in each cell. At that time, by adopting a stack structure in which a plurality of cells are electrically connected in series as described above, a larger output can be obtained as compared with the case where only one cell is used. .
また、本出願人は、上記積層焼成体であるSOFCのセルを製造するに際し、例えば、特許文献2にて、以下の製造方法を提案している。即ち、先ず、後に燃料極電極となる焼成前のグリーン成形体の上面及び下面の少なくとも1面に、後に電解質層となる焼成前の1枚のグリーンシート(以下、「第1グリーンシート」と呼ぶ。)が接合剤を介在することなく積層される。この積層体にコールドアイソスタティックプレス法(以下、「CIP」と称呼する。)により等方的な圧力(冷水による静水圧)を加えてこの積層体が加圧成形される。なお、本明細書にて「グリーン」とは、焼成前の状態を意味する。
The present applicant has proposed the following manufacturing method in
これにより、接合剤を使用することなく、グリーン成形体と第1グリーンシートとが一体化された(接合された)加圧成形体が得られる。ここで、グリーン成形体と第1グリーンシートとが一体化されるのは、以下の理由に基づくと考えられる。即ち、静水圧により、グリーン成形体と第1グリーンシートとは厚さ方向に加えて面方向(厚さ方向と垂直な方向、グリーン成形体と第1グリーンシートとの接触面が延在する方向)にも力を受ける。グリーン成形体と第1グリーンシートとは、静水圧によるこれらの力を受けて静水圧の大きさに応じた量だけ収縮する。以下、面方向の収縮に着目し、CIPによる面方向の収縮を特に「CIP収縮」とも呼ぶ。静水圧による面方向の力により、グリーン成形体と第1グリーンシートには静水圧の大きさに応じてCIP収縮が発生する。このようにグリーン成形体と第1グリーンシートとにCIP収縮が発生することと、静水圧による厚さ方向の力によりグリーン成形体と第1グリーンシートとの接触部同士が押圧されることとの相乗効果により、その接触部間に噛み込み等に起因するアンカー効果が作用する。このアンカー効果により、グリーン成形体と第1グリーンシートとが一体化される(接合される)。このように一体化が達成された状態でグリーン成形体と第1グリーンシートとのCIP収縮が進行していくので、グリーン成形体と第1グリーンシートとのCIP収縮の量(CIPによる面方向の寸法減少量)は一致する。 As a result, a pressure molded body in which the green molded body and the first green sheet are integrated (bonded) can be obtained without using a bonding agent. Here, it is considered that the green molded body and the first green sheet are integrated based on the following reason. That is, due to the hydrostatic pressure, the green molded body and the first green sheet have a surface direction (a direction perpendicular to the thickness direction, a direction in which the contact surface between the green molded body and the first green sheet extends) in addition to the thickness direction. ) Also receives power. The green molded body and the first green sheet receive these forces due to the hydrostatic pressure and contract by an amount corresponding to the magnitude of the hydrostatic pressure. Hereinafter, focusing on the shrinkage in the surface direction, the shrinkage in the surface direction due to CIP is also referred to as “CIP shrinkage”. Due to the force in the surface direction due to the hydrostatic pressure, CIP contraction occurs in the green molded body and the first green sheet according to the magnitude of the hydrostatic pressure. Thus, CIP contraction occurs between the green molded body and the first green sheet, and the contact portions between the green molded body and the first green sheet are pressed by the force in the thickness direction due to the hydrostatic pressure. Due to the synergistic effect, an anchor effect caused by biting or the like acts between the contact portions. Due to the anchor effect, the green molded body and the first green sheet are integrated (joined). Since the CIP shrinkage between the green molded body and the first green sheet proceeds in the state where the integration is achieved in this way, the amount of CIP shrinkage between the green molded body and the first green sheet (in the plane direction by CIP) Dimension reduction amount) agrees.
次いで、この加圧成形体を焼成することで、燃料極電極と電解質層とからなる積層焼成体が得られる。焼成によっても加圧成形体(積層焼成体)は収縮する。以下、焼成による面方向の収縮を特に「焼成収縮」と呼ぶ。上述のように加圧成形体では一体化が既に達成されている。従って、一体化が達成された状態で焼成収縮が進行していくので、グリーン成形体(燃料極電極)と第1グリーンシート(電解質層)との焼成収縮の量(焼成による面方向の寸法減少量)も一致する。 Next, the pressure-formed body is fired to obtain a laminated fired body composed of the fuel electrode and the electrolyte layer. The pressure-formed body (laminated fired body) shrinks even by firing. Hereinafter, the shrinkage in the surface direction due to firing is particularly referred to as “firing shrinkage”. As described above, integration has already been achieved in the pressure-formed body. Accordingly, since the firing shrinkage proceeds in a state where the integration is achieved, the amount of firing shrinkage between the green molded body (fuel electrode) and the first green sheet (electrolyte layer) (reduction in dimension in the plane direction due to firing). The amount) also agrees.
次に、この積層焼成体の電解質層の表面に後に空気極電極となる焼成前のグリーン成形体が印刷等により形成される。そして、このグリーン成形体が焼成されることで、上述したSOFCのセルが得られる。 Next, a green molded body before firing, which will later become an air electrode, is formed on the surface of the electrolyte layer of the laminated fired body by printing or the like. The green molded body is fired to obtain the SOFC cell described above.
ところで、上述したSOFCの作動中のセル内において、緻密な電解質層内の固体電解質(例えば、YSZ)と多孔質の空気極電極内の特定の物質(例えば、ストロンチウム)とが反応して電解質層と空気極電極との間の電気抵抗が増大する現象が発生し得る。この反応を抑制するため、本出願人は、緻密な電解質層と多孔質の空気極電極との間にセリアからなる緻密な反応防止層を介装することを提案している。 By the way, in the above-described cell during the operation of the SOFC, the solid electrolyte (for example, YSZ) in the dense electrolyte layer reacts with a specific substance (for example, strontium) in the porous air electrode to react with the electrolyte layer. A phenomenon may occur in which the electrical resistance between the electrode and the air electrode increases. In order to suppress this reaction, the present applicant has proposed that a dense reaction preventing layer made of ceria is interposed between the dense electrolyte layer and the porous air electrode.
この場合、焼成前において、後に燃料極電極となるグリーン成形体と、後に電解質層となる第1グリーンシートと、後に反応防止層となる第2グリーンシートとが一体化された積層体を得て、この積層体を焼成に供することが好ましい。焼成前にてこの一体化が達成された積層体を得るため、上述した加圧成形体を活用する手法が考えられる。 In this case, before firing, a green molded body that will later become a fuel electrode, a first green sheet that will later become an electrolyte layer, and a second green sheet that will later become a reaction preventing layer are obtained. The laminate is preferably subjected to firing. In order to obtain a laminated body in which this integration has been achieved before firing, a method utilizing the above-described pressure-formed body can be considered.
具体的には、(後に燃料極電極となる)グリーン成形体に第1グリーンシートが積層され、この積層体に対してCIP(1回目のCIP)が施される。これにより、上述のように、グリーン成形体と第1グリーンシートとにCIP収縮が発生し、グリーン成形体と第1グリーンシートとが一体化された加圧成形体が得られる。次いで、この加圧成形体における第1グリーンシートの表面に第2グリーンシートが積層され、この積層体に対して2回目のCIPが施される。これにより、第1、第2グリーンシート(及び、グリーン成形体)にCIP収縮が発生し、第1、第2グリーンシートが一体化された(即ち、グリーン成形体と第1グリーンシートと第2グリーンシートとが一体化された)積層体(加圧成形体)が得られる。 Specifically, a first green sheet is laminated on a green molded body (to be a fuel electrode later), and CIP (first CIP) is applied to the laminated body. Thereby, as described above, CIP shrinkage occurs in the green molded body and the first green sheet, and a pressure molded body in which the green molded body and the first green sheet are integrated is obtained. Next, a second green sheet is laminated on the surface of the first green sheet in the pressure molded body, and the second CIP is applied to the laminated body. As a result, CIP contraction occurs in the first and second green sheets (and the green molded body), and the first and second green sheets are integrated (that is, the green molded body, the first green sheet, and the second green sheet). A laminated body (pressure-molded body) integrated with a green sheet is obtained.
なお、2回目のCIPの静水圧が1回目のCIPの静水圧以下である場合、1回目のCIPに基づくCIP収縮が既に発生している第1グリーンシートにおいて2回目のCIPにて更なるCIP収縮が発生し得ない。従って、第1、第2グリーンシートの接触部間に上述したアンカー効果が作用し得ず、第1、第2グリーンシートが一体化され得ない。従って、2回目のCIPの静水圧は1回目のCIPの静水圧よりも大きい値に設定される必要がある。 In addition, when the hydrostatic pressure of the second CIP is equal to or lower than the hydrostatic pressure of the first CIP, the CIP contraction based on the first CIP has already occurred in the first green sheet. Shrinkage cannot occur. Therefore, the anchor effect described above cannot act between the contact portions of the first and second green sheets, and the first and second green sheets cannot be integrated. Therefore, the hydrostatic pressure of the second CIP needs to be set to a value larger than the hydrostatic pressure of the first CIP.
また、2回目のCIPでは、アンカー効果により第1、第2グリーンシートが一体化された状態で第1、第2グリーンシートのCIP収縮が進行していく。従って、上述したように「1回目のCIPに基づくグリーン成形体と第1グリーンシートとのCIP収縮の量が一致する」のと同様、2回目のCIPに基づく第1、第2グリーンシートのCIP収縮の量も一致する。このことは、第1グリーンシートのCIP収縮の総量(=1回目及び2回目のそれぞれのCIPに基づくCIP収縮の量の和)が、第2グリーンシートのCIP収縮の総量(=2回目のみのCIPに基づくCIP収縮の量)に対して、1回目のCIPに基づくCIP収縮の量だけ大きくなることを意味する。換言すれば、より後に積層されるグリーンシートほど、そのグリーンシートのCIP収縮の量が小さくなる。 In the second CIP, the CIP contraction of the first and second green sheets proceeds in a state where the first and second green sheets are integrated by the anchor effect. Therefore, as described above, the CIP of the first and second green sheets based on the second CIP is the same as “the amount of CIP shrinkage between the green molded body based on the first CIP and the first green sheet matches”. The amount of contraction is consistent. This is because the total amount of CIP shrinkage of the first green sheet (= sum of the amount of CIP shrinkage based on the first and second CIP) is equal to the total amount of CIP shrinkage of the second green sheet (= only the second time). This means that the amount of CIP contraction based on the first CIP increases by the amount of CIP contraction based on the first CIP. In other words, the green sheet that is laminated later, the smaller the amount of CIP shrinkage of the green sheet.
また、上述した「グリーン成形体と第1グリーンシートと第2グリーンシートとが一体化された加圧成形体」が焼成される場合も、上述と同様、一体化が達成された状態で焼成収縮が進行していく。従って、第1、第2グリーンシート(電解質層及び反応防止層)の焼成収縮の量が一致する。 In addition, when the above-described “pressure molded body in which the green molded body, the first green sheet, and the second green sheet are integrated” is fired, the fired shrinkage is achieved in a state where the integration is achieved as described above. Will progress. Therefore, the amount of firing shrinkage of the first and second green sheets (electrolyte layer and reaction preventing layer) matches.
このようにCIPが2回行われる手法が採用される場合、上記加圧成形体の焼成後に得られる積層焼成体(燃料極電極と電解質層と反応防止層との積層体)にて、反応防止層にて比較的大きな引っ張り残留応力が面方向に発生し易く、この引っ張り残留応力が過大な場合には反応防止層に割れ(クラック)が発生し得ることが判明した。本発明者は、この問題に対処するために種々の実験・研究を行った結果、本発明を想到するに至った。 When the method in which CIP is performed twice in this way is adopted, reaction prevention is achieved with a laminated fired body (a laminated body of a fuel electrode, an electrolyte layer, and a reaction preventing layer) obtained after firing the pressure-formed body. It has been found that a relatively large tensile residual stress is likely to occur in the surface direction in the layer, and if this tensile residual stress is excessive, a crack (crack) may occur in the reaction preventing layer. As a result of various experiments and researches to cope with this problem, the present inventor has come up with the present invention.
本発明の目的は、基板と、互いに異なる材料からなる複数の層とが積層されてなる積層焼成体において、複数の層の内部にて大きな引っ張り残留応力が発生し難いものを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a laminated fired body in which a substrate and a plurality of layers made of different materials are laminated, in which a large tensile residual stress is not easily generated inside the plurality of layers. .
本発明に係る積層焼成体は、基板と、前記基板の上面及び下面の少なくとも1面に積層された互いに異なる材料からなる隣接する複数の層と、を含む。ここにおいて、前記基板は、多孔質でなくてもよいが多孔質であることが好ましい。前記複数の層は、緻密な層でなくてもよいが緻密な層であることが好ましい。前記基板は、燃料ガスと接触して前記燃料ガスを反応させる燃料極電極であり、前記隣接する複数層は2層であり、前記2層のうち前記基板と接触する層は固体電解質からなる電解質層であり、前記2層のうちもう一方の層はセリアからなる反応防止層であってもよい。この場合、本発明に係る積層焼成体は、SOFCのセルの一部を構成し、この積層焼成体に空気極電極を追加することでSOFCのセルが得られる。 The laminated fired body according to the present invention includes a substrate and a plurality of adjacent layers made of different materials laminated on at least one of the upper surface and the lower surface of the substrate. Here, the substrate may not be porous, but is preferably porous. The plurality of layers may not be dense layers, but are preferably dense layers. The substrate is a fuel electrode that contacts the fuel gas and reacts with the fuel gas, the adjacent plural layers are two layers, and the layer that contacts the substrate of the two layers is an electrolyte made of a solid electrolyte. And the other of the two layers may be a reaction preventing layer made of ceria. In this case, the laminated fired body according to the present invention constitutes a part of the SOFC cell, and an SOFC cell is obtained by adding an air electrode to the laminated fired body.
本発明に係る積層焼成体の特徴は、この積層焼成体が以下の過程を経て得られた点にある。即ち、後に前記基板となる焼成前のグリーン成形体の上面及び下面の少なくとも1面に、後に前記複数層となる予め積層された焼成前のグリーンシートの積層体が接合剤を介在することなく積層される。次いで、この積層体に等方的な圧力を加えてこの積層体を加圧成形することで前記グリーン成形体と前記グリーンシートの積層体とが一体化された加圧成形体が得られる。そして、この加圧成形体を焼成することで本発明に係る積層焼成体が得られる。 The feature of the laminated fired body according to the present invention is that this laminated fired body was obtained through the following process. That is, a laminate of pre-fired green sheets, which will be the multiple layers later, is laminated without interposing a bonding agent on at least one of the upper surface and the lower surface of the green molded body that will later become the substrate. Is done. Next, an isotropic pressure is applied to the laminate, and the laminate is press-molded to obtain a press-molded body in which the green compact and the green sheet laminate are integrated. And the laminated fired body which concerns on this invention is obtained by baking this press-molded body.
ここにおいて、前記加圧成形は、ホットアイソスタティックプレス法により行われてもよいが、コールドアイソスタティックプレス法(CIP)により行われることが好適である。また、前記加圧成形の際の圧力は100〜700MPaであることが好適である。 Here, the pressure molding may be performed by a hot isostatic pressing method, but is preferably performed by a cold isostatic pressing method (CIP). Moreover, it is preferable that the pressure at the time of the pressure molding is 100 to 700 MPa.
上述した発明の概要の欄に記載した手法では、グリーン成形体にグリーンシートが1枚ずつ積層されていき、1枚のグリーンシートが積層される毎にCIPが施されていた。これに対し、本発明では、予め準備されたグリーンシートの積層体がグリーン成形体に一時に積層され、CIPが1回だけ施される点が異なる。 In the method described in the summary of the invention described above, green sheets are laminated one by one on the green molded body, and CIP is applied each time one green sheet is laminated. On the other hand, in the present invention, a green sheet laminate prepared in advance is laminated on the green molded body at a time, and the CIP is applied only once.
本発明によれば、加圧成形(例えば、CIP)の際、上述したアンカー効果により、グリーン成形体及びそれぞれのグリーンシートが一体化された状態でグリーン成形体及びそれぞれのグリーンシートのCIP収縮が進行していく。従って、加圧成形体において、グリーンシートの積層体を構成するそれぞれのグリーンシートのCIP収縮の量が一致する。本発明によれば、このような加圧成形体が焼成に供されることで積層焼成体が得られる。そして、本発明に係る積層焼成体において、複数の緻密層の内部にて大きな引っ張り残留応力が面方向に発生し難いことが判明した。これは以下の理由に基づくと考えられる。 According to the present invention, during pressure molding (for example, CIP), due to the anchor effect described above, CIP shrinkage of the green molded body and each green sheet in a state where the green molded body and each green sheet are integrated. Progress. Therefore, the amount of CIP shrinkage of the green sheets constituting the green sheet laminate coincides with each other in the press-formed body. According to the present invention, a laminated fired body is obtained by subjecting such a pressure-formed body to firing. And in the laminated fired body which concerns on this invention, it became clear that a big tension | pulling residual stress was hard to generate | occur | produce in a surface direction inside a some dense layer. This is considered based on the following reasons.
即ち、或るグリーンシートに対してCIPが施された後に焼成がなされる場合を考える。この場合、CIP収縮の量が小さいほど、焼成収縮の量(より正確には、単独の状態での焼成収縮の量)が大きくなることが考えられる。従って、上述した発明の概要の欄に記載した手法では、上述したように、第2グリーンシートのCIP収縮の量が第1グリーンシートのCIP収縮の量よりも小さいことに起因して、第2グリーンシートの(単独状態での)焼成収縮の量が第1グリーンシートの(単独状態での)焼成収縮の量よりも大きくなる。即ち、焼成時、第2グリーンシートは第1グリーンシートに対してより多く収縮しようとする。しかしながら、上述したように、焼成前にて第1、第2グリーンシートは既に一体化されているので、第1、第2グリーンシートの実際の焼成収縮の量は強制的に一致させられる。この結果、焼成後、第2グリーンシートには大きな引っ張り残留応力が面方向に発生し易い。 That is, consider a case where firing is performed after CIP is applied to a certain green sheet. In this case, it is conceivable that the smaller the amount of CIP shrinkage, the larger the amount of firing shrinkage (more precisely, the amount of firing shrinkage in a single state). Therefore, in the method described in the summary column of the invention described above, as described above, the amount of CIP shrinkage of the second green sheet is smaller than the amount of CIP shrinkage of the first green sheet. The amount of firing shrinkage (in the single state) of the green sheet is greater than the amount of firing shrinkage (in the single state) of the first green sheet. That is, when firing, the second green sheet tends to shrink more than the first green sheet. However, as described above, since the first and second green sheets are already integrated before firing, the actual firing shrinkage amounts of the first and second green sheets are forcibly matched. As a result, after firing, a large tensile residual stress is easily generated in the surface direction on the second green sheet.
これに対し、本発明では、上述したように、グリーンシートの積層体を構成するそれぞれのグリーンシートのCIP収縮の量が一致する。従って、それぞれのグリーンシートの(単独状態での)焼成収縮の量に大きな差が発生し難い。この結果、本発明に係る積層焼成体における複数の緻密層の内部では、大きな引っ張り残留応力が面方向に発生し難い。 On the other hand, in the present invention, as described above, the amount of CIP shrinkage of each green sheet constituting the laminate of green sheets matches. Therefore, a large difference is hardly generated in the amount of firing shrinkage (in a single state) of each green sheet. As a result, large tensile residual stress is unlikely to occur in the surface direction inside the plurality of dense layers in the laminated fired body according to the present invention.
上記本発明に係る積層焼成体は、具体的には、例えば、以下の第1〜第5工程を経て製造され得る。第1工程では、後に前記複数層のそれぞれの層となる焼成前のそれぞれのグリーンシートが形成される。第2工程では、前記形成されたそれぞれのグリーンシートを積層してグリーンシートの積層体が得られる。第3工程では、後に前記基板となる焼成前のグリーン成形体の上面及び下面の少なくとも1面に、接合剤を介在することなく前記グリーンシートの積層体が積層される。第4工程では、前記第3工程後に得られた積層体に等方的な圧力を加えてこの積層体を加圧成形することで前記グリーン成形体と前記グリーンシートの積層体とが一体化された加圧成形体が得られる。第5工程では、前記得られた加圧成形体を焼成することで前記積層焼成体が得られる。 Specifically, the laminated fired body according to the present invention can be manufactured through the following first to fifth steps, for example. In the first step, each green sheet before firing to be a layer of the plurality of layers later is formed. In the second step, the formed green sheets are laminated to obtain a laminate of green sheets. In the third step, the green sheet laminate is laminated on at least one of the upper surface and the lower surface of the green molded body before firing, which will be the substrate later, without interposing a bonding agent. In the fourth step, the green molded body and the green sheet laminated body are integrated by applying isotropic pressure to the laminated body obtained after the third step and pressure-molding the laminated body. A pressed body is obtained. In the fifth step, the laminated fired body is obtained by firing the obtained pressure-molded body.
ところで、通常、グリーンシートは、変形し難い樹脂シート上に形成される。樹脂シートとしては、例えば、ポリエチレンテレフタレート製のシート(PETフィルムとも呼ばれる。)が使用される。薄いグリーンシートは、非常に変形し易く且つ破れ易い。特に、厚さが30μm以下のグリーンシートを単独の状態で取り扱うことは非常に困難である。従って、通常、樹脂シート上に形成されたグリーンシートは樹脂シートと一体で必要な平面形状に切り出され、切り出されたグリーンシートは、平面形状が同じ樹脂シートが付着した状態で取り扱われる。 By the way, the green sheet is usually formed on a resin sheet that is difficult to deform. As the resin sheet, for example, a polyethylene terephthalate sheet (also referred to as a PET film) is used. Thin green sheets are very deformable and easy to tear. In particular, it is very difficult to handle a green sheet having a thickness of 30 μm or less alone. Therefore, normally, the green sheet formed on the resin sheet is cut into a necessary planar shape integrally with the resin sheet, and the cut green sheet is handled with a resin sheet having the same planar shape attached thereto.
このように、樹脂シートが付着した状態でグリーンシートが取り扱われる場合であって、且つ、積層焼成体において基板に積層される緻密層が2層である場合、前記第1〜第4工程は以下のように進行し得る。先ず、前記第1工程では、前記各グリーンシートが樹脂からなるシートである樹脂シート上にそれぞれ形成される。前記第2工程では、前記樹脂シートが付着したグリーンシート同士を互いに向かい合うように積層して2層のグリーンシート積層体が形成され、前記2層のグリーンシート積層体の厚さ方向の両端側にそれぞれ付着している2枚の前記樹脂シートのうちの1枚のみを取り除くことで、厚さ方向の一端側にのみ前記樹脂シートが付着した前記グリーンシート積層体が得られる。前記第3工程では、前記1枚の樹脂シートを取り除いたことで露出した前記グリーンシート積層体の平面と前記グリーン成形体の上面及び下面の少なくとも1面とが互いに向かい合うように、前記グリーン成形体と前記グリーンシート積層体とが積層される。前記第4工程では、前記第3工程後に得られた厚さ方向の一端側に前記樹脂シートが付着した状態にある積層体が前記加圧成形に供される。 As described above, when the green sheet is handled in a state where the resin sheet is adhered, and the dense layer laminated on the substrate in the laminated fired body is two layers, the first to fourth steps are as follows. It can proceed as follows. First, in the first step, each of the green sheets is formed on a resin sheet that is a resin sheet. In the second step, the green sheets to which the resin sheets are adhered are laminated so as to face each other to form a two-layer green sheet laminate, and on both end sides in the thickness direction of the two-layer green sheet laminate. By removing only one of the two resin sheets adhering to each other, it is possible to obtain the green sheet laminate in which the resin sheet adheres only to one end side in the thickness direction. In the third step, the green molded body is formed such that a plane of the green sheet laminate exposed by removing the one resin sheet and at least one of an upper surface and a lower surface of the green molded body face each other. And the green sheet laminate are laminated. In the fourth step, the laminate in which the resin sheet is attached to one end side in the thickness direction obtained after the third step is subjected to the pressure molding.
このように、第4工程では、積層体の最外層に対応するグリーンシートに付着している樹脂シートも積層体と一体で加圧成形(例えば、CIP)に供される。上述したように樹脂シートは変形し難いので、加圧成形に供されても収縮し難い。一方、上述したようにグリーンシート積層体は加圧成形により収縮する。従って、最外層に対応するグリーンシートと樹脂シートとの接触部同士における相対位置関係にずれが生じる。この結果、加圧成形後、樹脂シートは最外層に対応するグリーンシートから自然に剥離し得る。 Thus, in the fourth step, the resin sheet attached to the green sheet corresponding to the outermost layer of the laminated body is also subjected to pressure molding (for example, CIP) integrally with the laminated body. As described above, since the resin sheet is difficult to deform, it is difficult to shrink even when subjected to pressure molding. On the other hand, as described above, the green sheet laminate is contracted by pressure molding. Therefore, a shift occurs in the relative positional relationship between the contact portions of the green sheet and the resin sheet corresponding to the outermost layer. As a result, after pressure molding, the resin sheet can be naturally peeled from the green sheet corresponding to the outermost layer.
上述した本発明に係る積層焼成体において、前記積層焼成体の厚さ方向から前記積層焼成体を視たときの前記積層焼成体の形状は、円形、楕円形、正方形、又は長方形であり、前記円形の直径、前記楕円形の長径、前記正方形の1辺の長さ、又は前記長方形の長辺の長さは3cm以上であることが好適である。また、前記燃料極電極、前記電解質層、及び前記反応防止層の厚さはそれぞれ、500〜3000μm、1〜20μm、及び3〜20μmであることが好ましい。 In the laminated fired body according to the present invention described above, the shape of the laminated fired body when viewed from the thickness direction of the laminated fired body is a circle, an ellipse, a square, or a rectangle, It is preferable that the diameter of the circle, the major axis of the ellipse, the length of one side of the square, or the length of the long side of the rectangle is 3 cm or more. The thicknesses of the fuel electrode, the electrolyte layer, and the reaction preventing layer are preferably 500 to 3000 μm, 1 to 20 μm, and 3 to 20 μm, respectively.
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態に係る積層焼成体を含む固体酸化物形燃料電池について説明する。 Hereinafter, a solid oxide fuel cell including a laminated fired body according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(燃料電池の全体構造)
図1は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池(以下、単に「燃料電池」と称呼する。)10の斜視図である。図2は、燃料電池10をy軸方向からみた部分図であり、図3は、図1に示した3−3線を含むx−z平面と平行な平面に沿って燃料電池を切断した図2に対応する部分断面図であり、図4は、図1に示した4−4線を含むx−z平面と平行な平面に沿って燃料電池を切断した図2に対応する部分断面図である。なお、x軸及びy軸は互いに直交する軸であり、z軸は、x−y平面に垂直な軸である。以下、z軸正方向を「上」方向、z軸負方向を「下」方向と呼ぶこともある。
(Overall structure of fuel cell)
FIG. 1 is a perspective view of a solid oxide fuel cell (hereinafter simply referred to as “fuel cell”) 10 according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a partial view of the
図1〜図4から理解できるように、燃料電池10は、複数の同型のセル20と、複数の同形のインターコネクタ30とを備えている。セル20は、燃料電池10の「単セル」とも称呼される。各セル20は、対応する1つのインターコネクタ30にそれぞれ収容・固定されている。燃料電池10は、セル20を収容した状態にある複数のインターコネクタ30が積層されることにより形成されている。即ち、燃料電池10は、スタック構造を備えている。ここで、複数のインターコネクタ30の積層体が前記「集電固定部材」に対応する。
As can be understood from FIGS. 1 to 4, the
以下、先ず、図2〜図4、並びに図5〜図7を参照しながら、セル20について説明する。セル20は、大略的にはx,y,z軸の方向に沿う辺を有する直方体状(z軸方向に厚さ方向を有する薄板状)を呈していて、x軸方向に沿う辺(長辺)の長さA1、y軸方向に沿う辺(短辺)の長さB1、厚さZ1はそれぞれ、本例では、30〜300mm、15〜150mm、0.5〜5mmである(図6を参照)。
Hereinafter, first, the
セル20は、燃料極層21(燃料極電極、アノード電極)と、一対の電解質層22と、一対の反応防止層23と、一対の空気極層24(空気極電極、カソード電極)とを備える。燃料極層21は、x,y,z軸の方向に沿う辺を有する直方体状(z軸方向に厚さ方向を有する薄板状)を呈する。燃料極層21の内部には、燃料ガス(例えば、水素ガス)が流通する燃料流路25が形成されている(特に、図7を参照)。
The
一対の電解質層22は、燃料極層21の上下面にそれぞれ形成されている。一対の反応防止層23は、燃料極層21の上面に形成された電解質層22の上面及び燃料極層21の下面に形成された電解質層22の下面にそれぞれ形成されている。一対の電解質層22及び一対の反応防止層23はそれぞれ、z軸方向に厚さ方向を有する薄板状を呈していて、z軸方向からみたこれらの平面形状は、z軸方向からみた燃料極層21の平面形状と一致している。
The pair of electrolyte layers 22 are respectively formed on the upper and lower surfaces of the
一対の空気極層24は、燃料極層21の上側に形成された反応防止層23の上面及び燃料極層21の下側に形成された反応防止層23の下面にそれぞれ形成されている。一対の空気極層24は、z軸方向に厚さ方向を有する同形の薄板状を呈する。各空気極層24には、後述する一対の貫通孔27との干渉を回避するために一対の切り欠き部24a,24aが形成されている。燃料極層21、各電解質層22、各反応防止層23、及び各空気極層24の厚さはそれぞれ、例えば、500〜3000μm、1〜20μm、3〜20μm及び3〜50μmである。
The pair of air electrode layers 24 are respectively formed on the upper surface of the
セル20の側面(4面)、具体的には、「燃料極層21、一対の電解質層22、及び一対の反応防止層23のそれぞれの側面が露呈している側面(4面)」は、側壁26(ガラス層)で覆われている。なお、燃料極層21の側面は、この側壁26に代えて電解質層22で覆われてもよい。この場合、電解質層22は、燃料極層21の周囲(上下面及び側面)を囲むように燃料極層21の表面に形成された薄膜となる。なお、セルの側面部のシール構造としては、電解質層のみで覆われた構造であっても良いし、電解質層の上に更にガラス層が被さった構造であっても良いし、ガラス層のみで覆われた構造であっても良い。
The side surfaces (four surfaces) of the
本例において、燃料極層21は、(後述する還元処理後において)Ni、及びYSZ(イットリア安定化ジルコニア)からなる多孔質の焼成体であり、燃料極電極(アノード電極)として機能する。電解質層22はYSZからなる緻密な焼成体である。反応防止層23はセリアからなる緻密な焼成体である。セリアとしては、具体的には、GDC(ガドリニウムドープセリア)、SDC(サマリウムドープセリア)等が挙げられる。空気極層24は、LSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3:ランタンストロンチウムコバルトフェライト)からなる多孔質の焼成体であり、空気極電極(カソード電極)として機能する。
In this example, the
なお、反応防止層23は、燃料電池10の作動中のセル20内において、電解質層22内のYSZと空気極層24内のストロンチウムとが反応して電解質層22と空気極層24との間の電気抵抗が増大する現象の発生を抑制するために、電解質層22と空気極層24との間に介装されている。
The
セル20は、一対の貫通孔27を備えている。各貫通孔27は、セル20の対応する短辺の近傍であってその辺の中央部領域にそれぞれ形成されていて、各貫通孔27は燃料極層21、電解質層22、及び反応防止層23を貫通している。一対の貫通孔27は、燃料極層21の内部において燃料流路25を介して連通している(特に、図7を参照)。
The
また、セル20の上面の4隅には、セル20の内部の燃料極層21と電気的に接続された導体(例えば、ランタンクロマイト)からなる導電板28がそれぞれ配設されている。各導電板28の上面(即ち、導体の上面)は、外部に露呈している。後述するように、上述したスタック状態において、これらの導電板28は、自身を収容するインターコネクタ30の上方に隣接するインターコネクタ30の後述する脚部34との電気的接続部として機能する。
次に、図2〜図4、並びに図8、図9を参照しながら、インターコネクタ30について説明する。インターコネクタ30は、本例では、y軸方向中央のx−z平面に平行な平面に対して対称な形状を有する第1部分30A及び第2部分30Bに分割されている。以下、説明の便宜上、インターコネクタ30が第1、第2部分30A,30Bからなる一体物として扱われる場合もある。
Next, the
インターコネクタ30は、大略的にはx,y,z軸の方向に沿う辺を有する直方体状(z軸方向に厚さ方向を有する薄板状)を呈した導電体からなる枠体(筺体)である。x軸方向に沿う辺(長辺)の長さA2、y軸方向に沿う辺(短辺)の長さB2、高さZ2はそれぞれ、本例では、40〜310mm、25〜160mm、3〜8mmである(図9を参照)。本例では、インターコネクタ30は、燃料電池用のフェライト系ステンレスであるZMG材料(日立金属(株)製)から構成されている。
The
インターコネクタ30(即ち、枠体)の内部には、セル20を収容するためのy軸方向に開口する(貫通する)空間が形成されている。インターコネクタ30には、セル20が収容された状態において後述する一対の連結部材40との干渉を回避するために一対の切り欠き部31,31が形成されている。
Inside the interconnector 30 (that is, the frame), a space that opens (penetrates) in the y-axis direction for accommodating the
インターコネクタ30を構成する枠における上面及び下面に対応する部分にはそれぞれ、小窓(貫通孔)の縁から下方及び上方に向けて突出する複数の突起部32が形成されている。後述するように、これらの突起部32は、インターコネクタ30の内部に収容されたセル20の空気極層24との電気的接続部として機能する。
A plurality of projecting
インターコネクタ30を構成する枠における上面に対応する部分の4隅であって、セル20が収容された状態においてx−y平面上にて上述の導電板28の位置に対応する位置には、窓33(貫通孔)がそれぞれ形成されている。また、インターコネクタ30を構成する枠における下面に対応する部分の4隅であって、x−y平面上にて窓33の位置に対応する位置には、下方に突出する脚部34がそれぞれ形成されている。z軸方向からみたとき、脚部34全体が窓33に含まれる。後述するように、上述したスタック状態において、これらの脚部34は、下方に隣接するインターコネクタ30内に収容されるセル20の導電板28との電気的接続部として機能する。
At the four corners of the portion corresponding to the upper surface of the frame constituting the
燃料電池10は、上記の構成を有するセル20を収容・固定した上記の構成を有する複数のインターコネクタ30が積層されたスタック構造を有する。このスタック構造を有する燃料電池10では、隣り合う2つのセル20の間におけるx−y平面上にて一対の貫通孔27の位置に対応する位置にそれぞれ、貫通孔41を備えた円筒状の連結部材40,40が介装されている。これにより、隣り合う2つのセル20が連結部材40の高さに相当する距離だけz軸方向に離間した状態で連結部材40を介して積み重なっている(特に、図4を参照)。
The
また、隣り合う2つのセル20におけるx−y平面上にて同じ位置にある貫通孔27同士が連結部材40の貫通孔41を介して接続・連通している。これにより、図4に示すように、貫通孔41と貫通孔27とが交互に接続されることで、z軸方向に連続的に延びる1本の燃料供給路と、z軸方向に連続的に延びる1本の燃料排気路とが形成されている。この燃料供給路と燃料排気路とは、各セル20内の燃料流路25を介して連通している。
Further, the through
また、各セル20の一対の空気極層24と、そのセル20を収容するインターコネクタ30の複数の突起部32とが、導電性の接着剤51(導電性ペースト)により電気的に接続・固定されている(特に、図3を参照)。また、或るインターコネクタ30の4つの窓33にそのインターコネクタ30の上方に隣接するインターコネクタ30の4つの脚部34がそれぞれ挿入されている。そして、或るセル20の導電板28(の上面)と、そのセル20を収容するインターコネクタ30の上方に隣接するインターコネクタ30の脚部34(の下面)とが、導電性の接着剤52(導電性ペースト)により電気的に接続・固定されている(特に、図3を参照)。
In addition, the pair of air electrode layers 24 of each
これにより、隣り合う2つのセル20のうち上側のセル20の空気極層24と下側のセル20の燃料極層21とが上側のセル20を収容するインターコネクタ30を介して電気的に接続されている。即ち、燃料電池10全体において、複数のセル20が電気的に直列に接続されている。
Thereby, the
また、隣り合う2つのセル20の間に形成された空間は、酸素を含むガス(例えば、空気)が流通する空気流路Sとして利用される。上述のように、燃料極層21の上下面は電解質層22により覆われ、燃料極層21の側面は側壁26により覆われている。従って、この空気流路Sと燃料流路24とは、電解質層22及び側壁26により区画されている。
A space formed between two
以上の構成を有する燃料電池10に対して、図10に示すように、y軸方向(の両方向)から空気が供給されるとともに、燃料供給路から燃料ガスが供給される。供給された空気は、空気流路Sを流通し、各セル20の一対の空気極層24と接触する。一方、供給された燃料ガスは、各セル20内の燃料流路25をそれぞれ通過し、燃料排気路から排気される(図4の矢印を参照)。このように、燃料流路24に燃料ガスが供給され、且つ、空気流路Sに空気が供給されることで、燃料電池10は、以下に示す化学反応式(1)及び(2)に基づく発電を行う。
(1/2)・O2+2e−→O2− (於:空気極層23) …(1)
H2+O2−→H2O+2e− (於:燃料極層21) …(2)
As shown in FIG. 10, air is supplied from the y-axis direction (both directions) to the
(1/2) · O 2 +2 e− → O 2− (in the air electrode layer 23) (1)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2 e− (in the fuel electrode layer 21) (2)
燃料電池(SOFC)10は、電解質層22の酸素伝導度を利用して発電するので、燃料電池10としての作動温度は最低600℃以上であることが一般的である。このため、燃料電池10は、常温から作動温度(例えば800℃)まで外部の加熱機構(例えば、抵抗加熱ヒータ方式の加熱機構、或いは、燃料ガスを燃焼して得られる熱を利用する加熱機構等)により昇温された状態で使用される。
Since the fuel cell (SOFC) 10 generates power using the oxygen conductivity of the
(製造方法の一例)
以下、燃料電池10の製造方法の一例について説明する。先ず、セル20の製造方法について説明する。燃料極層21内に燃料流路25を形成するため、燃料流路25と同形の図11に示す流路形成部材61が準備される。この流路形成部材61は、造孔剤(例えば、セルロース)を用いて周知の手法の1つにより形成される。また、燃料極層21の原料となる粉末62が準備される。この粉末62には、NiO、YSZ、及び造孔剤(例えば、セルロース)のそれぞれの粒子が均一に含まれる。粉末62に造孔剤が含まれているのは、燃料極層21を多孔質とするためである。
(Example of manufacturing method)
Hereinafter, an example of a method for manufacturing the
次に、図12に示すように、(1軸)プレス機を利用して、流路形成部材61が埋設されるように、粉末62が燃料極層21に対応する形状にプレス成形される。これにより、図13に示すように、流路形成部材61が埋設された直方体状の圧粉体21zが形成される。図14は、図13に示した14−14線を含むx−z平面と平行な平面に沿って圧粉体21zを切断した断面図である。
Next, as shown in FIG. 12, using a (uniaxial) press, the
次いで、この圧粉体21zの上下面に、後に電解質層22となる第1グリーンシート22zと後に反応防止層23となる第2グリーンシート23zとの積層体が積層され、この積層体が加圧成形される。第1グリーンシート22zはYSZからなる緻密な層であり、第2グリーンシート23zはセリアからなる緻密な層である。この工程については後に詳述する。この結果、図15に示すように、圧粉体21zの上下面に第1、第2グリーンシート22z,23zが積層・一体化された積層体(加圧成形体)が得られる。
Next, a laminate of a first
この加圧成形体が所定温度・所定時間(例えば、1400℃・1時間)にて焼成される。これにより、図16に示すように、流路形成部材61が焼失し、内部に燃料流路25が形成された燃料極層21と、燃料極層21の上下面にそれぞれ形成された一対の電解質層22と、上側の電解質層22の上面及び下側の電解質層22の下面にそれぞれ形成された一対の反応防止層23とを備えた積層焼成体が形成される。また、粉末62に含まれていた造孔剤が焼失することで、燃料極層21が多孔質となる。
The pressure-molded body is fired at a predetermined temperature and a predetermined time (for example, 1400 ° C. for 1 hour). As a result, as shown in FIG. 16, the flow
次に、図17に示すように、この積層焼成体の上下面に、後に空気極層24となるグリーンシート24zが印刷法によりそれぞれ形成され、そのグリーンシート24zが所定温度・所定時間(例えば、1000℃・1時間)にて焼成される。これにより、焼成体の上下面に一対の空気極層24が形成される。
Next, as shown in FIG. 17,
そして、図18に示すように、この焼成体に対して、周知の加工手法の1つを利用して、1対の貫通孔27が形成される。また、この焼成体に対して、内部の燃料極層21と電気的に接続されるように4つの導電板28が配設される。更には、この焼成体の側面全体を覆うように側壁26が接着剤等を利用して焼成体の側面に固設される。なお、側壁26は、ガラス塗布後に上述の焼成により同時に形成しても良いし、焼成後にガラス塗布することで形成しても良い。以上により、セル20が完成される。完成されたセル20が必要な個数だけ準備される。
Then, as shown in FIG. 18, a pair of through
次に、インターコネクタ30の製造方法について説明する。インターコネクタ30(実際には、第1、第2部分30A,30B)は、燃料電池用のフェライト系ステンレスであるZMG材料(日立金属(株)製)からなる薄板を、周知の手法(エッチング、切削、プレス等)により図8、図9に示す形状に加工することで完成される。完成されたインターコネクタ30(実際には、第1、第2部分30A,30B)が必要な個数だけ準備される。
Next, a method for manufacturing the
次に、図19に示すように、準備された複数のセル20のそれぞれの上面に対して、一対の貫通孔27の位置に対応する位置に、連結部材40が接着剤(例えば、ガラスペースト)によりそれぞれ接着固定される。また、各インターコネクタ30(実際には、第1、第2部分30A,30B)の複数の突起部32に導電性ペースト(導電性の接着剤51)が塗布される。
Next, as shown in FIG. 19, the
次いで、図20に示すように、連結部材40が接着固定された各セル20が、導電性接着剤51が塗布されたインターコネクタ30(実際には、第1、第2部分30A,30B)に収容される。これにより、各セル20の一対の空気極層24と、そのセル20を収容するインターコネクタ30の複数の突起部32とが、導電性の接着剤51により電気的に接続・固定される(図3を参照)。
Next, as shown in FIG. 20, each
次に、各インターコネクタ30の脚部34(の下面)に導電性ペースト(導電性の接着剤52)が塗布される。そして、或るインターコネクタ30の4つの窓33にそのインターコネクタ30の上方に隣接するインターコネクタ30の4つの脚部34がそれぞれ挿入されように、複数のインターコネクタ30が積層される。これにより、スタック構造体が形成される。加えて、或るセル20の導電板28(の上面)と、そのセル20を収容するインターコネクタ30の上方に隣接するインターコネクタ30の脚部34(の下面)とが、導電性の接着剤52により電気的に接続・固定される(図3を参照)。即ち、複数のセル20が電気的に直列に接続される。
Next, a conductive paste (conductive adhesive 52) is applied to the leg 34 (the lower surface thereof) of each interconnector 30. Then, the plurality of
次に、このスタック構造体における各セル20の燃料極層21に対して、還元処理が行われる。この還元処理では、このスタック構造体に熱処理が施されて、このスタック構造体の温度が所定温度(例えば、800℃)に所定時間だけ維持される。これと同時に、燃料供給路を介して各燃料流路25内に還元ガス(本例では、水素ガス)が流入させられる。なお、上述のように、燃料流路25と空気流路Sとは電解質層22及び側壁26により区画されている。従って、還元処理中において、空気極層24の表面への還元ガスの供給を防止するための特別の処置を施すことなく空気極層24の表面への還元ガスの供給を防止することができる。
Next, a reduction process is performed on the
この還元ガスの流入により、燃料極層21を構成するNiO、及びYSZのうちNiOが還元される。この結果、燃料極層21がNi−YSZのサーメットとなって燃料極電極(アノード電極)として機能し得るようなる。以上にて、燃料電池10の組立が完了する。
NiO is reduced among NiO and YSZ constituting the
(加圧成形体の製造)
以下、焼成前の図15に示した「圧粉体と複数枚のグリーンシートとが積層・一体化された加圧成形体」の製造方法について、図21〜図28を参照しながら説明する。先ず、図21に示すように、PETフィルムA上に形成された「後に電解質層22となるYSZからなる緻密な第1グリーンシート22z」がPETフィルムAと一体で必要な平面形状に必要な枚数だけ切り出される。切り出された第1グリーンシート22zは、平面形状が同じPETフィルムAが付着した状態で取り扱われる。
(Manufacture of pressure molded products)
Hereinafter, a manufacturing method of “a pressure-formed body in which a green compact and a plurality of green sheets are laminated and integrated” shown in FIG. 15 before firing will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 21, “the dense first
同様に、図22に示すように、PETフィルムB上に形成された「後に反応防止層23となるセリアからなる緻密な第2グリーンシート23z」がPETフィルムBと一体で必要な平面形状に必要な枚数だけ切り出される。切り出された第2グリーンシート23zは、平面形状が同じPETフィルムBが付着した状態で取り扱われる。
Similarly, as shown in FIG. 22, the “dense second
次に、図23に示すように、接合剤等を使用することなく、第1、第2グリーンシート22z,23z同士が互いに向かい合うように積層されて、上下両端にPETフィルムA,Bがそれぞれ付着した2層のグリーンシート積層体が形成される。積層手法としては、例えば、熱圧着法、CIP(後述)が挙げられる。次いで、図24に示すように、PETフィルムAの4隅の1つを所定の治具等で摘まむなどして、前記4隅の1つを起点としてPETフィルムAが第1グリーンシート22zから剥がされる。この結果、図25に示すように、第1グリーンシート22zの上面が露呈するとともに下端にPETフィルムBが付着した2層のグリーンシート積層体が得られる。この図25に示した積層体が必要な個数だけ準備される。
Next, as shown in FIG. 23, the first and second
次に、図26に示すように、図13に示した圧粉体21zの上下面に、図25に示した積層体がそれぞれ、接合剤等を使用することなく、露呈している第1グリーンシート22zの平面と圧粉体21zの上下面とが互いに向かい合うように積層される。図26に示すように、圧粉体21z、及び第1、第2グリーンシート22z,23zの平面形状(z軸方向からみた形状)は同じである。これは、上述したように、焼成後の燃料極層21、電解質層22、及び反応防止層23の平面形状が同じであることに基づく。この段階では、圧粉体21z、及び第1、第2グリーンシート22z,23zは未だ一体化(接合)されていない。
Next, as shown in FIG. 26, the first green is exposed on the upper and lower surfaces of the green compact 21z shown in FIG. 13 without using any bonding agent or the like. The plane of the
次いで、圧粉体21z、及び第1、第2グリーンシート22z,23zを一体化するため、図26に示す積層体がコールドアイソスタティックプレス法(以下、「CIP」と称呼する。)により加圧成形される。具体的には、図27に示すように、この積層体が防水用のビニール袋等の袋体を用いて真空パックされる。この真空パックされた積層体が冷水中に浸された状態で、この積層体に冷水による静水圧(等方的な圧力)が加えられる。このときの圧力P1(静水圧)は、例えば、100〜700MPaである。
Next, in order to integrate the green compact 21z and the first and second
このように、図26に示す積層体にCIPを施すことにより、圧粉体21z、及び第1、第2グリーンシート22z,23zが一体化された加圧成形体が得られる。このように一体化が達成されるのは以下の理由に基づくと考えられる。
In this manner, by applying CIP to the laminate shown in FIG. 26, a pressure molded body in which the green compact 21z and the first and second
即ち、静水圧により、圧粉体21zと第1、第2グリーンシート22z,23zとは厚さ方向(z軸方向)に加えて面方向(x−y平面に平行な方向)にも力を受ける。圧粉体21zと第1、第2グリーンシート22z,23zとはそれぞれ、静水圧によるこれらの力を受けて静水圧の大きさに応じた量だけ収縮する。以下、CIPによる面方向の収縮を特に「CIP収縮」とも呼ぶ。静水圧による面方向の力により、圧粉体21zと第1、第2グリーンシート22z,23zのそれぞれには静水圧の大きさに応じてCIP収縮が発生する。
That is, due to the hydrostatic pressure, the green compact 21z and the first and second
ここで、このように圧粉体21z、及び第1、第2グリーンシート22z,23zのそれぞれにCIP収縮が発生することと、静水圧による厚さ方向の力により圧粉体21zと第1グリーンシート22zとの接触部同士、並びに第1、第2グリーンシート22z,23zの接触部同士が押圧されること、との相乗効果により、これらの接触部間のそれぞれに噛み込み等に起因するアンカー効果が作用する。このアンカー効果により、圧粉体21zと第1グリーンシート22z、並びに第1、第2グリーンシート22z,23zが一体化される(接合される)。このように一体化が達成された状態で圧粉体21zと第1、第2グリーンシート22z,23zのそれぞれのCIP収縮が進行していくので、圧粉体21zと第1、第2グリーンシート22z,23zのそれぞれのCIP収縮の量(CIPによる面方向の寸法減少量)は一致する。
Here, due to the occurrence of CIP contraction in each of the green compact 21z and the first and second
図28は、CIP終了後の積層体の状態を示す。図28に示すように、CIP後、第2グリーンシート23zに付着していたPETフィルムBは、第2グリーンシート23zから自然に剥離する。これは、PETフィルムはCIPに供されても収縮し難いこと、並びに、グリーンシート積層体はCIPにより収縮すること、に起因して、第2グリーンシート23zとPETフィルムBとの接触部同士における面方向における相対位置関係にずれが生じることに基づく、と考えられる。
FIG. 28 shows the state of the laminate after completion of CIP. As shown in FIG. 28, after CIP, the PET film B attached to the second
なお、このようにCIPによりPETフィルムがグリーンシートから自然に剥離するためには、CIPの圧力が1ton/cm2以上とされる必要があることが実験を通して判明している。CIPの圧力が0.5ton/cm2ではPETフィルムの全面がグリーンシートから剥離せず、CIPの圧力が0.8ton/cm2ではPETフィルムの一部のみがグリーンシートから剥離することも実験を通して判明している。 In addition, it has been proved through experiments that the pressure of CIP needs to be 1 ton / cm 2 or more in order for the PET film to naturally peel from the green sheet by CIP. Through the experiment, when the CIP pressure is 0.5 ton / cm 2 , the entire surface of the PET film does not peel from the green sheet, and when the CIP pressure is 0.8 ton / cm 2 , only a part of the PET film peels from the green sheet. It turns out.
以上、本例では、予め準備された第1、第2グリーンシート22z,23zの積層体が圧粉体21zに一時に積層され、CIPが1回だけ施されることで、図15に示した「圧粉体21z、及び一対の第1、第2グリーンシート22z,23zが一体化された加圧成形体」が得られる。
As described above, in this example, the first and second
この加圧成形体が焼成に供されて、図16に示した「燃料極層21と一対の電解質層22と一対の反応防止層23とからなる積層焼成体」が得られる。この焼成によっても加圧成形体(積層焼成体)は収縮する。以下、焼成による面方向の収縮を特に「焼成収縮」と呼ぶ。ここで、上述のように図15に示す加圧成形体では一体化が既に達成されている。従って、一体化が達成された状態で焼成収縮が進行していく。よって、圧粉体21z(燃料極層21)、及び第1、第2グリーンシート22z,23z(電解質層22及び反応防止層23)のそれぞれの焼成収縮の量(焼成による面方向の寸法減少量)も一致する。
This press-molded body is subjected to firing to obtain a “laminated fired body comprising a
(作用・効果)
以下、本実施形態のように、予め準備された第1、第2グリーンシート22z,23zの積層体が圧粉体21zに一時に積層され、CIPが1回だけ施されることで図15に示す加圧成形体を得ることによる作用・効果について述べる。
(Action / Effect)
Hereinafter, like this embodiment, the laminated body of the 1st, 2nd
本実施形態の作用・効果を説明するため、先ず、比較例として、圧粉体21zにグリーンシートが1枚ずつ積層されていき、1枚のグリーンシートが積層される毎にCIPが施されることで図15に示す加圧成形体を得る場合について、図29〜図34を参照しながら説明する。 In order to describe the operation and effect of the present embodiment, as a comparative example, first, green sheets are laminated one by one on the green compact 21z, and CIP is applied every time one green sheet is laminated. The case where the press-molded body shown in FIG. 15 is obtained will be described with reference to FIGS.
図29に示すように、比較例では、先ず、図13に示した圧粉体21zの上下面に、図21に示した「PETフィルムAが付着した第1グリーンシート22z」がそれぞれ、接合剤等を使用することなく、露呈している第1グリーンシート22zの平面と圧粉体21zの上下面とが互いに向かい合うように積層される。この段階では、圧粉体21z、及び第1グリーンシート22zは未だ一体化(接合)されていない。
As shown in FIG. 29, in the comparative example, first, the “first
次いで、図30に示すように、図29に示す積層体に対して1回目のCIP(CIP1)が施される。このCIP1により、圧粉体21zと第1グリーンシート22zとにCIP収縮が発生し、上述したアンカー効果により、圧粉体21zと一対の第1グリーンシート22zとが一体化された加圧成形体が得られる。図31に示すように、CIP1後、第1グリーンシート22zに付着していたPETフィルムAは、上述と同じ理由により、第1グリーンシート22zから自然に剥離する。
Next, as shown in FIG. 30, the first CIP (CIP1) is applied to the laminate shown in FIG. The CIP1 causes CIP contraction in the green compact 21z and the first
このCIP1では、アンカー効果により圧粉体21z及び第1グリーンシート22zが一体化された状態で圧粉体21z及び第1グリーンシート22zのCIP収縮が進行していく。従って、CIP1に基づく圧粉体21z及び第1グリーンシート22zのCIP収縮の量は一致する。
In the CIP1, the CIP contraction of the green compact 21z and the first
次いで、図32に示すように、図31に示した「圧粉体21z及び一対の第1グリーンシート22zが一体化された積層体」の上下面に、図22に示した「PETフィルムBが付着した第2グリーンシート23z」がそれぞれ、接合剤等を使用することなく、露呈している第2グリーンシート23zの平面と図31に示した積層体の上下面とが互いに向かい合うように積層される。この段階では、第1、第2グリーンシート22z,23zは未だ一体化(接合)されていない。
Next, as shown in FIG. 32, the “PET film B shown in FIG. 22 is formed on the upper and lower surfaces of the“ laminated body in which the green compact 21z and the pair of first
次いで、図33に示すように、図32に示す積層体に対して2回目のCIP(CIP2)が施される。このCIP2により、第1、第2グリーンシート22z,23z(及び、圧粉体21z)にCIP収縮が発生し、上述したアンカー効果により、第1、第2グリーンシート22z,23zが一体化された(即ち、圧粉体21zと第1、第2グリーンシート22z,23zとが一体化された)加圧成形体が得られる。図34に示すように、CIP2後、第2グリーンシート23zに付着していたPETフィルムBは、上述と同じ理由により、第2グリーンシート23zから自然に剥離する。
Next, as shown in FIG. 33, a second CIP (CIP2) is applied to the laminate shown in FIG. By this CIP2, CIP contraction occurs in the first and second
このCIP2では、アンカー効果により第1、第2グリーンシート22z,23zが一体化された状態で第1、第2グリーンシート22z,23zのCIP収縮が進行していく。従って、CIP2に基づく第1、第2グリーンシート22z,23zのCIP収縮の量は一致する。
In the CIP2, the CIP contraction of the first and second
ここで、CIP2の圧力(静水圧)はCIP1の圧力(静水圧)よりも大きい値に設定される必要がある。これは以下の理由に基づく。即ち、CIP収縮はCIPの圧力に応じて発生する。CIP2の圧力がCIP1の圧力以下である場合、CIP1に基づくCIP収縮が既に発生している第1グリーンシート22zにおいてCIP2にて更なるCIP収縮が発生し得ない。換言すれば、CIP2により第1グリーンシート22zのCIP収縮の量が増大することはない。従って、第1、第2グリーンシート22z,23zの接触部間に上述したアンカー効果が作用し得ない。この結果、第1、第2グリーンシート22z,23zが一体化され得ない。
Here, the pressure (hydrostatic pressure) of CIP2 needs to be set to a value larger than the pressure (hydrostatic pressure) of CIP1. This is based on the following reason. That is, CIP contraction occurs according to the pressure of CIP. When the pressure of CIP2 is equal to or lower than the pressure of CIP1, no further CIP contraction can occur in CIP2 in the first
以上のように、比較例では、第1、第2グリーンシート22z,23zのそれぞれが圧粉体21zに積層される毎にCIPが施されることで、図15に示した「圧粉体21z、及び一対の第1、第2グリーンシート22z,23zが一体化された加圧成形体」が得られる。
As described above, in the comparative example, each time the first and second
この加圧成形体が焼成に供されて、「燃料極層21と一対の電解質層22と一対の反応防止層23とからなる積層焼成体」が得られる。上述した本実施形態の場合と同様、この場合も、加圧成形体が一体化された状態で焼成収縮が進行していく。よって、圧粉体21z(燃料極層21)、及び第1、第2グリーンシート22z,23z(電解質層22及び反応防止層23)のそれぞれの焼成収縮の量(焼成による面方向の寸法減少量)が一致する。
This pressure-molded body is subjected to firing to obtain a “laminated fired body comprising a
ここで、比較例に係る図15に示す加圧成形体の焼成後に得られる積層焼成体では、反応防止層23において緻密化が不足し易いこと、或いは、反応防止層23にて比較的大きな引っ張り残留応力が面方向に発生し易くて、特に、引っ張り残留応力が過大な場合には反応防止層23に割れ(クラック)が発生し得ることが判明した。
Here, in the laminated fired body obtained after firing the pressure-formed body shown in FIG. 15 according to the comparative example, densification tends to be insufficient in the
以下、このことを示す実験について説明する。この実験では、各辺の長さ、各層の厚さ、CIPの圧力等が異なる複数種類の図15に示す加圧成形体が、上述した比較例に係る製造方法を利用してそれぞれ作製・準備された。それぞれの加圧成形体に対して焼成が施されて積層焼成体が得られた。そして、それぞれの積層焼成体が観察された。この結果を表1に示す。 Hereinafter, an experiment showing this will be described. In this experiment, a plurality of types of pressure-molded bodies shown in FIG. 15 having different side lengths, layer thicknesses, CIP pressures, and the like were prepared and prepared using the manufacturing method according to the comparative example described above. It was done. Each pressure-formed body was fired to obtain a laminated fired body. Each laminated fired body was observed. The results are shown in Table 1.
この実験に使用された積層焼成体(セル)は直方体を呈していて、セルサイズ(焼成後)としては、3水準(水準1〜3)が準備された。長辺の長さA1、短辺の長さB1、及び厚さZ1はそれぞれ、水準1では、100mm、50mm、及び1.5mmで、水準2では、120mm、70mm、及び1.5mmで、水準3では、100mm、100mm、及び1.5mmであった(図6を参照)。焼成は、600℃、2hrで脱脂処理が施された後になされた。焼成条件としては、1400℃、1hrが採用された。
The laminated fired body (cell) used in this experiment had a rectangular parallelepiped, and three levels (levels 1 to 3) were prepared as the cell size (after firing). The length A1 of the long side, the length B1 of the short side, and the thickness Z1 are 100 mm, 50 mm, and 1.5 mm at the level 1, and are 120 mm, 70 mm, and 1.5 mm at the
評価手法としては、CIP及び焼成後において、光学顕微鏡、及び電子顕微鏡(SEM)を用いて積層焼成体(セル)の表面、及び断面を観察する手法が採用された。なお、比較例1,2については、CIP1終了後に第2グリーンシート23zが積層されず、従って、CIP2がなされていない。
As an evaluation method, a method of observing the surface and cross section of the laminated fired body (cell) using an optical microscope and an electron microscope (SEM) after CIP and firing was adopted. In Comparative Examples 1 and 2, the second
表1に示すように、比較例1では燃料極層と電解質層との間の積層状態(接合状態)が不良であった一方で、比較例2では燃料極層と電解質層との間の積層状態(接合状態)が良好であった。これは、燃料極層と電解質層との間の積層状態(接合状態)を良好とするためには、CIPの圧力を100Mpa以上に設定する必要があることを意味する。なお、CIPの圧力が700MPaを超えると、加圧成形体において潰れ等による変形が発生し易くなる。従って、CIPの圧力としては、100〜700MPaの範囲が好ましいと考えられる。 As shown in Table 1, in Comparative Example 1, the lamination state (bonded state) between the fuel electrode layer and the electrolyte layer was poor, while in Comparative Example 2, the lamination between the fuel electrode layer and the electrolyte layer was poor. The state (bonded state) was good. This means that the pressure of the CIP needs to be set to 100 Mpa or more in order to achieve a good lamination state (bonded state) between the fuel electrode layer and the electrolyte layer. In addition, when the pressure of CIP exceeds 700 Mpa, it will become easy to generate | occur | produce deformation | transformation by crushing etc. in a press-molded body. Therefore, it is considered that the CIP pressure is preferably in the range of 100 to 700 MPa.
また、比較例3では、電解質層と反応防止層との界面に剥離部分が発生していた。これは、上述したように、CIP1の圧力とCIP2の圧力とが等しいことに基づいてCIP2実行時において第1グリーンシート22zにCIP収縮が発生し得ないことに起因すると考えられる。
In Comparative Example 3, a peeled portion occurred at the interface between the electrolyte layer and the reaction preventing layer. As described above, this is considered to be caused by the fact that CIP contraction cannot occur in the first
表1に示すように、比較例(CIP1の圧力<CIP2の圧力)に係る製造方法を利用して得られた加圧成形体の焼成後に得られる積層焼成体(即ち、比較例4〜10)では、各層間の界面に剥離部分は発生しないものの、反応防止層23の緻密化不足が発生し易いこと、並びに、反応防止層23に割れ(クラック)が発生し易いことがわかる。
As shown in Table 1, laminated fired bodies obtained after firing of pressure-formed bodies obtained by using the production method according to the comparative example (pressure of CIP1 <pressure of CIP2) (that is, Comparative Examples 4 to 10) Then, although the peeling part does not generate | occur | produce in the interface between each layer, it turns out that the densification of the
これに対し、本実施形態に係る図15に示す加圧成形体の焼成後に得られる積層焼成体では、各層間の界面に剥離部分が発生せず、反応防止層23において緻密化が不足し難く、且つ、反応防止層23にて比較的大きな引っ張り残留応力が面方向に発生し難く、反応防止層23に割れ(クラック)が発生しない。
On the other hand, in the laminated fired body obtained after firing the pressure-formed body shown in FIG. 15 according to the present embodiment, no delamination portion is generated at the interface between the layers, and the densification is hardly insufficient in the
以下、このことを示す実験について説明する。この実験でも、上述の実験と同様、各辺の長さ、各層の厚さ、CIPの圧力等が異なる複数種類の図15に示す加圧成形体が、上述した本実施形態に係る製造方法を利用してそれぞれ作製・準備された。それぞれの加圧成形体に対して焼成が施されて積層焼成体が得られた。そして、それぞれの積層焼成体が観察された。この結果を表2に示す。 Hereinafter, an experiment showing this will be described. Also in this experiment, as in the above-described experiment, a plurality of types of pressure-molded bodies shown in FIG. 15 having different side lengths, layer thicknesses, CIP pressures, and the like are used in the manufacturing method according to the above-described embodiment. Each was prepared and prepared using it. Each pressure-formed body was fired to obtain a laminated fired body. Each laminated fired body was observed. The results are shown in Table 2.
この実験に使用された積層焼成体(セル)も直方体を呈していて、セルサイズ(焼成後)として、上述と同じ3水準(水準1〜3)が準備された。その他、焼成条件、評価手法等についても、上述の実験の場合と同じである。なお、表2に示した実施例1,2は、表1に示した比較例1,2と同じである。 The laminated fired body (cell) used in this experiment also has a rectangular parallelepiped shape, and the same three levels (levels 1 to 3) as described above were prepared as the cell size (after firing). In addition, the firing conditions, the evaluation method, and the like are the same as in the above-described experiment. Examples 1 and 2 shown in Table 2 are the same as Comparative Examples 1 and 2 shown in Table 1.
表2に示すように、本実施形態に係る製造方法を利用して得られた加圧成形体の焼成後に得られる積層焼成体(即ち、実施例3〜10)では、各層間の界面に剥離部分が発生しないこと、反応防止層23の緻密化不足が発生しないこと、並びに、反応防止層23に割れ(クラック)が発生しないことがわかる。
As shown in Table 2, in the laminated fired body obtained after firing the pressure-formed body obtained by using the manufacturing method according to this embodiment (that is, Examples 3 to 10), peeling is performed at the interface between the layers. It can be seen that no part is generated, that the
以下、これらの結果について図35、図36を参照しながら考察する。説明の便宜上、本実施形態に係る製造方法におけるCIPの圧力をP1とし、比較例に係る製造方法におけるCIP1、CIP2の圧力をそれぞれP2(<P1)、P1とする。また、第1グリーンシート22zのCIP収縮量及び焼成収縮量をA1,B1とし、第2グリーンシート23zのCIP収縮量及び焼成収縮量をA2,B2とする。
Hereinafter, these results will be considered with reference to FIGS. For convenience of explanation, the pressure of CIP in the manufacturing method according to the present embodiment is P1, and the pressures of CIP1 and CIP2 in the manufacturing method according to the comparative example are P2 (<P1) and P1, respectively. The CIP shrinkage and firing shrinkage of the first
図35は、比較例に係る製造方法が適用された場合における第1、第2グリーンシート22z、23zの面方向の収縮量(CIP収縮量、及び、焼成収縮量)の変化の推移を示す。図35に示すように、CIP1に基づく第1グリーンシート22zのCIP収縮量が値cであり、CIP2に基づく第1グリーンシート22zのCIP収縮量が値(a−c)であるものとする。この場合、第1グリーンシート22zの(総)CIP収縮量A1は値aとなる。
FIG. 35 shows the transition of changes in the shrinkage amounts (CIP shrinkage amount and firing shrinkage amount) in the surface direction of the first and second
一方、上述のように、CIP2に基づく第1、第2グリーンシート22z,23zのCIP収縮の量は一致する。従って、CIP2に基づく第2グリーンシート23zのCIP収縮量は値(a−c)となり、この結果、第2グリーンシート23zの(総)CIP収縮量A2は値(a−c)となる。
On the other hand, as described above, the amount of CIP contraction of the first and second
また、上述のように、第1、第2グリーンシート22z,23z(電解質層22及び反応防止層23)の焼成収縮量は一致する。この焼成収縮量を値bとすると、第1、第2グリーンシート22z,23zの焼成収縮量B1,B2は共に値bとなる。
Further, as described above, the firing shrinkage amounts of the first and second
この結果、図35から理解できるように、第2グリーンシート23zにおけるCIP収縮量A2と焼成収縮量B2との和(合計収縮量=(a+b)−c)は、第1グリーンシート22zにおけるCIP収縮量A1と焼成収縮量B1との和(合計収縮量=(a+b))に対して、値c(=CIP1に基づく第1グリーンシート22zのCIP収縮量)の分だけ不足している。
As a result, as understood from FIG. 35, the sum of the CIP shrinkage amount A2 and the firing shrinkage amount B2 (total shrinkage = (a + b) −c) in the second
換言すれば、第1、第2グリーンシート22z,23zの合計収縮量が一致するためには、第2グリーンシート23zの焼成収縮量B2が値cだけ不足している。この第2グリーンシート23zの焼成収縮量B2の不足分が、上述した反応防止層23の引っ張り残留応力の原因ではないかと考えられる。
In other words, in order for the total shrinkage amount of the first and second
即ち、或るグリーンシートに対してCIPが施された後に焼成がなされる場合、CIP収縮量が小さいほど、焼成収縮量(より正確には、単独の状態での焼成収縮量)が大きくなり、CIP収縮量と焼成収縮量との和(合計収縮量)が略一定になると考えられる。従って、比較例では、第2グリーンシート23zのCIP収縮量A2(=a−c)が第1グリーンシート22zのCIP収縮量A1(=a)よりも小さいことに起因して、第2グリーンシート23zの(単独状態での)焼成収縮量が第1グリーンシート22zの(単独状態での)焼成収縮量よりも大きくなる。この結果、焼成時、第2グリーンシート23zは第1グリーンシート22zに対してより多く収縮しようとする。しかしながら、上述したように、焼成前にて第1、第2グリーンシート22z,23zは既に一体化されている。従って、第1、第2グリーンシート22z,23zの実際の焼成収縮の量は強制的に一致させられる(B1=B2=b)。この結果、焼成後、第2グリーンシート23zには大きな引っ張り残留応力が面方向に発生し易い、と考えられる。
That is, when firing is performed after CIP is applied to a certain green sheet, the smaller the CIP shrinkage amount, the larger the firing shrinkage amount (more precisely, the firing shrinkage amount in a single state), It is considered that the sum of the CIP shrinkage amount and the firing shrinkage amount (total shrinkage amount) becomes substantially constant. Therefore, in the comparative example, the second
これに対し、図36は、本実施形態に係る製造方法が適用された場合における第1、第2グリーンシート22z、23zの面方向の収縮量(CIP収縮量、及び、焼成収縮量)の変化の推移を示す。図36に示すように、本実施形態では、第1、第2グリーンシート22z,23zのCIP収縮量A1,A2が一致する(A1=A2=a)。従って、それぞれのグリーンシートの(単独状態での)焼成収縮の量に大きな差が発生し難い。加えて、第1、第2グリーンシート22z,23zの実際の合計収縮量が一致している(A1+B1=A2+B2=a+b)。この結果、本実施形態では、上述した反応防止層23の引っ張り残留応力が発生し難い、と考えられる。
On the other hand, FIG. 36 shows changes in the shrinkage amounts (CIP shrinkage amount and firing shrinkage amount) in the surface direction of the first and second
なお、本実施形態では、圧粉体21zに積層される前の第1、第2グリーンシート22z,23zの積層体にはCIPが施されておらず、従って、第1、第2グリーンシート22z,23zが一体化されていない。これに対し、圧粉体21zに積層される前の第1、第2グリーンシート22z,23zの積層体にCIPを施して第1、第2グリーンシート22z,23zを一体化することを考える。
In the present embodiment, the CIP is not applied to the stacked body of the first and second
このため、図37に示すように、図23に示す積層体に対してCIPを施した。しかしながら、この場合、図38に示すように、CIPにより第1、第2グリーンシート22z,23zにCIP収縮が発生せず(即ち、上述したアンカー効果が作用せず)、第1、第2グリーンシート22z,23zが一体化され得ないことが判明した。これは、CIPの対象となる物体の厚さが小さ過ぎる場合、物体を真空パックする袋体が物体の側面に接触し難くなることで、物体の側面に対して静水圧が十分に伝わり難いことに起因すると考えられる。
For this reason, as shown in FIG. 37, CIP was applied to the laminate shown in FIG. However, in this case, as shown in FIG. 38, CIP contraction does not occur in the first and second
以上、説明したように、本発明の実施形態に係る積層焼成体は、以下のように製造される。先ず、後に電解質層22となる第1グリーンシート22zと後に反応防止層23となる第2グリーンシート23zとを積層してグリーンシート積層体が得られる。次いで、後に燃料極層21となる圧粉体21zの上下面に接合剤を介在することなく前記グリーンシート積層体が積層される。次に、この積層体にCIPが施されて圧粉体21zとグリーンシート積層体とが一体化された加圧成形体が得られる。この加圧成形体を焼成して、「燃料極層21と一対の電解質層22と一対の反応防止層23とからなる積層焼成体」が得られる。
As described above, the laminated fired body according to the embodiment of the present invention is manufactured as follows. First, a first
これにより、第1、第2グリーンシート22z,23zのCIP収縮量が一致する(図36を参照)。従って、それぞれのグリーンシートの(単独状態での)焼成収縮の量に大きな差が発生し難くなり、この結果、焼成後にて、反応防止層23の引っ張り残留応力が発生し難くなる。
As a result, the CIP shrinkage amounts of the first and second
本発明は、特に、圧粉体のように焼成収縮量が比較的小さいグリーン基板と、グリーンシート等のように焼成収縮量が比較的大きい複数のグリーン膜とが積層・焼成される場合において、クラックや剥離等が発生し難い点で、非常に有効である。 In the present invention, in particular, when a green substrate having a relatively small amount of firing shrinkage such as a green compact and a plurality of green films having a relatively large amount of firing shrinkage such as a green sheet are laminated and fired, This is very effective in that cracks and peeling are not likely to occur.
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態においては、セル20において、電解質層22が燃料極層21の上下面のみに形成され、燃料極層21の側面(4面)に形成されていないが、電解質層22が、燃料極層21の周囲の全て(上下面及び側面)を囲むように燃料極層21の表面に形成されていてもよい。これにより、側壁26が省略できる。この場合、電解質層22のみにより空気流路Sと燃料流路24とが区画される。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various modification can be employ | adopted within the scope of the present invention. For example, in the above embodiment, in the
また、上記実施形態においては、燃料極層21は、白金、白金−ジルコニアサーメット、白金−酸化セリウムサーメット、ルテニウム、ルテニウム−ジルコニアサーメット等から構成することができる。
In the above embodiment, the
また、空気極層24は、例えば、ランタンを含有するペロブスカイト型複合酸化物(例えば、上述のランタンストロンチウムコバルトフェライトのほか、ランタンマンガナイト、ランタンコバルタイト、ランタンフェライト)から構成することができる。これらは、ストロンチウム、カルシウム、クロム、コバルト、鉄、ニッケル、アルミニウム等をドープしたものであってよい。また、パラジウム、白金、ルテニウム、白金−ジルコニアサーメット、パラジウム−ジルコニアサーメット、ルテニウム−ジルコニアサーメット、白金−酸化セリウムサーメット、パラジウム−酸化セリウムサーメット、ルテニウム−酸化セリウムサーメットであってもよい。
The
また、上記実施形態においては、セル20のx−y平面形状は長方形であるが、正方形、円形、楕円形等であってもよい。これらの場合において、円形の場合の直径、楕円形の場合の長径、正方形の場合の1辺の長さは、3cm以上であることが好適である。
Moreover, in the said embodiment, although xy planar shape of the
また、上記実施形態においては、燃料極層21の上下両面に電解質層22、反応防止層23、及び空気極層24が形成されているが、燃料極層の21の上下面の何れか一方にのみ電解質層22、反応防止層23、及び空気極層24が形成されていてもよい。
Further, in the above embodiment, the
また、上記実施形態においては、燃料極層21の上下面に電解質層22が直接積層されているが、上記(2)式で表わされる反応の速度を高めるために、燃料極層21と電解質層22との間に、燃料極活性層29が介装されてもよい。この燃料極活性層29も、燃料極層21と同様にNi及びYSZからなる多孔質の焼成体であるが、燃料極層21に比して、YSZの含有割合が大きい。
Further, in the above embodiment, the electrolyte layers 22 are directly laminated on the upper and lower surfaces of the
この構成では、燃料極活性層29は、上記(2)式で表わされる反応の速度を高めるために主として使用され、燃料極層21は、上記(2)式で表わされる反応で得られた電子(e−)を導電板28へ運ぶために主として使用される。燃料極層21は、燃料極集電層、或いは燃料極基板とも呼ばれる。即ち、燃料極層が、燃料極集電層21及び燃料極活性層29の2層から構成されているということもできる。燃料極活性層29の厚さは燃料極集電層21の厚さに比して十分に小さい。
In this configuration, the anode active layer 29 is mainly used to increase the speed of the reaction expressed by the above equation (2), and the
この構成が製造される場合、例えば、図39に示すように、図25に示した積層体における第1グリーンシート22zの上面に、後に燃料極活性層29となる第3グリーンシート29zが形成される。この第3グリーンシート29zは、印刷法等により形成される。そして、図40に示すように、図13に示した圧粉体21zの上下面に、図39に示した積層体がそれぞれ、接合剤等を使用することなく、露呈している第3グリーンシート29zの平面と圧粉体21zの上下面とが互いに向かい合うように積層される。この積層体がCIPに供されて加圧成形体が得られ、この加圧成形体が焼成に供されて、「燃料極集電層21と一対の燃料極活性層29と一対の電解質層22と一対の反応防止層23とからなる積層焼成体」が得られる。
When this configuration is manufactured, for example, as shown in FIG. 39, a third
また、上記実施形態においては、図23〜図25に示すように、第1、第2グリーンシート22z,23zの平面形状(z軸方向からみた形状)は同じである。即ち、第1グリーンシート22zに付着しているPETフィルムAと第2グリーンシート23zに付着しているPETフィルムBの平面形状(z軸方向からみた形状)も同じである。加えて、上下両端にPETフィルムA,Bがそれぞれ付着した2層のグリーンシート積層体は極めて薄い。従って、PETフィルムA,Bにおいて対応する隅部同士が非常に近接している。このような極めて薄いグリーンシート積層体からPETフィルムAのみが剥がされる必要がある。
Moreover, in the said embodiment, as shown in FIGS. 23-25, the planar shape (shape seen from the z-axis direction) of the 1st, 2nd
以上より、図24に示すように、このグリーンシート積層体からPETフィルムAのみを剥がすためにPETフィルムAのみの4隅の1つが所定の治具等で摘まれる際、誤って、PETフィルムA、及び第1、第2グリーンシート22z,23zの3層の4隅の1つが一体で摘まれる可能性がある。即ち、グリーンシート積層体からPETフィルムAに代えてPETフィルムBが誤って剥がされる事態が発生する。
From the above, as shown in FIG. 24, when only one of the four corners of the PET film A is picked by a predetermined jig or the like in order to peel only the PET film A from the green sheet laminate, the PET film A There is a possibility that one of the four corners of the three layers of the first and second
このことを抑制してグリーンシート積層体からPETフィルムAのみを確実且つ容易に剥がすためには、例えば、PETフィルムAの第1グリーンシート22zに対する接着力とPETフィルムBの第2グリーンシート23zに対する接着力とに差を設けることが考えられる。このためには、例えば、グリーンシートの剥離性を確保する目的でPETフィルム上にコーティングされている離型剤(シリコン樹脂等)の特性に差を設ける、PETフィルムの表面粗さに差を設ける等の手法が考えられる。しかしながら、前者では、接着力に大きな差が生じ難く、後者では、グリーンシートの品質(表面粗さ)の管理が困難となる。特に、グリーンシートの厚さが10μm以下では、グリーンシートの焼成後において、割れ等の欠陥が発生し易い。
In order to suppress this and reliably and easily peel only the PET film A from the green sheet laminate, for example, the adhesive force of the PET film A to the first
そこで、図41に示すように、平面形状が同じ第1樹脂シート(PETフィルムA)が付着した第1グリーンシート22zと、平面形状が同じ第2樹脂シート(PETフィルムB)が付着した第2グリーンシート23zとが向かい合うように積層された2層のグリーンシート積層体において、第1グリーンシート22z(及び第1樹脂シート(PETフィルムA))の平面形状の輪郭の全部が、第2グリーンシート23z(及び第2樹脂シート(PETフィルムB))の平面形状の輪郭の内側に存在するように、第1、第2グリーンシート22z,23zの平面形状に差を設けることが考えられる。
Therefore, as shown in FIG. 41, the first
図41に示した例では、第2グリーンシート23z及びPETフィルムBの平面形状が第1長方形であり、第1グリーンシート22z及びPETフィルムAの平面形状が、4辺全てが前記第1長方形の輪郭の内側に存在する第2長方形となっている。
In the example shown in FIG. 41, the planar shape of the second
これにより、PETフィルムA,Bにおいて対応する隅部同士が比較的離れる。従って、図43に示すように、グリーンシート積層体からPETフィルムAのみを剥がすためにPETフィルムAのみの4隅の1つが所定の治具等で摘まれる際、誤って、PETフィルムA、及び第1、第2グリーンシート22z,23zの3層の4隅の1つが一体で摘まれる可能性が非常に低くなる。即ち、グリーンシート積層体からPETフィルムAのみを確実且つ容易に剥がすことができる。
Thereby, the corresponding corners in the PET films A and B are relatively separated from each other. Accordingly, as shown in FIG. 43, when one of the four corners of the PET film A alone is picked with a predetermined jig or the like to peel only the PET film A from the green sheet laminate, the PET film A and The possibility that one of the four corners of the three layers of the first and second
第1グリーンシート22z(及び第1樹脂シート)の平面形状の輪郭の全部でなく一部のみが、第2グリーンシート23z(及び第2樹脂シート)の平面形状の輪郭の内側に存在するように第1、第2グリーンシート22z,23zの平面形状に差を設けても、同様の作用・効果が奏される。図44、図45は、この場合の例を示している。
Only a part but not all of the planar outline of the first
図44に示した例では、第2グリーンシート23z及びPETフィルムBの平面形状が第1長方形であり、第1グリーンシート22z及びPETフィルムAの平面形状が、4辺のうち2辺が前記第1長方形の輪郭と重なり、残りの2辺が前記第1長方形の輪郭の内側に存在する第2長方形となっている。図45に示した例では、第2グリーンシート23z及びPETフィルムBの平面形状が第1長方形であり、第1グリーンシート22z及びPETフィルムAの平面形状が、4辺のうち3辺が前記第1長方形の輪郭と重なり、残りの1辺のみが前記第1長方形の輪郭の内側に存在する第2長方形となっている。
In the example shown in FIG. 44, the planar shape of the second
10…燃料電池、20…セル、21…燃料極層、21z…圧粉体、22…電解質層、22z…第1グリーンシート、23…反応防止層、23z…第2グリーンシート、24…空気極層、25…燃料流路、30…インターコネクタ、S…空気流路
DESCRIPTION OF
Claims (1)
後に前記複数層のそれぞれの層となる焼成前のそれぞれのグリーンシートを形成する第1工程と、
前記形成されたそれぞれのグリーンシートを積層してグリーンシートの積層体を得る第2工程と、
後に前記基板となる焼成前のグリーン成形体の上面及び下面の少なくとも1面に、接合剤を介在することなく前記グリーンシートの積層体を積層する第3工程と、
前記第3工程後に得られた積層体に等方的な圧力を加えてこの積層体を加圧成形することで、前記グリーン成形体と前記グリーンシートの積層体とが一体化された加圧成形体を得る第4工程と、
前記得られた加圧成形体を焼成することで前記積層焼成体を得る第5工程と、
を含み、
前記隣接する複数層は2層であり、
前記第1工程において、前記各グリーンシートが樹脂からなるシートである樹脂シート上にそれぞれ形成され、
前記第2工程において、前記樹脂シートが付着したグリーンシート同士を互いに向かい合うように積層して2層のグリーンシート積層体が形成され、前記2層のグリーンシート積層体の厚さ方向の両端側にそれぞれ付着している2枚の前記樹脂シートのうちの1枚のみを取り除くことで、厚さ方向の一端側にのみ前記樹脂シートが付着した前記グリーンシート積層体が得られ、
前記第3工程において、前記1枚の樹脂シートを取り除いたことで露出した前記グリーンシート積層体の平面と前記グリーン成形体の上面及び下面の少なくとも1面とが互いに向かい合うように、前記グリーン成形体と前記グリーンシート積層体とが積層され、
前記第4工程において、前記第3工程後に得られた厚さ方向の一端側に前記樹脂シートが付着した状態にある積層体が前記加圧成形に供される、積層焼成体の製造方法。 A method for producing a laminated fired body comprising a substrate and a plurality of adjacent layers made of different materials laminated on at least one of the upper surface and the lower surface of the substrate,
A first step of forming each green sheet before firing to be each of the plurality of layers later;
A second step of laminating the formed green sheets to obtain a laminate of green sheets;
A third step of laminating the green sheet laminate without interposing a bonding agent on at least one of the upper and lower surfaces of the green molded body before firing to be the substrate later;
Pressure molding in which the green molded body and the green sheet laminated body are integrated by applying isotropic pressure to the laminated body obtained after the third step and then pressure molding the laminated body. A fourth step of obtaining a body;
A fifth step of obtaining the laminated fired body by firing the obtained pressure-molded body;
Only including,
The adjacent plural layers are two layers,
In the first step, each green sheet is formed on a resin sheet that is a sheet made of resin,
In the second step, the green sheets to which the resin sheets are attached are laminated so as to face each other to form a two-layer green sheet laminate, on both ends in the thickness direction of the two-layer green sheet laminate. By removing only one of the two resin sheets adhering to each other, the green sheet laminate with the resin sheet adhering only to one end in the thickness direction is obtained,
In the third step, the green molded body is formed such that a plane of the green sheet laminate exposed by removing the one resin sheet and at least one of an upper surface and a lower surface of the green molded body face each other. And the green sheet laminate are laminated,
In the fourth step, a method for producing a laminated fired body , wherein a laminate having the resin sheet attached to one end side in the thickness direction obtained after the third step is subjected to the pressure molding .
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