JP2010192288A - Electrolyte, electrode assembly, and their manufacturing method - Google Patents
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Abstract
【課題】耐久性に優れるとともに電気的特性が良好であり、さらに、小型な電解質・電極接合体を構成する。
【解決手段】例えば、アノード側電極12の平均気孔径に対応して中間層20の厚みを設定する。すなわち、中間層20の厚みをアノード側電極12の平均気孔径以上に設定するとともに、中間層20の厚みの値からアノード側電極12の平均気孔径の値を差し引いた差が0〜17μmの範囲内となるように、中間層20を形成する。
【選択図】図2An object of the present invention is to provide a compact electrolyte / electrode assembly that has excellent durability and electrical characteristics.
For example, the thickness of an intermediate layer 20 is set corresponding to the average pore diameter of an anode side electrode 12. That is, the thickness of the intermediate layer 20 is set to be equal to or larger than the average pore diameter of the anode side electrode 12, and the difference obtained by subtracting the value of the average pore diameter of the anode side electrode 12 from the thickness value of the intermediate layer 20 is in the range of 0 to 17 μm. The intermediate layer 20 is formed so as to be inside.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、アノード側電極又はカソード側電極のいずれか一方として機能する第1電極と、カソード側電極又はアノード側電極の残余の一方として機能する第2電極との間に固体電解質が介在されて構成される電解質・電極接合体及びその製造方法に関する。 In the present invention, a solid electrolyte is interposed between a first electrode that functions as either the anode-side electrode or the cathode-side electrode and a second electrode that functions as the remaining one of the cathode-side electrode or the anode-side electrode. It is related with the electrolyte-electrode assembly comprised and its manufacturing method.
燃料電池は、アノード側電極とカソード側電極との間に電解質が介装された電解質・電極接合体を有する。電解質としては、例えば、固体酸化物等の固体電解質が採用され、この場合、燃料電池は、固体電解質型燃料電池とも指称される。 The fuel cell has an electrolyte / electrode assembly in which an electrolyte is interposed between an anode side electrode and a cathode side electrode. As the electrolyte, for example, a solid electrolyte such as a solid oxide is employed. In this case, the fuel cell is also referred to as a solid oxide fuel cell.
周知のように、燃料電池を発電させる際には、アノード側電極に燃料ガス(例えば、水素ガス)が供給される一方、カソード側電極に酸化剤ガス(例えば、空気)が供給される。燃料ガスは、アノード側電極中を拡散して電解質に到達し、同様に、酸化剤ガスもカソード側電極中を拡散して電解質に到達する。このことから諒解されるように、アノード側電極及びカソード側電極は、燃料ガスないし酸化剤ガスが容易に拡散し得る気孔が存在するものとして形成される。この種の物体としては、例えば、多孔質体が挙げられる。 As is well known, when power is generated in a fuel cell, fuel gas (for example, hydrogen gas) is supplied to the anode side electrode, while oxidant gas (for example, air) is supplied to the cathode side electrode. The fuel gas diffuses in the anode side electrode and reaches the electrolyte. Similarly, the oxidant gas also diffuses in the cathode side electrode and reaches the electrolyte. As can be understood from this, the anode-side electrode and the cathode-side electrode are formed with pores where fuel gas or oxidant gas can easily diffuse. Examples of this type of object include a porous body.
このように構成された固体電解質型燃料電池では、アノード側電極において燃料ガスに含まれる水素が電離し、プロトンと電子が生成する。電子は、外部に取り出されて固体電解質型燃料電池に電気的に接続された負荷(例えば、モータ)を付勢する電気エネルギとして利用された後、カソード側電極に到達する。 In the solid oxide fuel cell thus configured, hydrogen contained in the fuel gas is ionized at the anode side electrode, and protons and electrons are generated. The electrons are taken out to the outside and used as electric energy for energizing a load (for example, a motor) electrically connected to the solid oxide fuel cell, and then reach the cathode side electrode.
一方、カソード側電極においては、酸化剤ガスに含まれる酸素が電子と結合することによって酸化物イオン(O2-)が生成する。この酸化物イオンが電解質を移動してアノード側電極に到達し、該アノード側電極において前記プロトンと結合する。この結合により、水(H2O)が生成する。このように両電極における反応は、併せて電極反応と総称されることもある。 On the other hand, in the cathode side electrode, oxygen contained in the oxidant gas is combined with electrons to generate oxide ions (O 2− ). The oxide ions move through the electrolyte, reach the anode side electrode, and bond to the protons at the anode side electrode. This bond produces water (H 2 O). Thus, the reactions at both electrodes may be collectively referred to as electrode reactions.
特に固体電解質型燃料電池では、この電極反応が進行する最中、例えば、カソード側電極の構成物質と、固体電解質の構成物質とが互いに反応して高抵抗の反応相が生成することがある。このような事態が生じると、電解質・電極接合体としては、内部抵抗が大きいものとなってしまう。この種の不都合を回避するべく、特許文献1に示されるように、少なくとも一方の電極と電解質との間に反応防止層としての中間層を介装することが提案されている。 In particular, in a solid oxide fuel cell, during the progress of this electrode reaction, for example, the constituent material of the cathode side electrode and the constituent material of the solid electrolyte may react with each other to generate a high-resistance reaction phase. When such a situation occurs, the electrolyte / electrode assembly has a large internal resistance. In order to avoid this kind of inconvenience, as shown in Patent Document 1, it has been proposed to interpose an intermediate layer as a reaction preventing layer between at least one electrode and an electrolyte.
これとは別に、固体電解質型燃料電池には、電解質とアノード側電極との接触抵抗が比較的高く、このために内部抵抗を低下させることが容易ではないという不具合が顕在化している。そこで、特許文献2記載の従来技術では、イオン伝導性及び電子導電性の双方を併せ持つ混合伝導性物質、例えば、TiO2系、CeO2系等の酸化物を電解質とアノード側電極との間に介装することが試みられている。該特許文献2によれば、この種の混合伝導性層を介装することにより、電解質とアノード側電極とが良好に密着して接触抵抗が小さくなる、とのことである。 Apart from this, in the solid oxide fuel cell, the contact resistance between the electrolyte and the anode-side electrode is relatively high, and therefore, it is not easy to reduce the internal resistance. Therefore, in the prior art described in Patent Document 2, a mixed conductive material having both ionic conductivity and electronic conductivity, for example, an oxide such as TiO 2 or CeO 2 is interposed between the electrolyte and the anode side electrode. Attempts have been made to intervene. According to Patent Document 2, by interposing this kind of mixed conductive layer, the electrolyte and the anode side electrode are in good contact with each other, and the contact resistance is reduced.
さらに、特許文献3には、アノード側電極を2層構造とし、ニッケル(Ni)とイットリア安定化ジルコニア(YSZ)との混合物で電解質に近接する側の上層部を構成することにより、伝導性を向上させて内部抵抗を低減する技術が記載されている。 Furthermore, in Patent Document 3, the anode side electrode has a two-layer structure, and the upper layer portion on the side close to the electrolyte is composed of a mixture of nickel (Ni) and yttria-stabilized zirconia (YSZ). Techniques for improving and reducing internal resistance are described.
上記した従来技術はいずれも、電極と電解質の間に中間層を介装するものであるが、中間層は各電極に比して抵抗が大きく、このため、中間層を介装すること自体、電解質・電極接合体の内部抵抗を増加させてしまう。 In each of the conventional techniques described above, an intermediate layer is interposed between the electrode and the electrolyte, but the intermediate layer has a larger resistance than each electrode, and therefore the intermediate layer itself is interposed, This will increase the internal resistance of the electrolyte / electrode assembly.
また、上記したように、各電極においてはガスが拡散する。このため、中間層を、ガスの拡散を妨げることのないように形成する必要がある。 Further, as described above, gas diffuses in each electrode. For this reason, it is necessary to form an intermediate | middle layer so that diffusion of gas may not be prevented.
すなわち、中間層には、可及的に抵抗が小さく、且つガスが拡散することが容易であること、さらには、電解質と電極の双方に堅牢に接合するものであることが要求される。この点に関してを総合的に検討した従来技術は知られていない。 That is, the intermediate layer is required to have a resistance as low as possible and to allow gas to diffuse easily, and to be firmly bonded to both the electrolyte and the electrode. There is no known prior art that comprehensively examines this point.
本発明は、特に、電解質・電極接合体の諸特性を中間層の物性値と関連付けてなされたもので、抵抗が小さく、しかも、小型に構成することが可能な電解質・電極接合体及びその製造方法を提供することを目的とする。 In particular, the present invention is made by associating various characteristics of the electrolyte / electrode assembly with the physical property values of the intermediate layer, and has a low resistance and can be made compact, and its manufacture. It aims to provide a method.
前記の目的を達成するために、本発明は、第1電極と第2電極との間に固体電解質が介在されて構成され、前記第1電極がアノード側電極又はカソード側電極のいずれか一方として機能するとともに、前記第2電極がカソード側電極又はアノード側電極の残余の一方として機能する電解質・電極接合体において、
前記第1電極は、気体が流通する気孔を有するとともに前記固体電解質に臨む側の端面に凹部及び凸部を有する多孔質体であり、
前記第1電極と前記固体電解質との間に、前記凹部を充填するとともに前記凸部を埋没する中間層を有し、
前記中間層の厚みが前記第1電極の平均気孔径以上に設定され、且つ前記中間層の厚みの値から前記第1電極の平均気孔径の値を差し引いた差が0〜17μmの範囲内であることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention is configured by interposing a solid electrolyte between a first electrode and a second electrode, and the first electrode serves as either an anode side electrode or a cathode side electrode. In the electrolyte / electrode assembly in which the second electrode functions as one of the cathode side electrode or the remainder of the anode side electrode,
The first electrode is a porous body having pores through which gas flows and having a concave portion and a convex portion on an end surface facing the solid electrolyte,
Between the first electrode and the solid electrolyte, an intermediate layer that fills the concave portion and buryes the convex portion,
The thickness of the intermediate layer is set to be equal to or greater than the average pore diameter of the first electrode, and the difference obtained by subtracting the value of the average pore diameter of the first electrode from the thickness value of the intermediate layer is within a range of 0 to 17 μm. It is characterized by being.
すなわち、本発明においては、中間層の厚みが、第1電極の平均気孔径と同等又は若干大きい程度に設定される。このため、中間層の厚みが過度に大きくなることがないので、中間層を設けることに伴って電解質・電極接合体の内部抵抗が大きくなること、換言すれば、IR損が大きくなることを防止することが可能となる。 That is, in the present invention, the thickness of the intermediate layer is set to an extent that is equal to or slightly larger than the average pore diameter of the first electrode. For this reason, since the thickness of the intermediate layer does not become excessively large, the internal resistance of the electrolyte / electrode assembly increases with the provision of the intermediate layer, in other words, prevents the IR loss from increasing. It becomes possible to do.
しかも、中間層の厚みが小さいので、電解質・電極接合体、ひいては燃料電池等が大型化することを回避することもできる。 In addition, since the thickness of the intermediate layer is small, it is possible to avoid an increase in the size of the electrolyte / electrode assembly, and thus the fuel cell.
また、第1電極における固体電解質を臨む側の端面に開口した気孔、換言すれば、凹部が中間層によって充填されるとともに、該端面における隆起、すなわち、凸部が中間層に埋没される。このため、該中間層上に厚みの小さい固体電解質を設ける場合であっても、該固体電解質に第1電極の陥没や隆起が転写されることが回避される。これにより該固体電解質に応力が集中する部位が著しく少なくなるので、固体電解質にクラックが発生することを可及的に回避することができる。このため、固体電解質の厚みを小さくすることができるので、イオンが固体電解質内を速やかに移動することができるようになり、結局、該固体電解質の内部抵抗が小さくなる。 In addition, pores opened on the end surface of the first electrode facing the solid electrolyte, in other words, the recess is filled with the intermediate layer, and the bulge on the end surface, that is, the protrusion is buried in the intermediate layer. For this reason, even when a solid electrolyte having a small thickness is provided on the intermediate layer, it is possible to avoid the depression or protrusion of the first electrode from being transferred to the solid electrolyte. As a result, the portion where stress concentrates on the solid electrolyte is remarkably reduced, so that the occurrence of cracks in the solid electrolyte can be avoided as much as possible. For this reason, since the thickness of the solid electrolyte can be reduced, ions can move quickly in the solid electrolyte, and eventually the internal resistance of the solid electrolyte is reduced.
その上、第1電極と中間層との接触面積、及び中間層と固体電解質との接触面積がともに大きくなる。このため、第1電極と中間層との界面における接触抵抗、及び中間層と固体電解質との界面における接触抵抗がともに小さくなる。このことによっても、電解質・電極接合体としての内部抵抗が小さくなる。加えて、接触面積が大きいことから、第1電極と中間層、中間層と固体電解質の各接合強度も確保される。 In addition, the contact area between the first electrode and the intermediate layer and the contact area between the intermediate layer and the solid electrolyte are both increased. For this reason, both the contact resistance at the interface between the first electrode and the intermediate layer and the contact resistance at the interface between the intermediate layer and the solid electrolyte are reduced. This also reduces the internal resistance of the electrolyte / electrode assembly. In addition, since the contact area is large, the bonding strength between the first electrode and the intermediate layer and between the intermediate layer and the solid electrolyte is also ensured.
加えて、中間層の厚みが小さいので、第1電極に供給されたガスが該中間層内を容易に拡散する。このため、電極反応が阻害されることが回避されるので、非IR損も低減する。 In addition, since the thickness of the intermediate layer is small, the gas supplied to the first electrode easily diffuses in the intermediate layer. For this reason, since an electrode reaction is prevented from being inhibited, non-IR loss is also reduced.
結局、本発明によれば、耐久性に優れ、しかも、IR損及び非IR損の双方が小さく電気的特性に優れた電解質・電極接合体を得ることができる。 Ultimately, according to the present invention, an electrolyte / electrode assembly having excellent durability and low IR loss and non-IR loss and excellent electrical characteristics can be obtained.
なお、第1電極の好適な平均気孔径は、3〜20μmである。この場合、第1電極の平均気孔径に合わせ、中間層の厚みを3〜20μmに設定すればよい。 In addition, the suitable average pore diameter of a 1st electrode is 3-20 micrometers. In this case, what is necessary is just to set the thickness of an intermediate | middle layer to 3-20 micrometers according to the average pore diameter of a 1st electrode.
中間層の気孔率は、第1電極の気孔率に比して小さいことが好ましい。この場合、第1電極における凹部(端面で開口した気孔)を確実に中間層で充填することが可能となるからである。 It is preferable that the porosity of the intermediate layer is smaller than the porosity of the first electrode. In this case, it is possible to reliably fill the recesses (pores opened at the end face) in the first electrode with the intermediate layer.
例えば、還元される前の第1電極の気孔率が10〜40体積%である場合、中間層の厚みを3〜20μmに設定することが好適である。 For example, when the porosity of the first electrode before being reduced is 10 to 40% by volume, it is preferable to set the thickness of the intermediate layer to 3 to 20 μm.
以上の構成においては、第1電極の材質と中間層の材質とを同一にすることが好ましい。この場合、第1電極と中間層との間の界面抵抗が小さくなるとともに、電解質・電極接合体の作製時に第1電極と中間層とが収縮率の不整合に起因して第1電極から中間層が剥離したり、中間層にクラックが発生したりすることを回避することができるからである。勿論、燃料電池を運転する際に第1電極と中間層が膨張する場合においても、両者の膨張率が整合しているので、第1電極から中間層が剥離したり、中間層にクラックが発生したりすることが回避される。 In the above configuration, it is preferable that the material of the first electrode and the material of the intermediate layer are the same. In this case, the interfacial resistance between the first electrode and the intermediate layer is reduced, and the first electrode and the intermediate layer are intermediate from the first electrode due to shrinkage rate mismatch at the time of manufacturing the electrolyte / electrode assembly. It is because it can avoid that a layer peels or a crack generate | occur | produces in an intermediate | middle layer. Of course, even when the first electrode and the intermediate layer expand when the fuel cell is operated, the expansion rates of the both match, so the intermediate layer peels off from the first electrode or cracks occur in the intermediate layer. Is avoided.
例えば、固体酸化物を電解質として具備する燃料電池は、運転時の温度を高温に設定する必要があるため、高温においても耐久性及び電気的特性に優れることが要求される。本発明によれば、上記したように耐久性に優れるとともに電気的特性が良好な電解質・電極接合体が得られるので、高温であっても十分な耐久性及び電気的特性を示す。すなわち、本発明においては、高温運転に対応するべく、固体電解質として固体酸化物を採用することもできる。 For example, a fuel cell including a solid oxide as an electrolyte needs to be set to a high temperature during operation, and therefore is required to be excellent in durability and electrical characteristics even at a high temperature. According to the present invention, as described above, an electrolyte / electrode assembly having excellent durability and excellent electrical characteristics can be obtained. Therefore, sufficient durability and electrical characteristics are exhibited even at high temperatures. That is, in the present invention, a solid oxide can be employed as the solid electrolyte in order to cope with high temperature operation.
また、本発明は、第1電極と第2電極との間に固体電解質が介在されて構成され、前記第1電極がアノード側電極又はカソード側電極のいずれか一方として機能するとともに、前記第2電極がカソード側電極又はアノード側電極の残余の一方として機能する電解質・電極接合体の製造方法において、
シート成形によって前記第1電極を形成する工程と、
シート成形によって前記第1電極上に中間層を形成するとともに該中間層を前記第1電極に圧着する工程と、
シート成形によって前記中間層上に前記固体電解質を形成するとともに該固体電解質を前記中間層に圧着する工程と、
少なくとも、前記第1電極、前記中間層及び前記固体電解質に対して焼成処理を施す工程と、
を有し、
前記第1電極を、気体が流通可能な気孔を有するとともに、前記固体電解質に臨む側の端面に凹部及び凸部が存在する多孔質体として得る一方、前記中間層を、前記凹部を充填して前記凸部を埋没するとともに、焼結後の厚みが前記第1電極の平均気孔径以上に設定され、且つ前記厚みの値から前記第1電極の平均気孔径の値を差し引いた差が0〜17μmの範囲内となるものとして得ることを特徴とする。
In the present invention, a solid electrolyte is interposed between the first electrode and the second electrode, and the first electrode functions as either an anode-side electrode or a cathode-side electrode, and the second electrode In the method for producing an electrolyte / electrode assembly in which the electrode functions as one of the cathode side electrode or the remainder of the anode side electrode,
Forming the first electrode by sheet molding;
Forming an intermediate layer on the first electrode by sheet molding and crimping the intermediate layer to the first electrode;
Forming the solid electrolyte on the intermediate layer by sheet molding and pressing the solid electrolyte to the intermediate layer;
At least a step of subjecting the first electrode, the intermediate layer and the solid electrolyte to a firing treatment;
Have
The first electrode is obtained as a porous body having pores through which gas can flow and having concave portions and convex portions on the end surface facing the solid electrolyte, while the intermediate layer is filled with the concave portions. While burying the convex part, the thickness after sintering is set to be equal to or larger than the average pore diameter of the first electrode, and the difference obtained by subtracting the value of the average pore diameter of the first electrode from the value of the thickness is 0 to It is characterized by being obtained as being within a range of 17 μm.
第1電極、中間層及び固体電解質を、スクリーン印刷によって得るようにしてもよい。すなわち、本発明は、第1電極と第2電極との間に固体電解質が介在されて構成され、前記第1電極がアノード側電極又はカソード側電極のいずれか一方として機能するとともに、前記第2電極がカソード側電極又はアノード側電極の残余の一方として機能する電解質・電極接合体の製造方法において、
スクリーン印刷によって前記第1電極を形成する工程と、
スクリーン印刷によって前記第1電極上に中間層を形成する工程と、
スクリーン印刷によって前記中間層上に前記固体電解質を形成する工程と、
少なくとも、前記第1電極、前記中間層及び前記固体電解質に対して焼成処理を施す工程と、
を有し、
前記第1電極を、気体が流通可能な気孔を有するとともに、前記固体電解質に臨む側の端面に凹部及び凸部が存在する多孔質体として得る一方、前記中間層を、前記凹部を充填して前記凸部を埋没するとともに、焼結後の厚みが前記第1電極の平均気孔径以上に設定され、且つ前記厚みの値から前記第1電極の平均気孔径の値を差し引いた差が0〜17μmの範囲内となるものとして得ることを特徴とする。
The first electrode, the intermediate layer, and the solid electrolyte may be obtained by screen printing. That is, according to the present invention, a solid electrolyte is interposed between the first electrode and the second electrode, and the first electrode functions as either the anode side electrode or the cathode side electrode, and the second electrode In the method for producing an electrolyte / electrode assembly in which the electrode functions as one of the cathode side electrode or the remainder of the anode side electrode,
Forming the first electrode by screen printing;
Forming an intermediate layer on the first electrode by screen printing;
Forming the solid electrolyte on the intermediate layer by screen printing;
At least a step of subjecting the first electrode, the intermediate layer and the solid electrolyte to a firing treatment;
Have
The first electrode is obtained as a porous body having pores through which gas can flow and having concave portions and convex portions on the end surface facing the solid electrolyte, while the intermediate layer is filled with the concave portions. While burying the convex part, the thickness after sintering is set to be equal to or larger than the average pore diameter of the first electrode, and the difference obtained by subtracting the value of the average pore diameter of the first electrode from the value of the thickness is 0 to It is characterized by being obtained as being within a range of 17 μm.
このように、第1電極の平均気孔径に対応して中間層の厚みを設定することにより、上記したように、IR損及び非IR損の双方が低減され、しかも、ガスが中間層内を拡散することが容易な電解質・電極接合体を得ることができる。このように構成された電解質・電極接合体は電気的特性に優れるとともに、第1電極と中間層との接合強度が良好となる。 Thus, by setting the thickness of the intermediate layer corresponding to the average pore diameter of the first electrode, as described above, both the IR loss and the non-IR loss are reduced, and the gas passes through the intermediate layer. An electrolyte / electrode assembly that can be easily diffused can be obtained. The electrolyte / electrode assembly thus configured has excellent electrical characteristics and good bonding strength between the first electrode and the intermediate layer.
また、中間層で第1電極の凹部を充填するとともに凸部を埋没し、該中間層上に固体電解質を設けることにより、該固体電解質の厚みが極めて小さい場合においても、平坦な固体電解質を得ることができる。このような固体電解質を焼結させた場合、応力が集中する部位が少ないため、該固体電解質にクラックが発生し難くなる。すなわち、クラックが生じることを抑制することができるので、優れた耐久性が発現する。 Further, by filling the concave portion of the first electrode with the intermediate layer and burying the convex portion, and providing the solid electrolyte on the intermediate layer, a flat solid electrolyte is obtained even when the thickness of the solid electrolyte is extremely small. be able to. When such a solid electrolyte is sintered, since there are few parts where stress concentrates, cracks are hardly generated in the solid electrolyte. That is, since it can suppress that a crack arises, the outstanding durability expresses.
なお、スクリーン印刷によって第1電極、中間層及び固体電解質を形成する場合、少なくともいずれか1つを形成した後に仮焼処理を施すようにしてもよい。すなわち、第1電極を形成する工程、中間層を形成する工程、又は、固体電解質を形成する工程の少なくともいずれか1工程の後、仮焼成処理を施す工程を実施するようにしてもよい。 In addition, when forming a 1st electrode, an intermediate | middle layer, and a solid electrolyte by screen printing, you may make it perform a calcination process, after forming at least any one. That is, after the step of forming the first electrode, the step of forming the intermediate layer, or the step of forming the solid electrolyte, a step of performing a pre-baking process may be performed.
また、前記第1電極の原材料中の無機成分を100重量%とするとき、その中の10〜30重量%を造孔材とするとともに、前記焼成処理時の温度を1200〜1500℃にて焼結させることにより、還元前の第1電極の気孔率を10〜40体積%の範囲内に調節することが容易となる。ここで、第1電極がアノード側電極である場合、前記の無機成分としては、YSZやNiO等が例示される。 Further, when the inorganic component in the raw material of the first electrode is 100% by weight, 10 to 30% by weight of the inorganic component is used as a pore former, and the temperature during the baking treatment is baked at 1200 to 1500 ° C. As a result, it becomes easy to adjust the porosity of the first electrode before the reduction within the range of 10 to 40% by volume. Here, when the first electrode is an anode side electrode, examples of the inorganic component include YSZ and NiO.
中間層の気孔率を第1電極の気孔率に比して小さくするためには、例えば、中間層の原材料中の無機成分に対し、第1電極の原材料中の無機成分に対して添加された造孔材の割合よりも低い割合で造孔材を添加すればよい。これには、中間層の原材料に造孔材を添加しない場合も含まれるものとする。 In order to reduce the porosity of the intermediate layer compared to the porosity of the first electrode, for example, the inorganic layer contained in the raw material of the intermediate layer was added to the inorganic component in the raw material of the first electrode. What is necessary is just to add a pore former in a ratio lower than the ratio of a pore former. This includes the case where no pore former is added to the raw material of the intermediate layer.
以上の製造方法において、第1電極の材質と中間層の材質とを同一とすることにより、第1電極から中間層が剥離したり、中間層にクラックが生じることを回避することができる。 In the above manufacturing method, by making the material of the first electrode and the material of the intermediate layer the same, it is possible to avoid the intermediate layer from being peeled off from the first electrode or cracking in the intermediate layer.
さらに、固体電解質を固体酸化物で形成することにより、高温運転に対応し得る電解質・電極接合体を得ることができる。 Furthermore, by forming the solid electrolyte from a solid oxide, it is possible to obtain an electrolyte / electrode assembly that can cope with high temperature operation.
本発明によれば、第1電極の平均気孔径に対応して中間層の厚みを設定するようにしているので、先ず、中間層の厚みが過度に大きくなることが回避されるとともに、第1電極と中間層の接触面積が大きくなって互いが良好に密着する。これに伴って電解質・電極接合体の内部抵抗が小さくなるので、IR損が大きくなることを防止することができる。 According to the present invention, since the thickness of the intermediate layer is set corresponding to the average pore diameter of the first electrode, first, it is avoided that the thickness of the intermediate layer becomes excessively large, and the first The contact area between the electrode and the intermediate layer is increased and the electrodes are in good contact with each other. As a result, the internal resistance of the electrolyte / electrode assembly is reduced, so that the IR loss can be prevented from increasing.
しかも、中間層の厚みが小さいので、第1電極に供給されたガスが該中間層内を容易に拡散することが可能である。このため、電極反応が阻害されることが回避され、その結果、非IR損も低減する。 Moreover, since the thickness of the intermediate layer is small, the gas supplied to the first electrode can easily diffuse in the intermediate layer. For this reason, it is avoided that an electrode reaction is inhibited, and as a result, non-IR loss is also reduced.
さらに、第1電極における固体電解質を臨む側の端面に開口した気孔が中間層によって充填されるとともに、該端面における隆起が中間層に埋没されるので、該中間層上に厚みの小さい固体電解質を設ける場合であっても、該固体電解質に第1電極の陥没や隆起が転写されることが回避される。このため、該固体電解質に応力が集中する部位が著しく少なくなるので、固体電解質にクラックが発生することを可及的に回避することができる。すなわち、耐久性に優れた電解質・電極接合体を構成することができる。 Furthermore, since the pores opened in the end surface facing the solid electrolyte in the first electrode are filled with the intermediate layer, and the bulges in the end surface are buried in the intermediate layer, the thin solid electrolyte is formed on the intermediate layer. Even if it is provided, it is possible to avoid the depression or bulge of the first electrode being transferred to the solid electrolyte. For this reason, since the site | part where stress concentrates on this solid electrolyte decreases remarkably, it can avoid that a crack generate | occur | produces in a solid electrolyte as much as possible. That is, an electrolyte / electrode assembly excellent in durability can be formed.
その上、中間層の厚みが過度に大きくなることがないので、電解質・電極接合体を小型のものとして構成することも可能である。 In addition, since the thickness of the intermediate layer does not become excessively large, it is possible to configure the electrolyte / electrode assembly as a small one.
以下、本発明に係る電解質・電極接合体及びその製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、以下において、気孔率の数値は全て、アノード側電極の無機成分を還元する前、例えば、酸化ニッケル(NiO)をニッケル(Ni)に還元する前にアルキメデス法又は水銀圧入法によって求められた値を示す。 Hereinafter, preferred embodiments of the electrolyte / electrode assembly and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following, all the numerical values of the porosity were obtained by the Archimedes method or the mercury intrusion method before reducing the inorganic component of the anode side electrode, for example, before reducing nickel oxide (NiO) to nickel (Ni). Indicates the value.
本実施の形態に係る電解質・電極接合体を有する燃料電池の発電セルの概略縦断面図を図1に示す。この発電セル10は、アノード側電極12とカソード側電極14との間に固体電解質16が介装されており、これらが互いに接合されることによって構成された電解質・電極接合体18を具備する。そして、アノード側電極12と固体電解質16との間には、中間層20が設けられている。
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a power generation cell of a fuel cell having an electrolyte / electrode assembly according to the present embodiment. The
アノード側電極12は、例えば、NiとYSZ、Niとスカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)、Niとサマリウムドープセリア(SDC)、Niとガドリニウムドープセリア(GDC)等、Niと酸化物イオン伝導体とのサーメット(焼結体)からなり、Niと酸化物イオン伝導体との割合は、好適には重量比で1:1である。なお、アノード側電極12の厚みは、電解質・電極接合体18がアノード側電極12を支持基板として作製されたいわゆるアノード側電極支持型のものである場合、一般的には300μm〜1mmであり、典型的には約500μm程度である。
The
図2に示すように、アノード側電極12には、小径気孔22と大径気孔24が存在する。このうち、小径気孔22は、アノード側電極12の原材料であるNiO粒子がNiに還元されることに伴って体積収縮を起こすことによって生じ、一方、大径気孔24は、例えば、後述する造孔材が消失することによって生じる。
As shown in FIG. 2, the
このような小径気孔22ないし大径気孔24の気孔径は、図3に示すように、2次元断面の開口における長手方向の両端間の最長寸法aとして定義される。小径気孔22の気孔径は概ね0.5〜1μmの範囲内であり、大径気孔24の気孔径は概ね3〜20μmの範囲内である。
The pore diameters of the small-
本実施の形態では、気孔の平均気孔径を求めるに当たって小径気孔22の気孔径は計算に含めない。すなわち、本実施の形態において、「気孔の平均気孔径」は、図3に示される最長寸法aが1μmを超える大径気孔24の各気孔径の和を求め、これを大径気孔24の個数で除すことによって求められる。なお、実際の計算は、走査型電子顕微鏡(SEM)において視認される任意断面を参照して行われる。
In the present embodiment, the pore diameter of the
上記したように造孔材を消失させて大径気孔24を形成する場合、大径気孔24の平均気孔径は、例えば、造孔材の平均粒径を設定することで制御することが可能である。また、造孔材の粒径分布を狭くすることにより、大径気孔24の気孔径分布を狭くすることもできる。例えば、平均粒径が8μm、20μmである造孔材をそれぞれ使用した場合、アノード側電極12における大径気孔24の平均気孔径は、それぞれ、概ね4〜6μm、概ね12〜14μmの範囲内となる。
As described above, when the pore-forming material is eliminated and the large-
一方、気孔率は、例えば、造孔材の使用量を設定することによって制御することが可能である。なお、気孔率は、小径気孔22及び大径気孔24を含む全気孔に水銀が充填される水銀圧入法によって求められる。 On the other hand, the porosity can be controlled, for example, by setting the amount of pore former used. The porosity is determined by a mercury intrusion method in which all pores including the small diameter pores 22 and the large diameter pores 24 are filled with mercury.
後述するようにアノード側電極12の原材料中の無機成分に対して10〜30重量%の造孔材を添加した場合、アノード側電極12の気孔率は、概ね10〜40体積%となる。
As will be described later, when 10 to 30% by weight of the pore former is added to the inorganic component in the raw material of the
アノード側電極12に隣接して設けられた中間層20(図2参照)は、この場合、アノード側電極12と同様に、NiとYSZとが重量比で1:1の割合であるサーメットからなる。ここで、本実施の形態では、中間層20の気孔率は、アノード側電極12の気孔率に比して小さく設定される。具体的には、0〜35体積%であり、典型的には0〜30体積%である。このことから諒解されるように、アノード側電極12と中間層20とは、同一素材且つ同一組成比で構成されているものの、気孔率が互いに相違する。
In this case, the intermediate layer 20 (see FIG. 2) provided adjacent to the anode-
そして、アノード側電極12の端面で開口した大径気孔24の底部から、中間層20におけるカソード側電極14に臨む側の端面までの距離D(図2参照)として定義される中間層20の厚みは、大径気孔24の平均気孔径以上に設定される。すなわち、例えば、大径気孔24の平均気孔径が概ね3μmである場合には3μm以上、概ね12μmである場合には12μm以上に設定される。このように、中間層20の厚みを大径気孔24の平均気孔径以上とすることにより、アノード側電極12における固体電解質16側に臨む端面で開口した大径気孔24、換言すれば、凹部が確実に充填される。
The thickness of the
その一方で、中間層20は、前記端面に突出した凸部26を被覆して該凸部26を埋没する。以上のように、中間層20が形成されることに伴って前記端面における凹部が充填される一方で凸部26が埋没されることにより、アノード側電極12の固体電解質16側に臨む端面が平坦化される。
On the other hand, the
これにより、アノード側電極12が中間層20を介して固体電解質16に密着する。従って、アノード側電極12と中間層20との界面、及び中間層20と固体電解質16との界面での接触抵抗が小さくなり、その結果、アノード側電極12から固体電解質16に至るIR損が低減するので、内部抵抗が小さい電解質・電極接合体を構成することができる。しかも、アノード側電極12と中間層20、中間層20と固体電解質16の各接触面積が大きいので、アノード側電極12と中間層20、中間層20と固体電解質16の各接合強度も確保される。
As a result, the anode-
また、中間層20の厚みを小さくしているため、アノード側電極12に燃料ガスが供給された場合、該燃料ガスは中間層20を容易に拡散し得る。従って、電極反応が容易に進行する。このため、非IR損も小さくなる。
Further, since the thickness of the
図4は、中間層の厚みと、IR損及び非IR損の双方を含めた損失との関係を示すグラフである。この図4から、中間層の厚みを最適化することにより、損失を0.33V以下に抑制し得ることが諒解される。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between the thickness of the intermediate layer and the loss including both IR loss and non-IR loss. It can be seen from FIG. 4 that the loss can be suppressed to 0.33 V or less by optimizing the thickness of the intermediate layer.
なお、上記から諒解されるように、中間層20は、開口した大径気孔24(凹部)を充填するとともに凸部26を埋没し得る程度の厚みがあれば十分であり、大径気孔24の平均気孔径の値に対して中間層20の厚みの値を過度に大きくすると、電解質・電極接合体18全体としての内部抵抗が大きくなる懸念がある。このため、中間層20の厚みの大小を、アノード側電極12における大径気孔24の平均気孔径の大小に対応して設定することが好ましい。
As can be seen from the above, the
具体的には、中間層20の厚みの値からアノード側電極12の平均気孔径の値を差し引いた差を0〜17μmの範囲内とする。すなわち、例えば、アノード側電極12の大径気孔24の平均気孔径が概ね3μmである場合には、それぞれ、中間層20の厚みを3〜20μmの範囲内に設定することが好ましい。
Specifically, the difference obtained by subtracting the value of the average pore diameter of the
このように、アノード側電極12における大径気孔24の平均気孔径に応じて中間層20の厚みを設定することにより、電解質・電極接合体18が過度に厚くなることを回避することができる。換言すれば、中間層20を設けることに伴って電解質・電極接合体18の内部抵抗が大きくなること(IR損が大きくなること)を防止することができ、しかも、発電セル10が大型化することを回避することもできる。
Thus, by setting the thickness of the
中間層20の厚みは、アノード側電極12の気孔率に応じて設定するようにしてもよい。すなわち、この場合、中間層20の厚みの大小を、アノード側電極12における気孔率の大小に対応して設定する。
The thickness of the
このように、アノード側電極12における気孔率の大小に対応して中間層20の厚みの大小を設定することによっても、電解質・電極接合体18が過度に厚くなることを回避することができる。従って、この場合においても電解質・電極接合体18の内部抵抗が大きくなること(IR損が大きくなること)を防止することができるとともに、発電セル10が大型化することを回避することができる。
As described above, the electrolyte /
図2には図示していないが、中間層20にも、アノード側電極12に供給された燃料ガスを拡散させるための気孔が存在する。本実施の形態において、中間層20の気孔率は、アノード側電極12の気孔率に比して小さく設定される。これにより、アノード側電極12において開口した大径気孔24が中間層20によって確実に充填されるようになるからである。
Although not shown in FIG. 2, the
なお、中間層20の好適な気孔率は、上記したように0〜35体積%である。アノード側電極12と中間層20の気孔率を相違させるには、例えば、アノード側電極12は原材料に造孔材を添加した上で作製し、一方、中間層20は原材料に造孔材を添加することなく作製するようにすればよい。又は、中間層20の原材料の無機成分に対して添加する造孔材の割合を、アノード側電極12の原材料の無機成分に対して添加された造孔材の割合に比して小さくするようにしてもよい。
In addition, the suitable porosity of the intermediate |
固体電解質16は、例えば、YSZ、ScSZ等の安定化ジルコニアや、SDC、GDC、イットリウムドープセリア(YDC)等のセリア系酸化物、又はLaSrGaMgO3、LaSrGaMgCoO3等のランタンガレート系酸化物からなり、その厚みは3〜15μm程度、一般的には約5μmに設定される。この固体電解質16におけるカソード側電極14に臨む側の端面は、平坦である。また、この端面には、該固体電解質16の厚みが3〜15μmと極めて小さいにも関わらず、中間層20を具備しない従来技術に係る電解質・電極接合体に比してクラックの量が著しく少ない。
The
固体電解質16とカソード側電極14との間には、例えば、SDC、GDC、YDC等からなる反応防止層28が介在されている。この反応防止層28の厚みは、最大でも約1μm程度に設定される。このように、反応防止層28の厚みが極めて小さいので、電解質・電極接合体18の内部抵抗が大きくなることを回避することができる。
Between the
残余のカソード側電極14は、例えば、La−Sr−Co−Fe系複合酸化物(LSCF)、La−Sr−Mn系複合酸化物(LSM)、La−Sr−Co系複合酸(LSC)、Ba−Sr−Co−Fe系複合酸化物(BSCF)、Ba−Sr−Co系複合酸(BSC)、Sm−Sr−Co系複合酸(SSC)等からなり、その厚みは、一般的には10μm以上、好適には約30μmに設定される。
The remaining
このように構成された電解質・電極接合体18は、1対のセパレータ30a、30bの間に介装される(図1参照)。また、該セパレータ30a、30bの外側には端子用電極32a、32bがそれぞれ配置され、さらに該端子用電極32a、32bの外側にはエンドプレート34a、34bがそれぞれ配置される。これらエンドプレート34a、34b同士が図示しないタイロッド等で互いに連結されて電解質・電極接合体18、セパレータ30a、30b及び端子用電極32a、32bがエンドプレート34a、34bで挟持され、これにより発電セル10が構成されている。なお、セパレータ30a、30bには、燃料ガス又は酸素含有ガスをアノード側電極12又はカソード側電極14に供給するためのガス流路36a、36bがそれぞれ形成されている。
The electrolyte /
本実施の形態に係る電解質・電極接合体18は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
The electrolyte /
上記したように構成された発電セル10を運転するに際しては、該発電セル10を500〜1000℃程度まで昇温する。その後、セパレータ30bに設けられたガス流路36bに酸素を含有する酸化剤ガスを流通させ、その一方で、セパレータ30aに設けられたガス流路36aに水素を含有する燃料ガスを流通させる。
When operating the
酸素含有ガス中の酸素は、カソード側電極14において電子と結合し、酸化物イオン(O2-)を生成する。生成した酸化物イオンは、カソード側電極14から固体電解質16へと伝導する。
Oxygen in the oxygen-containing gas is combined with electrons at the
ここで、上記したように、固体電解質16におけるカソード側電極14に臨む側の端面は、平坦に設けられている。このため、カソード側電極14と固体電解質16との接触面積が大きくなるので、カソード側電極14と固体電解質16との間の界面抵抗が小さくなる。従って、電解質・電極接合体18における電圧降下が小さくなる。
Here, as described above, the end surface of the
酸化物イオンは、次に、固体電解質16におけるアノード側電極12に対向する界面へと移動する。上記したように、固体電解質16においては、酸化物イオンの移動を妨げるクラックの量が著しく少ない。換言すれば、酸化物イオンは、固体電解質16の内部を容易に移動することができる。すなわち、固体電解質16の厚みを小さくすることができるので、酸化物イオンが固体電解質16内を速やかに移動することができるようになり、結局、該固体電解質16の内部抵抗が小さくなる。
The oxide ions then move to the interface of the
このように、本実施の形態においては、電解質・電極接合体18の電圧降下が小さく、且つ固体電解質16の内部抵抗及び体積抵抗が小さい。従って、発電セル10を大電流密度で放電する場合においても、比較的大きな放電電圧を得ることができる。
Thus, in the present embodiment, the voltage drop of the electrolyte /
中間層20が設けられていない場合、アノード側電極12に燃料ガスを供給開始してからの経過時間、すなわち、還元時間が比較的短いうちに電圧が降下してしまうのに対し、中間層20を設けた場合、長時間にわたって一定電圧を得ることができる。このことから、中間層20を設けることによって、発電性能に優れる燃料電池を得ることができることが明らかである。
When the
酸化物イオンは、さらに、アノード側電極12(サーメット)の構成粒子であるYSZ粒子を介して、アノード側電極12内部を伝導する。
The oxide ions further conduct inside the
一方、アノード側電極12に供給された燃料ガスは、その大部分が大径気孔24を介して、一部は小径気孔22を介して拡散する。このようにして気孔内に入り込んだ燃料ガスに含まれる水素と、該アノード側電極の構成粒子であるYSZ粒子を伝導した酸化物イオンとが反応し、その結果、水蒸気及び電子が放出される。
On the other hand, most of the fuel gas supplied to the
放出された電子は、端子用電極32a、32bに電気的に接続された外部回路に取り出され、該外部回路を付勢するための直流の電気エネルギとして利用された後、カソード側電極14へと至り、該カソード側電極14に供給された酸素と結合する。
The emitted electrons are taken out to an external circuit electrically connected to the
また、水蒸気は、アノード側電極12の大径気孔24ないし小径気孔22を介して迅速にセパレータ30aまで拡散し、該セパレータ30aのガス流路36aから系外へと排出される。
Further, the water vapor quickly diffuses to the
次に、上記のように構成される電解質・電極接合体18の製造方法につき説明する。
Next, a manufacturing method of the electrolyte /
本実施の形態に係る電解質・電極接合体18は、図6に示すように、アノード側電極12を多孔質体として形成する第1工程と、該アノード側電極12上に中間層20を設ける第2工程と、前記中間層20に固体電解質16を設ける第3工程と、少なくともこれらアノード側電極12、中間層20及び固体電解質16を焼結させる第4工程とを含む。なお、アノード側電極12、中間層20及び固体電解質16は、シート成形又はスクリーン印刷によって形成することができる。
As shown in FIG. 6, the electrolyte /
はじめに、アノード側電極12、中間層20及び固体電解質16をシート成形によって得る第1の製法につき説明する。
First, a first manufacturing method in which the
第1の製法は、図7に示すように、アノード側電極12、中間層20及び固体電解質16を積層し、これらアノード側電極12、中間層20及び固体電解質16に対して一括して焼成処理を施すものである。
In the first manufacturing method, as shown in FIG. 7, the
この場合、先ず、第1工程において、例えば、NiO粒子とYSZ粒子とを重量比で1:1の割合で混合する。この混合粒子に対し、ポリビニルアルコール系やアクリル系等のバインダと、ポリメタクリル酸メチル樹脂やカーボン等の造孔材とを添加する。 In this case, first, in the first step, for example, NiO particles and YSZ particles are mixed at a weight ratio of 1: 1. A binder such as polyvinyl alcohol or acrylic and a pore former such as polymethyl methacrylate resin or carbon are added to the mixed particles.
造孔材としては、アノード側電極12に設ける大径気孔24の平均気孔径が所望の範囲内となるような平均粒径のものを選定する。例えば、大径気孔24の平均気孔径を概ね4〜6μmとする場合には平均粒径が8μmのものを、大径気孔24の平均気孔径を概ね12〜14μmとする場合には平均粒径が20μmのものを、それぞれ選定するようにすればよい。
As the pore former, those having an average particle diameter such that the average pore diameter of the
また、造孔材の添加割合は、アノード側電極12の気孔率が所望の範囲内となるように設定される。例えば、気孔率を10〜40体積%とする場合、前記混合粒子(アノード側電極12の原材料の無機成分)に対する造孔材の添加割合を10〜30重量%とすればよい。
The addition ratio of the pore former is set so that the porosity of the anode-
上記した混合粒子を溶媒に分散してスラリーを調製し、このスラリーを用いてドクターブレード法を行うことで、シート状成形体としてのアノード側電極12を形成する。このアノード側電極12は、後述する第4工程が行われることに伴って収縮する。従って、収縮後の厚みが約300μm〜1mmとなるように、アノード側電極12(シート状成形体)の厚みを設定すればよい。
A slurry is prepared by dispersing the above mixed particles in a solvent, and the
次に、第2工程において、中間層20を形成する。すなわち、造孔材を添加しないことを除いては上記と同様にしてNiOとYSZのスラリーを調製し、このスラリーを用いてドクターブレード法を行うことで、シート状成形体としての中間層20を形成する。この中間層20の厚みは、後述する第4工程が行われることに伴って収縮した後の厚みが約3〜20μmとなるように設定すればよい。さらに、この中間層20(シート状成形体)を、アノード側電極12の一端面に対して圧着する。
Next, in the second step, the
次に、第3工程において、固体電解質16を形成する。すなわち、上記したようにYSZ、ScSZ、SDC、GDC、YDC又はランタンガレート系酸化物等の粒子を含むスラリーを調製し、このスラリーを用いてドクターブレード法を行うことで、シート状成形体としての固体電解質16を形成する。なお、固体電解質16の厚みは、次工程の第4工程において焼成処理が施された後の厚みが約3〜15μmとなるように設定される。さらに、この固体電解質16を、中間層20の一端面に対して圧着する。
Next, in the third step, the
以上により、3枚のシート状成形体が積層された積層構造体が得られる。次に、第4工程において、この積層構造体に対して焼成処理を施す。これにより各シート状成形体が焼結し、収縮して上記の厚みとなったアノード側電極12、中間層20、固体電解質16が形成される。
As described above, a laminated structure in which three sheet-like molded bodies are laminated is obtained. Next, in the fourth step, the laminated structure is subjected to a firing process. As a result, each sheet-like molded body is sintered and contracted to form the
この焼成処理に際し、アノード側電極12に添加された造孔材が消失する。この消失跡に、造孔材の平均粒径に対応する平均気孔径の大径気孔24が形成される。
In the firing process, the pore former added to the
ここで、アノード側電極12の原材料である前記混合粒子と造孔材(ともに無機成分)の合計を100重量%とし、この100重量%中に占める造孔材の割合を変化させ、還元前のアノード側電極12における気孔率が如何に変化するかを調査した結果を、グラフとして図5に示す。この図5に示すように、アノード側電極12の原材料に含まれる造孔材の割合を10〜30重量%とするとともに、焼成処理温度を1200〜1500℃に設定することにより、アノード側電極12の気孔率を10〜40体積%の範囲内に調節することが容易となる。
Here, the total of the mixed particles and the pore former (both inorganic components) which are the raw materials of the
一方、中間層20には、その原材料に造孔材が添加されていないので、大径気孔24が生じない。このため、該中間層20の気孔率は、アノード側電極12に比して小さくなる。すなわち、アノード側電極12と同一材質且つ同一組成でありながらも、該アノード側電極12に比して気孔率が少ない中間層20を設けることができる。
On the other hand, since the pore forming material is not added to the raw material of the
しかも、アノード側電極12と中間層20を同一材質且つ同一組成とした場合、アノード側電極12と中間層20の収縮率が略同等となる。このため、収縮率の不整合に起因してアノード側電極12から中間層20が剥離することを回避することもできる。
In addition, when the
その後、固体電解質16の露呈した一端面に対し、例えば、スクリーン印刷法等によってSDC、GDC、YDC等のスラリーを塗布する。焼成処理によってこのスラリーを焼結させることにより、反応防止層28が得られる。
Thereafter, a slurry such as SDC, GDC, or YDC is applied to the exposed end surface of the
最後に、LSCF、LSM、LSC、BSFC、BSC、SSC等のスラリーを反応防止層28上に塗布し、焼成処理によってこのスラリーを焼結させる。これによりカソード側電極14が形成され、アノード側電極12、中間層20、固体電解質16、反応防止層28及びカソード側電極14がこの順序で積層された
電解質・電極接合体18が得られるに至る。
Finally, a slurry such as LSCF, LSM, LSC, BSFC, BSC, SSC or the like is applied on the
次に、アノード側電極12、中間層20及び固体電解質16をスクリーン印刷によって得る第2の製法につき、図8を参照して説明する。
Next, a second manufacturing method for obtaining the
この図8から諒解されるように、第2の製法の好適な一例においては、アノード側電極12、中間層20、固体電解質16のそれぞれが形成された後に仮焼成が施され、さらに、固体電解質16の仮焼成が終了した後に本焼成処理が施される。
As can be seen from FIG. 8, in a preferred example of the second manufacturing method, after each of the
具体的には、先ず、上記のように調製したアノード側電極12用のスラリーをスクリーン印刷することでアノード側電極12を形成する。この後、仮焼成を施し、これによりアノード側電極12を収縮させる。この際、造孔材によって大径気孔24が形成されることもある。
Specifically, first, the
次いで、上記のようにして調製した中間層20用のスラリーを、前記アノード側電極12上にスクリーン印刷することで中間層20を形成する。この後、仮焼成を施すことにより、中間層20を収縮させる。
Next, the
さらに、上記のようにして調製した固体電解質16用のスラリーを、前記中間層20上にスクリーン印刷することで固体電解質16を形成する。この後、仮焼成を施し、固体電解質16を収縮させる。
Furthermore, the
最後に、本焼成処理を施し、アノード側電極12、中間層20及び固体電解質16の焼結を進行させる。この場合、アノード側電極12、中間層20及び固体電解質16が予め収縮されているので、本焼成処理においてはアノード側電極12、中間層20及び固体電解質16の収縮量が小さい。このため、たとえ互いの熱膨張係数の不整合が大きい場合であっても、これらアノード側電極12、中間層20及び固体電解質16が互いに剥離することを有効に防止し得る。
Finally, a main baking process is performed, and sintering of the
その後は、上記と同様にして、反応防止層28及びカソード側電極14を形成することにより、電解質・電極接合体18が得られるに至る。
Thereafter, in the same manner as described above, by forming the
なお、各工程の仮焼成の全部又は一部を本焼成処理に含めるようにしてもよい。すなわち、例えば、アノード側電極12に対する仮焼成、中間層20に対する仮焼成、固体電解質16に対する仮焼成の少なくともいずれか1つの仮焼成を省略し、本焼成処理において、これらアノード側電極12、中間層20及び固体電解質16に対し、一括して焼成処理を施すようにすることが考えられる。
In addition, you may make it include all or one part of temporary baking of each process in this baking processing. That is, for example, at least any one of temporary baking for the
発電セル10(図1参照)を構成するには、さらに、電解質・電極接合体18におけるアノード側電極12及びカソード側電極14の各一端面に、セパレータ30a、30b、端子用電極32a、32b及びエンドプレート34a、34bを配置すればよい。
In order to constitute the power generation cell 10 (see FIG. 1),
なお、上記した実施の形態においては、アノード側電極12上に中間層20、固体電解質16、反応防止層28及びカソード側電極14をこの順序で設けるようにしているが、先ずカソード側電極14を設け、該カソード側電極14上に反応防止層28、固体電解質16、中間層20及びアノード側電極12をこの順序で設けるようにしてもよい。いずれにおいても、反応防止層28を割愛するようにしてもよい。
In the above-described embodiment, the
また、最初に設けるアノード側電極12又はカソード側電極14は、原材料である粒子に対してプレス成形等を施すことによって成形体を得、これを焼成処理することで形成するようにしてもよい。
Moreover, the
さらに、中間層は、基板となるアノード側電極又はカソード側電極と同一材質且つ同一組成のものに特に限定されるものではなく、例えば、アノード側電極がYSZとNiとが重量比で1:1のサーメットからなる場合、中間層を、YSZとNiとが重量比で3:7のサーメット、又は重量比で7:3のサーメットで構成することができる。 Further, the intermediate layer is not particularly limited to the same material and the same composition as the anode side electrode or the cathode side electrode serving as the substrate. For example, the anode side electrode has a 1: 1 weight ratio of YSZ and Ni. In this case, the intermediate layer may be composed of YSZ and Ni having a weight ratio of 3: 7, or a weight ratio of 7: 3.
そして、大径気孔24の平均気孔径は、上記した範囲内に限られるものではなく、造孔材の粒径及びその粒径分布に応じて変化させることができる。
The average pore diameter of the
また、造孔材を添加しなくとも気孔を形成することができる。この場合、例えば、アノード側電極12(第1電極)の仮焼結温度や時間と、中間層20の焼結温度や時間を制御することによって両者の気孔率を相違させるようにしてもよい。
Further, pores can be formed without adding a pore former. In this case, for example, the porosity of the anode-side electrode 12 (first electrode) and the porosity may be made different by controlling the sintering temperature and time of the
10…発電セル 12…アノード側電極
14…カソード側電極 16…固体電解質
18…電解質・電極接合体 20…中間層
22、24…気孔 26…凸部
28…反応防止層 30a、30b…セパレータ
32a、32b…端子用電極 36a、36b…ガス流路
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記第1電極は、気体が流通する気孔を有するとともに前記固体電解質に臨む側の端面に凹部及び凸部を有する多孔質体であり、
前記第1電極と前記固体電解質との間に、前記凹部を充填するとともに前記凸部を埋没する中間層を有し、
前記中間層の厚みが前記第1電極の平均気孔径以上に設定され、且つ前記中間層の厚みの値から前記第1電極の平均気孔径の値を差し引いた差が0〜17μmの範囲内であることを特徴とする電解質・電極接合体。 A solid electrolyte is interposed between the first electrode and the second electrode, the first electrode functions as either an anode side electrode or a cathode side electrode, and the second electrode is a cathode side electrode or In the electrolyte / electrode assembly that functions as one of the remaining anode electrodes,
The first electrode is a porous body having pores through which gas flows and having a concave portion and a convex portion on an end surface facing the solid electrolyte,
Between the first electrode and the solid electrolyte, an intermediate layer that fills the concave portion and buryes the convex portion,
The thickness of the intermediate layer is set to be equal to or greater than the average pore diameter of the first electrode, and the difference obtained by subtracting the value of the average pore diameter of the first electrode from the thickness value of the intermediate layer is within a range of 0 to 17 μm. An electrolyte / electrode assembly characterized by being.
シート成形によって前記第1電極を形成する工程と、
シート成形によって前記第1電極上に中間層を形成するとともに該中間層を前記第1電極に圧着する工程と、
シート成形によって前記中間層上に前記固体電解質を形成するとともに該固体電解質を前記中間層に圧着する工程と、
少なくとも、前記第1電極、前記中間層及び前記固体電解質に対して焼成処理を施す工程と、
を有し、
前記第1電極を、気体が流通可能な気孔を有するとともに、前記固体電解質に臨む側の端面に凹部及び凸部が存在する多孔質体として得る一方、前記中間層を、前記凹部を充填して前記凸部を埋没するとともに、焼結後の厚みが前記第1電極の平均気孔径以上に設定され、且つ前記厚みの値から前記第1電極の平均気孔径の値を差し引いた差が0〜17μmの範囲内となるものとして得ることを特徴とする電解質・電極接合体の製造方法。 A solid electrolyte is interposed between the first electrode and the second electrode, the first electrode functions as either an anode side electrode or a cathode side electrode, and the second electrode is a cathode side electrode or In the method of manufacturing an electrolyte / electrode assembly that functions as one of the remaining anode-side electrodes,
Forming the first electrode by sheet molding;
Forming an intermediate layer on the first electrode by sheet molding and crimping the intermediate layer to the first electrode;
Forming the solid electrolyte on the intermediate layer by sheet molding and pressing the solid electrolyte to the intermediate layer;
At least a step of subjecting the first electrode, the intermediate layer and the solid electrolyte to a firing treatment;
Have
The first electrode is obtained as a porous body having pores through which gas can flow and having concave portions and convex portions on the end surface facing the solid electrolyte, while the intermediate layer is filled with the concave portions. While burying the convex part, the thickness after sintering is set to be equal to or larger than the average pore diameter of the first electrode, and the difference obtained by subtracting the value of the average pore diameter of the first electrode from the value of the thickness is 0 to A method for producing an electrolyte / electrode assembly, which is obtained in a range of 17 μm.
スクリーン印刷によって前記第1電極を形成する工程と、
スクリーン印刷によって前記第1電極上に中間層を形成する工程と、
スクリーン印刷によって前記中間層上に前記固体電解質を形成する工程と、
少なくとも、前記第1電極、前記中間層及び前記固体電解質に対して焼成処理を施す工程と、
を有し、
前記第1電極を、気体が流通可能な気孔を有するとともに、前記固体電解質に臨む側の端面に凹部及び凸部が存在する多孔質体として得る一方、前記中間層を、前記凹部を充填して前記凸部を埋没するとともに、焼結後の厚みが前記第1電極の平均気孔径以上に設定され、且つ前記厚みの値から前記第1電極の平均気孔径の値を差し引いた差が0〜17μmの範囲内となるものとして得ることを特徴とする電解質・電極接合体の製造方法。 A solid electrolyte is interposed between the first electrode and the second electrode, the first electrode functions as either an anode side electrode or a cathode side electrode, and the second electrode is a cathode side electrode or In the method of manufacturing an electrolyte / electrode assembly that functions as one of the remaining anode-side electrodes,
Forming the first electrode by screen printing;
Forming an intermediate layer on the first electrode by screen printing;
Forming the solid electrolyte on the intermediate layer by screen printing;
At least a step of subjecting the first electrode, the intermediate layer and the solid electrolyte to a firing treatment;
Have
The first electrode is obtained as a porous body having pores through which gas can flow and having concave portions and convex portions on the end surface facing the solid electrolyte, while the intermediate layer is filled with the concave portions. While burying the convex part, the thickness after sintering is set to be equal to or larger than the average pore diameter of the first electrode, and the difference obtained by subtracting the value of the average pore diameter of the first electrode from the value of the thickness is 0 to A method for producing an electrolyte / electrode assembly, which is obtained in a range of 17 μm.
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