JP6795359B2 - Electrolyte layer for electrochemical cell, and electrochemical cell containing it - Google Patents

Electrolyte layer for electrochemical cell, and electrochemical cell containing it Download PDF

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Description

本発明は、電気化学セル用電解質層、およびそれを含む電気化学セルに関する。 The present invention relates to an electrolyte layer for an electrochemical cell and an electrochemical cell containing the same.

近年、電気化学セルがクリーンエネルギー源として注目されている。電気化学セルのうち、電解質に固体のセラミックを使用している固体酸化物形燃料電池や固体酸化物形電解セルは、作動温度が高いため排熱を利用でき、さらに高効率で電力や水素燃料を得ることができる等の長所を有しており、幅広い分野での活用が期待されている。電気化学セルは、基本構造として、燃料極と空気極との間に電解質層が配置された構造を有する。 In recent years, electrochemical cells have been attracting attention as a clean energy source. Among the electrochemical cells, solid oxide fuel cells and solid oxide fuel cells that use solid ceramics as the electrolyte can utilize waste heat due to their high operating temperature, and are more efficient in power and hydrogen fuel. It has the advantage of being able to obtain fuel cells, and is expected to be used in a wide range of fields. As a basic structure, the electrochemical cell has a structure in which an electrolyte layer is arranged between a fuel electrode and an air electrode.

特許文献1には、経時的な酸素イオン伝導率の低下が抑制されているスカンジア安定化ジルコニア膜を製造することを目的として、かさ密度が0.9g/mL以上1.05g/mL以下のスカンジア安定化ジルコニア粉末と、かさ密度が1.05g/mL超1.4g/mL以下のスカンジア安定化ジルコニア粉末を混合した混合粉末を用いてスカンジア安定化ジルコニア膜を得る工程を含むスカンジア安定化ジルコニア膜を製造するための方法が記載されている。 Patent Document 1 describes Scandia having a bulk density of 0.9 g / mL or more and 1.05 g / mL or less for the purpose of producing a scandia-stabilized zirconia film in which a decrease in oxygen ion conductivity with time is suppressed. A scandia-stabilized zirconia film comprising a step of obtaining a scandia-stabilized zirconia film using a mixed powder obtained by mixing a stabilized zirconia powder and a scandia-stabilized zirconia powder having a bulk density of more than 1.05 g / mL and 1.4 g / mL or less. The method for manufacturing is described.

特許文献2には、焼結助剤を用いることなく低い焼成温度で得られる、緻密な固体酸化物燃料電池用電解質を製造することを目的として、平均粒子径が0.1μm以上1μm以下である第1粒子と平均粒子径が1nm以上20nm以下である第2粒子とを用いて製造された固体酸化物燃料電池用電解質が記載されている。
しかしながら、固体酸化物形燃料電池や固体電解質形電気化学セル等の電気化学セルの効率(出力)については、改善の余地があった。
Patent Document 2 has an average particle size of 0.1 μm or more and 1 μm or less for the purpose of producing a dense electrolyte for a solid oxide fuel cell which can be obtained at a low firing temperature without using a sintering aid. An electrolyte for a solid oxide fuel cell produced by using the first particle and the second particle having an average particle diameter of 1 nm or more and 20 nm or less is described.
However, there is room for improvement in the efficiency (output) of electrochemical cells such as solid oxide fuel cells and solid electrolyte electrochemical cells.

特開2016−69237号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-69237 特開2016−100080号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-100080

従って、本発明の課題は、電流−電圧特性に優れた電気化学セルを与える電解質層、およびそれを含む電気化学セルを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide an electrolyte layer that provides an electrochemical cell having excellent current-voltage characteristics, and an electrochemical cell that includes the electrolyte layer.

本発明者は、電気化学セル用の電解質層について、電解質層の粒子の個数基準の粒子径分布をコントロールすることにより、電流−電圧特性に優れた電気化学セルを与える電解質層、およびそれを含む電気化学セルを製造できることを見出し、本発明を完成するに至った。 The present inventor includes an electrolyte layer for an electrochemical cell, and an electrolyte layer that provides an electrochemical cell having excellent current-voltage characteristics by controlling the particle size distribution based on the number of particles in the electrolyte layer. We have found that an electrochemical cell can be manufactured, and have completed the present invention.

すなわち、本発明の電気化学セル用電解質層は、ジルコニア系酸化物を主成分として含む、電気化学セル用電解質層であって、上記電解質層の断面において、走査型電子顕微鏡によって観察される粒子の個数基準の粒子径分布において、2つ以上のピークを有することを特徴とする。 That is, the electrolyte layer for an electrochemical cell of the present invention is an electrolyte layer for an electrochemical cell containing a zirconia oxide as a main component, and the particles observed by a scanning electron microscope in the cross section of the electrolyte layer. It is characterized by having two or more peaks in a number-based particle size distribution.

また、本発明の電気化学セルは、燃料極、上記電気化学セル用電解質層、空気極をこの順に配置してなる。 Further, in the electrochemical cell of the present invention, the fuel electrode, the electrolyte layer for the electrochemical cell, and the air electrode are arranged in this order.

本発明によれば、電流−電圧特性に優れた電気化学セルを与える電解質層、およびそれを含む電気化学セルを提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide an electrolyte layer that provides an electrochemical cell having excellent current-voltage characteristics, and an electrochemical cell that includes the electrolyte layer.

実施例の電気化学セルにおける、電解質層の断面の走査型電子顕微鏡によって観察された粒子の個数基準の粒子径分布を示すグラフである。It is a graph which shows the particle diameter distribution based on the number of particles observed by the scanning electron microscope of the cross section of the electrolyte layer in the electrochemical cell of an Example.

1.電気化学セル
本発明の電気化学セルは、燃料極、電解質層、空気極をこの順に配置してなる電気化学セルである。上記電解質層と上記空気極との間には、バリア層が配置されていてもよい。本発明の電気化学セルとしては、例えば固体酸化物形燃料電池や固体電解質形電解セルが挙げられ、固体酸化物形燃料電池が好ましい形態である。上記電気化学セルは、燃料極を支持体とする燃料極支持型セル、電解質層を支持体とする固体電解質支持型セル、空気極を支持体とする空気極支持型セルであってもよい。また、上記電気化学セル用単セルは、金属隔壁から構成され複数の貫通孔を備えた支持基板上に、燃料極と上記電解質層と空気極とが、この順に配置されたメタルサポートセルであってもよいし、あるいは燃料極と、上記電解質層とバリア層と空気極とが、この順に配置されたメタルサポートであっても良い。
1. 1. Electrochemical cell The electrochemical cell of the present invention is an electrochemical cell in which a fuel electrode, an electrolyte layer, and an air electrode are arranged in this order. A barrier layer may be arranged between the electrolyte layer and the air electrode. Examples of the electrochemical cell of the present invention include a solid oxide fuel cell and a solid electrolyte electrolytic cell, and a solid oxide fuel cell is a preferable form. The electrochemical cell may be a fuel electrode support cell having a fuel electrode as a support, a solid electrolyte support cell having an electrolyte layer as a support, or an air electrode support cell having an air electrode as a support. Further, the single cell for an electrochemical cell is a metal support cell in which a fuel electrode, an electrolyte layer, and an air electrode are arranged in this order on a support substrate composed of a metal partition wall and having a plurality of through holes. Alternatively, the fuel electrode, the electrolyte layer, the barrier layer, and the air electrode may be metal supports arranged in this order.

本発明の電気化学セルは、固体酸化物形燃料電池として用いた場合には、好ましくは、燃料極における過電圧が低く、固体酸化物形燃料電池の出力を高めることができる。また、本発明の電気化学セルは、固体電解質形電解セルとして用いた場合には、好ましくは、低消費電力で高効率の電気分解反応を進めることができる。 When the electrochemical cell of the present invention is used as a solid oxide fuel cell, the overvoltage at the fuel electrode is preferably low, and the output of the solid oxide fuel cell can be increased. Further, when the electrochemical cell of the present invention is used as a solid electrolyte type electrolytic cell, it is possible to proceed with a highly efficient electrolysis reaction with low power consumption.

1−1 電解質層
本発明の電気化学セル用電解質層を構成する電解質としては、ジルコニア系酸化物を主成分として含んでいればよく、特に限定されず公知のものが使用できる。本明細書においては、ジルコニア系酸化物を主成分として含むとは、電解質100質量%中、ジルコニア系酸化物を例えば50質量%以上、好ましくは60質量%以上含んでいることを指す。
1-1 Electrolyte layer As the electrolyte constituting the electrolyte layer for an electrochemical cell of the present invention, a zirconia-based oxide may be contained as a main component, and known ones can be used without particular limitation. In the present specification, the term "containing zirconia-based oxide as a main component" means that, for example, 50% by mass or more, preferably 60% by mass or more, of zirconia-based oxide is contained in 100% by mass of the electrolyte.

本発明の電気化学セル用電解質層を構成するジルコニア系酸化物としては、例えば、Mg、Ca、Sr、Baなどのアルカリ土類金属元素、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Ybなどの希土類元素、Inなどのその他の金属元素などを1種または2種以上含有するジルコニア、好ましくはこれらの元素の1種または2種以上を安定化剤として固溶している安定化ジルコニア;さらには、上記ジルコニア(好ましくは安定化ジルコニア)に、Al、TiO、Ta、Nbなどが分散強化剤として添加されたジルコニア;などを例示することができる。 Examples of the zirconia-based oxide constituting the electrolyte layer for an electrochemical cell of the present invention include alkaline earth metal elements such as Mg, Ca, Sr, and Ba, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, and Sm. Zirconia containing one or more rare earth elements such as Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, and other metal elements such as In, preferably one or more of these elements. Stabilized zirconia that is solid-dissolved as a stabilizer; Furthermore, Al 2 O 3 , TiO 2 , Ta 2 O 3 , Nb 2 O 5 and the like are added to the above zirconia (preferably stabilized zirconia) as dispersion strengthening agents. Examples include added zirconia; and the like.

上記電解質層は、他の酸化物イオン伝導性材料を含んでいてもよく、例えば、イットリウム、サマリウム、ガドリニウム、イッテルビウム等を含有するセリア、好ましくはこれらの元素の1種または2種以上が固溶しているドープドセリア;ランタンガレート、およびランタンガレートのランタンまたはガリウムの一部がストロンチウム、カルシウム、バリウム、マグネシウム、アルミニウム、インジウム、コバルト、鉄、ニッケル、銅等で置換されたランタンガレート型ペロブスカイト構造酸化物;などを例示することができる。 The electrolyte layer may contain other oxide ion conductive materials, for example, ceria containing yttrium, samarium, gadolinium, ytterbium, etc., preferably one or more of these elements. Dopeed ceria; lanthanum gallate, and lanthanum gallate-type perovskite structural oxide in which a part of lanthanum or gallium of lanthanum gallate is replaced with strontium, calcium, barium, magnesium, aluminum, indium, cobalt, iron, nickel, copper, etc. ; Etc. can be exemplified.

ジルコニア系酸化物としては、より高度な熱的特性、機械的特性、化学的特性および酸化物イオン伝導特性を有する安定化ジルコニアとして、スカンジウム、イットリウム、セリウム、およびイッテルビウムから選択される少なくとも1種の元素で安定化されたものがより好ましい。また、結晶構造として正方晶または立方晶を含む(部分)安定化ジルコニアが好ましい。 As the zirconia-based oxide, at least one selected from scandium, yttrium, cerium, and ytterbium as stabilized zirconia having higher thermal properties, mechanical properties, chemical properties, and oxide ion conduction properties. Elementally stabilized ones are more preferred. Further, (partially) stabilized zirconia containing a tetragonal crystal or a cubic crystal as a crystal structure is preferable.

ジルコニア系酸化物の中でも、イットリウム、スカンジウム、イッテルビウム等の希土類元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素(安定化元素ともいう)が固溶することにより結晶構造が安定化している安定化ジルコニアが好ましい。
中でも、イットリウム、スカンジウムおよびイッテルビウムからなる群から選択される少なくとも1種の元素を固溶する安定化ジルコニアが好ましい。
より好ましい形態としては、安定化ジルコニアを構成するジルコニウムの原子数100モル%に対し、スカンジウムを原子数換算で7.0〜27.5モル%の割合で含有するジルコニア(スカンジア安定化ジルコニア)、原子数換算でスカンジウムを17.0〜25.0モル%、セリウムを0.5〜2.5モル%の割合で含有するジルコニア(スカンジア、セリア安定化ジルコニア)、イットリウムを原子数換算で6.0〜22.5モル%の割合で含有するジルコニア(イットリア安定化ジルコニア)、又はイッテルビウムを原子数換算で6.0〜35.5モル%の割合で含有するジルコニア(イッテルビア安定化ジルコニア)が挙げられる。
Among zirconia oxides, stabilized zirconia whose crystal structure is stabilized by solid dissolution of at least one element (also called stabilizing element) selected from the group consisting of rare earth elements such as yttrium, scandium, and ytterbium. Is preferable.
Of these, stabilized zirconia in which at least one element selected from the group consisting of yttrium, scandium and ytterbium is dissolved is preferable.
As a more preferable form, zirconia (scandia-stabilized zirconia) containing scandium at a ratio of 7.0 to 27.5 mol% in terms of the number of atoms with respect to 100 mol% of the zirconium constituting the stabilized zirconia. 6. Zirconia (scandia, yttria-stabilized zirconia) containing 17.0 to 25.0 mol% of scandium and 0.5 to 2.5 mol% of cerium in terms of atomic number, and yttria in terms of atomic number. Zirconia containing 0 to 22.5 mol% (yttria-stabilized zirconia) or zirconia containing itterbium at a ratio of 6.0 to 35.5 mol% (yttria-stabilized zirconia) can be mentioned. Be done.

さらに好ましい形態としては、安定化ジルコニアを構成するジルコニウムの原子数100モル%に対し、スカンジウムを原子数換算で13.0〜25.0モル%の割合で含有するジルコニア、原子数換算でスカンジウムを16.0〜22.0モル%、セリウムを0.5〜2.0モル%の割合で含有するジルコニア(スカンジア、セリア安定化ジルコニア)、イットリウムを原子数換算で12.0〜28.0モル%の割合で含有するジルコニア、イッテルビウムを原子数換算で12.0〜28.0モル%の割合で含有するジルコニアが好ましい。
特に安定化ジルコニアを構成するジルコニウムの原子数100モル%に対し、イッテルビウムを原子数換算で12.0〜28モル%の割合で含有するジルコニアが好ましい。
上記電解質層は、ジルコニア(好ましくは安定化ジルコニア)を50質量%以上含んでいることが好ましく、80質量%以上含んでいることがより好ましく、85質量%以上含んでいることが一層好ましく、90質量%以上含んでいることが特に好ましい。
As a more preferable form, zirconia containing scandium at a ratio of 13.0 to 25.0 mol% in terms of atomic number with respect to 100 mol% of zirconium constituting stabilized zirconia, and scandium in terms of atomic number are used. Zirconia (scandium, ceria-stabilized zirconia) containing 16.0 to 22.0 mol% and cerium in a proportion of 0.5 to 2.0 mol%, yttrium 12.0 to 28.0 mol in terms of atomic number Zirconia and yttrium containing% are preferable, and zirconia containing 12.0 to 28.0 mol% in terms of atomic number is preferable.
In particular, zirconia containing ytterbium at a ratio of 12.0 to 28 mol% in terms of atomic number is preferable with respect to 100 mol% of zirconium constituting stabilized zirconia.
The electrolyte layer preferably contains zirconia (preferably stabilized zirconia) in an amount of 50% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, and further preferably 85% by mass or more, 90% by mass. It is particularly preferable that the content is mass% or more.

上記電解質層の膜厚は、例えば1〜1000μm、好ましくは1〜500μm、より好ましくは1〜300μmである。電極支持型セルまたは金属支持型セルに使用する場合には、1〜50μmが好ましく、1μm以上30μm未満がより好ましく、1〜20μmがさらに好ましい。膜厚を薄くすることにより、酸化物イオン伝導性を向上できる。 The film thickness of the electrolyte layer is, for example, 1 to 1000 μm, preferably 1 to 500 μm, and more preferably 1 to 300 μm. When used for an electrode-supported cell or a metal-supported cell, 1 to 50 μm is preferable, 1 μm or more and less than 30 μm is more preferable, and 1 to 20 μm is further preferable. Oxide ion conductivity can be improved by reducing the film thickness.

本発明の電気化学セル用電解質層では、上記電解質層の断面の走査型電子顕微鏡によって観察される粒子の個数基準の粒子径分布において、2つ以上のピークを有する。上記粒子径分布において、3つ以上のピークを有することが好ましい。 The electrolyte layer for an electrochemical cell of the present invention has two or more peaks in the particle size distribution based on the number of particles observed by a scanning electron microscope in the cross section of the electrolyte layer. It is preferable to have three or more peaks in the particle size distribution.

2つ以上のピークの位置は、全てが粒子径1.0μm以上の範囲にあることが好ましく、全てが粒子径1.1μm以上の範囲にあることがより好ましい。言い換えれば、ピーク位置の粒径が小さい順からピーク1、ピーク2、・・・ピークn(n:2以上)とした場合、ピーク1の位置が粒子径1.0μm以上の範囲にあることが好ましく、1.1μm以上の範囲にあることがより好ましい。
なお、上記ピークの位置とはピークの極大値の粒子径を意味する。
The positions of the two or more peaks are preferably in the range of 1.0 μm or more in particle size, and more preferably in the range of 1.1 μm or more in particle size. In other words, when peak 1, peak 2, ... Peak n (n: 2 or more) is set in ascending order of particle size at the peak position, the position of peak 1 may be in the range of particle diameter of 1.0 μm or more. It is preferably in the range of 1.1 μm or more, more preferably.
The position of the peak means the particle diameter of the maximum value of the peak.

また、ピーク1の位置(粒径)とピーク2の位置(粒径)との差(ピーク間隔ともいう)が0.50μm以上であることが好ましく、0.70μm以上であることがより好ましい。一方、上記ピーク間隔は1.80μm以下であることが好ましく、1.50μm以下であることがより好ましい。存在する全てのピークの位置について、隣接するピークのピーク間隔が上記の範囲であることが好ましい。特に全てのピークの位置について隣接するピークのピーク間隔が0.25〜1.5μmの範囲で観測されることが好ましい。
上記の範囲にすることにより、核となる粒子の隙間を埋めるように粒子が配置されるので粒界抵抗が減少し、酸化物イオンの伝導が良くなり、性能が向上すると考えられる。
Further, the difference (also referred to as peak interval) between the position (particle size) of the peak 1 and the position (particle size) of the peak 2 is preferably 0.50 μm or more, and more preferably 0.70 μm or more. On the other hand, the peak interval is preferably 1.80 μm or less, and more preferably 1.50 μm or less. For the positions of all existing peaks, the peak spacing of adjacent peaks is preferably in the above range. In particular, it is preferable that the peak intervals of adjacent peaks are observed in the range of 0.25 to 1.5 μm for all peak positions.
Within the above range, the particles are arranged so as to fill the gaps between the core particles, so that the grain boundary resistance is reduced, the conduction of oxide ions is improved, and the performance is improved.

上記電解質層の断面の粒子の走査型電子顕微鏡による観察は、2次電子像で観察することが好ましい。2次電子像であれば、反射電子像よりも、取得できる画像が鮮明になるので、1つ1つの粒子を判別しやすくなる。ただし、粒子が判別できるのであれば、2次電子像ではなく、反射電子像であっても構わない。
粒子径の測定に当たっては、還元状態(燃料極中の導電成分が還元されている状態)の電気化学セルを評価して、粒子径を測定することが好ましい。還元状態であれば、電気化学セルとして、稼働している状態に近い状態のものを測定することができるからである。しかし、燃料極に用いられる導電成分とは異なり、ジルコニア系酸化物は酸化・還元により、粒子径等が変わりにくいこと、高温で還元処理を施さなくても観察できることから、酸化状態のものを測定しても構わない。
電解質層中の粒子については、電解質層全領域の代表として、取得した画像の100個以上の粒子について測定することが好ましく、200個以上測定することがより好ましい。数が多ければ多いほど好ましいと言えるが、それだけ時間を要するため、500個を測定すれば十分である。
粒子径の粒度分布におけるピーク数を求めるにあって、階級と階級間隔については、データの最大値:Pmax、最小値:Pminの差:ΔP=Pmax−Pminを求め、ΔPを20に近い数で割りその値を参考に決めれば良い(応用統計ハンドブック、応用統計ハンドブック委員会編:養賢堂、p12〜を参照)。
Observation of particles in the cross section of the electrolyte layer with a scanning electron microscope is preferably carried out with a secondary electron image. If it is a secondary electron image, the image that can be acquired becomes clearer than that of the backscattered electron image, so that it becomes easier to distinguish each particle. However, as long as the particles can be discriminated, a backscattered electron image may be used instead of the secondary electron image.
In measuring the particle size, it is preferable to evaluate the electrochemical cell in the reduced state (the state in which the conductive component in the fuel electrode is reduced) to measure the particle size. This is because if it is in the reduced state, it is possible to measure an electrochemical cell in a state close to the operating state. However, unlike the conductive component used for the fuel electrode, zirconia-based oxides are difficult to change in particle size due to oxidation and reduction, and can be observed at high temperatures without reduction treatment. It doesn't matter.
As for the particles in the electrolyte layer, as a representative of the entire region of the electrolyte layer, it is preferable to measure 100 or more particles of the acquired image, and more preferably 200 or more particles. It can be said that the larger the number, the more preferable, but since it takes time, it is sufficient to measure 500 pieces.
In finding the number of peaks in the particle size distribution of the particle size, for the class and class interval, find the difference between the maximum value: Pmax and the minimum value: Pmin: ΔP = Pmax-Pmin, and set ΔP to a number close to 20. You can decide by referring to the value (see Applied Statistics Handbook, Applied Statistics Handbook Committee: Yokendo, p12-).

また、上記粒子径分布において、観測されるピークのうち、もっとも頻度の大きいピークを第1ピーク、頻度が2番目に大きいピークを第2ピーク、頻度が3番目に大きいピークを第3ピークとした場合、(第2ピークの頻度/第1ピークの頻度)で表される値が20%以上50%以下であることが好ましく、25%以上40%以下であることがより好ましい。上記粒子径分布において、3つ以上のピークを有する場合は、(第3ピークの頻度/第1ピークの頻度)で表される値が8%以上25%以下であることが好ましく、10%以上20%以下であることがより好ましい。
また、ピーク1が第1ピークであることが好ましく、さらにピーク2が第2ピークであることがより好ましい。ピークが3つ以上観測される場合、ピーク1が第1ピークであり、ピーク2が第2ピークであり、ピーク3が第3ピークであることが好ましい。
In the particle size distribution, among the observed peaks, the peak with the highest frequency was designated as the first peak, the peak with the second highest frequency was designated as the second peak, and the peak with the third highest frequency was designated as the third peak. In this case, the value represented by (frequency of second peak / frequency of first peak) is preferably 20% or more and 50% or less, and more preferably 25% or more and 40% or less. When the particle size distribution has three or more peaks, the value represented by (frequency of third peak / frequency of first peak) is preferably 8% or more and 25% or less, and 10% or more. More preferably, it is 20% or less.
Further, it is preferable that the peak 1 is the first peak, and it is more preferable that the peak 2 is the second peak. When three or more peaks are observed, it is preferable that peak 1 is the first peak, peak 2 is the second peak, and peak 3 is the third peak.

上記電解質層の断面の走査型電子顕微鏡によって観察される粒子は、ジルコニア系酸化物からなる粒子であることが好ましく、ジルコニア系酸化物からなる粒子が前記規定を満足することが好ましい。前記した好ましい態様はジルコニア系酸化物からなる粒子についても適用できる。 The particles observed by the scanning electron microscope in the cross section of the electrolyte layer are preferably particles made of zirconia-based oxide, and the particles made of zirconia-based oxide preferably satisfy the above-mentioned regulations. The preferred embodiment described above can also be applied to particles made of zirconia-based oxides.

電解質層を構成する粒子の粒度分布のピークについて、上記のように制御することにより、核となる粒子の隙間を埋めるように粒子が配置されるので粒界抵抗が減少し、酸化物イオンの伝導が良くなり、性能が向上すると考えられる。上記電解質層中の粒子はジルコニア系酸化物からなる粒子であることが好ましく、この場合には、電解質層中のジルコニア系酸化物の粒度分布のピークについて、上記のように制御することにより、核となる粒子の隙間を埋めるように粒子が配置されるので粒界抵抗が減少し、酸化物イオンの伝導が良くなり、性能が向上すると考えられる。 By controlling the peak of the particle size distribution of the particles constituting the electrolyte layer as described above, the particles are arranged so as to fill the gaps between the core particles, so that the grain boundary resistance is reduced and the conduction of oxide ions is reduced. It is thought that the performance will improve and the performance will improve. The particles in the electrolyte layer are preferably particles made of a zirconia-based oxide. In this case, the peak of the particle size distribution of the zirconia-based oxide in the electrolyte layer is controlled as described above to obtain a nucleus. Since the particles are arranged so as to fill the gaps between the particles, it is considered that the intergranular resistance is reduced, the conduction of oxide ions is improved, and the performance is improved.

電解質層中の粒子の粒度分布のピークについて、2つ以上とするためには、原料となる電解質粉末の粒子径分布を制御する方法、電解質層を形成するために行う焼成条件(たとえば焼成する際の昇降温の速度、焼成温度及び焼成時間、並びにこれらの組み合わせ)をコントロールする方法を挙げることができる。例えば、上記範囲になるように原料粉末の大きさを調整しても良いし、あるいは、焼成時の昇降温の速度と、焼成温度や焼成時間をコントロールしても良く、あるいは、これらを組み合わせても良い。また別の方法としては、電解質層を形成するために行う焼成の温度と同程度の温度で、原料粉末を仮焼した粉末を用意し、これのみを用いて電解質層を形成したり、原料粉末と仮焼粉末を混合して電解質層を形成しても良く、この方法に、電解質層を形成する際の焼成条件(たとえば焼成する際の昇降温の速度、焼成温度及び焼成時間、並びにこれらの組み合わせ)をコントロールする方法を組み合わせても良い。 In order to have two or more peaks of particle size distribution in the electrolyte layer, a method of controlling the particle size distribution of the electrolyte powder as a raw material and firing conditions performed to form the electrolyte layer (for example, when firing). A method of controlling the rate of ascending / descending temperature, firing temperature and firing time, and a combination thereof) can be mentioned. For example, the size of the raw material powder may be adjusted so as to fall within the above range, or the rate of elevating temperature during firing may be controlled, and the firing temperature and firing time may be controlled, or a combination thereof may be used. Is also good. As another method, a powder obtained by calcining the raw material powder at a temperature similar to the firing temperature for forming the electrolyte layer is prepared, and the electrolyte layer is formed by using only this powder, or the raw material powder. And calcined powder may be mixed to form an electrolyte layer, and in this method, the firing conditions for forming the electrolyte layer (for example, the rate of ascending / descending temperature at the time of firing, the firing temperature and the firing time, and these) The method of controlling the combination) may be combined.

さらに、上記電解質層の断面において、走査型電子顕微鏡によって観察される粒子の個数基準の平均粒子径D50は、電解質層の厚みTに対し、下記式(1)
D50×1.30≦T≦D50×25 (1)
を満足することが好ましく、下記式(2)
D50×1.50≦T≦D50×15 (2)
を満足することがより好ましく、下記式(3)
D50×1.80≦T≦D50×10 (3)
を満足することがさらに好ましく、下記式(4)
D50×2.30≦T≦D50×3 (4)
を満足することが特に好ましい。
上記電解質層の断面において、走査型電子顕微鏡によって観察される粒子は、ジルコニア系酸化物からなる粒子であることが好ましい。
Further, in the cross section of the electrolyte layer, the average particle diameter D50 based on the number of particles observed by the scanning electron microscope is the following formula (1) with respect to the thickness T of the electrolyte layer.
D50 × 1.30 ≦ T ≦ D50 × 25 (1)
Is preferably satisfied, and the following equation (2)
D50 × 1.50 ≦ T ≦ D50 × 15 (2)
Is more preferable, and the following equation (3)
D50 × 1.80 ≦ T ≦ D50 × 10 (3)
It is more preferable to satisfy the following equation (4).
D50 × 2.30 ≦ T ≦ D50 × 3 (4)
Is particularly preferable.
In the cross section of the electrolyte layer, the particles observed by the scanning electron microscope are preferably particles made of a zirconia-based oxide.

また、上記電解質層の断面において、走査型電子顕微鏡によって観察される粒子の粒子径の標準偏差を平均値(平均粒子径D50)で割った変動係数は20%以上であることが好ましく、30%以上であることがより好ましく、40%以上であることがさらに好ましい。該変動係数の上限は特に限定されないが、80%以下であることが好ましく、60%以下がより好ましく、50%以下が特に好ましい。 Further, in the cross section of the electrolyte layer, the coefficient of variation obtained by dividing the standard deviation of the particle size of the particles observed by the scanning electron microscope by the average value (average particle size D50) is preferably 20% or more, preferably 30%. More preferably, it is more preferably 40% or more. The upper limit of the coefficient of variation is not particularly limited, but is preferably 80% or less, more preferably 60% or less, and particularly preferably 50% or less.

上記電解質層の断面の粒子の走査型電子顕微鏡による観察は、上記電解質層の平面の中央部付近の断面で行うことが好ましく、厚み方向においては、全ての粒子の粒子径を観察することが好ましい。上記中央部付近の断面における観察は、厚み方向において全ての粒子の粒子径を観察した場合に、観察される粒子数が好ましくは80個以上、より好ましくは100個以上になるように複数の場所で行うことが好ましい。 The observation of the particles in the cross section of the electrolyte layer with a scanning electron microscope is preferably performed in the cross section near the center of the plane of the electrolyte layer, and in the thickness direction, it is preferable to observe the particle diameters of all the particles. .. In the observation in the cross section near the central portion, when observing the particle diameters of all the particles in the thickness direction, the number of observed particles is preferably 80 or more, more preferably 100 or more at a plurality of places. It is preferable to carry out with.

1−2 燃料極
上記燃料極は、ニッケル、コバルト、銅、鉄、ルテニウム等の、電気化学セルで燃料極触媒活性を有する金属やその前駆体である金属酸化物のうち1種類以上を含む層であれば、特に制限はされない。燃料極触媒活性を有する金属の前駆体である金属酸化物は、電気化学セルの運転雰囲気下では還元されて、該層は燃料極触媒活性を有する金属が含まれる層となる。燃料極は、さらに、上記ジルコニア系酸化物(好ましくは安定化ジルコニア)、セリア(好ましくはドープドセリア)、安定化ビスマスやランタンガレートなどの酸化物イオン伝導性金属酸化物や酸化物イオンと電子との混合伝導性金属酸化物のうち1種類以上が混合された層であることが好ましい。
1-2 Fuel electrode The fuel electrode is a layer containing at least one of nickel, cobalt, copper, iron, ruthenium, and other metals having fuel electrode catalytic activity in electrochemical cells and metal oxides that are precursors thereof. If so, there are no particular restrictions. The metal oxide, which is a precursor of the metal having fuel electrode catalytic activity, is reduced under the operating atmosphere of the electrochemical cell, and the layer becomes a layer containing the metal having fuel electrode catalytic activity. The fuel electrode further comprises the above-mentioned zirconia-based oxide (preferably stabilized zirconia), ceria (preferably doped ceria), oxide ion conductive metal oxides such as stabilized bismuth and lanthanum gallate, and oxide ions and electrons. It is preferable that the layer is a mixture of one or more of the mixed conductive metal oxides.

燃料極としては、NiまたはNiOとジルコニアとが混合された層;または、NiまたはNiOとセリアとが混合された層がより好ましい。NiまたはNiOと酸化物(ジルコニアまたはセリア)との体積比は、NiまたはNiOについてはNiO換算でNiO/酸化物=40/60〜70/30が好ましい。これらの体積比は、NiOと各酸化物のバルクの比重から重量比に換算できる。燃料極は、直接に接している電解質層と共通する化合物を含んでいることが好ましい。
燃料極は、燃料ガス透過性が高いという観点から、運転時の条件において気孔を有する層であることが好ましい。膜厚は3〜30μmが好ましく、4〜25μmがより好ましい。
As the fuel electrode, a layer in which Ni or NiO and zirconia are mixed; or a layer in which Ni or NiO and ceria are mixed is more preferable. The volume ratio of Ni or NiO to the oxide (zirconia or ceria) is preferably NiO / oxide = 40/60 to 70/30 in terms of NiO for Ni or NiO. These volume ratios can be converted into weight ratios from the specific gravity of the bulk of NiO and each oxide. The fuel electrode preferably contains a compound common to the electrolyte layer in direct contact.
The fuel electrode is preferably a layer having pores under operating conditions from the viewpoint of high fuel gas permeability. The film thickness is preferably 3 to 30 μm, more preferably 4 to 25 μm.

1−3 空気極
上記空気極は、電気化学セルの反応時に空気極触媒活性を有する金属酸化物を含む層であれば、特に制限されない。空気極触媒活性を有する金属酸化物としては、La、Pr、Sm、Sr、Ba、Co、Fe、Mn、Ni等のうちの少なくとも1種を含有する各種の複合酸化物(例えば、ストロンチウムを固溶したランタンマンガナイト、ランタンフェライト、ランタンコバルトフェライトやランタンコバルタイト、ランタンストロンチウムコバルタイト等)が挙げられる。空気極は、さらに、上記安定化ジルコニア、ドープドセリア、安定化ビスマスやランタンガレートなどの酸化物イオン伝導性金属酸化物や酸化物イオンと電子との混合伝導性金属酸化物のうち1種類以上が混合された層であることが好ましい。
1-3 Air electrode The air electrode is not particularly limited as long as it is a layer containing a metal oxide having an air electrode catalytic activity during the reaction of the electrochemical cell. As the metal oxide having air electrode catalytic activity, various composite oxides (for example, strontium) containing at least one of La, Pr, Sm, Sr, Ba, Co, Fe, Mn, Ni and the like are solidified. Melted lanthanum manganate, lanthanum ferrite, lantern cobalt ferrite, lantern cobaltite, lantern strontium cobaltite, etc.) can be mentioned. The air electrode is further mixed with one or more of the above-mentioned stabilized zirconia, doped ceria, oxide ion conductive metal oxides such as stabilized bismuth and lanthanum gallate, and mixed conductive metal oxides of oxide ions and electrons. It is preferable that the layer is formed.

上記空気極の膜厚は5〜100μmが好ましく、10〜40μmがより好ましい。また、上記空気極は、上記電解質層または好ましくは備えていてもよいバリア層側に設けられた平均粒子径が0.01μm以上1μm以下の原料粒子から調製された層と、該層上の、上記電解質層または好ましくは備えていてもよいバリア層が設けられている表面と反対側に設けられた平均粒子径が1μm超10μm以下の原料粒子から調製された層と、からなっていてもよい。 The film thickness of the air electrode is preferably 5 to 100 μm, more preferably 10 to 40 μm. Further, the air electrode is a layer prepared from raw material particles having an average particle diameter of 0.01 μm or more and 1 μm or less provided on the side of the electrolyte layer or the barrier layer which may be preferably provided, and on the layer. It may consist of a layer prepared from raw material particles having an average particle diameter of more than 1 μm and 10 μm or less provided on the side opposite to the surface on which the electrolyte layer or a barrier layer which may be preferably provided is provided. ..

1−4 バリア層
本発明の電気化学セルは、電気化学セルの作製時や反応時に、空気極と電解質層とが直接接していることで絶縁物質を作りやすく、この絶縁物質の生成を抑制することを目的として、バリア層を備えていてもよい。上記バリア層は、上記電解質層と上記燃料極ならびに上記空気極の少なくとも一方との間に配置されることが好ましく、より好ましくは、上記電解質層と上記空気極との間に配置される。絶縁層の生成が十分に抑制されている場合には無くても構わない。
1-4 Barrier layer The electrochemical cell of the present invention facilitates the formation of an insulating substance due to the direct contact between the air electrode and the electrolyte layer during the fabrication or reaction of the electrochemical cell, and suppresses the formation of this insulating substance. A barrier layer may be provided for the purpose of this. The barrier layer is preferably arranged between the electrolyte layer and at least one of the fuel electrode and the air electrode, and more preferably arranged between the electrolyte layer and the air electrode. It may not be necessary if the formation of the insulating layer is sufficiently suppressed.

上記バリア層を構成する成分としては特に制限はされないが、酸化物イオン伝導性材料であり、電気化学セルの作製時や反応時にバリア層と空気極あるいは、電解質層との間で酸素イオン伝導性を阻害する成分を生成しにくい成分であることが好ましい。
上記バリア層を構成する成分としては特に制限はされないが、Sc、Y、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Ybなどの希土類元素を含有するセリアを主成分として含むことが好ましく、該セリアがこれらの元素と固溶体を構成していることがより好ましい。上記希土類元素は1種または2種以上含まれていてもよい。該セリアを主成分として含むとは、バリア層100質量%中、該セリアを50質量%以上含むことを意味し、好ましくは60質量%以上含み、70質量%以上含んでいることがさらに好ましい。また、バリア層において、希土類元素/Ceのモル比が0.01〜0.40であることが好ましく、0.05〜0.30であることがより好ましい。
The components constituting the barrier layer are not particularly limited, but are oxide ion conductive materials, and have oxygen ion conductivity between the barrier layer and the air electrode or the electrolyte layer during the production of an electrochemical cell or during a reaction. It is preferable that the component does not easily generate a component that inhibits.
The components constituting the barrier layer are not particularly limited, but mainly ceria containing rare earth elements such as Sc, Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, and Yb. It is preferably contained as a component, and more preferably the ceria constitutes a solid solution with these elements. The rare earth element may be contained alone or in combination of two or more. The term "containing the ceria as a main component" means that the barrier layer contains 50% by mass or more of the ceria in 100% by mass, preferably 60% by mass or more, and more preferably 70% by mass or more. Further, in the barrier layer, the molar ratio of rare earth element / Ce is preferably 0.01 to 0.40, and more preferably 0.05 to 0.30.

上記希土類元素としては、Y、Gd、Sm、Ybがより好ましく、Gd、Smがさらに好ましい。また、Gd、Smに加えて、2種目の希土類元素としてYbが含まれていることが特に好ましい。 As the rare earth element, Y, Gd, Sm and Yb are more preferable, and Gd and Sm are further preferable. Further, it is particularly preferable that Yb is contained as the second rare earth element in addition to Gd and Sm.

上記バリア層は、上記希土類元素を、セリウム元素100モル%に対して、合計で、5〜50モル%含んでいることが好ましく、7〜40モル%含んでいることがより好ましく、8〜35モル%含んでいることがさらに好ましい。 The barrier layer preferably contains the rare earth element in a total amount of 5 to 50 mol%, more preferably 7 to 40 mol%, and more preferably 8 to 35, based on 100 mol% of the cerium element. It is more preferable to contain mol%.

バリア層の厚みは特に限定されないが、例えば0.2〜20μmであることが好ましい。 The thickness of the barrier layer is not particularly limited, but is preferably 0.2 to 20 μm, for example.

1−5 支持体
本発明の好ましくは支持体を有する電気化学セルとしては、燃料極を支持体とする形態(燃料極支持型セル)、電解質層を支持体とする形態(固体電解質支持型セル)、空気極を支持体とする形態(空気極支持型セル)、あるいは金属隔壁から構成され複数の貫通孔を備えた支持基板を支持体とする形態(メタルサポートセル)、セラミックス材料を基材として導電物質を混合、または、修飾したものを支持体とする形態、等があげられる。
中でも好ましい支持体の形態としては、燃料極支持基板が挙げられ、一般的に、安定化ジルコニアと導電性成分とを含むものが好ましく使用できる。燃料極支持基板における安定化ジルコニアと導電性成分の割合は適宜調整すればよいが、例えば、安定化ジルコニアと導電性成分の合計に対する導電性成分の質量割合で40質量%以上80質量%以下程度とすることができる。
1-5 Support The electrochemical cell having a support of the present invention preferably has a fuel electrode as a support (fuel electrode support cell) and an electrolyte layer as a support (solid electrolyte support cell). ), A form in which an air electrode is used as a support (air electrode support type cell), a form in which a support substrate composed of a metal partition wall and having a plurality of through holes is used as a support (metal support cell), and a ceramic material as a base material. Examples thereof include a form in which a conductive substance is mixed or modified to serve as a support.
Among them, a preferred form of the support includes a fuel electrode support substrate, and in general, one containing stabilized zirconia and a conductive component can be preferably used. The ratio of the stabilized zirconia and the conductive component in the fuel electrode support substrate may be appropriately adjusted. For example, the mass ratio of the conductive component to the total of the stabilized zirconia and the conductive component is about 40% by mass or more and 80% by mass or less. Can be.

燃料極支持基板を構成する安定化ジルコニアとしては、イットリウム、スカンジウム、イッテルビウム、カルシウム、マグネシウムおよびランタンからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素(安定化元素ともいう)が固溶することにより結晶構造が安定化しているジルコニア(安定化ジルコニア)が好ましい。
当該安定化ジルコニアにおけるイットリウム等の元素の含有割合、好ましくは固溶量としては、原子数換算で、安定化ジルコニアに含まれるジルコニウム100モル%に対して4.0モル%以上35.5モル%以下であることが好ましい。当該割合が4.0モル%以上であれば、結晶相の安定化効果などの効果がより確実に得られる。一方、当該割合が過剰になると強度が低下するおそれがあり得るので、当該割合としては35.5モル%以下が好ましい。当該割合としては、5.0モル%以上27.0モル%以下がより好ましい。
The stabilized zirconia constituting the fuel electrode support substrate has a crystal structure in which at least one element (also referred to as a stabilizing element) selected from the group consisting of yttrium, scandium, ytterbium, calcium, magnesium and lanthanum is dissolved. Zirconia (stabilized zirconia) in which calcium is stabilized is preferable.
The content ratio of elements such as yttrium in the stabilized zirconia, preferably the amount of solid solution, is 4.0 mol% or more and 35.5 mol% with respect to 100 mol% of zirconium contained in the stabilized zirconia in terms of atomic number. The following is preferable. When the ratio is 4.0 mol% or more, effects such as a stabilizing effect of the crystal phase can be more reliably obtained. On the other hand, if the ratio becomes excessive, the strength may decrease. Therefore, the ratio is preferably 35.5 mol% or less. The ratio is more preferably 5.0 mol% or more and 27.0 mol% or less.

電解質層、燃料極、燃料極支持基板に使用される安定化ジルコニアは、イットリウム、スカンジウム、イッテルビウム等の特に好ましい安定化元素に加えてさらに他の金属元素を含んでいてもよい。さらなる金属元素の添加により、酸素イオン伝導性、強度、耐久性などの特性がより一層向上する可能性がある。かかる金属元素としては、例えば、Mg、Ca、Sr、Baなどのアルカリ土類金属元素;Ce、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Erなどの希土類元素;Al、Inなどの第13族元素;Si、Ge、Snなどの第14族元素;Bi、Sbなどの第15族元素;Ti、Hfなどの第4族元素;Nb、Taなどの第5族元素などを挙げることができる。これらの中でも、ランタン(La)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、アルミニウム(Al)およびチタン(Ti)からなる群より選択される1種以上の金属元素が特に好ましい。これらその他の金属元素は、いずれか1種のみであってもよいし、2種以上の組み合わせであってもよい。また、これらの他の金属元素の割合としてはこれらの合計含有量が、原子数換算で、安定化ジルコニアに含まれるジルコニウム100モル%に対して0.05モル%以上5.0モル%以下が好ましい。 The stabilized zirconia used in the electrolyte layer, the fuel electrode, and the fuel electrode support substrate may contain other metallic elements in addition to particularly preferred stabilizing elements such as yttrium, scandium, and ytterbium. The addition of additional metal elements may further improve properties such as oxygen ion conductivity, strength and durability. Examples of such metal elements include alkaline earth metal elements such as Mg, Ca, Sr, and Ba; and rare earth elements such as Ce, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, and Er; Al. , In and other Group 13 elements; Group 14 elements such as Si, Ge and Sn; Group 15 elements such as Bi and Sb; Group 4 elements such as Ti and Hf; Group 5 elements such as Nb and Ta. And so on. Among these, it is selected from the group consisting of lanthanum (La), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), gadolinium (Gd), terbium (Tb), aluminum (Al) and titanium (Ti). One or more metal elements are particularly preferred. These other metal elements may be only one kind or a combination of two or more kinds. As for the ratio of these other metal elements, the total content of these elements is 0.05 mol% or more and 5.0 mol% or less with respect to 100 mol% of zirconium contained in stabilized zirconia in terms of atomic number. preferable.

燃料極支持基板は、燃料極へ水素などの燃料ガスを不均一にならないよう供給し、反応により生じる電子をインターコネクタへ受け渡し、電解質層やカソード層を支持する役割を有する。よって、燃料極支持基板は、安定化ジルコニアに加え、発電時の還元的条件下で還元されて導電性を示す導電性成分を含むことが好ましい。かかる導電性成分としては、酸化ニッケル、酸化鉄、酸化銅などを用いることができ、酸化ニッケルが最も一般的である。 The fuel electrode support substrate has a role of supplying a fuel gas such as hydrogen to the fuel electrode so as not to be non-uniform, passing electrons generated by the reaction to the interconnector, and supporting the electrolyte layer and the cathode layer. Therefore, it is preferable that the fuel electrode support substrate contains, in addition to stabilized zirconia, a conductive component that is reduced under reducing conditions during power generation and exhibits conductivity. Nickel oxide, iron oxide, copper oxide and the like can be used as such a conductive component, and nickel oxide is the most common.

上記燃料極支持基板の厚さは、特に限定されないが、例えば100μm以上が好ましく、120μm以上がより好ましく、150μm以上がさらに好ましい。また、燃料極支持基板の厚さは、3mm以下が好ましく、2mm以下がより好ましく、1mm以下がさらに好ましく、500μm以下が特に好ましい。燃料極支持基板の厚さが上記範囲内であれば、燃料極支持基板の機械的強度とガス通過性とをバランス良く両立しやすくなる。 The thickness of the fuel electrode support substrate is not particularly limited, but is preferably 100 μm or more, more preferably 120 μm or more, still more preferably 150 μm or more, for example. The thickness of the fuel electrode support substrate is preferably 3 mm or less, more preferably 2 mm or less, further preferably 1 mm or less, and particularly preferably 500 μm or less. When the thickness of the fuel electrode support substrate is within the above range, it becomes easy to achieve a good balance between the mechanical strength of the fuel electrode support substrate and the gas permeability.

2.電気化学セルの製造方法
本発明の電気化学セルにおいて、燃料極、電解質層、空気極をこの順に、さらに好ましくは含まれていてもよいバリア層を配置して製造する方法としては、特に限定されず、公知の方法が使用できる。
2. 2. Method for Manufacturing Electrochemical Cell In the electrochemical cell of the present invention, the method for producing the electrochemical cell by arranging a barrier layer in which a fuel electrode, an electrolyte layer, and an air electrode may be more preferably contained in this order is particularly limited. However, a known method can be used.

好ましくは、本発明の電気化学セルの製造方法(S)は、
(i) 支持体または支持体前駆体膜上へ、電極前駆体膜を形成する工程と、
(ii) 上記電極前駆体膜上へ、電解質層前駆体膜を形成する工程と、
(iii)上記工程で形成した電解質層前駆体膜上へ、バリア層前駆体膜を形成する工程と、
(iv) 上記支持体または支持体前駆体膜と、上記電極前駆体膜と、上記電解質層前駆体膜とバリア層前駆体膜を共焼成する焼成工程と、
(v) 上記工程で形成したバリア層上へ、他の電極前駆体膜を形成する工程と
(vi) 上記支持体と、上記電極と、上記電解質層と、上記バリア層と、上記他の電極前駆体膜とを共焼成する焼成工程と
を含んでいてもよい。
Preferably, the method (S) for producing an electrochemical cell of the present invention is
(I) A step of forming an electrode precursor film on a support or a support precursor film, and
(Ii) A step of forming an electrolyte layer precursor membrane on the electrode precursor membrane and
(Iii) A step of forming a barrier layer precursor membrane on the electrolyte layer precursor membrane formed in the above step, and a step of forming the barrier layer precursor membrane.
(Iv) A firing step of co-firing the support or support precursor film, the electrode precursor film, the electrolyte layer precursor film, and the barrier layer precursor film.
(V) A step of forming another electrode precursor film on the barrier layer formed in the above step (vi) The support, the electrode, the electrolyte layer, the barrier layer, and the other electrode. It may include a firing step of co-firing with the precursor film.

電解質層中の粒子の粒度分布のピークについて、2つ以上とするためには、原料となる電解質粉末の粒子径分布を制御する方法、電解質層を形成するために行う焼成条件(たとえば焼成する際の昇降温の速度、焼成温度及び焼成時間、並びにこれらの組み合わせ)をコントロールする方法を挙げることができる。例えば、上記範囲になるように原料粉末の大きさを調整しても良いし、あるいは、焼成時の昇降温の速度と、焼成温度や焼成時間をコントロールしても良く、あるいは、これらを組み合わせても良い。また別の方法としては、電解質層を形成するために行う焼成の温度と同程度の温度で、原料粉末を仮焼した粉末を用意し、これのみを用いて電解質層を形成したり、原料粉末と仮焼粉末を混合して電解質層を形成しても良く、この方法に、電解質層を形成する際の焼成条件(焼成する際の昇降温の速度と、焼成温度や焼成時間)をコントロールする方法を組み合わせても良い。 In order to have two or more peaks of particle size distribution in the electrolyte layer, a method of controlling the particle size distribution of the electrolyte powder as a raw material and firing conditions performed to form the electrolyte layer (for example, when firing). A method of controlling the rate of ascending / descending temperature, firing temperature and firing time, and a combination thereof) can be mentioned. For example, the size of the raw material powder may be adjusted so as to fall within the above range, or the rate of elevating temperature during firing may be controlled, and the firing temperature and firing time may be controlled, or a combination thereof may be used. Is also good. As another method, a powder obtained by calcining the raw material powder at a temperature similar to the firing temperature for forming the electrolyte layer is prepared, and the electrolyte layer is formed by using only this powder, or the raw material powder. And calcined powder may be mixed to form an electrolyte layer, and in this method, the firing conditions (rate of ascending / descending temperature at the time of firing, firing temperature and firing time) when forming the electrolyte layer are controlled. You may combine the methods.

また、電解質層前駆体膜は、組成は同一で焼成温度の異なる原料粒子を用いた2種以上の電解質層前駆体膜用ペーストを重ね塗りして形成してもよいし、組成は同一で粒子径の異なる原料粒子を用いた2種以上の電解質層前駆体膜用ペーストを重ね塗りして形成してもよい。
上記電極と他の電極とは、それぞれ燃料極と空気極のどちらでもよいが、上記電極が燃料極で、上記他の電極が空気極であることが好ましい。
なお、上記製造方法において、本発明の燃料極と電解質層と空気極とをこの順に配置してなる電気化学セルでは、電解質層と空気極との間のバリア層前駆体膜及びバリア層の形成は省略する。
Further, the electrolyte layer precursor membrane may be formed by overcoating two or more kinds of pastes for the electrolyte layer precursor membrane using raw material particles having the same composition but different firing temperatures, or the particles having the same composition. Two or more kinds of electrolyte layer precursor membrane pastes using raw material particles having different diameters may be overcoated to form.
The electrode and the other electrode may be either a fuel electrode or an air electrode, respectively, but it is preferable that the electrode is the fuel electrode and the other electrode is the air electrode.
In the above-mentioned production method, in the electrochemical cell in which the fuel electrode, the electrolyte layer, and the air electrode of the present invention are arranged in this order, a barrier layer precursor film and a barrier layer are formed between the electrolyte layer and the air electrode. Is omitted.

上記の電気化学セルの製造方法(S)は、支持体を有する電気化学セルの製法として、好ましく採用し得る。 The above-mentioned method for producing an electrochemical cell (S) can be preferably adopted as a method for producing an electrochemical cell having a support.

また好ましくは、本発明の電気化学セルの製造方法(T)は、
(1)電極または電極前駆体膜上へ、電解質層前駆体膜を形成する工程と、
(2)上記電極または電極前駆体膜と、上記電解質層前駆体膜とを共焼成する焼成工程と、
(3)上記工程で形成した電解質層上へ、バリア層前駆体膜を形成する工程と、
(4)上記工程で形成したバリア層前駆体膜上へ、他の電極前駆体膜を形成する工程と、
(5)上記電極と、上記電解質層と、上記バリア層前駆体膜と、上記他の電極前駆体膜とを共焼成する焼成工程と
を含むか、または、
(11)電極または電極前駆体膜上へ、電解質層前駆体膜を形成する工程と、
(12)上記工程で形成した電解質層前駆体膜上へ、バリア層前駆体膜を形成する工程と、
(13)上記工程で形成したバリア層前駆体膜上へ、他の電極前駆体膜を形成する工程と、
(14)上記電極または電極前駆体膜と、上記電解質層前駆体膜と、上記バリア層前駆体膜と、上記他の電極前駆体膜とを共焼成する焼成工程とを含んでいてもよい。
Further, preferably, the method (T) for producing an electrochemical cell of the present invention is
(1) A step of forming an electrolyte layer precursor film on an electrode or an electrode precursor film, and
(2) A firing step of co-firing the electrode or the electrode precursor membrane and the electrolyte layer precursor membrane.
(3) A step of forming a barrier layer precursor film on the electrolyte layer formed in the above step, and
(4) A step of forming another electrode precursor film on the barrier layer precursor film formed in the above step and a step of forming another electrode precursor film.
(5) A firing step of co-firing the electrode, the electrolyte layer, the barrier layer precursor film, and the other electrode precursor film is included, or
(11) A step of forming an electrolyte layer precursor film on an electrode or an electrode precursor film, and
(12) A step of forming a barrier layer precursor membrane on the electrolyte layer precursor membrane formed in the above step, and a step of forming the barrier layer precursor membrane.
(13) A step of forming another electrode precursor film on the barrier layer precursor film formed in the above step and a step of forming another electrode precursor film.
(14) A firing step of co-firing the electrode or the electrode precursor film, the electrolyte layer precursor film, the barrier layer precursor film, and the other electrode precursor film may be included.

上記電極前駆体膜、上記電解質層前駆体膜、および上記バリア層前駆体膜の焼成は、工程(12)と工程(13)の間に行って、上記電極前駆体膜、上記電解質層前駆体膜、および上記バリア層前駆体膜を工程(13)の前に、電極、電解質層およびバリア層としておいてもよい。
上記電極前駆体膜、上記電解質層前駆体膜、および上記バリア層前駆体膜の焼成は、工程(12)と工程(13)の間に行なうことが好ましい。
The electrode precursor film, the electrolyte layer precursor film, and the barrier layer precursor film are fired between steps (12) and (13), and the electrode precursor film and the electrolyte layer precursor are fired. The film and the barrier layer precursor film may be used as an electrode, an electrolyte layer and a barrier layer before the step (13).
The firing of the electrode precursor film, the electrolyte layer precursor film, and the barrier layer precursor film is preferably performed between the steps (12) and (13).

電極と他の電極は、それぞれ、燃料極であっても空気極であってもよいが、電極は燃料極であることが好ましく、他の電極は空気極であることが好ましい。空気極は、空気極前駆体膜1と空気極前駆体膜2との2層を重ねてもよい。
上記の電気化学セルの製造方法(T)は、燃料極または空気極を支持体とする電極支持型セル(燃料極支持型セル、空気極支持型セル)の製法として、またメタルサポートセルの製法として、好ましく採用し得る。
The electrode and the other electrode may be a fuel electrode or an air electrode, respectively, but the electrode is preferably a fuel electrode and the other electrode is preferably an air electrode. The air electrode may have two layers of an air electrode precursor film 1 and an air electrode precursor film 2.
The above-mentioned method for manufacturing an electrochemical cell (T) is a method for manufacturing an electrode-supported cell (fuel pole-supported cell, air-pole-supported cell) having a fuel electrode or an air electrode as a support, and a method for manufacturing a metal support cell. It can be preferably adopted.

また好ましくは、本発明の電気化学セルの製造方法(A)は、
(20)電解質スラリーをドクターブレード法などにより電解質前駆体膜を作製する工程と、
(21)上記電解質前駆体膜を焼成して電解質層を製造する工程と、
(22)上記電解質層上に電極前駆体膜を形成する工程と、
(23)上記電解質層の上記電極前駆体膜が形成された面とは反対側の表面上にバリア層前駆体膜を形成する工程と、
(24)上記バリア層前駆体膜の表面上に他の電極前駆体膜を形成する工程と、
(25)上記電解質層と、上記電極前駆体膜と、上記バリア層前駆体膜と、上記他の電極前駆体膜とを焼成する工程とを含んでいてもよい。
Further, preferably, the method (A) for producing an electrochemical cell of the present invention is
(20) A step of preparing an electrolyte precursor membrane from an electrolyte slurry by a doctor blade method or the like, and
(21) A step of calcining the electrolyte precursor membrane to produce an electrolyte layer, and
(22) A step of forming an electrode precursor film on the electrolyte layer and
(23) A step of forming a barrier layer precursor film on the surface of the electrolyte layer opposite to the surface on which the electrode precursor film is formed.
(24) A step of forming another electrode precursor film on the surface of the barrier layer precursor film, and
(25) The step of firing the electrolyte layer, the electrode precursor film, the barrier layer precursor film, and the other electrode precursor film may be included.

上記電極前駆体膜、および上記バリア層前駆体膜の焼成は、工程(23)と工程(24)の間に行って、上記電極前駆体膜、および上記バリア層前駆体膜を工程(24)の前に、電極、およびバリア層としておいてもよい。
上記電極前駆体膜、および上記バリア層前駆体膜の焼成は、工程(23)と工程(24)の間に行なうことが好ましい。
電極と他の電極は燃料極であっても空気極であってもよいが、電極は燃料極であることが好ましく、他の電極は空気極であることが好ましい。空気極は、空気極前駆体膜1と空気極前駆体膜2との2層を重ねてもよい。
The firing of the electrode precursor film and the barrier layer precursor film is performed between steps (23) and (24), and the electrode precursor film and the barrier layer precursor film are formed in step (24). It may be placed as an electrode and a barrier layer before the above.
The firing of the electrode precursor film and the barrier layer precursor film is preferably performed between the steps (23) and the steps (24).
The electrode and the other electrode may be a fuel electrode or an air electrode, but the electrode is preferably a fuel electrode and the other electrode is preferably an air electrode. The air electrode may have two layers of an air electrode precursor film 1 and an air electrode precursor film 2.

また好ましくは、本発明の電気化学セルの製造方法(B)は、
(31)電解質層前駆体膜を製造する工程と、
(32)上記電解質層前駆体膜上に電極前駆体膜を形成する工程と、
(33)上記電解質層前駆体膜の上記電極前駆体膜が形成された面とは反対側の表面上にバリア層前駆体膜を形成する工程と、
(34)上記バリア層前駆体膜上に他の電極前駆体膜を形成する工程と、
(35)上記電解質層前駆体膜と、上記電極前駆体膜と、上記バリア層前駆体膜と、上記他の電極前駆体膜とを焼成する工程とを含んでいてもよい。
Further, preferably, the method (B) for producing an electrochemical cell of the present invention is
(31) Step of manufacturing the electrolyte layer precursor membrane and
(32) A step of forming an electrode precursor film on the electrolyte layer precursor film, and
(33) A step of forming a barrier layer precursor film on the surface of the electrolyte layer precursor film opposite to the surface on which the electrode precursor film is formed.
(34) A step of forming another electrode precursor film on the barrier layer precursor film, and
(35) The step of firing the electrolyte layer precursor film, the electrode precursor film, the barrier layer precursor film, and the other electrode precursor film may be included.

上記電解質層前駆体膜、上記電極前駆体膜、および上記バリア層前駆体膜の焼成は、工程(33)と工程(34)の間に行って、上記電解質層前駆体膜、上記電極前駆体膜、および上記バリア層前駆体膜を工程(34)の前に、電解質層、電極、およびバリア層としておいてもよい。
上記電解質層前駆体膜、上記電極前駆体膜、および上記バリア層前駆体膜の焼成は、工程(33)と工程(34)の間に行なうことが好ましい。
電極と他の電極は、それぞれ、燃料極であっても空気極であってもよいが、電極は燃料極であることが好ましく、他の電極は空気極であることが好ましい。空気極は、空気極前駆体膜1と空気極前駆体膜2との2層を重ねてもよい。
The firing of the electrolyte layer precursor film, the electrode precursor film, and the barrier layer precursor film is performed between the steps (33) and (34), and the electrolyte layer precursor film and the electrode precursor are formed. The membrane and the barrier layer precursor membrane may be used as an electrolyte layer, an electrode, and a barrier layer before the step (34).
The firing of the electrolyte layer precursor membrane, the electrode precursor membrane, and the barrier layer precursor membrane is preferably performed between steps (33) and (34).
The electrode and the other electrode may be a fuel electrode or an air electrode, respectively, but the electrode is preferably a fuel electrode and the other electrode is preferably an air electrode. The air electrode may have two layers of an air electrode precursor film 1 and an air electrode precursor film 2.

上記の電気化学セルの製造方法(A)、(B)は、固体電解質支持型セルの製法として、特に好ましく採用し得る。 The above-mentioned methods (A) and (B) for producing an electrochemical cell can be particularly preferably adopted as a method for producing a solid electrolyte-supported cell.

上記の各前駆体膜(グリーン層)の形成方法としては、各原料粉末を、公知のバインダーおよび/または溶剤(分散媒)、必要により更に分散剤や可塑剤等と混合して塗布用インク(ペースト、スラリーとも言う)とし、これら塗布用インクを、ドクターブレード法、カレンダーロール法、押出し法等によってポリエステルシート等の平滑な基板上に塗布し、乾燥して分散媒を揮発除去することによって、シート(グリーンシート)を形成してもよい。また、上記塗布用インクをブレードコート、スリットダイコート等のコーティング法やスクリーン印刷等により塗布し、乾燥して分散媒を揮発除去することによって塗膜を形成してもよい。
また、上記各層は溶射法やパウダージェットデポジション法等の粉体成膜法を用いて層形成してもよく、この場合には、前駆体層形成工程、脱脂工程および焼成工程を省略できる。
As a method for forming each of the precursor films (green layers) described above, each raw material powder is mixed with a known binder and / or solvent (dispersion medium), and if necessary, a dispersant, a plasticizer, or the like, and the coating ink ( These coating inks are also referred to as pastes and slurries), and these coating inks are applied onto a smooth substrate such as a polyester sheet by the doctor blade method, calendar roll method, extrusion method, etc., and dried to volatilize and remove the dispersion medium. A sheet (green sheet) may be formed. Further, the coating film may be formed by applying the coating ink by a coating method such as blade coating or slit die coating, screen printing, or the like, and drying to volatilize and remove the dispersion medium.
Further, each of the above layers may be formed by using a powder film forming method such as a thermal spraying method or a powder jet deposition method. In this case, the precursor layer forming step, the degreasing step and the firing step can be omitted.

本発明の電気化学セルが有していてもよい支持体の形成は従来公知の方法を採用できるが、たとえば、上記燃料極支持基板の製造では、上記安定化ジルコニアの粉末と上記導電性成分の粉末とを含むものが好ましく使用できる。スラリーを基材上に塗工した後に乾燥することにより作製する。当該スラリーは、少なくとも、安定化ジルコニア粉末、導電性成分粉末、溶媒およびバインダーを含み、その他に、例えば可塑剤、分散剤、空孔形成材、消泡剤などを添加してもよい。 A conventionally known method can be adopted for forming the support that the electrochemical cell of the present invention may have. For example, in the production of the fuel electrode support substrate, the stabilized zirconia powder and the conductive component are used. Those containing powder can be preferably used. The slurry is prepared by coating it on a substrate and then drying it. The slurry contains at least a stabilized zirconia powder, a conductive component powder, a solvent and a binder, and in addition, for example, a plasticizer, a dispersant, a pore forming material, a defoaming agent and the like may be added.

スラリー調製に用いる溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、2−プロパノール、1−ブタノール、1−ヘキサノール、α−テルピネオールなどのアルコール類;アセトン、2−ブタノンなどのケトン類;ペンタン、ヘキサン、ヘプタンなどの脂肪族炭化水素類;ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼンなどの芳香族炭化水素類;酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチルなどの酢酸エステル類などを例示することができ、これらから適宜選択して使用する。これらの溶媒は単独で使用し得る他、2種以上を混合して使用することができる。 Examples of the solvent used for preparing the slurry include alcohols such as methanol, ethanol, 2-propanol, 1-butanol, 1-hexanol and α-terpineol; ketones such as acetone and 2-butanone; pentane, hexane and heptane. Aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene and ethylbenzene; acetic acid esters such as methyl acetate, ethyl acetate and butyl acetate can be exemplified, and they are appropriately selected and used. To do. These solvents can be used alone, or two or more kinds can be mixed and used.

溶媒の使用量は、グリーンシート成形時におけるスラリーの粘度を加味して調節するのがよく、好ましくはスラリー粘度が1Pa・s以上80Pa・s以下、より好ましくは1Pa・s以上50Pa・s以下の範囲となるように調整するのがよい。 The amount of the solvent used is preferably adjusted in consideration of the viscosity of the slurry at the time of green sheet molding, preferably the slurry viscosity is 1 Pa · s or more and 80 Pa · s or less, and more preferably 1 Pa · s or more and 50 Pa · s or less. It is better to adjust it so that it is within the range.

スラリーを製造する際に用いられるバインダーの種類は、焼成により分解したり燃焼することで除去されるものであれば格別の制限はなく、従来から知られた有機質のバインダーを適宜選択して使用することができる。有機質バインダーとしては、例えばエチレン系共重合体、スチレン系共重合体、(メタ)アクリレート系共重合体、酢酸ビニル系共重合体、マレイン酸系共重合体、ポリビニルブチラール樹脂、ビニルアセタール系樹脂、ビニルホルマール系樹脂、ビニルアルコール系樹脂、ワックス類、エチルセルロースなどのセルロース類などが例示される。 The type of binder used in producing the slurry is not particularly limited as long as it is decomposed by firing or removed by burning, and a conventionally known organic binder is appropriately selected and used. be able to. Examples of the organic binder include ethylene-based copolymers, styrene-based copolymers, (meth) acrylate-based copolymers, vinyl acetate-based copolymers, maleic acid-based copolymers, polyvinyl butyral resins, vinyl acetal resins, and the like. Examples thereof include vinyl formal resins, vinyl alcohol resins, waxes, and celluloses such as ethyl cellulose.

これらの中でも特に好ましいのは、数平均分子量が5,000以上200,000以下、より好ましくは10,000以上100,000以下の(メタ)アクリレート系共重合体である。これらの有機質バインダーは、単独で使用し得る他、必要により2種以上を適宜組み合わせて使用することができる。特に好ましいのは、n−ブチルメタクリレート、イソブチルメタクリレートおよび/または2−エチルヘキシルアクリレートを60質量%以上含むモノマーの重合体である。 Among these, a (meth) acrylate-based copolymer having a number average molecular weight of 5,000 or more and 200,000 or less, more preferably 10,000 or more and 100,000 or less is particularly preferable. These organic binders can be used alone or in combination of two or more, if necessary. Particularly preferred is a polymer of monomers containing 60% by weight or more of n-butyl methacrylate, isobutyl methacrylate and / or 2-ethylhexyl acrylate.

バインダーの使用量は適宜調整すればよいが、安定化ジルコニア粉末と導電性成分粉末の合計100質量部に対して10質量部以上50質量部以下程度が好ましい。 The amount of the binder used may be appropriately adjusted, but is preferably about 10 parts by mass or more and 50 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass in total of the stabilized zirconia powder and the conductive component powder.

可塑剤を、グリーンシートに柔軟性を付与するために添加してもよい。可塑剤としては、例えば、低分子可塑剤、コオリゴマー可塑剤および高分子可塑剤がある。低分子可塑剤としては、例えば、フタル酸ジブチルやフタル酸ジオクチルなどフタル酸エステル類を挙げることができる。コオリゴマー可塑剤および高分子可塑剤としては、ポリエステル類が挙げられる。可塑剤の配合量は、使用するバインダーのガラス転移温度にもよるが、安定化ジルコニア粉末と導電性成分粉末の合計100質量部に対して0.5質量部以上10質量部以下程度とすることが好ましい。 A plasticizer may be added to impart flexibility to the green sheet. Examples of the plasticizer include a low molecular weight plasticizer, a co-oligomer plasticizer and a high molecular weight plasticizer. Examples of the low molecular weight plasticizer include phthalates such as dibutyl phthalate and dioctyl phthalate. Examples of co-oligomer plasticizers and polymer plasticizers include polyesters. The amount of the plasticizer to be blended depends on the glass transition temperature of the binder used, but should be about 0.5 parts by mass or more and 10 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass in total of the stabilized zirconia powder and the conductive component powder. Is preferable.

スラリーの調製に当たっては、固体電解質材料の解膠や分散を促進し、スラリーの流動性を増加せしめ、スラリー中での固体電解質材料の沈降を抑制するため、分散剤を添加してもよい。分散剤の配合量は、安定化ジルコニア粉末と導電性成分粉末の合計100質量部に対して0.5質量部以上5質量部以下程度とすることが好ましい。 In preparing the slurry, a dispersant may be added in order to promote the ungluing and dispersion of the solid electrolyte material, increase the fluidity of the slurry, and suppress the sedimentation of the solid electrolyte material in the slurry. The blending amount of the dispersant is preferably about 0.5 parts by mass or more and 5 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass in total of the stabilized zirconia powder and the conductive component powder.

空孔形成材は、支持体や電極における気孔の形成を促進し、支持体や電極内部のガスの拡散を促進するために添加されるものであり、焼成により分解したり燃焼することで除去されたりするものであれば特に制限はない。従来から知られた空孔形成材としては、例えばカーボンブラックなどの炭素材料を挙げることができる。空孔形成材の配合量は、安定化ジルコニア粉末と導電性成分粉末の合計100質量部に対して0.01質量部以上20質量部以下程度とすることが好ましいが、支持体や電極内部におけるガスの拡散が十分である場合には添加しなくても良い。 The pore-forming material is added to promote the formation of pores in the support and the electrode and to promote the diffusion of gas inside the support and the electrode, and is removed by decomposition or combustion by firing. There is no particular limitation as long as it does. Examples of the conventionally known pore-forming material include a carbon material such as carbon black. The blending amount of the pore-forming material is preferably about 0.01 part by mass or more and 20 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass in total of the stabilized zirconia powder and the conductive component powder, but inside the support or the electrode. If the diffusion of the gas is sufficient, it may not be added.

上記各成分は、常法により混合すればよい。例えば、ディスパーなどを用いて混合したり、或いはボールミルなどを用いて原料粉末の凝集粒子を解砕しつつ混合してもよい。 Each of the above components may be mixed by a conventional method. For example, the mixture may be mixed using a disper or the like, or the aggregated particles of the raw material powder may be mixed while being crushed using a ball mill or the like.

基材上へのスラリーの塗工方法は特に制限されず、ドクターブレード法、カレンダーロール法、印刷法などの常法を用いることができる。具体的には、例えば、スラリーを塗工ダムへ輸送し、ドクターブレードやスクリーン印刷機などにより均一な厚さとなるようPETフィルムなどの基材上にキャスティングし、乾燥することにより、燃料極支持基板グリーンシートとする。 The method of applying the slurry on the substrate is not particularly limited, and a conventional method such as a doctor blade method, a calender roll method, or a printing method can be used. Specifically, for example, the slurry is transported to a coating dam, cast on a substrate such as a PET film so as to have a uniform thickness by a doctor blade or a screen printing machine, and dried to support a fuel electrode support substrate. Use a green sheet.

グリーンシートの乾燥条件は、使用した溶媒の種類などに応じて適宜調整すればよいが、通常は40℃以上150℃以下程度とする。乾燥は一定温度で行ってもよいし、50℃、80℃、120℃の様に順次連続的に昇温して加熱乾燥してもよい。 The drying conditions of the green sheet may be appropriately adjusted according to the type of solvent used and the like, but are usually set to about 40 ° C. or higher and 150 ° C. or lower. The drying may be carried out at a constant temperature, or the temperature may be continuously raised at 50 ° C., 80 ° C., 120 ° C. and the like, and the drying may be performed by heating.

燃料極支持基板グリーンシートは、所望の形状に切断してもよい。燃料極支持基板グリーンシートの形状は特に制限されず、例えば、目的のハーフセルまたは単セルの形状に合わせればよい。例えば、円形、楕円形、R(アール)を持った角形などとすることができ、また、これらのシート内に円形、楕円形、Rを持った角形などの穴を有するものであってもよい。 The fuel electrode support substrate green sheet may be cut into a desired shape. The shape of the fuel electrode support substrate green sheet is not particularly limited, and may be matched to, for example, the shape of the target half cell or single cell. For example, it may be circular, elliptical, square with R (R), etc., or may have holes such as circular, elliptical, square with R in these sheets. ..

上記燃料極支持基板グリーンシートは、焼成することにより単独の燃料極支持基板としてもよい。但し本発明では、この段階で燃料極支持基板グリーンシートを焼成せず、その上に燃料極グリーン層などを形成するなどし、所望の形状に切断した上でまとめて共焼成してもよい。また、以降の工程の説明において、グリーン層の上に別のグリーン層を形成することのみが記載されていても、グリーン層を適宜焼成した上で別のグリーン層を形成してもよいものとする。以降の焼成条件は、いずれの層の焼成や共焼成にも適用することができる。 The fuel electrode support substrate green sheet may be used as a single fuel electrode support substrate by firing. However, in the present invention, the fuel electrode support substrate green sheet may not be fired at this stage, but a fuel electrode green layer or the like may be formed on the fuel electrode support substrate green sheet, cut into a desired shape, and then co-fired together. Further, in the description of the following steps, even if it is described only that another green layer is formed on the green layer, another green layer may be formed after appropriately firing the green layer. To do. Subsequent firing conditions can be applied to firing and co-firing of any layer.

焼成条件は適宜調整すればよいが、例えば、十分量の酸素の存在下、1200℃以上1500℃以下程度で焼成する。1200℃以上で焼結すれば十分な焼成効果が得られ、十分な強度が得られる。一方、焼成温度が高過ぎると各層の結晶粒径が過大となって靭性がかえって低下するおそれがあるため、上限を1500℃とする。より好ましくは1250℃以上1450℃以下である。
焼成温度に至るまでの加熱速度は適宜調整すればよいが、通常、0.05℃/分以上4℃/分以下程度とすることができる。
The firing conditions may be adjusted as appropriate. For example, firing is performed at 1200 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower in the presence of a sufficient amount of oxygen. Sintering at 1200 ° C. or higher provides a sufficient firing effect and sufficient strength. On the other hand, if the firing temperature is too high, the crystal grain size of each layer may become excessive and the toughness may rather decrease. Therefore, the upper limit is set to 1500 ° C. More preferably, it is 1250 ° C. or higher and 1450 ° C. or lower.
The heating rate up to the firing temperature may be appropriately adjusted, but is usually about 0.05 ° C./min or more and 4 ° C./min or less.

以下、実施例によりさらに詳しく説明するが、本発明はこれらにより何ら限定されるものではない。また、以下に述べる実施例において記載する「部」は「質量部」を、「%」は「質量%」を表すものである。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited thereto. Further, in the examples described below, "parts" represents "parts by mass" and "%" represents "% by mass".

<粉体の粒子径の評価>
ピロリン酸ナトリウム[和光純薬工業(株)製、商品名「ピロりん酸ナトリウム+水和物」]を0.2重量%になるように純水に溶解し、分散媒とした。この分散媒に粉体を分散させ、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置[(株)堀場製作所製、型番LA−920]を用いて、粉体の粒子径を測定した。
<Evaluation of powder particle size>
Sodium pyrophosphate [manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., trade name "sodium pyrophosphate + hydrate"] was dissolved in pure water to a concentration of 0.2% by weight to prepare a dispersion medium. The powder was dispersed in this dispersion medium, and the particle size of the powder was measured using a laser diffraction / scattering type particle size distribution measuring device [manufactured by HORIBA, Ltd., model number LA-920].

<ペースト中の凝集物の最大粒子径の評価>
ペースト中の凝集物の最大粒子径は、JIS K5600−2−5.分散度に従い、グラインドメータを用いて測定した。具体的には、グラインドメータ(BYK社製)の溝にペーストを垂らし、スクレーバーを用いてしごき溝の中に厚さが連続して変化したペースト層を作る。この時、ペースト中の凝集物による顕著な斑点が現れ始めた箇所の層の厚さを読み取り、凝集物の最大粒子径とする。なお、この測定を3回行い、3回の平均値を求めてペースト中の凝集物の最大粒子径とした。
<Evaluation of maximum particle size of aggregates in paste>
The maximum particle size of the agglomerates in the paste is JIS K5600-2-5. It was measured using a grind meter according to the degree of dispersion. Specifically, a paste is dropped in a groove of a grind meter (manufactured by BYK), and a paste layer having a continuously changed thickness is formed in the ironing groove using a scraper. At this time, the thickness of the layer at the place where remarkable spots due to the agglomerates in the paste began to appear is read and used as the maximum particle size of the agglomerates. This measurement was performed three times, and the average value of the three times was calculated to obtain the maximum particle size of the agglomerates in the paste.

<実施例1>
(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[正同化学工業(株)製]60質量部、骨格成分としての3モル%イットリア安定化ジルコニア粉末[東ソー(株)製、商品名「TZ3Y」]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(株)製、SGP−3]10質量部、メタクリレート系共重合体からなるバインダー(分子量:30,000、ガラス転移温度:−8℃、固形分濃度:50質量部)30質量部、可塑剤としてジブチルフタレート2質量部及び分散媒としてトルエン/イソプロピルアルコール(質量比=3/2)の混合溶剤80質量部を、ボールミルにより混合して、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、燃料極支持基板グリーンシートを作製した。なお、グリーンシートの厚みについては、同じ組成のスラリーを用いて、予備実験を行い、グリーンシートと焼成後の厚みを考慮して、焼成後の厚みが400μmになるようにコントロールして作製を行った。
<Example 1>
(Preparation of support substrate green sheet)
Nickel oxide as a conductive component [manufactured by Shodo Chemical Industry Co., Ltd.] 60 parts by mass, 3 mol% itria stabilized zirconia powder as a skeletal component [manufactured by Toso Co., Ltd., trade name "TZ3Y"] 40 parts by mass, empty Carbon black as a pore-forming agent [manufactured by SEC Carbon Co., Ltd., SGP-3] 10 parts by mass, a binder composed of a methacrylate-based copolymer (molecular weight: 30,000, glass transition temperature: -8 ° C., solid content concentration: 50 parts by mass) 30 parts by mass, 2 parts by mass of dibutylphthalate as a plasticizer, and 80 parts by mass of a mixed solvent of toluene / isopropyl alcohol (mass ratio = 3/2) as a dispersion medium were mixed by a ball mill to prepare a slurry. .. Using the obtained slurry, a sheet was formed by a doctor blade method and dried at 70 ° C. for 5 hours to prepare a fuel electrode support substrate green sheet. Regarding the thickness of the green sheet, a preliminary experiment was conducted using a slurry having the same composition, and the thickness after firing was controlled to be 400 μm in consideration of the thickness of the green sheet and after firing. It was.

(8YbSZ原料粉末の作製)
塩化イッテルビウム(III)水和物[和光純薬工業(株)製]および、塩化ジルコニウム(IV)[和光純薬工業(株)製]を焼成後に8モル%イッテルビア安定化ジルコニア[8YbSZ:(Yb0.08(ZrO0.92]になるように計量した。純水を用意し、加温機能付きのマグネチックスターラーを用いて水温が20℃になるようにコントロールし、上記塩化物を溶解させた。なお、30分経っても溶解しない場合には、さらに純水を加え、目視で、塩化物が溶解するまで溶解させた。目視で塩化物が溶解したことを確認した後、それまで溶解に必要とした純水の1割に当たる量を加え、さらに、水溶液を25℃になるように加温・保温しながら、1時間撹拌し、塩化物を完全に溶解させた。得られた水溶液をアンモニア水に滴下して得られた沈殿を洗浄、乾燥後、800℃で1時間仮焼した。仮焼した粉末にエタノールを加え、ボールミルで10時間粉砕混合してから乾燥させて、さらに乳鉢にて、解砕を行い、解砕した粉を1200℃で焼成して8YbSZ原料粉末を得た。ポリ容器に得られた原料粉末とエタノールとYSZボールを入れ、回転数と時間を調整しながらボールミルで粉砕し、乾燥させることで、平均粒子径が0.23μmの8YbSZ原料粉末を得た。
(Preparation of 8YbSZ raw material powder)
8 mol% yttria-stabilized zirconia [8YbSZ: (Yb) after firing ytterbium (III) chloride hydrate [manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] and zirconium chloride (IV) [manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] 2 O 3 ) 0.08 (ZrO 2 ) 0.92 ] was weighed. Pure water was prepared, and the water temperature was controlled to be 20 ° C. using a magnetic stirrer with a heating function to dissolve the above chloride. If it did not dissolve even after 30 minutes, pure water was further added, and the mixture was visually dissolved until the chloride was dissolved. After visually confirming that the chloride has dissolved, add an amount equivalent to 10% of the pure water required for dissolution, and further stir for 1 hour while heating and keeping the aqueous solution at 25 ° C. And the chloride was completely dissolved. The obtained aqueous solution was added dropwise to aqueous ammonia, and the obtained precipitate was washed, dried, and then calcined at 800 ° C. for 1 hour. Ethanol was added to the calcined powder, pulverized and mixed for 10 hours in a ball mill, dried, and further crushed in a mortar, and the crushed powder was calcined at 1200 ° C. to obtain an 8YbSZ raw material powder. The obtained raw material powder, ethanol, and YSZ balls were placed in a plastic container, pulverized with a ball mill while adjusting the rotation speed and time, and dried to obtain an 8YbSZ raw material powder having an average particle size of 0.23 μm.

(燃料極層用ペーストの作製)
ポリ容器に、導電成分としての酸化ニッケル[日興リカ(株)製、商品名「高純度酸化ニッケルF」]60質量部、イオン伝導成分としての調製した8YbSZ原料粉末40質量部、さらに分散媒としてのエタノールとYSZボールを加え、これをボールミルで粉砕混合してから乾燥させて、ボールミル処理したNiO/8YbSZ混合粉末を得た。
NiO/8YbSZ混合粉末60質量部、溶剤としてのα−テルピネオール[和光純薬工業(株)製]36質量部、バインダーとしてのエチルセルロース[和光純薬工業(株)製]4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(株)製]6質量部及び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4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、燃料極層用ペーストを作製した。なお、このペースト化処理では、3本ロールミル間のギャップと回転速度を調整することによって、グラインドメータで計測される凝集物の最大粒子径が10μm以下になるまで解砕/混練した。
(Preparation of paste for fuel electrode layer)
In a plastic container, 60 parts by mass of nickel oxide as a conductive component [manufactured by Nikko Rika Co., Ltd., trade name "high-purity nickel oxide F"], 40 parts by mass of 8YbSZ raw material powder prepared as an ionic conductive component, and as a dispersion medium. Ethanol and YSZ balls were added, and the powder was pulverized and mixed in a ball mill and then dried to obtain a ball milled NiO / 8YbSZ mixed powder.
60 parts by mass of NiO / 8YbSZ mixed powder, 36 parts by mass of α-terpineol as a solvent [manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.], 4 parts by mass of ethyl cellulose as a binder [manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.], as a plasticizer Dibutylphthalate [manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] 6 parts by mass and 4 parts by mass of a sorbitan fatty acid ester-based surfactant as a dispersant were mixed using a dairy pot, and then three roll mills (manufactured by EXAKT technologies). A paste for the fuel electrode layer was prepared by crushing using a model "M-80S", roll material: alumina). In this pasting treatment, the gap between the three roll mills and the rotation speed were adjusted to crush / knead the aggregates until the maximum particle size of the agglomerates measured by the grind meter became 10 μm or less.

(電解質層用ペーストの作製)
上記で調製した8YbSZ原料粉末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(株)製]を5質量部、溶剤としてα−テルピネオール[和光純薬工業(株)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(株)製]を6質量部及び分散剤としてソルビタン酸エステル系界面活性剤[三洋化成工業(株)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、8YbSZ電解質層用ペーストを作製した。なお、このペースト化処理では、3本ロールミル間のギャップと回転速度を調整することによって、グラインドメータで計測される凝集物の最大粒子径が10μm以下になるまで解砕/混練した。
(Preparation of paste for electrolyte layer)
60 parts by mass of the 8YbSZ raw material powder prepared above, 5 parts by mass of ethyl cellulose [manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] as a binder, 40 parts by mass of α-terpineol [manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] as a solvent, plastic 6 parts by mass of dibutylphthalate [manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] as an agent and 5 parts by mass of a sorbitan acid ester-based surfactant [manufactured by Sanyo Kasei Kogyo Co., Ltd., trade name "Ionet S-80"] as a dispersant Was mixed using a dairy pot and then crushed using a 3-roll mill (manufactured by EXAKT technologies, model "M-80S" roll material: alumina) to prepare a paste for an 8YbSZ electrolyte layer. In this pasting treatment, the gap between the three roll mills and the rotation speed were adjusted to crush / knead the aggregates until the maximum particle size of the agglomerates measured by the grind meter became 10 μm or less.

(バリア層用のペーストの作製)
セラミック質として10モル%ガドリニアがドープされているセリア粉末[阿南化成(株)製]60質量部、バインダーとしてのエチルセルロース[和光純薬工業(株)製]5質量部、溶剤としてのα−テルピネオール[和光純薬工業(株)製]40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(株)製]6質量部及び分散剤としてのソルビタン酸エステル系界面活性剤[三洋化成工業(株)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。これにより、バリア層用ペーストを得た。なお、このペースト化処理では、3本ロールミル間のギャップと回転速度を調整することによって、グラインドメータで計測される凝集物の最大粒子径が10μm以下になるまで解砕/混練した。
(Preparation of paste for barrier layer)
60 parts by mass of ceria powder [manufactured by Anan Kasei Co., Ltd.] doped with 10 mol% gadlinear as a ceramic, 5 parts by mass of ethyl cellulose [manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] as a binder, α-terpineol as a solvent [Manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] 40 parts by mass, dibutylphthalate as a plasticizer [Manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] 6 parts by mass and a sorbitan acid ester-based surfactant as a dispersant [Sanyo Kasei Kogyo (Sanyo Kasei Kogyo) Made by Co., Ltd., trade name "Ionet S-80"] 5 parts by mass are mixed using a dairy pot, and then using a 3-roll mill (manufactured by EXAKT technologies, model "M-80S", roll material; alumina). Crushed. As a result, a paste for the barrier layer was obtained. In this pasting treatment, the gap between the three roll mills and the rotation speed were adjusted to crush / knead the aggregates until the maximum particle size of the agglomerates measured by the grind meter became 10 μm or less.

(燃料極層用グリーン層の形成)
上記で得た燃料極層用ペーストをスクリーン印刷により、上記で得た支持基板グリーンシートに、焼成後の厚さが20μmとなるように印刷し、100℃で30分間乾燥させ、燃料極層用グリーン層を形成した。
(Formation of green layer for fuel electrode layer)
The paste for the fuel electrode layer obtained above is printed on the support substrate green sheet obtained above by screen printing so that the thickness after firing is 20 μm, dried at 100 ° C. for 30 minutes, and used for the fuel electrode layer. A green layer was formed.

(電解質層用グリーン層の形成)
上記で得た燃料極層用グリーン層上に、上記で得た電解質層用ペーストをスクリーン印刷により、焼成後の厚さが4μmとなるように印刷した。
(Formation of green layer for electrolyte layer)
The paste for the electrolyte layer obtained above was printed on the green layer for the fuel electrode layer obtained above by screen printing so as to have a thickness of 4 μm after firing.

(バリア層用グリーン層の形成)
上記で得た、電解質層のグリーン層上に上記のバリア層用ペーストを、スクリーン印刷により厚さ2μmとなるように印刷した。これを100℃で30分間乾燥させることによって、バリア層用グリーン層を形成した。
(Formation of green layer for barrier layer)
The above-mentioned paste for the barrier layer was printed on the green layer of the electrolyte layer obtained above so as to have a thickness of 2 μm by screen printing. This was dried at 100 ° C. for 30 minutes to form a green layer for the barrier layer.

(焼成)
バリア層用ペーストの乾燥後、上記で得たバリア層用グリーン層、電解質層用グリーン層、燃料極層用グリーン層が形成された支持基板用のグリーンシートを、焼成後の1辺が60mmの正方形になるように打ち抜いた。打ち抜いた後、1300℃で2時間焼成してバリア層を有するハーフセルを得た。
(Baking)
After the paste for the barrier layer is dried, the green sheet for the support substrate on which the green layer for the barrier layer, the green layer for the electrolyte layer, and the green layer for the fuel electrode layer obtained above are formed, and the one side after firing is 60 mm. It was punched out to form a square. After punching, it was calcined at 1300 ° C. for 2 hours to obtain a half cell having a barrier layer.

(LSCの粉体材料の調製)
LSC空気極の原料となる粉体材料として、硝酸ランタン(III)水和物、硝酸ストロンチウム、硝酸コバルト(II)水和物[いずれも和光純薬工業(株)製]を焼成後にLa0.6Sr0.4CoOxとなるように精製水に溶解させた。溶解後、この溶液を0.1モル/Lになるように精製水を加えて調整した(溶液:A)。調整した溶液:Aに対する量論比が1.2倍のシュウ酸アンモニウム水和物[関東化学(株)製]を精製水に溶かした溶液(溶液:B)を用意し、スターラーにて撹拌させた状態の溶液:Bに溶液:Aを滴下させた。
滴下後の混合溶液をロータリーエバポレータにてある程度の水分を留去した後、蒸発皿に移して100℃で乾燥を行った。得られた固形物について、乳鉢で粉砕した後、400℃で4時間熱分解、800℃で6時間仮焼、1100℃で7時間焼成を行なうことで粉末を得た。
得られた粉末にエタノールを加え、さらにこれをボールミルで粉砕混合してから乾燥させて、LSC(6−4−10)粉末を得た。なお、得られた粉末は、X線回折によって、ペロブスカイトからなる単一相であることが確認された。さらにその後、回転数と回転時間を調製しながら粉砕することによって、平均粒子径(D50)が0.52μmのLSC粉末:Aと、2.3μmのLSC粉末:Bを得た。
(Preparation of LSC powder material)
As a powder material that is a raw material for the LSC air electrode, lanthanum nitrate (III) hydrate, strontium nitrate, and cobalt (II) nitrate hydrate [all manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.] are fired and then La 0. It was dissolved in purified water so as to have 6 Sr 0.4 CoOx. After dissolution, this solution was adjusted to 0.1 mol / L by adding purified water (solution: A). Prepared solution (solution: B) in which ammonium oxalate hydrate [manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.] having a quantitative ratio of 1.2 times to A was dissolved in purified water, and stirred with a stirrer. Solution: A was added dropwise to the solution: B in the state of being fresh.
After distilling off a certain amount of water with a rotary evaporator, the mixed solution after dropping was transferred to an evaporating dish and dried at 100 ° C. The obtained solid was pulverized in a mortar, thermally decomposed at 400 ° C. for 4 hours, calcined at 800 ° C. for 6 hours, and calcined at 1100 ° C. for 7 hours to obtain a powder.
Ethanol was added to the obtained powder, which was further pulverized and mixed with a ball mill and then dried to obtain an LSC (6-4-10) powder. The obtained powder was confirmed by X-ray diffraction to be a single phase composed of perovskite. Further, after that, by pulverizing while adjusting the rotation speed and the rotation time, LSC powder: A having an average particle diameter (D50) of 0.52 μm and LSC powder: B having an average particle diameter (D50) of 2.3 μm were obtained.

(空気極層用スラリーの調製)
上記の方法で調製されたLSC粉末:A100質量部に対して、バインダーとしてのエチルセルロースが3質量%、溶剤としてのα−テルピネオールが30質量%の割合となるように加え、これを乳鉢を用いて混合した。その後、3本ロールミル(EXAKT technologies社製、型式「M−80S」、ロール材質:アルミナ)を用いて混練し、空気極層用スラリー:Aを得た。
同様に、LSC粉末:Aを、LSC粉末:Bに変えた以外は同様の方法で、空気極層用スラリー:Bを得た。
(Preparation of slurry for air electrode layer)
LSC powder prepared by the above method: Ethyl cellulose as a binder was added in a proportion of 3% by mass and α-terpineol as a solvent was added in a proportion of 30% by mass with respect to 100 parts by mass of A, and this was added using a mortar. Mixed. Then, it was kneaded using a three-roll mill (manufactured by EXAKT technologies, model "M-80S", roll material: alumina) to obtain a slurry for an air electrode layer: A.
Similarly, a slurry for an air electrode layer: B was obtained in the same manner except that the LSC powder: A was changed to the LSC powder: B.

(LSC空気極の形成)
上記バリア層を有する燃料極支持型ハーフセルのバリア層面に、スクリーン印刷により、上記空気極層用スラリー:Aを1cm×1cmで、焼成後の厚みが10μm程度になるように、正方形に塗布し、90℃で1時間乾燥させた。乾燥後に、上記空気極層用スラリー:Bを1cm×1cmで、焼成後の厚みが10μm程度になるように正方形に塗布し、90℃で1時間乾燥させ、2層からなる空気極層用グリーン層を形成した。この空気極層用グリーン層を、1000℃で2時間焼成し、実施例1に係る電気化学セルを得た。
(Formation of LSC air electrode)
On the barrier layer surface of the fuel electrode support type half cell having the barrier layer, the slurry for the air electrode layer: A is applied in a square shape at 1 cm × 1 cm and the thickness after firing is about 10 μm by screen printing. It was dried at 90 ° C. for 1 hour. After drying, the above slurry for air electrode layer: B is applied in a square shape at 1 cm × 1 cm so that the thickness after firing is about 10 μm, dried at 90 ° C. for 1 hour, and is composed of two layers of green for air electrode layer. A layer was formed. This green layer for the air electrode layer was calcined at 1000 ° C. for 2 hours to obtain an electrochemical cell according to Example 1.

<比較例1>
実施例1における、電解質層用グリーン層の形成において、焼成後の厚さが2μmとなるように印刷した以外は実施例1に記載と同様の方法により比較例1に係る電気化学セルを得た。
<Comparative example 1>
In the formation of the green layer for the electrolyte layer in Example 1, the electrochemical cell according to Comparative Example 1 was obtained by the same method as described in Example 1 except that printing was performed so that the thickness after firing was 2 μm. ..

<比較例2>
実施例1における、焼成工程において、1400℃で2時間焼成した以外は実施例1に記載と同様の方法により、比較例2に係る電気化学セルを得た。
<Comparative example 2>
In the firing step of Example 1, the electrochemical cell according to Comparative Example 2 was obtained by the same method as described in Example 1 except that it was fired at 1400 ° C. for 2 hours.

<電気化学セルの電気性能評価(電池性能評価試験)>
実施例1及び比較例1,2の電気化学セルについて以下の方法で電池性能を評価した。電気化学セルの燃料極に100mL/分の窒素を、空気極に100mL/分の空気を供給しつつ、100℃/時間の速度で測定温度(750℃)まで昇温した。昇温後、燃料極、空気極の出口側のガスについて、流量計で、流量を測定し、漏れが無いことを確認した。
次いで、水素を6mL/分、窒素を194mL/分の水温25℃で、バブラーにより加湿した混合ガスを燃料極へ、400mL/分の空気を空気極へ供給した。10分以上経過後に起電力が発生し、漏れが無いことを再度確認した後、燃料極側のガスを、水温25℃でバブラーにより加湿した水素を194mL/分の流量で燃料極へ供給し、起電力が安定してから、10分以上経過後に電流密度(負荷)を1.0A/cmに変更し、得られた電圧を記録した。結果を表1に示す。
<Electrical performance evaluation of electrochemical cell (battery performance evaluation test)>
The battery performance of the electrochemical cells of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 was evaluated by the following method. While supplying 100 mL / min of nitrogen to the fuel electrode of the electrochemical cell and 100 mL / min of air to the air electrode, the temperature was raised to the measured temperature (750 ° C.) at a rate of 100 ° C./hour. After the temperature was raised, the flow rates of the gas on the outlet side of the fuel electrode and the air electrode were measured with a flow meter, and it was confirmed that there was no leakage.
Next, hydrogen was supplied at 6 mL / min and nitrogen was supplied at a water temperature of 194 mL / min at a water temperature of 25 ° C., and a mixed gas humidified by a bubbler was supplied to the fuel electrode, and 400 mL / min of air was supplied to the air electrode. After 10 minutes or more, electromotive force was generated and it was confirmed again that there was no leakage, and then the gas on the fuel electrode side was supplied to the fuel electrode at a flow rate of 194 mL / min with hydrogen humidified by a bubbler at a water temperature of 25 ° C. After 10 minutes or more passed after the electromotive force became stable, the current density (load) was changed to 1.0 A / cm 2 , and the obtained voltage was recorded. The results are shown in Table 1.

<粒子径の測定>
実施例1及び比較例1,2で作製した電気性能評価後サンプルについて(実施例については、評価前サンプルについても実施)、空気極が塗布されている面の中央部分を、長さ:10mm、幅:5mmになるように切り出し、断面観察用のサンプルとした。観察には電界放出型走査電子顕微鏡(日本電子社製「JSM−7600F」)を用い、断面観察用の10,000倍の倍率の2次電子画像を同じ観察個所を含まないように、作製した断面観察用サンプルの任意の10点について取得した。
取得した画像について、画像解析ソフト(Media Cybernetics社製「Image Pro Plus バージョン4.0」)を用いて、電解質層中のそれぞれの粒子の面積円相当径:dを求めた。電解質層中のジルコニア粒子については、粒子が100個以上になるように、得た断面観察画像について行い、粒子径の粒度分布におけるピーク数を求めた[階級と階級間隔については、応用統計ハンドブック(応用統計ハンドブック委員会編:養賢堂、p12〜)を参照した]。結果を表1に示す。また、電解質の厚み:t、粒子の個数についての平均:D50や標準偏差:Dσについても値を求めた。結果を表2に示す。なお、取得した断面観察画像から得られる粒子の個数がそれぞれ100個に満たない場合には、取得する断面観察画像を増やして100個以上になるようにした。
なお、燃料極と電解質、電解質とバリア層の境界については、以下のようにして、界面を求め、その内側を電解質層と判断した。取得した画像について、Ni(NiO)が最も電解質層へ(バリア層方向へ)入り込んでいる箇所と、その箇所から2μm以上離れて、Ni(NiO)が最も電解質層へ入り込んでいる箇所の2か所を結んだ直線を電解質層/燃料極界面とした。バリア層の場合には、Ce(CeO)が最も電解質層へ(燃料極方向へ)入り込んでいる箇所と、その箇所から2μm以上離れて、Ce(CeO)が最も電解質層へ入り込んでいる箇所の2か所を結んだ直線を電解質層/バリア層界面とし、その間を電解質層とした。
<Measurement of particle size>
For the samples after electrical performance evaluation prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 (for Examples, the sample before evaluation was also carried out), the central portion of the surface coated with the air electrode was set to a length of 10 mm. A sample was cut out so as to have a width of 5 mm and used as a sample for cross-sectional observation. A field emission scanning electron microscope (“JSM-7600F” manufactured by JEOL Ltd.) was used for observation, and a secondary electron image with a magnification of 10,000 times for cross-sectional observation was prepared so as not to include the same observation point. Obtained for any 10 points of the cross-sectional observation sample.
With respect to the acquired image, the area circle equivalent diameter: d of each particle in the electrolyte layer was determined using image analysis software (“Image Pro Plus version 4.0” manufactured by Media Cybernetics). For the zirconia particles in the electrolyte layer, the cross-sectional observation images obtained were performed so that the number of particles was 100 or more, and the number of peaks in the particle size distribution of the particle size was calculated. [For class and class interval, applied statistics handbook ( Applied Statistics Handbook Committee ed .: Yokendo, p12-)]. The results are shown in Table 1. In addition, values were also obtained for the electrolyte thickness: t, the average of the number of particles: D50, and the standard deviation: Dσ. The results are shown in Table 2. When the number of particles obtained from each of the acquired cross-sectional observation images was less than 100, the number of acquired cross-sectional observation images was increased to 100 or more.
Regarding the boundary between the fuel electrode and the electrolyte, and the boundary between the electrolyte and the barrier layer, the interface was obtained as follows, and the inside was determined to be the electrolyte layer. Regarding the acquired image, there are two places, one where Ni (NiO) penetrates most into the electrolyte layer (toward the barrier layer) and the other where Ni (NiO) penetrates most into the electrolyte layer at a distance of 2 μm or more from that location. The straight line connecting the places was defined as the electrolyte layer / fuel electrode interface. In the case of the barrier layer, the place where Ce (CeO 2 ) penetrates most into the electrolyte layer (in the direction of the fuel electrode) and the place where Ce (CeO 2 ) penetrates most into the electrolyte layer at a distance of 2 μm or more from that place. The straight line connecting the two points was used as the electrolyte layer / barrier layer interface, and the space between them was used as the electrolyte layer.

図1に、実施例1の電気化学セルにおいて、電解質層の断面の走査型電子顕微鏡によって観察された粒子の個数基準の粒子径分布を示す。図1中の白抜き矢印は、ピークの位置を示す。図1に示すように、粒子の個数基準の粒子径分布において、粒子径1.5μm超1.75μm以下と、粒子径2.5μm超2.75μm以下と、粒子径3.5μm超3.75μm以下の範囲に、各1つずつ、計3つのピークが観察された。 FIG. 1 shows a particle size distribution based on the number of particles observed by a scanning electron microscope in a cross section of an electrolyte layer in the electrochemical cell of Example 1. White arrows in FIG. 1 indicate peak positions. As shown in FIG. 1, in the particle size distribution based on the number of particles, the particle size is more than 1.5 μm and 1.75 μm or less, the particle size is more than 2.5 μm and 2.75 μm or less, and the particle size is more than 3.5 μm and 3.75 μm. A total of three peaks were observed in the following ranges, one for each.

表1,2に示すように、粒子径の粒度分布において、2つ以上のピークを有する電気化学セルは、1つのピークのみを有する電気化学セルよりも電圧が高く、発電性能に優れていた。従って、発電に用いた場合には過電圧が低く抑えられることにより、出力に優れることを実証できた。一方で、過電圧が低く抑えられたことから、電気分解に用いた場合にも、過電圧が低く抑えられることが予想され、消費電力が少なく、効率的な電気分解が可能となる結果が示唆された。 As shown in Tables 1 and 2, in the particle size distribution of the particle size, the electrochemical cell having two or more peaks had a higher voltage than the electrochemical cell having only one peak, and was excellent in power generation performance. Therefore, when it was used for power generation, the overvoltage was suppressed to a low level, and it was possible to demonstrate that the output was excellent. On the other hand, since the overvoltage was suppressed to a low level, it is expected that the overvoltage will be suppressed to a low level even when used for electrolysis, suggesting that the power consumption is low and efficient electrolysis is possible. ..

本発明の電気化学セルは、電流−電圧特性に優れている。したがって、本発明の電気化学セル用電解質層、およびそれを含む電気化学セルは、電気化学セルの高性能化および高信頼性化に寄与できるものである。

The electrochemical cell of the present invention has excellent current-voltage characteristics. Therefore, the electrolyte layer for an electrochemical cell of the present invention and the electrochemical cell including the electrolyte layer can contribute to higher performance and higher reliability of the electrochemical cell.

Claims (2)

ジルコニア系酸化物を主成分として含む、電気化学セル用電解質層であって、
前記電解質層の断面において、走査型電子顕微鏡によって観察される粒子の個数基準の粒子径分布において、2つ以上である複数のピークを有し、
前記粒子径分布における各階級は、0.25μm間隔にて定められており、
前記複数のピークのそれぞれは、粒子径1.0μm以上の範囲にあり、
前記複数のピークのうち隣り合う2つのピーク同士の間隔は、0.25μm以上1.5μm以下であり、
前記複数のピークのうち、頻度が最も大きいピークを第1ピークとすると共に頻度が2番目に大きいピークを第2ピークとするとき、前記第2ピークの前記頻度を前記第1ピークの前記頻度にて除した割合が、20%以上50%以下である、
電気化学セル用電解質層。
An electrolyte layer for an electrochemical cell containing a zirconia oxide as a main component.
Wherein in the cross section of the electrolyte layer, the particle size distribution based on the number of particles observed by scanning electron microscopy, have a plurality of peaks is two or more,
Each class in the particle size distribution is defined at intervals of 0.25 μm.
Each of the plurality of peaks has a particle size in the range of 1.0 μm or more, and has a particle size of 1.0 μm or more.
The distance between two adjacent peaks among the plurality of peaks is 0.25 μm or more and 1.5 μm or less.
When the peak with the highest frequency is set as the first peak and the peak with the second highest frequency is set as the second peak among the plurality of peaks, the frequency of the second peak is set to the frequency of the first peak. The ratio divided by is 20% or more and 50% or less.
Electrolyte layer for electrochemical cells.
燃料極、請求項1に記載の電気化学セル用電解質層、空気極をこの順に配置してなる、電気化学セル。
An electrochemical cell in which a fuel electrode, an electrolyte layer for an electrochemical cell according to claim 1, and an air electrode are arranged in this order.
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