JP5704990B2 - 固体酸化物形燃料電池用電解質シートおよびその製造方法、並びにそれを用いた固体酸化物形燃料電池用セル - Google Patents
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Description
用発電、さらには自動車用発電などのため、急速に改良研究や実用化研究が進められてい
る。かかる燃料電池の中でも固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、効率が良好で長期安定性にも優れるものとして家庭用や業務用の電力源として期待されている。
例えば特許文献1には、焼成工程における昇温速度を制御することにより反りを低減する製法が記載されている。また、特許文献2には、セラミックグリーンシートとセラミック多孔質シートとを交互に積層して焼成するに当たり、その間に保護シートを挿入する製法が記載されている。また、特許文献3には、トムソン刃の刃の角度を最適化した打ち抜き加工を施すことで、バリの小さなセラミックシートが得られることが開示されている。
その他、特許文献4には、焼成前にセラミックグリーンシートの吸湿量を調整する製法が、開示されているが、バリの不良率の発生の抑制及び、シートのA面、B面の3点曲げ強度の挙動について全く記載はなく、具体的な加圧方法についての記載はない。
以下、本発明の具体的な構成を詳細に説明していく。
すなわち、表面粗さRaが、両面とも0.005μm以上、0.3μm以下、さらに、少なくとも一方の面の表面粗さRaが、0.005μm以上、0.1μm以下である電解質シートにおいて、効果が顕著であることが確認できた。好ましくは、A面とB面の表面粗さRaの相対比が、150%〜600%の電解質シートである。より好ましくは、A面とB面の表面粗さRaの相対比が、200〜400%である。
(1)固体電解質用グリーンシートの作製
原料粉末として、10モル%酸化スカンジウム1モル%酸化セリウムを固溶した安定化ジルコニア粉末(第一希元素化学社製、商品名「10Sc1CeSZ」、d50;0.6μm)100質量部に対し、メタクリル系共重合体からなるバインダー(数平均分子量;100,000、ガラス転移温度;0℃)を固形分換算で18質量部、分散剤としてソルビタン酸トリオレート2質量部、可塑剤としてジブチルフタレート3質量部、溶剤としてトルエン/酢酸エチル(質量比=1/1)の混合溶剤50質量部を、ジルコニアボールが装入されたナイロンミルに入れ、40時間ミリングしてスラリーを調製した。得られたスラリーを、碇型の攪拌機を備えたジャケット付丸底円筒型減圧脱泡容器へ移し、攪拌機を30rpmの速度で回転させながら、ジャケット温度:40℃で減圧(約4〜21kPa)下に濃縮脱泡し、25℃での粘度を3Pa・sに調整して塗工用スラリーとして、ドクターブレード法によりポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム上に連続的に塗工し、次いで、40℃、80℃、110℃と乾燥して長尺の固体電解質用グリーンシートを得、PETフィルムから剥離したのち、金型を用いた切断により、約160mm□(□は略正方形をあらわす)のグリーンシートを得た。
大きさが170mm□、厚さが188μm、表面粗さRaが0.04μmのポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(ポリエステル樹脂)2枚の間に、上記(1)で作製した160mm□を挟み、ロールプレス機にて、加圧した。感圧紙を用いて加えた圧を見積もったところ、約20MPa相当であった。
次いで、上記(2)で得た粗化グリーンシートの上下を99.5%アルミナ多孔質板(気孔率:30%)で挟んで脱脂した後、1420℃で3時間加熱焼成し、約120mm□、厚さ0.18mmの10Sc1CeSZ電解質シートを得た。
(3)で得られた電解質シートの表裏2面の中央部の表面粗さRaを、(株)ミツトヨ社製の触針式粗さ計SJ−201で測定した。それぞれの面の表面粗さRaおよび大きい方の値/小さい方の値を表1に示した。
上記10Sc1CeSZ電解質シートの両面に燃料極と空気極を形成し固体酸化物形燃料電池用セルを作製した。詳しくは、10Sc1CeSZ電解質シート片面の周縁部5mm幅の領域を除く約110mmφの領域に、塩基性炭酸ニッケルを熱分解して得た酸化ニッケル粉末(d50:0.9μm)70質量部、セリア粒子およびジルコニア粒子からなる燃料極ペーストをスクリーン印刷で形成し、その反対面も同様に周縁部5mm幅の領域を除く約110mmφの領域に、20モル%サマリウムドープセリアからなる中間層ペーストをスクリーン印刷により形成し、1300℃で焼き付け電解質に燃料極と中間層を形成した。
加圧を、一軸プレス機にて、18MPaで1秒間プレスした以外は実施例1と同様に電解質シートを作製した。評価結果は表1に併記した。
一軸プレス機の加圧面にPETフィルム(Ra=0.04μm)を貼り付けて、実施例1のグリーンシートを10MPaで1秒間プレスした以外は実施例1と同様に電解質シートを作製した。評価結果は表1に併記した。
一軸プレス機の加圧面に研磨金属板(Ra=0.06μm)を貼り付けて、実施例1のグリーンシートを15MPaで1秒間プレスした以外は実施例1と同様に電解質シートを作製した。評価結果は表1に併記した。
一軸プレス機の加圧面に研磨金属板(Ra=0.06μm)を貼り付けて、40℃に加温し、実施例1のグリーンシートを28MPaで1秒間プレスした以外は実施例1と同様に電解質シートを作製した。評価結果は表1に併記した。
特許文献3の実施例、比較例に相当する方法(加圧なし)にてグリーンシートを作成しシートの4点曲げ強度を評価した。つまり、グリーンシートの加圧をおこなわなかった以外は実施例1と同様に電解質シートを作製した。評価結果は表1に併記した。
一軸プレス機の加圧面に市販の厚紙(Ra=3.2μm)を貼り付けて、実施例1のグリーンシートを32MPaで1秒間プレスした以外は実施例1と同様に電解質シートを作製した。評価結果は表1に併記した。
Claims (3)
- 固体酸化物形燃料電池用電解質シートであって、
該電解質シートの片面(A面)ともう一方の面(B面)をそれぞれ上面として測定した4点曲げ強度の相対比が、105〜200%であるとともに、表面粗さRaが、両面とも0.005μm以上、0.3μm以下であり、少なくとも一方の面の表面粗さRaが、0.005μm以上、0.1μm以下であり、A面とB面の表面粗さRaの相対比が、150%〜600%であることを特徴とする固体酸化物形電池用電解質シート。 - 原料粉体、バインダー、可塑剤および分散媒を含むスラリーを成形し乾燥することによって、電解質シートのグリーンシートを得、当該グリーンシートを焼成して固体酸化物形燃料電池用の固体電解質シートを製造する方法であって、
電解質のグリーンシートを、当該グリーンシートの表面に対峙する面のRaが0.001μm以上、0.3μm以下である樹脂または金属に挟んで加圧する工程を含む請求項1に記載の電解質シートの製造方法。 - 請求項1に記載の電解質シートを用いた燃料電池用セル。
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