JP7510669B2 - Fuel electrode for solid oxide cell, laminated structure and manufacturing method thereof, and solid oxide cell and manufacturing method thereof - Google Patents

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本発明は、固体酸化物形セル用燃料極、積層構造体及びその製造方法、並びに固体酸化物形セル及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel electrode for a solid oxide cell, a laminated structure and its manufacturing method, and a solid oxide cell and its manufacturing method.

固体酸化物形セルは、高効率エネルギー変換を可能とするデバイスとしての実用化に向けた研究開発が進められている。固体酸化物形セルを用いたデバイスの代表例として、固体酸化物形燃料電池や固体酸化物形電解セル等が挙げられる。固体酸化物形セルは、酸化物を主な材料とする緻密体の電解質を、空気極と燃料極の2つの多孔質体の電極で挟み込んで構成される。 Research and development is currently underway into solid oxide cells, with the aim of putting them to practical use as devices that enable highly efficient energy conversion. Representative examples of devices that use solid oxide cells include solid oxide fuel cells and solid oxide electrolysis cells. Solid oxide cells consist of a dense electrolyte, primarily made of oxide, sandwiched between two porous electrodes, the air electrode and the fuel electrode.

固体酸化物形セルは、構成材料により幅広い作動温度領域を選択でき、400~1000℃で使用される。 Solid oxide cells can be used in a wide range of operating temperatures, from 400 to 1000°C, depending on the constituent materials.

電荷担体となるイオンは、主に酸化物イオンとプロトンである。酸化物イオンを伝導する電解質材料は酸化物イオン伝導性電解質と、プロトンを伝導する電解質材料はプロトン伝導性電解質とそれぞれ呼ばれる。酸化物イオン伝導性電解質としてはジルコニア系やセリア系材料等が、プロトン伝導性電解質としてはペロブスカイト型酸化物材料等が、代表例としてそれぞれ挙げられる。 The ions that act as charge carriers are mainly oxide ions and protons. Electrolyte materials that conduct oxide ions are called oxide-ion conductive electrolytes, and electrolyte materials that conduct protons are called proton conductive electrolytes. Representative examples of oxide-ion conductive electrolytes include zirconia-based and ceria-based materials, while representative examples of proton conductive electrolytes include perovskite-type oxide materials.

電極の材料は、触媒活性を有する電子伝導性の酸化物や金属が用いられる(以下、「電子伝導性材料」という)。電子伝導性材料は、単体で用いられる場合もあるが、電極の反応場拡大、熱膨張係数調整や機械的強度向上のために、電解質と同じ材料又は電解質と同じイオン(「イオン」は、酸化物イオンやプロトンを含む伝導キャリアとなる全てのイオンの総称)を伝導するイオン伝導性材料が、電子伝導性材料と混合して用いられることもある。一般的には、電子伝導性材料とイオン伝導性材料が混合されることで、電極の反応抵抗が低減される。なお、反応抵抗は、電極単位面積あたりの反応場の広さ(又は反応活性点の量)と反応場あたりの活性に依存する。 The electrode material is an electronically conductive oxide or metal with catalytic activity (hereinafter referred to as "electronically conductive material"). Although the electronically conductive material may be used alone, it may be mixed with the electronically conductive material and an ionically conductive material that conducts the same ions as the electrolyte ("ions" is a general term for all ions that become conductive carriers, including oxide ions and protons) to expand the reaction field of the electrode, adjust the thermal expansion coefficient, and improve the mechanical strength. In general, the reaction resistance of the electrode is reduced by mixing an electronically conductive material with an ionically conductive material. The reaction resistance depends on the size of the reaction field (or the amount of reactive active sites) per unit area of the electrode and the activity per reaction field.

電子伝導性材料とイオン伝導性材料の混合について、少なくとも1つ以上の材料の平均粒径が1μm以下である場合の混合を複合と呼び、複合化することにより電極の反応抵抗低減の効果が顕著に得られる。 When an electronically conductive material and an ionically conductive material are mixed, the mixture is called a composite when at least one of the materials has an average particle size of 1 μm or less. By combining the materials, the effect of reducing the reaction resistance of the electrode can be significantly achieved.

電極は多孔質体であることにより、電極内の反応場に、電気化学反応に必要なガスを供給し、また電気化学反応により生成したガスを除去(ガスの供給や除去を、以下、「ガス拡散」という)することができる。ガス拡散に伴い生じる電極内の抵抗をガス拡散抵抗と呼ぶ。実用上、ガスが拡散するためには、気孔をガスが移動できる開気孔とすることが必要であり、そのためには電極の気孔率を少なくとも15体積%を超えるようにすることが必要である。実際の電極設計としては、ガス拡散抵抗を十分に低減するために気孔率を40体積%程度とすることが多い。 Because the electrode is porous, it is possible to supply the gas required for the electrochemical reaction to the reaction field within the electrode and to remove the gas generated by the electrochemical reaction (hereinafter, the supply and removal of gas will be referred to as "gas diffusion"). The resistance within the electrode that arises due to gas diffusion is called gas diffusion resistance. In practice, for gas to diffuse, the pores must be open pores through which the gas can move, and for this to occur, the porosity of the electrode must be at least 15% by volume or more. In actual electrode design, the porosity is often set to about 40% by volume to sufficiently reduce gas diffusion resistance.

上記の電極の反応抵抗とガス拡散抵抗を合せた抵抗を、電極抵抗と呼ぶ。 The combined resistance of the electrode reaction and gas diffusion resistance is called the electrode resistance.

固体酸化物形セルの空気極用の電子伝導性材料としては、ペロブスカイト型の酸化物材料、例えば、(LaSr)MnO、(LaSr)FeO、(LaSr)CoO、(LaSr)(CoFe)O等がある。上記電子伝導性材料のLaは他のランタノイド(Pr、Sm、Gd)と置換又は一部置換が可能であり、Srは他のアルカリ土類金属(Ca、Ba)と置換又は一部置換が可能である。 Examples of electronically conductive materials for the air electrode of a solid oxide cell include perovskite-type oxide materials, such as (LaSr)MnO 3 , (LaSr)FeO 3 , (LaSr)CoO 3 , (LaSr)(CoFe)O 3 , etc. La in the above electronically conductive materials can be substituted or partially substituted with other lanthanides (Pr, Sm, Gd), and Sr can be substituted or partially substituted with other alkaline earth metals (Ca, Ba).

固体酸化物形セルの燃料極用の電子伝導性材料としては、金属系材料(Ti、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等)が使用される。金属系材料は、水素、一酸化炭素、炭化水素、及びバイオ燃料等のガスにより還元されたものも含む。例えば、製造時の材料としてNiO(酸化物)が用いられている場合、固体酸化物形セルが構築され、上記ガスにより動作される際には、NiOはNi(金属)に還元される。 Metallic materials (Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, etc.) are used as electronically conductive materials for the fuel electrode of solid oxide cells. Metallic materials include those that are reduced by gases such as hydrogen, carbon monoxide, hydrocarbons, and biofuels. For example, if NiO (oxide) is used as a manufacturing material, the NiO is reduced to Ni (metal) when the solid oxide cell is constructed and operated by the gases.

固体酸化物形セルの普及に向けての重要な課題として、コスト低減に直結する単位体積あたりのエネルギー変換性能の向上が挙げられる。そして、固体酸化物形セルの単位体積あたりのエネルギー変換性能の重要な要因となるのが、電極単位面積あたりの電流(以下、「電流密度」という)であり、現在も電流密度の増加を目指し、様々な研究開発が進められている。 One of the important issues for the widespread use of solid oxide cells is improving the energy conversion performance per unit volume, which directly translates into cost reduction. An important factor in the energy conversion performance per unit volume of solid oxide cells is the current per unit area of the electrode (hereafter referred to as "current density"). Currently, various research and development efforts are underway with the aim of increasing the current density.

固体酸化物形セルの電流密度を決定する支配的な要因は、上記の電極抵抗である。電極で起こる電気化学反応とガス拡散に伴い、過電圧(平衡状態と作動状態の電圧差)が生じるが、高効率作動の観点から、低い過電圧でも高い電流密度を得ることができる低電極抵抗の電極が要求される。 The dominant factor that determines the current density of a solid oxide cell is the electrode resistance mentioned above. Overvoltage (the voltage difference between the equilibrium state and the operating state) occurs due to electrochemical reactions and gas diffusion that occur at the electrodes, but from the perspective of highly efficient operation, electrodes with low electrode resistance are required that can obtain high current density even with low overvoltage.

特に燃料極は、空気極と比較して高温での焼成により製造され、粒成長が起こることにより、反応に有効な表面積(反応場)が減少し、電極抵抗が大きくなることが課題であった。 In particular, the fuel electrode is manufactured by sintering at a higher temperature than the air electrode, and grain growth occurs, reducing the surface area available for reaction (reaction field), which increases the electrode resistance, which has been an issue.

これまでの研究開発としては、例えば、電子伝導性材料とイオン伝導性材料の平均粒子径を制御することで、燃料極の電極抵抗を低減することが開示されている(特許文献1)。また、電子伝導性材料とイオン伝導性材料を混合し、さらに気孔率と気孔径を大きくすることで電極抵抗を低減し、高い電流密度を得ることができる燃料極が開示されている(特許文献2)。一定の効果は確認できていいるものの、固体酸化物形セルのコスト低減と普及を促進するためには、さらに燃料極の電極抵抗を低減する技術が必要となっていた。 Previous research and development has disclosed, for example, that the electrode resistance of the fuel electrode can be reduced by controlling the average particle size of the electronically conductive material and the ionically conductive material (Patent Document 1). In addition, a fuel electrode has been disclosed in which the electrode resistance is reduced by mixing an electronically conductive material and an ionically conductive material and then increasing the porosity and pore size, thereby enabling a high current density to be obtained (Patent Document 2). Although a certain degree of effect has been confirmed, in order to reduce the cost of solid oxide cells and promote their widespread use, a technology to further reduce the electrode resistance of the fuel electrode was needed.

特開2013-152915号公報JP 2013-152915 A 特開2016-183094号公報JP 2016-183094 A

以上のように、固体酸化物形セルのコスト低減・普及促進のためには、電極抵抗を従来技術と比較し飛躍的に低減させることが必要である。そして、上述したように、さらに電極抵抗を低減させ、より高い電流密度を実現することが求められている。 As described above, in order to reduce the cost and promote the widespread use of solid oxide cells, it is necessary to dramatically reduce electrode resistance compared to conventional technology. And as mentioned above, there is a demand to further reduce electrode resistance and achieve higher current density.

従って、本発明は、電極抵抗が低い固体酸化物形セル用燃料極を提供することを目的とする。また、本発明は、高い電流密度を実現する固体酸化物形セルを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention aims to provide a fuel electrode for a solid oxide cell that has low electrode resistance. The present invention also aims to provide a solid oxide cell that achieves high current density.

本発明者らは、電極抵抗を著しく低減することができる燃料極を実現するために、燃料極の材料と構造を制御することにより多くの燃料極試料を試作し、その性能評価を重ねた結果、燃料極材料として、電子伝導性材料及びイオン伝導性材料を含有し、各材料が特定の粒子径であり、特定の粒子径分布を有することにより、燃料極の電極抵抗を飛躍的に低減できること、更に、特定の膜厚とすること、あるいは、特定の気孔率とすることで、燃料極の電極抵抗が更に低減できることを見出し、本発明を開発するに至った。 In order to realize a fuel electrode that can significantly reduce the electrode resistance, the inventors produced many prototype fuel electrode samples by controlling the material and structure of the fuel electrode and repeatedly evaluated their performance. As a result, they discovered that the electrode resistance of the fuel electrode can be dramatically reduced by using a fuel electrode material that contains an electronic conductive material and an ion conductive material, each of which has a specific particle size and a specific particle size distribution, and that the electrode resistance of the fuel electrode can be further reduced by giving the fuel electrode a specific film thickness or a specific porosity, which led to the development of the present invention.

上記課題を解決するために、本発明は、以下のことを特徴としている。 To solve the above problems, the present invention has the following features:

(1)固体酸化物形セル用燃料極であって、
電子伝導性材料及びイオン伝導性材料を含有する原料の焼成体からなり、
該電子伝導性材料の平均粒子径が0.001~2.00μmであり、且つ、該イオン伝導性材料の平均粒子径が0.001~2.00μmであり、
該電子伝導性材料の粒子径分布の標準偏差をA(μm)、該電子伝導性材料の平均粒子径をB(μm)としたときに、(A/B)×100の値が0.000~20.0であり、
該イオン伝導性材料の粒子径分布の標準偏差をA(μm)、該イオン伝導性材料の平均粒子径をB(μm)としたときに、(A/B)×100の値が0.000~20.0であること、
を特徴とする固体酸化物形セル用燃料極。
(2)膜厚が1.0μm~100.0μmであり、気孔率が15~40体積%であることを特徴とする請求項1記載の固体酸化物形セル用燃料極。
(3)前記電子伝導性材料が、Ni、Cu、Fe、Co、Mn、Cr、La、Sm、Gd、Ce、Pr、Sr、Ca、及びBaからなる群から選ばれる1つ以上を含む金属又は金属酸化物の1種以上であり、
前記イオン伝導性材料が、Sc、Sr、Zr、Y、Ba、Ce、Sm、Gd、及びYbからなる群から選ばれる1つ以上を含む金属酸化物の1種以上であり、
前記電子伝導性材料と前記イオン伝導性材料の質量比(電子伝導性材料の質量:イオン伝導性材料の質量)が、80:20~40:60であること、
を特徴とする請求項1記載の固体酸化物形セル用燃料極。
(4)電解質と、該電解質と積層された請求項1~3のいずれか1項記載の固体酸化物形セル用燃料極と、からなり、
該電解質の膜厚が0.1~20.0μmであり、該電解質は、相対密度が95~100%の緻密体であること、
を特徴とする積層構造体。
(5)多孔質支持体と、該多孔質支持体上に積層された請求項1~3のいずれか1項に記載の固体酸化物形セル用燃料極と、からなり、
該多孔質支持体の気孔率が、該固体酸化物形セル用燃料極の気孔率より高いこと、
を特徴とする積層構造体。
(6)請求項1~3のいずれか1項に記載の燃料極を有することを特徴とする固体酸化物形セル。
(7)請求項4又は5記載の積層構造体を有することを特徴とする固体酸化物形セル。
(8)多孔質支持体上に、前記固体酸化物形セル用燃料極を作製するための第1スラリーを塗布し、次いで、前記電解質を作製するための第2スラリーを塗布し、次いで、第1温度で焼成して、多孔質支持体と燃料極と電解質を形成する工程を有することを特徴とする積層構造体の製造方法。
(9)多孔質支持体上に、前記固体酸化物形セル用燃料極を作製するための第1スラリーを塗布し、次いで、前記電解質を作製するための第2スラリーを塗布し、次いで、第1温度で焼成して、多孔質支持体と燃料極と電解質を形成する工程と、
形成された電解質上に中間層を形成するための第3スラリーを塗布し、次いで、第2温度で焼成して、中間層を形成する工程と、
形成された中間層上に空気極を作製するための第4スラリーを塗布し、次いで、第3温度で焼成して、空気極を形成する工程と、
を有することを特徴とする固体酸化物形セルの製造方法。
なお、本明細書において、数値範囲を「~」を用いて示す時、その両端の数値を含む。
(1) A fuel electrode for a solid oxide cell, comprising:
The present invention is directed to a sintered body of a raw material containing an electronic conductive material and an ion conductive material,
The average particle size of the electron conductive material is 0.001 to 2.00 μm, and the average particle size of the ion conductive material is 0.001 to 2.00 μm;
When the standard deviation of the particle size distribution of the electron conductive material is A 1 (μm) and the average particle size of the electron conductive material is B 1 (μm), the value of (A 1 /B 1 )×100 is 0.000 to 20.0,
the standard deviation of the particle size distribution of the ion-conductive material is A 2 (μm) and the average particle size of the ion-conductive material is B 2 (μm), the value of (A 2 /B 2 )×100 is 0.000 to 20.0;
A fuel electrode for a solid oxide cell, comprising:
(2) The fuel electrode for a solid oxide cell according to claim 1, characterized in that the thickness of the electrode is 1.0 μm to 100.0 μm and the porosity is 15 to 40% by volume.
(3) The electron conductive material is at least one metal or metal oxide including at least one selected from the group consisting of Ni, Cu, Fe, Co, Mn, Cr, La, Sm, Gd, Ce, Pr, Sr, Ca, and Ba;
the ion conductive material is at least one metal oxide containing at least one selected from the group consisting of Sc, Sr, Zr, Y, Ba, Ce, Sm, Gd, and Yb;
the mass ratio of the electronic conductive material to the ion conductive material (mass of the electronic conductive material:mass of the ion conductive material) is 80:20 to 40:60;
2. The solid oxide cell fuel electrode according to claim 1,
(4) An electrolyte and a solid oxide cell fuel electrode according to any one of claims 1 to 3 laminated with the electrolyte,
the membrane thickness of the electrolyte is 0.1 to 20.0 μm, and the electrolyte is a dense body having a relative density of 95 to 100%;
A laminated structure comprising:
(5) A porous support and a solid oxide cell fuel electrode according to any one of claims 1 to 3 laminated on the porous support,
the porosity of the porous support is higher than the porosity of the solid oxide cell anode;
A laminated structure comprising:
(6) A solid oxide cell comprising the fuel electrode according to any one of claims 1 to 3.
(7) A solid oxide cell comprising the laminated structure according to claim 4 or 5.
(8) A method for producing a laminated structure, comprising the steps of applying a first slurry for producing the solid oxide cell fuel electrode onto a porous support, applying a second slurry for producing the electrolyte onto the porous support, and then firing the resulting mixture at a first temperature to form a porous support, a fuel electrode, and an electrolyte.
(9) applying a first slurry for preparing the solid oxide cell anode onto a porous support, then applying a second slurry for preparing the electrolyte onto the porous support, and then firing the first slurry at a first temperature to form a porous support, an anode, and an electrolyte;
applying a third slurry for forming an intermediate layer on the formed electrolyte, and then firing the third slurry at a second temperature to form the intermediate layer;
applying a fourth slurry for producing an air electrode onto the formed intermediate layer, and then firing the resulting mixture at a third temperature to form an air electrode;
2. A method for producing a solid oxide cell comprising the steps of:
In this specification, when a numerical range is indicated using "to", the numerical range includes both ends of the range.

本発明によれば、電極抵抗が低い燃料極を提供することができる。また、本発明によれば、高い電流密度を実現する固体酸化物形セルを提供することができる。 The present invention can provide a fuel electrode with low electrode resistance. In addition, the present invention can provide a solid oxide cell that achieves high current density.

実施形態の燃料極と電解質の積層構造体の断面模式図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a laminated structure of a fuel electrode and an electrolyte according to an embodiment. 実施形態の燃料極と多孔質支持体の積層構造体の断面模式図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a laminated structure of an anode and a porous support according to an embodiment. 実施形態の電解質と燃料極と多孔質支持体の積層構造体の断面模式図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a laminated structure of an electrolyte, a fuel electrode, and a porous support according to an embodiment. 実施形態の固体酸化物形セルの断面模式図。FIG. 2 is a cross-sectional schematic view of a solid oxide cell according to the embodiment. 実施例2の発電特性Power generation characteristics of Example 2 実施例2のコール・コール・プロットCole-Cole Plot of Example 2 実施例1~3及び比較例1の固体酸化物形セルの断面の極低加速電圧走査電子顕微鏡(LV-SEM)像Ultra-low accelerating voltage scanning electron microscope (LV-SEM) images of cross sections of solid oxide cells of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 実施例2の電解質部分の断面のLV-SEM像LV-SEM image of a cross section of the electrolyte portion of Example 2

以下、実施形態と実施例に基づいて、本発明の固体酸化物形セル用電極及びそれを用いた固体酸化物形セル、その製造方法を説明する。なお、本明細書において、数値範囲を「~」を用いて示す時、その両端の数値を含む。 The solid oxide cell electrode of the present invention, the solid oxide cell using the same, and the manufacturing method thereof will be described below based on the embodiments and examples. Note that in this specification, when a numerical range is indicated using "~", the numerical values at both ends are included.

本発明の固体酸化物形セル用燃料極は、固体酸化物形セル用燃料極であって、
電子伝導性材料及びイオン伝導性材料を含有する原料の焼成体からなり、
該電子伝導性材料の平均粒子径が0.001~2.00μmであり、且つ、該イオン伝導性材料の平均粒子径が0.001~2.00μmであり、
該電子伝導性材料の粒子径分布の標準偏差をA(μm)、該電子伝導性材料の平均粒子径をB(μm)としたときに、(A/B)×100の値が0.000~20.0であり、
該イオン伝導性材料の粒子径分布の標準偏差をA(μm)、該イオン伝導性材料の平均粒子径をB(μm)としたときに、(A/B)×100の値が0.000~20.0であること、
を特徴とする固体酸化物形セル用燃料極である。
The solid oxide cell fuel electrode of the present invention is a solid oxide cell fuel electrode,
The present invention is made of a sintered body of a raw material containing an electronic conductive material and an ion conductive material,
The average particle size of the electron conductive material is 0.001 to 2.00 μm, and the average particle size of the ion conductive material is 0.001 to 2.00 μm;
When the standard deviation of the particle size distribution of the electron conductive material is A 1 (μm) and the average particle size of the electron conductive material is B 1 (μm), the value of (A 1 /B 1 )×100 is 0.000 to 20.0,
the standard deviation of the particle size distribution of the ion-conductive material is A 2 (μm) and the average particle size of the ion-conductive material is B 2 (μm), the value of (A 2 /B 2 )×100 is 0.000 to 20.0;
The present invention relates to a fuel electrode for a solid oxide cell.

図1は、本発明の実施形態に係る電極の断面を模式的に示している。本実施形態の燃料極は、多孔質でありガス拡散のための気孔を有している(燃料極1)。燃料極1は電子伝導性材料2とイオン伝導性材料3を含んでいる。燃料極1の気孔率は15~40体積%である。なお、気孔率は、多孔質電極の断面SEM像のコントラストから、画像解析ソフトを用いて画像処理することにより測定でき、画像解析対象の面積を100%としたときの気孔の面積が気孔率(体積%)となる(気孔率(体積%)=気孔の面積÷画像解析対象の面積×100)。 Figure 1 shows a schematic cross section of an electrode according to an embodiment of the present invention. The fuel electrode of this embodiment is porous and has pores for gas diffusion (fuel electrode 1). The fuel electrode 1 contains an electronic conductive material 2 and an ion conductive material 3. The porosity of the fuel electrode 1 is 15 to 40 volume %. The porosity can be measured by image processing using image analysis software based on the contrast of a cross-sectional SEM image of the porous electrode, and the area of the pores when the area of the image analysis target is set to 100% is the porosity (volume %) (porosity (volume %) = pore area ÷ area of image analysis target × 100).

図1に示すように、燃料極1はイオン伝導性材料である電解質4との積層構造体として形成される。電解質4は、ガスクロスリークを防止するために緻密体層を有する。電解質4全体が緻密体であっても良い。電解質4の緻密体層の真密度(質量)に対する相対密度は、95~100%であり、97~100%がより好ましく、98~100%が特に好ましい。ガスクロスリーク防止機能をさらに向上させることができるからである。また、電解質4の緻密体層の厚さは、0.1μm~20.0μmであり、0.1μm~10.0μmがより好ましく、0.1μm~5.0μmが特に好ましい。ガスクロスリーク防止機能を維持しつつ、電解質4の緻密体層の抵抗を低減することができるからである。ガスクリスリークを防止しつつ、電解質4を薄くするためには、電解質4全体が緻密体であることが望ましい。なお、相対密度は、電解質の断面SEM像のコントラストから、画像解析ソフトを用いて画像処理することにより測定し、画像解析対象の面積を100%としたときの電解質の面積が相対密度(%)となる(相対密度(%)=電解質の面積÷画像解析対象の面積×100)。 As shown in FIG. 1, the fuel electrode 1 is formed as a laminated structure with the electrolyte 4, which is an ion-conductive material. The electrolyte 4 has a dense layer to prevent gas cross leakage. The entire electrolyte 4 may be dense. The relative density of the dense layer of the electrolyte 4 to the true density (mass) is 95 to 100%, more preferably 97 to 100%, and particularly preferably 98 to 100%. This is because the gas cross leakage prevention function can be further improved. In addition, the thickness of the dense layer of the electrolyte 4 is 0.1 μm to 20.0 μm, more preferably 0.1 μm to 10.0 μm, and particularly preferably 0.1 μm to 5.0 μm. This is because the resistance of the dense layer of the electrolyte 4 can be reduced while maintaining the gas cross leakage prevention function. In order to make the electrolyte 4 thin while preventing gas cross leakage, it is desirable for the entire electrolyte 4 to be dense. The relative density is measured by image processing using image analysis software based on the contrast of the cross-sectional SEM image of the electrolyte, and the area of the electrolyte when the area of the image analysis target is set to 100% is the relative density (%) (relative density (%) = area of electrolyte ÷ area of image analysis target × 100).

また、ガス拡散性を損なわず、機械的強度を向上させるために、図2に示す積層構造体のように、燃料極1は、燃料極1よりも高い気孔率を有する多孔質支持体5上に形成される。これにより、燃料極1は電極抵抗を低減させるために特化した電極(活性層、触媒層、又は機能層などと呼ばれる)として形成することができる。 In order to improve mechanical strength without impairing gas diffusivity, the fuel electrode 1 is formed on a porous support 5 having a higher porosity than the fuel electrode 1, as in the laminated structure shown in Figure 2. This allows the fuel electrode 1 to be formed as a specialized electrode (called an active layer, catalyst layer, functional layer, etc.) for reducing electrode resistance.

図3は、本発明の実施形態に係る積層構造体の断面図を模式的に示している。多孔質支持体5上に燃料極1が形成され、燃料極1上に電解質4が形成される。これにより、電解質4のガスクロスリーク防止機能と、燃料極1の電極抵抗を低減機能と、多孔質支持体5のガス拡散性と電気的集電性の向上機能を兼ね揃えた積層構造体を形成することができる。 Figure 3 shows a schematic cross-sectional view of a laminated structure according to an embodiment of the present invention. A fuel electrode 1 is formed on a porous support 5, and an electrolyte 4 is formed on the fuel electrode 1. This makes it possible to form a laminated structure that combines the electrolyte 4's function of preventing gas cross-leakage, the fuel electrode 1's function of reducing the electrode resistance, and the porous support 5's function of improving the gas diffusion and electrical current collection properties.

本発明の固体酸化物形セル用燃料極は、電子伝導性材料とイオン伝導性材料が複合化された多孔質体である。本発明の固体酸化物形セル用燃料極は、電子伝導性材料及びイオン伝導性材料を含有する原料の焼成体からなる。つまり、本発明の固体酸化物形セル用燃料極は、電子伝導性物質及びイオン伝導性物質を含有し、粉末状の電子伝導性材料及び粉末状のイオン伝導性材料を含有する原料混合物を焼成して得られる焼成物である。 The fuel electrode for solid oxide cells of the present invention is a porous body in which an electronically conductive material and an ionically conductive material are composited. The fuel electrode for solid oxide cells of the present invention is made of a sintered body of raw materials containing an electronically conductive material and an ionically conductive material. In other words, the fuel electrode for solid oxide cells of the present invention contains an electronically conductive material and an ionically conductive material, and is a sintered product obtained by sintering a raw material mixture containing a powdered electronically conductive material and a powdered ionically conductive material.

燃料極用の電子伝導性材料とは、高温還元雰囲気で使用が可能であり、燃料極側ガスの酸化又は還元反応に対する触媒活性を有し、且つ電子を伝導する性質を持つ材料を指し、作動時には還元され金属となるような材料を含む。燃料極用の電子伝導性材料としては、特に制限されず、例えば、鉄、ニッケル、銅等が挙げられる。燃料極用の電子伝導性材料は、1種単独であっても2種以上の組み合わせであってもよい。 The electronically conductive material for the fuel electrode refers to a material that can be used in a high-temperature reducing atmosphere, has catalytic activity for the oxidation or reduction reaction of the gas on the fuel electrode side, and has the property of conducting electrons, including materials that are reduced to metals during operation. There are no particular limitations on the electronically conductive material for the fuel electrode, and examples of the electronically conductive material include iron, nickel, and copper. The electronically conductive material for the fuel electrode may be a single type or a combination of two or more types.

電子伝導性材料のより具体的な例としては、Ni、Cu、Fe、Co、Mn、Cr、La、Sm、Gd、Ce、Pr、Sr、Ca、及びBaからなる群から選ばれる1つ以上を含む金属又は金属酸化物の1種以上からなる材料である。 A more specific example of an electronically conductive material is a material consisting of one or more metals or metal oxides including one or more selected from the group consisting of Ni, Cu, Fe, Co, Mn, Cr, La, Sm, Gd, Ce, Pr, Sr, Ca, and Ba.

燃料極用の電子伝導性材料としては、ニッケルが好ましい。 Nickel is a preferred electronically conductive material for the fuel electrode.

燃料極用のイオン伝導性材料とは、高温還元雰囲気で使用が可能であり、且つイオンを伝導する性質を持つ材料を指す。燃料極用のイオン伝導性材料としては、特に制限されず、例えば、ジルコニアやセリア等をベースにした酸化物が挙げられる。燃料極用のイオン伝導性材料は、1種単独であっても2種以上の組み合わせであってもよい。 An ionically conductive material for a fuel electrode refers to a material that can be used in a high-temperature reducing atmosphere and has the property of conducting ions. There are no particular limitations on the ionically conductive material for a fuel electrode, and examples of the material include oxides based on zirconia, ceria, etc. The ionically conductive material for a fuel electrode may be one type alone or a combination of two or more types.

イオン伝導性材料のより具体的な例としては、Sc、Sr、Zr、Y、Ba、Ce、Sm、Gd、及びYbからなる群から選ばれる1つ以上を含む金属酸化物の1種以上からなる材料である。 A more specific example of an ion-conductive material is a material consisting of one or more metal oxides containing one or more selected from the group consisting of Sc, Sr, Zr, Y, Ba, Ce, Sm, Gd, and Yb.

燃料極用のイオン伝導性材料としては、ZrO(Y)安定化ZrO、(Sc)安定化ZrO、Sm添加CeO、Gd添加CeOが好ましい。 As the ion-conducting material for the anode, ZrO 2 (Y 2 O 3 ) stabilized ZrO 2 , (Sc 2 O 3 ) stabilized ZrO 2 , Sm-doped CeO 2 , Gd-doped CeO 2 are preferred.

本発明の固体酸化物形セル用燃料極に係る電子伝導性材料の一次粒子の平均粒子径は、0.001~2.00μm、好ましくは0.005~1.00μm、特に好ましくは0.010~0.50μmである。また、本発明の固体酸化物形セル用燃料極に係るイオン伝導性材料の一次粒子の平均粒子径は、0.001~2.00μm、好ましくは0.005~1.00μm、特に好ましくは0.010~0.50μmである。電子伝導性材料とイオン伝導性材料の一次粒子の平均粒子径が上記範囲内にあることにより、電子伝導性材料とイオン伝導性材料の接触点が増加すること及び電極内比表面積が増加することにより反応場が拡大され、電極抵抗が低くなる。 The average particle size of the primary particles of the electronic conductive material in the solid oxide cell fuel electrode of the present invention is 0.001 to 2.00 μm, preferably 0.005 to 1.00 μm, and particularly preferably 0.010 to 0.50 μm. The average particle size of the primary particles of the ion conductive material in the solid oxide cell fuel electrode of the present invention is 0.001 to 2.00 μm, preferably 0.005 to 1.00 μm, and particularly preferably 0.010 to 0.50 μm. When the average particle size of the primary particles of the electronic conductive material and the ion conductive material is within the above range, the contact points between the electronic conductive material and the ion conductive material increase and the specific surface area in the electrode increases, expanding the reaction field and lowering the electrode resistance.

なお、本明細書において、粒子径とは、特段の断りがない限り、一次粒子の粒子径を意味する。 In this specification, particle size refers to the particle size of the primary particle unless otherwise specified.

また、本発明において、上記一次粒子の平均粒子径は、一次粒子径がおおよそ100nmより小さい場合は、X線回折(例:リガク製、SmartLab)とシェラーの式(シェラー定数:0.9)により計算され、一次粒子径がおおよそ100nmより大きい場合は、電極の断面をSEM(例:Carl Zeiss社製、Ultra55)により観察し、そのSEM画像を解析することによって求める。なお、SEM画像の解析により粒子径分布の標準偏差及び平均粒子径を求める際の母数は100以上である。 In addition, in the present invention, the average particle size of the primary particles is calculated by X-ray diffraction (e.g., SmartLab, manufactured by Rigaku) and Scherrer's formula (Scherrer constant: 0.9) when the primary particle size is smaller than approximately 100 nm, and is determined by observing the cross section of the electrode with a SEM (e.g., Ultra55, manufactured by Carl Zeiss) and analyzing the SEM image when the primary particle size is larger than approximately 100 nm. Note that the modulus when determining the standard deviation of the particle size distribution and the average particle size by analyzing the SEM image is 100 or more.

本発明の固体酸化物形セル用燃料極において、電子伝導性材料の粒子径分布の標準偏差をA(μm)、電子伝導性材料の平均粒子径をB(μm)としたとき、(A/B)×100の値、すなわち、(電子伝導性材料の粒子径分布の標準偏差(A)/電子伝導性材料の平均粒子径(B))×100の値は、0.000~20.0、好ましくは0.001~15.0、特に好ましくは0.1~10.0である。 In the solid oxide cell fuel electrode of the present invention, when the standard deviation of the particle size distribution of the electronic conductive material is A 1 (μm) and the average particle size of the electronic conductive material is B 1 (μm), the value of (A 1 /B 1 ) × 100, i.e., (standard deviation of the particle size distribution of the electronic conductive material (A 1 )/average particle size of the electronic conductive material (B 1 )) × 100, is 0.000 to 20.0, preferably 0.001 to 15.0, and particularly preferably 0.1 to 10.0.

本発明の固体酸化物形セル用燃料極において、イオン伝導性材料の粒子径分布の標準偏差をA(μm)、イオン伝導性材料の平均粒子径をB(μm)としたとき、(A/B)×100の値、すなわち、(イオン伝導性材料の粒子径分布の標準偏差(A)/イオン伝導性材料の平均粒子径(B))×100の値は、0.000~20.0、好ましくは0.001~15.0、特に好ましくは0.1~10.0である。 In the solid oxide cell fuel electrode of the present invention, when the standard deviation of the particle size distribution of the ion conductive material is A 2 (μm) and the average particle size of the ion conductive material is B 2 (μm), the value of (A 2 /B 2 ) × 100, i.e., (standard deviation of the particle size distribution of the ion conductive material (A 2 )/average particle size of the ion conductive material (B 2 )) × 100, is 0.000 to 20.0, preferably 0.001 to 15.0, and particularly preferably 0.1 to 10.0.

そして、本発明の固体酸化物形セル用燃料極では、電子伝導性材料とイオン伝導性材料の「(粒子径分布の標準偏差/平均粒子径)×100」の値が、上記範囲内にあることにより、平均粒子径から大きく外れた粒子(特に大きな粒子)の数を少なくでき、接触点が増加すること及び電極内比表面積が増加することにより反応場が拡大され、電極抵抗が低くなる。 In the solid oxide cell fuel electrode of the present invention, the value of "(standard deviation of particle size distribution/average particle size) x 100" of the electronically conductive material and the ionically conductive material is within the above range, so that the number of particles (especially large particles) that deviate significantly from the average particle size can be reduced, and the reaction field is expanded by increasing the contact points and the specific surface area within the electrode, thereby lowering the electrode resistance.

本発明の固体酸化物形セル用燃料極では、電子伝導性材料とイオン伝導性材料の質量比(電子伝導性材料の質量:イオン伝導性材料の質量)は、好ましくは80:20~40:60、好ましくは70:30~50:50、特に好ましくは65:35~55:45である。燃料極中の電子伝導性材料とイオン伝導性材料の質量比が上記範囲内にあることにより、電子伝導性材料とイオン伝導性材料の接触点が増加することにより反応場が拡大され、電極抵抗が低くなる。 In the fuel electrode for solid oxide cells of the present invention, the mass ratio of the electronically conductive material to the ionically conductive material (mass of the electronically conductive material:mass of the ionically conductive material) is preferably 80:20 to 40:60, preferably 70:30 to 50:50, and particularly preferably 65:35 to 55:45. By having the mass ratio of the electronically conductive material to the ionically conductive material in the fuel electrode within the above range, the number of contact points between the electronically conductive material and the ionically conductive material increases, expanding the reaction field and lowering the electrode resistance.

本発明の固体酸化物形セル用燃料極は、電子伝導性材料及びイオン伝導性材料以外の他材料を含有していてもよく、本発明の固体酸化物形セル用燃料極中に含まれる電子伝導性材料及びイオン伝導性材料以外の他材料の含有量は、電子伝導性材料とイオン伝導性材料を合せた質量を100質量部としたとき、他材料成分が0~20質量部の範囲である。 The solid oxide cell fuel electrode of the present invention may contain materials other than the electronically conductive material and the ionically conductive material, and the content of the materials other than the electronically conductive material and the ionically conductive material contained in the solid oxide cell fuel electrode of the present invention is in the range of 0 to 20 parts by mass when the combined mass of the electronically conductive material and the ionically conductive material is 100 parts by mass.

本発明の固体酸化物形セル用燃料極の膜厚は、好ましくは1.0μm~100.0μm、より好ましくは1.0μm~30.0μm、特に好ましくは1.0μm~10.0μmである。燃料極の膜厚が上記範囲内にあることにより、ガス拡散抵抗が低減されるため電極抵抗が低くなる。 The thickness of the fuel electrode for solid oxide cells of the present invention is preferably 1.0 μm to 100.0 μm, more preferably 1.0 μm to 30.0 μm, and particularly preferably 1.0 μm to 10.0 μm. By having the thickness of the fuel electrode within the above range, gas diffusion resistance is reduced, resulting in low electrode resistance.

本発明の固体酸化物形セル用燃料極の気孔率は、好ましくは15~40体積%であり、より好ましくは18~38体積%、特に好ましくは20~35体積%である。燃料極の気孔率が上記範囲内にあることにより、ガスの拡散性を保ちつつ、電極内の電子伝導性材料とイオン伝導性材料の空間あたりの占有率が高くなり反応場が拡大されるため、電極抵抗が低くなる。 The porosity of the fuel electrode for solid oxide cells of the present invention is preferably 15 to 40% by volume, more preferably 18 to 38% by volume, and particularly preferably 20 to 35% by volume. By having the porosity of the fuel electrode within the above range, the occupancy rate per space of the electronically conductive material and the ionically conductive material in the electrode is increased while maintaining gas diffusibility, expanding the reaction field, and thus reducing the electrode resistance.

本発明の第一の形態の積層構造体は、電解質と、該電解質と積層された本発明の固体酸化物形セル用燃料極と、からなり、
該電解質の膜厚が0.1~20.0μmであり、該電解質は、相対密度が95~100%の緻密体であること、
を特徴とする積層構造体である。
The laminate structure of the first embodiment of the present invention comprises an electrolyte and the solid oxide cell fuel electrode of the present invention laminated with the electrolyte,
The electrolyte has a film thickness of 0.1 to 20.0 μm, and is a dense body having a relative density of 95 to 100%;
The laminated structure is characterized by the above.

また、本発明の第二の形態の積層構造体は、多孔質支持体と、該多孔質支持体上に積層された本発明の固体酸化物形セル用燃料極と、からなり、
該多孔質支持体の気孔率が、該固体酸化物形セル用燃料極の気孔率より高いこと、
を特徴とする積層構造体である。
A laminate structure according to a second embodiment of the present invention comprises a porous support and the solid oxide cell fuel electrode of the present invention laminated on the porous support,
the porosity of the porous support is higher than the porosity of the solid oxide cell anode;
The laminated structure is characterized by the above.

本発明の積層構造体の製造方法は、多孔質支持体上に、前記固体酸化物形セル用燃料極を作製するための第1スラリーを塗布し、次いで、前記電解質を作製するための第2スラリーを塗布し、次いで、第1温度で焼成して、多孔質支持体と燃料極と電解質を形成する工程を有することを特徴とする積層構造体の製造方法である。 The method for producing a laminated structure of the present invention is characterized by having a step of applying a first slurry for producing the fuel electrode for the solid oxide cell onto a porous support, then applying a second slurry for producing the electrolyte, and then firing at a first temperature to form a porous support, a fuel electrode, and an electrolyte.

本発明の固体酸化物形セルは、本発明の固体酸化物形セル用燃料極を有することを特徴とする固体酸化物形セルである。 The solid oxide cell of the present invention is a solid oxide cell characterized by having the solid oxide cell fuel electrode of the present invention.

また、本発明の固体酸化物形セルは、本発明の第一の形態又は第二の形態の積層構造体を有することを特徴とする固体酸化物形セルである。 The solid oxide cell of the present invention is characterized by having a laminated structure of the first or second embodiment of the present invention.

本発明の固体酸化物形セルの製造方法は、多孔質支持体上に、前記固体酸化物形セル用燃料極を作製するための第1スラリーを塗布し、次いで、前記電解質を作製するための第2スラリーを塗布し、次いで、第1温度で焼成して、多孔質支持体と燃料極と電解質を形成する工程と、
形成された電解質上に中間層を形成するための第3スラリーを塗布し、次いで、第2温度で焼成して、中間層を形成する工程と、
形成された中間層上に空気極を作製するための第4スラリーを塗布し、次いで、第3温度で焼成して、空気極を形成する工程と、
を有することを特徴とする固体酸化物形セルの製造方法である。
The method for producing a solid oxide cell of the present invention includes the steps of: applying a first slurry for producing the solid oxide cell fuel electrode onto a porous support; applying a second slurry for producing the electrolyte; and firing the applied slurry at a first temperature to form a porous support, a fuel electrode, and an electrolyte.
applying a third slurry for forming an intermediate layer on the formed electrolyte, and then firing the third slurry at a second temperature to form the intermediate layer;
applying a fourth slurry for producing an air electrode onto the formed intermediate layer, and then firing the resulting mixture at a third temperature to form an air electrode;
The present invention relates to a method for producing a solid oxide cell, comprising the steps of:

電解質を形成するための材料とは、酸化物イオンやプロトン等のイオンを伝導する性質を持つ材料を指す。電解質用の材料としては、特に制限されず、例えば、ジルコニア系酸化物やセリア系酸化物等の酸化物イオン伝導性を有する酸化物、又はペロブスカイト型酸化物等のプロトン伝導性を有する酸化物等が挙げられる。電解質用の材料は、1種単独であっても2種以上の組み合わせであってもよい。 The material for forming the electrolyte refers to a material that has the property of conducting ions such as oxide ions and protons. The material for the electrolyte is not particularly limited, and examples include oxides with oxide ion conductivity such as zirconia-based oxides and ceria-based oxides, and oxides with proton conductivity such as perovskite-type oxides. The material for the electrolyte may be one type alone or a combination of two or more types.

電解質用の材料のより具体的な例としては、Ca、Sc、Sr、Ga、Y、Zr、In、Ba、La、Ce、Pr、Sm、Gd、Ybからなる群から選ばれる1つ以上を含む金属又は金属酸化物の1種以上からなる材料である。電解質用の材料としては、ZrO系酸化物、LaGaO系酸化物、BaZrO系酸化物、BaCeO系酸化物が好ましい。 More specific examples of the electrolyte material include a material made of one or more metals or metal oxides containing one or more selected from the group consisting of Ca, Sc, Sr, Ga, Y, Zr, In, Ba, La, Ce, Pr, Sm, Gd, and Yb. As the electrolyte material, ZrO2 -based oxides, LaGaO3 -based oxides, BaZrO3 -based oxides, and BaCeO3 -based oxides are preferred.

中間層を形成するための材料とは、酸化物イオンやプロトン等のイオンを伝導し、電解質材料及び空気極材料との化学的安定性が高い材料を指す。中間層用の材料としては、特に制限されず、例えば、ジルコニア系酸化物、セリア系酸化物、ペロブスカイト型酸化物等が挙げられる。中間層用の材料は、1種単独であっても2種以上の組み合わせであってもよい。 The material for forming the intermediate layer refers to a material that conducts ions such as oxide ions and protons, and has high chemical stability with the electrolyte material and the air electrode material. There are no particular limitations on the material for the intermediate layer, and examples of the material include zirconia-based oxides, ceria-based oxides, and perovskite-type oxides. The material for the intermediate layer may be one type alone or a combination of two or more types.

中間層用の材料のより具体的な例としては、Ca、Sc、Sr、Ga、Y、Zr、In、Ba、La、Ce、Pr、Sm、Gd、Ybからなる群から選ばれる1つ以上を含む金属又は金属酸化物の1種以上からなる材料である。中間層用の材料としては、CeO系酸化物が好ましい。 More specific examples of the material for the intermediate layer include a material made of one or more metals or metal oxides containing one or more selected from the group consisting of Ca, Sc, Sr, Ga, Y, Zr, In, Ba, La, Ce, Pr, Sm, Gd, and Yb. CeO2 -based oxides are preferred as the material for the intermediate layer.

空気極を形成するための材料とは、電子又はホールを伝導し、空気極反応における触媒活性を有する性質を持つ材料を指す。空気極を形成するための材料としては、特に制限されず、例えば、ペロブスカイト型酸化物等が挙げられる。空気極を形成するための材料は、1種単独であっても2種以上の組み合わせであってもよい。 The material for forming the air electrode refers to a material that conducts electrons or holes and has catalytic activity in the air electrode reaction. There are no particular limitations on the material for forming the air electrode, and examples include perovskite-type oxides. The material for forming the air electrode may be one type alone or a combination of two or more types.

空気極を形成するための材料のより具体的な例としては、Ca、Sc、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Sr、Ga、Y、Zr、In、Ba、La、Ce、Pr、Sm、Gd、Ybからなる群から選ばれる1つ以上を含む金属又は金属酸化物の1種以上からなる材料である。空気極を形成するための材料としては、LaMnO系酸化物、LaCoO系酸化物、SmCoO系酸化物、(La、Sr)(Co、Fe)O系酸化物が好ましい。 More specific examples of the material for forming the air electrode include a material made of one or more metals or metal oxides including one or more selected from the group consisting of Ca, Sc, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Sr, Ga, Y, Zr, In, Ba, La, Ce, Pr, Sm, Gd, and Yb. Preferred materials for forming the air electrode include LaMnO3- based oxides, LaCoO3 -based oxides, SmCoO3 -based oxides, and (La, Sr) (Co, Fe) O3 -based oxides.

本実施形態の燃料極、積層構造体、固体酸化物形セルは、以下に示す製造方法により、好適に製造される。 The fuel electrode, stacked structure, and solid oxide cell of this embodiment are preferably manufactured by the manufacturing method described below.

図1に示すように、本発明品である燃料極、すなわち燃料極1は電解質4との積層構造体として形成される。電解質4は、一般的にはガスリークを防止するために緻密体である。 As shown in FIG. 1, the fuel electrode of the present invention, i.e., fuel electrode 1, is formed as a laminated structure with electrolyte 4. Electrolyte 4 is generally a dense body to prevent gas leakage.

また、図2に示すように,本発明品である燃料極、すなわち燃料極1は電解質4と多孔質支持体5との積層構造体として形成される。多孔質支持体5は、ガス拡散性を高めるために、燃料極1より高い気孔率を有している。 As shown in FIG. 2, the fuel electrode of the present invention, i.e., fuel electrode 1, is formed as a laminated structure of an electrolyte 4 and a porous support 5. The porous support 5 has a higher porosity than the fuel electrode 1 in order to enhance gas diffusion.

燃料極1の原材料は、酸化物の粉体材料を用いる。この酸化物粉体材料の粒子径、分散状態、焼成温度、又は複合化する材料の組合せにより、燃料極として形成された際の一次粒子の平均粒子径を制御することができる。 The raw material for the fuel electrode 1 is an oxide powder material. The average particle size of the primary particles when formed into the fuel electrode can be controlled by the particle size, dispersion state, firing temperature, or combination of materials to be composited of this oxide powder material.

燃料極1の形成時に、バインダー、可塑剤、若しくは分散剤の添加量若しくは焼成温度を変化させること、又はカーボン、セルロース、若しくは高分子系の造孔剤を追加混合することにより、燃料極1の気孔率が制御できる。 When forming the fuel electrode 1, the porosity of the fuel electrode 1 can be controlled by changing the amount of binder, plasticizer, or dispersant added or the firing temperature, or by adding and mixing in a pore-forming agent such as carbon, cellulose, or a polymer.

積層構造体4の製造方法は、例えば、多孔質支持体5上に、燃料極1を作製するための第1スラリーを塗布し、次いで電解質4を作製するための第2スラリーを塗布し、その後、第1温度で共焼成して、多孔質支持体5と燃料極1と電解質4の積層構造体を形成する行程を備えている。 The manufacturing method of the laminated structure 4 includes, for example, a process of applying a first slurry for producing the fuel electrode 1 onto the porous support 5, then applying a second slurry for producing the electrolyte 4, and then co-firing at a first temperature to form a laminated structure of the porous support 5, the fuel electrode 1, and the electrolyte 4.

多孔質支持体5は、良好な電気伝導性とガス拡散性を有している。この多孔質支持体5の気孔率は、例えば10~60体積%であり、30~57%がより好ましく、40~50%が特に好ましい。多孔質支持体の気孔率が上記範囲内にあることにより、良好な電気伝導性とガス拡散性を保つことができる。多孔質支持体5の作製方法は、一軸加圧成形、射出成形、押出成形、又は鋳込み成形などが採用できるが、特に限定されない。多孔質支持体5の形状は、平板形状又はチューブ形状などが採用できるが、特に限定されない。多孔質支持体5の材料としては、アルミナ若しくはジルコニア等の酸化物、又は耐熱性金属が挙げられる。燃料極としては、イオン伝導性材料となる、Sc、Sr、Zr、Y、Ba、Ce、Sm、Gd、及びYbからなる群の少なくとも1つ以上を含む1種類以上の金属酸化物と、電子伝導性材料の金属酸化物であるMeOα(Me=Ti、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの少なくとも一種、0.8≦α≦2.2)で表される酸化物の混合物を用いてもよい。 The porous support 5 has good electrical conductivity and gas diffusibility. The porosity of the porous support 5 is, for example, 10 to 60% by volume, more preferably 30 to 57%, and particularly preferably 40 to 50%. When the porosity of the porous support is within the above range, good electrical conductivity and gas diffusibility can be maintained. The method for producing the porous support 5 can be, but is not limited to, uniaxial pressure molding, injection molding, extrusion molding, or casting molding. The shape of the porous support 5 can be, but is not limited to, a flat plate shape or a tube shape. Examples of the material for the porous support 5 include oxides such as alumina or zirconia, or heat-resistant metals. The fuel electrode may be a mixture of one or more metal oxides containing at least one of the group consisting of Sc, Sr, Zr, Y, Ba, Ce, Sm, Gd, and Yb, which are ion-conductive materials, and an oxide represented by MeOα (Me=at least one of Ti, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu, 0.8≦α≦2.2), which is an electron-conductive metal oxide.

イオン伝導性材料とMeOαで表される酸化物の混合質量比は、イオン伝導性材料:MeOαで表される酸化物=30:70~70:30が好適な範囲の目安である。この混合質量比は、イオン伝導性材料:MeOαで表される酸化物=35:65~65:35がより好ましく、イオン伝導性材料:MeOαで表される酸化物=40:60~60:40が特に好ましい。 The preferred range of the mass ratio of the ion conductive material to the oxide represented by MeOα is approximately 30:70 to 70:30 , more preferably 35:65 to 65:35 , and particularly preferably 40:60 to 60:40.

多孔質支持体5上に、燃料極材料である第1スラリーを塗布し、次いで、電解質材料である第2スラリーを塗布し、その後、第1温度で共焼成することによって、薄膜状の緻密電解質層が得られる。すなわち、薄膜緻密電解質層である電解質4と、この電解質4の一面に形成された燃料極1と、これらの支持体である多孔質支持体5を備える積層体が得られる。なお、上記の共焼成により、多孔質支持体5と燃料極1とともに、電解質を収縮させることが可能となり、相対密度が高い緻密電解質層が得られる。 A thin-film dense electrolyte layer is obtained by applying a first slurry, which is the fuel electrode material, onto a porous support 5, then applying a second slurry, which is the electrolyte material, and then co-firing at a first temperature. That is, a laminate is obtained that includes an electrolyte 4, which is a thin-film dense electrolyte layer, an anode 1 formed on one side of the electrolyte 4, and a porous support 5, which is the support for these. The above co-firing makes it possible to shrink the electrolyte together with the porous support 5 and the anode 1, and a dense electrolyte layer with a high relative density is obtained.

第1スラリー塗布方法としては、スクリーン印刷法、スプレーコート法、転写法、又はディップコート法などが挙げられる。この塗布膜は、第1温度で焼成することによって焼結が進行するが、焼成後に得られる燃料極1の膜厚は1.0μm~100.0μm、好ましくは1.0μm~30.0μm、特に好ましくは1.0μm~10.0μmである。 Examples of the first slurry application method include screen printing, spray coating, transfer, and dip coating. This coating film is sintered by firing at a first temperature, and the thickness of the fuel electrode 1 obtained after firing is 1.0 μm to 100.0 μm, preferably 1.0 μm to 30.0 μm, and particularly preferably 1.0 μm to 10.0 μm.

第2スラリー塗布方法としては、スクリーン印刷法、スプレーコート法、転写法、又はディップコート法などが挙げられる。いずれの塗布方法でも、第2スラリー中の電解質材料の粒子分散性を最適化することにより、高い成形密度の塗布膜が得られる。この塗布膜は、第1温度で焼成することによって焼結が進行するが、焼成後に得られる電解質4の膜厚は0.1~20.0μm、好ましくは0.1μm~10.0μm、特に好ましくは0.1μm~5.0μmである。 Methods for applying the second slurry include screen printing, spray coating, transfer, and dip coating. In any application method, a coating film with high molding density can be obtained by optimizing the particle dispersion of the electrolyte material in the second slurry. Sintering of this coating film progresses by firing at the first temperature, and the film thickness of the electrolyte 4 obtained after firing is 0.1 to 20.0 μm, preferably 0.1 μm to 10.0 μm, and particularly preferably 0.1 μm to 5.0 μm.

電気抵抗を低減するために、電解質4をできるだけ薄層化することが好ましい。一方で、極度の薄膜化は、電解質4の欠陥によるガスリークを引き起こす。したがって、電解質4は、欠陥を防ぐために膜厚0.1μm以上で、電解質4の電気抵抗が固体酸化物形セルの総電気抵抗の1/2以下にできる膜厚20μm以下が適切である。 To reduce electrical resistance, it is preferable to make the electrolyte 4 as thin as possible. On the other hand, making the electrolyte 4 too thin can cause gas leaks due to defects in the electrolyte 4. Therefore, it is appropriate for the electrolyte 4 to have a thickness of 0.1 μm or more to prevent defects, and a thickness of 20 μm or less to make the electrical resistance of the electrolyte 4 1/2 or less of the total electrical resistance of the solid oxide cell.

これらの塗布膜の焼成温度、すなわち第1温度は、1250~1500℃が好ましく、1300~1450℃がより好ましく、1350~1400℃が特に好ましい。焼成温度1250℃以上で塗布膜の焼結が十分進行し、緻密な電解質が得られるからである。また、焼成温度1500℃以下で、元素の拡散と、電解質4を構成する元素の揮発が抑えられるからである。塗布膜の焼成時間は、1~8時間が好ましく、2~6時間がより好ましく、3~4時間が特に好ましい。 The firing temperature of these coating films, i.e., the first temperature, is preferably 1250 to 1500°C, more preferably 1300 to 1450°C, and particularly preferably 1350 to 1400°C. This is because at a firing temperature of 1250°C or higher, sintering of the coating film proceeds sufficiently, and a dense electrolyte is obtained. Also, at a firing temperature of 1500°C or lower, diffusion of elements and volatilization of elements constituting the electrolyte 4 are suppressed. The firing time of the coating film is preferably 1 to 8 hours, more preferably 2 to 6 hours, and particularly preferably 3 to 4 hours.

図3は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形セルの断面図を模式的に示している。本発明の実施形態に係る固体酸化物形セルは、本発明の燃料極1と、電解質4と、多孔質支持体5と、を備えている。また、電解質4上に、反応防止用の中間層として中間層6と、空気極7と、を備えている。 Figure 3 shows a schematic cross-sectional view of a solid oxide cell according to an embodiment of the present invention. The solid oxide cell according to an embodiment of the present invention comprises the fuel electrode 1 of the present invention, an electrolyte 4, and a porous support 5. In addition, an intermediate layer 6 as an intermediate layer for preventing a reaction, and an air electrode 7 are provided on the electrolyte 4.

本実施形態の固体酸化物形セルの製造方法は、例えば、多孔質支持体5上に、第1スラリーを塗布し、次いで、第2スラリーを塗布し、その後、第1温度で共焼成して燃料極1と電解質4を形成する工程と、電解質4上に第3スラリーを塗布し、その後、第2温度で焼成して中間層5を形成する工程と、中間層5上に第4スラリーを塗布し、その後、第3温度で焼成して空気極7を形成する工程を備えている。また、中間層5を用いない場合には、例えば多孔質支持体5上に、第1スラリーを塗布し、次いで、第2スラリーを塗布し、その後、第1温度で共焼成して燃料極1と電解質4を形成する工程と、電解質4上に第4スラリーを塗布し、その後、第3温度で焼成して空気極7を形成する工程を備えている。 The method for manufacturing a solid oxide cell of this embodiment includes, for example, a step of applying a first slurry to a porous support 5, then applying a second slurry, and then co-firing at a first temperature to form a fuel electrode 1 and an electrolyte 4, a step of applying a third slurry to the electrolyte 4, then firing at a second temperature to form an intermediate layer 5, and a step of applying a fourth slurry to the intermediate layer 5, then firing at a third temperature to form an air electrode 7. In addition, when the intermediate layer 5 is not used, for example, a step of applying a first slurry to a porous support 5, then applying a second slurry, and then co-firing at a first temperature to form a fuel electrode 1 and an electrolyte 4, and a step of applying a fourth slurry to the electrolyte 4, then firing at a third temperature to form an air electrode 7.

なお、多孔質支持体5の気孔率、材料、混合質量比については、燃料極の製造方法での記載と同様である。また、第1スラリーの塗布方法及び燃料極1の膜厚については、燃料極の製造方法での第1スラリーの塗布方法及び燃料極1の膜厚と同様である。また、第2スラリーの塗布方法及び電解質4の膜厚については、燃料極の製造方法での第2スラリーの塗布方法及び電解質4の膜厚と同様である。また、燃料極1と電解質4の共焼成温度である第1温度の好ましい範囲とその理由は、燃料極の作製方法の燃料極1と電解質4の材料である塗布膜の焼成温度の好ましい範囲とその理由と同様である。さらに、共焼成時間の好ましい範囲とその理由も、燃料極の作製方法の燃料極1と電解質4の材料である塗布膜の焼成時間の好ましい範囲とその理由と同様である。 The porosity, material, and mixture mass ratio of the porous support 5 are the same as those described in the method for manufacturing the fuel electrode. The method for applying the first slurry and the thickness of the fuel electrode 1 are the same as those in the method for manufacturing the fuel electrode. The method for applying the second slurry and the thickness of the electrolyte 4 are the same as those in the method for manufacturing the fuel electrode. The preferred range of the first temperature, which is the co-firing temperature of the fuel electrode 1 and the electrolyte 4, and the reason for that are the same as those in the preferred range of the firing temperature of the coating film, which is the material of the fuel electrode 1 and the electrolyte 4, and the reason for that are the same as those in the method for manufacturing the fuel electrode. The preferred range of the co-firing time and the reason for that are the same as those in the preferred range of the firing time of the coating film, which is the material of the fuel electrode 1 and the electrolyte 4, and the reason for that are the same as those in the method for manufacturing the fuel electrode.

中間層6は緻密体、多孔質体のいずれも用いることができるが、反応防止機能を強化するために相対密度が高いことが望ましい。具体的には、60~100%が好ましく、70~100%がより好ましく、80~100%が特に好ましい。また、中間層6は、電解質4と空気極7の化学的安定性が高い場合(反応防止機能が不要な場合)は、中間層6を備えることなく、固体酸化物形セルを形成することもできる。 The intermediate layer 6 can be either dense or porous, but it is desirable for the relative density to be high in order to enhance the reaction prevention function. Specifically, 60 to 100% is preferable, 70 to 100% is more preferable, and 80 to 100% is particularly preferable. Furthermore, if the chemical stability of the electrolyte 4 and the air electrode 7 is high (if the reaction prevention function is not necessary), a solid oxide cell can be formed without the intermediate layer 6.

第3スラリーの塗布方法としては、スクリーン印刷法、スプレーコート法、転写法、又はディップコート法などが挙げられる。いずれの塗布方法でも、第3スラリー中の中間層材料の粒子分散性を最適化することにより、高い成形密度の塗布膜が得られる。この塗布膜は、第2温度で焼成することによって焼結が進行するが、焼成後に得られる中間層6の膜厚は0.1~10μmが好ましい。 Methods for applying the third slurry include screen printing, spray coating, transfer, and dip coating. In any application method, a coating film with high molding density can be obtained by optimizing the particle dispersion of the intermediate layer material in the third slurry. Sintering of this coating film progresses when it is fired at the second temperature, and the thickness of the intermediate layer 6 obtained after firing is preferably 0.1 to 10 μm.

電気抵抗を低減するために、中間層6をできるだけ薄層化することが好ましい。一方で、極度の薄膜化は、中間層6の反応防止機能を損ねてしまう。したがって、中間層6は、反応防止機能を維持するために膜厚0.1μm以上で、中間層5の電気抵抗が固体酸化物形セルの総電気抵抗の1/2以下にできる膜厚10μm以下が適切である。 To reduce electrical resistance, it is preferable to make the intermediate layer 6 as thin as possible. On the other hand, making the thickness too thin impairs the reaction prevention function of the intermediate layer 6. Therefore, it is appropriate for the intermediate layer 6 to have a thickness of 0.1 μm or more to maintain the reaction prevention function, and a thickness of 10 μm or less to make the electrical resistance of the intermediate layer 5 1/2 or less of the total electrical resistance of the solid oxide cell.

この塗布膜の焼成温度、すなわち第3温度は、1000~1400℃が好ましく、1100~1350℃がより好ましく、1150~1300℃が特に好ましい。良好な焼結状態が得られ、電解質4との元素の相互拡散の影響も抑えられるからである。塗布膜の焼成時間は、0.5~4時間が好ましく、1~3時間がより好ましく、1~2時間が特に好ましい。 The firing temperature of this coating film, i.e., the third temperature, is preferably 1000 to 1400°C, more preferably 1100 to 1350°C, and particularly preferably 1150 to 1300°C. This is because a good sintered state is obtained and the effects of mutual diffusion of elements with the electrolyte 4 are suppressed. The firing time of the coating film is preferably 0.5 to 4 hours, more preferably 1 to 3 hours, and particularly preferably 1 to 2 hours.

第4スラリーの塗布方法としては、スクリーン印刷法、スプレーコート法、転写法、又はディップコート法などが挙げられる。この塗布膜は、第3温度で焼成することによって焼結が進行するが、焼成後に得られる空気極7の膜厚は1~100μmが好ましい。 Examples of the method for applying the fourth slurry include screen printing, spray coating, transfer, and dip coating. This applied film is sintered by firing at the third temperature, and the thickness of the air electrode 7 obtained after firing is preferably 1 to 100 μm.

空気極7を形成する工程では、例えば空気極7を電解質4又は中間層6上に形成する。空気極7は、電子伝導性材料としてペロブスカイト型酸化物材料を含むことが好ましい。 In the process of forming the air electrode 7, for example, the air electrode 7 is formed on the electrolyte 4 or the intermediate layer 6. The air electrode 7 preferably contains a perovskite-type oxide material as an electronically conductive material.

空気極7は、電子伝導性材料とイオン伝導性材料が混合化又は複合化された材料である。空気極7の焼成温度である第3温度は、700~1200℃が好ましく、800~1100℃がより好ましく、850~1050℃が特に好ましい。焼成時間は、0.5~8時間が好ましく、1~6時間がより好ましく、1~3時間が特に好ましい。 The air electrode 7 is a material in which an electronically conductive material and an ionically conductive material are mixed or composited. The third temperature, which is the firing temperature of the air electrode 7, is preferably 700 to 1200°C, more preferably 800 to 1100°C, and particularly preferably 850 to 1050°C. The firing time is preferably 0.5 to 8 hours, more preferably 1 to 6 hours, and particularly preferably 1 to 3 hours.

固体酸化物形セルは、支持体としての多孔質支持体5上に、燃料極1、電解質4、必要に応じて中間層6、空気極7、必要に応じて多孔質電極が形成されたデバイスである。 A solid oxide cell is a device in which a fuel electrode 1, an electrolyte 4, an intermediate layer 6 if necessary, an air electrode 7, and a porous electrode if necessary are formed on a porous support 5 as a support.

つぎに、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、これらは単なる例示であって、本発明を制限するものではない。 Next, the present invention will be explained in more detail with reference to examples, but these are merely illustrative and do not limit the present invention.

以下の手順に従って、電子伝導性材料とイオン伝導性材料の比の異なる燃料極を作製した。ここでは、燃料極極の原材料となる酸化物粉体材料は噴霧熱分解法により作製した。 Fuel electrodes with different ratios of electronically conductive material to ionically conductive material were fabricated according to the following procedure. Here, the oxide powder material used as the raw material for the fuel electrodes was fabricated by spray pyrolysis.

<噴霧熱分解法による酸化物粉体材料の合成>
噴霧熱分解法は、ナノサイズの酸化物粉体材料を合成できる手法の一つである。単一の酸化物粉体材料を合成することもできるが、2種類以上の酸化物が複合化された酸化物粉体材料を合成することもできる。この際、複合化された2種類以上の酸化物において良好な分散状態を得ることができる。また、一次粒子径を広い範囲で制御することができることも特徴である。以下、実施例における噴霧熱分解法による酸化物粉体材料の合成について記載する。
<Synthesis of oxide powder materials by spray pyrolysis method>
The spray pyrolysis method is one of the techniques for synthesizing nano-sized oxide powder materials. It is possible to synthesize a single oxide powder material, but it is also possible to synthesize an oxide powder material in which two or more types of oxides are combined. In this case, a good dispersion state can be obtained for the two or more types of oxides that are combined. Another feature is that the primary particle size can be controlled over a wide range. The synthesis of oxide powder materials by the spray pyrolysis method in the examples is described below.

噴霧熱分解法の工程は、燃料極用の電子伝導性材料源の金属塩と、イオン伝導性材料源の金属塩とを含有する噴霧用水溶液を調製し、噴霧用水溶液を超音波振動により霧化させ、次いで、霧化した該噴霧用水溶液を加熱炉に導入することで、空気極用の酸化物粉体材料を得るものである。 The spray pyrolysis process involves preparing an aqueous solution for spraying that contains a metal salt of an electronically conductive material source for the fuel electrode and a metal salt of an ionically conductive material source, atomizing the aqueous solution for spraying by ultrasonic vibration, and then introducing the atomized aqueous solution for spraying into a heating furnace to obtain an oxide powder material for the air electrode.

噴霧用水溶液中に含有される各金属元素の濃度比を適宜選択することにより、燃料極極用の電子伝導性材料の一次粒子及びイオン伝導性材料の一次粒子を構成する各種の金属元素の組成比を調節した。 By appropriately selecting the concentration ratio of each metal element contained in the aqueous solution to be sprayed, the composition ratio of the various metal elements constituting the primary particles of the electronically conductive material and the primary particles of the ionically conductive material for the fuel electrode was adjusted.

噴霧装置内の噴霧用水溶液を超音波振動(周波数:1.75MHz)により霧化させ、次いで、キャリアーガスの空気でフローすることにより霧化した該噴霧用水溶液を噴霧装置に接続された配管を通して加熱炉に導入した。噴霧用水溶液中の該燃料極用の電子伝導性材料源の金属塩やイオン伝導性材料源の金属塩を、熱分解及び酸化して、燃料極用の酸化物粉体材料を得た。加熱炉としては、4段式電気炉を用い、各段の炉内温度は前段から300、500、700、900℃、各段での加熱時間(各段の炉内通過時間)は前段から8秒、8秒、8秒、8秒)とした。 The aqueous solution to be sprayed in the spraying device was atomized by ultrasonic vibration (frequency: 1.75 MHz), and then the aqueous solution to be sprayed, which had been atomized by flowing with carrier gas air, was introduced into a heating furnace through a pipe connected to the spraying device. The metal salt of the source of the electronic conductive material for the fuel electrode and the metal salt of the source of the ion conductive material in the aqueous solution to be sprayed were thermally decomposed and oxidized to obtain an oxide powder material for the fuel electrode. A four-stage electric furnace was used as the heating furnace, with the temperatures in each stage being 300, 500, 700, and 900°C from the previous stage, and the heating times in each stage (time to pass through the furnace for each stage) being 8 seconds, 8 seconds, 8 seconds, and 8 seconds from the previous stage).

<噴霧用水溶液の作製>
(1)噴霧用水溶液s1
硝酸ニッケル六水和物18.542g、硝酸ジルコニル二水和物8.910g、及び硝酸イットリウム六水和物2.221gを秤量し、純水に溶解させ、次いで、水溶液量が1000mlになるようにさらに純水を加え、噴霧用水溶液s1を調製した。該噴霧用水溶液s1を噴霧熱分解することにより、1Lあたり0.1molの50質量%NiO-50質量%(ZrO0.92(Y0.08(以下、YSZ)を合成できる。
(2)噴霧用水溶液s2
硝酸ニッケル六水和物21.089g、硝酸ジルコニル二水和物6.756g、及び硝酸イットリウム六水和物1.684gを秤量し、純水に溶解させ、次いで、水溶液量が1000mlになるようにさらに純水を加え、噴霧用水溶液s2を調製した。該噴霧用水溶液s1を噴霧熱分解することにより、1Lあたり0.1molの60質量%NiO-40質量%YSZを合成できる。
(3)噴霧用水溶液s3
硝酸ニッケル六水和物23.384g、硝酸ジルコニル二水和物4.816g、及び硝酸イットリウム六水和物1.200gを秤量し、純水に溶解させ、次いで、水溶液量が1000mlになるようにさらに純水を加え、噴霧用水溶液s3を調製した。該噴霧用水溶液s1を噴霧熱分解することにより、1Lあたり0.1molの70質量%NiO-30質量%YSZを合成できる。
(4)噴霧用水溶液s4
硝酸サマリウム六水和物14.72g、硝酸ストロンチウム4.63g、硝酸コバルト六水和物12.73g、及び硝酸セリウム六水和物19.54gを秤量し、それ以外は噴霧用水溶液s1と同様の方法により、噴霧用水溶液s4を調製した。該噴霧用水溶液s4を噴霧熱分解することにより、1Lあたり0.1molの50質量%SSC-50質量%SDCを合成できる。なお、該噴霧用水溶液s4は、空気極を製造するために用いる。
<Preparation of aqueous solution for spraying>
(1) Aqueous solution for spraying s1
18.542 g of nickel nitrate hexahydrate, 8.910 g of zirconyl nitrate dihydrate, and 2.221 g of yttrium nitrate hexahydrate were weighed and dissolved in pure water, and then pure water was further added so that the amount of the aqueous solution became 1000 ml to prepare an aqueous solution s1 for spraying. By spraying and pyrolyzing the aqueous solution s1 for spraying, 0.1 mol per liter of 50% by mass NiO-50% by mass ( ZrO2 ) 0.92 ( Y2O3 ) 0.08 (hereinafter referred to as YSZ) can be synthesized.
(2) Aqueous solution for spraying s2
21.089 g of nickel nitrate hexahydrate, 6.756 g of zirconyl nitrate dihydrate, and 1.684 g of yttrium nitrate hexahydrate were weighed and dissolved in pure water, and then pure water was further added so that the amount of the aqueous solution became 1000 ml to prepare an aqueous solution s2 for spraying. By spraying and pyrolyzing the aqueous solution s1 for spraying, 0.1 mol of 60 mass% NiO-40 mass% YSZ can be synthesized per 1 L.
(3) Aqueous solution for spraying s3
23.384 g of nickel nitrate hexahydrate, 4.816 g of zirconyl nitrate dihydrate, and 1.200 g of yttrium nitrate hexahydrate were weighed and dissolved in pure water, and then pure water was further added so that the amount of the aqueous solution became 1000 ml to prepare an aqueous solution s3 for spraying. By spraying and pyrolyzing the aqueous solution s1 for spraying, 0.1 mol of 70 mass% NiO-30 mass% YSZ per 1 L can be synthesized.
(4) Aqueous solution for spraying s4
14.72 g of samarium nitrate hexahydrate, 4.63 g of strontium nitrate, 12.73 g of cobalt nitrate hexahydrate, and 19.54 g of cerium nitrate hexahydrate were weighed out, and the rest was prepared in the same manner as in the case of the spray aqueous solution s1. By spraying and pyrolyzing the spray aqueous solution s4, 0.1 mol of 50 mass% SSC-50 mass% SDC per 1 L can be synthesized. The spray aqueous solution s4 is used to manufacture an air electrode.

<酸化物粉体材料の作製>
(1)酸化物粉体材料p1
前記噴霧水溶液s1を用いて、超音波方式の噴霧熱分解法により、噴霧熱分解を行い、NiO-YSZの酸化物粉体材料p1を得た。
(2)酸化物粉体材料p2
前記噴霧水溶液s2を用いて、酸化物粉体材料p1と同様の方法により、NiO-YSZの酸化物粉体材料p2を得た。
(3)酸化物粉体材料p3
前記噴霧水溶液s3を用いて、酸化物粉体材料p1と同様の方法により、NiO-YSZの酸化物粉体材料p3を得た。
(4)酸化物粉体材料p4
前記噴霧水溶液s4を用いて、酸化物粉体材料p1と同様の方法により、SSC-SDCの酸化物粉体材料p4を得た。
<Preparation of oxide powder materials>
(1) Oxide powder material p1
The sprayed aqueous solution s1 was used to carry out spray pyrolysis by ultrasonic spray pyrolysis to obtain an oxide powder material p1 of NiO-YSZ.
(2) Oxide powder material p2
Using the sprayed aqueous solution s2, an oxide powder material p2 of NiO-YSZ was obtained in the same manner as in the case of the oxide powder material p1.
(3) Oxide powder material p3
Using the sprayed aqueous solution s3, an oxide powder material p3 of NiO-YSZ was obtained in the same manner as in the case of the oxide powder material p1.
(4) Oxide powder material p4
Using the sprayed aqueous solution s4, an SSC-SDC oxide powder material p4 was obtained in the same manner as in the case of the oxide powder material p1.

<酸化物粉体材料のX線回折分析>
該3種のNiO-YSZ酸化物粉体材料p1~3のX線回折分析(SmartLab、リガク製)を行ったところ、いずれのNiO-YSZの酸化物粉体材料も、NiOとYSZと同定できる回折ピークが観察され、結晶性のNiOとYSZを含む粉体材料であると確認できた。また、該SSC-SDCの酸化物粉体材料p4のX線回折分析を行ったところ、SSCとSDCと同定できる回折ピークが観察され、結晶性のSSCとSDCを含む粉体材料であると確認できた。
<X-ray diffraction analysis of oxide powder materials>
When the three NiO-YSZ oxide powder materials p1 to p3 were subjected to X-ray diffraction analysis (SmartLab, manufactured by Rigaku), diffraction peaks identifiable as NiO and YSZ were observed in all of the NiO-YSZ oxide powder materials, and it was confirmed that they were powder materials containing crystalline NiO and YSZ. Furthermore, when the SSC-SDC oxide powder material p4 was subjected to X-ray diffraction analysis, diffraction peaks identifiable as SSC and SDC were observed, and it was confirmed that they were powder materials containing crystalline SSC and SDC.

<酸化物粉体材料の粒度分布測定>
酸化物粉体材料p1~p4の粒度分布を、レーザー回折式粒度分布測定法(日機装株式会社製、マイクロトラックHRA9320-X100)により測定し、体積基準の10%粒径(D10)、体積基準の50%粒径(D50)及び体積基準の90%粒径(D90)の値を求めた。なお、酸化物粉体材料は、より微細な一次粒子が複合化された凝集体二次粒子であり、ここで測定される粒度分布は凝集体二次粒子における値である。その結果を下記に示す。
<酸化物粉体材料p1>
D10:0.49μm、D50:0.65μm、D90:0.93μm
<酸化物粉体材料p2>
D10:0.47μm、D50:0.63μm、D90:0.94μm
<酸化物粉体材料p3>
D10:0.49μm、D50:0.67μm、D90:1.00μm
<酸化物粉体材料p4>
D10:0.62μm、D50:0.91μm、D90:1.26μm
<Particle size distribution measurement of oxide powder materials>
The particle size distribution of the oxide powder materials p1 to p4 was measured by a laser diffraction particle size distribution measurement method (Microtrac HRA9320-X100, manufactured by Nikkiso Co., Ltd.) to determine the values of the 10% particle size (D10) based on volume, the 50% particle size (D50) based on volume, and the 90% particle size (D90) based on volume. Note that the oxide powder material is an aggregate secondary particle in which finer primary particles are compounded, and the particle size distribution measured here is the value for the aggregate secondary particle. The results are shown below.
<Oxide powder material p1>
D10: 0.49 μm, D50: 0.65 μm, D90: 0.93 μm
<Oxide powder material p2>
D10: 0.47 μm, D50: 0.63 μm, D90: 0.94 μm
<Oxide powder material p3>
D10: 0.49 μm, D50: 0.67 μm, D90: 1.00 μm
<Oxide powder material p4>
D10: 0.62 μm, D50: 0.91 μm, D90: 1.26 μm

<酸化物粉体材料の一次粒子の平均粒子径測定>
酸化物粉体材料p1~p4の一次粒子の平均粒子径を、X線回折(SmartLab、リガク製)のピーク半値幅とシェラーの式(シェラー定数:0.9)により求めた。その結果、一次粒子として合成されたNiO、YSZ、SSC、及びSDCのいずれの一次粒子も、約15nmであった。
<Measurement of the average particle size of primary particles of oxide powder material>
The average particle size of the primary particles of the oxide powder materials p1 to p4 was determined by the peak half-width of X-ray diffraction (SmartLab, manufactured by Rigaku) and Scherrer's formula (Scherrer constant: 0.9). As a result, the primary particles of NiO, YSZ, SSC, and SDC synthesized as primary particles were all about 15 nm.

<多孔質支持体の作製>
NiO(住友金属鉱山製)とYSZ(TZ-8YS、東ソー製)を6:4の質量比で混合し、この混合粉体に対し、セルロース系結合剤、造孔剤及び水を加えて混合した。造孔剤はカーボンとセルロースを2:1で混合したものであり、NiOとYSZの質量の和に対し、25質量%添加した。
<Preparation of Porous Support>
NiO (Sumitomo Metal Mining Co., Ltd.) and YSZ (TZ-8YS, Tosoh Corporation) were mixed in a mass ratio of 6:4, and a cellulose-based binder, a pore former, and water were added to the mixed powder and mixed. The pore former was a mixture of carbon and cellulose in a ratio of 2:1, and was added in an amount of 25 mass% based on the sum of the masses of NiO and YSZ.

上記混合体を押出成形法にて、幅120mm、厚さ0.7mmの平板状グリーンシートを成形した。次いで、該グリーンシートを打ち抜きポンチを用いて直径32mmに切り抜き、その後、大気雰囲気下1240℃で2時間焼成することで、多孔質支持体仮焼体を得た。 The mixture was extrusion molded into a flat green sheet with a width of 120 mm and a thickness of 0.7 mm. The green sheet was then cut into pieces with a diameter of 32 mm using a punch, and then fired at 1240°C for 2 hours in an air atmosphere to obtain a calcined porous support body.

<燃料極用スラリーの作製>
(1)燃料極用スラリーS1
前記酸化物粉体材料p1に、エチルセルロース、可塑剤、分散剤、α-テレピネオールを混合したものを、混錬器にて、室温で1分30秒間混錬することにより、燃料極用スラリーS1を得た。
(2)燃料極用スラリーS2
前記酸化物粉体材料p2に、エチルセルロース、可塑剤、分散剤、α-テレピネオールを混合したものを、混錬器にて、室温で1分30秒間混錬することにより、燃料極用スラリーS2を得た。
(3)燃料極用スラリーS3
前記酸化物粉体材料p3に、エチルセルロース、可塑剤、分散剤、α-テレピネオールを混合したものを、混錬器にて、室温で1分30秒間混錬することにより、燃料極用スラリーS3を得た。
<Preparation of slurry for fuel electrode>
(1) Anode slurry S1
The oxide powder material p1 was mixed with ethyl cellulose, a plasticizer, a dispersant, and α-terpineol, and the mixture was kneaded in a kneader at room temperature for 1 minute and 30 seconds to obtain a slurry S1 for the anode.
(2) Anode slurry S2
The oxide powder material p2 was mixed with ethyl cellulose, a plasticizer, a dispersant, and α-terpineol, and the mixture was kneaded in a kneader at room temperature for 1 minute and 30 seconds to obtain a slurry S2 for the anode.
(3) Anode slurry S3
The oxide powder material p3 was mixed with ethyl cellulose, a plasticizer, a dispersant, and α-terpineol, and the mixture was kneaded in a kneader at room temperature for 1 minute and 30 seconds to obtain a slurry S3 for the fuel electrode.

<電解質用スラリーの作製>
YSZ粉体(TZ-8Y、東ソー製)に、エチルセルロース、可塑剤、分散剤、α-テレピネオールを混合したものを、混錬器にて、室温で1分30秒間混錬することにより、電解質用スラリーを得た。
<Preparation of electrolyte slurry>
YSZ powder (TZ-8Y, manufactured by Tosoh Corporation) was mixed with ethyl cellulose, a plasticizer, a dispersant, and α-terpineol, and the mixture was kneaded in a kneader at room temperature for 1 minute and 30 seconds to obtain a slurry for the electrolyte.

<中間層用スラリーの作製>
Ce0.9Gd0.11.95粉体(CGO90/10、UHSA、ソルベイ・スペシャルケム・ジャパン製)に、エチルセルロース、可塑剤、分散剤、α-テレピネオールを混合したものを、混錬器にて、室温で1分30秒間混錬することにより、中間層用スラリーを得た。
<Preparation of intermediate layer slurry>
Ce 0.9 Gd 0.1 O 1.95 powder (CGO90/10, UHSA, manufactured by Solvay Specialchem Japan) was mixed with ethyl cellulose, a plasticizer, a dispersant, and α-terpineol, and the mixture was kneaded in a kneader at room temperature for 1 minute and 30 seconds to obtain a slurry for the intermediate layer.

<空気極用スラリーの作製>
前記酸化物粉体材料p4に、エチルセルロース、可塑剤、分散剤、α-テレピネオールを混合したものを、混錬器にて、室温で1分30秒間混錬することにより、空気極用スラリーを得た。
<Preparation of slurry for air electrode>
The oxide powder material p4 was mixed with ethyl cellulose, a plasticizer, a dispersant, and α-terpineol, and the mixture was kneaded in a kneader at room temperature for 1 minute and 30 seconds to obtain a slurry for the air electrode.

<実施例としての固体酸化物形セルの作製>
(1)実施例1
前記多孔質支持体仮焼体上に、燃料極用スラリーS1をスクリーン印刷法にて塗布した後、次いで、前記多孔質支持体仮焼体上に塗布された燃料極用スラリーS1上に、前記電解質用スラリーをスクリーン印刷法にて塗布した後、大気雰囲気下1360℃で3時間焼成することで、電解質と燃料極と多孔質支持体の積層構造体を得た。その後、前記積層構造体の電解質上に、中間層用スラリーをスクリーン印刷法にて塗布した後、大気雰囲気下1300℃で1時間焼成することで中間層を得た。その後、中間層上に、空気極用スラリーをスクリーン印刷法にて塗布した後、大気雰囲気下900℃で1時間焼成することで空気極を得た。以上のようにして実施例1の固体酸化物形セルを作製した。
<Preparation of a solid oxide cell as an example>
(1) Example 1
The slurry for the fuel electrode S1 was applied to the calcined porous support body by screen printing, and then the slurry for the electrolyte was applied to the slurry for the fuel electrode S1 applied to the calcined porous support body by screen printing, and then fired at 1360°C for 3 hours in an air atmosphere to obtain a laminated structure of an electrolyte, a fuel electrode, and a porous support. Then, the slurry for the intermediate layer was applied to the electrolyte of the laminated structure by screen printing, and then fired at 1300°C for 1 hour in an air atmosphere to obtain an intermediate layer. Then, the slurry for the air electrode was applied to the intermediate layer by screen printing, and then fired at 900°C for 1 hour in an air atmosphere to obtain an air electrode. In this manner, the solid oxide cell of Example 1 was produced.

(2)実施例2
前記多孔質支持体仮焼体上に、燃料極用スラリーS2をスクリーン印刷法にて塗布した後、次いで、前記多孔質支持体仮焼体上に塗布された燃料極用スラリーS2上に、前記電解質用スラリーをスクリーン印刷法にて塗布した後、大気雰囲気下1360℃で3時間焼成することで、電解質と燃料極と多孔質支持体の積層構造体を得た。その後、前記積層構造体の電解質上に、中間層用スラリーをスクリーン印刷法にて塗布した後、大気雰囲気下1300℃で1時間焼成することで中間層を得た。その後、中間層上に、空気極用スラリーをスクリーン印刷法にて塗布した後、大気雰囲気下900℃で1時間焼成することで空気極を得た。以上のようにして実施例2の固体酸化物形セルを作製した。
(2) Example 2
The slurry for the fuel electrode S2 was applied to the calcined porous support body by screen printing, and then the slurry for the electrolyte was applied to the slurry for the fuel electrode S2 applied to the calcined porous support body by screen printing, and then fired at 1360°C for 3 hours in an air atmosphere to obtain a laminated structure of an electrolyte, a fuel electrode, and a porous support. Then, the slurry for the intermediate layer was applied to the electrolyte of the laminated structure by screen printing, and then fired at 1300°C for 1 hour in an air atmosphere to obtain an intermediate layer. Then, the slurry for the air electrode was applied to the intermediate layer by screen printing, and then fired at 900°C for 1 hour in an air atmosphere to obtain an air electrode. In this manner, the solid oxide cell of Example 2 was produced.

(3)実施例3
前記多孔質支持体仮焼体上に、燃料極用スラリーS3をスクリーン印刷法にて塗布した後、次いで、前記多孔質支持体仮焼体上に塗布された燃料極用スラリーS3上に、前記電解質用スラリーをスクリーン印刷法にて塗布した後、大気雰囲気下1360℃で3時間焼成することで、電解質と燃料極と多孔質支持体の積層構造体を得た。その後、前記積層構造体の電解質上に、中間層用スラリーをスクリーン印刷法にて塗布した後、大気雰囲気下1300℃で1時間焼成することで中間層を得た。その後、中間層上に、空気極用スラリーをスクリーン印刷法にて塗布した後、大気雰囲気下900℃で1時間焼成することで空気極を得た。以上のようにして実施例3の固体酸化物形セルを作製した。
(3) Example 3
The slurry for the fuel electrode S3 was applied to the calcined porous support body by screen printing, and then the slurry for the electrolyte was applied to the slurry for the fuel electrode S3 applied to the calcined porous support body by screen printing, and then fired at 1360°C for 3 hours in an air atmosphere to obtain a laminated structure of an electrolyte, a fuel electrode, and a porous support. Then, the slurry for the intermediate layer was applied to the electrolyte of the laminated structure by screen printing, and then fired at 1300°C for 1 hour in an air atmosphere to obtain an intermediate layer. Then, the slurry for the air electrode was applied to the intermediate layer by screen printing, and then fired at 900°C for 1 hour in an air atmosphere to obtain an air electrode. In this manner, the solid oxide cell of Example 3 was produced.

前記実施例1~3の固体酸化物形セルにおける各部材の膜厚は、いずれの実施例においても、多孔質支持体は約0.55mm、燃料極は約5.0μm、電解質は約3.0μm、中間層は約2.0μm、空気極は約30.0μmである。なお、燃料極の膜厚は、実施例1において、最も薄い箇所で4.0μm、最も厚い箇所で6.0μmであり、実施例2において、最も薄い箇所で4.0μm、最も厚い箇所で6.0μmであり、実施例3において、最も薄い箇所で4.0μm、最も厚い箇所で6.0μmであった。電解質の膜厚は、実施例1において、最も薄い箇所で2.5μm、最も厚い箇所で3.5μmであり、実施例2において、最も薄い箇所で2.5μm、最も厚い箇所で3.5μmであり、実施例3において、最も薄い箇所で2.5μm、最も厚い箇所で3.5μmであった。 In the solid oxide cells of Examples 1 to 3, the thickness of each member is about 0.55 mm for the porous support, about 5.0 μm for the fuel electrode, about 3.0 μm for the electrolyte, about 2.0 μm for the intermediate layer, and about 30.0 μm for the air electrode. The thickness of the fuel electrode was 4.0 μm at the thinnest point and 6.0 μm at the thickest point in Example 1, 4.0 μm at the thinnest point and 6.0 μm at the thickest point in Example 2, and 4.0 μm at the thinnest point and 6.0 μm at the thickest point in Example 3. The thickness of the electrolyte was 2.5 μm at the thinnest point and 3.5 μm at the thickest point in Example 1, 2.5 μm at the thinnest point and 3.5 μm at the thickest point in Example 2, and 2.5 μm at the thinnest point and 3.5 μm at the thickest point in Example 3.

<比較例としての固体酸化物形セルの作製>
(1)比較例1
前記多孔質支持体仮焼体上に、前記電解質用スラリーをスクリーン印刷法にて塗布した後、大気雰囲気下1360℃で3時間焼成することで、電解質と多孔質支持体の積層構造体を得た。その後、前記積層構造体の電解質上に、中間層用スラリーをスクリーン印刷法にて塗布した後、大気雰囲気下1300℃で1時間焼成することで中間層を得た。その後、中間層上に、空気極用スラリーをスクリーン印刷法にて塗布した後、大気雰囲気下900℃で1時間焼成することで空気極を得た。以上のようにして比較例1の固体酸化物形セルを作製した。なお、比較例1においては、前記多孔質支持体の材料がNiO-YSZであるため、多孔質支持体が支持体であると同時に、固体酸化物形セルの燃料極として、電気化学反応では機能する。
<Preparation of a solid oxide cell as a comparative example>
(1) Comparative Example 1
The electrolyte slurry was applied to the calcined porous support body by screen printing, and then fired at 1360°C for 3 hours in an air atmosphere to obtain a laminated structure of the electrolyte and the porous support. Then, the intermediate layer slurry was applied to the electrolyte of the laminated structure by screen printing, and then fired at 1300°C for 1 hour in an air atmosphere to obtain an intermediate layer. Then, the air electrode slurry was applied to the intermediate layer by screen printing, and then fired at 900°C for 1 hour in an air atmosphere to obtain an air electrode. In this manner, the solid oxide cell of Comparative Example 1 was produced. In Comparative Example 1, since the material of the porous support is NiO-YSZ, the porous support functions as a support and at the same time as a fuel electrode of the solid oxide cell in the electrochemical reaction.

前記比較例1の固体酸化物形セルにおける各部材の膜厚は、多孔質支持体は約0.55mm、電解質は約3.0μm、中間層は約2.0μm、空気極は約30.0μmである。なお、比較例においては、多孔質支持体が燃料極を兼ねている。電解質の膜厚は、最も薄い箇所で2.5μm、最も厚い箇所で3.5μmであった。 The thickness of each component in the solid oxide cell of Comparative Example 1 is approximately 0.55 mm for the porous support, approximately 3.0 μm for the electrolyte, approximately 2.0 μm for the intermediate layer, and approximately 30.0 μm for the air electrode. In the comparative example, the porous support also serves as the fuel electrode. The electrolyte film thickness was 2.5 μm at its thinnest point and 3.5 μm at its thickest point.

<固体酸化物形セルの性能評価>
実施例1~3及び比較例1の固体酸化物形セルについて、ポテンショスタット・周波数アナライザー(Autolab PGSTAT302、Metrohm製)を用いて発電特性測定及び交流インピーダンス測定を行った。固体酸化物形セルの空気極側に空気を導入し、燃料極側に3%加湿水素を導入し、700℃で測定を行った。測定例として実施例2における発電特性測定と交流インピーダンス測定の結果(コール・コール・プロット)を図5と図6にそれぞれ示す。実施例1~3及び比較例1の固体酸化物形セルにおける発電特性測定の結果(最大出力密度)と交流インピーダンス測定の結果(電極抵抗)を表1に示す。なお、セルの電極抵抗は、交流インピーダンス法より得られる測定対象のセルのコール・コール・プロット、すなわち、周波数を変化させた時の周波数毎の実数部抵抗値Z’(Ω)及び虚数部抵抗値Z”(Ω)を、横軸を実数部抵抗値Z’、縦軸を虚数部抵抗値Z”として、プロットして得られるグラフにおいて、該グラフの横軸との2つの切片の実数部抵抗値の差である。
<Performance evaluation of solid oxide cells>
For the solid oxide cells of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, power generation characteristics and AC impedance were measured using a potentiostat/frequency analyzer (Autolab PGSTAT302, manufactured by Metrohm). Air was introduced to the air electrode side of the solid oxide cell, and 3% humidified hydrogen was introduced to the fuel electrode side, and measurements were performed at 700°C. As a measurement example, the results of the power generation characteristics and AC impedance measurements (Cole-Cole plots) in Example 2 are shown in Figures 5 and 6, respectively. The results of the power generation characteristics measurements (maximum power density) and the AC impedance measurements (electrode resistance) for the solid oxide cells of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 are shown in Table 1. The electrode resistance of a cell is the difference between the real resistance values of two intercepts on the horizontal axis of a graph obtained by plotting the real resistance value Z' (Ω) and the imaginary resistance value Z" (Ω) for each frequency when the frequency is changed, the real resistance value Z' being plotted on the horizontal axis and the imaginary resistance value Z" being plotted on the vertical axis, the Cole-Cole plot of the cell being measured obtained by the AC impedance method.

Figure 0007510669000001
Figure 0007510669000001

<燃料極観察のための断面処理>
固体酸化物形セルの性能評価後の燃料極を観察するために、実施例1~3及び比較例1のセル断面を、クロスセクションポリッシャ(Arイオンビーム、IB-19510CP、日本電子製)により平滑化した。なお、固体酸化物形セルの性能評価後であるため、燃料極及び多孔質支持体中のNiOはNiに還元されている。
<Cross-section processing for fuel electrode observation>
In order to observe the fuel electrode after the performance evaluation of the solid oxide cell, the cell cross sections of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were smoothed with a cross-section polisher (Ar ion beam, IB-19510CP, manufactured by JEOL Ltd.). Since the performance evaluation of the solid oxide cell had been performed, NiO in the fuel electrode and the porous support was reduced to Ni.

<燃料極の観察>
上記断面処理を行った後に、燃料極をLV-SEM(Ultra55、Carl Zeiss製)で観察した像を図7に示す。各LV-SEM像のコントラストから、画像解析ソフト(WinROOF2018、三谷商事製)を用いて画像処理することにより、各燃料極の気孔率を測定した。また、同画像解析ソフトを用いて、観察されたNi粒子とYSZ粒子の粒子径を画像上で測定し、各材料の平均粒子径とその標準偏差を求めた。これらの結果を表2に示す。
<Observation of the fuel electrode>
After the above cross-section processing, the anode was observed with an LV-SEM (Ultra55, manufactured by Carl Zeiss) and the image is shown in FIG. 7. The porosity of each anode was measured from the contrast of each LV-SEM image by image processing using image analysis software (WinROOF2018, manufactured by Mitani Shoji). In addition, the particle size of the observed Ni particles and YSZ particles was measured on the image using the same image analysis software, and the average particle size and its standard deviation of each material were calculated. These results are shown in Table 2.

Figure 0007510669000002
Figure 0007510669000002

表1に示されるように、比較例1に対して、実施例1~3は高い最大出力密度及び低い電極抵抗を示した。これは、燃料極材料として、電子伝導性材料とイオン伝導性材料を特定の範囲の質量比で含有し、電子伝導性材料とイオン伝導性材料の各材料において、平均粒子径、粒子径分布、膜厚、気孔率を特定の範囲とすることで、燃料極の電極抵抗を飛躍的に低減し、その結果として高い最大出力密度を実現したものである。 As shown in Table 1, Examples 1 to 3 showed a high maximum power density and low electrode resistance compared to Comparative Example 1. This is because the fuel electrode material contains an electronically conductive material and an ionically conductive material in a specific range of mass ratios, and the average particle size, particle size distribution, film thickness, and porosity of each of the electronically conductive material and the ionically conductive material are set within specific ranges, thereby dramatically reducing the electrode resistance of the fuel electrode and, as a result, realizing a high maximum power density.

なお、実施例1~3の多孔質支持体は、比較例1と同じ材料であるため、表2に示されている比較例1の測定結果は、実施例1~3の多孔質支持体の各物性値(気孔率、平均粒子径、粒子径分布の標準偏差)に相当する。 The porous supports in Examples 1 to 3 are made of the same material as in Comparative Example 1, so the measurement results for Comparative Example 1 shown in Table 2 correspond to the physical property values (porosity, average particle size, and standard deviation of particle size distribution) of the porous supports in Examples 1 to 3.

<電解質観察のための断面処理>
固体酸化物形セルの性能評価後の電解質を観察するために、実施例1~3及び比較例1のセル断面を、クロスセクションポリッシャ(Arイオンビーム、IB-19510CP、日本電子製)により平滑化した。
<Cross-section processing for electrolyte observation>
In order to observe the electrolyte after the performance evaluation of the solid oxide cells, the cell cross sections of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were smoothed with a cross-section polisher (Ar ion beam, IB-19510CP, manufactured by JEOL Ltd.).

<電解質の観察>
上記断面処理を行った後に、電解質をLV-SEM(Ultra55、Carl Zeiss製)で観察した実施例2の像を図8に示す。LV-SEM像のコントラストから、画像解析ソフト(WinROOF2018、三谷商事製)を用いて画像処理することにより、電解質の相対密度を測定した。その結果、実施例2の相対密度は99%であった。また、同様に測定した実施例1と3及び比較例1の電解質の相対密度も99%であった。
<Observation of electrolyte>
FIG. 8 shows an image of Example 2 in which the electrolyte was observed with an LV-SEM (Ultra55, manufactured by Carl Zeiss) after the above-mentioned cross-section treatment. The relative density of the electrolyte was measured from the contrast of the LV-SEM image by image processing using image analysis software (WinROOF2018, manufactured by Mitani Shoji). As a result, the relative density of Example 2 was 99%. The relative densities of the electrolytes of Examples 1 and 3 and Comparative Example 1, which were measured in the same manner, were also 99%.

本発明を用いれば、燃料極の電極抵抗が低い優れた性能を有する固体酸化物形セル用燃料極及び固体酸化物形セルを製造することができる。 By using this invention, it is possible to manufacture a solid oxide cell fuel electrode and a solid oxide cell that have excellent performance and low electrode resistance of the fuel electrode.

Claims (9)

固体酸化物形セル用燃料極であって、
電子伝導性材料及びイオン伝導性材料を含有する原料の焼成体からなり、
該電子伝導性材料の平均粒子径が0.001~2.00μmであり、且つ、該イオン伝導性材料の平均粒子径が0.001~2.00μmであり、
該電子伝導性材料の粒子径分布の標準偏差をA(μm)、該電子伝導性材料の平均粒子径をB(μm)としたときに、(A/B)×100の値が0.000~20.0であり、
該イオン伝導性材料の粒子径分布の標準偏差をA(μm)、該イオン伝導性材料の平均粒子径をB(μm)としたときに、(A/B)×100の値が0.000~20.0であること、
を特徴とする固体酸化物形セル用燃料極。
1. A fuel electrode for a solid oxide cell, comprising:
The present invention is made of a sintered body of a raw material containing an electronic conductive material and an ion conductive material,
The average particle size of the electron conductive material is 0.001 to 2.00 μm, and the average particle size of the ion conductive material is 0.001 to 2.00 μm;
When the standard deviation of the particle size distribution of the electron conductive material is A 1 (μm) and the average particle size of the electron conductive material is B 1 (μm), the value of (A 1 /B 1 )×100 is 0.000 to 20.0,
the standard deviation of the particle size distribution of the ion-conductive material is A 2 (μm) and the average particle size of the ion-conductive material is B 2 (μm), the value of (A 2 /B 2 )×100 is 0.000 to 20.0;
A fuel electrode for a solid oxide cell, comprising:
膜厚が1.0μm~100.0μmであり、気孔率が15~40体積%であることを特徴とする請求項1記載の固体酸化物形セル用燃料極。 The fuel electrode for a solid oxide cell according to claim 1, characterized in that the film thickness is 1.0 μm to 100.0 μm and the porosity is 15 to 40 vol %. 前記電子伝導性材料が、Ni、Cu、Fe、Co、Mn、Cr、La、Sm、Gd、Ce、Pr、Sr、Ca、及びBaからなる群から選ばれる1つ以上を含む金属又は金属酸化物の1種以上であり、
前記イオン伝導性材料が、Sc、Sr、Zr、Y、Ba、Ce、Sm、Gd、及びYbからなる群から選ばれる1つ以上を含む金属酸化物の1種以上であり、
前記電子伝導性材料と前記イオン伝導性材料の質量比(電子伝導性材料の質量:イオン伝導性材料の質量)が、80:20~40:60であること、
を特徴とする請求項1記載の固体酸化物形セル用燃料極。
the electron conductive material is at least one metal or metal oxide including at least one selected from the group consisting of Ni, Cu, Fe, Co, Mn, Cr, La, Sm, Gd, Ce, Pr, Sr, Ca, and Ba;
the ion conductive material is at least one metal oxide containing at least one selected from the group consisting of Sc, Sr, Zr, Y, Ba, Ce, Sm, Gd, and Yb;
the mass ratio of the electronic conductive material to the ion conductive material (mass of the electronic conductive material:mass of the ion conductive material) is 80:20 to 40:60;
2. The solid oxide cell fuel electrode according to claim 1,
電解質と、該電解質と積層された請求項1~3のいずれか1項記載の固体酸化物形セル用燃料極と、からなり、
該電解質の膜厚が0.1~20.0μmであり、該電解質は、相対密度が95~100%の緻密体であること、
を特徴とする積層構造体。
a solid oxide cell fuel electrode according to any one of claims 1 to 3 laminated with the electrolyte;
The electrolyte has a film thickness of 0.1 to 20.0 μm, and is a dense body having a relative density of 95 to 100%;
A laminated structure comprising:
多孔質支持体と、該多孔質支持体上に積層された請求項1~3のいずれか1項に記載の固体酸化物形セル用燃料極と、からなり、
該多孔質支持体の気孔率が、該固体酸化物形セル用燃料極の気孔率より高いこと、
を特徴とする積層構造体。
A porous support and a solid oxide cell fuel electrode according to any one of claims 1 to 3 laminated on the porous support,
the porosity of the porous support is higher than the porosity of the solid oxide cell anode;
A laminated structure comprising:
請求項1~3のいずれか1項記載の固体酸化物形セル用燃料極を有することを特徴とする固体酸化物形セル。 A solid oxide cell having a solid oxide cell fuel electrode according to any one of claims 1 to 3. 請求項4又は5記載の積層構造体を有することを特徴とする固体酸化物形セル。 A solid oxide cell having the laminated structure according to claim 4 or 5. 多孔質支持体上に、固体酸化物形セル用燃料極を作製するための第1スラリーを塗布し、次いで、電解質を作製するための第2スラリーを塗布し、次いで、第1温度で焼成して、多孔質支持体と燃料極と電解質を形成する工程を有することを特徴とする請求項4又は5記載の積層構造体の製造方法。 6. A method for producing a laminated structure according to claim 4 or 5 , further comprising the steps of: applying a first slurry for producing an anode for a solid oxide cell onto a porous support; then applying a second slurry for producing an electrolyte onto the porous support; and then firing the resulting mixture at a first temperature to form a porous support, an anode , and an electrolyte. 多孔質支持体上に、固体酸化物形セル用燃料極を作製するための第1スラリーを塗布し、次いで、電解質を作製するための第2スラリーを塗布し、次いで、第1温度で焼成して、多孔質支持体と燃料極と電解質を形成する工程と、
形成された電解質上に中間層を形成するための第3スラリーを塗布し、次いで、第2温度で焼成して、中間層を形成する工程と、
形成された中間層上に空気極を作製するための第4スラリーを塗布し、次いで、第3温度で焼成して、空気極を形成する工程と、
を有することを特徴とする請求項6又は7記載の固体酸化物形セルの製造方法。
A step of applying a first slurry for preparing an anode for a solid oxide cell onto a porous support, then applying a second slurry for preparing an electrolyte onto the porous support, and then firing at a first temperature to form a porous support, an anode, and an electrolyte;
applying a third slurry for forming an intermediate layer on the formed electrolyte, and then firing the third slurry at a second temperature to form the intermediate layer;
applying a fourth slurry for producing an air electrode onto the formed intermediate layer, and then firing the resulting mixture at a third temperature to form an air electrode;
8. The method for producing a solid oxide cell according to claim 6, further comprising the steps of:
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