JP6779352B2 - Method for manufacturing metal-supported electrochemical element, solid oxide fuel cell and metal-supported electrochemical element - Google Patents
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Description
本発明は、支持体としての金属基板と、前記金属基板の上に形成された電極層と、前記電極層の上に形成された緩衝層と、前記緩衝層の上に形成された電解質層とを少なくとも有する金属支持型電気化学素子および固体酸化物形燃料電池、ならびに当該金属支持型電気化学素子の製造方法に関する。 The present invention includes a metal substrate as a support, an electrode layer formed on the metal substrate, a buffer layer formed on the electrode layer, and an electrolyte layer formed on the buffer layer. The present invention relates to a metal-supported electrochemical element and a solid oxide-type fuel cell having at least the above, and a method for manufacturing the metal-supported electrochemical element.
従来の電解質支持型の固体酸化物形燃料電池(以下「SOFC」と記す。)や電極支持型のSOFCでは、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層を得るために、高温(例えば1400℃)での焼成が行われる。近年では、堅牢性向上のため、金属基板上に燃料極、空気極および電解質層を支持させる金属支持型SOFCが開発されている。 In the conventional electrolyte-supported solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOFC”) and the electrode-supported SOFC, in order to obtain an electrolyte layer having a high density, airtightness and gas barrier property, a high temperature (for example, 1400 ° C.) is obtained. ) Is fired. In recent years, in order to improve robustness, a metal-supported SOFC that supports a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte layer on a metal substrate has been developed.
特許文献1には、多孔質の金属基板上に、薄膜状の燃料極層、電解質層、空気極層をこの順で積層した金属支持型SOFCが開示されている。このSOFCの製造工程においては、燃料極層の上に電解質層の材料を塗布・乾燥した後、プレスが行われる。その後に焼結が行われ、緻密な電解質層が形成されている。 Patent Document 1 discloses a metal-supported SOFC in which a thin-film fuel electrode layer, an electrolyte layer, and an air electrode layer are laminated in this order on a porous metal substrate. In this SOFC manufacturing process, the material of the electrolyte layer is applied on the fuel electrode layer, dried, and then pressed. After that, sintering is performed to form a dense electrolyte layer.
しかしながら、特許文献1の方法で得られた電解質層であっても、その性能は不十分であり、十分な開回路電圧(OCV)が得られるに至ってはおらず、改良の必要性があった。一方、金属支持型SOFCの製造時に高温の熱処理を行うと、支持体である金属基板が劣化したり、金属基板からのCr等の元素拡散によりSOFCの構成要素(電極層、電解質層)に悪影響を及ぼし、SOFCの性能や耐久性が低下する場合がある。従って、低い温度での熱処理が望まれる。しかし、製造時の熱処理温度を下げると、良質な電極層や電解質層が得られにくくなる。例えば電解質層の焼成温度を低くすると、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層を得ることが難しくなる。 However, even the electrolyte layer obtained by the method of Patent Document 1 has insufficient performance, and a sufficient open circuit voltage (OCV) has not been obtained, and there is a need for improvement. On the other hand, if high-temperature heat treatment is performed during the production of a metal-supported SOFC, the metal substrate as a support deteriorates, and the diffusion of elements such as Cr from the metal substrate adversely affects the components (electrode layer, electrolyte layer) of the SOFC. In some cases, the performance and durability of SOFC may decrease. Therefore, heat treatment at a low temperature is desired. However, if the heat treatment temperature during manufacturing is lowered, it becomes difficult to obtain a high-quality electrode layer or electrolyte layer. For example, if the firing temperature of the electrolyte layer is lowered, it becomes difficult to obtain an electrolyte layer that is dense and has high airtightness and gas barrier properties.
更に、従来の電極支持型SOFCや電解質支持型SOFC等では、例えば、サーメットのアノード電極層とセラミックスの電解質層を共焼結することにより得ていた。この場合、支持体と共に各層が同時に収縮することになるため、支持体上の各層が支持体から受ける拘束力はそれほど大きくなかった。しかし、金属基板を支持体とする金属支持型SOFCでは、金属基板と電解質層や電極層とで、焼成時の収縮率が異なるために、電解質層と電極層とが金属基板上に形成される際に、電解質層および電極層が金属基板から受ける拘束力が大きくなる。従って、ヒートショックをはじめとする各種の応力に対する耐性が高く、性能・信頼性・安定性に優れた、多孔質な電極層と緻密で気密性およびガスバリア性が高い電解質層とを、金属基板上に形成することは非常に困難であった。 Further, in the conventional electrode-supported SOFC, electrolyte-supported SOFC, etc., the anode electrode layer of cermet and the electrolyte layer of ceramics are co-sintered, for example. In this case, since each layer contracts together with the support at the same time, the binding force that each layer on the support receives from the support is not so large. However, in a metal-supported SOFC using a metal substrate as a support, the electrolyte layer and the electrode layer are formed on the metal substrate because the shrinkage rate at the time of firing differs between the metal substrate and the electrolyte layer or the electrode layer. At that time, the binding force that the electrolyte layer and the electrode layer receive from the metal substrate becomes large. Therefore, a porous electrode layer that is highly resistant to various stresses such as heat shock and has excellent performance, reliability, and stability, and an electrolyte layer that is dense and has high airtightness and gas barrier properties are formed on a metal substrate. It was very difficult to form in.
すなわち、金属基板上に、性能・信頼性・安定性に優れた、多孔質な電極層と緻密で気密性およびガスバリア性が高い電解質層とを有する金属支持型SOFCを、金属基板の損傷を抑制可能な、例えば、1100℃以下の温度域で得ることは非常に困難であり、とりわけ、焼結に必要な温度域が高いYSZ等のジルコニア系材料を電解質として使用することは極めて困難であった。 That is, a metal-supported SOFC having a porous electrode layer having excellent performance, reliability, and stability and an electrolyte layer having a dense airtightness and high gas barrier property on the metal substrate suppresses damage to the metal substrate. It is very difficult to obtain it in a possible temperature range of, for example, 1100 ° C. or lower, and in particular, it is extremely difficult to use a zirconia-based material such as YSZ, which has a high temperature range required for sintering, as an electrolyte. ..
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、金属基板上に、多孔質な電極層と、緻密で気密性およびガスバリア性が高い電解質層を有する性能・信頼性・安定性に優れた金属支持型電気化学素子を実現することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to have a porous electrode layer and an electrolyte layer having a dense, airtightness and high gas barrier property on a metal substrate, and its performance, reliability and stability. The purpose is to realize a metal-supported electrochemical element having excellent properties.
上記目的を達成するための本発明に係る金属支持型電気化学素子の特徴構成は、表側から裏側に至る複数の貫通孔を有する支持体としての金属基板と、前記金属基板の上に形成された電極層と、前記電極層の上に形成された緩衝層と、前記緩衝層の上に形成された電解質層とを少なくとも有し、前記電極層が多孔質であり、前記電解質層が緻密であり、前記緩衝層の緻密度が前記電極層の緻密度よりも大きく、かつ前記電解質層の緻密度よりも小さく、前記緩衝層の厚さが10μm以下である点にある。 The characteristic configuration of the metal-supported electrochemical element according to the present invention for achieving the above object is formed on a metal substrate as a support having a plurality of through holes extending from the front side to the back side and the metal substrate. It has at least an electrode layer, a buffer layer formed on the electrode layer, and an electrolyte layer formed on the buffer layer, the electrode layer is porous, and the electrolyte layer is dense. the density of the buffer layer is greater than the density of the said electrode layer, and the rather smaller than density of the electrolyte layer, the thickness of the buffer layer is in point is 10μm or less.
発明者らは鋭意検討の末、多孔質な電極層と緻密な電解質層の間に緩衝層を設けることで、金属基板上に多孔質な電極層と緻密な電解質層を安定して形成できる上に、緩衝層を電極層と電解質層の間に導入することでヒートショック等による各種の応力を緩和可能とし、信頼性、安定性に優れた素子を形成できることを見出した。すなわち上記の特徴構成によれば、前記緩衝層の緻密度を電極層の緻密度よりも大きく、かつ電解質層の緻密度よりも小さくすることで、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層を安定して形成することができる。また、このような構成によれば、電極層に要求されるガス拡散性を損なわない多孔質な電極層と、電解質層に要求されるイオン伝導性とガスバリア性を有する緻密な電解質層を金属基板上に安定して形成することが可能となる。なお緻密度とは、層を構成する材料の空間に占める割合であって、(1−空孔率)と表すことができ、また、相対密度と同等である。
上記の特徴構成によれば、前記緩衝層の厚さが10μm以下であるので、内部抵抗の増加を抑制した、電気化学特性の高い素子を得ることができる。
上記の特徴構成によれば、金属基板が表側から裏側に至る複数の貫通孔を有しているため、複数の貫通孔を通じて気体を電極層に供給することができるから、簡易な構成により素子の性能をより高めることができる。
After diligent studies, the inventors can stably form a porous electrode layer and a dense electrolyte layer on a metal substrate by providing a buffer layer between the porous electrode layer and the dense electrolyte layer. It has been found that by introducing a buffer layer between the electrode layer and the electrolyte layer, various stresses due to heat shock and the like can be relaxed, and an element having excellent reliability and stability can be formed. That is, according to the above-mentioned characteristic configuration, by making the density of the buffer layer larger than the density of the electrode layer and smaller than the density of the electrolyte layer, an electrolyte layer having a high density, airtightness and gas barrier property can be obtained. It can be formed stably. Further, according to such a configuration, a porous electrode layer that does not impair the gas diffusivity required for the electrode layer and a dense electrolyte layer having ionic conductivity and gas barrier properties required for the electrolyte layer are formed on a metal substrate. It can be stably formed on the top. The density is a ratio of the material constituting the layer to the space, and can be expressed as (1-vacancy ratio), and is equivalent to the relative density.
According to the above characteristic configuration, since the thickness of the buffer layer is 10 μm or less, it is possible to obtain an element having high electrochemical characteristics in which an increase in internal resistance is suppressed.
According to the above-mentioned characteristic configuration, since the metal substrate has a plurality of through holes extending from the front side to the back side, gas can be supplied to the electrode layer through the plurality of through holes. Performance can be further improved.
本発明に係る金属支持型電気化学素子の別の特徴構成は、前記緩衝層がセリア系材料を含む点にある。 Another characteristic configuration of the metal-supported electrochemical device according to the present invention is that the buffer layer contains a ceria-based material.
上記の特徴構成によれば、緩衝層がセリア系材料を含むから、緩衝層が混合伝導性を有することになる。これにより、電気化学性能の高い素子を実現することができる。 According to the above characteristic configuration, since the buffer layer contains a ceria-based material, the buffer layer has mixed conductivity. As a result, an element having high electrochemical performance can be realized.
本発明に係る金属支持型電気化学素子の別の特徴構成は、前記電解質層が安定化ジルコニアを含む点にある。 Another characteristic configuration of the metal-supported electrochemical device according to the present invention is that the electrolyte layer contains stabilized zirconia.
上記の特徴構成によれば、電解質層が安定化ジルコニアを含むから、例えば600℃以上、好ましくは650℃以上の比較的高い温度域でも高い電気化学性能を発揮可能な素子を実現できる。 According to the above-mentioned characteristic configuration, since the electrolyte layer contains stabilized zirconia, it is possible to realize an element capable of exhibiting high electrochemical performance even in a relatively high temperature range of, for example, 600 ° C. or higher, preferably 650 ° C. or higher.
本発明に係る金属支持型電気化学素子の別の特徴構成は、前記緩衝層の厚さが4μm以上である点にある。 Another characteristic configuration of the metal-supported electrochemical device according to the present invention is that the thickness of the buffer layer is 4 μm or more.
上記の特徴構成によれば、スクリーン印刷などの安価な手法でも安定して機械的強度の高い緩衝層を得ることができる。 According to the above-mentioned feature configuration, a buffer layer having high mechanical strength can be stably obtained even by an inexpensive method such as screen printing.
本発明に係る金属支持型電気化学素子の別の特徴構成は、前記緩衝層の緻密度が50%以上98%未満である点にある。 Another characteristic configuration of the metal-supported electrochemical device according to the present invention is that the density of the buffer layer is 50% or more and less than 98%.
緻密度が50%以上98%未満の緩衝層であれば、スクリーン印刷などの安価な手法でも安定して形成可能である。加えて、ヒートショックをはじめとする各種の応力を緩和可能な機械的強度の高い素子を実現できると共に、高い電気化学特性を発揮可能な素子とすることができる。緩衝層の緻密度が高すぎると、電極層と緩衝層の緻密度が大きく異なることにより、電極層と緩衝層との間の応力を緩和する効果が得られにくくなる。一方で、緩衝層の緻密度が小さすぎると、緩衝層と電解質層の緻密度が大きく異なることにより、緩衝層と電解質層との間の応力を緩和する効果が得られにくくなる。緩衝層の緻密度が80%以上であると、緩衝層と電解質層との間の応力の緩和効果をより大きくできるので、より好ましい。緩衝層の緻密度が96%未満であると、緩衝層と電極層との間の応力の緩和効果がさらに大きくできるので、より好ましい。 If the buffer layer has a density of 50% or more and less than 98%, it can be stably formed by an inexpensive method such as screen printing. In addition, it is possible to realize an element having high mechanical strength capable of alleviating various stresses such as heat shock, and it is also possible to realize an element capable of exhibiting high electrochemical characteristics. If the density of the buffer layer is too high, the density of the electrode layer and the buffer layer will be significantly different, and it will be difficult to obtain the effect of relaxing the stress between the electrode layer and the buffer layer. On the other hand, if the density of the buffer layer is too small, the density of the buffer layer and the electrolyte layer are significantly different, and it becomes difficult to obtain the effect of relaxing the stress between the buffer layer and the electrolyte layer. When the density of the buffer layer is 80% or more, the effect of relaxing the stress between the buffer layer and the electrolyte layer can be further increased, which is more preferable. When the density of the buffer layer is less than 96%, the effect of relaxing the stress between the buffer layer and the electrode layer can be further increased, which is more preferable.
本発明に係る金属支持型電気化学素子の別の特徴構成は、前記電解質層の一部に、緻密度が98%以上である緻密電解質層が含まれている点にある。 Another characteristic configuration of the metal-supported electrochemical device according to the present invention is that a part of the electrolyte layer includes a dense electrolyte layer having a density of 98% or more.
上記の特徴構成によれば、電解質層の一部に緻密電解層が含まれることによって、電解質層の内部に多少の欠陥が存在する場合でも、電解質層全体として気密性およびガスバリア性の高い状態とすることができる。そしてこのような電解質層は、金属基板の損傷を抑制可能な温度域(例えば1100℃以下)でも安価な手法で形成可能であり、高い電気化学性能を発揮可能な電解質層を形成し易い。すなわちこのような電解質層は、金属支持型電気化学素子に好適である。 According to the above characteristic configuration, since the dense electrolytic layer is included in a part of the electrolyte layer, even if there are some defects inside the electrolyte layer, the entire electrolyte layer is in a state of high airtightness and gas barrier property. can do. Such an electrolyte layer can be formed by an inexpensive method even in a temperature range where damage to the metal substrate can be suppressed (for example, 1100 ° C. or lower), and it is easy to form an electrolyte layer capable of exhibiting high electrochemical performance. That is, such an electrolyte layer is suitable for a metal-supported electrochemical device.
本発明に係る金属支持型電気化学素子の別の特徴構成は、前記金属基板から前記電極層へのCrの拡散を抑制する拡散抑制層を有する点にある。 Another characteristic configuration of the metal-supported electrochemical element according to the present invention is that it has a diffusion suppression layer that suppresses the diffusion of Cr from the metal substrate to the electrode layer.
上記の特徴構成によれば、電極層へのCrの拡散による素子の性能低下を抑制することができる。 According to the above-mentioned feature configuration, it is possible to suppress the deterioration of the performance of the device due to the diffusion of Cr in the electrode layer.
本発明に係る金属支持型電気化学素子の別の特徴構成は、前記拡散抑制層が、前記金属基板の表面に形成された金属酸化物層である点にある。 Another characteristic configuration of the metal-supported electrochemical device according to the present invention is that the diffusion suppression layer is a metal oxide layer formed on the surface of the metal substrate.
上記の特徴構成によれば、拡散抑制層を形成するプロセスを簡便なものとすることができ、素子を安価に作製することが可能となる。 According to the above-mentioned feature configuration, the process of forming the diffusion suppression layer can be simplified, and the device can be manufactured at low cost.
本発明に係る金属支持型電気化学素子の別の特徴構成は、前記貫通孔は前記金属基板における前記電解質層が形成された領域の内側に形成されている点にある。 Another characteristic configuration of the metal-supported electrochemical device according to the present invention is that the through hole is formed inside the region where the electrolyte layer is formed in the metal substrate.
上記の特徴構成によれば、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層によって、貫通孔が形成された領域が覆われるので、パッキンやシーリング等、気体の他所への漏出を防止するための別途の構造が不要となる。すなわち、素子の製造コストの増加を抑制することができる。 According to the above characteristic configuration, the region where the through holes are formed is covered with the dense, airtight and highly gas-barrier electrolyte layer, so that the area where the through holes are formed is covered separately to prevent gas from leaking to other places such as packing and sealing. The structure of is unnecessary. That is, it is possible to suppress an increase in the manufacturing cost of the device.
本発明に係る金属支持型電気化学素子の別の特徴構成は、前記貫通孔は前記金属基板における前記電極層が形成された領域の内側に形成されている点にある。 Another characteristic configuration of the metal-supported electrochemical device according to the present invention is that the through hole is formed inside the region where the electrode layer is formed in the metal substrate.
上記の特徴構成によれば、貫通孔を通じて供給される気体を電極層へ効率的に供給することができるので、電気化学素子の構成として好適である。 According to the above-mentioned characteristic configuration, the gas supplied through the through hole can be efficiently supplied to the electrode layer, which is suitable as the configuration of the electrochemical element.
本発明に係る金属支持型電気化学素子の別の特徴構成は、前記電解質層の上に、前記電極層の対極となる対極電極層を有する点にある。 Another characteristic configuration of the metal-supported electrochemical device according to the present invention is that a counter electrode layer, which is a counter electrode of the electrode layer, is provided on the electrolyte layer.
上記の特徴構成によれば、上述した通り、金属基板上に、多孔質な電極層と、緻密度が電極層よりも大きく電解質層よりも小さい緩衝層と、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層と、対極電極層を有し、電極層と対極電極層により電気化学素子として利用可能な電気化学素子を実現することができる。すなわち、高性能で安定性・信頼性に優れた、アノード反応とカソード反応を一体で実施可能な金属支持型電気化学素子を実現することができる。 According to the above characteristic configuration, as described above, on the metal substrate, a porous electrode layer, a buffer layer having a denser density than the electrode layer and smaller than the electrolyte layer, and a dense, airtight and gas barrier property are high. It has an electrolyte layer and a counter electrode layer, and the electrode layer and the counter electrode layer can realize an electrochemical element that can be used as an electrochemical element. That is, it is possible to realize a metal-supported electrochemical element having high performance, excellent stability and reliability, and capable of integrally carrying out an anode reaction and a cathode reaction.
本発明に係る金属支持型電気化学素子の別の特徴構成は、前記電解質層と前記対極電極層との間に形成された反応防止層を有する点にある。 Another characteristic configuration of the metal-supported electrochemical device according to the present invention is that it has a reaction prevention layer formed between the electrolyte layer and the counter electrode layer.
上記の特徴構成によれば、電解質層の成分と対極電極層の成分との間の反応を防止して、長期的な耐久性に優れた素子を実現することができる。 According to the above-mentioned characteristic configuration, it is possible to prevent a reaction between the component of the electrolyte layer and the component of the counter electrode layer and realize an element having excellent long-term durability.
上記目的を達成するための本発明に係る固体酸化物型燃料電池の特徴構成は、上述した金属支持型電気化学素子を有し、定格運転時に600℃以上750℃以下の温度域で運転可能とされる点にある。 The characteristic configuration of the solid oxide fuel cell according to the present invention for achieving the above object is that it has the above-mentioned metal-supported electrochemical element and can be operated in a temperature range of 600 ° C. or higher and 750 ° C. or lower during rated operation. It is in the point of being done.
上記の特徴構成によれば、定格運転時に600℃以上750℃以下の温度域で運転されるから、高い発電性能を発揮しつつ、金属支持型電気化学素子の劣化を抑制して燃料電池の性能を長期間維持することが可能となる。なお、定格運転時に650℃以上750℃以下の温度域で運転可能とされると、より燃料電池システムの発電性能を高めることができるので、より好ましい。 According to the above characteristic configuration, since the fuel cell is operated in the temperature range of 600 ° C. or higher and 750 ° C. or lower during the rated operation, the performance of the fuel cell is suppressed by suppressing the deterioration of the metal-supported electrochemical element while exhibiting high power generation performance. Can be maintained for a long period of time. It is more preferable that the fuel cell system can be operated in a temperature range of 650 ° C. or higher and 750 ° C. or lower during rated operation because the power generation performance of the fuel cell system can be further improved.
上記目的を達成するための本発明に係る金属支持型電気化学素子の製造方法の特徴構成は、支持体としての金属基板の上に多孔質な電極層を形成する電極層形成ステップと、前記電極層の上に緩衝層を形成する緩衝層形成ステップと、前記緩衝層の上に緻密な電解質層を形成する電解質層形成ステップとを有し、
前記緩衝層の緻密度が前記電極層よりも大きく、かつ前記電解質層の緻密度よりも小さく、
前記電極層形成ステップと前記緩衝層形成ステップと前記電解質層形成ステップとが1100℃以下で行われる点にある。
The characteristic configuration of the method for manufacturing a metal-supported electrochemical element according to the present invention for achieving the above object is an electrode layer forming step of forming a porous electrode layer on a metal substrate as a support, and the electrode. It has a buffer layer forming step of forming a buffer layer on the layer and an electrolyte layer forming step of forming a dense electrolyte layer on the buffer layer.
The density of the buffer layer is larger than that of the electrode layer and smaller than that of the electrolyte layer.
The point is that the electrode layer forming step, the buffer layer forming step, and the electrolyte layer forming step are performed at 1100 ° C. or lower.
上記の特徴構成によれば、金属基板上に、多孔質な電極層と、電極層の上に形成された緩衝層と、緩衝層の上に形成された電解質層とを有し、前記緩衝層の緻密度が前記電極層よりも大きく、かつ前記電解質層の緻密度よりも小さくすることで、金属基板上に、多孔質な電極層と、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層を安定して形成することができる。また、電極層形成ステップと緩衝層形成ステップと電解質形成ステップとが1100℃以下で行われるから、金属基板の劣化を抑制して高品質の素子を得ることができる。また、必要に応じて、金属支持型電気化学素子の製造工程に、対極電極層を形成する対極電極層形成ステップや、反応防止層を形成する反応防止層形成ステップ等が含まれる場合、それらのステップが1100℃以下で行われることが好ましい。そのようにすると、金属基板の劣化を抑制して高品質の素子を得ることができる。 According to the above-mentioned characteristic configuration, the metal substrate has a porous electrode layer, a buffer layer formed on the electrode layer, and an electrolyte layer formed on the buffer layer. By making the density of the electrode layer larger than that of the electrode layer and smaller than that of the electrolyte layer, a porous electrode layer and a dense electrolyte layer having high airtightness and gas barrier property are stabilized on the metal substrate. Can be formed. Further, since the electrode layer forming step, the buffer layer forming step, and the electrolyte forming step are performed at 1100 ° C. or lower, deterioration of the metal substrate can be suppressed and a high quality element can be obtained. Further, if necessary, when the manufacturing process of the metal-supported electrochemical element includes a counter electrode layer forming step for forming the counter electrode layer, a reaction preventing layer forming step for forming the reaction preventing layer, and the like, those The step is preferably carried out at 1100 ° C. or lower. By doing so, it is possible to suppress deterioration of the metal substrate and obtain a high-quality element.
(第1実施形態)
以下、図1および図2を参照しながら、金属支持型電気化学素子E、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)、および金属支持型電気化学素子Eの製造方法について説明する。金属支持型電気化学素子Eは、例えば、水素を含む燃料ガスと空気の供給を受けて発電する固体酸化物形燃料電池の構成要素として用いられる。なお以下、層の位置関係などを表す際、例えば緩衝層3から見て電解質層4の側を「上」または「上側」、電極層2の側を「下」または「下側」という場合がある。また、金属基板1における電極層2が形成されている側の面を「表側」、反対側の面を「裏側」という場合がある。
(First Embodiment)
Hereinafter, a method for manufacturing the metal-supported electrochemical element E, the solid oxide fuel cell (SOFC), and the metal-supported electrochemical element E will be described with reference to FIGS. 1 and 2. The metal-supported electrochemical element E is used, for example, as a component of a solid oxide fuel cell that generates electricity by being supplied with a fuel gas containing hydrogen and air. Hereinafter, when expressing the positional relationship of the layers, for example, the side of the electrolyte layer 4 may be referred to as “upper” or “upper” and the side of the electrode layer 2 may be referred to as “lower” or “lower” when viewed from the buffer layer 3. is there. Further, the surface of the metal substrate 1 on which the electrode layer 2 is formed may be referred to as a "front side" and the opposite surface may be referred to as a "back side".
(金属支持型電気化学素子)
金属支持型電気化学素子Eは、図1に示される通り、支持体としての金属基板1と、金属基板1の上に形成された電極層2と、電極層2の上に形成された緩衝層3と、緩衝層3の上に形成された電解質層4とを少なくとも有する。そして金属支持型電気化学素子Eは、更に、電解質層4の上に形成された反応防止層5と、反応防止層5の上に形成された対極電極層6とを有する。対極電極層6は電解質層4の上に形成され、反応防止層5は電解質層4と対極電極層6との間に形成されている。電極層2は多孔質であり、電解質層4は緻密である。そして緩衝層3の緻密度は、電極層2の緻密度よりも大きく、電解質層4の緻密度よりも小さい。なお緻密度とは、層を構成する材料の空間に占める割合であり、(1−空孔率)と表すことができる。また、相対密度と同等である。
(Metal support type electrochemical element)
As shown in FIG. 1, the metal-supported electrochemical element E includes a metal substrate 1 as a support, an electrode layer 2 formed on the metal substrate 1, and a buffer layer formed on the electrode layer 2. It has at least 3 and an electrolyte layer 4 formed on the buffer layer 3. The metal-supported electrochemical element E further has a reaction prevention layer 5 formed on the electrolyte layer 4 and a counter electrode layer 6 formed on the reaction prevention layer 5. The counter electrode layer 6 is formed on the electrolyte layer 4, and the reaction prevention layer 5 is formed between the electrolyte layer 4 and the counter electrode layer 6. The electrode layer 2 is porous, and the electrolyte layer 4 is dense. The density of the buffer layer 3 is larger than that of the electrode layer 2 and smaller than that of the electrolyte layer 4. The density is a ratio of the material constituting the layer to the space, and can be expressed as (1-vacancy ratio). It is also equivalent to the relative density.
(金属基板)
金属基板1は、電極層2、緩衝層3および電解質層4等を支持して金属支持型電気化学素子Eの強度を保つ、支持体としての役割を担う。金属基板1の材料としては、電子伝導性、耐熱性、耐酸化性および耐腐食性に優れた材料が用いられる。例えば、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、ニッケル合金などが用いられる。特に、クロムを含む合金が好適に用いられる。
(Metal substrate)
The metal substrate 1 plays a role as a support that supports the electrode layer 2, the buffer layer 3, the electrolyte layer 4, and the like to maintain the strength of the metal-supported electrochemical element E. As the material of the metal substrate 1, a material having excellent electron conductivity, heat resistance, oxidation resistance and corrosion resistance is used. For example, ferrite stainless steel, austenitic stainless steel, nickel alloy and the like are used. In particular, an alloy containing chromium is preferably used.
金属基板1は、表側の面と裏側の面とを貫通して設けられる複数の貫通孔1aを有する。なお、例えば、貫通孔1aは、レーザー加工などにより、金属基板1に設けることができる。貫通孔1aは、金属基板1の裏側の面から表側の面へ気体を透過させる機能を有する。金属基板1に気体透過性を持たせるために、多孔質金属を用いることも可能である。 The metal substrate 1 has a plurality of through holes 1a provided so as to penetrate the front surface and the back surface. For example, the through hole 1a can be provided in the metal substrate 1 by laser processing or the like. The through hole 1a has a function of allowing gas to permeate from the back surface to the front surface of the metal substrate 1. It is also possible to use a porous metal in order to give the metal substrate 1 gas permeability.
金属基板1の表面に、拡散抑制層としての金属酸化物層1bが設けられる。すなわち、金属基板1と後述する電極層2との間に、拡散抑制層が形成されている。金属酸化物層1bは、金属基板1の外部に露出した面だけでなく、電極層2との接触面(界面)および貫通孔1aの内側の面にも設けられる。この金属酸化物層1bにより、金属基板1と電極層2との間の元素相互拡散を抑制することができる。例えば、金属基板1としてフェライト系ステンレスを用いた場合は、金属酸化物層1bが主にクロム酸化物となる。そして、金属基板1のクロム原子等が電極層2や電解質層4へ拡散することを、クロム酸化物を主成分とする金属酸化物層1bが抑制する。金属酸化物層1bの厚さは、サブミクロンオーダーであることが好ましい。また、例えば、平均的な厚さが0.3μm以上0.7μm以下程度であることが好ましい。また、最小厚さは約0.1μm以上であることが好ましい。また、最大厚さが約1.1μm以下であることが好ましい。 A metal oxide layer 1b as a diffusion suppressing layer is provided on the surface of the metal substrate 1. That is, a diffusion suppression layer is formed between the metal substrate 1 and the electrode layer 2 described later. The metal oxide layer 1b is provided not only on the surface exposed to the outside of the metal substrate 1, but also on the contact surface (interface) with the electrode layer 2 and the inner surface of the through hole 1a. The metal oxide layer 1b can suppress elemental mutual diffusion between the metal substrate 1 and the electrode layer 2. For example, when ferrite stainless steel is used as the metal substrate 1, the metal oxide layer 1b is mainly a chromium oxide. Then, the metal oxide layer 1b containing chromium oxide as a main component suppresses the diffusion of chromium atoms and the like of the metal substrate 1 to the electrode layer 2 and the electrolyte layer 4. The thickness of the metal oxide layer 1b is preferably on the submicron order. Further, for example, it is preferable that the average thickness is about 0.3 μm or more and 0.7 μm or less. The minimum thickness is preferably about 0.1 μm or more. Further, the maximum thickness is preferably about 1.1 μm or less.
金属基板1としてフェライト系ステンレス材を用いた場合、電極層2や電解質層4の材料として用いられるYSZ(イットリア安定化ジルコニア)やGDC(ガドリウム・ドープ・セリア、CGOとも呼ぶ)等と熱膨張係数が近い。従って、低温と高温の温度サイクルが繰り返された場合も金属支持型電気化学素子Eがダメージを受けにくい。よって、長期耐久性に優れた金属支持型電気化学素子Eを実現できるので好ましい。 When a ferritic stainless steel material is used as the metal substrate 1, the coefficient of thermal expansion is similar to YSZ (yttria-stabilized zirconia) and GDC (gadolinium-doped ceria, also called CGO) used as materials for the electrode layer 2 and the electrolyte layer 4. Is close. Therefore, the metal-supported electrochemical element E is less likely to be damaged even when the low-temperature and high-temperature temperature cycles are repeated. Therefore, it is preferable because the metal-supported electrochemical element E having excellent long-term durability can be realized.
(電極層)
電極層2は、図1に示すように、金属基板1の表側の面であって貫通孔1aが設けられた領域より大きな領域に、薄膜の状態で設けられる。貫通孔1aが設けられた領域の全体が、電極層2に覆われている。つまり、貫通孔1aは金属基板1における電極層2が形成された領域の内側に形成されている。換言すれば、全ての貫通孔1aが電極層2に面して設けられている。
(Electrode layer)
As shown in FIG. 1, the electrode layer 2 is provided in a thin film state on the front surface of the metal substrate 1 and in a region larger than the region where the through hole 1a is provided. The entire region provided with the through hole 1a is covered with the electrode layer 2. That is, the through hole 1a is formed inside the region of the metal substrate 1 where the electrode layer 2 is formed. In other words, all the through holes 1a are provided facing the electrode layer 2.
電極層2の材料としては、例えばNiO−GDC、Ni−GDC、NiO−YSZ、Ni−YSZ、CuO−CeO2、Cu−CeO2などのサーメット材を用いることができる。これらの例では、GDC、YSZ、CeO2がサーメット材の骨材と呼ぶことができる。なお、電極層2は、低温焼成法(例えば1100℃より高い高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法)やエアロゾルデポジション法、溶射法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域での使用可能なプロセスにより、例えば1100℃より高い高温域での焼成を用いずに、良好な電極層2が得られる。そのため、金属基板1を傷めることなく、また、金属基板1と電極層2との元素相互拡散を抑制することができ、耐久性に優れた電気化学素子を実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。 As the material of the electrode layer 2, for example, a cermet material such as NiO-GDC, Ni-GDC, NiO-YSZ, Ni-YSZ, CuO-CeO 2 , or Cu-CeO 2 can be used. In these examples, GDC, YSZ, and CeO 2 can be referred to as cermet aggregates. The electrode layer 2 is preferably formed by a low temperature firing method (for example, a wet method using a firing treatment in a low temperature range that does not perform a firing treatment in a high temperature range higher than 1100 ° C.), an aerosol deposition method, a thermal spraying method, or the like. .. These processes that can be used in the low temperature region give a good electrode layer 2 without using firing in a high temperature region higher than, for example, 1100 ° C. Therefore, it is preferable because the metal substrate 1 is not damaged, the mutual diffusion of elements between the metal substrate 1 and the electrode layer 2 can be suppressed, and an electrochemical element having excellent durability can be realized. Further, it is more preferable to use the low temperature firing method because the handling of the raw material becomes easy.
電極層2は、気体透過性を持たせるため、その内部および表面に複数の細孔を有する。すなわち電極層2は、多孔質な層として形成される。電極層2は、例えば、その緻密度が30%以上80%未満となるように形成される。細孔のサイズは、電気化学反応を行う際に円滑な反応が進行するのに適したサイズを適宜選ぶことができる。 The electrode layer 2 has a plurality of pores inside and on the surface in order to have gas permeability. That is, the electrode layer 2 is formed as a porous layer. The electrode layer 2 is formed so that its density is, for example, 30% or more and less than 80%. As the size of the pores, a size suitable for the smooth reaction to proceed when the electrochemical reaction is carried out can be appropriately selected.
(緩衝層)
緩衝層3は、図1に示すように、電極層2を覆った状態で、電極層2の上に薄膜の状態で形成される。緩衝層3の材料としては、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、SSZ(スカンジウム安定化ジルコニア)やGDC(ガドリウム・ドープ・セリア)、YDC(イットリウム・ドープ・セリア)、SDC(サマリウム・ドープ・セリア)等を用いることができる。特にセリア系のセラミックスが好適に用いられる。
(Cushioning layer)
As shown in FIG. 1, the buffer layer 3 is formed on the electrode layer 2 in a thin film state while covering the electrode layer 2. Examples of the material of the buffer layer 3 include YSZ (yttria-stabilized zirconia), SSZ (scandium-stabilized zirconia), GDC (gadolinium-doped ceria), YDC (yttrium-doped ceria), and SDC (samarium-doped ceria). Ceria) and the like can be used. In particular, ceria-based ceramics are preferably used.
緩衝層3は、低温焼成法(例えば1100℃より高い高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法)やエアロゾルデポジション法、溶射法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域での使用可能な成膜プロセスにより、例えば1100℃より高い高温域での焼成を用いずに緩衝層3が得られる。そのため、金属基板1を傷めることなく、金属基板1と電極層2との元素相互拡散を抑制することができ、耐久性に優れた金属支持型電気化学素子Eを実現できる。また、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。 The buffer layer 3 is preferably formed by a low temperature firing method (for example, a wet method using a firing treatment in a low temperature range that does not perform a firing treatment in a high temperature range higher than 1100 ° C.), an aerosol deposition method, a thermal spraying method, or the like. These film formation processes that can be used in the low temperature region provide the buffer layer 3 without using firing in a high temperature region higher than, for example, 1100 ° C. Therefore, elemental mutual diffusion between the metal substrate 1 and the electrode layer 2 can be suppressed without damaging the metal substrate 1, and a metal-supported electrochemical element E having excellent durability can be realized. Further, it is more preferable to use the low temperature firing method because the handling of the raw material becomes easy.
緩衝層3は以下の構成・特徴を有する。 The buffer layer 3 has the following configurations and features.
まず緩衝層3は、その緻密度が、電極層2よりも大きく、かつ電解質層4よりも小さくなるように形成される。例えば、電極層2の緻密度が30%以上80%未満、緩衝層3の緻密度が50%以上98%未満、電解質層4の緻密度が96%以上のそれぞれの範囲内で、緩衝層3の緻密度が、電極層2の緻密度よりも大きく、かつ電解質層4よりも小さくなるように、各層を形成する。緩衝層3や電解質層4および電極層2のそれぞれの緻密度(相対密度)は、それぞれの材料や形成時の条件などにより決まる。例えば、材料粉末の粒径や形状や組成、焼成時の温度などの各種形成条件などにより、形成される緩衝層3や電解質層4および電極層2の緻密度が変化する。すなわちこれらの条件を適切に整えることにより、緩衝層3や電解質層4や電極層2の緻密度を調整することができる。 First, the buffer layer 3 is formed so that its density is larger than that of the electrode layer 2 and smaller than that of the electrolyte layer 4. For example, the density of the electrode layer 2 is 30% or more and less than 80%, the density of the buffer layer 3 is 50% or more and less than 98%, and the density of the electrolyte layer 4 is 96% or more. Each layer is formed so that the density of the electrode layer 2 is larger than that of the electrode layer 2 and smaller than that of the electrolyte layer 4. The density (relative density) of each of the buffer layer 3, the electrolyte layer 4, and the electrode layer 2 is determined by the respective materials and the conditions at the time of formation. For example, the density of the buffer layer 3, the electrolyte layer 4, and the electrode layer 2 to be formed changes depending on various formation conditions such as the particle size, shape, composition, and firing temperature of the material powder. That is, by appropriately adjusting these conditions, the density of the buffer layer 3, the electrolyte layer 4, and the electrode layer 2 can be adjusted.
また緩衝層3は、材料の形態や形成時の条件等を適切に設定することにより、その厚さが所定の範囲内となるように形成される。具体的には、緩衝層3は、その厚さが4μm以上となるように形成されるのが好ましく、また、10μm以下となるよう形成されるのが好ましい。 Further, the buffer layer 3 is formed so that its thickness is within a predetermined range by appropriately setting the form of the material, the conditions at the time of formation, and the like. Specifically, the buffer layer 3 is preferably formed so that its thickness is 4 μm or more, and preferably 10 μm or less.
緩衝層3は、多孔質である電極層2の上に緻密な電解質層4を形成するために、両者を連続的に接続させ、素子の製造時や素子の運転時にかかる各種の応力を緩和する緩衝効果を有する層として、両者の間に配置される。そのため、緩衝層3は、あえて緻密度が電解質層4に比べて小さくなるように形成される。また、緩衝層3は、あえて緻密度が電極層2に比べて大きくなるように形成される。これによって緩衝層3は、金属基板上に多孔質な電極層2と緻密な電解質層4が形成された場合であっても、各層間で、各種の応力を吸収・緩和して、金属支持型電気化学素子Eの性能・信頼性・安定性を高める効果をも有する。 In order to form a dense electrolyte layer 4 on the porous electrode layer 2, the buffer layer 3 continuously connects the two to relieve various stresses applied during the manufacture of the device and the operation of the device. It is arranged between the two as a layer having a buffering effect. Therefore, the buffer layer 3 is intentionally formed so that the density is smaller than that of the electrolyte layer 4. Further, the buffer layer 3 is intentionally formed so that the density is higher than that of the electrode layer 2. As a result, the buffer layer 3 absorbs and relaxes various stresses between the layers even when the porous electrode layer 2 and the dense electrolyte layer 4 are formed on the metal substrate, and is a metal support type. It also has the effect of enhancing the performance, reliability, and stability of the electrochemical element E.
緩衝層3としては、酸素イオン(酸化物イオン)伝導性を有することが好ましい。また、酸素イオン(酸化物イオン)と電子との混合伝導性を有すると更に好ましい。これらの性質を有する緩衝層3は、金属支持型電気化学素子Eへの適用に適している。 The buffer layer 3 preferably has oxygen ion (oxide ion) conductivity. Further, it is more preferable to have mixed conductivity of oxygen ions (oxide ions) and electrons. The buffer layer 3 having these properties is suitable for application to the metal-supported electrochemical element E.
なお、緩衝層3はNiやCu等の触媒金属成分を含まないことが好ましい。NiやCu等の触媒金属成分を含むと所望の緩衝層3が得られにくくなるからである。 The buffer layer 3 preferably does not contain a catalytic metal component such as Ni or Cu. This is because it becomes difficult to obtain the desired buffer layer 3 if a catalyst metal component such as Ni or Cu is contained.
(電解質層)
電解質層4は、図1に示すように、電極層2および緩衝層3を覆った状態で、緩衝層3の上に薄膜の状態で形成される。詳しくは電解質層4は、図1に示すように、緩衝層3の上と金属基板1の上とにわたって(跨って)設けられる。このように構成し、電解質層4を金属基板1に接合することで、電気化学素子全体として堅牢性に優れたものとすることができる。
(Electrolyte layer)
As shown in FIG. 1, the electrolyte layer 4 is formed on the buffer layer 3 in a thin film state while covering the electrode layer 2 and the buffer layer 3. Specifically, as shown in FIG. 1, the electrolyte layer 4 is provided over (straddling) the buffer layer 3 and the metal substrate 1. By forming the electrolyte layer 4 in this way and joining the electrolyte layer 4 to the metal substrate 1, the overall electrochemical element can be made excellent in robustness.
また電解質層4は、図1に示すように、金属基板1の表側の面であって貫通孔1aが設けられた領域より大きな領域に設けられる。つまり、貫通孔1aは金属基板1における電解質層4が形成された領域の内側に形成されている。 Further, as shown in FIG. 1, the electrolyte layer 4 is provided on the front surface of the metal substrate 1 in a region larger than the region where the through hole 1a is provided. That is, the through hole 1a is formed inside the region where the electrolyte layer 4 is formed in the metal substrate 1.
また電解質層4の周囲においては、電極層2および緩衝層3からのガスのリークを抑制することができる。説明すると、金属支持型電気化学素子EをSOFCの構成要素として用いる場合、SOFCの作動時には、金属基板1の裏側から貫通孔1aを通じて電極層2へガスが供給される。電解質層4が金属基板1に接している部位においては、ガスケット等の別部材を設けることなく、ガスのリークを抑制することができる。なお、本実施形態では電解質層4によって電極層2の周囲をすべて覆っているが、電極層2および緩衝層3の上部に電解質層4を設け、周囲にガスケット等を設ける構成としてもよい。 Further, around the electrolyte layer 4, gas leakage from the electrode layer 2 and the buffer layer 3 can be suppressed. To explain, when the metal-supported electrochemical element E is used as a component of the SOFC, gas is supplied from the back side of the metal substrate 1 to the electrode layer 2 through the through hole 1a when the SOFC is operated. At the portion where the electrolyte layer 4 is in contact with the metal substrate 1, gas leakage can be suppressed without providing a separate member such as a gasket. In the present embodiment, the electrolyte layer 4 covers the entire periphery of the electrode layer 2, but the electrolyte layer 4 may be provided above the electrode layer 2 and the buffer layer 3, and a gasket or the like may be provided around the electrode layer 2.
電解質層4の材料としては、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、SSZ(スカンジウム安定化ジルコニア)やGDC(ガドリウム・ドープ・セリア)、YDC(イットリウム・ドープ・セリア)、SDC(サマリウム・ドープ・セリア)等を用いることができる。特にジルコニア系のセラミックスが好適に用いられる。電解質層4をジルコニア系セラミックスとすると、金属支持型電気化学素子Eを用いたSOFCの稼働温度をセリア系セラミックスに比べて高くすることができる。例えば金属支持型電気化学素子EをSOFCに用いる場合、電解質層4の材料としてYSZのような650℃程度以上の高温域でも高い電解質性能を発揮できる材料を用い、システムの原燃料に都市ガスやLPG等の炭化水素系の原燃料を用い、原燃料を水蒸気改質等によってSOFCのアノードガスとするシステム構成とすると、SOFCのセルスタックで生じる熱を原燃料ガスの改質に用いる高効率なSOFCシステムを構築することができる。 Materials of the electrolyte layer 4 include YSZ (yttria-stabilized zirconia), SSZ (scandium-stabilized zirconia), GDC (gadolinium-doped ceria), YDC (yttrium-doped ceria), and SDC (samarium-doped ceria). Etc. can be used. In particular, zirconia-based ceramics are preferably used. When the electrolyte layer 4 is made of zirconia-based ceramics, the operating temperature of the SOFC using the metal-supported electrochemical element E can be made higher than that of ceria-based ceramics. For example, when the metal-supported electrochemical element E is used for SOFC, a material such as YSZ that can exhibit high electrolyte performance even in a high temperature range of about 650 ° C. or higher is used as the material of the electrolyte layer 4, and city gas or city gas is used as the raw material of the system. If a system configuration is made in which a hydrocarbon-based raw material such as LPG is used and the raw material is used as the anode gas of SOFC by steam reforming or the like, the heat generated in the cell stack of SOFC is used for reforming the raw fuel gas with high efficiency. SOFC system can be constructed.
電解質層4は、低温焼成法(例えば1100℃以上の高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法)やエアロゾルデポジション法、溶射法、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能な成膜プロセスにより、例えば1100℃以上の高温域での焼成を用いずに、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層4が得られる。そのため、金属基板1の損傷を抑制し、また、金属基板1と電極層2との元素相互拡散を抑制することができ、性能・耐久性に優れた金属支持型電気化学素子Eを実現できる。特に、低温焼成法やエアロゾルデポジション法や溶射法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、エアロゾルデポジション法を用いると、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層が低温域で容易に得られやすいので更に好ましい。 The electrolyte layer 4 is provided by a low temperature firing method (for example, a wet method using a firing treatment in a low temperature range that does not perform a firing treatment in a high temperature range of 1100 ° C. or higher), an aerosol deposition method, a thermal spraying method, a sputtering method, or a pulse laser deposition method. It is preferable to form it by such means. By these film forming processes that can be used in a low temperature range, an electrolyte layer 4 that is dense and has high airtightness and gas barrier property can be obtained without using firing in a high temperature range of, for example, 1100 ° C. or higher. Therefore, damage to the metal substrate 1 can be suppressed, element mutual diffusion between the metal substrate 1 and the electrode layer 2 can be suppressed, and a metal-supported electrochemical element E having excellent performance and durability can be realized. In particular, it is preferable to use a low-temperature firing method, an aerosol deposition method, a thermal spraying method, or the like because a low-cost element can be realized. Further, it is more preferable to use the aerosol deposition method because an electrolyte layer having a high density, airtightness and gas barrier property can be easily obtained in a low temperature range.
電解質層4は、アノードガスやカソードガスのガスリークを遮蔽し、かつ、高いイオン伝導性を発現するために、緻密に構成される。電解質層4の緻密度は96%以上であることが望ましく、98%以上であることがより望ましい。電解質層4は、均一な層である場合は、その緻密度が96%以上であると好ましく、98%以上であるとより好ましい。また、電解質層4が、複数の層状に構成されているような場合は、そのうちの少なくとも一部が、緻密度が98%以上である層(緻密電解質層)を含んでいると好ましく、99%以上である層(緻密電解質層)を含んでいるとより好ましい。このような緻密電解質層が電解質層の一部に含まれていると、電解質層が複数の層状に構成されている場合であっても、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層を形成しやすくできるからである。 The electrolyte layer 4 is densely configured in order to shield gas leaks from the anode gas and the cathode gas and to exhibit high ionic conductivity. The density of the electrolyte layer 4 is preferably 96% or more, and more preferably 98% or more. When the electrolyte layer 4 is a uniform layer, its density is preferably 96% or more, and more preferably 98% or more. When the electrolyte layer 4 is composed of a plurality of layers, it is preferable that at least a part of the electrolyte layer 4 contains a layer having a density of 98% or more (dense electrolyte layer), which is 99%. It is more preferable to include the above-mentioned layer (dense electrolyte layer). When such a dense electrolyte layer is contained as a part of the electrolyte layer, even when the electrolyte layer is formed in a plurality of layers, an electrolyte layer having a high density, airtightness and gas barrier property is formed. This is because it can be made easier.
(反応防止層)
反応防止層5は、電解質層4の上に薄膜状に形成された層である。反応防止層5の材料としては、電解質層4の成分と対極電極層6の成分との間の反応を防止できる材料であれば良い。例えばセリア系材料等が用いられる。反応防止層5を電解質層4と対極電極層6との間に導入することにより、対極電極層6の構成材料と電解質層4の構成材料との反応が効果的に抑制され、金属支持型電気化学素子Eの性能の長期安定性を向上できる。反応防止層5の形成は、1100℃以下の処理温度で形成できる方法を適宜用いて行うと、金属基板1の損傷を抑制し、また、金属基板1と電極層2との元素相互拡散を抑制でき、性能・耐久性に優れた金属支持型電気化学素子Eを実現できるので好ましい。例えば、印刷やスプレー等による湿式法(低温焼成法)、エアロゾルデポジション法、溶射法、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法などを適宜用いて行うことができる。特に、低温焼成法やエアロゾルデポジション法や溶射法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
(Reaction prevention layer)
The reaction prevention layer 5 is a layer formed in a thin film on the electrolyte layer 4. The material of the reaction prevention layer 5 may be any material that can prevent the reaction between the component of the electrolyte layer 4 and the component of the counter electrode layer 6. For example, a ceria-based material or the like is used. By introducing the reaction prevention layer 5 between the electrolyte layer 4 and the counter electrode layer 6, the reaction between the constituent material of the counter electrode layer 6 and the constituent material of the electrolyte layer 4 is effectively suppressed, and the metal support type electricity is used. The long-term stability of the performance of the chemical element E can be improved. When the reaction prevention layer 5 is formed by appropriately using a method capable of forming at a treatment temperature of 1100 ° C. or lower, damage to the metal substrate 1 is suppressed, and elemental mutual diffusion between the metal substrate 1 and the electrode layer 2 is suppressed. It is preferable because it can realize a metal-supported electrochemical element E having excellent performance and durability. For example, a wet method (low temperature firing method) by printing or spraying, an aerosol deposition method, a thermal spraying method, a sputtering method, a pulse laser deposition method, or the like can be appropriately used. In particular, it is preferable to use a low-temperature firing method, an aerosol deposition method, a thermal spraying method, or the like because a low-cost element can be realized. Further, it is more preferable to use the low temperature firing method because the handling of the raw material becomes easy.
(対極電極層)
対極電極層6は、電解質層4もしくは反応防止層5の上に薄膜状に形成された層である。対極電極層6の材料としては、例えば、LSCF、LSM等の複合酸化物を用いることができる。なお、対極電極層6の形成は、1100℃以下の処理温度で形成できる方法を適宜用いて行うと、金属基板1の損傷を抑制し、また、金属基板1と電極層2との元素相互拡散を抑制でき、性能・耐久性に優れた金属支持型電気化学素子Eを実現できるので好ましい。例えば、印刷やスプレー等による湿式法(低温焼成法)、エアロゾルデポジション法、溶射法、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法などを適宜用いて行うことができる。特に、低温焼成法やエアロゾルデポジション法や溶射法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
(Counter electrode layer)
The counter electrode layer 6 is a layer formed in a thin film on the electrolyte layer 4 or the reaction prevention layer 5. As the material of the counter electrode layer 6, for example, a composite oxide such as LSCF or LSM can be used. When the counter electrode layer 6 is formed by appropriately using a method capable of forming at a treatment temperature of 1100 ° C. or lower, damage to the metal substrate 1 can be suppressed, and element mutual diffusion between the metal substrate 1 and the electrode layer 2 can be suppressed. It is preferable because the metal-supported electrochemical element E having excellent performance and durability can be realized. For example, a wet method (low temperature firing method) by printing or spraying, an aerosol deposition method, a thermal spraying method, a sputtering method, a pulse laser deposition method, or the like can be appropriately used. In particular, it is preferable to use a low-temperature firing method, an aerosol deposition method, a thermal spraying method, or the like because a low-cost element can be realized. Further, it is more preferable to use the low temperature firing method because the handling of the raw material becomes easy.
(固体酸化物形燃料電池)
以上のように金属支持型電気化学素子Eを構成することで、金属支持型電気化学素子Eを固体酸化物形燃料電池の発電セルとして用いることができる。例えば、金属基板1の裏側の面から貫通孔1aを通じて水素を含む燃料ガスを電極層2へ供給し、電極層2の対極となる対極電極層6へ空気を供給し、例えば、600℃以上750℃以下の温度で作動させる。そうすると、対極電極層6において空気に含まれる酸素O2が電子e-と反応して酸素イオンO2-が生成される。その酸素イオンO2-が電解質層4を通って電極層2へ移動する。電極層2においては、供給された燃料ガスに含まれる水素H2が酸素イオンO2-と反応し、水H2Oと電子e-が生成される。以上の反応により、電極層2と対極電極層6との間に起電力が発生する。この場合、電極層2はSOFCの燃料極(アノード)として機能し、対極電極層6は空気極(カソード)として機能する。
(Solid oxide fuel cell)
By configuring the metal-supported electrochemical element E as described above, the metal-supported electrochemical element E can be used as a power generation cell of a solid oxide fuel cell. For example, a fuel gas containing hydrogen is supplied to the electrode layer 2 from the back surface of the metal substrate 1 through the through hole 1a, and air is supplied to the counter electrode layer 6 which is the counter electrode of the electrode layer 2, for example, 600 ° C. or higher and 750 ° C. or higher. Operate at a temperature below ° C. Then, in the counter electrode layer 6, oxygen O 2 contained in the air reacts with the electron e − to generate oxygen ion O 2- . The oxygen ion O 2- moves to the electrode layer 2 through the electrolyte layer 4. In the electrode layer 2, reacts hydrogen H 2 contained in the supplied fuel gas with 2 oxygen ions O, water between H 2 O and electrons e - are generated. By the above reaction, an electromotive force is generated between the electrode layer 2 and the counter electrode layer 6. In this case, the electrode layer 2 functions as a fuel electrode (anode) of the SOFC, and the counter electrode layer 6 functions as an air electrode (cathode).
(金属支持型電気化学素子の製造方法)
次に、金属支持型電気化学素子Eの製造方法について説明する。
(Manufacturing method of metal-supported electrochemical element)
Next, a method for manufacturing the metal-supported electrochemical element E will be described.
(電極層形成ステップ)
電極層形成ステップでは、金属基板1の表側の面の貫通孔1aが設けられた領域より広い領域に電極層2が薄膜の状態で形成される。金属基板1の貫通孔はレーザー加工等によって設けることができる。電極層2の形成は、上述したように、低温焼成法(1100℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法)、エアロゾルデポジション法、溶射法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属基板1の劣化を抑制するため、1100℃以下の温度で行うことが望ましい。
(Electrode layer formation step)
In the electrode layer forming step, the electrode layer 2 is formed in a thin film state in a region wider than the region provided with the through hole 1a on the front surface of the metal substrate 1. The through hole of the metal substrate 1 can be provided by laser processing or the like. As described above, the electrode layer 2 can be formed by a method such as a low temperature firing method (a wet method in which a firing treatment is performed in a low temperature range of 1100 ° C. or lower), an aerosol deposition method, or a thermal spraying method. Regardless of which method is used, it is desirable to carry out the process at a temperature of 1100 ° C. or lower in order to suppress deterioration of the metal substrate 1.
電極層形成ステップを低温焼成法で行う場合には、具体的には以下の例のように行う。まず電極層2の材料粉末と溶媒とを混合して材料ペーストを作成し、金属基板1の表側の面に塗布し、800℃〜1100℃で焼成する。 When the electrode layer forming step is performed by the low-temperature firing method, it is specifically performed as in the following example. First, the material powder of the electrode layer 2 and the solvent are mixed to prepare a material paste, which is applied to the front surface of the metal substrate 1 and fired at 800 ° C to 1100 ° C.
(拡散抑制層形成ステップ)
上述した電極層形成ステップにおける焼成工程時に、金属基板1の表面に金属酸化物層1b(拡散抑制層)が形成される。なお、上記焼成工程に、焼成雰囲気を酸素分圧が低い雰囲気条件とする焼成工程が含まれていると元素の相互拡散抑制効果が高く、抵抗値の低い良質な金属酸化物層1b(拡散抑制層)が形成されるので好ましい。電極層形成ステップを、焼成を行わない方法(例えば、エアロゾルデポジション法など)とする場合を含め、別途の拡散抑制層形成ステップを含めても良い。いずれにおいても、金属基板1の損傷を抑制可能な1100℃以下の処理温度で実施することが望ましい。
(Diffusion suppression layer formation step)
During the firing step in the electrode layer forming step described above, the metal oxide layer 1b (diffusion suppression layer) is formed on the surface of the metal substrate 1. If the firing step includes a firing step in which the firing atmosphere is an atmosphere condition in which the oxygen partial pressure is low, the effect of suppressing mutual diffusion of elements is high, and a high-quality metal oxide layer 1b having a low resistance value (diffusion suppression). It is preferable because a layer) is formed. A separate diffusion suppression layer forming step may be included, including a case where the electrode layer forming step is a method in which firing is not performed (for example, an aerosol deposition method or the like). In either case, it is desirable to carry out the process at a processing temperature of 1100 ° C. or lower, which can suppress damage to the metal substrate 1.
(緩衝層形成ステップ)
緩衝層形成ステップでは、電極層2を覆う形態で、電極層2の上に緩衝層3が薄膜の状態で形成される。緩衝層3の形成は、上述したように、低温焼成法(1100℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法)、エアロゾルデポジション法、溶射法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属基板1の劣化を抑制するため、1100℃以下の温度で行うことが望ましい。
(Cushion layer formation step)
In the buffer layer forming step, the buffer layer 3 is formed in a thin film state on the electrode layer 2 in a form of covering the electrode layer 2. As described above, the buffer layer 3 can be formed by a low-temperature firing method (a wet method in which a firing process is performed in a low temperature range of 1100 ° C. or lower), an aerosol deposition method, a thermal spraying method, or the like. Regardless of which method is used, it is desirable to carry out the process at a temperature of 1100 ° C. or lower in order to suppress deterioration of the metal substrate 1.
緩衝層形成ステップを低温焼成法で行う場合には、具体的には以下の例のように行う。まず緩衝層3の材料粉末と溶媒とを混合して材料ペーストを作成し、電極層2の上に塗布し、800℃〜1100℃で焼成する。 When the buffer layer forming step is performed by the low-temperature firing method, it is specifically performed as in the following example. First, the material powder of the buffer layer 3 and the solvent are mixed to prepare a material paste, which is applied on the electrode layer 2 and fired at 800 ° C to 1100 ° C.
(電解質層形成ステップ)
電解質層形成ステップでは、電極層2および緩衝層3を覆った状態で、電解質層4が緩衝層3の上に薄膜の状態で形成される。電解質層4の形成は、上述したように、低温焼成法(1100℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法)、エアロゾルデポジション法、溶射法、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属基板1の劣化を抑制するため、1100℃以下の温度で行うことが望ましい。
(Electrolyte layer formation step)
In the electrolyte layer forming step, the electrolyte layer 4 is formed on the buffer layer 3 in a thin film state while covering the electrode layer 2 and the buffer layer 3. As described above, the electrolyte layer 4 is formed by a low-temperature firing method (wet method in which firing treatment is performed in a low temperature range of 1100 ° C. or lower), an aerosol deposition method, a thermal spraying method, a sputtering method, a pulse laser deposition method, or the like. The method can be used. Regardless of which method is used, it is desirable to carry out the process at a temperature of 1100 ° C. or lower in order to suppress deterioration of the metal substrate 1.
緻密で気密性およびガスバリア性能の高い、良質な電解質層4を1100℃以下の温度域で形成するためには、電解質層形成ステップをエアロゾルデポジション法で行うことが望ましい。その場合、電解質層4の材料粉末を搬送ガスでエアロゾル化し、そのエアロゾルを金属基板1の緩衝層3に向けて噴射し、電解質層4を形成する。 In order to form a high-quality electrolyte layer 4 having high density, airtightness and gas barrier performance in a temperature range of 1100 ° C. or lower, it is desirable to carry out the electrolyte layer forming step by the aerosol deposition method. In that case, the material powder of the electrolyte layer 4 is aerosolized with a transport gas, and the aerosol is injected toward the buffer layer 3 of the metal substrate 1 to form the electrolyte layer 4.
(反応防止層形成ステップ)
反応防止層形成ステップでは、反応防止層5が電解質層4の上に薄膜の状態で形成される。反応防止層5の形成は、上述したように、低温焼成法、エアロゾルデポジション法、溶射法、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属基板1の劣化を抑制するため、1100℃以下の温度で行うことが望ましい。
(Reaction prevention layer formation step)
In the reaction prevention layer forming step, the reaction prevention layer 5 is formed on the electrolyte layer 4 in a thin film state. As described above, the reaction prevention layer 5 can be formed by a method such as a low temperature firing method, an aerosol deposition method, a thermal spraying method, a sputtering method, or a pulse laser deposition method. Regardless of which method is used, it is desirable to carry out the process at a temperature of 1100 ° C. or lower in order to suppress deterioration of the metal substrate 1.
(対極電極層形成ステップ)
対極電極層形成ステップでは、対極電極層6が反応防止層5の上に薄膜の状態で形成される。対極電極層6の形成は、上述したように、低温焼成法、エアロゾルデポジション法、溶射法、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属基板1の劣化を抑制するため、1100℃以下の温度で行うことが望ましい。
(Counter electrode layer forming step)
In the counter electrode layer forming step, the counter electrode layer 6 is formed on the reaction prevention layer 5 in a thin film state. As described above, the counter electrode layer 6 can be formed by a method such as a low temperature firing method, an aerosol deposition method, a thermal spraying method, a sputtering method, or a pulse laser deposition method. Regardless of which method is used, it is desirable to carry out the process at a temperature of 1100 ° C. or lower in order to suppress deterioration of the metal substrate 1.
以上の様にして、金属支持型電気化学素子Eを製造することができる。なお、反応防止層形成ステップを省略したり、他の層を形成するステップを追加したり、同種の層を複数積層したりすることも可能であるが、いずれの場合であっても、1100℃以下の温度で行うことが望ましい。 As described above, the metal-supported electrochemical device E can be manufactured. It is possible to omit the reaction prevention layer forming step, add a step for forming another layer, or stack a plurality of layers of the same type, but in any case, the temperature is 1100 ° C. It is desirable to perform at the following temperatures.
(第2実施形態)
上述した第1実施形態では、図1に示すように、電極層2および電解質層4の両方が、金属基板1の表側の面であって貫通孔1aが設けられた領域より大きな領域に設けられる。貫通孔1aが設けられた領域の全体が、電極層2および電解質層4によって覆われている。つまり貫通孔1aは、金属基板1における電極層2が形成された領域の内側であって、かつ電解質層4が形成された領域の内側に形成される。換言すれば、全ての貫通孔1aが電極層2に面して設けられている。これを変更して、図2に示す構成とすることも可能である。
(Second Embodiment)
In the above-described first embodiment, as shown in FIG. 1, both the electrode layer 2 and the electrolyte layer 4 are provided on the front surface of the metal substrate 1 in a region larger than the region where the through hole 1a is provided. .. The entire region provided with the through hole 1a is covered with the electrode layer 2 and the electrolyte layer 4. That is, the through hole 1a is formed inside the region where the electrode layer 2 is formed in the metal substrate 1 and inside the region where the electrolyte layer 4 is formed. In other words, all the through holes 1a are provided facing the electrode layer 2. It is also possible to change this to have the configuration shown in FIG.
図2に示す構成では、電極層2が、貫通孔1aが設けられた領域より小さな領域に設けられる。緩衝層3および電解質層4が、貫通孔1aが設けられた領域より大きな領域に設けられる。貫通孔1aが設けられた領域の全体が、緩衝層3および電解質層4によって覆われている。つまり貫通孔1aは、電極層2が形成された領域の内側と外側とに設けられる。また貫通孔1aは電解質層4が形成された領域の内側に設けられる。換言すれば、貫通孔1aは電極層2と緩衝層3の両方に面して設けられている。 In the configuration shown in FIG. 2, the electrode layer 2 is provided in a region smaller than the region where the through hole 1a is provided. The buffer layer 3 and the electrolyte layer 4 are provided in a region larger than the region where the through hole 1a is provided. The entire region provided with the through hole 1a is covered with the buffer layer 3 and the electrolyte layer 4. That is, the through holes 1a are provided inside and outside the region where the electrode layer 2 is formed. Further, the through hole 1a is provided inside the region where the electrolyte layer 4 is formed. In other words, the through hole 1a is provided so as to face both the electrode layer 2 and the buffer layer 3.
(第3実施形態)
また図3に示す構成も可能である。図3に示す構成では、電極層2および緩衝層3が、貫通孔1aが設けられた領域より小さな領域に設けられる。電解質層4が、貫通孔1aが設けられた領域より大きな領域に設けられる。貫通孔1aが設けられた領域の全体が、電解質層4によって覆われている。つまり貫通孔1aは、電極層2が形成された領域の内側と外側とに設けられる。貫通孔1aは、緩衝層3が形成された領域の内側と外側とに設けられる。また貫通孔1aは電解質層4が形成された領域の内側に設けられる。換言すれば、貫通孔1aは電極層2と緩衝層3と電解質層4とに面して設けられている。
(Third Embodiment)
The configuration shown in FIG. 3 is also possible. In the configuration shown in FIG. 3, the electrode layer 2 and the buffer layer 3 are provided in a region smaller than the region in which the through hole 1a is provided. The electrolyte layer 4 is provided in a region larger than the region where the through hole 1a is provided. The entire region provided with the through hole 1a is covered with the electrolyte layer 4. That is, the through holes 1a are provided inside and outside the region where the electrode layer 2 is formed. Through holes 1a are provided inside and outside the region where the buffer layer 3 is formed. Further, the through hole 1a is provided inside the region where the electrolyte layer 4 is formed. In other words, the through hole 1a is provided facing the electrode layer 2, the buffer layer 3, and the electrolyte layer 4.
また図4に示す構成も可能である。図4に示す構成では、電極層2および緩衝層3が、貫通孔1aが設けられた領域より小さな領域に設けられる。緩衝層3は、電極層2が設けられた領域に設けられる。電解質層4が、貫通孔1aが設けられた領域より大きな領域に設けられる。貫通孔1aが設けられた領域の全体が、電解質層4によって覆われている。つまり貫通孔1aは、電極層2が形成された領域の内側と外側とに設けられる。また貫通孔1aは電解質層4が形成された領域の内側に設けられる。換言すれば、貫通孔1aは電極層2と電解質層4とに面して設けられている。 The configuration shown in FIG. 4 is also possible. In the configuration shown in FIG. 4, the electrode layer 2 and the buffer layer 3 are provided in a region smaller than the region where the through hole 1a is provided. The buffer layer 3 is provided in the region where the electrode layer 2 is provided. The electrolyte layer 4 is provided in a region larger than the region where the through hole 1a is provided. The entire region provided with the through hole 1a is covered with the electrolyte layer 4. That is, the through holes 1a are provided inside and outside the region where the electrode layer 2 is formed. Further, the through hole 1a is provided inside the region where the electrolyte layer 4 is formed. In other words, the through hole 1a is provided facing the electrode layer 2 and the electrolyte layer 4.
(第4実施形態)
上記の実施形態では、金属支持型電気化学素子Eを固体酸化物形燃料電池に用いたが、金属支持型電気化学素子Eは、固体酸化物形電解セルや、固体酸化物を利用した酸素センサ等に利用することもできる。
(Fourth Embodiment)
In the above embodiment, the metal-supported electrochemical element E is used for the solid oxide fuel cell, but the metal-supported electrochemical element E is a solid oxide-type electrolytic cell or an oxygen sensor using a solid oxide. It can also be used for such purposes.
(第5実施形態)
上記の実施形態では、電極層2の材料として例えばNiO−GDC、Ni−GDC、NiO−YSZ、Ni−YSZ、CuO−CeO2、Cu−CeO2などのサーメット材を用い、対極電極層6の材料として例えばLSCF、LSM等の複合酸化物を用いた。そして電極層2に水素ガスを供給して燃料極とし、対極電極層6に空気を供給して空気極とし、金属支持型電気化学素子Eを固体酸化物型燃料電池セルとして用いた。これを変更して、電極層2を空気極とし、対極電極層6を燃料極とすることが可能なように、金属支持型電気化学素子Eを構成することも可能である。すなわち、電極層2の材料として例えばLSCF、LSM等の複合酸化物を用い、対極電極層6の材料として例えばNiO−GDC、Ni−GDC、NiO−YSZ、Ni−YSZ、CuO−CeO2、Cu−CeO2などのサーメット材を用いる。このように構成した金属支持型電気化学素子Eであれば、電極層2に空気を供給して空気極とし、対極電極層6に水素ガスを供給して燃料極とし、金属支持型電気化学素子Eを固体酸化物型燃料電池セルとして用いることができる。
(Fifth Embodiment)
In the above embodiment, as the material of the electrode layer 2, for example, a cermet material such as NiO-GDC, Ni-GDC, NiO-YSZ, Ni-YSZ, CuO-CeO 2 , Cu-CeO 2 is used, and the counter electrode layer 6 is formed. As a material, for example, a composite oxide such as LSCF or LSM was used. Then, hydrogen gas was supplied to the electrode layer 2 to serve as a fuel electrode, air was supplied to the counter electrode layer 6 to serve as an air electrode, and the metal-supported electrochemical element E was used as a solid oxide fuel cell. By changing this, it is also possible to configure the metal-supported electrochemical element E so that the electrode layer 2 can be used as an air electrode and the counter electrode layer 6 can be used as a fuel electrode. That is, a composite oxide such as LSCF or LSM is used as the material of the electrode layer 2, and NiO-GDC, Ni-GDC, NiO-YSZ, Ni-YSZ, CuO-CeO 2 or Cu as the material of the counter electrode layer 6. -Use a cermet material such as CeO 2 . In the metal-supported electrochemical element E configured as described above, air is supplied to the electrode layer 2 to form an air electrode, and hydrogen gas is supplied to the counter electrode layer 6 to form a fuel electrode to form a metal-supported electrochemical element. E can be used as a solid oxide fuel cell.
なお、上記の実施形態で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能である。また本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。 The configurations disclosed in the above embodiments can be applied in combination with the configurations disclosed in other embodiments as long as there is no contradiction. Further, the embodiments disclosed in the present specification are examples, and the embodiments of the present invention are not limited to these, and can be appropriately modified without departing from the object of the present invention.
以下、様々な条件で金属支持型電気化学素子Eの試作品を作成し、種々の測定を行った結果を説明する。(試作品1:実施例)
厚さ0.3mm、直径25mmの円形のcrofer22APUの金属板に対して、中心から半径2.5mmの領域にレーザー加工により貫通孔1aを複数設けて、金属基板1を作成した。なお、この時、金属基板1の表面の貫通孔1aの直径が10〜15μm程度となるようにレーザー加工により貫通孔を設けた。
Hereinafter, the results of preparing a prototype of the metal-supported electrochemical device E under various conditions and performing various measurements will be described. (Prototype 1: Example)
A metal substrate 1 was prepared by providing a plurality of through holes 1a by laser processing in a region having a radius of 2.5 mm from the center of a circular crosser 22APU metal plate having a thickness of 0.3 mm and a diameter of 25 mm. At this time, the through holes were provided by laser processing so that the diameter of the through holes 1a on the surface of the metal substrate 1 was about 10 to 15 μm.
次に、60重量%のNiO粉末と40重量%のGDC粉末を混合し、有機バインダーと有機溶媒を加えてペーストを作製した。そのペーストを用いて、金属基板1の中心から半径3mmの領域に電極層2を積層した。なお、電極層2の形成にはスクリーン印刷を用いた。 Next, 60% by weight of NiO powder and 40% by weight of GDC powder were mixed, and an organic binder and an organic solvent were added to prepare a paste. Using the paste, the electrode layer 2 was laminated in a region having a radius of 3 mm from the center of the metal substrate 1. Screen printing was used to form the electrode layer 2.
次に、電極層2を積層した金属基板1に対して、850℃で焼成処理を行った(電極層形成ステップ、拡散抑制層形成ステップ)。 Next, the metal substrate 1 on which the electrode layer 2 was laminated was fired at 850 ° C. (electrode layer forming step, diffusion suppressing layer forming step).
このように電極層2を積層した状態での金属基板1のHeリーク量は、0.2MPaの圧力下で50mL/分・cm2を越える量であった。このことから、電極層2は緻密度およびガスバリア性の低い多孔質な層として形成されていると分かる。 The amount of He leak of the metal substrate 1 in the state where the electrode layers 2 were laminated in this way was an amount exceeding 50 mL / min · cm 2 under a pressure of 0.2 MPa. From this, it can be seen that the electrode layer 2 is formed as a porous layer having low density and gas barrier property.
次に、GDCの微粉末に有機バインダーと有機溶媒を加えてペーストを作製した。そのペーストを用いて、スクリーン印刷により、電極層2を積層した金属基板1の中心から半径5mmの領域に緩衝層3を積層した。 Next, an organic binder and an organic solvent were added to the fine powder of GDC to prepare a paste. Using the paste, the buffer layer 3 was laminated in a region having a radius of 5 mm from the center of the metal substrate 1 on which the electrode layer 2 was laminated by screen printing.
次に、緩衝層3を積層した金属基板1に対して、1050℃で焼成処理を行った(緩衝層形成ステップ)。 Next, the metal substrate 1 on which the buffer layer 3 was laminated was fired at 1050 ° C. (buffer layer forming step).
以上のステップで得られた電極層2の厚さは約10μmであり、緩衝層3の厚さは約8μmであった。また、このように電極層2と緩衝層3を積層した状態での金属基板1のHeリーク量は、0.2MPaの圧力下で13.5mL/分・cm2であった。 The thickness of the electrode layer 2 obtained in the above steps was about 10 μm, and the thickness of the buffer layer 3 was about 8 μm. Further, the amount of He leak of the metal substrate 1 in the state where the electrode layer 2 and the buffer layer 3 were laminated in this way was 13.5 mL / min · cm 2 under a pressure of 0.2 MPa.
続いて、モード径0.7μm程度の8YSZ(イットリア安定化ジルコニア)粉末を6L/minの流量のドライエアでエアロゾル化した。エアロゾルを圧力を190Paとしたチャンバー内に導入して、金属基板1の緩衝層3の上に、緩衝層3を覆うように15mm×15mmの範囲で噴射し、電解質層4を積層した。その際、金属基板1は加熱せず、室温で噴射を行った(電解質層形成ステップ)。こうして金属支持型電気化学素子Eを形成した。 Subsequently, 8YSZ (yttria-stabilized zirconia) powder having a mode diameter of about 0.7 μm was aerosolized with dry air at a flow rate of 6 L / min. The aerosol was introduced into a chamber having a pressure of 190 Pa, sprayed onto the buffer layer 3 of the metal substrate 1 in a range of 15 mm × 15 mm so as to cover the buffer layer 3, and the electrolyte layer 4 was laminated. At that time, the metal substrate 1 was not heated and was injected at room temperature (electrolyte layer forming step). In this way, the metal-supported electrochemical element E was formed.
以上のステップで得られた電解質層4の厚さは約5μmであった。このように電極層2と緩衝層3と電解質層4を積層した状態での金属基板1のHeリーク量を0.2MPaの圧力下で測定したところ、Heリーク量は検出下限(1.0mL/分・cm2)未満であった。つまり、緩衝層3までを積層した状態でのHeリーク量に比べ、電解質層4を積層した状態でのHeリーク量は大幅に小さくなり、検出限界を下回るものとなった。従って、形成された電解質層4は、緻密でガスバリア性能の高い、良質なものであることが確認された。 The thickness of the electrolyte layer 4 obtained in the above steps was about 5 μm. When the He leak amount of the metal substrate 1 in the state where the electrode layer 2, the buffer layer 3 and the electrolyte layer 4 were laminated in this way was measured under a pressure of 0.2 MPa, the He leak amount was the lower limit of detection (1.0 mL / It was less than minutes / cm 2 ). That is, the amount of He leak in the state where the electrolyte layer 4 is laminated is significantly smaller than the amount of He leak in the state where the buffer layer 3 is laminated, which is below the detection limit. Therefore, it was confirmed that the formed electrolyte layer 4 is dense, has high gas barrier performance, and is of good quality.
次に、GDCの微粉末に有機バインダーと有機溶媒を加えてペーストを作製した。そのペーストを用いて、スクリーン印刷により、金属支持型電気化学素子Eの電解質層4の上に、反応防止層5を形成した。 Next, an organic binder and an organic solvent were added to the fine powder of GDC to prepare a paste. Using the paste, a reaction prevention layer 5 was formed on the electrolyte layer 4 of the metal-supported electrochemical element E by screen printing.
その後、反応防止層5を形成した金属支持型電気化学素子Eに対して、1000℃で焼成処理を行った(反応防止層形成ステップ)。 Then, the metal-supported electrochemical element E on which the reaction prevention layer 5 was formed was fired at 1000 ° C. (reaction prevention layer forming step).
更に、GDC粉末とLSCF粉末とを混合し、有機バインダーと有機溶媒を加えてペーストを作製した。そのペーストを用いて、スクリーン印刷により、反応防止層5の上に対極電極層6を形成した。最後に、対極電極層6を形成した金属支持型電気化学素子Eを900℃にて焼成し(対極電極層形成ステップ)、金属支持型電気化学素子Eを得た。 Further, GDC powder and LSCF powder were mixed, and an organic binder and an organic solvent were added to prepare a paste. Using the paste, a counter electrode layer 6 was formed on the reaction prevention layer 5 by screen printing. Finally, the metal-supported electrochemical element E on which the counter electrode layer 6 was formed was fired at 900 ° C. (counter electrode layer forming step) to obtain a metal-supported electrochemical element E.
得られた金属支持型電気化学素子Eについて、電極層2に水素ガス、対極電極層6に空気を供給して固体酸化物型燃料電池セルとしての開回路電圧(OCV)を測定した。結果は、750℃で1.03Vであった。 Regarding the obtained metal-supported electrochemical element E, hydrogen gas was supplied to the electrode layer 2 and air was supplied to the counter electrode layer 6, and the open circuit voltage (OCV) of the solid oxide fuel cell was measured. The result was 1.03 V at 750 ° C.
このようにして得られた金属支持型電気化学素子Eの断面の電子顕微鏡写真を図5に示す。電極層2には黒い空隙・空孔が多数存在しており、緻密度が比較的小さい状態となっている。図5の画像処理データからは、電極層2の緻密度は68%程度と推測される。電解質層4には黒い空隙・空孔がほとんど見られず、非常に緻密となっている。図5の画像処理データからは、電解質層4の緻密度は99%程度以上と推測される。これらに対し、緩衝層3には小さな黒点が多数見られることから、緩衝層3に小さな空隙・空孔が存在し、緩衝層3の緻密度が、電解質層4より小さく、電極層2より大きくなっていることが分かる。図5の画像処理データからは、緩衝層3の緻密度は92%程度と推測される。また、上記のようにして得られた緩衝層3の緻密度を、X線反射率を測定した結果から算出したところ、92%と算出された。すなわち以上の結果から、緩衝層3の緻密度が、電極層2の緻密度よりも大きく、かつ電解質層4の緻密度よりも小さくなっていることが確認された。 An electron micrograph of a cross section of the metal-supported electrochemical device E thus obtained is shown in FIG. The electrode layer 2 has a large number of black voids and pores, and the density is relatively low. From the image processing data of FIG. 5, it is estimated that the density of the electrode layer 2 is about 68%. Almost no black voids or vacancies are seen in the electrolyte layer 4, and the electrolyte layer 4 is very dense. From the image processing data of FIG. 5, it is estimated that the density of the electrolyte layer 4 is about 99% or more. On the other hand, since many small black spots are seen in the buffer layer 3, there are small voids and vacancies in the buffer layer 3, and the density of the buffer layer 3 is smaller than that of the electrolyte layer 4 and larger than that of the electrode layer 2. You can see that it is. From the image processing data of FIG. 5, it is estimated that the density of the buffer layer 3 is about 92%. Further, when the density of the buffer layer 3 obtained as described above was calculated from the result of measuring the X-ray reflectance, it was calculated to be 92%. That is, from the above results, it was confirmed that the density of the buffer layer 3 was larger than that of the electrode layer 2 and smaller than that of the electrolyte layer 4.
(試作品2:実施例)
緩衝層形成ステップでの焼成温度を1000℃に変更し、その他は試作品1と同様のステップにて金属支持型電気化学素子Eを得た。得られたサンプルの電極層2の厚さは約10μmであり、緩衝層3の厚さは約7μmであり、電解質層4の厚さは約4μmであった。
(Prototype 2: Example)
The firing temperature in the buffer layer forming step was changed to 1000 ° C., and the metal-supported electrochemical device E was obtained in the same steps as in Prototype 1. The thickness of the electrode layer 2 of the obtained sample was about 10 μm, the thickness of the buffer layer 3 was about 7 μm, and the thickness of the electrolyte layer 4 was about 4 μm.
緩衝層3まで積層した状態での金属基板1のHeリーク量は、0.2MPaの圧力下で7.5mL/分・cm2であった。また、電解質層4まで積層した状態での金属基板1のHeリーク量は、0.2MPaの圧力下で検出限界の1.0mL/分・cm2未満であった。試作品1と同様に、緩衝層3までを積層した状態でのHeリーク量に比べ、電解質層4までを積層した状態でのHeリーク量は大幅に小さくなり、検出限界を下回るものとなった。従って、形成された電解質層4は、緻密でガスバリア性能の高い、良質なものであることが確認された。 The amount of He leak of the metal substrate 1 in the state of being laminated up to the buffer layer 3 was 7.5 mL / min · cm 2 under a pressure of 0.2 MPa. The amount of He leak of the metal substrate 1 in the state of being laminated up to the electrolyte layer 4 was less than the detection limit of 1.0 mL / min · cm 2 under a pressure of 0.2 MPa. Similar to Prototype 1, the amount of He leak in the state where the electrolyte layer 4 was laminated was significantly smaller than the amount of He leak in the state where the buffer layer up to 3 was laminated, which was below the detection limit. .. Therefore, it was confirmed that the formed electrolyte layer 4 is dense, has high gas barrier performance, and is of good quality.
得られた金属支持型電気化学素子Eについて、電極層2に水素ガス、対極電極層6に空気を供給して固体酸化物型燃料電池セルとしての開回路電圧(OCV)を測定した。結果は、600℃で1.09V、650℃で1.08V、700℃で1.05V、750℃で1.05Vであった。また得られる電流値を測定したところ、750℃では0.803Vで500mA/cm2の電流が得られ、0.700Vの条件で750mA/cm2の電流が得られた。 Regarding the obtained metal-supported electrochemical element E, hydrogen gas was supplied to the electrode layer 2 and air was supplied to the counter electrode layer 6, and the open circuit voltage (OCV) of the solid oxide fuel cell was measured. The results were 1.09 V at 600 ° C, 1.08 V at 650 ° C, 1.05 V at 700 ° C, and 1.05 V at 750 ° C. The Measurement of the current value obtained, a current of 500mA / cm 2 was obtained at 0.803V at 750 ° C., a current of 750mA / cm 2 was obtained under the conditions of 0.700V.
このようにして得られた金属支持型電気化学素子Eの断面の電子顕微鏡写真を図6に示す。電極層2には黒い空隙・空孔が多数存在しており、緻密度が比較的小さい状態となっている。図6の画像処理データからは、電極層2の緻密度は79%程度と推測される。電解質層4には黒い空隙・空孔がほとんど見られず、非常に緻密となっている。図6の画像処理データからは、電解質層4の緻密度は97%程度以上と推測される。これらに対し、緩衝層3には小さな黒点が多数見られることから、緩衝層3に小さな空隙・空孔が存在し、緩衝層3の緻密度がやや小さくなっている。図6の画像処理データからは、緩衝層3の緻密度は95%程度と推測される。すなわち以上の結果から、緩衝層3の緻密度が、電極層2の緻密度よりも大きく、かつ電解質層4の緻密度よりも小さくなっていることが確認された。 An electron micrograph of a cross section of the metal-supported electrochemical device E thus obtained is shown in FIG. The electrode layer 2 has a large number of black voids and pores, and the density is relatively low. From the image processing data of FIG. 6, the density of the electrode layer 2 is estimated to be about 79%. Almost no black voids or vacancies are seen in the electrolyte layer 4, and the electrolyte layer 4 is very dense. From the image processing data of FIG. 6, it is estimated that the density of the electrolyte layer 4 is about 97% or more. On the other hand, since many small black spots are seen in the buffer layer 3, small voids and vacancies are present in the buffer layer 3, and the density of the buffer layer 3 is slightly reduced. From the image processing data of FIG. 6, it is estimated that the density of the buffer layer 3 is about 95%. That is, from the above results, it was confirmed that the density of the buffer layer 3 was larger than that of the electrode layer 2 and smaller than that of the electrolyte layer 4.
(試作品3:実施例)
緩衝層形成ステップでの焼成温度を950℃に変更し、その他は試作品1と同様のステップにて金属支持型電気化学素子Eを得た。得られたサンプルの電極層2の厚さは約13μmであり、緩衝層3の厚さは約7μmであり、電解質層4の厚さは約4μmであった。
(Prototype 3: Example)
The firing temperature in the buffer layer forming step was changed to 950 ° C., and the metal-supported electrochemical device E was obtained in the same steps as in Prototype 1. The thickness of the electrode layer 2 of the obtained sample was about 13 μm, the thickness of the buffer layer 3 was about 7 μm, and the thickness of the electrolyte layer 4 was about 4 μm.
緩衝層3まで積層した状態での金属基板1のHeリーク量は、0.2MPaの圧力下で26.5mL/分・cm2であった。また、電解質層4まで積層した状態での金属基板1のHeリーク量は、0.2MPaの圧力下で検出限界の1.0mL/分・cm2未満であった。試作品1と同様に、緩衝層3までを積層した状態でのHeリーク量に比べ、電解質層4までを積層した状態でのHeリーク量は大幅に小さくなり、検出限界を下回るものとなった。従って、形成された電解質層4は、緻密でガスバリア性能の高い、良質なものであることが確認された。 The amount of He leak of the metal substrate 1 in the state of being laminated up to the buffer layer 3 was 26.5 mL / min · cm 2 under a pressure of 0.2 MPa. The amount of He leak of the metal substrate 1 in the state of being laminated up to the electrolyte layer 4 was less than the detection limit of 1.0 mL / min · cm 2 under a pressure of 0.2 MPa. Similar to Prototype 1, the amount of He leak in the state where the electrolyte layer 4 was laminated was significantly smaller than the amount of He leak in the state where the buffer layer up to 3 was laminated, which was below the detection limit. .. Therefore, it was confirmed that the formed electrolyte layer 4 is dense, has high gas barrier performance, and is of good quality.
得られた金属支持型電気化学素子Eについて、電極層2に水素ガス、対極電極層6に空気を供給して固体酸化物型燃料電池セルとしての開回路電圧(OCV)を測定した。結果は、750℃で1.02Vであった。 Regarding the obtained metal-supported electrochemical element E, hydrogen gas was supplied to the electrode layer 2 and air was supplied to the counter electrode layer 6, and the open circuit voltage (OCV) of the solid oxide fuel cell was measured. The result was 1.02 V at 750 ° C.
電気化学素子および固体酸化物形燃料電池セルとして利用可能である。 It can be used as an electrochemical device and a solid oxide fuel cell.
1 :金属基板
1a :貫通孔
1b :金属酸化物層(拡散抑制層)
2 :電極層
3 :緩衝層
4 :電解質層
5 :反応防止層
6 :対極電極層
E :金属支持型電気化学素子
1: Metal substrate 1a: Through hole 1b: Metal oxide layer (diffusion suppression layer)
2: Electrode layer 3: Buffer layer 4: Electrolyte layer 5: Reaction prevention layer 6: Counter electrode electrode layer E: Metal-supported electrochemical element
Claims (14)
前記緩衝層の厚さが10μm以下である金属支持型電気化学素子。 A metal substrate as a support having a plurality of through holes extending from the front side to the back side, an electrode layer formed on the metal substrate, a buffer layer formed on the electrode layer, and a buffer layer on the buffer layer. The electrode layer is porous, the electrolyte layer is dense, the density of the buffer layer is larger than the density of the electrode layer, and the electrolyte layer is formed in the above. rather smaller than the density of the,
A metal-supported electrochemical device having a buffer layer having a thickness of 10 μm or less .
前記緩衝層の緻密度が前記電極層よりも大きく、かつ前記電解質層の緻密度よりも小さく、
前記電極層形成ステップと前記緩衝層形成ステップと前記電解質層形成ステップとが1100℃以下で行われる金属支持型電気化学素子の製造方法。 The method for manufacturing a metal-supported electrochemical element according to any one of claims 1 to 12 , wherein the electrode layer forming step of forming a porous electrode layer on a metal substrate as a support and the above-mentioned. It has a buffer layer forming step of forming a buffer layer on the electrode layer and an electrolyte layer forming step of forming a dense electrolyte layer on the buffer layer.
The density of the buffer layer is larger than that of the electrode layer and smaller than that of the electrolyte layer.
A method for manufacturing a metal-supported electrochemical element in which the electrode layer forming step, the buffer layer forming step, and the electrolyte layer forming step are performed at 1100 ° C. or lower.
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