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JP2014072115A - Method for manufacturing fuel cell - Google Patents

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JP2014072115A
JP2014072115A JP2012219078A JP2012219078A JP2014072115A JP 2014072115 A JP2014072115 A JP 2014072115A JP 2012219078 A JP2012219078 A JP 2012219078A JP 2012219078 A JP2012219078 A JP 2012219078A JP 2014072115 A JP2014072115 A JP 2014072115A
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JP
Japan
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layer
electrolyte layer
fuel cell
intermediate layer
firing
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JP2012219078A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshio Okada
祥夫 岡田
Yasuhiro Izawa
康浩 伊澤
Shinya Yamaguchi
真也 山口
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】燃料電池の界面抵抗の増加を抑えることができる。
【解決手段】アノード層116と電解質層112との間に、中間層118を有する燃料電池の製造方法であって、アノード層116に中間層118を積層した後に、セ氏1400度以上で焼成する工程と、中間層118に電解質層112を積層した後に、セ氏1300度以上で焼成する工程と、を備える。
【選択図】図4
An increase in the interface resistance of a fuel cell can be suppressed.
A method of manufacturing a fuel cell having an intermediate layer (118) between an anode layer (116) and an electrolyte layer (112), wherein the intermediate layer (118) is laminated on the anode layer (116) and then fired at 1400 degrees Celsius or higher. And a step of firing at 1300 degrees Celsius or higher after the electrolyte layer 112 is laminated on the intermediate layer 118.
[Selection] Figure 4

Description

本発明は、燃料電池の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell.

アノードガスとカソードガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムが注目されている。この燃料電池には、電解質膜として酸化物膜を用いた固体酸化物形燃料電池がある。   A fuel cell system using a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between an anode gas and a cathode gas as an energy source has attracted attention. This fuel cell includes a solid oxide fuel cell using an oxide film as an electrolyte membrane.

近年、電解質層とアノード層との間に中間層を設ける技術が提案されている。例えば、下記特許文献1に記載された技術では、ランタンガレート系電解質層と、ニッケル系アノード層との間に中間層が設けられている。この中間層を設けることによる、電解質層とアノード層との間における金属元素の相互拡散や化学反応により、不純物から形成される層や、電気的な抵抗を上昇させる層の生成が防止される。   In recent years, a technique for providing an intermediate layer between an electrolyte layer and an anode layer has been proposed. For example, in the technique described in Patent Document 1 below, an intermediate layer is provided between a lanthanum gallate electrolyte layer and a nickel anode layer. By providing this intermediate layer, generation of a layer formed of impurities or a layer that increases electrical resistance is prevented by mutual diffusion or chemical reaction of metal elements between the electrolyte layer and the anode layer.

特開2011−142042号公報JP 2011-142042 A 特開2011−216464号公報JP 2011-216464 A 特開2009−016109号公報JP 2009-016109 A

ところで、上記特許文献1では、以下の方法で、アノード層と、中間層と、電解質層とを形成している。予備焼結状態のニッケル系アノード層上に、中間層としてのLSGM粉末及びLDC粉末の混合粉末の懸濁液を塗布して乾燥した後に、塗布面の上に電解質層としてのLSGM粉末の懸濁液を塗布する。この積層体をセ氏1400度で6時間加熱して共焼結させる。   By the way, in the said patent document 1, the anode layer, the intermediate | middle layer, and the electrolyte layer are formed with the following method. A suspension of a mixed powder of LSGM powder and LDC powder as an intermediate layer is applied on a nickel-based anode layer in a pre-sintered state and dried, and then a suspension of LSGM powder as an electrolyte layer on the coated surface. Apply liquid. This laminate is heated at 1400 degrees Celsius for 6 hours for co-sintering.

しかし、特許文献1に記載された方法では、共焼結時にLDCとLSGMとの間にニッケルを含む層が形成される。この層により、界面抵抗が増加するという課題があった。なお、Niを含む層が発生するメカニズムは以下のようなものであると推定される。LDCの粒界を通ってアノード層のNiO(酸化ニッケル)がLSGM側へ拡散する。そのNiOがLSGMのMg(マグネシウム)と反応する。反応の結果、LDCとLSGMとの間にNiを含む層が形成される。   However, in the method described in Patent Document 1, a layer containing nickel is formed between LDC and LSGM during co-sintering. This layer has a problem that the interface resistance increases. In addition, it is estimated that the mechanism in which the layer containing Ni is generated is as follows. NiO (nickel oxide) in the anode layer diffuses to the LSGM side through the grain boundary of the LDC. The NiO reacts with Mg (magnesium) of LSGM. As a result of the reaction, a layer containing Ni is formed between LDC and LSGM.

そのため、LSGM、LDC含有の燃料電池の製造方法において、界面抵抗の増加を抑制することが可能な技術が望まれていた。そのほか、従来の燃料電池の製造方法においては、省資源化、製造の容易化、製造の精確さ、作業性の向上等が望まれていた。   Therefore, a technique capable of suppressing an increase in interface resistance has been desired in a method for producing a fuel cell containing LSGM and LDC. In addition, in the conventional fuel cell manufacturing method, it has been desired to save resources, facilitate manufacturing, improve manufacturing accuracy, improve workability, and the like.

本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することができる。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms.

(1)本発明の一形態によれば、燃料電池の製造方法が提供される。この燃料電池の製造方法は、アノード層と電解質層との間に、中間層を有する燃料電池の製造方法であって、前記アノード層と、前記中間層とをセ氏1400度以上で焼成する工程と;前記中間層に前記電解質層を塗布した後に、セ氏1300度以上で焼成する工程と、を備える。この形態の燃料電池の製造方法によれば、LDCの焼成を進め、金属粒子の粒成長を促進する。これにより金属粒子の粒子径が大きくなり、粒界が減少する。この結果、NiOの拡散が抑制され、界面抵抗の増加を抑制することができる。 (1) According to one form of this invention, the manufacturing method of a fuel cell is provided. This fuel cell manufacturing method is a method of manufacturing a fuel cell having an intermediate layer between an anode layer and an electrolyte layer, and the step of firing the anode layer and the intermediate layer at 1400 degrees Celsius or higher; And, after applying the electrolyte layer to the intermediate layer, firing at 1300 degrees Celsius or higher. According to the fuel cell manufacturing method of this embodiment, the firing of LDC is advanced and the grain growth of metal particles is promoted. This increases the particle diameter of the metal particles and reduces the grain boundaries. As a result, diffusion of NiO can be suppressed and increase in interface resistance can be suppressed.

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。本発明は、例えば、SOFCにおける中間層の形成用スラリーとしての形態、MEAおよびその製造方法としての形態の他、固体酸化物形燃料電池の製造方法の形態で実現することができる。   Note that the present invention can be realized in various modes. The present invention can be realized, for example, in the form of a solid oxide fuel cell in addition to a form as a slurry for forming an intermediate layer in SOFC, a form as an MEA and a production method thereof.

本発明の実施形態としての燃料電池100の概略構成を斜視にて示す説明図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell 100 as embodiment of this invention with a perspective view. 図1における2−2線に沿った膜電極接合体110の概略断面を各層の組成の様子と合わせて示す説明図。Explanatory drawing which shows the schematic cross section of the membrane electrode assembly 110 along the 2-2 line in FIG. 1 with the mode of a composition of each layer. アノード電極116中間層118電解質層112からなる積層体S1の製造手順を示す説明図。Explanatory drawing which shows the manufacture procedure of laminated body S1 which consists of the anode electrode 116 intermediate | middle layer 118 electrolyte layer 112. FIG. アノード電極116中間層118電解質層112からなる積層体S2の製造手順を示す説明図。Explanatory drawing which shows the manufacturing procedure of laminated body S2 which consists of the anode electrode 116 intermediate | middle layer 118 electrolyte layer 112. FIG. アノード電極116中間層118電解質層112からなる積層体S3の製造手順を示す説明図。Explanatory drawing which shows the manufacture procedure of laminated body S3 which consists of the anode electrode 116 intermediate | middle layer 118 electrolyte layer 112. FIG. 電解質層112に拡散浸透したNiの濃度(Ni濃度)と、カソード電極114とアノード電極116の間のIR(1cm2あたりの抵抗値Ω)とを示した説明図。4 is an explanatory diagram showing the concentration of Ni diffused and permeated into the electrolyte layer 112 (Ni concentration) and the IR (resistance value Ω per cm 2 ) between the cathode electrode 114 and the anode electrode 116. FIG.

A.実施形態:
A1.燃料電池の構成:
図1は、本発明の実施形態としての燃料電池100の概略構成を斜視にて示す説明図である。図2は、図1における2−2線に沿った膜電極接合体110の概略断面を各層の組成の様子と合わせて示す説明図である。
A. Embodiment:
A1. Fuel cell configuration:
FIG. 1 is an explanatory view showing a schematic configuration of a fuel cell 100 as an embodiment of the present invention in a perspective view. FIG. 2 is an explanatory view showing a schematic cross section of the membrane electrode assembly 110 along the line 2-2 in FIG. 1 together with the composition of each layer.

図1に示すように、燃料電池100は、膜電極接合体110を図示しない集電体層を介在させてセパレータ120で挟持した上で、膜電極接合体110とセパレータ120とを複数積層したスタック構造を有する。膜電極接合体110は、電解質層112をカソード電極114とアノード電極116で挟持した構成を備え、アノード電極116の側において、電解質層112とアノード電極116との間に中間層118を備える。図1における膜電極接合体110の上下に配される図示しない集電体層は、集電機能を備える。さらに、集電体層は、カソード電極114とアノード電極116に、酸化ガス或いは燃料ガスを拡散供給する機能を備える。なお、アノード電極116を図示しない補強板材で保持することもでき、この場合の補強板材はガス透過性を有する。   As shown in FIG. 1, the fuel cell 100 includes a stack in which a plurality of membrane electrode assemblies 110 and separators 120 are stacked after a membrane electrode assembly 110 is sandwiched between separators 120 with a collector layer (not shown) interposed therebetween. It has a structure. The membrane electrode assembly 110 has a configuration in which an electrolyte layer 112 is sandwiched between a cathode electrode 114 and an anode electrode 116, and an intermediate layer 118 is provided between the electrolyte layer 112 and the anode electrode 116 on the anode electrode 116 side. The current collector layers (not shown) arranged above and below the membrane electrode assembly 110 in FIG. 1 have a current collecting function. Further, the current collector layer has a function of diffusing and supplying oxidizing gas or fuel gas to the cathode electrode 114 and the anode electrode 116. The anode electrode 116 can also be held by a reinforcing plate material (not shown), and the reinforcing plate material in this case has gas permeability.

図2に示すように、膜電極接合体110を構成する電解質層112は、酸素イオン伝導性を有するランタンガレード系の固体酸化物の電解質層である。本実施形態では、ペロブスカイト型固体酸化物、具体的には、例えば、La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.23(以下、LSGMと称する)によって電解質層112を形成した。この電解質層112は、LSGMを細粒化して適宜な溶媒に分散したスラリーの塗工・乾燥およびその焼成を経て、0.01mm程度の薄膜状に成膜される。こうした電解質層112の薄膜化に伴う膜抵抗の低減と、その組成に基づく酸素イオン伝導性発揮の温度域とによって、本実施形態の膜電極接合体110は、800℃以下の比較的低温度域での発電が可能になる。 As shown in FIG. 2, the electrolyte layer 112 constituting the membrane electrode assembly 110 is a lanthanum galide-based solid oxide electrolyte layer having oxygen ion conductivity. In the present embodiment, the electrolyte layer 112 is formed of a perovskite solid oxide, specifically, for example, La 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 (hereinafter referred to as LSGM). The electrolyte layer 112 is formed into a thin film having a thickness of about 0.01 mm through coating, drying, and firing of a slurry in which LSGM is finely divided and dispersed in an appropriate solvent. The membrane electrode assembly 110 of the present embodiment has a relatively low temperature range of 800 ° C. or lower due to the reduction of the membrane resistance accompanying the thinning of the electrolyte layer 112 and the temperature range of oxygen ion conductivity based on the composition. It will be possible to generate electricity.

膜電極接合体110を電解質層112と共に構成するカソード電極114は、例えばランタン(La)系のペロブスカイト、例えば、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.83(以下、LSCFと称する)を用いて形成した電極である。このカソード電極114は、LSCFを細粒化して適宜な溶媒に分散したスラリーの塗工・乾燥およびその焼成を経て、0.01mm程度の薄膜状に製膜される。そして、カソード電極114は、後述のセパレータ120の酸化ガス流路121(図1)から供給された酸化ガス(例えば、空気)に含まれる酸素を、電解質層112に拡散させる。 The cathode electrode 114 constituting the membrane electrode assembly 110 together with the electrolyte layer 112 is formed using, for example, a lanthanum (La) perovskite, for example, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 (hereinafter referred to as LSCF). Electrode. The cathode electrode 114 is formed into a thin film having a thickness of about 0.01 mm through coating, drying and firing of a slurry in which LSCF is finely divided and dispersed in an appropriate solvent. The cathode electrode 114 diffuses oxygen contained in an oxidizing gas (for example, air) supplied from an oxidizing gas channel 121 (FIG. 1) of the separator 120 described later into the electrolyte layer 112.

膜電極接合体110を電解質層112と共に構成するアノード電極116は、ニッケル(Ni)を、酸化ニッケル(NiO)の形態で、例えば60wt%の電解質層形成材に配合して形成された電極である。この場合の電解質形成材料は、ガドリウム(Gd)をドープしたセリア(CeO2)で構成され(以下、GDCと称する)、このGDCにNiOを配合してアノード電極116が形成される(以下、NiO−GDCと称する)。 The anode electrode 116 constituting the membrane electrode assembly 110 together with the electrolyte layer 112 is an electrode formed by blending nickel (Ni) in the form of nickel oxide (NiO), for example, with an electrolyte layer forming material of 60 wt%. . The electrolyte forming material in this case is composed of ceria (CeO 2 ) doped with gadolinium (Gd) (hereinafter referred to as GDC), and NiO is blended with this GDC to form the anode electrode 116 (hereinafter referred to as NiO). -Referred to as GDC).

このアノード電極116は、NiO−GDCを細粒化して適宜な溶媒に分散したスラリーの塗工・乾燥およびその焼成を経て、0.3mm程度の薄膜状に製膜される。そして、アノード電極116は、後述のセパレータ120の燃料ガス流路122(図1)から供給された燃料ガス(例えば、水素ガス)に含まれる水素を、電解質層112に拡散させる。   This anode electrode 116 is formed into a thin film of about 0.3 mm through coating / drying and firing of a slurry obtained by finely pulverizing NiO-GDC and dispersing it in an appropriate solvent. The anode electrode 116 diffuses hydrogen contained in a fuel gas (for example, hydrogen gas) supplied from a fuel gas flow path 122 (FIG. 1) of the separator 120 described later into the electrolyte layer 112.

アノード側およびカソード側の上記のガス供給とアノード電極116での燃料成分の反応により、膜電極接合体110は、電解質層112の酸素イオン伝導性を利用した水素と酸素の電気化学反応を起こして発電する。なお、電解質層112の側のアノード電極界面には、白金等の触媒を担持した担体を含む触媒層を形成するようにしても良く、触媒を担持した担体を電解質層112に配合するようにしても良い。カソード電極114についても同様である。   Due to the above gas supply on the anode side and cathode side and the reaction of the fuel component at the anode electrode 116, the membrane electrode assembly 110 causes an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen using the oxygen ion conductivity of the electrolyte layer 112. Generate electricity. A catalyst layer containing a carrier carrying a catalyst such as platinum may be formed at the anode electrode interface on the electrolyte layer 112 side, and a carrier carrying a catalyst may be blended in the electrolyte layer 112. Also good. The same applies to the cathode electrode 114.

膜電極接合体110とアノード電極116との間に形成された中間層118は、ランタン(La)をドープしたセリア(CeO2)(以下、LDCと称する)から形成された中間層である。この中間層118は適宜な溶媒に分散したスラリーの塗工・乾燥およびその焼成を経て、0.005mm程度の薄膜状に製膜される。この中間層118を始め、電解質層112、アノード電極116の形成についてはさらに後述する。 The intermediate layer 118 formed between the membrane electrode assembly 110 and the anode electrode 116 is an intermediate layer formed from ceria (CeO 2 ) (hereinafter referred to as LDC) doped with lanthanum (La). The intermediate layer 118 is formed into a thin film having a thickness of about 0.005 mm through coating / drying of a slurry dispersed in an appropriate solvent and firing thereof. The formation of the intermediate layer 118, the electrolyte layer 112, and the anode electrode 116 will be further described later.

電解質層112は、ニッケル酸化物との固溶性が高いMgOを有することから、後述の焼成処理において、アノード電極116の構成元素であるNiを固溶して捕捉する。このため、中間層118は、図2において、Niの固溶捕捉後の状態として、LDC層と(Ni,Mg)O層とを含んでいる。   Since the electrolyte layer 112 has MgO that has a high solid solubility with nickel oxide, Ni that is a constituent element of the anode electrode 116 is solid-solution trapped in the firing process described later. For this reason, the intermediate layer 118 includes an LDC layer and a (Ni, Mg) O layer as a state after Ni solid solution trapping in FIG.

セパレータ120(図1)は、一方の面が一の膜電極接合体110のカソード電極114と接し、他方の面が他の膜電極接合体110のアノード電極116と接合する。セパレータ120は、カソード電極114の側に酸化ガス流路121を、アノード電極116の側に燃料ガス流路122を備え、図1に示すように、この両流路を交差させている。セパレータ120は、膜電極接合体110を電気的に直列に接続する機能と、燃料ガスと酸化ガスを物理的に隔離する機能を要求される。このため、電気伝導性を有する緻密な材料で構成される。具体的には、LaCrO3等のセラミックスやSUS等の金属材料が用いられるが、接触抵抗の低減のため、セパレータ120と接する集電体と同種の材料により形成することが望ましい。また、セパレータ120内に冷媒流路を設けることとしても良い。燃料電池100は、図1における上下のセパレータ120を含めて、発電単位となる単セルを構成する。 The separator 120 (FIG. 1) has one surface in contact with the cathode electrode 114 of one membrane electrode assembly 110 and the other surface bonded to the anode electrode 116 of the other membrane electrode assembly 110. The separator 120 includes an oxidizing gas channel 121 on the cathode electrode 114 side and a fuel gas channel 122 on the anode electrode 116 side, and these two channels intersect each other as shown in FIG. The separator 120 is required to have a function of electrically connecting the membrane electrode assembly 110 in series and a function of physically separating the fuel gas and the oxidizing gas. For this reason, it is comprised with the dense material which has electrical conductivity. Specifically, a ceramic material such as LaCrO 3 or a metal material such as SUS is used. However, in order to reduce contact resistance, it is desirable to form the same material as the current collector in contact with the separator 120. In addition, a coolant channel may be provided in the separator 120. The fuel cell 100 includes a single cell serving as a power generation unit including the upper and lower separators 120 in FIG.

なお、図1では記載を省略しているが、燃料電池スタック内には、燃料電池スタックを積層方向に貫通する燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化ガス供給マニホールドおよび酸化ガス排出マニホールドが設けられている。燃料電池スタックに対して燃料ガスが供給されると、燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールドを介して燃料ガス流路に分配されて電気化学反応に供され、その後、燃料ガス排出マニホールドに集合して外部に導かれる。また、燃料電池スタックに対して酸化ガスが供給されると、酸化ガスは、酸化ガス供給マニホールドを介して酸化ガス流路に分配されて電気化学反応に供され、その後酸化ガス排出マニホールドに集合して外部に導かれる。燃料ガスとしては、例えば、純度の高い水素ガスを用いることができ、酸化ガスとしては、例えば、空気を用いることができる。   Although not shown in FIG. 1, a fuel gas supply manifold, a fuel gas discharge manifold, an oxidizing gas supply manifold, and an oxidizing gas discharge manifold that penetrate the fuel cell stack in the stacking direction are provided in the fuel cell stack. It has been. When fuel gas is supplied to the fuel cell stack, the fuel gas is distributed to the fuel gas flow path through the fuel gas supply manifold and used for the electrochemical reaction, and then gathers in the fuel gas discharge manifold. Guided outside. Further, when the oxidizing gas is supplied to the fuel cell stack, the oxidizing gas is distributed to the oxidizing gas flow path via the oxidizing gas supply manifold and used for the electrochemical reaction, and then gathers in the oxidizing gas discharge manifold. To the outside. As the fuel gas, for example, high purity hydrogen gas can be used, and as the oxidizing gas, for example, air can be used.

図3は、アノード電極116、中間層118、電解質層112からなる積層体S1の製造手順を示す説明図である。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing a manufacturing procedure of the laminate S1 including the anode electrode 116, the intermediate layer 118, and the electrolyte layer 112.

まず、上記した形成材料からなるアノード電極116のスラリーが、例えば補強板材の一方の面に塗工される。次に、中間層118のスラリーがアノード電極116に積層するように塗工される。この状態の積層体を積層体S1aといい、図3に示す。この積層体について、焼成装置において、セ氏1300度で2時間に亘り第1の焼成を行う。この処理を終えた状態を、図3において積層体S1bとする。その後、積層体S1bを冷却した後に、積層体S1bにおいて、中間層118側に電解質層112のスラリーが塗工される。この状態の積層体を積層体S1cといい、図3に示す。   First, the slurry of the anode electrode 116 made of the above-described forming material is applied to, for example, one surface of a reinforcing plate. Next, the slurry of the intermediate layer 118 is applied so as to be laminated on the anode electrode 116. The laminated body in this state is referred to as a laminated body S1a and is shown in FIG. About this laminated body, 1st baking is performed in a baking apparatus at 2300 degrees Celsius for 2 hours. The state after this processing is referred to as a stacked body S1b in FIG. Thereafter, after the multilayer body S1b is cooled, the slurry of the electrolyte layer 112 is applied to the intermediate layer 118 side in the multilayer body S1b. The laminated body in this state is referred to as a laminated body S1c and is shown in FIG.

次に、積層体S1cについて、焼成装置において、セ氏1300度で2時間に亘り第2の焼成を行う。この方法において作成された積層体を積層体S1とする。積層体S1の中間層118には、LDC層118aのほかに、電解質層112側に(Ni,Mg)O層118bが形成される。電解質層112は、ニッケル酸化物との固溶性が高いMgOを有する。このため、電解質層112の焼成に伴って生じる粒界において、アノード電極116の構成元素であるNiが、(Ni,Mg)Oとして固溶されるため、(Ni,Mg)O層118bが形成される。   Next, the stacked body S1c is subjected to second baking at 1300 degrees Celsius for 2 hours in a baking apparatus. Let the laminated body produced in this method be the laminated body S1. In the intermediate layer 118 of the stacked body S1, in addition to the LDC layer 118a, a (Ni, Mg) O layer 118b is formed on the electrolyte layer 112 side. The electrolyte layer 112 has MgO having high solid solubility with nickel oxide. For this reason, Ni, which is a constituent element of the anode electrode 116, is solid-solved as (Ni, Mg) O at the grain boundary that occurs as the electrolyte layer 112 is fired, so that the (Ni, Mg) O layer 118b is formed. Is done.

図4は、アノード電極116、中間層118、電解質層112からなる積層体S2の製造手順を示す説明図である。   FIG. 4 is an explanatory diagram showing a manufacturing procedure of the laminate S2 including the anode electrode 116, the intermediate layer 118, and the electrolyte layer 112.

まず、積層体S1と同様に、上記した形成材料からなるアノード電極116のスラリーが、例えば補強板材の一方の面に塗工される。次に、中間層118のスラリーがアノード電極116に積層するように塗工される。この状態の積層体を積層体S2aといい、図4に示す。   First, similarly to the laminated body S1, a slurry of the anode electrode 116 made of the above-described forming material is applied to one surface of a reinforcing plate, for example. Next, the slurry of the intermediate layer 118 is applied so as to be laminated on the anode electrode 116. The laminated body in this state is referred to as a laminated body S2a and is shown in FIG.

積層体S2aについて、焼成装置において、セ氏1400度で2時間に亘り第1の焼成を行う。この処理を終えた状態を、図4において積層体S2bとする。その後、積層体S2bを冷却した後に、積層体S2bにおいて、中間層118側に電解質層112のスラリーが塗工される。この状態の積層体を積層体S2cといい、図4に示す。   The stacked body S2a is subjected to first baking at 1400 degrees Celsius for 2 hours in a baking apparatus. The state after the completion of this process is referred to as a stacked body S2b in FIG. Thereafter, after the multilayer body S2b is cooled, the slurry of the electrolyte layer 112 is applied to the intermediate layer 118 side in the multilayer body S2b. The laminated body in this state is referred to as a laminated body S2c and is shown in FIG.

次に、積層体S2cについて、焼成装置において、セ氏1300度で2時間に亘り第2の焼成を行う。この方法において作成された積層体を積層体S2とする。積層体S2の中間層118においても、電解質層112側に(Ni,Mg)O層118bが形成される。なお、積層体S1と積層体S2とは、第1の焼成における温度が異なる。   Next, the stacked body S2c is subjected to second baking at 1300 degrees Celsius for 2 hours in a baking apparatus. Let the laminated body produced in this method be the laminated body S2. Also in the intermediate layer 118 of the stacked body S2, the (Ni, Mg) O layer 118b is formed on the electrolyte layer 112 side. The stacked body S1 and the stacked body S2 have different temperatures in the first firing.

図5は、アノード電極116、中間層118、電解質層112からなる積層体S3の製造手順を示す説明図である。   FIG. 5 is an explanatory diagram showing a manufacturing procedure of the laminate S3 including the anode electrode 116, the intermediate layer 118, and the electrolyte layer 112.

まず、積層体S1と同様に、上記した形成材料からなるアノード電極116のスラリーが、例えば補強板材の一方の面に塗工される。その後、中間層118のスラリーをアノード電極116に積層するように塗工される。   First, similarly to the laminated body S1, a slurry of the anode electrode 116 made of the above-described forming material is applied to one surface of a reinforcing plate, for example. Thereafter, the slurry of the intermediate layer 118 is applied so as to be laminated on the anode electrode 116.

次に、アノード電極116と中間層118の積層体において、中間層118側に電解質層112のスラリーが塗工される。この処理を終えた状態を、図5において積層体S3aとする。   Next, in the laminated body of the anode electrode 116 and the intermediate layer 118, the slurry of the electrolyte layer 112 is applied to the intermediate layer 118 side. The state after the completion of this process is referred to as a laminate S3a in FIG.

この積層体S3aについて、焼成装置において、セ氏1400度で2時間に亘り焼成を行う。この方法において作成された積層体を積層体S3とする。積層体S3の中間層118においても、電解質層112側に(Ni,Mg)O層118bが形成される。なお、積層体S2と積層体S3とは、焼成を行う回数が異なる。積層体S2においては、焼成を2度行っているが、積層体S3においては、焼成は1度のみである。   The stacked body S3a is fired at 1400 degrees Celsius for 2 hours in a firing apparatus. Let the laminated body produced in this method be the laminated body S3. Also in the intermediate layer 118 of the stacked body S3, the (Ni, Mg) O layer 118b is formed on the electrolyte layer 112 side. Note that the number of firings is different between the stacked body S2 and the stacked body S3. In the laminate S2, firing is performed twice, but in the laminate S3, firing is performed only once.

この後、積層体S1、S2、S3は、電解質層112側にカソード電極114のスラリーが塗工され、セ氏1300度で2時間にわたり焼成される。積層体S1、S2、S3から形成された膜電極接合体110を、そえぞれ、セルA、セルB、セルCと呼ぶ。   Thereafter, the laminates S1, S2, and S3 are coated with the slurry of the cathode electrode 114 on the electrolyte layer 112 side and fired at 1300 degrees Celsius for 2 hours. The membrane electrode assemblies 110 formed from the stacked bodies S1, S2, and S3 are referred to as cell A, cell B, and cell C, respectively.

なお、燃料電池100の製造手順は、以下のようになる。まず、図1に示すように膜電極接合体110の両側に集電体層(図示せず)を配置する。その後、これとセパレータ120とを交互に配置する。そして、その上下に図示しないエンドプレートを配置する。最後に、これらを積層方向に締結具にて締結し、燃料電池100を得る。   The manufacturing procedure of the fuel cell 100 is as follows. First, current collector layers (not shown) are disposed on both sides of the membrane electrode assembly 110 as shown in FIG. Then, this and the separator 120 are arrange | positioned alternately. Then, end plates (not shown) are arranged above and below. Finally, these are fastened with a fastener in the stacking direction to obtain the fuel cell 100.

こうして得られた燃料電池100、詳しくは膜電極接合体110の特性について説明する。図6は、電解質層112に拡散浸透したNiの濃度(Ni濃度)と、無負荷状態でのカソード電極114とアノード電極116の間のIR(1cm2あたりの抵抗値Ω)とを、セルごとに示している。 The characteristics of the fuel cell 100 thus obtained, specifically, the membrane electrode assembly 110 will be described. FIG. 6 shows the concentration of Ni diffused and permeated into the electrolyte layer 112 (Ni concentration) and the IR (resistance value Ω per cm 2 ) between the cathode electrode 114 and the anode electrode 116 in an unloaded state for each cell. It shows.

Ni濃度とIRは、次のように測定した。まず、膜電極接合体110を上下のセパレータ120で挟持した測定セルとし、この測定セルを600℃の運転温度下においた上で、カソード電極114とアノード電極116に燃料ガスおよび酸化ガスを供給し、3時間に亘って継続運転した。そして、カソード電極114とアノード電極116の間のIR(1cm2あたりの抵抗値Ω)を測定した。運転終了後に電解質層112を分解して取り出し、元素分析器にてNi濃度を求めた。このNi濃度は、電解質層112に含まれるNiの原子数を、電解質層112の構成元素であるLa、Sr、GaおよびMgの原子数総和で除算して求めた。 Ni concentration and IR were measured as follows. First, the membrane electrode assembly 110 is used as a measurement cell sandwiched between upper and lower separators 120. The measurement cell is placed at an operating temperature of 600 ° C., and then fuel gas and oxidizing gas are supplied to the cathode electrode 114 and the anode electrode 116. The operation was continued for 3 hours. Then, IR (resistance value Ω per cm 2 ) between the cathode electrode 114 and the anode electrode 116 was measured. After the operation was completed, the electrolyte layer 112 was disassembled and taken out, and the Ni concentration was determined using an element analyzer. The Ni concentration was obtained by dividing the number of Ni atoms contained in the electrolyte layer 112 by the total number of atoms of La, Sr, Ga, and Mg that are constituent elements of the electrolyte layer 112.

この測定により、本発明の実施形態であるセルBは、セルAやセルCに比べてNi濃度及びIRについて低い結果が示された。この結果から、以下のことがいえる。つまり、セルA、Bの製造方法によれば、セルCの製造方法とは異なり、電解質層112を塗工する前に、アノード電極116と中間層118とを焼成させる。このため、中間層118の焼成が進み、金属粒子の粒成長は促進される。   By this measurement, the cell B which is an embodiment of the present invention showed lower results for the Ni concentration and IR than the cell A and cell C. From this result, the following can be said. That is, according to the manufacturing method of the cells A and B, unlike the manufacturing method of the cell C, the anode electrode 116 and the intermediate layer 118 are fired before the electrolyte layer 112 is applied. For this reason, the firing of the intermediate layer 118 proceeds, and the grain growth of the metal particles is promoted.

また、セルBの製造方法は、セルAの製造方法と比べて、第1の焼成の焼成温度が高い。このため、中間層118の焼成による金属粒子の粒成長は、セルAよりもさらに促進される。金属粒子の粒成長の促進により、金属粒子の粒子径がより大きくなり、粒界が減少する。これにより、Niの移動が抑制されて(Ni,Mg)O層の割合が減り、IRが小さくなったと推測される。   In addition, the manufacturing method of the cell B has a higher firing temperature for the first firing than the manufacturing method of the cell A. For this reason, the grain growth of the metal particles due to the firing of the intermediate layer 118 is further promoted than the cell A. By promoting the grain growth of the metal particles, the particle diameter of the metal particles becomes larger and the grain boundaries decrease. Thereby, it is presumed that the movement of Ni is suppressed, the ratio of the (Ni, Mg) O layer is reduced, and the IR is reduced.

なお、課題を解決するための手段に記載の「セ氏1400度以上で焼成する工程」は、本実施形態における「第1の焼成」に相当する。「セ氏1300度以上で焼成する工程」は、「第2の焼成」に相当する。また、「アノード層」は、「アノード電極」に相当する。   The “step of firing at 1400 ° C. or higher” described in the means for solving the problem corresponds to “first firing” in the present embodiment. The “step of firing at 1300 degrees Celsius or higher” corresponds to “second firing”. The “anode layer” corresponds to an “anode electrode”.

B.変形例:
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様で実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
B. Variations:
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to such embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention. For example, the following modifications are possible.

B1.変形例1:
上記実施形態において、焼成時間は2時間としたが、本発明はこれに限られない。つまり、焼成時間は、焼成を行うものの体積や形態などによってことなるため、変更できる。
B1. Modification 1:
In the above embodiment, the firing time is 2 hours, but the present invention is not limited to this. That is, the firing time can be changed because it varies depending on the volume and form of the material to be fired.

B2.変形例2:
上記実施形態において、アノード電極116と中間層118を焼成する工程ののち、中間層118と電解質層112を焼成する工程となる。しかし、本発明はこれに限られない。つまり、中間層118と電解質層112を焼成する工程ののち、アノード電極116と中間層118を焼成する工程としてもよい。
B2. Modification 2:
In the above embodiment, after the step of firing the anode electrode 116 and the intermediate layer 118, the step of firing the intermediate layer 118 and the electrolyte layer 112 is performed. However, the present invention is not limited to this. That is, after the step of firing the intermediate layer 118 and the electrolyte layer 112, the step of firing the anode electrode 116 and the intermediate layer 118 may be performed.

100…燃料電池
110…膜電極接合体
112…電解質層
114…カソード電極
116…アノード電極
118…中間層
118a…LDC層
118b…(Ni,Mg)O層
120…セパレータ
121…酸化ガス流路
122…燃料ガス流路
A…セル
B…セル
C…セル
S1…積層体
S1a…積層体
S1b…積層体
S1c…積層体
S2…積層体
S2a…積層体
S2b…積層体
S2c…積層体
S3…積層体
S3a…積層体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Fuel cell 110 ... Membrane electrode assembly 112 ... Electrolyte layer 114 ... Cathode electrode 116 ... Anode electrode 118 ... Intermediate layer 118a ... LDC layer 118b ... (Ni, Mg) O layer 120 ... Separator 121 ... Oxidation gas flow path 122 ... Fuel gas flow path A ... cell B ... cell C ... cell S1 ... laminate S1a ... laminate S1b ... laminate S1c ... laminate S2 ... laminate S2a ... laminate S2b ... laminate S2c ... laminate S3 ... laminate S3a ... Laminated body

Claims (1)

アノード層と電解質層との間に、中間層を有する燃料電池の製造方法であって、
前記アノード層に前記中間層を積層した後に、セ氏1400度以上で焼成する工程と、
前記中間層に前記電解質層を積層した後に、セ氏1300度以上で焼成する工程と、を備える、燃料電池の製造方法。
A method of manufacturing a fuel cell having an intermediate layer between an anode layer and an electrolyte layer,
After laminating the intermediate layer on the anode layer, firing at 1400 degrees Celsius or higher,
And a step of firing at 1300 degrees Celsius or higher after laminating the electrolyte layer on the intermediate layer.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019107194A1 (en) * 2017-11-29 2019-06-06 国立大学法人京都大学 Proton conductor, proton-conducting cell structure, water vapor electrolysis cell, and method for producing hydrogen electrode-solid electrolyte layer complex
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