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JP4883954B2 - Solid oxide fuel cell and method for producing the same - Google Patents

Solid oxide fuel cell and method for producing the same Download PDF

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JP4883954B2 JP2005216745A JP2005216745A JP4883954B2 JP 4883954 B2 JP4883954 B2 JP 4883954B2 JP 2005216745 A JP2005216745 A JP 2005216745A JP 2005216745 A JP2005216745 A JP 2005216745A JP 4883954 B2 JP4883954 B2 JP 4883954B2
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Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell (SOFC) and a method for producing the same.

SOFCは、第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。SOFCは、固体電解質が空気極と燃料極との間に挟まれた構造を有しており、空気極に酸素を供給し、燃料極に水素、一酸化炭素等の燃料ガスを供給し、固体電解質を介した酸化還元反応により起電力を得る。   SOFC is being developed as a third generation fuel cell for power generation. The SOFC has a structure in which a solid electrolyte is sandwiched between an air electrode and a fuel electrode, supplies oxygen to the air electrode, supplies fuel gas such as hydrogen and carbon monoxide to the fuel electrode, and so on. An electromotive force is obtained by an oxidation-reduction reaction via an electrolyte.

SOFCの発電性能を向上させるためには、固体電解質として、酸化物イオン伝導性が高い材料を採用することが重要である。従来、酸化物イオン伝導性が高い材料としては、例えば、ガレート系酸化物(特にランタンガレート系酸化物)が公知である(特許文献1参照)。   In order to improve the power generation performance of SOFC, it is important to employ a material having high oxide ion conductivity as the solid electrolyte. Conventionally, for example, gallate-based oxides (particularly lanthanum gallate-based oxides) are known as materials having high oxide ion conductivity (see Patent Document 1).

他方、SOFCの内部抵抗を低減して電池性能を高める観点、コスト低減の観点等から、固体電解質の厚さを薄くすることが望まれている。しかしながら、ガレート系酸化物は機械的強度が小さいために薄膜化に限界がある。一般にガレート系酸化物電解質の場合には、機械的強度の確保のために200〜300μm程度の厚さが必要とされている。例えば、特許文献2には、ランタンガレート系固体電解質を具備するSOFCが開示されており、実施例では固体電解質の厚さを200μmに設定している。   On the other hand, it is desired to reduce the thickness of the solid electrolyte from the viewpoint of improving the battery performance by reducing the internal resistance of the SOFC, the viewpoint of cost reduction, and the like. However, gallate-based oxides have a limited mechanical strength due to their low mechanical strength. In general, in the case of a gallate-based oxide electrolyte, a thickness of about 200 to 300 μm is required to ensure mechanical strength. For example, Patent Document 2 discloses an SOFC including a lanthanum gallate solid electrolyte. In the example, the thickness of the solid electrolyte is set to 200 μm.

ガレート系酸化物電解質を薄膜化するために、例えば、燃料極の厚みを過度に厚くし、電解質強度を支持することが提案されている。いわゆる、燃料極支持型SOFCである。しかしながら、燃料極支持型SOFCは、次の欠点を有する。即ち、1)電解質の機械的強度が未だ不十分である、2)燃料極を必要以上に厚くする必要があるため、SOFCの厚みが必要以上に大きくなる、等である。   In order to reduce the thickness of the gallate oxide electrolyte, for example, it has been proposed to increase the thickness of the fuel electrode excessively to support the electrolyte strength. This is a so-called fuel electrode supported SOFC. However, the fuel electrode supported SOFC has the following drawbacks. That is, 1) the mechanical strength of the electrolyte is still insufficient, and 2) the thickness of the SOFC becomes larger than necessary because the fuel electrode needs to be thicker than necessary.

以上より、ガレート系酸化物電解質を用いるSOFCにおいて、固体電解質の性能及び機械的強度を十分に確保し、更に固体電解質を薄膜化できる技術の開発が望まれている。
特開2003−197219号公報 特開2003−263993号公報
From the above, in SOFCs using gallate-based oxide electrolytes, it is desired to develop a technology that can sufficiently ensure the performance and mechanical strength of the solid electrolyte and further reduce the thickness of the solid electrolyte.
JP 2003-197219 A JP 2003-263993 A

本発明は、ガレート系酸化物電解質を用いるSOFCにおいて、固体電解質の性能及び機械的強度を十分に確保し、更に固体電解質を薄膜化できる技術を提供することを主な目的とする。   The main object of the present invention is to provide a technique capable of sufficiently securing the performance and mechanical strength of a solid electrolyte and further reducing the thickness of the solid electrolyte in an SOFC using a gallate oxide electrolyte.

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、ガレート系酸化物電解質を用いるSOFCにおいて、固体電解質の構造を特定の多層構造とする場合には上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成した。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventor found that the SOFC using a gallate-based oxide electrolyte can achieve the above object when the solid electrolyte has a specific multilayer structure. The present invention has been completed.

即ち、本発明は、下記のSOFC及びその製造方法に関する。   That is, this invention relates to the following SOFC and its manufacturing method.

1.固体電解質、燃料極及び空気極を有する固体酸化物形燃料電池であって、固体電解質が1)厚さ方向に貫通孔を有する支持体電解質と2)ガレート系酸化物電解質との積層構造を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。   1. A solid oxide fuel cell having a solid electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode, wherein the solid electrolyte has a laminated structure of 1) a support electrolyte having a through-hole in the thickness direction and 2) a gallate oxide electrolyte A solid oxide fuel cell.

2.支持体電解質が、蛍石型化合物である、上記項1に記載の固体酸化物形燃料電池。   2. Item 2. The solid oxide fuel cell according to Item 1, wherein the support electrolyte is a fluorite-type compound.

3.支持体電解質が、下記一般組成式(1)
Ln1−xMO (1)
〔式中、Lnは希土類元素を示す。Aはアルカリ土類金属元素を示す。Mは遷移金属元素を示す。xは0<x≦0.4を示す。pは酸素原子数を示す。〕
で示される電子伝導性ペロブスカイト型酸化物である、上記項1に記載の固体酸化物形燃料電池。
3. The support electrolyte has the following general composition formula (1)
Ln 1-x A x MO p (1)
[In the formula, Ln represents a rare earth element. A represents an alkaline earth metal element. M represents a transition metal element. x represents 0 <x ≦ 0.4. p represents the number of oxygen atoms. ]
Item 2. The solid oxide fuel cell according to Item 1, which is an electron conductive perovskite oxide represented by:

4.ガレート系酸化物電解質が、下記一般組成式(2)
Ln1−xGa1−y−z (2)
〔式中、LnはLa、Ce、Pr、Nd及びSmの少なくとも1種を示す。AはSr、Ca及びBaの少なくとも1種を示す。BはMg及びAlの少なくとも1種を示す。EはCo、Fe、Ni及びCuの少なくとも1種を示す。xは0.05≦x≦0.3を示す。yは0<y≦0.29を示す。zは0≦z≦0.3を示す。pは酸素原子数を示す。〕
で示されるガレート系酸化物である、上記項1〜3のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
4). The gallate oxide electrolyte has the following general composition formula (2)
Ln 1-x A x Ga 1 -y-z B y E z O p (2)
[Wherein, Ln represents at least one of La, Ce, Pr, Nd and Sm. A represents at least one of Sr, Ca, and Ba. B represents at least one of Mg and Al. E represents at least one of Co, Fe, Ni, and Cu. x represents 0.05 ≦ x ≦ 0.3. y represents 0 <y ≦ 0.29. z represents 0 ≦ z ≦ 0.3. p represents the number of oxygen atoms. ]
Item 4. The solid oxide fuel cell according to any one of Items 1 to 3, which is a gallate-based oxide.

5.ガレート系酸化物電解質の厚さが、30〜250μmである、上記項1〜4のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。   5. Item 5. The solid oxide fuel cell according to any one of Items 1 to 4, wherein the gallate oxide electrolyte has a thickness of 30 to 250 µm.

6.固体電解質の厚さが、130〜450μmである、上記項1〜5のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。   6). Item 6. The solid oxide fuel cell according to any one of Items 1 to 5, wherein the solid electrolyte has a thickness of 130 to 450 µm.

7.固体電解質、燃料極及び空気極がいずれも平板状である、上記項1〜6のいずれかに記載の平板型固体酸化物形燃料電池。   7). 7. The flat plate type solid oxide fuel cell according to any one of Items 1 to 6, wherein the solid electrolyte, the fuel electrode, and the air electrode are all flat.

8.固体電解質、燃料極及び空気極がいずれも円筒状である、上記項1〜6のいずれかに記載の円筒型固体酸化物形燃料電池。   8). Item 7. The cylindrical solid oxide fuel cell according to any one of Items 1 to 6, wherein the solid electrolyte, the fuel electrode, and the air electrode are all cylindrical.

9.下記工程を順に有することを特徴とする、固体酸化物形燃料電池の製造方法:
(1)厚さ方向に貫通孔を有する支持体電解質とガレート系酸化物電解質とを得る工程1、
(2)支持体電解質及びガレート系酸化物電解質の一方と燃料極とを積層する工程2、
(3)支持体電解質及びガレート系酸化物電解質の他の一方と空気極とを積層する工程3。

以下、本発明のSOFC及びその製造方法について詳細に説明する。
9. A method for producing a solid oxide fuel cell comprising the following steps in order:
(1) Step 1 for obtaining a support electrolyte having a through-hole in the thickness direction and a gallate oxide electrolyte,
(2) Step 2 of laminating one of the support electrolyte and the gallate oxide electrolyte and the fuel electrode,
(3) Step 3 of laminating the other one of the support electrolyte and the gallate oxide electrolyte and the air electrode.

Hereinafter, the SOFC of the present invention and the manufacturing method thereof will be described in detail.

1.本発明のSOFC
本発明のSOFCは、固体電解質、燃料極及び空気極を有するSOFCであって、固体電解質層が1)厚さ方向に貫通孔を有する支持体電解質と2)ガレート系酸化物電解質との積層構造を有することを特徴とする。
1. SOFC of the present invention
The SOFC of the present invention is a SOFC having a solid electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode, wherein the solid electrolyte layer has a laminated structure of 1) a support electrolyte having through holes in the thickness direction and 2) a gallate oxide electrolyte. It is characterized by having.

上記特徴を有する本発明のSOFCは、固体電解質が支持体電解質とガレート系酸化物電解質との積層構造を有するため、固体電解質の性能及び機械的強度を十分に確保し、更に固体電解質を薄膜化できる。本発明の好適な実施態様では、固体電解質の性能及び機械的強度を十分に確保した上で、ガレート系酸化物電解質の厚さを30μm程度にまで薄膜化することができる。また、固体電解質(積層体)の厚さを130μm程度にまで薄膜化できる。固体電解質の薄膜化は、IR損の低減効果につながるため、その結果SOFCの発電効率を高めることができる。また、本発明のSOFCは、ガレート系酸化物電解質を有するため、固体電解質の酸化物イオン伝導は良好である。   In the SOFC of the present invention having the above characteristics, the solid electrolyte has a laminated structure of a support electrolyte and a gallate oxide electrolyte, so that the performance and mechanical strength of the solid electrolyte are sufficiently secured, and the solid electrolyte is made thin. it can. In a preferred embodiment of the present invention, the thickness and thickness of the gallate oxide electrolyte can be reduced to about 30 μm while sufficiently ensuring the performance and mechanical strength of the solid electrolyte. Further, the thickness of the solid electrolyte (laminated body) can be reduced to about 130 μm. The reduction in the thickness of the solid electrolyte leads to an effect of reducing IR loss, and as a result, the power generation efficiency of the SOFC can be increased. In addition, since the SOFC of the present invention has a gallate oxide electrolyte, the oxide ion conduction of the solid electrolyte is good.

以下、本発明のSOFCの構成について具体的に説明する。   Hereinafter, the configuration of the SOFC of the present invention will be specifically described.

固体電解質は、1)厚さ方向に貫通孔を有する支持体電解質と2)ガレート系酸化物電解質との積層構造を有する。   The solid electrolyte has a laminated structure of 1) a support electrolyte having through-holes in the thickness direction and 2) a gallate oxide electrolyte.

支持体電解質は、厚さ方向に貫通孔を有するものを用いる。支持体電解質の材質は、機械的強度が大きく、固体電解質に要求される機械的強度を十分に発揮でき、固体電解質の薄膜化に寄与できる材質が好ましい。その上で、良好な酸化物イオン伝導性、電子伝導性、高温安定性等を有する材質であればより好ましい。   As the support electrolyte, one having a through hole in the thickness direction is used. The material of the support electrolyte is preferably a material that has high mechanical strength, can sufficiently exhibit the mechanical strength required for the solid electrolyte, and can contribute to thinning of the solid electrolyte. In addition, a material having good oxide ion conductivity, electronic conductivity, high temperature stability, and the like is more preferable.

支持体電解質の材質としては、例えば、下記(イ)〜(ハ)に示すものが挙げられる。   Examples of the material for the support electrolyte include those shown in (a) to (c) below.

(イ)蛍石型化合物
蛍石型化合物としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)、セリア(安定化セリアを含む)等が挙げられる。
(I) Fluorite-type compound Examples of the fluorite-type compound include yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (ScSZ), and ceria (including stabilized ceria).

YSZとしては、例えば、(Y(ZrO1−x(但し、xは0<x≦0.12)で示されるものが好ましく、xが0.08であるいわゆる8YSZがより好ましい。 As YSZ, for example, (Y 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x (where x is 0 <x ≦ 0.12) is preferable, and so-called 8YSZ where x is 0.08 is preferable. More preferred.

ScSZとしては、例えば、(Sc(ZrO1−x(但し、xは0<x≦0.12)で示されるものが好ましい。 As ScSZ, for example, (Sc 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x (where x is 0 <x ≦ 0.12) is preferable.

セリアとしては、例えば、Ce1−x(但し、MはSm、Gd、Y、Nd、La、Pr、Yb、Eu等の希土類元素及びCa、Sr等のアルカリ土類金属元素の少なくとも1種を示す。xは0≦x≦0.5を示す。pは酸素原子数を示す。)で示されるものが好ましい。 As the ceria, for example, Ce 1-x M x O p (where M is a rare earth element such as Sm, Gd, Y, Nd, La, Pr, Yb, Eu, or an alkaline earth metal element such as Ca, Sr). At least one type, x is 0 ≦ x ≦ 0.5, and p is the number of oxygen atoms.

(ロ)電子伝導性ペロブスカイト型化合物
電子伝導性ペロブスカイト型化合物としては、例えば、下記一般組成式(1)
Ln1−xMO (1)
〔式中、Lnは希土類元素を示す。Aはアルカリ土類金属元素を示す。Mは遷移金属元素を示す。xは0<x≦0.4を示す。pは酸素原子数を示す。〕
で示されるものが好ましい。
(B) Electron conductive perovskite type compound As the electron conductive perovskite type compound, for example, the following general composition formula (1)
Ln 1-x A x MO p (1)
[In the formula, Ln represents a rare earth element. A represents an alkaline earth metal element. M represents a transition metal element. x represents 0 <x ≦ 0.4. p represents the number of oxygen atoms. ]
Is preferred.

(ハ)その他の材質
その他の材質として、例えば、上記(イ)及び(ロ)以外の材質であって、一般に絶縁材料として公知のものが使用できる。このような材質としては、Al、SiC及びSiの少なくとも1種が挙げられる。
(C) Other materials As other materials, for example, materials other than the above (A) and (B), and generally known materials can be used as insulating materials. Examples of such a material include at least one of Al 2 O 3 , SiC, and Si 3 N 4 .

上記(イ)〜(ハ)の材質の中でも、蛍石型化合物が機械的強度の観点から好ましく、蛍石型化合物の中でも、YSZ(特に8YSZ)が好ましい。ガレート系酸化物の曲げ強度が約170MPaであるのに対し、8YSZの曲げ強度は約300MPaと大きいため、8YSZを組み合わせることにより、効果的に固体電解質の強度を高めることができる。   Among the materials (a) to (c), a fluorite type compound is preferable from the viewpoint of mechanical strength, and among the fluorite type compounds, YSZ (particularly 8YSZ) is preferable. The bending strength of gallate oxide is about 170 MPa, whereas the bending strength of 8YSZ is as large as about 300 MPa. Therefore, by combining 8YSZ, the strength of the solid electrolyte can be effectively increased.

支持体電解質は、厚さ方向に貫通孔を有する。貫通孔の形状、大きさ、配列態様等は限定的ではない。貫通孔の形状としては、例えば、円形、三角形、四角形、他の多角形等が挙げられる。貫通孔の大きさは、支持体電解質の機械的強度を考慮して適宜設定できる。貫通孔の配列態様は規則的でも不規則でもよく、規則的な配列態様としては、例えば、ハニカム状が挙げられる。図3に、支持体電解質及び貫通孔の形状並びに貫通孔の配列の具体例を示す。   The support electrolyte has through holes in the thickness direction. The shape, size, arrangement mode and the like of the through holes are not limited. Examples of the shape of the through hole include a circle, a triangle, a quadrangle, and other polygons. The size of the through hole can be appropriately set in consideration of the mechanical strength of the support electrolyte. The arrangement mode of the through holes may be regular or irregular, and examples of the regular arrangement mode include a honeycomb shape. FIG. 3 shows a specific example of the support electrolyte, the shape of the through holes, and the arrangement of the through holes.

支持体電解質の厚さは限定的ではなく、支持体電解質の機械的強度、固体電解質の薄膜化の要請等に応じて、100〜350μm程度の範囲から幅広く選択できる。この中でも、100〜250μm程度が好ましい。支持体電解質として機械的強度に優れた8YSZを用いる場合には、固体電解質の薄膜化の要請に応え易い。   The thickness of the support electrolyte is not limited, and can be selected from a range of about 100 to 350 μm depending on the mechanical strength of the support electrolyte, the demand for thinning the solid electrolyte, and the like. Among these, about 100-250 micrometers is preferable. When 8YSZ having excellent mechanical strength is used as the support electrolyte, it is easy to meet the demand for thinning the solid electrolyte.

ガレート系酸化物電解質の材質は、良好な酸化物イオン伝導性を有し、固体電解質に適したものであれば特に限定されない。例えば、下記一般組成式(2)
Ln1−xGa1−y−z (2)
〔式中、LnはLa、Ce、Pr、Nd及びSmの少なくとも1種を示す。AはSr、Ca及びBaの少なくとも1種を示す。BはMg及びAlの少なくとも1種を示す。EはCo、Fe、Ni及びCuの少なくとも1種を示す。xは0.05≦x≦0.3を示す。yは0<y≦0.29を示す。zは0≦z≦0.3を示す。pは酸素原子数を示す。〕
で示されるガレート系酸化物が好適である。
The material of the gallate oxide electrolyte is not particularly limited as long as it has good oxide ion conductivity and is suitable for a solid electrolyte. For example, the following general composition formula (2)
Ln 1-x A x Ga 1 -y-z B y E z O p (2)
[Wherein, Ln represents at least one of La, Ce, Pr, Nd and Sm. A represents at least one of Sr, Ca, and Ba. B represents at least one of Mg and Al. E represents at least one of Co, Fe, Ni, and Cu. x represents 0.05 ≦ x ≦ 0.3. y represents 0 <y ≦ 0.29. z represents 0 ≦ z ≦ 0.3. p represents the number of oxygen atoms. ]
A gallate oxide represented by the formula is preferred.

上記一般組成式(2)で示されるガレート系酸化物の中でも、下記組成式(3)
LaSr1−xGaMg1−y (3)
〔但し、0.8<x<1、0.65<y<0.95、pは酸素原子数を示す〕
で示されるランタンガレート系酸化物が好ましい。
Among the gallate oxides represented by the general composition formula (2), the following composition formula (3)
La x Sr 1-x Ga y Mg 1-y O p (3)
[However, 0.8 <x <1, 0.65 <y <0.95, p represents the number of oxygen atoms]
The lanthanum gallate oxide shown by these is preferable.

更に、ランタンガレート系酸化物の中でも、下記組成式(4)
La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2 (4)
〔但し、pは酸素原子数を示す〕
で示される、いわゆるLSGM1020がより好ましい。
Further, among the lanthanum gallate oxides, the following composition formula (4)
La 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.2 O p (4)
[Wherein p represents the number of oxygen atoms]
So-called LSGM1020 shown by these is more preferable.

ガレート系酸化物電解質の厚さは限定的ではないが、30〜250μm程度から幅広く選択できる。その中でも、30〜100μm程度がより好ましい。支持体電解質として8YSZを用いる場合には、固体電解質に要求される性能及び機械的強度を確保しつつ、ガレート系酸化物電解質の厚さを30μm程度にまで薄膜化することができる。   The thickness of the gallate oxide electrolyte is not limited, but can be widely selected from about 30 to 250 μm. Among these, about 30-100 micrometers is more preferable. When 8YSZ is used as the support electrolyte, the thickness of the gallate oxide electrolyte can be reduced to about 30 μm while ensuring the performance and mechanical strength required for the solid electrolyte.

固体電解質(両電解質の積層体)の厚さは、130〜450μm程度の範囲から幅広く選択できる。その中でも、130〜300μm程度が好ましい。   The thickness of the solid electrolyte (laminated body of both electrolytes) can be widely selected from the range of about 130 to 450 μm. Among these, about 130-300 micrometers is preferable.

本発明のSOFCは、固体電解質以外の他の構成要素(燃料極、空気極等)としては、公知のものを使用できる。   As the SOFC of the present invention, known components can be used as other components (fuel electrode, air electrode, etc.) other than the solid electrolyte.

燃料極としては、例えば、NiO/YSZ複合粒子、NiO/SDC(SDC:サマリアドープトセリア)複合粒子、NiO/ScSZ複合粒子、NiO/YDC(YDC:イットリアドープトセリア)複合粒子、NiO/LSGM(LSGM:ランタンストロンチウムガリウムマグネシウム酸化物)複合粒子等の焼結体が挙げられる。   Examples of the fuel electrode include NiO / YSZ composite particles, NiO / SDC (SDC: Samaria doped ceria) composite particles, NiO / ScSZ composite particles, NiO / YDC (YDC: yttria doped ceria) composite particles, NiO / LSGM. Examples thereof include sintered bodies such as (LSGM: lanthanum strontium gallium magnesium oxide) composite particles.

燃料極の厚さは限定的ではないが、10〜100μm程度が好ましく、15〜50μm程度がより好ましい。   The thickness of the fuel electrode is not limited, but is preferably about 10 to 100 μm, more preferably about 15 to 50 μm.

空気極としては、例えば、LaCoO系酸化物、SmCoO系酸化物等の焼結体が挙げられる。SmCoO系酸化物としては、例えば、Sm0.5Sr0.5CoO(SSC)が挙げられる。 The air electrode, for example, L Acoo 3 based oxides, sintered bodies such as SmCoO 3 based oxide. Examples of the SmCoO 3 oxide include Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3 (SSC).

空気極の厚さは限定的ではないが、10〜100μm程度が好ましく、15〜50μm程度がより好ましい。   Although the thickness of an air electrode is not limited, About 10-100 micrometers is preferable and about 15-50 micrometers is more preferable.

燃料極及び空気極の配置は、固体電解質を挟持する配置であればよいが、特にガレート系酸化物電解質と燃料極とを積層し、支持体電解質と空気極とを積層するのが好ましい。また、この場合には、支持体電解質の貫通孔には空気極が充填されるのが好ましい。即ち、好適な実施態様では、空気極は支持体電解質の片面に積層されるとともに、その貫通孔を通してガレート系酸化物電解質と接触しているのが好ましい。   The fuel electrode and the air electrode may be disposed so as to sandwich the solid electrolyte. In particular, it is preferable to stack the gallate-based oxide electrolyte and the fuel electrode, and stack the support electrolyte and the air electrode. In this case, it is preferable that the through hole of the support electrolyte is filled with an air electrode. That is, in a preferred embodiment, the air electrode is preferably laminated on one side of the support electrolyte and is in contact with the gallate oxide electrolyte through the through hole.

このように空気極とガレート系酸化物電解質とが貫通孔を通して直接接触する場合には、固体電解質の酸化物イオン伝導が良好である。また、燃料極と空気極の厚さを同等とする場合を想定すると、貫通孔に空気極を充填し、空気極の体積を多く確保する場合の方が、燃料極を充填する場合と比較して、発電効率を向上させ易い。   As described above, when the air electrode and the gallate oxide electrolyte are in direct contact with each other through the through hole, the oxide ion conduction of the solid electrolyte is good. Assuming that the thicknesses of the fuel electrode and air electrode are the same, the case where the through hole is filled with the air electrode and the volume of the air electrode is secured is larger than the case where the fuel electrode is filled. Therefore, it is easy to improve the power generation efficiency.

本発明のSOFCは、固体電解質、燃料極及び空気極がいずれも平板状である平板型SOFCでもよい。また、固体電解質、燃料極及び空気極がいずれも円筒状である円筒型SOFCでもよい。   The SOFC of the present invention may be a flat SOFC in which the solid electrolyte, the fuel electrode, and the air electrode are all flat. Further, a cylindrical SOFC in which the solid electrolyte, the fuel electrode, and the air electrode are all cylindrical may be used.

円筒型SOFCの場合には、一般に円筒内部に空気(酸素)を流通させ、円筒外部に燃料ガスを流通させる。従って、円筒の内側から外側に向けて、空気極、支持体電解質、ガレート系酸化物電解質及び燃料極の順となるように配置し、且つ、支持体電解質の貫通孔には空気極の一部を充填するのが好ましい。円筒型SOFC(特に円筒縦縞型)に用いるインターコネクタとしては、例えば、ランタンクロマイト系酸化物を好適に使用できる。   In the case of a cylindrical SOFC, air (oxygen) is generally circulated inside the cylinder, and fuel gas is circulated outside the cylinder. Therefore, the air electrode, the support electrolyte, the gallate oxide electrolyte, and the fuel electrode are arranged in this order from the inside to the outside of the cylinder, and a part of the air electrode is placed in the through hole of the support electrolyte. Is preferably filled. For example, a lanthanum chromite oxide can be suitably used as an interconnector used for a cylindrical SOFC (particularly, a cylindrical vertical stripe type).

2.SOFCの製造方法
本発明のSOFCの製造方法は限定的ではないが、固体電解質、燃料極及び空気極は、それぞれ次の手順に従って作製できる。即ち、固体電解質のうち、支持体電解質であれば、例えば、8YSZの粉末を結合剤(ポリエチレングリコール等:以下同じ)と混合して得られるペーストを所定形状となるように塗布又はグリーンシート化後、焼成(焼結)することにより作製できる。支持体電解質に貫通孔を設ける処理は、焼結体に施しても良いが、加工性を考慮するとグリーンシート状態のときに施すことが好ましい。ガレート系酸化物電解質、燃料極及び空気極についても、各部を構成する前記材料の粉末をペースト化後、所定形状に成形し、次いで焼成(焼結)することにより作製できる。
2. SOFC Manufacturing Method The SOFC manufacturing method of the present invention is not limited, but the solid electrolyte, the fuel electrode, and the air electrode can be produced according to the following procedures. That is, in the case of a solid electrolyte, if it is a support electrolyte, for example, a paste obtained by mixing 8YSZ powder with a binder (polyethylene glycol or the like; the same shall apply hereinafter) is applied to a predetermined shape or formed into a green sheet. It can be produced by firing (sintering). The treatment for providing the through-holes in the support electrolyte may be performed on the sintered body, but is preferably performed in a green sheet state in consideration of workability. The gallate oxide electrolyte, the fuel electrode, and the air electrode can also be produced by forming the powder of the material constituting each part into a paste, forming it into a predetermined shape, and then firing (sintering) it.

但し、要求される焼成温度は、固体電解質、燃料極、空気極の順に降下するため、焼成順序を工夫する必要がある。   However, since the required firing temperature falls in the order of the solid electrolyte, the fuel electrode, and the air electrode, it is necessary to devise the firing order.

以上を考慮すると、本発明のSOFCは、下記工程1〜3を順に有する製造方法により製造することが好ましい。
(1)厚さ方向に貫通孔を有する支持体電解質とガレート系酸化物電解質とを得る工程1、
(2)支持体電解質及びガレート系酸化物電解質の一方と燃料極とを積層する工程2、
(3)支持体電解質及びガレート系酸化物電解質の他の一方と空気極とを積層する工程3。
Considering the above, the SOFC of the present invention is preferably manufactured by a manufacturing method having the following steps 1 to 3 in order.
(1) Step 1 for obtaining a support electrolyte having a through-hole in the thickness direction and a gallate oxide electrolyte,
(2) Step 2 of laminating one of the support electrolyte and the gallate oxide electrolyte and the fuel electrode,
(3) Step 3 of laminating the other one of the support electrolyte and the gallate oxide electrolyte and the air electrode.

以下、上記製造方法の各工程について、理解を容易とするために材質を例示しながら説明する。   Hereinafter, each step of the manufacturing method will be described with reference to materials for easy understanding.

〔工程1〕
工程1は、厚さ方向に貫通孔を有する支持体電解質とガレート系酸化物電解質とを得る。
[Step 1]
Step 1 obtains a support electrolyte having a through hole in the thickness direction and a gallate oxide electrolyte.

両電解質を別々に得る場合には、次の要領で作製できる。   When both electrolytes are obtained separately, they can be produced as follows.

支持体電解質は、例えば、8YSZ粉末を含有するペーストをグリーンシート化後、貫通孔を形成し、次いで、大気下1400〜1500℃程度で5〜10時間程度(好ましくは5〜8時間程度)焼成することにより作製する。これにより、グリーンシートは焼結体になる。なお、当該ペーストを塗布する手段は特に限定されないが、例えば、スクリーン印刷、ドクターブレード法等が好ましい。その他、市販の8YSZ焼結体薄膜に貫通孔を設けることにより支持体電解質を形成してもよい。   For example, the support electrolyte is formed by forming a through-hole after forming a paste containing 8YSZ powder into a green sheet, and then firing at about 1400 to 1500 ° C. in the atmosphere for about 5 to 10 hours (preferably about 5 to 8 hours). To make it. Thereby, the green sheet becomes a sintered body. The means for applying the paste is not particularly limited, but for example, screen printing, doctor blade method and the like are preferable. In addition, the support electrolyte may be formed by providing a through-hole in a commercially available 8YSZ sintered thin film.

ガレート系酸化物電解質は、例えば、LSGM1020粉末を含有するペーストをグリーンシート化後、大気下1400〜1500℃程度で5〜10時間程度(好ましくは5〜8時間程度)焼成することにより作製する。これにより、グリーンシートは焼結体になる。   The gallate-based oxide electrolyte is produced by, for example, baking a paste containing LSGM1020 powder into a green sheet and firing at about 1400 to 1500 ° C. in the atmosphere for about 5 to 10 hours (preferably about 5 to 8 hours). Thereby, the green sheet becomes a sintered body.

上記のように、各電解質の焼結体を別々に作製する場合には、これらの電解質は、直接には接着できない。これらの電解質を間接的に接着する方法については後記する。   As described above, when the sintered bodies of the respective electrolytes are separately manufactured, these electrolytes cannot be directly bonded. A method for indirectly bonding these electrolytes will be described later.

両電解質を積層状態(接着状態)で得る場合には、1)焼結体とペースト、2)焼結体とグリーンシート、3)グリーンシートどうし、4)グリーンシートとペースト、を直接接合した状態で焼成することにより、両者が直接接着される性質を利用する。例えば、1)及び2)の場合には、ペースト及びグリーンシートが焼成により収縮すると同時に、他方の焼結体と直接接着される。また、3)及び4)の場合には、直接接合した両者が共焼結により直接接着される。   When both electrolytes are obtained in a laminated state (adhered state), 1) a sintered body and a paste, 2) a sintered body and a green sheet, 3) a green sheet, 4) a state in which the green sheet and the paste are directly joined Utilizing the property that they are directly bonded together by baking. For example, in the case of 1) and 2), the paste and the green sheet are contracted by firing, and at the same time, directly bonded to the other sintered body. In the case of 3) and 4), both directly joined are directly bonded by co-sintering.

両電解質を接着状態で得る場合の焼成条件は、共焼結以外の場合には、上記焼成条件が同様に適用できる。他方、共焼結の場合には、焼成温度は1300〜1400℃でよく、焼成時間は上記と同じである。   The firing conditions for obtaining both electrolytes in the bonded state can be similarly applied to the firing conditions in cases other than co-sintering. On the other hand, in the case of co-sintering, the firing temperature may be 1300-1400 ° C., and the firing time is the same as above.

両電解質を接着状態で得る場合であって、ガレート系酸化物電解質をペーストから形成する場合には、焼成時に支持体電解質の貫通孔にガレート系酸化物電解質のペーストが浸入しないように工夫する必要がある。かかる工夫としては、例えば、貫通孔にロウ、樹脂等の材料(焼成により熱分解される材料)を充填しておくことが挙げられる。   When both electrolytes are obtained in a bonded state, and the gallate oxide electrolyte is formed from a paste, it is necessary to devise measures so that the gallate oxide electrolyte paste does not enter the through hole of the support electrolyte during firing. There is. As such a device, for example, filling through-holes with a material such as wax or resin (a material that is thermally decomposed by firing) can be mentioned.

〔工程2〕
工程2は、支持体電解質及びガレート系酸化物電解質の一方と燃料極とを積層する。
[Step 2]
In step 2, one of the support electrolyte and the gallate oxide electrolyte is laminated with the fuel electrode.

燃料極を作製するには、例えば、NiO/YSZ複合粒子を含有するペースト又はグリーンシートを用いる。   In order to produce the fuel electrode, for example, a paste or a green sheet containing NiO / YSZ composite particles is used.

具体的には、支持体電解質及びガレート系酸化物電解質の一方の表面に、当該ペーストを塗布するか又はグリーンシートを載せた後、大気下1250〜1350℃程度で2〜5時間程度(好ましくは3〜4時間程度)焼成することにより積層できる。これにより、当該ペースト及びグリーンシートは焼結体となる。   Specifically, after applying the paste or placing a green sheet on one surface of the support electrolyte and the gallate oxide electrolyte, the temperature is about 1250 to 1350 ° C. in the atmosphere for about 2 to 5 hours (preferably It can be laminated by firing for about 3 to 4 hours. Thereby, the said paste and green sheet become a sintered compact.

なお、支持体電解質に燃料極を積層する場合には、ペーストを用いるようにし、支持体電解質の貫通孔を充填するように塗布する必要がある。また、工程1で両電解質を別々に作製した場合(非接着状態)には、燃料極ペーストを塗布する際に、両電解質を重ねた状態で塗布し、貫通孔を通して燃料極ペーストがガレート系酸化物電解質と接触するように取り扱う。このように取り扱うことにより、焼成後、燃料極が貫通孔を通してガレート系酸化物電解質とも接着するため、その結果、両電解質は間接的に接着される。このとき、両電解質をより強固に接着するために、燃料極ペーストを塗布する際に、両電解質の間にも薄く塗布し、両電解質を接着するためのバインダーとして利用してもよい。   In addition, when laminating | stacking a fuel electrode on a support body electrolyte, it is necessary to use so that a paste may be used and to fill the through-hole of a support body electrolyte. Also, when both electrolytes are produced separately in step 1 (non-adhered state), when applying the fuel electrode paste, both electrolytes are applied in a stacked state, and the fuel electrode paste is gallate-oxidized through the through holes. Handle in contact with the electrolyte. By handling in this way, after firing, the fuel electrode also adheres to the gallate oxide electrolyte through the through-hole, and as a result, both electrolytes are indirectly bonded. At this time, in order to bond both electrolytes more firmly, when applying the fuel electrode paste, it may be applied thinly between both electrolytes and used as a binder for bonding both electrolytes.

〔工程3〕
工程3は、支持体電解質及びガレート系酸化物電解質の他の一方と空気極とを積層する。
[Step 3]
In step 3, the other one of the support electrolyte and the gallate oxide electrolyte is laminated with the air electrode.

空気極を作製するには、例えば、LaMnO系酸化物を含有するペースト又はグリーンシートを用いる。 In order to produce the air electrode, for example, a paste or a green sheet containing a LaMnO 3 oxide is used.

工程2で、燃料極を支持体電解質と積層した場合には、空気極はガレート系酸化物電解質と積層する。   In step 2, when the fuel electrode is laminated with the support electrolyte, the air electrode is laminated with the gallate oxide electrolyte.

具体的には、ガレート系酸化物電解質に当該ペーストを塗布するか又はグリーンシートを載せた後、大気下1000〜1150℃程度で2〜5時間程度(好ましくは3〜4時間程度)焼成することにより積層できる。これにより、当該ペースト及びグリーンシートは焼結体となる。   Specifically, after applying the paste or placing a green sheet on the gallate oxide electrolyte, firing at about 1000 to 1150 ° C. for about 2 to 5 hours (preferably about 3 to 4 hours) in the atmosphere. Can be laminated. Thereby, the said paste and green sheet become a sintered compact.

他方、工程2で燃料極をガレート系酸化物電解質と積層した場合には、空気極は支持体電解質と積層する。工程1で接着状態の電解質積層体を作製した場合には、空気極ペーストを支持体電解質の貫通孔を充填する態様で塗布し、上記焼成条件で焼成することにより空気極は積層される。これに対し、工程1で両電解質を別々に作製した場合(非接着状態)には、空気極ペーストを塗布する際に、両電解質を重ねた状態で塗布し、貫通孔を通して空気極ペーストがガレート系酸化物電解質と接触するように取り扱う。このように取り扱うことにより、焼成後、空気極が貫通孔を通してガレート系酸化物電解質と接着するため、その結果、両電解質は間接的に接着される。このとき、両電解質をより強固に接着するために、空気極ペーストを塗布する際に、両電解質の間にも薄く塗布し、両電解質を接着するためのバインダーとして利用してもよい。このように、支持体電解質の貫通孔に空気極を充填する態様は、本発明の好適な実施態様である。   On the other hand, when the fuel electrode is laminated with the gallate oxide electrolyte in step 2, the air electrode is laminated with the support electrolyte. When the electrolyte laminate in the bonded state is produced in step 1, the air electrode is laminated by applying the air electrode paste in a form that fills the through holes of the support electrolyte, and firing under the above firing conditions. On the other hand, when both electrolytes were produced separately in step 1 (non-adhered state), when applying the air electrode paste, the two electrolytes were applied in a stacked state, and the air electrode paste was gallated through the through-hole. Handle in contact with the system oxide electrolyte. By handling in this way, after firing, the air electrode adheres to the gallate oxide electrolyte through the through-hole, and as a result, both electrolytes are indirectly bonded. At this time, in order to bond the two electrolytes more firmly, when applying the air electrode paste, it may be applied thinly between the two electrolytes and used as a binder for bonding the two electrolytes. Thus, the aspect which fills an air electrode with the through-hole of a support body electrolyte is a suitable embodiment of this invention.

本発明のSOFCは、固体電解質が支持体電解質とガレート系酸化物電解質との積層構造を有するため、固体電解質の性能及び機械的強度を十分に確保し、更に固体電解質を薄膜化できる。本発明の好適な実施態様では、固体電解質の性能及び機械的強度を十分に確保した上で、ガレート系酸化物電解質の厚さを30μm程度にまで薄膜化することができる。また、固体電解質(積層体)の厚さを130μm程度にまで薄膜化できる。固体電解質の薄膜化は、IR損の低減効果につながるため、その結果SOFCの発電効率を高めることができる。また、本発明のSOFCは、ガレート系酸化物電解質を有するため、固体電解質の酸化物イオン伝導は良好である。   In the SOFC of the present invention, since the solid electrolyte has a laminated structure of the support electrolyte and the gallate oxide electrolyte, the performance and mechanical strength of the solid electrolyte can be sufficiently secured, and the solid electrolyte can be made into a thin film. In a preferred embodiment of the present invention, the thickness and thickness of the gallate oxide electrolyte can be reduced to about 30 μm while sufficiently ensuring the performance and mechanical strength of the solid electrolyte. Further, the thickness of the solid electrolyte (laminated body) can be reduced to about 130 μm. The reduction in the thickness of the solid electrolyte leads to an effect of reducing IR loss, and as a result, the power generation efficiency of the SOFC can be increased. In addition, since the SOFC of the present invention has a gallate oxide electrolyte, the oxide ion conduction of the solid electrolyte is good.

本発明のSOFCの製造方法によれば、上記特徴を有する本発明のSOFCを簡便に製造できる。   According to the SOFC manufacturing method of the present invention, the SOFC of the present invention having the above characteristics can be easily manufactured.

本発明のSOFCにおける固体電解質の断面模式図(一例)である。It is a cross-sectional schematic diagram (an example) of the solid electrolyte in the SOFC of the present invention. 本発明のSOFCの好適な実施態様を示す断面模式図(一例)である。It is a cross-sectional schematic diagram (an example) which shows the suitable embodiment of SOFC of this invention. 本発明のSOFCにおける支持体電解質及び貫通孔の形状並びに貫通孔の配列の具体例を示す図である。It is a figure which shows the specific example of the support body electrolyte in SOFC of this invention, the shape of a through-hole, and the arrangement | sequence of a through-hole.

符号の説明Explanation of symbols

1.支持体電解質
2.支持体電解質に形成された貫通孔
3.ガレート系酸化物電解質
4.燃料極
5.空気極
6.貫通孔に充填された空気極の一部
1. Support electrolyte 2. 2. A through hole formed in the support electrolyte. 3. Galate oxide electrolyte 4. Fuel electrode Air electrode 6. Part of the air electrode filled in the through hole

以下に実施例を示して本発明をより具体的に説明する。但し、本発明は実施例に限定されない。   The present invention will be described more specifically with reference to the following examples. However, the present invention is not limited to the examples.

実施例1
LSGM1020粉末(共立マテリアル株式会社製)と結合剤(ポリエチレングリコール)とを混合し、ガレート系酸化物電解質のペースト(固形分濃度70重量%)とした。
Example 1
LSGM1020 powder (manufactured by Kyoritsu Material Co., Ltd.) and a binder (polyethylene glycol) were mixed to obtain a gallate-based oxide electrolyte paste (solid content concentration 70% by weight).

上記ペーストからグリーンシートを作製した。ドクターブレード法により成膜した。グリーンシートを大気下1460℃で5時間焼成することにより、ガレート系酸化物電解質(厚さ200μm、外径32mmφ)を作製した。   A green sheet was prepared from the paste. A film was formed by a doctor blade method. The gallate oxide electrolyte (thickness: 200 μm, outer diameter: 32 mmφ) was produced by firing the green sheet at 1460 ° C. for 5 hours in the atmosphere.

8YSZ焼結体薄膜(厚さ200μm、外径32mmφ)の厚さ方向に、5mmφの貫通孔1個、1mmφの貫通孔6個及び4mmφの貫通孔6個を、中心から16mmφ内に等間隔に配置して設けたものを支持体電解質とした。   In the thickness direction of the 8YSZ sintered thin film (thickness 200 μm, outer diameter 32 mmφ), one 5 mmφ through-hole, six 1 mmφ through-holes and six 4 mmφ through-holes are equally spaced within 16 mmφ from the center. What was arranged and provided was used as a support electrolyte.

次いで、ガレート系酸化物電解質に、燃料極粉末(NiO−SDC複合微粒子(NiO:60重量%、SDC:40重量%))のペーストを塗布後、塗膜を大気下1280℃で3時間焼成することにより、ガレート系酸化物電解質と燃料極との焼結体(ガレート系酸化物電解質と燃料極とは接着されている)を作製した。   Next, after applying a paste of fuel electrode powder (NiO-SDC composite fine particles (NiO: 60 wt%, SDC: 40 wt%)) to the gallate oxide electrolyte, the coating film is baked at 1280 ° C. for 3 hours in the atmosphere. Thus, a sintered body of the gallate oxide electrolyte and the fuel electrode (the gallate oxide electrolyte and the fuel electrode are bonded) was produced.

次いで、上記積層体のガレート系酸化物電解質側と、支持体電解質とを重ね合わせた(非接着状態)。   Next, the gallate oxide electrolyte side of the laminate and the support electrolyte were superposed (non-adhered state).

次いで、支持体電解質に、空気極粉末(SSC(Sm0.5Sr0.5CoO))のペーストを、貫通孔を充填する態様で塗布後、塗膜を大気下1100℃で3時間焼成することにより、ガレート系酸化物電解質と支持体電解質とを強固接着しつつ、支持体電解質と空気極とを積層した。 Next, a paste of air electrode powder (SSC (Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3 )) is applied to the support electrolyte in a manner to fill the through holes, and the coating film is baked at 1100 ° C. in the atmosphere for 3 hours. By doing so, the support electrolyte and the air electrode were laminated while firmly bonding the gallate oxide electrolyte and the support electrolyte.

以上の過程により作製されたSOFCは、空気極230μm、支持体電解質200μm、ガレート系酸化物電解質200μm、燃料極30μmであった。   The SOFC produced by the above process was an air electrode 230 μm, a support electrolyte 200 μm, a gallate oxide electrolyte 200 μm, and a fuel electrode 30 μm.

Claims (2)

1)厚さ方向に貫通孔を有する支持体電解質とガレート系酸化物電解質とを別々に得る工程1、
(2)支持体電解質及びガレート系酸化物電解質の一方と燃料極とを積層する工程2、
(3)支持体電解質及びガレート系酸化物電解質の他の一方と空気極とを積層する工程3
を順に有する固体酸化物形燃料電池の製造方法であって、
前記工程2で支持体電解質と燃料極とを積層する場合又は前記工程3で支持体電解質と空気極とを積層する場合に、両電解質を非接着状態で重ね合わせ、燃料極ペースト又は空気極ペーストを支持体電解質の貫通孔を充填する態様で塗布し、貫通孔を通して燃料極ペースト又は空気極ペーストをガレート系酸化物電解質に接触させ、その後焼成することを特徴とする製造方法
( 1) Step 1 for separately obtaining a support electrolyte having a through-hole in the thickness direction and a gallate oxide electrolyte,
(2) Step 2 of laminating one of the support electrolyte and the gallate oxide electrolyte and the fuel electrode,
(3) Step 3 of laminating the other one of the support electrolyte and the gallate oxide electrolyte and the air electrode
A method for producing a solid oxide fuel cell having:
When laminating the support electrolyte and the fuel electrode in the step 2 or laminating the support electrolyte and the air electrode in the step 3, the two electrolytes are stacked in a non-adhered state, and the fuel electrode paste or the air electrode paste Is applied in such a manner that the through hole of the support electrolyte is filled, the fuel electrode paste or the air electrode paste is brought into contact with the gallate oxide electrolyte through the through hole, and then fired .
前記工程2又は3において、燃料極ペースト又は空気極ペーストを塗布する際に、両電解質の間にも塗布する請求項1に記載の製造方法。The manufacturing method according to claim 1, wherein in the step 2 or 3, when the fuel electrode paste or the air electrode paste is applied, it is also applied between both electrolytes.
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