JP7285117B2 - Materials for Forming Substrates of Solid Oxide Fuel Cells and Their Applications - Google Patents

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Description

本発明は、絶縁性支持体上に燃料極、固体電解質層および空気極が積層された固体酸化物形燃料電池に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a solid oxide fuel cell in which a fuel electrode, a solid electrolyte layer and an air electrode are laminated on an insulating support.

固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、酸化物イオン伝導体から成る固体電解質層と、空気極(カソード)と、燃料極(アノード)とを備えている。かかるSOFCでは、空気極に供給された空気中の酸素が電気化学的に還元されて酸素イオンとなり、その酸素イオンが固体電解質層を経由して燃料極に到達する。そして、燃料極に供給された燃料ガス(水素等)が、空気極からの酸素イオンによって酸化されることで外部負荷に電子が放出されて電気エネルギーが生成される。このようなSOFCは、発電効率が高いこと、大気汚染の原因物質の排出量が少なく低環境負荷であること、および多様な燃料の使用が可能であること等の点から、次世代の発電装置として開発が進められている。 A solid oxide fuel cell (SOFC) comprises a solid electrolyte layer made of an oxide ion conductor, an air electrode (cathode), and a fuel electrode (anode). In such an SOFC, oxygen in the air supplied to the air electrode is electrochemically reduced to oxygen ions, and the oxygen ions reach the fuel electrode via the solid electrolyte layer. Then, the fuel gas (hydrogen or the like) supplied to the fuel electrode is oxidized by the oxygen ions from the air electrode, electrons are emitted to the external load, and electrical energy is generated. Such SOFCs are considered next-generation power generation equipment because of their high power generation efficiency, their low environmental impact due to their low emissions of substances that cause air pollution, and their ability to use a variety of fuels. is being developed as

例えば、SOFCでは、絶縁性の支持体(以下、「絶縁性支持体」という)の上に、燃料極と固体電解質層と空気極とを備えた積層体が形成された構造が採用され得る。かかる絶縁性支持体は、電池形状の保持という役割の他に、燃料極への燃料ガスの供給・拡散という役割も有している。このため、絶縁性支持体には、所定の強度を有し、かつ、多量の燃料ガスを透過できる構造を有していることが求められる。かかるSOFC用の支持体に関する従来技術として、特許文献1、2に記載の技術が挙げられる。これらの特許文献1、2には、NiO、Y、MgO、MgAl、TiO等の金属酸化物を支持基板の材料に使用することが開示されている。 For example, an SOFC may employ a structure in which a laminate including a fuel electrode, a solid electrolyte layer, and an air electrode is formed on an insulating support (hereinafter referred to as "insulating support"). Such an insulating support has a role of supplying and diffusing the fuel gas to the fuel electrode in addition to the role of retaining the shape of the battery. Therefore, the insulating support is required to have a predetermined strength and a structure that allows a large amount of fuel gas to permeate. Prior arts related to such SOFC supports include those described in Patent Documents 1 and 2. These patent documents 1 and 2 disclose the use of metal oxides such as NiO, Y 2 O 3 , MgO, MgAl 2 O 4 and TiO 2 as materials for the support substrate.

特開2012-94323号公報JP 2012-94323 A 特開2017-174498号公報JP 2017-174498 A

ところで、SOFCを製造する方法として、絶縁性支持体、燃料極、固体電解質層、空気極を一層ずつ順に積層・焼成していく方法と、各層の前駆物質(グリーンシート)を積層させた後にまとめて焼成する方法(共焼成)が挙げられる。これらのうち、共焼成は、製造工程を削減してコストを低減できるという利点を有している。 By the way, as a method for manufacturing an SOFC, there is a method in which an insulating support, a fuel electrode, a solid electrolyte layer, and an air electrode are sequentially laminated and fired one by one, and a precursor material (green sheet) for each layer is laminated and then summarized. and firing method (co-firing). Among these, co-firing has the advantage of being able to reduce manufacturing steps and reduce costs.

しかしながら、共焼成を用いてSOFCを製造すると、焼成後の燃料極と固体電解質層との境界に割れ(クラック)が生じることがある。かかるクラックは、緻密層である固体電解質層と多孔体である絶縁性支持体との間で焼成中の収縮率(焼成収縮率)が異なっているため、共焼成中の燃料極と固体電解質層との境界に応力が掛かることによって発生すると考えられている。 However, when an SOFC is manufactured using co-firing, cracks may occur at the boundary between the fuel electrode and the solid electrolyte layer after firing. Such cracks occur because the solid electrolyte layer, which is a dense layer, and the insulating support, which is a porous body, have different shrinkage rates (firing shrinkage rates) during firing. It is thought that this occurs when stress is applied to the boundary between

そこで、共焼成を用いてSOFCを製造する場合には、絶縁性支持体の焼成収縮率を大きくし、固体電解質層と絶縁性支持体の焼成収縮率を近似させることが考えられていた。しかしながら、絶縁性支持体のグリーンシートの焼成収縮率を大きくすると、背反として焼成後の絶縁性支持体が緻密化してガス透過性が低下するため発電性能が低下する。 Therefore, when manufacturing an SOFC using co-firing, it has been considered to increase the firing shrinkage rate of the insulating support so that the solid electrolyte layer and the insulating support have similar firing shrinkage rates. However, if the firing shrinkage rate of the green sheet of the insulating support is increased, the insulating support after firing becomes denser and the gas permeability is lowered, thereby lowering the power generation performance.

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、共焼成におけるクラックの発生を防止でき、かつ、ガス透過性に優れた絶縁性支持体を形成できる技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and its object is to provide a technique capable of preventing the occurrence of cracks during co-firing and forming an insulating support having excellent gas permeability. be.

本発明者らは、上述の目的を達成するために種々の実験と検討を行った。その結果、共焼成におけるクラックは、上述の焼成収縮率の違いが生じた場合だけでなく、収縮開始温度の違いが生じた場合も発生し得ることを見出した。例えば、固体電解質層の焼成収縮率と絶縁性支持体の焼成収縮率とを近似させたとしても、絶縁性支持体よりも低温で固体電解質層の収縮が始まると、焼成初期に燃料極と固体電解質層との境界に応力が掛かってクラックが発生する。この発見に基づいて、本発明者らは、絶縁性支持体の熱収縮開始温度を固体電解質層と同程度まで低下できれば、絶縁性支持体の焼成収縮率を必要以上に大きくしなくてもクラックの発生を防止できるため、焼成後の絶縁性支持体のガス透過性の低下を抑制できると考えた。ここに開示される支持体形成材料は、上述の知見に基づいてなされたものである。 The present inventors conducted various experiments and studies in order to achieve the above object. As a result, it was found that cracks in co-firing can occur not only when the firing shrinkage rate differs as described above, but also when the shrinkage start temperature differs. For example, even if the firing shrinkage rate of the solid electrolyte layer and the firing shrinkage rate of the insulating support are approximated, if the solid electrolyte layer begins to shrink at a lower temperature than the insulating support, the Stress is applied to the interface with the electrolyte layer and cracks occur. Based on this discovery, the present inventors have found that if the heat shrinkage start temperature of the insulating support can be lowered to the same level as that of the solid electrolyte layer, cracks will occur even if the firing shrinkage rate of the insulating support is not increased more than necessary. can be prevented from occurring, it is thought that the decrease in gas permeability of the insulating support after firing can be suppressed. The support-forming material disclosed herein was made based on the above findings.

本発明によって以下の構成の支持体形成材料が提供される。なお、本明細書において「支持体形成材料」とは、SOFCの絶縁性支持体を形成するための粉体材料を指す。より具体的には、本明細書における「支持体形成材料」とは、絶縁性支持体の前駆物質であるグリーンシートの主成分である。
ここに開示される支持体形成材料は、平均粒径が1μm以上4μm以下の粗粒ジルコニア粉体、および平均粒径が0.1μm以上0.5μm以下の微粒ジルコニア粉体を少なくとも含む混合粉体と、遷移金属酸化物の粒子を含む焼結助剤とを含有する。そして、ここに開示される支持体形成材料では、混合粉体の総重量を100wt%としたときの微粒ジルコニア粉体の重量が20wt%以上80wt%以下であり、混合粉体の総重量を100wt%としたときの焼結助剤の含有量が0.1wt%以上1.2wt%以下である。
The present invention provides a support-forming material having the following constitution. In this specification, the term "support-forming material" refers to a powder material for forming the insulating support of the SOFC. More specifically, the "support-forming material" in this specification is the main component of the green sheet, which is the precursor of the insulating support.
The support-forming material disclosed herein is a mixed powder containing at least coarse-grained zirconia powder having an average particle diameter of 1 μm or more and 4 μm or less and fine-grained zirconia powder having an average particle diameter of 0.1 μm or more and 0.5 μm or less. and a sintering aid comprising transition metal oxide particles. In the support-forming material disclosed herein, the weight of the fine zirconia powder is 20 wt % or more and 80 wt % or less when the total weight of the mixed powder is 100 wt %, and the total weight of the mixed powder is 100 wt %. %, the content of the sintering aid is 0.1 wt % or more and 1.2 wt % or less.

ここに開示される支持体形成材料では、遷移金属酸化物の粒子を含む焼結助剤が添加されている。これによって、共焼成における収縮開始温度を低下させ、焼成初期におけるクラックの発生を防止できる。さらに、ここに開示される支持体形成材料では、粗粒ジルコニア粉体と微粒ジルコニア粉体とを含む混合粉体が用いられている。このような混合粉体は、絶縁性支持体の焼成収縮率を向上させることができるため、焼成中期以降の収縮量の違いによってクラックが発生することを防止できる。そして、ここに開示される支持体形成材料では、共焼成におけるクラックの発生を防止し、かつ、ガス透過性に優れた絶縁性支持体を形成するという観点から、混合粉体の総重量に対する微粒ジルコニア粉体の重量と、混合粉体に対する焼結助剤の含有量の各々が規定されている。 In the support-forming materials disclosed herein, a sintering aid containing transition metal oxide particles is added. As a result, the shrinkage start temperature in co-firing can be lowered, and the occurrence of cracks in the initial stage of firing can be prevented. Further, the support-forming material disclosed herein uses a mixed powder containing coarse-grained zirconia powder and fine-grained zirconia powder. Such a mixed powder can improve the firing shrinkage rate of the insulating support, and thus can prevent the occurrence of cracks due to the difference in the amount of shrinkage after the middle stage of firing. In the support-forming material disclosed herein, from the viewpoint of preventing the occurrence of cracks during co-firing and forming an insulating support having excellent gas permeability, fine particles with respect to the total weight of the mixed powder The weight of the zirconia powder and the content of the sintering aid with respect to the mixed powder are specified.

なお、本明細書において「平均粒径」とは、一般的なレーザー回折・光散乱法に基づく粒度分布測定により測定した体積基準の粒度分布において、微粒子側からの累積50%に相当する粒径(D50粒径、メジアン径ともいう。)をいう。 In the present specification, the "average particle size" means a particle size corresponding to a cumulative 50% from the fine particle side in a volume-based particle size distribution measured by particle size distribution measurement based on a general laser diffraction/light scattering method. ( D50 particle size, also referred to as median diameter).

ここに開示される支持体形成材料の好適な一態様では、焼結助剤の平均粒径が0.02μm以上30μm以下である。これによって、支持体形成材料中に焼結助剤を適切に分散させて、焼成初期において絶縁性支持体を好適な収縮量で均一に収縮させることができるため、焼成初期のクラックの発生をより好適に防止できる。 In one preferred aspect of the support-forming material disclosed herein, the sintering aid has an average particle size of 0.02 μm or more and 30 μm or less. As a result, the sintering aid can be appropriately dispersed in the support-forming material, and the insulating support can be shrunk uniformly with a suitable amount of shrinkage at the initial stage of firing. It can be suitably prevented.

ここに開示される支持体形成材料の好ましい一態様では、焼結助剤は、Mn、NiO、CuO、Fe、ZnO、CoOからなる群から選択された1種以上の粒子を含む。これらは、遷移金属酸化物の中でも特に融点が低く、絶縁性支持体の収縮開始温度を好適に低下させることができるため、焼成初期におけるクラックの発生をより好適に防止できる。 In one preferred aspect of the support-forming material disclosed herein, the sintering aid is one or more particles selected from the group consisting of Mn3O4 , NiO, CuO, Fe2O3 , ZnO, and CoO. including. Among transition metal oxides, these have a particularly low melting point and can suitably lower the shrinkage start temperature of the insulating support, thereby more suitably preventing the occurrence of cracks at the initial stage of firing.

また、本発明の他の側面として、固体酸化物形燃料電池(SOFC)が提供される。ここに開示されるSOFCは、燃料ガスを透過させる多孔体であり、ジルコニア系成分を含有する絶縁性支持体と、絶縁性支持体上に形成された燃料極と、燃料極上に形成された固体電解質層と、固体電解質層上に形成された空気極とを備えている。そして、ここに開示されるSOFCの絶縁性支持体は、遷移金属酸化物を含有し、ジルコニア系成分の総重量を100wt%としたときの遷移金属酸化物の合計重量が0.1wt%以上1.2wt%以下であり、かつ、気孔率が5%以上である。 Also, as another aspect of the present invention, a solid oxide fuel cell (SOFC) is provided. The SOFC disclosed herein is a porous body permeable to fuel gas, comprising an insulating support containing a zirconia-based component, a fuel electrode formed on the insulating support, and a solid material formed on the fuel electrode. It has an electrolyte layer and an air electrode formed on the solid electrolyte layer. The SOFC insulating support disclosed herein contains a transition metal oxide, and the total weight of the transition metal oxide is 0.1 wt % or more when the total weight of the zirconia-based components is 100 wt %. .2 wt% or less, and the porosity is 5% or more.

上記SOFCは、ここに開示される支持体形成材料を用いて製造されたSOFCである。かかるSOFCの絶縁性支持体には、支持体形成材料に含まれていた焼結助剤に由来する遷移金属酸化物が含まれている。すなわち、ここに開示されるSOFCの絶縁性支持体では、混合粉体に由来するジルコニア系成分の総重量を100wt%としたときの遷移金属酸化物の合計重量が0.1wt%以上1.2wt%以下である。そして、上述した支持体形成材料では、ガス透過性に優れた絶縁性支持体を形成するという観点から、種々の構成が規定されているため、焼成後の絶縁性支持体の気孔率が5%以上となっている。このような気孔率を有した絶縁性支持体は、高いガス透過性を発揮するため、SOFCの発電性能の向上に貢献できる。 The SOFC is an SOFC manufactured using the support-forming material disclosed herein. The insulating support of such SOFCs contains a transition metal oxide derived from the sintering aid contained in the support-forming material. That is, in the SOFC insulating support disclosed herein, the total weight of the transition metal oxides is 0.1 wt % or more and 1.2 wt % when the total weight of the zirconia-based components derived from the mixed powder is 100 wt %. % or less. In the support-forming material described above, since various configurations are defined from the viewpoint of forming an insulating support having excellent gas permeability, the porosity of the insulating support after firing is 5%. That's it. An insulating support having such a porosity exhibits high gas permeability, and thus can contribute to improving the power generation performance of the SOFC.

本発明の一実施形態に係るSOFCの層構成を模式的に示す図である。1 is a diagram schematically showing the layer structure of an SOFC according to one embodiment of the present invention; FIG. 試験例において作成したハーフセルを模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the half cell produced in the test example. サンプル1の燃料極と固体電解質層との境界をレーザー顕微鏡で観察した際の画像(倍率:400倍)である。4 is an image (magnification: 400 times) of the boundary between the fuel electrode and the solid electrolyte layer of Sample 1 observed with a laser microscope. サンプル4の燃料極と固体電解質層との境界をレーザー顕微鏡で観察した際の画像(倍率:400倍)である。4 is an image (magnification: 400 times) of the boundary between the fuel electrode and the solid electrolyte layer of Sample 4 observed with a laser microscope. サンプル6の表面SEM観察画像(倍率:10000倍)である。4 is a surface SEM observation image of sample 6 (magnification: 10000 times). サンプル10の表面SEM観察画像(倍率:10000倍)である。4 is a surface SEM observation image of sample 10 (magnification: 10000 times). サンプル14の表面SEM観察画像(倍率:10000倍)である。It is a surface SEM observation image of sample 14 (magnification: 10000 times).

以下、適宜図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、絶縁性支持体を除く各層の詳細な成分や製造方法等)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明し、重複する説明は省略または簡略化することがある。なお、本明細書において数値範囲を示す「X~Y(ただし、X,Yは、任意の値。)」との表記は、「X以上Y以下」を意味するものとする。 Preferred embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings as appropriate. Matters other than those specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention (for example, detailed components of each layer except for the insulating support, manufacturing methods, etc.) are known in the art. It can be grasped as a design matter of a person skilled in the art based on the conventional technology. The present invention can be implemented based on the contents disclosed in this specification and common general technical knowledge in the field. Further, in the drawings below, members and portions having the same function are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted or simplified. In this specification, the notation "X to Y (where X and Y are arbitrary values)" indicating a numerical range means "X or more and Y or less".

<支持体形成材料>
ここに開示される支持体形成材料は、SOFCの燃料極を支持する絶縁性支持体を形成するために用いられる。具体的には、ここに開示される支持体形成材料を主成分とするグリーンシートを焼成することによってSOFCの絶縁性支持体を形成できる。
ここに開示される支持体形成材料は、混合粉体と焼結助剤とを含有している。以下、各々の成分について説明する。
<Support forming material>
The support-forming materials disclosed herein are used to form the insulating support that supports the anode of the SOFC. Specifically, the insulating support of the SOFC can be formed by firing a green sheet containing the support-forming material disclosed herein as a main component.
The support-forming material disclosed herein contains a mixed powder and a sintering aid. Each component will be described below.

1.混合粉体
ここに開示される支持体形成材料における混合粉体は、ジルコニア系酸化物の粒子を主成分として含有する粉体材料である。かかるジルコニア系酸化物は、この種のSOFCの絶縁性支持体に使用され得るものであれば特に限定されず、種々の成分を使用できる。かかるジルコニア系酸化物の一例として、ジルコニア(ZrO)に安定化剤が添加された安定化ジルコニアが好ましく用いられる。かかる安定化ジルコニアにおける安定化剤には、所定の金属酸化物(MまたはMO)が用いられ得る。ここで、安定化剤に含まれる金属元素(M)としては、Y、Sc、Ca、Yb、GdおよびMgのうちの一種または二種以上の元素が挙げられる。上記安定化ジルコニアの好適例として、イットリア(Y)で安定化されたイットリア安定化ジルコニア(YSZ)や、カルシア(CaO)で安定化されたカルシア安定化ジルコニア(CSZ)等が挙げられる。これらの中でもYSZが好適であり、全体の1モル%以上15モル%以下(好ましくは1モル%以上10モル%以下)となる量のイットリアを固溶させたYSZを特に好ましく使用できる。
1. Mixed Powder The mixed powder in the support-forming material disclosed herein is a powder material containing zirconia-based oxide particles as a main component. Such a zirconia-based oxide is not particularly limited as long as it can be used for the insulating support of this type of SOFC, and various components can be used. As an example of such a zirconia-based oxide, stabilized zirconia obtained by adding a stabilizer to zirconia (ZrO 2 ) is preferably used. A given metal oxide (M 2 O 3 or MO) can be used as a stabilizer in such stabilized zirconia. Here, the metal element (M) contained in the stabilizer includes one or more of Y, Sc, Ca, Yb, Gd and Mg. Preferred examples of the stabilized zirconia include yttria-stabilized zirconia (YSZ) stabilized with yttria (Y 2 O 3 ) and calcia-stabilized zirconia (CSZ) stabilized with calcia (CaO). . Among these, YSZ is preferable, and YSZ in which yttria is dissolved in an amount of 1 mol % or more and 15 mol % or less (preferably 1 mol % or more and 10 mol % or less) of the whole can be particularly preferably used.

そして、ここに開示される混合粉体は、平均粒径が異なる2種類のジルコニア粉体を含有する。具体的には、ここに開示される混合粉体には、平均粒径が大きな粗粒ジルコニア粉体と、平均粒径が小さい微粒ジルコニア粉体が含まれている。このように平均粒径が異なる2種類のジルコニア粉体を適切な割合で混合した混合粉体を使用することによって、焼成中期以降のクラックの発生を防止できる。以下、具体的に説明する。 The mixed powder disclosed herein contains two types of zirconia powders with different average particle diameters. Specifically, the mixed powder disclosed herein contains coarse-grained zirconia powder having a large average particle size and fine-grained zirconia powder having a small average particle size. By using a mixed powder in which two kinds of zirconia powders having different average particle diameters are mixed in an appropriate ratio, it is possible to prevent the occurrence of cracks after the middle stage of firing. A specific description will be given below.

粗粒ジルコニア粉体は、平均粒径が1μm以上4μm以下のジルコニア粉体である。このような比較的に大粒径のジルコニア粒子の含有量が増加すると、共焼成におけるグリーンシートの収縮率(焼成収縮率)が低下する傾向がある。なお、粗粒ジルコニア粉体の平均粒径は、1.2μm以上であってもよく、1.4μm以上であってもよい。一方、粗粒ジルコニア粉体の平均粒径の上限は、3μm以下であってもよく、2μm以下であってもよい。かかる粗粒ジルコニア粉体の平均粒径の一例は1.5μmである。 Coarse-grained zirconia powder is zirconia powder having an average particle diameter of 1 μm or more and 4 μm or less. When the content of such relatively large zirconia particles increases, there is a tendency for the shrinkage rate (firing shrinkage rate) of the green sheet in cofiring to decrease. The average particle diameter of the coarse-grained zirconia powder may be 1.2 μm or more, or may be 1.4 μm or more. On the other hand, the upper limit of the average particle size of the coarse-grained zirconia powder may be 3 μm or less, or may be 2 μm or less. An example of the average particle size of such coarse-grained zirconia powder is 1.5 μm.

微粒ジルコニア粉体は、平均粒径が0.1μm以上0.5μm以下のジルコニア粉体である。このような比較的に小粒径のジルコニア粒子の含有量が増加すると、焼成収縮率が大きくなる傾向がある。なお、微粒ジルコニア粉体の平均粒径は、0.15μm以上であってもよく、0.2μm以上であってもよい。一方、微粒ジルコニア粉体の平均粒径の上限は、0.45μm以下であってもよく、0.4μm以下であってもよく、0.3μm以下であってもよい。かかる微粒ジルコニア粉体の平均粒径の一例は0.25μmである。 Fine zirconia powder is zirconia powder having an average particle size of 0.1 μm or more and 0.5 μm or less. When the content of such zirconia particles with a relatively small particle size increases, the firing shrinkage tends to increase. Incidentally, the average particle size of the fine zirconia powder may be 0.15 μm or more, or may be 0.2 μm or more. On the other hand, the upper limit of the average particle diameter of fine zirconia powder may be 0.45 μm or less, 0.4 μm or less, or 0.3 μm or less. An example of the average particle size of such fine-grained zirconia powder is 0.25 μm.

そして、ここに開示される混合粉体では、混合粉体の総重量を100wt%としたときの微粒ジルコニア粉体の重量が20wt%以上80wt%以下に規定されている。微粒ジルコニア粉体の重量が20wt%を下回ると、他の層に対して絶縁性支持体の焼成収縮率が小さくなり過ぎて、共焼成の中期以降にクラックが発生しやすくなる。一方、微粒ジルコニア粉体の重量が80wt%を超えると、焼成後の絶縁性支持体が緻密になりすぎて気孔率が低下する傾向がある。これらの点に基づいて、ここに開示される支持体形成材料では、微粒ジルコニア粉体の重量を20wt%以上80wt%以下に調整し、焼成中期以降のクラックの防止と焼成後の絶縁性支持体のガス透過性とを両立している。
なお、焼成中期以降のクラックをより好適に防止するという観点から、微粒ジルコニア粉体の重量は、25wt%以上が好ましく、27wt%以上がより好ましく、30wt%以上がさらに好ましく、35wt%以上が特に好ましい。一方、焼成後により優れたガス透過性を有する絶縁性支持体を形成するという観点から、微粒ジルコニア粉体の重量の上限は、75wt%以下が好ましく、70wt%以下がより好ましく、65wt%以下がさらに好ましく、60wt%以下が特に好ましい。
In the mixed powder disclosed herein, the weight of the fine zirconia powder is specified to be 20 wt % or more and 80 wt % or less when the total weight of the mixed powder is 100 wt %. If the weight of the fine zirconia powder is less than 20 wt %, the firing shrinkage rate of the insulating support becomes too small relative to the other layers, and cracks tend to occur after the middle stage of co-firing. On the other hand, when the weight of the fine zirconia powder exceeds 80 wt %, the insulating support after firing tends to be too dense and the porosity tends to decrease. Based on these points, in the support forming material disclosed herein, the weight of fine zirconia powder is adjusted to 20 wt % or more and 80 wt % or less to prevent cracks after the middle stage of sintering and provide an insulating support after sintering. It is compatible with the gas permeability of
From the viewpoint of more preferably preventing cracks after the middle stage of firing, the weight of the fine zirconia powder is preferably 25 wt% or more, more preferably 27 wt% or more, still more preferably 30 wt% or more, and particularly 35 wt% or more. preferable. On the other hand, from the viewpoint of forming an insulating support having excellent gas permeability after firing, the upper limit of the weight of the fine zirconia powder is preferably 75 wt% or less, more preferably 70 wt% or less, and 65 wt% or less. More preferably, 60 wt % or less is particularly preferable.

なお、粗粒ジルコニア粉体と微粒ジルコニア粉体は、同種のジルコニア粒子によって構成されていてもよいし、異種のジルコニア粒子によって構成されていてもよい。例えば、イットリア固溶量が5モル%のYSZ(5YSZ)を粗粒ジルコニア粉体に使用し、イットリア固溶量が8モル%のYSZ(8YSZ)を微粒ジルコニア粉体に使用することができる。 The coarse-grained zirconia powder and the fine-grained zirconia powder may be composed of the same kind of zirconia particles, or may be composed of different kinds of zirconia particles. For example, YSZ with a yttria solid-solution amount of 5 mol % (5YSZ) can be used for the coarse-grain zirconia powder, and YSZ with an yttria solid-solution amount of 8 mol % (8YSZ) can be used for the fine-grain zirconia powder.

本発明の効果を阻害しない範囲であれば、上述の粗粒ジルコニア粉体と微粒ジルコニア粉体とは異なる平均粒径を有するジルコニア粉体(以下、「他のジルコニア粉体」という)が混合粉体に含まれていてもよい。かかる他のジルコニア粉体としては、平均粒径が0.1μm未満の極小ジルコニア粉体、平均粒径が0.5μm超1μm未満の中間ジルコニア粉体、平均粒径が4μm超の極大ジルコニア粉体などが挙げられる。但し、共焼成における他の層の破損を好適に防止するという観点からは、上記他のジルコニア粉体を実質的に含有しない方が好ましい。なお、ここでいう「他のジルコニア粉体を実質的に含有しない」とは、他のジルコニア粉体が意図的に添加されていないことを指す。したがって、上記他のジルコニア粉体と解釈され得る成分が原料や製造工程等に由来して微量に含まれるような場合は、本明細書における「他のジルコニア粉体を実質的に含有しない」の概念に包含される。例えば、上記混合粉体の総重量を100wt%としたときの他のジルコニア粉体の含有量が1wt%以下(好ましくは0.1wt%以下、より好ましくは0.01wt%以下、さらに好ましくは0.001wt%以下、特に好ましくは0.0001wt%以下)である場合、「他のジルコニア粉体を実質的に含有しない」ということができる。 A zirconia powder having an average particle size different from that of the coarse-grained zirconia powder and the fine-grained zirconia powder (hereinafter referred to as "another zirconia powder") is mixed powder as long as it does not impair the effects of the present invention. may be contained in the body. Such other zirconia powders include ultra-small zirconia powder with an average particle size of less than 0.1 μm, intermediate zirconia powder with an average particle size of more than 0.5 μm and less than 1 μm, and extra-large zirconia powder with an average particle size of more than 4 μm. etc. However, from the viewpoint of suitably preventing breakage of other layers during co-firing, it is preferable not to substantially contain the other zirconia powder. The phrase "substantially does not contain other zirconia powders" as used herein means that no other zirconia powders are intentionally added. Therefore, in the case where the components that can be interpreted as other zirconia powder are contained in trace amounts due to raw materials, manufacturing processes, etc., the term "substantially does not contain other zirconia powder" in the present specification is used. subsumed in the concept. For example, when the total weight of the mixed powder is 100 wt%, the content of the other zirconia powder is 1 wt% or less (preferably 0.1 wt% or less, more preferably 0.01 wt% or less, still more preferably 0 wt%). .001 wt% or less, particularly preferably 0.0001 wt% or less), it can be said that "substantially no other zirconia powder is contained".

2.焼結助剤
焼結助剤は、遷移金属酸化物の粒子を主成分として含む粉体材料である。かかる遷移金属酸化物を含む焼結助剤を支持体形成材料に添加することによって収縮開始温度を低下させ、共焼成の初期におけるクラックの発生を抑制できる。本発明を限定する意図はないが、このような効果が得られる理由は次のように推測される。遷移金属酸化物を含む焼結助剤は、ジルコニア粉体と比べて融点が低い(例えば2000℃以下)ため、共焼成の初期にジルコニア粉体よりも先に融解する。そして、融解した焼結助剤がジルコニア粒子間の空隙に流れ込むことによって絶縁性支持体が収縮するため、収縮開始温度が低下する。なお、焼結助剤は、焼成温度に応じて適切な融点を有するものに適宜変更することができる。例えば、焼結助剤の融点は、1700℃以下であってもよく、1500℃以下であってもよく、1200℃以下であってもよい。このような融点を有する遷移金属酸化物としては、例えば、Mn、NiO、CuO、Fe、ZnO、CoO等が挙げられる。これらの遷移金属酸化物の粒子を焼結助剤として使用することによって、収縮開始温度を好適に低下させることができる。
2. Sintering Aid The sintering aid is a powder material containing transition metal oxide particles as a main component. By adding a sintering aid containing such a transition metal oxide to the support-forming material, the shrinkage initiation temperature can be lowered, and the occurrence of cracks at the initial stage of co-firing can be suppressed. Although not intending to limit the present invention, the reason why such an effect is obtained is presumed as follows. A sintering aid containing a transition metal oxide has a lower melting point (for example, 2000° C. or lower) than zirconia powder, and therefore melts earlier than zirconia powder at the initial stage of co-firing. Then, the molten sintering aid flows into the voids between the zirconia particles, causing the insulating support to shrink, thereby lowering the shrinkage start temperature. The sintering aid can be appropriately changed to one having an appropriate melting point according to the firing temperature. For example, the melting point of the sintering aid may be 1700° C. or lower, 1500° C. or lower, or 1200° C. or lower. Examples of transition metal oxides having such melting points include Mn 3 O 4 , NiO, CuO, Fe 2 O 3 , ZnO and CoO. By using these transition metal oxide particles as a sintering aid, the shrinkage initiation temperature can be suitably lowered.

また、ここに開示される支持体形成材料では、上記混合粉体の総重量(100wt%)に対する焼結助剤の含有量が0.1wt%以上1.2wt%以下である。具体的には、ここに開示される支持体形成材料では、焼成初期における絶縁性支持体の収縮量を確保してクラックを適切に防止するという観点から、焼結助剤の含有量の下限を0.1wt%以上に規定している。一方、焼結助剤は、焼成初期においてジルコニア粒子間の空隙を埋めるため、焼成後の絶縁性支持体の空孔率を低下させる要因にもなり得る。このため、ここに開示される支持体形成材料では、焼成後の絶縁性支持体の空孔率を確保するために、焼結助剤の含有量の上限を1.2wt%に規定している。なお、焼成初期におけるクラックの発生をより好適に防止するという観点から、焼結助剤の含有量の下限は0.2wt%以上が好ましく、0.4wt%以上がより好ましく、0.6wt%以上がさらに好ましく、0.8wt%以上が特に好ましい。また、焼成後の絶縁性支持体の空孔率を確保するという観点から、焼結助剤の含有量の上限は、1.1wt%以下がより好ましい。かかる焼結助剤の含有量の好適な一例として1wt%が挙げられる。 Further, in the support-forming material disclosed herein, the content of the sintering aid is 0.1 wt % or more and 1.2 wt % or less with respect to the total weight (100 wt %) of the mixed powder. Specifically, in the support-forming material disclosed herein, the lower limit of the content of the sintering aid is set to It is specified to be 0.1 wt% or more. On the other hand, since the sintering aid fills the voids between the zirconia particles at the initial stage of sintering, it can also be a factor in reducing the porosity of the insulating support after sintering. Therefore, in the support-forming material disclosed herein, the upper limit of the content of the sintering aid is set to 1.2 wt% in order to ensure the porosity of the insulating support after firing. . From the viewpoint of more preferably preventing the occurrence of cracks at the initial stage of firing, the lower limit of the content of the sintering aid is preferably 0.2 wt% or more, more preferably 0.4 wt% or more, and 0.6 wt% or more. is more preferable, and 0.8 wt% or more is particularly preferable. Moreover, from the viewpoint of securing the porosity of the insulating support after firing, the upper limit of the content of the sintering aid is more preferably 1.1 wt % or less. A suitable example of the content of such a sintering aid is 1 wt %.

以上のように、ここに開示される支持体形成材料では、所定量の焼結助剤を添加して収縮開始温度を低下させているため、焼成初期におけるクラックの発生を防止できる。そして、所定量の微粒ジルコニア粉体を含む混合粒子を用いて焼成収縮率を大きくしているため、焼成中期以降のクラックの発生を防止できる。そして、共焼成の各々の段階において適切にクラックの発生を防止できるため、必要以上に熱収縮率を大きくする必要がない。このため、焼成後の絶縁性支持体において好適な空孔率が得られるように、焼結助剤と微粒ジルコニア粉体の各々の含有量を規定できる。従って、ここに開示される支持体形成材料によると、共焼成におけるクラックの発生を防止でき、かつ、ガス透過性に優れた絶縁性支持体を形成できる。 As described above, in the support-forming material disclosed herein, a predetermined amount of sintering aid is added to lower the shrinkage start temperature, so cracks can be prevented from occurring in the initial stage of firing. Further, since the mixed particles containing a predetermined amount of fine zirconia powder are used to increase the firing shrinkage rate, cracks can be prevented from occurring after the middle stage of firing. In addition, cracks can be appropriately prevented from occurring at each stage of co-firing, so there is no need to increase the thermal shrinkage rate more than necessary. Therefore, the content of each of the sintering aid and the fine-grained zirconia powder can be defined so that a suitable porosity can be obtained in the insulating support after firing. Therefore, according to the support-forming material disclosed herein, it is possible to prevent the occurrence of cracks during co-firing and to form an insulating support excellent in gas permeability.

なお、焼結助剤の平均粒径が大きくなるにつれて、焼成初期の絶縁性支持体の収縮量が大きくなる傾向がある。この観点から、焼結助剤の平均粒径は、0.02μm以上が好ましく、0.1μm以上がより好ましく、0.5μm以上がさらに好ましく、1μm以上が特に好ましい。一方、焼成初期に支持体形成材料を均一に収縮させてクラックの発生をより好適に防止するという観点から、焼結助剤の平均粒径の上限は、30μm以下が好ましく、20μm以下がより好ましく、15μm以下がさらに好ましく、10μm以下が特に好ましい。 Incidentally, as the average particle size of the sintering aid increases, there is a tendency that the amount of shrinkage of the insulating support at the initial stage of firing increases. From this point of view, the average particle size of the sintering aid is preferably 0.02 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, still more preferably 0.5 μm or more, and particularly preferably 1 μm or more. On the other hand, the upper limit of the average particle size of the sintering aid is preferably 30 μm or less, more preferably 20 μm or less, from the viewpoint of uniformly shrinking the support-forming material at the initial stage of sintering and more preferably preventing the occurrence of cracks. , is more preferably 15 μm or less, and particularly preferably 10 μm or less.

3.他の成分
本発明の効果を阻害しない範囲であれば、ここに開示される支持体形成材料は、必要に応じて、任意で付加し得る他の成分(例えば、バインダや気孔形成材等)を含んでいてもよい。なお、支持体形成材料に添加され得る他の成分は、特に限定されるものではなく、絶縁性支持体の形成において従来公知の成分から適宜選択して用いることができる。例えば、バインダとして、セルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、カルボキシエチルセルロース、カルボキシエチルメチルセルロース、エチルセルロース、メチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、ブチラールおよびこれらの塩を用いることができる。なお、バインダの含有率は、特に限定されないが、混合粉体の総量を100wt%としたとき1wt%以上10wt%以下(例えば6.5wt%)であると好ましい。これによって、好適な形状のグリーンシートを成形できる。
3. Other components The support-forming material disclosed herein may optionally contain other components (for example, a binder, a pore-forming material, etc.) that can be optionally added, as long as they do not impair the effects of the present invention. may contain. Other components that can be added to the support-forming material are not particularly limited, and can be appropriately selected from conventionally known components for use in forming the insulating support. For example, cellulose, hydroxymethylcellulose, hydroxyethylcellulose, hydroxypropylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, carboxymethylcellulose, carboxyethylcellulose, carboxyethylmethylcellulose, ethylcellulose, methylcellulose, ethylhydroxyethylcellulose, butyral and salts thereof can be used as the binder. Although the content of the binder is not particularly limited, it is preferably 1 wt % or more and 10 wt % or less (for example, 6.5 wt %) when the total amount of the mixed powder is 100 wt %. Thereby, a green sheet having a suitable shape can be formed.

また、気孔形成材として、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、ポリスチレン樹脂、セルロース樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂からなる群から選択された1種以上の樹脂を含有する樹脂ビーズ、またはカーボン、でんぷんからなる粒子等を添加してもよい。これらの材料は、気孔形成材として好適に使用できる。また、これらの材料の中でも、アクリル樹脂、メタクリル樹脂からなる樹脂ビーズは、焼失温度が低いため気孔形成材として特に好適に使用できる。なお、複数の気孔が連通した開気孔を複数形成して絶縁性支持体のガス透過性をさらに向上させるという観点から、気孔形成材の平均粒径が1μm以上であり、かつ、混合粉体の総重量に対する気孔形成材の添加量が5wt%以上であることが好ましい。また、焼成後の絶縁性支持体の強度を考慮すると、気孔形成材の平均粒径が10μm以下であり、かつ、気孔形成材の添加量が25wt%以下であることが好ましい。 The pore-forming material is selected from the group consisting of acrylic resin, methacrylic resin, polystyrene resin, cellulose resin, polyvinyl acetal resin, polyester resin, polyurethane resin, epoxy resin, phenol resin, polyvinyl acetate resin, and polyvinyl alcohol resin. Resin beads containing one or more resins, or particles made of carbon, starch, or the like may be added. These materials are suitable for use as pore formers. Among these materials, resin beads made of acrylic resin or methacrylic resin can be particularly suitably used as the pore-forming material because of their low burnout temperature. From the viewpoint of further improving the gas permeability of the insulating support by forming a plurality of open pores in which a plurality of pores communicate with each other, the average particle size of the pore-forming material is 1 μm or more, and the mixed powder It is preferable that the amount of the pore-forming material added to the total weight is 5 wt % or more. Considering the strength of the insulating support after firing, it is preferable that the average particle diameter of the pore-forming material is 10 μm or less and the amount of the pore-forming material added is 25 wt % or less.

なお、ここに開示される支持体形成材料は、SOFCの絶縁性支持体を形成するために用いられる。ここで、上記遷移金属酸化物を含む焼結助剤が還元されると導電性材料になり得る。しかし、本発明者らの実験によると、焼結助剤として使用された遷移金属酸化物は還元され難く、少なくとも焼結助剤の含有量が5wt%以下であれば、SOFCが作動する高温の水素雰囲気下でも酸化物の状態が維持されるため、支持体の絶縁性を確保できることが確認されている。このため、ここに開示される支持体形成材料は、電子伝導性を有する導電性材料を実質的に含有しないということができ、SOFCの絶縁性支持体を好適に形成することができる。 It should be noted that the support-forming material disclosed herein is used to form the insulating support of the SOFC. Here, when the sintering aid containing the transition metal oxide is reduced, it can become a conductive material. However, according to experiments by the present inventors, the transition metal oxide used as a sintering aid is difficult to be reduced, and at least if the content of the sintering aid is 5 wt % or less, the high temperature at which the SOFC operates can be reduced. Since the oxide state is maintained even in a hydrogen atmosphere, it has been confirmed that the insulating properties of the support can be ensured. Therefore, it can be said that the support-forming material disclosed herein does not substantially contain a conductive material having electron conductivity, and can suitably form an insulating support for SOFC.

また、上記したように、ここに開示される支持体形成材料は、焼成後の支持体の絶縁性を確保するために、電子伝導性を有する導電性材料を実質的に含有しない。かかる導電性材料の一例として、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、金(Au)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、コバルト(Co)、ランタン(La)、ストロンチウム(Sr)、チタン(Ti)等が挙げられる。なお、ここでいう「導電性材料を実質的に含有しない」とは、焼成後の支持体に導電性を付与する意図で導電性材料が添加されていないことを指す。したがって、焼成後の支持体の絶縁性が確保されている前提で導電性材料と解釈され得る成分が微量に添加される場合は、本明細書における「導電性材料を実質的に含有しない」の概念に包含される。例えば、上記混合粉体の総重量(100wt%)に対する導電性材料の含有量が5wt%以下(好ましくは1wt%以下、より好ましくは0.1wt%以下、さらに好ましくは0.01wt%以下、特に好ましくは0.001wt%以下)である場合、焼成後の支持体の絶縁性を確保できるため、「導電性材料を実質的に含有しない」ということができる。 In addition, as described above, the support-forming material disclosed herein does not substantially contain a conductive material having electronic conductivity in order to ensure the insulating properties of the support after firing. Examples of such conductive materials include nickel (Ni), copper (Cu), gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), cobalt (Co), lanthanum (La), strontium ( Sr), titanium (Ti), and the like. The phrase "substantially contains no conductive material" as used herein means that no conductive material is added with the intention of imparting conductivity to the support after firing. Therefore, when a trace amount of a component that can be interpreted as a conductive material is added on the premise that the insulation of the support after firing is ensured, the term "substantially does not contain a conductive material" in the present specification is used. subsumed in the concept. For example, the content of the conductive material with respect to the total weight (100 wt%) of the mixed powder is 5 wt% or less (preferably 1 wt% or less, more preferably 0.1 wt% or less, still more preferably 0.01 wt% or less, particularly (preferably 0.001 wt % or less), the insulating properties of the support after firing can be ensured, so it can be said that "the conductive material is not substantially contained".

<SOFCの製造>
次に、上述の支持体形成材料を用いたSOFCの製造について説明する。本実施形態における製造方法は、グリーンシート作製工程と、グリーンシート積層工程と、焼成工程を包含する。かかる製造方法では、絶縁性支持体、燃料極、固体電解質層、空気極の各層のグリーンシートを同時に焼成する、いわゆる共焼成を実施する。以下、各工程について説明する。
<Manufacture of SOFC>
Next, the manufacture of SOFC using the support-forming material described above will be described. The manufacturing method in this embodiment includes a green sheet manufacturing process, a green sheet lamination process, and a firing process. In such a manufacturing method, so-called co-firing is performed in which the green sheets of each layer of the insulating support, fuel electrode, solid electrolyte layer, and air electrode are fired at the same time. Each step will be described below.

1.グリーンシート作製工程
本工程では、SOFCを構成する各層(絶縁性支持体、燃料極、固体電解質層、空気極)のグリーンシートを作製する。ここでは、まず、上述した支持体形成材料を所定の分散媒(例えば、水)に分散させたスラリーを調製する。かかるスラリーの調製は、例えば、支持体形成材料と分散媒を任意の撹拌・混合装置に投入し、撹拌混合することによって行われる。かかる撹拌混合には、ボールミル、ミキサー、ディスパー、ニーダ等の従来公知の種々の装置を用いることができる。なお、かかるスラリーの調製において、潤滑剤や離型剤等の添加剤を添加してもよい。これによって、グリーンシートを容易に成形できる。なお、潤滑剤や離型剤には、グリーンシートの成形に用いられ得る材料を特に制限なく使用でき、本発明を限定するものでないため詳細な説明は省略する。
1. Green Sheet Production Process In this process, green sheets for each layer (insulating support, fuel electrode, solid electrolyte layer, air electrode) constituting the SOFC are produced. Here, first, a slurry is prepared by dispersing the support-forming material described above in a predetermined dispersion medium (for example, water). Such a slurry is prepared, for example, by putting the support-forming material and the dispersion medium into an arbitrary stirring/mixing device and stirring and mixing them. Various conventionally known devices such as ball mills, mixers, dispersers and kneaders can be used for such stirring and mixing. Additives such as lubricants and release agents may be added in the preparation of the slurry. This makes it possible to easily form the green sheet. As the lubricant and release agent, any material that can be used for molding the green sheet can be used without particular limitation, and detailed description thereof will be omitted since the present invention is not limited.

本工程では、次に、調製したスラリーを成形して、所望の形状のグリーンシート(絶縁性支持体用のグリーンシート)を作製する。グリーンシートを成形する手段は、特に限定されず、真空押出成形等の従来公知の手段を採用できる。そして、成形後のグリーンシートは、ここに開示される支持体形成材料を固形物として含有する。具体的には、成形後のグリーンシートは、平均粒径が1μm以上4μm以下の粗粒ジルコニア粉体、および平均粒径が0.1μm以上0.5μm以下の微粒ジルコニア粉体を少なくとも含む混合粉体と、遷移金属酸化物の粒子を含む焼結助剤とを固形分として含有する。そして、当該グリーンシートでは、混合粉体の総重量を100wt%としたときの微粒ジルコニア粉体の重量が20wt%以上80wt%以下であり、混合粉体の総重量を100wt%としたときの焼結助剤の含有量が0.1wt%以上1.2wt%以下である。 In this step, the prepared slurry is then molded to produce a green sheet (green sheet for insulating support) having a desired shape. The means for molding the green sheet is not particularly limited, and conventionally known means such as vacuum extrusion molding can be employed. After molding, the green sheet contains the support-forming material disclosed herein as a solid. Specifically, the green sheet after molding is a mixed powder containing at least coarse-grained zirconia powder having an average particle diameter of 1 μm or more and 4 μm or less and fine-grained zirconia powder having an average particle diameter of 0.1 μm or more and 0.5 μm or less. It contains as solids a body and a sintering aid comprising particles of a transition metal oxide. In the green sheet, the weight of the fine zirconia powder is 20 wt% or more and 80 wt% or less when the total weight of the mixed powder is 100 wt%, and the total weight of the mixed powder is 100 wt%. The content of the binder is 0.1 wt % or more and 1.2 wt % or less.

2.グリーンシート積層工程
本工程では、上述した支持体形成用のグリーンシートを含む各層のグリーンシートを積層させる。具体的には、本工程では、絶縁性支持体、燃料極、固体電解質層、空気極の各々のグリーンシートをこの順に積層させることによって、SOFCの前駆物質である積層体を作製する。なお、絶縁性支持体以外の層(燃料極、固体電解質層、空気極)のグリーンシートは、この種のSOFCの製造で用いられ得るものであれば特に限定されず、本発明を限定するものではないため詳細な説明を省略する。
2. Green Sheet Lamination Step In this step, the green sheets of each layer including the green sheet for forming the support are laminated. Specifically, in this step, green sheets of an insulating support, a fuel electrode, a solid electrolyte layer, and an air electrode are laminated in this order to produce a laminate, which is a precursor of the SOFC. In addition, the green sheet of the layers (fuel electrode, solid electrolyte layer, air electrode) other than the insulating support is not particularly limited as long as it can be used in the production of this type of SOFC, and the present invention is limited. Therefore, detailed description is omitted.

3.焼成工程
本工程では、作製した積層体を焼成する共焼成を行う。これによって、各層のグリーンシートが同時に焼成されて、絶縁性支持体と燃料極と固体電解質層と空気極とを備えたSOFCが作製される。本工程における焼成温度は、例えば凡そ1200℃~1500℃(例えば1400℃)とすることができる。また、焼成時間は、例えば凡そ1時間~5時間とすることができる。
3. Firing Step In this step, co-firing for firing the produced laminate is performed. As a result, the green sheets of each layer are fired at the same time to produce an SOFC including an insulating support, a fuel electrode, a solid electrolyte layer, and an air electrode. The firing temperature in this step can be, for example, approximately 1200° C. to 1500° C. (eg, 1400° C.). Also, the firing time can be, for example, about 1 hour to 5 hours.

上記したように、ここに開示される技術では、絶縁性支持体形成用のグリーンシートに、0.1wt%以上の焼結助剤が含まれている。これによって、絶縁性支持体形成用のグリーンシートの収縮開始温度が低下しているため、焼成初期における絶縁性支持体と他の層との収縮量の違いによってクラックが生じることを防止できる。さらに、ここに開示されるグリーンシートには、20wt%以上の微粒ジルコニア粉体を含む混合粉体が用いられている。これによって、グリーンシートの焼成収縮率が向上しているため、焼成中期以降の他の層との収縮量の違いによってクラックが生じることを防止できる。このため、ここに開示される技術によると、共焼成におけるクラックの発生を好適に防止できる。 As described above, in the technique disclosed herein, the green sheet for forming the insulating support contains 0.1 wt % or more of the sintering aid. As a result, since the shrinkage start temperature of the green sheet for forming the insulating support is lowered, it is possible to prevent cracks from occurring due to the difference in the amount of shrinkage between the insulating support and other layers in the initial stage of firing. Furthermore, the green sheet disclosed herein uses mixed powder containing 20 wt % or more of fine zirconia powder. As a result, since the shrinkage rate of the green sheet is improved, it is possible to prevent the occurrence of cracks due to the difference in the amount of shrinkage between the green sheet and the other layers after the middle stage of firing. Therefore, according to the technology disclosed herein, the occurrence of cracks during co-firing can be suitably prevented.

そして、ここに開示される技術では、焼結助剤の含有量の上限が1.2wt%に規定されており、かつ、微粒ジルコニア粉体の含有量の上限が80wt%以下に規定されている。これによって、焼成後の絶縁性支持体の気孔率を維持することができるため、ガス透過性に優れた絶縁性支持体を形成できる。 In the technology disclosed herein, the upper limit of the content of the sintering aid is set at 1.2 wt%, and the upper limit of the content of the fine zirconia powder is set at 80 wt% or less. . As a result, the porosity of the insulating support after sintering can be maintained, so that an insulating support having excellent gas permeability can be formed.

4.SOFC
次に、ここに開示される支持体形成材料を用いて作製されたSOFCの一例を説明する。図1は、本実施形態に係るSOFCの層構成を模式的に示す図である。図1に示すように、本実施形態に係るSOFC10は、絶縁性支持体12、燃料極14、固体電解質層16、空気極18を備えている。
4. SOFCs
Next, an example of SOFC manufactured using the support-forming material disclosed herein will be described. FIG. 1 is a diagram schematically showing the layer structure of an SOFC according to this embodiment. As shown in FIG. 1, the SOFC 10 according to this embodiment includes an insulating support 12, a fuel electrode 14, a solid electrolyte layer 16, and an air electrode 18. As shown in FIG.

(1)絶縁性支持体
絶縁性支持体12は、ここに開示される支持体形成材料を用いて形成されている。すなわち、絶縁性支持体12は、導電性材料を実質的に含有しておらず、上述したジルコニア粉体に由来するジルコニア系成分(YSZ等)を主成分として含有している。そして、ここに開示されるSOFC10の絶縁性支持体12には、上記焼結助剤に由来する遷移金属酸化物が含まれている。そして、この絶縁性支持体12では、ジルコニア系成分と遷移金属酸化物との重量比率が、材料として使用した支持体形成材料における混合粒子と焼結助剤との比率と略同等になり得る。すなわち、ここに開示されるSOFC10の絶縁性支持体12は、ジルコニア系成分の総重量を100wt%としたときの遷移金属酸化物の合計重量が0.1wt%以上1.2wt%以下になり得る。
(1) Insulating Support The insulating support 12 is formed using the support-forming material disclosed herein. That is, the insulating support 12 does not substantially contain a conductive material, but contains a zirconia-based component (YSZ, etc.) derived from the zirconia powder described above as a main component. The insulating support 12 of the SOFC 10 disclosed herein contains a transition metal oxide derived from the sintering aid. In this insulating support 12, the weight ratio of the zirconia-based component and the transition metal oxide can be approximately the same as the ratio of the mixed particles and the sintering aid in the support-forming material used as the material. That is, in the insulating support 12 of the SOFC 10 disclosed herein, the total weight of the transition metal oxides can be 0.1 wt% or more and 1.2 wt% or less when the total weight of the zirconia-based components is 100 wt%. .

さらに、上記したように、ここに開示される支持体形成材料では、焼成後の絶縁性支持体12が好適な気孔率を維持できるように、微粒ジルコニア粉体と焼結助剤の含有量の上限が規定されている。このため、この絶縁性支持体12では、5%以上という好適な気孔率を有している。これによって、絶縁性支持体12の下面から供給された燃料ガスを燃料極14に好適に供給することができる。なお、絶縁性支持体12におけるガス透過性をより向上させるという観点から、当該絶縁性支持体12の気孔率は、7%以上であることが好ましく、10%以上であることがより好ましく、13%以上であることがさらに好ましい。また、上記気孔率の上限は、絶縁性支持体12の強度を所定以上(例えば29MPa以上)確保することができれば特に限定されず、90%以下であってもよく、80%以下であってもよく、70%以下であってもよく、60%以下であってもよい。 Furthermore, as described above, in the support-forming material disclosed herein, the contents of the fine-grained zirconia powder and the sintering aid are adjusted so that the insulating support 12 after firing maintains a suitable porosity. An upper limit is specified. Therefore, the insulating support 12 has a preferable porosity of 5% or more. Thereby, the fuel gas supplied from the lower surface of the insulating support 12 can be suitably supplied to the fuel electrode 14 . From the viewpoint of further improving the gas permeability of the insulating support 12, the porosity of the insulating support 12 is preferably 7% or more, more preferably 10% or more. % or more is more preferable. In addition, the upper limit of the porosity is not particularly limited as long as a predetermined strength (for example, 29 MPa or more) of the insulating support 12 can be secured, and may be 90% or less, or 80% or less. It may be 70% or less, or 60% or less.

なお、燃料極14、固体電解質層16、空気極18の各々を適切に支持して電池形状を維持するという観点から、絶縁性支持体12の強度(JIS R 1601に準じた3点曲げ強度)は、上記の通りに29MPa以上であれば適当であり、50MPa以上が好ましく、100MPa以上がより好ましく、120MPa以上がさらに好ましく、130MPa以上が特に好ましい。ここで、焼結助剤が溶融固化した遷移金属酸化物は、絶縁性支持体12の内部においてジルコニア系成分の隙間を満たすように存在するため、絶縁性支持体12の多孔質構造の強度向上にも貢献できる。このため、支持体形成材料中の焼結助剤の含有量を増加させることによって、上述の強度を有する絶縁性支持体12を容易に形成することもできる。 From the viewpoint of appropriately supporting each of the fuel electrode 14, the solid electrolyte layer 16, and the air electrode 18 to maintain the shape of the battery, the strength of the insulating support 12 (three-point bending strength according to JIS R 1601) is suitable as long as it is 29 MPa or more, preferably 50 MPa or more, more preferably 100 MPa or more, still more preferably 120 MPa or more, and particularly preferably 130 MPa or more. Here, since the transition metal oxide obtained by melting and solidifying the sintering aid exists so as to fill the gaps between the zirconia-based components inside the insulating support 12, the strength of the porous structure of the insulating support 12 is improved. can also contribute to Therefore, by increasing the content of the sintering aid in the support-forming material, the insulating support 12 having the strength described above can be easily formed.

(2)燃料極
燃料極14は、絶縁性支持体12の上に形成されている。この燃料極14は、例えば、導電性材料(触媒活性を有する材料)を含有する多孔質体である。燃料極14は、絶縁性支持体12と同様に、下面から上面まで連なる多数の連通細孔を有している。これによって、燃料極14の全域に燃料ガスを供給できる。なお、燃料極14の気孔率は、5~20%の範囲内、例えば15%程度であることが好ましい。また、特に限定はされないが、燃料極14に使用され得る導電性材料としては、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、金(Au)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、コバルト(Co)、ランタン(La)、ストロンチウム(Sr)、チタン(Ti)等の金属、若しくはこれらの金属酸化物が挙げられる。かかる材料は、1種を単独で、または2種以上を適宜組み合せて用いることができる。なかでもニッケルは、他の金属に比べて安価であり、且つ高い反応活性を示す(燃料ガスとの反応性が十分に大きい)ことから特に好適である。また、燃料極14は、上記絶縁性支持体12と同種のジルコニア系酸化物(例えばYSZ)を含んでいてもよい。この場合、導電性材料とジルコニア系酸化物との混合割合は、例えば質量比で3:7~7:3の範囲内、例えば、6:4程度であると好ましい。
(2) Fuel Electrode The fuel electrode 14 is formed on the insulating support 12 . This fuel electrode 14 is, for example, a porous body containing a conductive material (material having catalytic activity). Like the insulating support 12, the fuel electrode 14 has a large number of communicating pores extending from the bottom surface to the top surface. Thereby, the fuel gas can be supplied to the entire area of the fuel electrode 14 . The porosity of the fuel electrode 14 is preferably in the range of 5-20%, for example, about 15%. Although not particularly limited, conductive materials that can be used for the fuel electrode 14 include nickel (Ni), copper (Cu), gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), and ruthenium (Ru). , cobalt (Co), lanthanum (La), strontium (Sr), titanium (Ti), or metal oxides thereof. Such materials can be used singly or in appropriate combination of two or more. Among them, nickel is particularly suitable because it is less expensive than other metals and exhibits high reaction activity (sufficiently high reactivity with fuel gas). Further, the fuel electrode 14 may contain the same zirconia-based oxide (for example, YSZ) as the insulating support 12 . In this case, the mixing ratio of the conductive material and the zirconia-based oxide is preferably in the range of 3:7 to 7:3, for example, about 6:4 in mass ratio.

(3)固体電解質層
固体電解質層16は、燃料極14の上に形成されている。この固体電解質層16は、イオン伝導性を有する固体電解質を含む緻密層である。当該固体電解質としては、上述した絶縁性支持体12と同種のジルコニア系酸化物(例えばYSZ)等を使用できる。固体電解質層16の厚さは、例えば1以上μm10以下μmであると好ましく、例えば3μm程度である。なお、固体電解質層16の相対密度は、例えば、95~100(%)程度である。
(3) Solid Electrolyte Layer The solid electrolyte layer 16 is formed on the fuel electrode 14 . This solid electrolyte layer 16 is a dense layer containing a solid electrolyte having ion conductivity. As the solid electrolyte, a zirconia-based oxide (for example, YSZ) similar to that of the insulating support 12 described above can be used. The thickness of the solid electrolyte layer 16 is preferably 1 μm or more and 10 μm or less, for example, about 3 μm. Incidentally, the relative density of the solid electrolyte layer 16 is, for example, about 95 to 100 (%).

(4)空気極
空気極18は、固体電解質層16の上に形成されている。この空気極18は、例えば(La,Sr)CoO(例えば、La0.6Sr0.4CoO;以下、適宜LSCという)や、(La,Sr)(Co,Fe)O(例えば、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8;以下、適宜LSCFという)等のLa,Sr,Coを含むペロブスカイト型酸化物から構成されている。これらLSCおよびLSCFは、A,B両サイトの置換割合を種々定め得るもので、所望するイオン伝導性や還元膨張率等に応じて適宜の置換割合のものを用いることができる。また、空気極18は、絶縁性支持体12や燃料極14と同様に、多孔体であり、上面から下面まで連なる多数の連通細孔を有している。これによって、空気(酸素)を空気極18の全域に分散・供給することができる。
(4) Air electrode The air electrode 18 is formed on the solid electrolyte layer 16 . The air electrode 18 is, for example, (La, Sr) CoO 3 (eg, La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 ; hereinafter referred to as LSC) or (La, Sr) (Co, Fe) O 3 (eg, , La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 ; hereinafter referred to as LSCF). For these LSC and LSCF, the substitution ratio of both the A and B sites can be determined variously, and suitable substitution ratios can be used according to the desired ionic conductivity, reduction expansion coefficient, and the like. Similarly to the insulating support 12 and the fuel electrode 14, the air electrode 18 is a porous body and has a large number of communicating pores extending from the upper surface to the lower surface. As a result, air (oxygen) can be dispersed and supplied to the entire air electrode 18 .

上記した通り、本実施形態に係るSOFC10の絶縁性支持体12は、クラック発生防止のための対策が採られているにもかかわらず、5%以上の気孔率が維持されているため、十分なガス透過性を発揮できる。 As described above, the insulating support 12 of the SOFC 10 according to the present embodiment maintains a porosity of 5% or more in spite of the measures taken to prevent cracks. It can exhibit gas permeability.

[試験例]
以下、本発明に関するいくつかの試験例を説明するが、本発明をかかる試験例に示すものに限定することを意図したものではない。
[Test example]
Some test examples relating to the present invention will be described below, but the present invention is not intended to be limited to those shown in such test examples.

A.第1の試験
本試験では、組成の異なる4種類の支持体形成材料(サンプル1~4)を準備し、各々の支持体形成材料を用いてグリーンシートを作製した。そして、当該グリーンシートの焼成中にクラックが発生するか否かを評価した。
A. First Test In this test, four types of support-forming materials (Samples 1 to 4) having different compositions were prepared, and green sheets were produced using each of the support-forming materials. Then, it was evaluated whether or not cracks would occur during firing of the green sheet.

1.サンプルの作製
(1)サンプル1
粗粒ジルコニア粉体(平均粒径1.5μmの8YSZ)と、微粒ジルコニア粉体(平均粒径が0.25μmの8YSZ)とを含む混合粉体と、焼結助剤(平均粒径1.69μmのMn)と、気孔形成材(アクリル系微粒子)と、メチルセルロース系バインダとを双腕ニーダで混合して支持体形成材料を調製した。粗粒ジルコニア粉体と微粒ジルコニア粉体と焼結助剤の含有量を表1に示す。なお、気孔形成材は、粗粒ジルコニア粉体100wt%に対して9wt%添加した。また、バインダは、粗粒ジルコニア粉体100wt%に対して7wt%添加した。
1. Sample preparation (1) Sample 1
Mixed powder containing coarse-grained zirconia powder (8YSZ with an average particle size of 1.5 μm) and fine-grained zirconia powder (8YSZ with an average particle size of 0.25 μm), and a sintering aid (average particle size of 1.5 μm). Mn 3 O 4 of 69 μm), a pore-forming material (acrylic fine particles), and a methylcellulose binder were mixed with a double-arm kneader to prepare a support-forming material. Table 1 shows the contents of coarse-grained zirconia powder, fine-grained zirconia powder, and sintering aid. 9 wt % of the pore-forming material was added to 100 wt % of the coarse-grained zirconia powder. 7 wt % of the binder was added to 100 wt % of the coarse-grained zirconia powder.

(2)サンプル2~4
焼結助剤に関する条件を変更した点を除いてサンプル1と同じ条件で支持体形成材料を作製した。具体的には、サンプル2では、焼結助剤としてNiOを使用した。また、サンプル3では、焼結助剤としてMgOを使用した。そして、サンプル4では、焼結助剤を添加しない支持体形成材料を作製した。
(2) Samples 2-4
A support-forming material was prepared under the same conditions as Sample 1, except that the conditions regarding the sintering aid were changed. Specifically, in sample 2, NiO was used as a sintering aid. Also, in sample 3, MgO was used as a sintering aid. Then, in Sample 4, a support-forming material was prepared without adding a sintering aid.

2.評価試験
(1)絶縁性支持体の作製
評価試験では、まず、各サンプルの支持体形成材料を用いて絶縁性支持体を作製した。具体的には、上述した支持体形成材料に適量の分散媒(水)を添加し、ニーダ(回転数:25rpm)で25分間混練することによってグリーンシート成形用のスラリーを調製した。次に、調製したスラリーを真空押出成形機を用いて円板状に押出成形した。そして、熱風乾燥機(110℃)で10時間乾燥することによって、絶縁性支持体用のグリーンシートを作製した。
2. Evaluation Test (1) Production of Insulating Support In the evaluation test, first, an insulating support was produced using the support-forming material of each sample. Specifically, an appropriate amount of dispersion medium (water) was added to the support-forming material described above, and the mixture was kneaded for 25 minutes in a kneader (rotation speed: 25 rpm) to prepare a slurry for forming a green sheet. Next, the prepared slurry was extruded into a disk shape using a vacuum extruder. Then, by drying with a hot air dryer (110° C.) for 10 hours, a green sheet for an insulating support was produced.

そして、当該支持体用のグリーンシートの表面に、燃料極用ペースト(主成分:NiO)と、固体電解質層用ペースト(主成分:YSZ)を順次印刷した後、焼成温度1400℃に設定した電気炉内で2時間保持することによって焼成し、評価試験用のSOFCのハーフセルを得た。図2に示すように、かかるハーフセル100は、円板状の絶縁性支持体120の上面に、一対の燃料極140が間隔を空けて形成されている。そして、当該一対の燃料極140を跨ぐように固体電解質層160が形成されている。 Then, a fuel electrode paste (main component: NiO) and a solid electrolyte layer paste (main component: YSZ) are sequentially printed on the surface of the green sheet for the support, and then the firing temperature is set to 1400 ° C. It was sintered by holding it in a furnace for 2 hours to obtain a SOFC half cell for evaluation test. As shown in FIG. 2, such a half cell 100 has a pair of fuel electrodes 140 formed on the upper surface of a disk-shaped insulating support 120 with a gap therebetween. A solid electrolyte layer 160 is formed across the pair of fuel electrodes 140 .

(2)表面観察
上記ハーフセル100の燃料極140と固体電解質層160との境界をレーザー顕微鏡(倍率:400倍)で観察し、当該境界にクラックが発生して絶縁性支持体120が露出しているか否かを調べた。評価結果を表1に示すと共に、サンプル1、4のレーザー顕微鏡写真を図3、4に示す。
(2) Surface observation The boundary between the fuel electrode 140 and the solid electrolyte layer 160 of the half cell 100 was observed with a laser microscope (magnification: 400x). I checked if there was The evaluation results are shown in Table 1, and laser microscope photographs of samples 1 and 4 are shown in FIGS.

Figure 0007285117000001
Figure 0007285117000001

表1および図3に示すとおり、サンプル1では、絶縁性支持体120が露出しておらず、燃料極140と固体電解質層160との境界におけるクラックが抑制されていた。また、サンプル2についても同様の結果が得られた。一方、表1および図4に示すように、サンプル4ではクラックが発生し、絶縁性支持体120が露出していた。このことから、支持体形成材料に焼結助剤を添加することによって、共焼成におけるクラックの発生を抑制できることが分かった。さらに、サンプル3では、金属酸化物(MgO)を添加しているにもかかわらず、サンプル4と同様のクラックが発生していた。このことから、焼結助剤には、遷移金属酸化物を使用する必要があることが分かった。 As shown in Table 1 and FIG. 3, in sample 1, the insulating support 120 was not exposed, and cracks at the boundary between the fuel electrode 140 and the solid electrolyte layer 160 were suppressed. Similar results were obtained for sample 2 as well. On the other hand, as shown in Table 1 and FIG. 4, cracks occurred in Sample 4, and the insulating support 120 was exposed. From this, it was found that the addition of a sintering aid to the support-forming material can suppress the occurrence of cracks during co-firing. Furthermore, in sample 3, cracks similar to those in sample 4 occurred despite the addition of metal oxide (MgO). From this, it turned out that it is necessary to use a transition metal oxide as a sintering aid.

B.第2の試験
本試験では、微粒ジルコニア粉体や焼結助剤の含有量を異ならせた13種類の支持体形成材料(サンプル5~17)を作製し、クラックの防止と気孔率の維持を両立できる条件について調べた。
B. Second test In this test, 13 types of support forming materials (Samples 5 to 17) with different contents of fine zirconia powder and sintering aid were prepared to prevent cracks and maintain porosity. We investigated compatibility conditions.

1.サンプルの作製
粗粒ジルコニア粉体(平均粒径1.5μmの8YSZ)と、微粒ジルコニア粉体(平均粒径が0.25μmの8YSZ)とを含む混合粉体と、焼結助剤(平均粒径1.69μmのMn)と、メチルセルロース系バインダとを双腕ニーダで混合して支持体形成材料を調製した。このとき、混合粉体(100wt%)に対する微粒ジルコニア粉体の含有量を0wt%~100wt%の範囲内で異ならせると共に、焼結助剤の含有量を0wt%~5wt%の範囲内で異ならせることによって、13種類の支持体形成材料(サンプル5~17)を作製した。各サンプルの組成を表2に示す。なお、他の条件は、上記第1の試験のサンプル1と同じ条件に設定した。
1. Sample preparation A mixed powder containing coarse-grained zirconia powder (8YSZ with an average particle size of 1.5 μm) and fine-grained zirconia powder (8YSZ with an average particle size of 0.25 μm), and a sintering aid (average particle size Mn 3 O 4 having a diameter of 1.69 μm) and a methyl cellulose binder were mixed with a double-arm kneader to prepare a support forming material. At this time, the content of the fine zirconia powder with respect to the mixed powder (100 wt%) is varied within the range of 0 wt% to 100 wt%, and the content of the sintering aid is varied within the range of 0 wt% to 5 wt%. Thirteen kinds of support-forming materials (Samples 5 to 17) were prepared by applying them. Table 2 shows the composition of each sample. Other conditions were set to be the same as those of sample 1 of the first test.

2.評価試験
上記第1の試験と同様の条件でSOFCのハーフセル100を作製し、レーザー顕微鏡を用いてクラックの発生の有無を調べた。結果を表2に示す。
加えて、本試験では、SEMを用いて絶縁性支持体の表面を観察した。サンプル6の表面SEM観察画像を図5に示し、サンプル10の表面SEM観察画像を図6に示し、サンプル14の表面SEM観察画像を図7に示す。
2. Evaluation Test An SOFC half-cell 100 was fabricated under the same conditions as in the first test, and the presence or absence of crack generation was examined using a laser microscope. Table 2 shows the results.
In addition, in this test, SEM was used to observe the surface of the insulating support. A surface SEM observation image of sample 6 is shown in FIG. 5, a surface SEM observation image of sample 10 is shown in FIG. 6, and a surface SEM observation image of sample 14 is shown in FIG.

さらに、本試験では、各サンプルの絶縁性支持体に対して、アルキメデス法に基づいた気孔率測定を行った。具体的には、まず、各サンプルの絶縁性支持体の乾燥重量Wairを測定した。次に、各サンプルを蒸留水に浸けた後に真空ポンプ付きのデシケータ内に入れ、45分真空引きを行い、絶縁性支持体の水中重量Waqと含水重量WA+wを測定した。そして、下記の式(1)に基づいて気孔率(P)を算出した。そして、気孔率が5%以上の場合を「可」と評価し、5%未満の場合を「不可」と評価した。結果を表2に示す。
P=(WA+w-WAir)/(WA+w-Waq) (1)
Furthermore, in this test, porosity measurement based on the Archimedes method was performed on the insulating support of each sample. Specifically, first, the dry weight W air of the insulating support of each sample was measured. Next, each sample was immersed in distilled water, placed in a desiccator equipped with a vacuum pump, vacuumed for 45 minutes, and measured for the underwater weight W aq and water content W A+w of the insulating support. Then, the porosity (P) was calculated based on the following formula (1). A porosity of 5% or more was evaluated as "acceptable", and a porosity of less than 5% was evaluated as "impossible". Table 2 shows the results.
P=(W A+w −W Air )/(W A+w −W aq ) (1)

Figure 0007285117000002
Figure 0007285117000002

表2に示すとおり、サンプル9、14を除く各サンプルにおいて、共焼成におけるクラックの発生が防止されていた。このことから、焼結助剤の含有量を0.1wt%以上、微粒ジルコニア粉体の含有量を20wt%以上とすることによって、共焼成におけるクラックの発生を防止できることが分かった。一方、気孔率の測定結果より、1.5wt%以上の焼結助剤を含むサンプル5、8、15~17や、微粒ジルコニア粉体の含有量が100wt%のサンプル10では、気孔率の顕著な低下が確認された。このことから、焼成後の絶縁性支持体の気孔率を好適な状態に維持するには、焼結助剤の含有量の上限を1.2wt%以下、微粒ジルコニア粉体の含有量の上限を80wt%以下に規定する必要があることが分かった。 As shown in Table 2, in each sample except for samples 9 and 14, the occurrence of cracks during co-firing was prevented. From this, it was found that cracks during co-firing can be prevented by setting the content of the sintering aid to 0.1 wt % or more and the content of the fine zirconia powder to 20 wt % or more. On the other hand, according to the results of porosity measurement, samples 5, 8, 15 to 17 containing 1.5 wt% or more of the sintering aid, and sample 10 containing 100 wt% of fine zirconia powder had a significant porosity. decrease was confirmed. From this, in order to maintain the porosity of the insulating support after sintering in a suitable state, the upper limit of the content of the sintering aid is 1.2 wt% or less, and the upper limit of the content of the fine zirconia powder is 1.2 wt% or less. It turned out that it is necessary to specify 80 wt% or less.

また、各サンプルの表面SEM観察画像より、微粒ジルコニア粉体のみを使用したサンプル10(図6参照)では表面が滑らかな絶縁性支持体が形成され、粗粒ジルコニア粉体のみを使用したサンプル14(図7参照)では表面に波状の凹凸を複数有する絶縁性支持体が形成されていた。そして、微粒ジルコニア粉体と粗粒ジルコニア粉体を含む混合粉体を使用したサンプル6(図5参照)では、波状の凹凸がサンプル14よりも少ない絶縁性支持体が形成されていた。 Further, from the surface SEM observation images of each sample, sample 10 (see FIG. 6) using only fine-grained zirconia powder formed an insulating support with a smooth surface, and sample 14 using only coarse-grained zirconia powder was formed. (See FIG. 7), an insulating support having a plurality of wavy irregularities on its surface was formed. Sample 6 (see FIG. 5), which uses a mixed powder containing fine-grained zirconia powder and coarse-grained zirconia powder, formed an insulating support with less wavy unevenness than sample 14.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.

10 SOFC
12、120 絶縁性支持体
14、140 燃料極
16、160 固体電解質層
18 空気極
100 ハーフセル
10 SOFCs
Reference Signs List 12, 120 insulating support 14, 140 fuel electrode 16, 160 solid electrolyte layer 18 air electrode 100 half cell

Claims (4)

固体酸化物形燃料電池の燃料極を支持する多孔体である絶縁性支持体を形成するための支持体形成材料であって、
平均粒径が1μm以上4μm以下の粗粒ジルコニア粉体、および平均粒径が0.1μm以上0.5μm以下の微粒ジルコニア粉体を少なくとも含む混合粉体と、
遷移金属酸化物の粒子を含む焼結助剤と
を含有し、
前記混合粉体の総重量を100wt%としたときの前記微粒ジルコニア粉体の重量が20wt%以上80wt%以下であり、
前記混合粉体の総重量を100wt%としたときの前記焼結助剤の含有量が0.1wt%以上1.2wt%以下である、固体酸化物形燃料電池の支持体形成用材料。
A support-forming material for forming an insulating support that is a porous body that supports a fuel electrode of a solid oxide fuel cell,
mixed powder containing at least coarse zirconia powder with an average particle size of 1 μm or more and 4 μm or less and fine zirconia powder with an average particle size of 0.1 μm or more and 0.5 μm or less;
a sintering aid comprising transition metal oxide particles;
The weight of the fine zirconia powder is 20 wt% or more and 80 wt% or less when the total weight of the mixed powder is 100 wt%,
A support-forming material for a solid oxide fuel cell, wherein the content of the sintering aid is 0.1 wt % or more and 1.2 wt % or less when the total weight of the mixed powder is 100 wt %.
前記焼結助剤の平均粒径が0.02μm以上30μm以下である、請求項1に記載の支持体形成用材料。 2. The material for forming a support according to claim 1, wherein the sintering aid has an average particle size of 0.02 [mu]m or more and 30 [mu]m or less. 前記焼結助剤は、Mn、NiO、CuO、Fe、ZnO、CoOからなる群から選択された1種以上の粒子を含む、請求項1または2に記載の支持体形成用材料。 Support formation according to claim 1 or 2, wherein the sintering aid comprises one or more particles selected from the group consisting of Mn3O4 , NiO , CuO, Fe2O3 , ZnO, CoO. material. 燃料ガスを透過させる多孔体であり、ジルコニア系成分を含有する絶縁性支持体と、
前記絶縁性支持体上に形成された燃料極と、
前記燃料極上に形成された固体電解質層と、
前記固体電解質層上に形成された空気極と
を備えた固体酸化物形燃料電池であって、
前記絶縁性支持体は、遷移金属酸化物を含有し、前記ジルコニア系成分の総重量を100wt%としたときの前記遷移金属酸化物の合計重量が0.1wt%以上1.2wt%以下であり、かつ、気孔率が5%以上であり、
前記遷移金属酸化物は、前記絶縁性支持体の全体に存在している、固体酸化物形燃料電池。
an insulating support which is a porous body permeable to fuel gas and contains a zirconia-based component;
a fuel electrode formed on the insulating support;
a solid electrolyte layer formed on the fuel electrode;
A solid oxide fuel cell comprising an air electrode formed on the solid electrolyte layer,
The insulating support contains a transition metal oxide, and the total weight of the transition metal oxide is 0.1 wt % or more and 1.2 wt % or less when the total weight of the zirconia-based component is 100 wt %. , and the porosity is 5% or more,
A solid oxide fuel cell , wherein the transition metal oxide is present throughout the insulating support .
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