JP5498230B2 - アノード支持型ハーフセルの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の製造方法では、まず、アノード支持基板グリーンシート(a)、アノード層前駆体(b)および電解質層前駆体(c)の積層体を形成する。
一次焼成工程では、前記積層体に重しを載せずに焼成を行う。重しを載せずに焼成することにより、電解質層へのキズ付きが防止される。また、一次焼成工程において電解質層前駆体がある程度焼成されるため、二次焼成工程で重しを載せても、電解質層へのキズ付きが抑制される。
二次焼成では、一次焼成後の積層体に重しを載せ、前記一次焼成時の温度以上で焼成する。二次焼成時の焼成温度を、一次焼成の焼成温度以上とすることにより、積層体が二次焼成により収縮することとなる。そのため、積層体は、収縮を伴って、重しにより変形させられるため、断面形状が波打つことなく最大反り高さを低減することができる。
本発明のアノード支持型ハーフセルは、上記製造方法により得られたものである。本発明の製造方法により得られたアノード支持型ハーフセルは、反りが低減されており、またその断面形状が波打っていないため、スタック時に割れを生じにくい。
本発明のアノード支持型セルは、前記アノード支持型ハーフセルにおいて、前記電解質の前記アノード層が積層された面と反対の面に、カソード層が形成されている。前記カソード層は、カソード層材料を、バインダーと溶媒、および必要により分散剤や可塑剤などと共に均一に混合してペーストを調製し、調製したペーストを電解質層上にスクリーン印刷などにより塗工し、乾燥、焼成することで形成できる。
本発明の固体電解質形燃料電池は、上記アノード支持型セルを有することを特徴とする。上記アノード支持型セルは、その反りが低減されており、また断面形状が単峰性である。そのため、上記アノード支持型セルを有する固体電解質燃料電池は、アノード支持型セルの割れによる劣化が抑制され、長寿命である。
〈最大反り高さ、断面形状〉
レーザー光学式非接触三次元形状測定装置(UBM社製、商品名「UBM1−14型」マイクロフォーカス エキスパート)を使用し、電解質層にレーザー光を照射してその反射光を三次元解析することにより、アノード支持型ハーフセルの最大反り高さと反り率を求めた。なお、測定装置の仕様は、光源;半導体レーザー(780nm)、スポット径;1μm、垂直分離能;0.01μmであり、スキャンピッチは0.2mmとした。
表面が平滑で平行度を保った2枚のアルミナ板(ニッカトー社製、「SSA−S」)にハーフセルを挟んだ状態で設置した。上部アルミナ板の上から、材料試験機(インストロン社製、「4301型」)を用いて圧縮荷重をかけていき、ハーフセルが割れた際の圧縮荷重を測定した。圧縮荷重は、2.0kN(200kgf)を最大とし、圧縮荷重2.0kNでも割れない場合は、「割れなし」と評価した。なお、試験は各シート5枚行った。
1−1.アノード支持基板グリーンシートの作製
導電成分としての酸化ニッケル(正同化学社製、平均粒子径0.7μm、90体積%径1.2μm)60質量部、骨格成分としての8モル%イットリウム安定化ジルコニア粉末(第一希元素社製、商品名「HSY−8.0」、平均粒子径0.6μm、90体積%径1.0μm)40質量部、空孔形成剤としてのカーボンブラック(SECカーボン社製、SGP−3、平均粒子径3.3μm、10体積%径1.5μm)10質量部、溶媒としてのトルエン60質量部とエタノール40質量部の混合溶剤、バインダーとしてのブチラール樹脂(積水化学社製、品名「BM−S」)10質量部、可塑剤としてのジブチルフタレート(和光純薬工業社製)3質量部、分散剤としてのソルビタン脂肪酸エステル系界面活性剤2質量部を、ボールミルにより混合し、スラリーを調製した。
得られたスラリーを使用し、ドクターブレード法によりシート成形し、70℃で5時間乾燥させて、厚さ300μmのアノード支持基板グリーンシートを作製した。
導電成分としての酸化ニッケル(キシダ化学社製、平均粒子径0.75μm、90体積%径1.4μm)60質量部、骨格成分としての8モル%イットリウム安定化ジルコニア粉末(第一希元素社製、商品名「HSY−8.0」、平均粒子径0.6μm、90体積%径1.0μm)40質量部、空孔形成剤としてのカーボンブラック(SECカーボン社製、SGP−3、平均粒子径3.3μm、10体積%径1.5μm)6質量部、溶媒としてのトルエン60質量部とエタノール40質量部の混合溶剤、バインダーとしてのブチラール樹脂(積水化学社製、品名「BM−S」)10質量部、可塑剤としてのジブチルフタレート(和光純薬工業社製)3質量部、分散剤としてのソルビタン脂肪酸エステル系界面活性剤2質量部を、ボールミルにより混合し、スラリーを調製した。
得られたスラリーを使用し、ドクターブレード法によりシート成形し、100℃で1時間乾燥させて、厚さ20μmのアノード層グリーンシートを作製した。
上記で得たアノード支持基板グリーンシートを4枚積層し、さらにその最上部に上記で得たアノード層グリーンシートを積層した。アノード支持基板グリーンシートとアノード層グリーンシートを積層したものを、ホットプレス機を用いて、60℃、0.5MPa、30秒間熱プレスし、積層体を作製した。
セラミックス粉末として8モル%イットリウム安定化ジルコニア粉末(第一希元素社製、商品名「HSY−8.0」、平均粒子径(D50)0.5μm、90体積%径(D90)0.9μm)60質量部、バインダーとしてエチルセルロース(和光純薬工業社製)を5質量部、溶媒としてα−テルピネオール(和光純薬工業社製)を40質量部、可塑剤としてジブチルフタレート(和光純薬工業社製)を6質量部、分散剤としてソルビタン酸エステル系界面活性剤(三洋化成社製、商品名「イオネットS−80」)5質量部を乳鉢を用いて混合した後、3本ロールミル(EXAKT technologies社製、型式「M−80S」、ロール材質;アルミナ)を用いて解砕した。
解砕後の電解質ペーストをスクリーン印刷により、上記で得た積層体のアノード層グリーンシート上に、厚さ15μmとなるように印刷し、100℃で30分間乾燥させた。乾燥後、直径122mmの円形状に打抜き、アノード支持基板グリーンシート、アノード層前駆体および電解質層前駆体の積層体を作製した。
上記で得た積層体を、重しを載せないで1280℃で2時間焼成した。一次焼成時の積層体の収縮率は17.6%であった。また、一次焼成後の最大反り高さは2570μmであった。
一次焼成後の積層体に重しを載せた状態で、1310℃で3時間焼成し、直径100mmの円形状アノード支持型ハーフセルを作製した。なお、重しの材質にはアルミナを用いて、重しによる荷重は1.1kPaとした。二次焼成時の収縮率は0.5%であった。
二次焼成後のアノード支持型ハーフセルについて、最大反り量などを評価し、結果を表1に示した。荷重割れ試験では、1枚は1.8kN(187kgf)で割れたが、他の4枚は2.0kN(200kgf)でも割れを生じなかった。
一次焼成の焼成温度を1310℃、焼成時間を2時間に変更し、二次焼成の焼成温度を1280℃、焼成温度を3時間に変更したこと以外は、製造例1と同様にしてアノード支持型ハーフセルを作製した。なお、一次焼成時の収縮率は18.0%、二次焼成時の収縮率は0.0%であった。また、一次焼成後の最大反り高さは2850μmであった。二次焼成後のアノード支持型ハーフセルについて、最大反り量などを評価し、結果を表1に示した。荷重割れ試験では、それぞれ0.7kN(75kgf)、0.8kN(81kgf)、0.8kN(78kgf)、0.8kN(84kgf)、0.8kN(82kgf)で割れを生じた。
Claims (4)
- アノード支持基板(A)と、前記アノード支持基板に積層されたアノード層(B)と、前記アノード層上に積層された電解質層(C)とを有するアノード支持型ハーフセルを製造する方法であり、
アノード支持基板グリーンシート(a)、アノード層前駆体(b)および電解質層前駆体(c)の積層体を形成する工程;
前記積層体に重しを載せずに焼成する一次焼成工程;および、
一次焼成後の積層体に重しを載せ、前記一次焼成時の温度以上で焼成する二次焼成工程を含み、
前記一次焼成工程における、前記積層体の収縮率が7%以上、
前記二次焼成工程における、前記積層体の収縮率が0.1%以上であることを特徴とする製造方法。 - 前記二次焼成工程における、前記積層体の収縮率が5%以下である請求項1に記載の製造方法。
- 前記二次焼成工程の焼成温度(T2)と前記一次焼成の焼成温度(T1)との差(T2−T1)が10℃以上150℃以下である請求項1又は2に記載の製造方法。
- 前記重しによる荷重が0.35kPa以上6kPa以下である請求項1〜3のいずれか一項に記載の製造方法。
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