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JP2016072037A - Method for manufacturing single cell for solid oxide fuel battery, cathode for solid oxide fuel battery, and single cell for solid oxide fuel battery - Google Patents

Method for manufacturing single cell for solid oxide fuel battery, cathode for solid oxide fuel battery, and single cell for solid oxide fuel battery Download PDF

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JP2016072037A
JP2016072037A JP2014199284A JP2014199284A JP2016072037A JP 2016072037 A JP2016072037 A JP 2016072037A JP 2014199284 A JP2014199284 A JP 2014199284A JP 2014199284 A JP2014199284 A JP 2014199284A JP 2016072037 A JP2016072037 A JP 2016072037A
Authority
JP
Japan
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cathode
powder
layer
anode
solid oxide
Prior art date
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Pending
Application number
JP2014199284A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
和樹 古性
Kazuki Kosho
和樹 古性
雅俊 下村
Masatoshi Shimomura
雅俊 下村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Shokubai Co Ltd
Original Assignee
Nippon Shokubai Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a single cell for a solid oxide fuel battery, which is high in performance and reliability and in which defects caused in a cathode in forming the cathode are decreased, in a further simple and convenient manner.SOLUTION: A method for manufacturing a single cell 1 for a solid oxide fuel battery comprises: (I) the step of preparing a cathode paste including cathode powder consisting of a cathode material, in which the difference between the cathode material and an electrolyte material of an electrolyte layer 13 in average linear thermal expansion coefficient at a temperature of 100-1000°C is 8.0×10/K or more; and (II) the step of forming a cathode 12 by applying the cathode paste to the electrolyte layer 13 and sintering the applied cathode paste. The cathode powder includes a mixture of cathode powder A and cathode powder B differing from each other in average particle diameter. The ratio (P/P) of the average particle diameter(P) of the cathode powder B to the average particle diameter(P) of the cathode powder A is 1.5-30. In the cathode powder, the content of the cathode powder A is 5-90 mass%.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池用単セルの製造方法、固体酸化物形燃料電池用カソード及び固体酸化物形燃料電池用単セルに関する。   The present invention relates to a method for producing a single cell for a solid oxide fuel cell, a cathode for a solid oxide fuel cell, and a single cell for a solid oxide fuel cell.

近年、燃料電池は、クリーンエネルギー源として注目されている。燃料電池のうち、電解質に固体のセラミックを使用している固体酸化物形燃料電池(以下、「SOFC」と記載する。)は、作動温度が高いため排熱を利用でき、さらに高効率で電力を得ることができる等の長所を有しており、家庭用電源から大規模発電まで幅広い分野での活用が期待されている。   In recent years, fuel cells have attracted attention as clean energy sources. Among the fuel cells, solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as “SOFC”) that use solid ceramics as the electrolyte can utilize exhaust heat because of their high operating temperature, and are more efficient and power efficient. It is expected to be used in a wide range of fields from household power sources to large-scale power generation.

SOFCは、基本構造として、カソード(空気極)とアノード(燃料極)との間にセラミックからなる電解質層が配置された構造を有する。例えば平型のSOFCは、カソード、電解質層及びアノードを重ね合わせたものを単セルとし、この単セルがインターコネクタを挟んで複数積み重ねられることによって高出力を得る。   The SOFC has a structure in which an electrolyte layer made of ceramic is disposed between a cathode (air electrode) and an anode (fuel electrode) as a basic structure. For example, in a flat SOFC, a single cell is formed by stacking a cathode, an electrolyte layer, and an anode, and a high output is obtained by stacking a plurality of the single cells with an interconnector interposed therebetween.

一般に、カソードは、電解質層上、又は、電解質層とカソードとの間に配置されるバリア層上にカソード形成用のペーストを用いてグリーン層を形成し、これを焼成することによって製造される。しかし、このような方法を用いる場合、カソードの材料と電解質層の材料との熱膨張率の違いにより、カソードにクラックが発生したり、カソードが電解質層等の隣接する層から剥離したりする問題が発生する。高性能のSOFCを実現するためには、電極とそれが隣接する層との密着性が重要である。したがって、カソードとそれが隣接する層との間に剥離が生じると、SOFCの性能が低下してしまう。そこで、従来、カソードには、電解質層の材料と同程度の熱膨張率を有する材料を使用する必要があり、材料の選択の幅が狭くなってしまっていた。   In general, a cathode is manufactured by forming a green layer using a paste for forming a cathode on an electrolyte layer or a barrier layer disposed between the electrolyte layer and the cathode, and firing the green layer. However, when such a method is used, there is a problem that the cathode is cracked due to a difference in thermal expansion coefficient between the cathode material and the electrolyte layer material, or the cathode is peeled off from an adjacent layer such as the electrolyte layer. Occurs. In order to realize a high-performance SOFC, the adhesion between the electrode and the layer adjacent to it is important. Therefore, when separation occurs between the cathode and the layer adjacent to the cathode, the performance of the SOFC is degraded. Therefore, conventionally, a material having a thermal expansion coefficient comparable to that of the material of the electrolyte layer needs to be used for the cathode, and the selection range of the material has been narrowed.

そこで、特許文献1は、カソード形成時に発生する上記のような欠陥を防ぐために、前処理焼成されて焼成時の収縮率が小さくなった導電性酸化物を主体とする粗大粉と、焼成時の収縮率が該粗大粉より大きい導電性酸化物を主体とする微細粉とを含む混合物を用いてカソードを形成する方法を提案している。   Therefore, Patent Document 1 discloses a coarse powder mainly composed of a conductive oxide that has been pre-processed and has a reduced shrinkage ratio during firing in order to prevent the above-described defects that occur during cathode formation, A method of forming a cathode using a mixture containing a fine powder mainly composed of a conductive oxide having a shrinkage ratio larger than the coarse powder is proposed.

特許第5397894号Japanese Patent No. 5398894

カソードには、電子伝導性を有する材料が用いられるが、近年、電子伝導性に加えてイオン導電性も併せ持つ(La,Sr)CoO3(LSC)等のペロブスカイト型酸化物もカソード材料として用いられるようになっている。電子伝導性とイオン伝導性との両方を併せ持つカソード材料によれば、イオン伝導性を付与するための電解質材料等を別途添加する必要がないので、カソード材料の表面全体が反応場となり得る。その結果、高出力のSOFCを実現することが可能となる。 For the cathode, a material having electron conductivity is used. In recent years, perovskite oxides such as (La, Sr) CoO 3 (LSC) having ion conductivity in addition to electron conductivity are also used as the cathode material. It is like that. According to the cathode material having both electron conductivity and ion conductivity, there is no need to separately add an electrolyte material or the like for imparting ion conductivity, so that the entire surface of the cathode material can be a reaction field. As a result, a high output SOFC can be realized.

しかし、このようなカソード材料は、SOFCの電解質層に用いられる材料との熱膨張率差が非常に大きい。これに対し、特許文献1で提案されている従来の方法では、カソードと電解質層との材料の熱膨張率差が非常に大きい場合にカソードに発生する欠陥を防ぐことについて、何ら検討されていない。また、特許文献1で提案されている方法では、粒子径だけでなく、焼成時の収縮率も異なる2種類の導電性酸化物を準備しなければならず、カソード形成の手順が煩雑でもあった。   However, such a cathode material has a very large difference in thermal expansion coefficient from the material used for the SOFC electrolyte layer. On the other hand, in the conventional method proposed in Patent Document 1, no consideration is given to preventing defects generated in the cathode when the difference in thermal expansion coefficient between the cathode and the electrolyte layer is very large. . Moreover, in the method proposed in Patent Document 1, not only the particle diameter but also two kinds of conductive oxides having different shrinkage ratios during firing must be prepared, and the procedure for forming the cathode is complicated. .

そこで、本発明は、カソードと電解質層との材料の熱膨張率差が大きい場合を考慮した上で、カソード形成時にカソードに発生するクラック及び剥離等の欠陥を低減することができ、さらに優れた発電性能(例えば、高いセル電圧及び低いASR(単位面積当たりの抵抗値))を有するSOFC用単セルをより簡便に提供することが可能な、SOFC用単セルの製造方法を提供することを目的とする。さらに、本発明は、カソードと電解質層との材料の熱膨張率差が大きい場合でも、カソードに発生するクラック及び剥離等の欠陥が低減され、さらに優れた発電性能(例えば、高いセル電圧及び低いASR)も実現できる、SOFC用カソード及びSOFC用単セルを提供することも目的とする。   Therefore, the present invention can reduce defects such as cracks and delamination generated in the cathode when forming the cathode, taking into consideration the case where the difference in thermal expansion coefficient between the material of the cathode and the electrolyte layer is large. An object of the present invention is to provide a method for producing a single cell for SOFC, which can more easily provide a single cell for SOFC having power generation performance (for example, high cell voltage and low ASR (resistance value per unit area)). And Furthermore, the present invention reduces defects such as cracks and delamination that occur in the cathode even when the difference in thermal expansion coefficient between the cathode and the electrolyte layer is large, and further improves power generation performance (for example, high cell voltage and low Another object of the present invention is to provide a SOFC cathode and a single cell for SOFC that can realize ASR).

本発明は、カソードと、アノードと、前記カソードと前記アノードとの間に配置された電解質層と、を備えたSOFC用単セルを製造する方法であって、
(I)前記電解質層の電解質材料との100〜1000℃における平均線熱膨張係数の差が8.0×10-6/K以上であるカソード材料からなるカソード粉末を含む、カソードを形成するためのカソード用ペーストを作製する工程と、
(II)前記カソード用ペーストを前記電解質層上に塗布して焼成し、カソードを形成する工程と、
を含み、
前記カソード粉末は、平均粒子径が互いに異なるカソード粉末Aとカソード粉末Bとを含む混合物であり、
前記カソード粉末Aの平均粒子径(PA50)に対する前記カソード粉末Bの平均粒子径(PB50)の比(PB50/PA50)が1.5以上30以下であり、且つ
前記カソード粉末において、前記カソード粉末Aの割合が5質量%以上90質量%以下である、
SOFC用単セルの製造方法を提供する。
The present invention is a method of manufacturing a single cell for SOFC comprising a cathode, an anode, and an electrolyte layer disposed between the cathode and the anode,
(I) To form a cathode including a cathode powder made of a cathode material having a difference in average linear thermal expansion coefficient at 100 to 1000 ° C. from the electrolyte material of the electrolyte layer of 8.0 × 10 −6 / K or more. Producing a cathode paste of
(II) applying the cathode paste onto the electrolyte layer and baking it to form a cathode;
Including
The cathode powder is a mixture containing cathode powder A and cathode powder B having different average particle sizes,
In the cathode powder, the ratio (P B50 / P A50 ) of the average particle diameter (P B50 ) of the cathode powder B to the average particle diameter (P A50 ) of the cathode powder A is 1.5 or more and 30 or less. The ratio of the cathode powder A is 5% by mass or more and 90% by mass or less.
A method of manufacturing a single cell for SOFC is provided.

また、本発明は、SOFC用のカソードであって、
前記カソードを構成する粒子の個数基準の累積粒度分布における10%粒子径(D10)及び90%粒子径(D90)が、2.45≦D90/D10≦10.00の関係を満たす、
SOFC用カソードを提供する。
The present invention also provides a cathode for SOFC,
10% particle diameter (D10) and 90% particle diameter (D90) in the cumulative particle size distribution based on the number of particles constituting the cathode satisfy the relationship of 2.45 ≦ D90 / D10 ≦ 10.00.
A cathode for SOFC is provided.

また、本発明は、
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質層とを備えたSOFC用単セルであって、
前記カソードの周端部から1mmを除いた位置の任意の5か所の断面を200μmに渡って電子顕微鏡で観察した場合に、前記カソードと前記カソードに隣接する隣接層との界面の単位長さ1mmに存在する剥離箇所が7箇所以下であり、且つ、前記カソード中のクラック数が13以下であり、
750℃における単位面積当たりの抵抗値(ASR)が0.4Ω・cm2以下である、
SOFC用単セルを提供する。ただし、ASRとは、以下の式によって求められる値である。
ASR=(開回路電圧−セル電圧)/電流密度
The present invention also provides:
A single cell for SOFC comprising an anode, a cathode, and an electrolyte layer disposed between the anode and the cathode,
The unit length of the interface between the cathode and the adjacent layer adjacent to the cathode when the cross section at any five locations excluding 1 mm from the peripheral edge of the cathode is observed with an electron microscope over 200 μm. There are 7 or less exfoliation points existing in 1 mm, and the number of cracks in the cathode is 13 or less,
The resistance value per unit area (ASR) at 750 ° C. is 0.4 Ω · cm 2 or less.
A single cell for SOFC is provided. However, ASR is a value calculated | required by the following formula | equation.
ASR = (open circuit voltage−cell voltage) / current density

本発明のSOFC用単セルの製造方法によれば、カソードと電解質層との材料の熱膨張率差が大きい場合であっても、カソード形成時にカソードに発生するクラック及び剥離等の欠陥を低減することができ、さらに優れた発電性能(例えば、高いセル電圧及び低いASR)を有するSOFC用単セルをより簡便に提供することができる。また、本発明のSOFC用カソード及びSOFC用単セルによれば、カソードと電解質層との材料の熱膨張率差が大きい場合でもカソードに発生するクラック及び剥離等の欠陥が低減され、さらに優れた発電性能(例えば、高いセル電圧及び低いASR)も実現できるSOFC用カソード及びSOFC用単セルを提供できる。   According to the method for manufacturing a single cell for SOFC of the present invention, even when the difference in thermal expansion coefficient between the material of the cathode and the electrolyte layer is large, defects such as cracks and delamination generated in the cathode during the formation of the cathode are reduced. In addition, a single cell for SOFC having further excellent power generation performance (for example, high cell voltage and low ASR) can be provided more easily. In addition, according to the SOFC cathode and the SOFC single cell of the present invention, defects such as cracks and delamination generated in the cathode are reduced even when the difference in thermal expansion coefficient between the cathode and the electrolyte layer is large. It is possible to provide a SOFC cathode and a SOFC single cell capable of realizing power generation performance (for example, high cell voltage and low ASR).

本発明の製造方法の一実施形態で製造されるSOFC用単セルを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the single cell for SOFC manufactured by one Embodiment of the manufacturing method of this invention. 電子顕微鏡写真を利用して実施例及び比較例で確認された、カソードのクラック及び剥離の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the crack of a cathode, and peeling confirmed by the Example and the comparative example using the electron micrograph.

本発明のSOFC用単セルの製造方法の実施形態について、具体的に説明する。   The embodiment of the method for producing a single cell for SOFC of the present invention will be specifically described.

本実施形態のSOFC用単セルの製造方法は、カソードと、アノードと、前記カソードと前記アノードとの間に配置された電解質層と、を備えたSOFC用単セルを製造する方法である。なお、本実施形態の製造方法は、種々のタイプのSOFC用の単セルに適用することができる。例えば、本実施形態の製造方法は、電解質支持型セル(ESC)及びアノード支持型セル(ASC)の製造に適用可能である。   The manufacturing method of the single cell for SOFC of this embodiment is a method of manufacturing the single cell for SOFC provided with the cathode, the anode, and the electrolyte layer arrange | positioned between the said cathode and the said anode. In addition, the manufacturing method of this embodiment is applicable to the single cell for various types of SOFC. For example, the manufacturing method of the present embodiment can be applied to manufacture of an electrolyte support cell (ESC) and an anode support cell (ASC).

本実施形態の製造方法は、
(I)前記電解質層の電解質材料との100〜1000℃における平均線熱膨張係数の差が8.0×10-6/K以上であるカソード材料からなるカソード粉末を含む、カソードを形成するためのカソード用ペーストを作製する工程と、
(II)前記カソード用ペーストを前記電解質層上に塗布して焼成し、カソードを形成する工程と、
を含む。前記カソード粉末は、平均粒子径が互いに異なるカソード粉末Aとカソード粉末Bとを含む混合物であり、前記カソード粉末Aの平均粒子径(PA50)に対する前記カソード粉末Bの平均粒子径(PB50)の比(PB50/PA50)が1.5以上30以下であり、且つ、前記カソード粉末において、前記カソード粉末Aの割合が5質量%以上90質量%以下である。なお、本明細書における平均粒子径とは、体積基準の累積粒度分布から求められるメジアン径、すなわち体積累積が50%に相当する粒子径(D50)のことである。ここで、本明細書において特定される粉末の粒子径とは、レーザ回折散乱法に基づいて測定される粒径のことである。
The manufacturing method of this embodiment is
(I) To form a cathode including a cathode powder made of a cathode material having a difference in average linear thermal expansion coefficient at 100 to 1000 ° C. from the electrolyte material of the electrolyte layer of 8.0 × 10 −6 / K or more. Producing a cathode paste of
(II) applying the cathode paste onto the electrolyte layer and baking it to form a cathode;
including. The cathode powder is a mixture including cathode powder A and cathode powder B having different average particle sizes, and the average particle size (P B50 ) of the cathode powder B with respect to the average particle size (P A50 ) of the cathode powder A. The ratio (P B50 / P A50 ) is 1.5 or more and 30 or less, and in the cathode powder, the ratio of the cathode powder A is 5 mass% or more and 90 mass% or less. In addition, the average particle diameter in this specification is a median diameter obtained from a volume-based cumulative particle size distribution, that is, a particle diameter (D50) corresponding to a volume accumulation of 50%. Here, the particle diameter of the powder specified in this specification is a particle diameter measured based on a laser diffraction scattering method.

なお、上記工程(II)において、カソード用ペーストは、電解質層の表面に直接塗布してもよいし、電解質層の表面に積層された他の層、たとえばバリア層の表面に塗布してもよい。   In the step (II), the cathode paste may be applied directly to the surface of the electrolyte layer, or may be applied to another layer laminated on the surface of the electrolyte layer, for example, the surface of the barrier layer. .

本実施形態では、SOFC用単セルがアノード支持型セルである場合を例に挙げて説明する。図1に、本実施形態のアノード支持型セルの断面図を示す。本実施形態のアノード支持型セル1は、アノード11と、カソード12と、アノード11とカソード12との間に配置された電解質層13と、を備えている。電解質層13とカソード12との間には、さらにバリア層14が設けられている。なお、バリア層14は必要に応じて設けられればよく、バリア層14が設けられない場合もある。すなわち、図1に示されたアノード支持型セル1の場合はバリア層14がカソード12に隣接する隣接層となり、アノード支持型セル1においてバリア層14が設けられない構成の場合は電解質層13がカソード12に隣接する隣接層となる。   In the present embodiment, a case where the SOFC single cell is an anode-supported cell will be described as an example. FIG. 1 shows a cross-sectional view of the anode-supported cell of this embodiment. The anode-supported cell 1 according to the present embodiment includes an anode 11, a cathode 12, and an electrolyte layer 13 disposed between the anode 11 and the cathode 12. A barrier layer 14 is further provided between the electrolyte layer 13 and the cathode 12. In addition, the barrier layer 14 should just be provided as needed, and the barrier layer 14 may not be provided. That is, in the anode supported cell 1 shown in FIG. 1, the barrier layer 14 is an adjacent layer adjacent to the cathode 12, and in the case where the barrier layer 14 is not provided in the anode supported cell 1, the electrolyte layer 13 is formed. It becomes an adjacent layer adjacent to the cathode 12.

アノード11は、アノード支持基板111と、アノード支持基板111の電解質層13側の面上に配置されたアノード層112と、によって形成されている。なお、アノード支持基板111自体がアノード電極として十分に作用し得る場合には、アノード層112が設けられない場合もある。電解質層13、バリア層14及びカソード12は、アノード支持基板111によって支持されている。   The anode 11 is formed by an anode support substrate 111 and an anode layer 112 disposed on the surface of the anode support substrate 111 on the electrolyte layer 13 side. In addition, when the anode support substrate 111 itself can sufficiently function as an anode electrode, the anode layer 112 may not be provided. The electrolyte layer 13, the barrier layer 14, and the cathode 12 are supported by the anode support substrate 111.

アノード支持型セル1を製造する方法の一例は、アノード11、電解質層13及びバリア層14を含み、且つ所定の形状を有する多層焼成体を作製する工程と、所定の形状を有する多層焼成体において、アノード11と反対側の面にカソード12を作製する工程と、を含む方法である。   An example of a method for manufacturing the anode-supported cell 1 includes a step of manufacturing a multilayer fired body including the anode 11, the electrolyte layer 13, and the barrier layer 14 and having a predetermined shape, and a multilayer fired body having a predetermined shape. And a step of producing the cathode 12 on the surface opposite to the anode 11.

多層焼成体は、
(1)アノード支持基板111用のグリーンシート上に、アノード層112用のグリーン層(アノード層112を設けない構成の場合は不要)と、電解質層13用のグリーン層と、バリア層14用のグリーン層(バリア層14を設けない構成の場合は不要)と、が順に積み重ねられた積層体を形成した後、これら全体を一括して焼成する方法、
又は、
(2)アノード支持基板111用のグリーンシートを焼成してアノード支持基板111を作製し、その上にアノード層112用のグリーン層(アノード層112を設けない構成の場合は不要)と、電解質層13用のグリーン層と、バリア層14用のグリーン層(バリア層14を設けない構成の場合は不要)と、が順に積み重ねられた積層体を形成した後、これらを焼成する方法、
を用いて作製できる。ここでは、(1)の方法を例に挙げて、多層焼成体の作製方法を説明する。
The multilayer fired body
(1) On the green sheet for the anode support substrate 111, the green layer for the anode layer 112 (not required in the case where the anode layer 112 is not provided), the green layer for the electrolyte layer 13, and the barrier layer 14 A green layer (unnecessary in the case of a configuration not provided with the barrier layer 14) and a laminate in which the green layers are sequentially stacked, and then firing these all together,
Or
(2) A green sheet for the anode support substrate 111 is baked to produce the anode support substrate 111, and a green layer for the anode layer 112 (not necessary in the case of the configuration without the anode layer 112) thereon, and an electrolyte layer A green layer for 13 and a green layer for the barrier layer 14 (unnecessary in the case where the barrier layer 14 is not provided) are sequentially stacked and then fired.
Can be used. Here, the method for producing a multilayer fired body will be described by taking the method (1) as an example.

まず、アノード支持基板111用のグリーンシートを準備する。アノード支持基板111用のグリーンシートは、原料粉末であるSOFC用アノード材料と、空孔形成剤と、バインダー及び溶剤とを混合し、さらに必要に応じて分散剤及び可塑剤等を添加してスラリーを調製し、このスラリーをドクターブレード法、カレンダーロール法、押出し法等の任意の方法で所定の厚さを有するシート状に成形し、これを乾燥させて溶剤を揮発除去することによって、得られる。   First, a green sheet for the anode support substrate 111 is prepared. The green sheet for the anode support substrate 111 is a slurry obtained by mixing an anode material for SOFC, which is a raw material powder, a pore forming agent, a binder and a solvent, and further adding a dispersant, a plasticizer and the like as necessary. It is obtained by forming this slurry into a sheet having a predetermined thickness by any method such as a doctor blade method, a calender roll method, an extrusion method, etc., and drying this to evaporate and remove the solvent. .

SOFC用アノード材料は、導電性を与えるための導電成分と、骨格成分となるセラミック質とを含んでいる。導電成分は、ニッケル、コバルト、鉄、白金、パラジウム、ルテニウム等の金属;酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄のように燃料電池稼動時の還元性雰囲気で導電性金属に変化する金属酸化物;あるいはこれらの酸化物を2種以上含有するニッケルフェライトやコバルトフェライトのような複合金属酸化物、が挙げられる。これらは単独で使用し得るほか、必要により2種以上を適宜組み合わせて使用できる。これらの中でも、金属ニッケル、金属コバルト、金属鉄又はこれらの酸化物が好ましい。骨格成分としては、ジルコニア、アルミナ、マグネシア、チタニア、窒化アルミニウム、ムライト等の単独もしくは複合物が使用される。これらの中でも最も汎用性の高いのは安定化ジルコニアである。安定化ジルコニアとしては、ジルコニアに、安定化剤としてMgO、CaO、SrO、BaO等のアルカリ土類金属の酸化物;Y23、La23、CeO2、Pr23、Nd23、Sm23、Eu23、Gd23、Tb23、Dy23、Er23、Tm23、Yb23等の希土類元素の酸化物;Sc23;Bi23;及びIn23等から選ばれる少なくとも何れか1種の酸化物を固溶させたもの、あるいは更に、これらに分散強化剤としてアルミナ、チタニア、Ta25及びNb25等が添加された分散強化型ジルコニア等が好ましいものとして例示される。また、骨格成分として、CeO2又はBi23に、CaO、SrO、BaO、Y23、La23、Ce23、Pr23、Nb23、Sm23、Eu23、Gd23、Tb23、Dr23、Ho23、Er23、Yb23、PbO、WO3、MoO3、V25、Ta25及びNb25から選ばれる少なくとも何れか1種を添加した、セリア系又はビスマス系セラミックも使用可能である。また、LaGaO3のようなガレート系セラミックも使用可能である。これらは単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、骨格成分としては、安定化ジルコニア、セリア系セラミック及びランタンガレートが好ましく、安定化ジルコニアがより好ましく、特に好ましいのは2.5〜12モル%のイットリアで安定化されたジルコニア、2.5〜12モル%のイッテルビアで安定化されたジルコニア、3〜15モル%のスカンジアで安定化されたジルコニア、8〜12モル%のスカンジアと0.5〜5モル%のセリアで安定化されたジルコニアである。 The anode material for SOFC contains a conductive component for imparting conductivity and a ceramic material as a skeleton component. The conductive component is a metal such as nickel, cobalt, iron, platinum, palladium, ruthenium; a metal oxide that changes to a conductive metal in a reducing atmosphere during fuel cell operation, such as nickel oxide, cobalt oxide, or iron oxide; or Examples thereof include composite metal oxides such as nickel ferrite and cobalt ferrite containing two or more of these oxides. These may be used alone or in combination of two or more as necessary. Among these, metallic nickel, metallic cobalt, metallic iron, or oxides thereof are preferable. As the skeletal component, zirconia, alumina, magnesia, titania, aluminum nitride, mullite or the like is used alone or in combination. Among these, stabilized zirconia is the most versatile. Examples of the stabilized zirconia include zirconia, oxides of alkaline earth metals such as MgO, CaO, SrO, and BaO; Y 2 O 3 , La 2 O 3 , CeO 2 , Pr 2 O 3 , Nd 2 Oxides of rare earth elements such as O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Er 2 O 3 , Tm 2 O 3 , Yb 2 O 3 ; One in which at least one oxide selected from Sc 2 O 3 ; Bi 2 O 3 ; and In 2 O 3 is dissolved, or further, alumina, titania, Ta 2 O as a dispersion strengthening agent. Dispersion strengthened zirconia to which 5 and Nb 2 O 5 are added is exemplified as a preferable example. Further, as a skeleton component, CeO 2 or Bi 2 O 3 is added to CaO, SrO, BaO, Y 2 O 3 , La 2 O 3 , Ce 2 O 3 , Pr 2 O 3 , Nb 2 O 3 , Sm 2 O 3. Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dr 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Yb 2 O 3 , PbO, WO 3 , MoO 3 , V 2 O 5 , Ta A ceria-based or bismuth-based ceramic added with at least one selected from 2 O 5 and Nb 2 O 5 can also be used. A gallate ceramic such as LaGaO 3 can also be used. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, as the skeleton component, stabilized zirconia, ceria-based ceramics, and lanthanum gallate are preferable, stabilized zirconia is more preferable, and particularly preferable is zirconia stabilized with 2.5 to 12 mol% yttria, 2 Stabilized with 5-12 mol% ytterbia stabilized zirconia, 3-15 mol% scandia stabilized zirconia, 8-12 mol% scandia and 0.5-5 mol% ceria. Zirconia.

アノード支持基板111用グリーンシートの作製に用いられる空孔形成剤、バインダー、溶剤、分散剤及び可塑剤等は、SOFCのアノード支持基板の製造方法において公知となっている空孔形成剤、バインダー、溶剤、分散剤及び可塑剤等の中から適宜選択できる。   The pore-forming agent, binder, solvent, dispersant, plasticizer, and the like used for the production of the green sheet for the anode support substrate 111 are the pore-forming agent, binder, It can be suitably selected from solvents, dispersants, plasticizers and the like.

アノード支持基板111の厚さは、特に限定されないが、例えば100μm以上が好ましく、120μm以上がより好ましく、150μm以上がさらに好ましい。また、アノード支持基板111の厚さは、3mm以下が好ましく、2mm以下がより好ましく、1mm以下がさらに好ましく、500μm以下が特に好ましい。アノード支持基板111の厚さが上記範囲内であれば、アノード支持基板111の機械的強度とガス通過性とをバランス良く両立しやすくなる。したがって、アノード支持基板111用グリーンシートは、焼成後にアノード支持基板111の厚さが上記範囲内となるように形成されることが好ましい。   The thickness of the anode support substrate 111 is not particularly limited, but is preferably, for example, 100 μm or more, more preferably 120 μm or more, and further preferably 150 μm or more. The thickness of the anode support substrate 111 is preferably 3 mm or less, more preferably 2 mm or less, still more preferably 1 mm or less, and particularly preferably 500 μm or less. When the thickness of the anode support substrate 111 is within the above range, the mechanical strength and gas permeability of the anode support substrate 111 are easily balanced and balanced. Therefore, the green sheet for the anode support substrate 111 is preferably formed so that the thickness of the anode support substrate 111 is within the above range after firing.

アノード支持基板111用のグリーンシート上に、アノード層112用のペーストを用いて、アノード層112用のグリーン層が形成される。アノード層112用のペーストは、原料粉末であるSOFC用アノード材料と、空孔形成剤と、バインダー及び溶剤とを混合し、さらに必要に応じて分散剤及び可塑剤等を添加することによって、調製される。このペーストをアノード支持基板111用のグリーンシート上に、スクリーン印刷等の方法を用いて塗布し、これを乾燥させることによって、アノード層112用のグリーン層が形成される。アノード層112用のグリーン層の形成に用いられるSOFC用アノード材料には、アノード支持基板111のグリーンシートの作製に使用され得るSOFC用アノード材料として上記に例示された材料を使用することが可能である。また、空孔形成剤、バインダー、溶剤、分散剤及び可塑剤等は、SOFCのアノード層の製造方法において公知となっている空孔形成剤、バインダー、溶剤、分散剤及び可塑剤等の中から適宜選択できる。   A green layer for the anode layer 112 is formed on the green sheet for the anode support substrate 111 using the paste for the anode layer 112. The paste for the anode layer 112 is prepared by mixing the anode material for SOFC, which is a raw material powder, a pore forming agent, a binder and a solvent, and further adding a dispersant, a plasticizer and the like as necessary. Is done. This paste is applied onto a green sheet for the anode support substrate 111 by using a method such as screen printing, and dried to form a green layer for the anode layer 112. As the anode material for SOFC used for forming the green layer for the anode layer 112, the materials exemplified above as the anode material for SOFC that can be used for producing the green sheet of the anode support substrate 111 can be used. is there. Further, the pore-forming agent, binder, solvent, dispersant, plasticizer, etc. are from among the pore-forming agent, binder, solvent, dispersant, plasticizer, etc. known in the SOFC anode layer manufacturing method. It can be selected as appropriate.

アノード層112の厚さは、特に限定されないが、例えば5μm以上が好ましく、7μm以上がより好ましく、10μm以上がさらに好ましい。また、アノード層112の厚さは、100μm以下が好ましく、50μm以下がより好ましく、30μm以下がさらに好ましい。アノード層112の厚さが上記範囲内であれば、電極反応が効率的に行われ、アノード支持型セルとした場合に、発電性能がより良好となる。したがって、アノード層112用のグリーン層は、焼成後にアノード層112の厚さが上記範囲内となるように形成されることが好ましい。   Although the thickness of the anode layer 112 is not specifically limited, For example, 5 micrometers or more are preferable, 7 micrometers or more are more preferable, and 10 micrometers or more are further more preferable. The thickness of the anode layer 112 is preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less, and even more preferably 30 μm or less. When the thickness of the anode layer 112 is within the above range, the electrode reaction is efficiently performed, and the power generation performance is better when the anode-supported cell is formed. Therefore, the green layer for the anode layer 112 is preferably formed so that the thickness of the anode layer 112 is within the above range after firing.

アノード層112用のグリーン層の上に、電解質層13用のペーストを用いて、電解質層13用のグリーン層が形成される。電解質層13用のペーストは、少なくともセラミック質の原料となるセラミック粉末と溶剤とを混合して作製される。   A green layer for the electrolyte layer 13 is formed on the green layer for the anode layer 112 by using the paste for the electrolyte layer 13. The paste for the electrolyte layer 13 is prepared by mixing at least a ceramic powder as a ceramic material and a solvent.

電解質層13用のペーストに用いられるセラミック粉末としては、SOFCの電解質層の材料として公知のものが使用され得る。例えば、イットリア、セリア、スカンジア、イッテルビア等で安定化されたジルコニア;イットリア、サマリア、ガドリニア等でドープされたセリア;ランタンガレート、及びランタンガレートのランタン又はガリウムの一部がストロンチウム、カルシウム、バリウム、マグネシウム、アルミニウム、インジウム、コバルト、鉄、ニッケル、銅等で置換されたランタンガレート型ペロブスカイト構造酸化物、等を使用することができる。これらは単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、イットリア、スカンジア、イッテルビア等で安定化されたジルコニアが好適である。   As the ceramic powder used for the paste for the electrolyte layer 13, those known as the material for the SOFC electrolyte layer can be used. For example, zirconia stabilized with yttria, ceria, scandia, ytterbia, etc .; ceria doped with yttria, samaria, gadolinia, etc .; A lanthanum gallate perovskite structure oxide substituted with aluminum, indium, cobalt, iron, nickel, copper, or the like can be used. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, zirconia stabilized with yttria, scandia, ytterbia and the like is preferable.

特に、セラミック質として好ましいのは、2.5〜12モル%のイットリアで安定化されたジルコニア、2.5〜12モル%のイッテルビアで安定化されたジルコニア、3〜15モル%のスカンジアで安定化されたジルコニア、8〜12モル%のスカンジアと0.5〜5モル%のセリアで安定化されたジルコニアである。また、これらの安定化ジルコニアに、アルミナ、シリカ、チタニア等を焼結助剤や分散強化剤として添加した材料も好適に用いることができる。   Particularly preferred as a ceramic material is zirconia stabilized with 2.5-12 mol% yttria, zirconia stabilized with 2.5-12 mol% ytterbia, stable with 3-15 mol% scandia. Zirconia stabilized with 8-12 mol% scandia and 0.5-5 mol% ceria. A material obtained by adding alumina, silica, titania or the like as a sintering aid or dispersion strengthening agent to these stabilized zirconia can also be suitably used.

電解質層13用のペーストに用いられる溶剤は、特に限定されず、SOFCの電解質層の製造方法において公知となっている溶剤の中から適宜選択できる。   The solvent used in the paste for the electrolyte layer 13 is not particularly limited, and can be appropriately selected from solvents known in the method for producing an SOFC electrolyte layer.

電解質層13の厚さは、特に限定されないが、例えば3μm以上が好ましく、4μm以上がより好ましく、5μm以上がさらに好ましい。また、電解質層13の厚さは、50μm以下が好ましく、30μm以下がより好ましく、20μm以下がさらに好ましい。電解質層13の厚さが上記範囲内であれば、アノード支持型セルとした場合に、ガスのクロスリークを防ぎつつも、内部抵抗を小さくすることができるので、発電性能がより良好となる。したがって、したがって、電解質層13用のグリーン層は、電解質層13の厚さが上記範囲内となるように形成されることが好ましい。   Although the thickness of the electrolyte layer 13 is not specifically limited, For example, 3 micrometers or more are preferable, 4 micrometers or more are more preferable, and 5 micrometers or more are further more preferable. Further, the thickness of the electrolyte layer 13 is preferably 50 μm or less, more preferably 30 μm or less, and further preferably 20 μm or less. When the thickness of the electrolyte layer 13 is within the above range, when an anode-supported cell is used, the internal resistance can be reduced while preventing gas cross-leakage, resulting in better power generation performance. Therefore, the green layer for the electrolyte layer 13 is preferably formed so that the thickness of the electrolyte layer 13 is within the above range.

電解質層13用のペーストには、セラミック粉末及び溶剤に加えて、バインダー、分散剤、可塑剤、界面活性剤、消泡剤等を添加してもよい。バインダー、分散剤及び可塑剤は、成膜する電解質層13の材料に合わせて、SOFCの電解質層の製造方法において公知となっているバインダー、分散剤、可塑剤、界面活性剤、消泡剤等の中から適宜選択できる。   In addition to the ceramic powder and the solvent, a binder, a dispersant, a plasticizer, a surfactant, an antifoaming agent, and the like may be added to the paste for the electrolyte layer 13. The binder, the dispersant, and the plasticizer are known in the manufacturing method of the SOFC electrolyte layer according to the material of the electrolyte layer 13 to be formed, and the binder, dispersant, plasticizer, surfactant, antifoaming agent, etc. Can be selected as appropriate.

電解質層13用のグリーン層上に、バリア層14用のグリーン層を形成する。バリア層14用のグリーン層も、アノード層112及び電解質層13と同様に、バリア層14を構成する原料粉末を含むペーストを調製し、それを電解質層13用のグリーン層上に塗布し、乾燥させることによって形成できる。バリア層14の厚さは、20μm以下であることが好ましい。20μm以下であれば、カソード12と電解質層13との材料の熱膨張率差が大きい場合であってもカソード形成時にカソード12に発生するクラック及び剥離等の欠陥を一層低減することができる。バリア層14の厚さは、10μm以下がより好ましく、7μm以下がさらに好ましく、5μm以下が特に好ましい。また、セル作製時又は発電中の高温雰囲気下において、電解質層13とカソード12との間で起こる絶縁物質の生成を抑えつつ、発電を促進させる高い効果が期待できることから、バリア層14の厚さは、特に限定されないが、例えば0.1μm以上が好ましく、0.2μm以上がより好ましく、0.5μm以上がさらに好ましい。バリア層14には、一般に酸化物イオン伝導性を有する材料が用いられ、例えばGd、Sm及びY等の希土類元素の酸化物等がドープされたセリアが用いられる。   A green layer for the barrier layer 14 is formed on the green layer for the electrolyte layer 13. Similarly to the anode layer 112 and the electrolyte layer 13, the green layer for the barrier layer 14 is prepared by preparing a paste containing the raw material powder constituting the barrier layer 14, and applying the paste onto the green layer for the electrolyte layer 13, followed by drying. Can be formed. The thickness of the barrier layer 14 is preferably 20 μm or less. If the thickness is 20 μm or less, defects such as cracks and delamination generated in the cathode 12 when the cathode is formed can be further reduced even when the difference in thermal expansion coefficient between the cathode 12 and the electrolyte layer 13 is large. The thickness of the barrier layer 14 is more preferably 10 μm or less, further preferably 7 μm or less, and particularly preferably 5 μm or less. Moreover, since the high effect which accelerates | stimulates electric power generation can be anticipated, suppressing the production | generation of the insulating material which arises between the electrolyte layer 13 and the cathode 12 in the high temperature atmosphere at the time of cell preparation or electric power generation, thickness of the barrier layer 14 is anticipated. Although not particularly limited, for example, 0.1 μm or more is preferable, 0.2 μm or more is more preferable, and 0.5 μm or more is more preferable. For the barrier layer 14, a material having oxide ion conductivity is generally used, and for example, ceria doped with an oxide of rare earth elements such as Gd, Sm, and Y is used.

また、バリア層14を構成する材料は、電解質層13の電解質材料との100〜1000℃における平均線熱膨張係数の差が4.0×10-6/K以下であることが好ましく、3.0×10-6/K以下であることがより好ましい。また、バリア層14を構成する材料として、カソード材料との100〜1000℃における平均線熱膨張係数の差が9.0×10-6/K以下であることが好ましく、8.0×10-6/K以下であることがより好ましい。 The material constituting the barrier layer 14 preferably has a difference in average linear thermal expansion coefficient at 100 to 1000 ° C. from the electrolyte material of the electrolyte layer 13 of 4.0 × 10 −6 / K or less. More preferably, it is 0 × 10 −6 / K or less. Further, as a material constituting the barrier layer 14, the difference in average linear thermal expansion coefficient at 100 to 1000 ° C. with respect to the cathode material is preferably 9.0 × 10 −6 / K or less, and 8.0 × 10 More preferably, it is 6 / K or less.

アノード支持基板111用のグリーンシート上に、アノード層112用のグリーン層と、電解質層13用のグリーン層と、バリア層14用のグリーン層と、が順に積み重ねられることによって形成された積層体が、一括して焼成される。積層体の焼成温度は、特に限定されないが、1100℃以上が好ましく、1200℃以上がより好ましく、1250℃以上がさらに好ましい。また、焼成温度は、1500℃以下が好ましく、1400℃以下がより好ましく、1350℃以下がさらに好ましい。また、焼成時の焼成時間は、特に限定されないが、0.1時間以上が好ましく、0.5時間以上がより好ましく、1時間以上がさらに好ましい。また、焼成時間は、10時間以下が好ましく、7時間以下がより好ましく、5時間以下がさらに好ましい。   A laminate formed by sequentially stacking a green layer for the anode layer 112, a green layer for the electrolyte layer 13, and a green layer for the barrier layer 14 on the green sheet for the anode support substrate 111. , Fired together. The firing temperature of the laminate is not particularly limited, but is preferably 1100 ° C. or higher, more preferably 1200 ° C. or higher, and further preferably 1250 ° C. or higher. The firing temperature is preferably 1500 ° C. or lower, more preferably 1400 ° C. or lower, and further preferably 1350 ° C. or lower. The firing time during firing is not particularly limited, but is preferably 0.1 hours or longer, more preferably 0.5 hours or longer, and even more preferably 1 hour or longer. The firing time is preferably 10 hours or less, more preferably 7 hours or less, and even more preferably 5 hours or less.

以上のような方法によって、多層焼成体が得られる。所定の形状を有する多層焼成体を得る方法は特に限定されないが、焼成後の収縮を考慮して、焼成後に目的の形状になるように、アノード支持基板111用のグリーンシート上に、アノード層112用のグリーン層と、電解質層13用のグリーン層と、バリア層14用のグリーン層とが順に積み重ねられることによって形成された積層体を、切断及び/又は打ち抜きしてから焼成してもよいし、前記積層体を焼成して得られた多層焼成体をレーザ又はセラミックカッターを用いて切断してもよい。   A multilayer fired body is obtained by the method as described above. A method for obtaining a multilayer fired body having a predetermined shape is not particularly limited, but in consideration of shrinkage after firing, the anode layer 112 is formed on the green sheet for the anode support substrate 111 so as to have a desired shape after firing. The laminate formed by sequentially stacking the green layer for the electrolyte, the green layer for the electrolyte layer 13, and the green layer for the barrier layer 14 may be cut and / or punched and then fired. The multilayer fired body obtained by firing the laminate may be cut using a laser or a ceramic cutter.

次に、所定の形状を有する多層焼成体において、アノード11と反対側の面上に、カソード12を作製する。カソード12用のペーストを用いてカソード12用のグリーン層を形成し、それを焼成することによってカソード12が作製される。   Next, in the multilayer fired body having a predetermined shape, the cathode 12 is formed on the surface opposite to the anode 11. The cathode 12 is produced by forming a green layer for the cathode 12 using the paste for the cathode 12 and firing the green layer.

まず、カソード12を形成するためのカソード12用ペーストを作製する。カソード12用ペーストは、カソード材料からなるカソード粉末を含む。カソード材料としては、電解質層13の電解質材料、すなわち電解質層13用ペーストに用いられるセラミック粉末の材料と100〜1000℃における平均線熱膨張係数の差が8.0×10-6/K以上である材料が用いられる。カソード材料としては、電子伝導性に優れ、イオン電導性を有し、酸化雰囲気下でも安定なペロブスカイト形酸化物が好適に用いられる。具体的には、La0.8Sr0.2MnO3、La0.6Sr0.4CoO3、La0.6Sr0.4FeO3、La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.23及びLa0.6Sr0.4Co0.8Mn0.23等、のランタンの一部をストロンチウムで置換したランタンストロンチウムマンガナイト、ランタンストロンチウムコバルタイト及びランタンストロンチウムフェライト、並びに、ランタンストロンチウムコバルタイトのコバルトの一部を鉄やマンガン等で置換したランタンストロンチウムコバルトフェライト及びランタンストロンチウムコバルトマンガナイト等が好適に用いられる。これらの中でも、高い電子伝導性とイオン伝導性とを併せ持つ(La,Sr)CoO3(LSC)、(La,Sr)Co,FeO3(LSF)、(La,Sr)(Co,Fe)O3等の材料が、より好適な材料として挙げられる。また、カソード12にイオン伝導性を付与しつつ、電解質とカソード材料との平均線膨張係数の差を緩和させるために、Sc、Y及びCe等の希土類金属の酸化物やアルカリ土類金属酸化物を安定化剤として2.5〜15モル%で含む安定化ジルコニアや、希土類元素酸化物等をドープしたセリアを適宜混合することも可能である。 First, a cathode 12 paste for forming the cathode 12 is prepared. The cathode 12 paste includes a cathode powder made of a cathode material. As the cathode material, the difference in average linear thermal expansion coefficient at 100 to 1000 ° C. with respect to the electrolyte material of the electrolyte layer 13, that is, the material of the ceramic powder used for the paste for the electrolyte layer 13 is 8.0 × 10 −6 / K or more. Some material is used. As the cathode material, a perovskite oxide that is excellent in electron conductivity, ion conductivity, and stable even in an oxidizing atmosphere is preferably used. Specifically, La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 , La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 , La 0.6 Sr 0.4 FeO 3 , La 0.6 Sr 0.4 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 and La 0.6 Sr 0.4 Co 0.8 Mn 0.2 O 3, etc. Lanthanum strontium manganite, lanthanum strontium cobaltite, lanthanum strontium ferrite, and lanthanum strontium cobalt ferrite and lanthanum strontium cobalt in which part of cobalt in lanthanum strontium cobaltite is replaced with iron, manganese, etc. Manganite or the like is preferably used. Among these, (La, Sr) CoO 3 (LSC), (La, Sr) Co, FeO 3 (LSF), (La, Sr) (Co, Fe) O having both high electronic conductivity and ionic conductivity. A material such as 3 is a more preferable material. Further, in order to alleviate the difference in average linear expansion coefficient between the electrolyte and the cathode material while imparting ion conductivity to the cathode 12, oxides of rare earth metals such as Sc, Y and Ce and alkaline earth metal oxides Stabilized zirconia containing 2.5 to 15 mol% as a stabilizer and ceria doped with a rare earth element oxide or the like can be appropriately mixed.

カソード粉末は、平均粒子径が互いに異なるカソード粉末Aとカソード粉末Bとを含む混合物である。カソード粉末Aの平均粒子径(PA50)に対するカソード粉末Bの平均粒子径(PB50)の比(PB50/PA50)は、1.5以上30以下である。PB50/PA50がこの範囲内を満たすカソード粉末A及びカソード粉末Bの混合物を用いることにより、カソード材料と電解質層13の電解質材料との熱膨張率(平均線熱膨張係数)の差が8.0×10-6/K以上と大きい場合でも、カソード12のグリーン層の焼結時の収縮が抑制されるので、カソード12に発生するクラック及び隣接層(ここではバリア層14)からの剥離を低減することができる。また、カソード粉末A及びカソード粉末Bの混合物によれば、粗大な粒子のみで構成されるカソード材料と比較して、形成されるカソードの表面積を増加させることができるので、より優れた発電性能を実現できる。好ましくは、PB50/PA50が2以上25以下であること、より好ましくは3以上20以下であることである。 The cathode powder is a mixture containing cathode powder A and cathode powder B having different average particle sizes. The ratio (P B50 / P A50 ) of the average particle size (P B50 ) of the cathode powder B to the average particle size (P A50 ) of the cathode powder A is 1.5 or more and 30 or less. By using a mixture of cathode powder A and cathode powder B satisfying P B50 / P A50 within this range, the difference in thermal expansion coefficient (average linear thermal expansion coefficient) between the cathode material and the electrolyte material of the electrolyte layer 13 is 8 Even when it is as large as 0.0 × 10 −6 / K or more, shrinkage during sintering of the green layer of the cathode 12 is suppressed, so cracks generated in the cathode 12 and peeling from the adjacent layer (here, the barrier layer 14). Can be reduced. Further, according to the mixture of the cathode powder A and the cathode powder B, the surface area of the formed cathode can be increased as compared with the cathode material composed only of coarse particles, so that more excellent power generation performance can be obtained. realizable. Preferably, P B50 / P A50 is 2 or more and 25 or less, more preferably 3 or more and 20 or less.

カソード粉末A及びカソード粉末Bは、前処理焼成された焼成粉末であることが好ましい。焼成粉末は、一旦焼成されているので焼結の進行が緩やかになり、その結果、焼結後に多孔構造を得やすいという効果を奏する。これにより、表面積のより大きいカソード12を得ることができる。さらに、焼成粉末を用いる場合、X線回折測定によってその結晶構造(例えば、ペロブスカイトからなる単一相であること)を確認し、その確認済みの粉末を用いることが可能である。したがって、組成比のずれがなく、また不純物も含まれないことにより、その材料本来のイオン伝導性及び電子伝導性が発揮されやすくなるので、その結果、より高出力のSOFC用単セルが実現可能となる。   Cathode powder A and cathode powder B are preferably pre-fired fired powders. Since the fired powder has been fired once, the progress of the sintering becomes slow, and as a result, there is an effect that it is easy to obtain a porous structure after the sintering. Thereby, the cathode 12 with a larger surface area can be obtained. Furthermore, when using a baked powder, the crystal structure (for example, it is a single phase consisting of perovskite) can be confirmed by X-ray diffraction measurement, and the confirmed powder can be used. Therefore, since there is no deviation in composition ratio and no impurities are contained, the original ionic conductivity and electronic conductivity of the material can be easily exhibited. As a result, a higher output SOFC single cell can be realized. It becomes.

カソード粉末において、カソード粉末Aの割合は5質量%以上90質量%以下である。カソード粉末Aを5質量%以上とすることにより、カソード粉末の表面積の増加に起因する反応場の増加により、高い発電性能を実現できる。好ましくは、カソード粉末Aを7質量%以上とすることであり、より好ましくは10質量%以上とすることである。また、カソード粉末Aを90質量%以下とすることにより、焼結時の収縮が抑制されるので、カソード12に発生する欠陥を低減できる。好ましくは、カソード粉末Aを70質量%以下とすることであり、より好ましくは50質量%以下とすることである。   In the cathode powder, the ratio of the cathode powder A is 5% by mass or more and 90% by mass or less. By setting the cathode powder A to 5% by mass or more, high power generation performance can be realized by increasing the reaction field due to the increase in the surface area of the cathode powder. Preferably, the cathode powder A is 7% by mass or more, more preferably 10% by mass or more. Moreover, since the shrinkage | contraction at the time of sintering is suppressed by making cathode powder A into 90 mass% or less, the defect which generate | occur | produces in the cathode 12 can be reduced. Preferably, the cathode powder A is 70% by mass or less, and more preferably 50% by mass or less.

カソード粉末A及びカソード粉末Bの平均粒子径は、上記の関係を満たしている限り、特に限定されない。しかし、高い発電性能と、カソード12に発生する欠陥のより確実な低減とを考慮した場合、カソード粉末Aの平均粒子径(PA50)は0.05〜0.75μmでありことが好ましく、0.10〜0.70μmであることがより好ましく、0.15〜0.60μmであることが特に好ましい。また、カソード粉末Bの平均粒子径(PB50)は、0.80〜5.0μmであることが好ましく、0.85〜4.0μmであることがより好ましく、0.90〜3.0μmであることが特に好ましい。 The average particle size of the cathode powder A and the cathode powder B is not particularly limited as long as the above relationship is satisfied. However, in consideration of high power generation performance and more reliable reduction of defects generated in the cathode 12, the average particle diameter (P A50 ) of the cathode powder A is preferably 0.05 to 0.75 μm. More preferably, it is .10 to 0.70 μm, and particularly preferably 0.15 to 0.60 μm. The average particle size (P B50 ) of the cathode powder B is preferably 0.80 to 5.0 μm, more preferably 0.85 to 4.0 μm, and 0.90 to 3.0 μm. It is particularly preferred.

カソード12用のペーストは、カソード12を構成する原料粉末(上記カソード粉末)、バインダー及び溶剤と、必要により分散剤及び可塑剤等とを共に均一に混合することによって、調製される。バインダー、溶剤、分散剤及び可塑剤等は、SOFCのカソードの製造方法において公知となっているバインダー、溶剤、分散剤及び可塑剤等の中から適宜選択できる。調製したペーストを、多層焼成体上にスクリーン印刷等により塗布し、乾燥させることによって、カソード12用のグリーン層が形成される。これを焼成することによって、カソード12が作製される。焼成温度は、特に限定されないが、800℃以上が好ましく、850℃以上がより好ましく、950℃以上がさらに好ましい。また、焼成温度は、1300℃以下が好ましく、1250℃以下がより好ましく、1200℃以下がさらに好ましい。また、焼成時の焼成時間は、特に限定されないが、0.1時間以上が好ましく、0.5時間以上がより好ましく、1時間以上がさらに好ましい。また、焼成時間は、10時間以下が好ましく、7時間以下がより好ましく、5時間以下がさらに好ましい。   The paste for the cathode 12 is prepared by uniformly mixing together the raw material powder (the cathode powder) constituting the cathode 12, the binder and the solvent, and if necessary, the dispersant and the plasticizer. The binder, the solvent, the dispersant, the plasticizer, and the like can be appropriately selected from binders, solvents, dispersants, plasticizers, and the like known in the SOFC cathode manufacturing method. The prepared paste is applied onto the multilayer fired body by screen printing or the like and dried to form a green layer for the cathode 12. By baking this, the cathode 12 is produced. Although a calcination temperature is not specifically limited, 800 degreeC or more is preferable, 850 degreeC or more is more preferable, and 950 degreeC or more is further more preferable. The firing temperature is preferably 1300 ° C. or lower, more preferably 1250 ° C. or lower, and further preferably 1200 ° C. or lower. The firing time during firing is not particularly limited, but is preferably 0.1 hours or longer, more preferably 0.5 hours or longer, and even more preferably 1 hour or longer. The firing time is preferably 10 hours or less, more preferably 7 hours or less, and even more preferably 5 hours or less.

カソード12用ペースト中のカソード粉末(カソード粉末A及びカソード粉末Bの混合粉末)の体積基準の累積粒度分布における10%粒子径(d10)及び90%粒子径(d90)は、d90/d10≧2.3の関係を満たすことが好ましく、d90/d10≧2.5の関係を満たすことがより好ましい。ペースト中のカソード粉末がこのような粒度分布を満たすことにより、クラック及び剥離が低減され、且つ、高い発電性能を実現できるカソードをより確実に作製でき、その結果、高性能及び高信頼性を有するSOFCの実現が可能となる。   The 10% particle size (d10) and 90% particle size (d90) in the volume-based cumulative particle size distribution of the cathode powder (mixed powder of cathode powder A and cathode powder B) in the cathode 12 paste are d90 / d10 ≧ 2. .3 and preferably d90 / d10 ≧ 2.5. By satisfying such a particle size distribution of the cathode powder in the paste, it is possible to more reliably produce a cathode capable of reducing cracks and peeling and realizing high power generation performance. As a result, the cathode powder has high performance and high reliability. Realization of SOFC becomes possible.

カソード12の厚さは、特に限定されないが、例えば5.0μm以上が好ましく、6.0μm以上がより好ましく、7.0μm以上がさらに好ましい。また、カソード12の厚さは、75μm以下が好ましく、60μm以下がより好ましく、50μm以下がさらに好ましい。カソード12の厚さが上記範囲内であれば、電極反応と、電極反応の場所となるカソード12と電解質層13(バリア層14を設けている場合にはカソード12とバリア層14)の界面付近へのガスの通過性をバランス良く両立しやすくなる。   Although the thickness of the cathode 12 is not specifically limited, For example, 5.0 micrometers or more are preferable, 6.0 micrometers or more are more preferable, and 7.0 micrometers or more are further more preferable. Further, the thickness of the cathode 12 is preferably 75 μm or less, more preferably 60 μm or less, and further preferably 50 μm or less. If the thickness of the cathode 12 is within the above range, the electrode reaction and the vicinity of the interface between the cathode 12 and the electrolyte layer 13 (where the barrier layer 14 is provided, the cathode 12 and the barrier layer 14), which is the place of the electrode reaction It is easy to balance the gas permeability to the well.

以上のような方法によって、アノード支持型セル1を製造することができる。   The anode-supported cell 1 can be manufactured by the method as described above.

次に、本実施形態のカソード12の一例にについて、その構造的特徴を説明する。本実施形態のカソードは、好ましくは上述した製造方法によって得ることができる。   Next, structural features of an example of the cathode 12 of the present embodiment will be described. The cathode of this embodiment can be preferably obtained by the manufacturing method described above.

カソード12では、カソード12を構成する粒子の個数基準の累積粒度分布における10%粒子径(D10)及び90%粒子径(D90)が、2.45≦D90/D10≦10.00の関係を満たすことが可能である。ここで、カソード12を構成する粒子の個数基準の累積粒度分布とは、カソード12の周端部から1mmを除いた部分の断面の電子顕微鏡によって得られる断面像において、カソード12を構成する任意の粒子100個について、画像処理ソフトを用いてそれぞれの粒子の投影面積(断面積)を測定し、その値を用いて面積相当直径を求め、得られた粒子100個の面積相当直径を用いて求められる粒度分布である。   In the cathode 12, the 10% particle diameter (D10) and the 90% particle diameter (D90) in the cumulative particle size distribution based on the number of particles constituting the cathode 12 satisfy the relationship of 2.45 ≦ D90 / D10 ≦ 10.00. It is possible. Here, the cumulative particle size distribution based on the number of particles constituting the cathode 12 is an arbitrary image constituting the cathode 12 in a cross-sectional image obtained by an electron microscope of a section excluding 1 mm from the peripheral edge of the cathode 12. For 100 particles, the projected area (cross-sectional area) of each particle is measured using image processing software, the area equivalent diameter is obtained using the measured value, and the area equivalent diameter of the obtained 100 particles is obtained. Particle size distribution.

カソード12を構成する粒子が2.45≦D90/D10≦10.00を満たすことにより、クラック及び剥離が低減され、且つ、高い発電性能を実現できるカソードとなり、その結果、高性能及び高信頼性を有するSOFCの実現が可能となる。これらの効果をより確実に得るために、D90/D10は2.5以上であることが好ましく、D90/D10は2.6以上であることがより好ましい。   When the particles constituting the cathode 12 satisfy 2.45 ≦ D90 / D10 ≦ 10.00, cracks and separation are reduced, and the cathode can realize high power generation performance. As a result, high performance and high reliability are achieved. It is possible to realize an SOFC having In order to obtain these effects more reliably, D90 / D10 is preferably 2.5 or more, and D90 / D10 is more preferably 2.6 or more.

次に、本実施形態のSOFC用単セル(本実施形態の場合はアノード支持型セル1)の一例にについて、その構造的特徴を説明する。本実施形態のカソードは、好ましくは上述した製造方法によって得ることができる。本実施形態で得られるアノード支持型セル1の一例は、カソード12の周端部から1mmを除いた位置の任意の5か所の断面を200μmに渡って電子顕微鏡で観察した際に、カソード12/バリア層14(バリア層が設けられない構成の場合は、カソード12/電解質層13)の界面の単位長さ1mmに存在する剥離箇所が7箇所以下であり、且つ、カソード中のクラック数が13以下であり、さらに、750℃におけるASRが0.4Ω・cm2以下であるSOFC用単セルと特定することができる。ただし、ASRとは、以下の式によって求められる値である。
ASR=(開回路電圧−セル電圧)/電流密度
Next, the structural features of an example of the single cell for SOFC of this embodiment (in the case of this embodiment, the anode-supported cell 1) will be described. The cathode of this embodiment can be preferably obtained by the manufacturing method described above. An example of the anode-supported cell 1 obtained in the present embodiment is that the cathode 12 is observed when cross sections of any five locations at positions excluding 1 mm from the peripheral end of the cathode 12 are observed with an electron microscope over 200 μm. / Barrier layer 14 (in the case of a configuration in which no barrier layer is provided), the number of peeled portions present in a unit length of 1 mm of the interface of the cathode 12 / electrolyte layer 13 is 7 or less, and the number of cracks in the cathode is It can be identified as a single cell for SOFC having an ASR at 750 ° C. of 0.4 Ω · cm 2 or less. However, ASR is a value calculated | required by the following formula | equation.
ASR = (open circuit voltage−cell voltage) / current density

SOFC用単セルの750℃におけるASRは、0.3Ω・cm2以下であることが好ましく、0.28Ω・cm2以下であることがより好ましい。 ASR at 750 ° C. of the SOFC single cell, is preferably 0.3 [Omega · cm 2 or less, and more preferably 0.28Ω · cm 2 or less.

本実施形態のSOFC用単セルにおいて、隣接層としては、電解質層13である形態、電解質層13とカソード12との間に配置されたバリア層14である形態が含まれる。カソード材料、カソード12の厚さ、電解質層13の材料、電解質層13の厚さ、バリア層14を構成する材料、バリア層14の厚さ等の好ましい態様は上述したとおりである。本実施形態のSOFC用単セルにおけるアノード層112及びアノード支持基板111を構成するアノード材料、それぞれの厚さの好ましい態様も上述したとおりである。   In the single cell for SOFC of this embodiment, the adjacent layer includes a form that is the electrolyte layer 13 and a form that is the barrier layer 14 disposed between the electrolyte layer 13 and the cathode 12. Preferred embodiments such as the cathode material, the thickness of the cathode 12, the material of the electrolyte layer 13, the thickness of the electrolyte layer 13, the material constituting the barrier layer 14, the thickness of the barrier layer 14 and the like are as described above. The anode layer 112 and the anode material constituting the anode support substrate 111 in the single cell for SOFC of the present embodiment, and the preferred modes of the respective thicknesses are also as described above.

このように、本実施形態で得られるSOFC用単セルは、カソードに発生するクラック及び剥離が低減され、且つ、優れた発電性能(例えば、高いセル電圧及び低いASR)も有している。   As described above, the single cell for SOFC obtained in the present embodiment is reduced in cracks and peeling generated in the cathode, and has excellent power generation performance (for example, high cell voltage and low ASR).

次に、本発明について、実施例を用いて具体的に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施例によって何ら限定されるものではない。   Next, the present invention will be specifically described using examples. In addition, this invention is not limited at all by the Example shown below.

<実施例1>
(アノード支持基板グリーンシートの作製)
導電成分としての酸化ニッケル(正同化学社製、GREEN)60質量部、骨格成分としての3モル%イットリア安定化ジルコニア粉末(3YSZ:第一稀元素化学工業製、HSY−3.0)40質量部、空孔形成剤としての市販のカーボンブラック3質量部、市販のアクリル樹脂からなるバインダー15質量部、可塑剤としてαオレフィン・無水マレイン酸共重合物2質量部、分散剤としてカルボキシル基含有ポリマー変性物2質量部、及び、溶剤として市販のトルエン30質量部及び市販の酢酸エチル24質量部を、ボールミルにより混合して、スラリーを調製した。得られたスラリーを使用し、ドクターブレード法によりシート成形し、80℃で2時間乾燥させて、アノード支持基板グリーンシートを作製した。なお、作製したグリーンシートの厚みについては、焼成後の厚みが300μmになるように調整した。
<Example 1>
(Preparation of anode support substrate green sheet)
60 parts by mass of nickel oxide as a conductive component (manufactured by Shodo Chemical Co., Ltd., GREEN), 3 mol% yttria-stabilized zirconia powder as a skeleton component (3YSZ: manufactured by Daiichi Rare Chemicals, HSY-3.0) 40 masses Part, 3 parts by mass of commercially available carbon black as a pore-forming agent, 15 parts by mass of a binder made of a commercially available acrylic resin, 2 parts by mass of an α-olefin / maleic anhydride copolymer as a plasticizer, and a carboxyl group-containing polymer as a dispersant 2 parts by mass of the modified product, 30 parts by mass of commercially available toluene as a solvent, and 24 parts by mass of commercially available ethyl acetate were mixed by a ball mill to prepare a slurry. The obtained slurry was used, formed into a sheet by a doctor blade method, and dried at 80 ° C. for 2 hours to produce an anode supporting substrate green sheet. In addition, about the thickness of the produced green sheet, it adjusted so that the thickness after baking might be set to 300 micrometers.

(アノード層用ペーストの作製)
導電成分としての酸化ニッケル60質量部、骨格成分としての8モル%イットリア安定化ジルコニア粉末(8YSZ:第一稀元素社製、HSY−8.0)40質量部、空孔形成剤としての市販のカーボンブラック3質量部、溶剤としての市販のα−テルピネオール55質量部、バインダーとして市販のメタクリル系樹脂12質量部、可塑剤としての市販のジブチルフタレート5質量部及び分散剤としての市販のソルビタン脂肪酸エステル系界面活性剤8質量部を予備混合した後、3本ロールミル(EXAKT technologies社製、型式「M−80S」、ロール材質:アルミナ)を用いて解砕し、アノード層用ペーストを作製した。
(Preparation of anode layer paste)
60 parts by mass of nickel oxide as a conductive component, 40 parts by mass of 8 mol% yttria-stabilized zirconia powder (8YSZ: manufactured by Daiichi Rare Element Co., Ltd., HSY-8.0) as a skeleton component, commercially available as a pore forming agent 3 parts by weight of carbon black, 55 parts by weight of commercially available α-terpineol as a solvent, 12 parts by weight of commercially available methacrylic resin as a binder, 5 parts by weight of commercially available dibutyl phthalate as a plasticizer, and a commercially available sorbitan fatty acid ester as a dispersant After preliminarily mixing 8 parts by mass of a system surfactant, the mixture was pulverized using a three-roll mill (manufactured by EXKT technologies, model “M-80S”, roll material: alumina) to prepare an anode layer paste.

(電解質層用ペーストの作製)
セラミックス質としての8モル%イットリア安定化ジルコニア粉末(8YSZ:第一稀元素社製、HSY−8.0)100質量部、バインダーとして市販のエチルセルロース7.5質量部、溶剤として市販のα−テルピネオール67.5質量部、可塑剤として市販のジブチルフタレート6質量部及び分散剤として市販のソルビタン酸エステル系界面活性剤10質量部を予備混合した後、3本ロールミル(EXAKT technologies社製、型式「M−80S」ロール材質:アルミナ)を用いて解砕し、電解質層用ペーストを作製した。
(Preparation of electrolyte layer paste)
100 parts by mass of 8 mol% yttria stabilized zirconia powder (8YSZ: manufactured by Daiichi Rare Element Co., Ltd., HSY-8.0) as a ceramic material, 7.5 parts by mass of ethyl cellulose commercially available as a binder, and α-terpineol commercially available as a solvent After premixing 67.5 parts by mass, 6 parts by mass of commercially available dibutyl phthalate as a plasticizer and 10 parts by mass of a commercially available sorbitan acid surfactant as a dispersant, a three-roll mill (manufactured by EXAK Technologies, model “M” An -80S "roll material: alumina) was crushed to prepare an electrolyte layer paste.

(バリア層用ペーストの作製)
セラミックス質としての20モル%ガドリニアが固溶されたセリア粉末(AGCセイミケミカル、カタログ値:比表面積10m2/g)100質量部、バインダーとして市販のエチルセルロース7.5質量部、溶剤として市販のα−テルピネオール67.5質量部、可塑剤として市販のジブチルフタレート8質量部及び分散剤として市販のソルビタン酸エステル系界面活性剤20質量部を予備混合した後、3本ロールミル(EXAKT technologies社製、型式「M−80S」ロール材質:アルミナ)を用いて解砕し、バリア層用ペーストを作製した。
(Preparation of barrier layer paste)
100 parts by mass of ceria powder (AGC Seimi Chemical, catalog value: specific surface area 10 m 2 / g) in which 20 mol% gadolinia as a ceramic material is dissolved, 7.5 parts by mass of ethyl cellulose commercially available as a binder, α -After premixing 67.5 parts by mass of terpineol, 8 parts by mass of commercially available dibutyl phthalate as a plasticizer and 20 parts by mass of a commercially available sorbitan acid ester surfactant as a dispersant, a three-roll mill (manufactured by EXKT technologies, model number) Crushing using “M-80S” roll material: alumina), a barrier layer paste was prepared.

(アノード層用グリーン層の形成)
アノード層用ペーストをスクリーン印刷により、上記で得たアノード支持基板グリーンシートに、焼成後の厚さが15μmとなるように印刷し、80℃で30分間乾燥させ、アノード層用グリーン層を形成した。
(Formation of green layer for anode layer)
The anode layer paste was printed on the anode support substrate green sheet obtained above by screen printing so that the thickness after firing was 15 μm and dried at 80 ° C. for 30 minutes to form the anode layer green layer. .

(電解質層用グリーン層の形成)
上記電解質層用ペーストをスクリーン印刷により、上記で得たアノード層用グリーン層上に、焼成後の厚さが10μmとなるように印刷し、80℃で30分間乾燥させ、電解質層用グリーン層を形成した。
(Formation of green layer for electrolyte layer)
The electrolyte layer paste is printed on the anode layer green layer obtained above by screen printing so that the thickness after firing is 10 μm and dried at 80 ° C. for 30 minutes. Formed.

(バリア層用グリーン層の形成)
上記バリア層用ペーストをスクリーン印刷により、上記で得た電解質層用グリーン層上に、焼成後の厚さが2μm以下となるように印刷し、80℃で30分間乾燥させ、バリア層用グリーン層を形成した。
(Formation of green layer for barrier layer)
The barrier layer paste is printed on the green layer for the electrolyte layer obtained above by screen printing so that the thickness after firing is 2 μm or less, and is dried at 80 ° C. for 30 minutes. Formed.

(焼成)
上記バリア層用ペーストの乾燥後、上記で得たバリア層用グリーン層、電解質層用グリーン層、アノード層用グリーン層が塗布され積層されたアノード支持基板グリーンシートを焼成後の1辺が6cmの正方形になるように打ち抜いた。打ち抜いた後、1350℃、空気雰囲気下で3時間焼成して、アノード支持型ハーフセルを得た。
(Baking)
After drying the barrier layer paste, the green layer for the barrier layer, the green layer for the electrolyte layer, and the green layer for the anode layer obtained above are coated and laminated on the anode supporting substrate green sheet, and one side after firing is 6 cm in length. Punched out to be square. After punching, firing was performed at 1350 ° C. in an air atmosphere for 3 hours to obtain an anode-supported half cell.

(LSC粉末(カソード粉末)の調製)
LSC粉末を以下の通り調製した。市販の純度99.9%の酢酸ランタン1.5水和物(キシダ化学、99.5%)、酢酸ストロンチウム0.5水和物(和光純薬、和光特級)及び酢酸コバルト(II)四水和物(和光純薬、和光特級)を、元素比がLa0.6Sr0.4Co1.0xとなるように純水中に溶解させ、目視により溶解したのを確認してから30分間攪拌した。得られた水溶液を量論比の1.5倍の過剰のシュウ酸アンモニウム一水和物(和光純薬、試薬特級)水溶液に滴下させ、シュウ酸塩として共沈させた。その後、この溶液をロータリーエバポレーターと乾燥器とを使用して、蒸発・乾固させた。乾燥させたシュウ酸塩にエタノールを加え、乳鉢で湿式粉砕混合した後、電気炉により熱分解(330℃)、第1仮焼(750℃)、第2仮焼(950℃)、焼成(1100℃)を各3時間行って、焼成粉末を作製した。なお、各工程の間には、粒子の過剰な凝集を防ぐことを目的として、エタノールを溶媒に、乳鉢で湿式粉砕を行った。
次に、焼成粉末をボールミル解砕した後、乾燥させることにより、平均粒子径0.23μmのLSC粉末(A)、平均粒子径が1.19μmのLSC粉末(B)をそれぞれ調製した。具体的には、LSC粉末(A)及び(B)とも、ボールミル解砕は、焼成粉末、溶媒としてのエタノール及びジルコニアボール(ニッカトー製 YTZボール)をポリ容器に仕込んだ状態で行った。解砕処理時間はLSC粉末(A)及び(B)ともに20時間であるが、解砕処理時の回転数や使用するYTZボールを変えることにより、平均粒子径の異なる粉末を調製した。また、LSC粉末(A)及び(B)はいずれも、X線回折測定によって、ペロブスカイトからなる単一相であることが確認された。
なお、LSC粉末(A)及び(B)の平均粒子径は、体積基準の累積粒度分布から求められるメジアン径、すなわち体積累積が50%に相当する粒子径(D50)のことであり、レーザ回折式粒度分布測定装置(堀場製作所製、製品名:LA−920)を用いて求められた値である。
(Preparation of LSC powder (cathode powder))
LSC powder was prepared as follows. Commercially available 99.9% pure lanthanum acetate hemihydrate (Kishida Chemical, 99.5%), strontium acetate hemihydrate (Wako Pure Chemicals, Wako Special Grade) and cobalt (II) acetate tetrahydrate A Japanese product (Wako Pure Chemicals, Wako Special Grade) was dissolved in pure water so that the element ratio was La 0.6 Sr 0.4 Co 1.0 O x, and it was visually confirmed that it was dissolved, and then stirred for 30 minutes. The obtained aqueous solution was dropped into an excess of an aqueous solution of ammonium oxalate monohydrate (Wako Pure Chemicals, reagent grade), 1.5 times the stoichiometric ratio, and coprecipitated as oxalate. Thereafter, this solution was evaporated and dried using a rotary evaporator and a dryer. Ethanol is added to the dried oxalate and wet pulverized and mixed in a mortar, followed by thermal decomposition (330 ° C.), first calcination (750 ° C.), second calcination (950 ° C.), and calcination (1100 ℃) for 3 hours each to produce a fired powder. During each step, wet pulverization was performed in a mortar using ethanol as a solvent for the purpose of preventing excessive aggregation of particles.
Next, the fired powder was pulverized and then dried to prepare LSC powder (A) having an average particle size of 0.23 μm and LSC powder (B) having an average particle size of 1.19 μm. Specifically, for both LSC powders (A) and (B), ball mill crushing was performed in a state where a fired powder, ethanol as a solvent and zirconia balls (YTZ ball made by Nikkato) were charged in a plastic container. The pulverization time was 20 hours for both LSC powders (A) and (B), but powders having different average particle diameters were prepared by changing the number of revolutions during the pulverization process and the YTZ balls used. Further, it was confirmed by X-ray diffraction measurement that both LSC powders (A) and (B) were a single phase composed of perovskite.
The average particle diameter of the LSC powders (A) and (B) is a median diameter obtained from a volume-based cumulative particle size distribution, that is, a particle diameter (D50) corresponding to a volume accumulation of 50%. It is the value calculated | required using the type | formula particle size distribution measuring apparatus (Horiba Seisakusho make, product name: LA-920).

(LSCカソード層用ペーストの調製)
上記のLSC粉末(A)50質量部、LSC粉末(B)50質量部、バインダーとして市販のエチルセルロース3質量部及び溶剤として市販のα−テルピネオール30質量部を予備混合した。その後、3本ロールミル(EXAKT technologies社製、型式「M−80S」、ロール材質:アルミナ)を用いて混練し、カソード層用ペーストを得た。なお、このLSCカソード層用ペースト中のカソード粉末の体積基準の累積粒度分布におけるLSC粉末の平均粒子径(d50)は0.67μmであった。また、10%粒子径(d10)は0.41、90%粒子径(d90)は1.22μmであり、10%粒子径に対する90%粒子径の比(d90/d10)は3.0であった。なお、体積基準の累積粒度分布は、レーザ回折式粒度分布測定装置(堀場製作所製、製品名:LA−920)を用いて求められた。
(Preparation of LSC cathode layer paste)
50 parts by mass of the above LSC powder (A), 50 parts by mass of LSC powder (B), 3 parts by mass of commercially available ethyl cellulose as a binder and 30 parts by mass of commercially available α-terpineol as a solvent were premixed. Then, it knead | mixed using the 3 roll mill (EXAKT technologies company make, model "M-80S", roll material: Alumina), and obtained the paste for cathode layers. The average particle size (d50) of the LSC powder in the volume-based cumulative particle size distribution of the cathode powder in the LSC cathode layer paste was 0.67 μm. The 10% particle diameter (d10) was 0.41, the 90% particle diameter (d90) was 1.22 μm, and the ratio of the 90% particle diameter to the 10% particle diameter (d90 / d10) was 3.0. It was. The volume-based cumulative particle size distribution was determined using a laser diffraction particle size distribution measuring device (manufactured by Horiba, product name: LA-920).

(LSCカソード層の形成)
ハーフセルのバリア層の表面に、スクリーン印刷により、カソード層用ペーストを1cm×1cmの正方形に塗布し、100℃で30分間乾燥させ、カソード層用グリーン層を形成した。その後、カソード層用グリーン層を積層させたハーフセルを、1000℃で2時間焼成した。これにより、実施例1に係るSOFC用単セルを得た。
(Formation of LSC cathode layer)
A cathode layer paste was applied to a 1 cm × 1 cm square by screen printing on the surface of the barrier layer of the half cell, and dried at 100 ° C. for 30 minutes to form a green layer for the cathode layer. Thereafter, the half cell on which the green layer for the cathode layer was laminated was fired at 1000 ° C. for 2 hours. Thereby, the single cell for SOFC which concerns on Example 1 was obtained.

<実施例2及び3>
実施例1のLSCカソード層用ペーストの調製において、LSC粉末(A)とLSC粉末(B)との混合比を表2に記載の通りとなるように調製した以外は実施例1と同様にして、LSCカソード層用ペーストを調製し、実施例1と同様にしてLSCカソード層を形成することによって、実施例2及び3のSOFC用単セルを作製した。なお、実施例2及び3で得られたLSCカソード層用ペーストの平均粒子径(d50)、10%粒子径(d10)、90%粒子径(d90)、10%粒子径に対する90%粒子径の比(d90/d10)は、表2のとおりであった。
<Examples 2 and 3>
In the preparation of the LSC cathode layer paste of Example 1, the same procedure as in Example 1 was conducted, except that the mixing ratio of the LSC powder (A) and the LSC powder (B) was as shown in Table 2. A single cell for SOFC of Examples 2 and 3 was prepared by preparing an LSC cathode layer paste and forming an LSC cathode layer in the same manner as in Example 1. The average particle size (d50), 10% particle size (d10), 90% particle size (d90) of the LSC cathode layer paste obtained in Examples 2 and 3 was 90% with respect to the 10% particle size. The ratio (d90 / d10) was as shown in Table 2.

<比較例1>
実施例1のLSCカソード層用ペーストの調製において、用いる粉末としてLSC粉末(A)50質量部及びLSC粉末(B)50質量部の代わりに、LSC粉末(A)100質量部とした以外は、実施例1と同様にしてLSCカソード層用ペーストを調製し、実施例1と同様にしてLSCカソード層を形成することによって、比較例1のSOFC用単セルを作製した。なお、比較例1で得られたLSCカソード層用ペーストにおけるLSC粉末の平均粒子径(d50)、10%粒子径(d10)、90%粒子径(d90)、10%粒子径に対する90%粒子径の比(d90./d10)は表2のとおりであった。
<Comparative Example 1>
In the preparation of the paste for the LSC cathode layer of Example 1, except that 50 parts by mass of LSC powder (A) and 50 parts by mass of LSC powder (B) were used as the powder to be used, except that 100 parts by mass of LSC powder (A) was used. An LSC cathode layer paste was prepared in the same manner as in Example 1, and an LSC cathode layer was formed in the same manner as in Example 1 to produce a single cell for SOFC of Comparative Example 1. The average particle diameter (d50), 10% particle diameter (d10), 90% particle diameter (d90), and 90% particle diameter with respect to the 10% particle diameter of the LSC cathode layer paste obtained in Comparative Example 1 The ratio (d90./d10) was as shown in Table 2.

<比較例2>
実施例1のLSCカソード層用ペーストの調製において、用いる粉末としてLSC粉末(A)50質量部及びLSC粒子(B)50質量部の代わりに、LSC粉末(B)100質量部とした以外は、実施例1と同様にしてLSCカソード層用ペーストを調製し、実施例1と同様にしてLSCカソード層を形成することによって、比較例2のSOFC用単セルを作製した。なお、比較例2で得られたLSCカソード層用ペーストにおけるLSC粉末の平均粒子径(d50)、10%粒子径(d10)、90%粒子径(d90)、10%粒子径に対する90%粒子径の比(d90/d10)は表2のとおりであった。
<Comparative Example 2>
In the preparation of the paste for the LSC cathode layer of Example 1, except that 50 parts by mass of LSC powder (A) and 50 parts by mass of LSC particles (B) were used as powders, 100 parts by mass of LSC powder (B) were used. An LSC cathode layer paste was prepared in the same manner as in Example 1, and an LSC cathode layer was formed in the same manner as in Example 1 to produce a single cell for SOFC of Comparative Example 2. In addition, the average particle diameter (d50), 10% particle diameter (d10), 90% particle diameter (d90) of the LSC powder in the LSC cathode layer paste obtained in Comparative Example 2 was 90% particle diameter relative to the 10% particle diameter. The ratio (d90 / d10) was as shown in Table 2.

<比較例3>
(LSCF粉末の調製)
LSCF粉末を以下の通り調製した。市販の純度99.9%の酢酸ランタン1.5水和物(キシダ化学、99.5%)、酢酸ストロンチウム0.5水和物(和光純薬、和光特級)及び酢酸コバルト(II)四水和物(和光純薬、和光特級)、硫酸鉄(II)七水和物(和光純薬、試薬特級)を、元素比がLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8となるように純水中に溶解させ、目視により溶解したのを確認してから30分間攪拌した。得られた水溶液を量論比の1.5倍の過剰のシュウ酸アンモニウム一水和物(和光純薬、試薬特級)水溶液に滴下させ、シュウ酸塩として共沈させた。その後、この溶液をロータリーエバポレーターと乾燥器とを使用して、蒸発・乾固させた。乾燥させたシュウ酸塩にエタノールを加え、乳鉢で湿式粉砕混合した後、電気炉により熱分解(330℃)、第1仮焼(750℃)、第2仮焼(950℃)、焼成(1200℃)を各3時間行って、焼成粉末を作製した。なお、各工程の間には、粒子の過剰な凝集を防ぐことを目的として、エタノールを溶媒に、乳鉢で湿式粉砕を行っている。
次に、焼成粉末を、溶媒としてのエタノール及びジルコニアボール(ニッカトー製 YTZボール)とともにポリ容器に仕込んだ状態でボールミル解砕処理を20時間行った後、乾燥させることにより、LSCF粉末を得た。なお、得られたLSCF粉末は、平均粒子径が0.24μmであり、X線回折測定によって、ペロブスカイトからなる単一相であることが確認された。
<Comparative Example 3>
(Preparation of LSCF powder)
LSCF powder was prepared as follows. Commercially available 99.9% pure lanthanum acetate hemihydrate (Kishida Chemical, 99.5%), strontium acetate hemihydrate (Wako Pure Chemicals, Wako Special Grade) and cobalt (II) acetate tetrahydrate Japanese products (Wako Pure Chemicals, Wako Special Grade), iron (II) sulfate heptahydrate (Wako Pure Chemicals, reagent special grade) are dissolved in pure water so that the element ratio is La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 The mixture was stirred for 30 minutes after visually confirming that it was dissolved. The obtained aqueous solution was dropped into an excess of an aqueous solution of ammonium oxalate monohydrate (Wako Pure Chemicals, reagent grade), 1.5 times the stoichiometric ratio, and coprecipitated as oxalate. Thereafter, this solution was evaporated and dried using a rotary evaporator and a dryer. Ethanol is added to the dried oxalate and wet pulverized and mixed in a mortar, followed by pyrolysis (330 ° C), first calcining (750 ° C), second calcining (950 ° C), and calcining (1200) ℃) for 3 hours each to produce a fired powder. In addition, between each process, in order to prevent the excessive aggregation of particle | grains, the wet pulverization is performed in a mortar by using ethanol as a solvent.
Next, the pulverized powder was subjected to ball mill crushing treatment for 20 hours in a state where it was charged into a plastic container together with ethanol and zirconia balls (YKKato YTZ balls) as a solvent, and then dried to obtain LSCF powder. The obtained LSCF powder had an average particle size of 0.24 μm and was confirmed to be a single phase composed of perovskite by X-ray diffraction measurement.

(LSCFカソード層用ペーストの調製)
上記の方法で調製されたLSCF粉末に対して、バインダーとしての市販のエチルセルロースが3質量%、溶剤としての市販のα−テルピネオールが30質量%の割合となるようにこれらを加え、これを乳鉢を用いて混合した。その後、3本ロールミル(EXAKT technologies社製、型式「M−80S」、ロール材質:アルミナ)を用いて混練し、カソード層用ペーストを得た。なお、比較例3で得られたLSCFカソード用ペーストにおけるLSCF粉末の平均粒子径(d50)、10%粒子径(d10)、90%粒子径(d90)、10%粒子径に対する90%粒子径の比(d90/d10)は表2のとおりであった。
(Preparation of LSCF cathode layer paste)
These were added to the LSCF powder prepared by the above method so that the commercially available ethylcellulose as the binder was 3% by mass and the commercially available α-terpineol as the solvent was 30% by mass. Used and mixed. Then, it knead | mixed using the 3 roll mill (EXAKT technologies company make, model "M-80S", roll material: Alumina), and obtained the paste for cathode layers. In addition, the average particle diameter (d50), 10% particle diameter (d10), 90% particle diameter (d90) of the LSCF powder in the LSCF cathode paste obtained in Comparative Example 3 was 90% particle diameter relative to the 10% particle diameter. The ratio (d90 / d10) was as shown in Table 2.

(LSCFカソード層の形成)
実施例1のSOFC作製における(LSCカソード層形成)の代わりに、上記の方法で得られたLSCFカソード層用ペーストを用いてカソード層を形成することにより、SOFC用単セルを作製した。すなわち、実施例1と同様にして作製した、バリア層を有するアノード支持型ハーフセルのバリア層面に、スクリーン印刷により、上記カソード層用ペーストを1cm×1cmの正方形に塗布し、100℃で30分乾燥させ、カソード層用グリーン層を形成した。このカソード層用グリーン層を、1000℃で2時間焼成し、比較例3に係るSOFC用単セルを得た。
(Formation of LSCF cathode layer)
Instead of (LSC cathode layer formation) in the SOFC production of Example 1, a single layer cell for SOFC was produced by forming a cathode layer using the paste for LSCF cathode layer obtained by the above method. That is, the cathode layer paste was applied to a 1 cm × 1 cm square by screen printing on the barrier layer surface of an anode-supported half cell having a barrier layer produced in the same manner as in Example 1, and dried at 100 ° C. for 30 minutes. Thus, a green layer for the cathode layer was formed. This green layer for cathode layer was fired at 1000 ° C. for 2 hours to obtain a single cell for SOFC according to Comparative Example 3.

<平均線熱膨張係数の測定>
実施例及び比較例においてカソード層形成に用いたカソード粉末(LSC粉末、LSCF粉末)、電解質層の形成に用いた粉末(8YSZ)について、以下のようにして平均線熱膨張係数を測定した。
<Measurement of average linear thermal expansion coefficient>
The average linear thermal expansion coefficient of the cathode powder (LSC powder, LSCF powder) used for forming the cathode layer and the powder (8YSZ) used for forming the electrolyte layer in Examples and Comparative Examples was measured as follows.

(測定用サンプルの調製)
LSC粉末及びLSCF粉末を、それぞれ、1軸プレス成型機でφ6mmのダイスを用い、高さ約3mmの円柱状に成形した。成形後、電気炉で1200℃、5時間で焼成させた。電解質層の形成に用いた粉末(8YSZ粉末)についても同様に、1軸プレス成型機でφ6mmのダイスを用いて、高さ約3mmの円柱状に成形した。成形後、電気炉で1400℃、5時間で焼成させた。得られた円柱状のサンプルについては、サンドペーパー(#1500番)を用いて不要な突起を取り除き、熱膨張率測定用のサンプルを得た。なお、これらの測定用サンプルについては、得られた形状と重量から見かけ密度を求め、充填率(見かけ密度/真密度)を求め、90%以上であることを確認した。
(Preparation of measurement sample)
The LSC powder and the LSCF powder were each formed into a cylindrical shape having a height of about 3 mm using a dia. After molding, it was fired in an electric furnace at 1200 ° C. for 5 hours. Similarly, the powder (8YSZ powder) used to form the electrolyte layer was formed into a cylindrical shape having a height of about 3 mm using a dia. After molding, it was fired in an electric furnace at 1400 ° C. for 5 hours. About the obtained cylindrical sample, the unnecessary protrusion was removed using sandpaper (# 1500), and the sample for a thermal expansion coefficient measurement was obtained. In addition, about these samples for a measurement, an apparent density was calculated | required from the obtained shape and weight, the filling factor (apparent density / true density) was calculated | required, and it confirmed that it was 90% or more.

(平均線熱膨張係数の測定)
上記の方法で作製された測定用サンプルについて、マックサイエンス社製TMA−4000Sを使用し、昇温速度2℃/minで室温〜1000℃までの間の膨張率を計測した。なお、平均線熱膨張係数の算出にあたっては、100〜1000℃の測定値を使用した。得られた結果を表1に示す。
(Measurement of average linear thermal expansion coefficient)
About the sample for a measurement produced by said method, TMA-4000S made from a Mac Science company was used, and the expansion coefficient between room temperature-1000 degreeC was measured with the temperature increase rate of 2 degree-C / min. In calculating the average linear thermal expansion coefficient, measured values of 100 to 1000 ° C. were used. The obtained results are shown in Table 1.

<電池性能評価試験>
実施例1〜3及び比較例1〜3のSOFC用単セルについて、以下の方法で電池性能を評価した。SOFC用単セルのアノードに100mL/分の窒素を、カソードに100mL/分の空気を供給しつつ、100℃/時間の速度で測定温度(750℃)まで昇温した。昇温後、アノード、カソードの出口側のガスについて、流量計で流量を測定し、漏れが無いことを確認した。次いで、水素を6mL/分、窒素を194mL/分の加湿した混合ガスをアノードへ、200mL/分の空気をカソードへ供給した。1時間以上経過後に起電力が発生し、ガスの漏れが無いことを再度確認した後、アノード側のガスについて、水素と水蒸気とが合計で200mL/分の流量(水素50%、水蒸気50%)になるように調整して供給し、起電力が安定してから10分以上経過後に、起電力が理論起電力の95%〜100%の範囲にあることを確認し、その値を開回路電圧とした。その後、電流−電圧特性による電池性能評価試験を実施した。得られた電流−電圧特性から、0.4A/cm2における電圧(セル電圧)を求めた。実施例1〜3及び比較例1〜3の電池性能評価試験の結果を表2に示す。実施例1〜3のSOFC用単セルは、セル電圧が0.800V以上、出力密度が0.320W/cm2以上及びASR(=(開回路電圧−セル電圧)/電流密度)が0.4Ω/cm2以下を示し、比較例1〜3の単セルよりも優れた発電性能を示した。なお、ASRを求めるために測定した開回路電圧の結果も、併せて表2に示す。
<Battery performance evaluation test>
About the single cell for SOFC of Examples 1-3 and Comparative Examples 1-3, battery performance was evaluated with the following method. While supplying 100 mL / min of nitrogen to the anode of the SOFC single cell and 100 mL / min of air to the cathode, the temperature was raised to the measurement temperature (750 ° C.) at a rate of 100 ° C./hour. After raising the temperature, the flow rate of the gas on the outlet side of the anode and cathode was measured with a flow meter, and it was confirmed that there was no leakage. Then, a humidified mixed gas of 6 mL / min of hydrogen and 194 mL / min of nitrogen was supplied to the anode, and 200 mL / min of air was supplied to the cathode. After confirming again that electromotive force is generated and gas is not leaked after 1 hour or more has passed, the flow rate of hydrogen and water vapor is 200 mL / min in total for the gas on the anode side (50% hydrogen, 50% water vapor). After 10 minutes or more have passed since the electromotive force has stabilized, confirm that the electromotive force is in the range of 95% to 100% of the theoretical electromotive force, and set the value to the open circuit voltage. It was. Then, the battery performance evaluation test by the current-voltage characteristic was implemented. From the obtained current-voltage characteristics, a voltage (cell voltage) at 0.4 A / cm 2 was obtained. Table 2 shows the results of the battery performance evaluation tests of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3. The single cell for SOFC of Examples 1 to 3 has a cell voltage of 0.800 V or more, an output density of 0.320 W / cm 2 or more, and an ASR (= (open circuit voltage−cell voltage) / current density) of 0.4Ω. / Cm < 2 > or less, showing power generation performance superior to the single cells of Comparative Examples 1 to 3. Table 2 also shows the results of the open circuit voltage measured for obtaining the ASR.

<カソードの断面観察>
上記の電池性能評価試験後の実施例1〜3及び比較例1〜3のSOFC用単セルについて、断面観察用サンプルをそれぞれ5サンプル作製した。電解放出型走査電子顕微鏡(日本電子社製:JSM−7600F)を用いて、その断面観察用サンプルにおいて、カソードの塗布されている部分のうち、周端部から1mmを除いた部分について、断面観察を行った。
<Cathode observation>
About the single cell for SOFC of Examples 1-3 and Comparative Examples 1-3 after said battery performance evaluation test, the sample for cross-sectional observation 5 samples was produced, respectively. Using a field emission scanning electron microscope (manufactured by JEOL Ltd .: JSM-7600F), in the cross-sectional observation sample, the cross-section observation is performed on the portion where 1 mm is removed from the peripheral end portion of the portion coated with the cathode. Went.

(カソード中の構成粒子の粒度分布)
実施例1のサンプルにおいて、得られた断面像よりカソードを構成する粒子100個について、Media Cybernetics社製 Image−Pro Plus ver4.0を用いて、それぞれの粒子の投影面積(断面積)を測定し、その値を用いて、面積相当直径を求めた。粒子100個の面積相当直径を用いて得られた個数基準の累積粒度分布を用いて求められた10%粒子径(D10)、50%粒子径(D50)及び90%粒子径(D90)は、それぞれ、0.32μm、0.60μm及び0.94μmであった。実施例2、3及び比較例1〜3のサンプルについても同様にして、カソードを構成する粒子の10%粒子径(D10)、50%粒子径(D50)及び90%粒子径(D90)を求めた。結果を表2に示す。なお、粒子100個の粒子径を求めるに当たり、1視野では100個に満たないことがあった。この場合には、複数の視野に渡って計測を行い、合計で100個の粒子の粒子径を求めた。
(Particle size distribution in the cathode)
In the sample of Example 1, the projected area (cross-sectional area) of each particle was measured with respect to 100 particles constituting the cathode from the obtained cross-sectional image, using Image Cyber Pro 4.0 made by Media Cybernetics. Using the value, the equivalent area diameter was determined. The 10% particle size (D10), 50% particle size (D50) and 90% particle size (D90) determined using the number-based cumulative particle size distribution obtained using the area equivalent diameter of 100 particles are: They were 0.32 μm, 0.60 μm and 0.94 μm, respectively. Similarly for the samples of Examples 2 and 3 and Comparative Examples 1 to 3, the 10% particle diameter (D10), 50% particle diameter (D50) and 90% particle diameter (D90) of the particles constituting the cathode were determined. It was. The results are shown in Table 2. In determining the particle size of 100 particles, one field of view sometimes did not satisfy 100 particles. In this case, measurement was performed over a plurality of fields of view, and the particle size of 100 particles in total was obtained.

(欠陥の観察)
クラック及び剥離を以下のように定義した。
クラック:
カソード断面中の空孔面積をMedia Cybernetics社製 Image−Pro Plus ver4.0を用いて測定し、空孔面積が5.0μm2以上ある部分をクラックとした(図2参照)。
剥離:
カソードと隣接している層(本実施例及び比較例ではバリア層)とカソードとの界面において、5μm以上の接触していない箇所を剥離とした(図2参照)。
実施例1の5つの断面観察用サンプルについて、200μmに渡って観察して、サンプル1mmあたりのクラックと剥離の発生個数を求めた。実施例1においては、クラック箇所:5個/1mm、剥離箇所:0個/1mmであった。実施例2、3及び比較例1〜3のサンプルについても同様にして、5つの断面観察用サンプルを200μmに渡って観察して、サンプル1mmあたりのクラックと剥離の発生個数を求めた。結果を表3に示す。
実施例1〜3のSOFC用単セルは、D90/D10の値が2.45〜10.00の範囲内であり、いずれも、セル電圧が0.800V以上、出力密度が0.320W/cm2以上、ASRが0.4Ω/cm2以下の優れた発電性能を示し、且つ、クラックが13個/1mm以下及び剥離箇所が7箇所/1mm以下と欠陥数も少なかった。一方、比較例1〜3のSOFC用単セルは、D90/D10の値が2.45未満であり、いずれのセルも実施例のセルと比較して発電性能が低かった。さらに、比較例1のSOFC用単セルは、欠陥数も多かった。
(Defect observation)
Cracks and delamination were defined as follows.
crack:
The pore area in the cathode cross section was measured using Image-Pro Plus ver 4.0 manufactured by Media Cybernetics, and the portion having the pore area of 5.0 μm 2 or more was defined as a crack (see FIG. 2).
Peeling:
At the interface between the cathode and the layer adjacent to the cathode (the barrier layer in this example and the comparative example) and the cathode, a portion not contacting 5 μm or more was defined as peeling (see FIG. 2).
The five cross-sectional observation samples of Example 1 were observed over 200 μm, and the number of occurrences of cracks and peeling per 1 mm of the sample was determined. In Example 1, it was a crack location: 5 pieces / 1 mm, and a peeling location: 0 pieces / 1 mm. Similarly, for the samples of Examples 2 and 3 and Comparative Examples 1 to 3, five cross-sectional observation samples were observed over 200 μm, and the number of cracks and peelings per 1 mm of the sample was determined. The results are shown in Table 3.
The single cells for SOFC of Examples 1 to 3 have a D90 / D10 value in the range of 2.45 to 10.00, and in each case, the cell voltage is 0.800 V or more and the output density is 0.320 W / cm. The power generation performance was 2 or more, ASR was 0.4 Ω / cm 2 or less, and the number of defects was small, with 13 cracks / 1 mm or less and 7 peels / 1 mm or less peeled portions. On the other hand, the SOFC single cells of Comparative Examples 1 to 3 had a D90 / D10 value of less than 2.45, and each cell had lower power generation performance than the cells of the Examples. Further, the SOFC single cell of Comparative Example 1 had a large number of defects.

本発明の製造方法によれば、カソード形成時にカソードの発生する欠陥(剥離、クラック)の発生を抑制できるので、高出力のSOFC用セルを高い信頼性で提供することができる。したがって、本発明は、SOFCの高性能化及び高信頼性化に寄与できるものである。   According to the manufacturing method of the present invention, it is possible to suppress the occurrence of defects (peeling, cracks) generated in the cathode during the formation of the cathode, so that a high-power SOFC cell can be provided with high reliability. Therefore, the present invention can contribute to high performance and high reliability of SOFC.

1 アノード支持型セル
11 アノード
12 カソード
13 電解質層
14 バリア層
111 アノード支持基板
112 アノード層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Anode support type cell 11 Anode 12 Cathode 13 Electrolyte layer 14 Barrier layer 111 Anode support substrate 112 Anode layer

Claims (4)

カソードと、アノードと、前記カソードと前記アノードとの間に配置された電解質層と、を備えた固体酸化物形燃料電池用単セルを製造する方法であって、
(I)前記電解質層の電解質材料との100〜1000℃における平均線熱膨張係数の差が8.0×10-6/K以上であるカソード材料からなるカソード粉末を含む、カソードを形成するためのカソード用ペーストを作製する工程と、
(II)前記カソード用ペーストを前記電解質層上に塗布して焼成し、カソードを形成する工程と、
を含み、
前記カソード粉末は、平均粒子径が互いに異なるカソード粉末Aとカソード粉末Bとを含む混合物であり、
前記カソード粉末Aの平均粒子径(PA50)に対する前記カソード粉末Bの平均粒子径(PB50)の比(PB50/PA50)が1.5以上30以下であり、且つ
前記カソード粉末において、前記カソード粉末Aの割合が5質量%以上90質量%以下である、
固体酸化物形燃料電池用単セルの製造方法。
A method for producing a unit cell for a solid oxide fuel cell comprising a cathode, an anode, and an electrolyte layer disposed between the cathode and the anode,
(I) To form a cathode including a cathode powder made of a cathode material having a difference in average linear thermal expansion coefficient at 100 to 1000 ° C. from the electrolyte material of the electrolyte layer of 8.0 × 10 −6 / K or more. Producing a cathode paste of
(II) applying the cathode paste onto the electrolyte layer and baking it to form a cathode;
Including
The cathode powder is a mixture containing cathode powder A and cathode powder B having different average particle sizes,
In the cathode powder, the ratio (P B50 / P A50 ) of the average particle diameter (P B50 ) of the cathode powder B to the average particle diameter (P A50 ) of the cathode powder A is 1.5 or more and 30 or less. The ratio of the cathode powder A is 5% by mass or more and 90% by mass or less.
A method for producing a single cell for a solid oxide fuel cell.
前記カソード用ペースト中の前記カソード粉末の体積基準の累積粒度分布における10%粒子径(d10)及び90%粒子径(d90)が、d90/d10≧2.3の関係を満たす、
請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池用単セルの製造方法。
10% particle diameter (d10) and 90% particle diameter (d90) in the volume-based cumulative particle size distribution of the cathode powder in the cathode paste satisfy the relationship d90 / d10 ≧ 2.3.
The manufacturing method of the single cell for solid oxide fuel cells of Claim 1.
固体酸化物形燃料電池用のカソードであって、
前記カソードを構成する粒子の個数基準の累積粒度分布における10%粒子径(D10)及び90%粒子径(D90)が、2.45≦D90/D10≦10.00の関係を満たす、
固体酸化物形燃料電池用カソード。
A cathode for a solid oxide fuel cell,
10% particle diameter (D10) and 90% particle diameter (D90) in the cumulative particle size distribution based on the number of particles constituting the cathode satisfy the relationship of 2.45 ≦ D90 / D10 ≦ 10.00.
Cathode for solid oxide fuel cells.
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質層とを備えた固体酸化物形燃料電池用単セルであって、
前記カソードの周端部から1mmを除いた位置の任意の5か所の断面を200μmに渡って電子顕微鏡で観察した場合に、前記カソードと前記カソードに隣接する隣接層との界面の単位長さ1mmに存在する剥離箇所が7箇所以下であり、且つ、前記カソード中のクラック数が13以下であり、
750℃における単位面積当たりの抵抗値(ASR)が0.4Ω・cm2以下である、
固体酸化物形燃料電池用単セル。
ただし、前記ASRとは、以下の式によって求められる値である。
ASR=(開回路電圧−セル電圧)/電流密度
A solid oxide fuel cell single cell comprising an anode, a cathode, and an electrolyte layer disposed between the anode and the cathode,
The unit length of the interface between the cathode and the adjacent layer adjacent to the cathode when the cross section at any five locations excluding 1 mm from the peripheral edge of the cathode is observed with an electron microscope over 200 μm. There are 7 or less exfoliation points existing in 1 mm, and the number of cracks in the cathode is 13 or less,
The resistance value per unit area (ASR) at 750 ° C. is 0.4 Ω · cm 2 or less.
Single cell for solid oxide fuel cells.
However, the ASR is a value obtained by the following equation.
ASR = (open circuit voltage−cell voltage) / current density
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